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化学反応における超高速非断熱ダイナミクスの研究

研究課題

研究課題/領域番号 21H04970
研究種目

特別推進研究

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関京都大学

研究代表者

鈴木 俊法  京都大学, 理学研究科, 教授 (10192618)

研究分担者 鈴木 喜一  北海道医療大学, 医療技術学部, 准教授 (10415200)
山本 遥一  京都大学, 理学研究科, 助教 (70837319)
足立 俊輔  京都大学, 理学研究科, 准教授 (90431874)
THUERMER STEPHAN  京都大学, 理学研究科, 准教授 (40722161)
研究期間 (年度) 2021-05-18 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
600,210千円 (直接経費: 461,700千円、間接経費: 138,510千円)
2025年度: 55,770千円 (直接経費: 42,900千円、間接経費: 12,870千円)
2024年度: 59,670千円 (直接経費: 45,900千円、間接経費: 13,770千円)
2023年度: 67,470千円 (直接経費: 51,900千円、間接経費: 15,570千円)
2022年度: 224,380千円 (直接経費: 172,600千円、間接経費: 51,780千円)
2021年度: 192,920千円 (直接経費: 148,400千円、間接経費: 44,520千円)
キーワード化学反応 / 光電子分光 / 非断熱遷移 / 極端紫外光 / 超高速分光 / 時間分解光電子分光 / 液体 / マイクロ流路 / 両親媒性物質 / 気液界面 / フラン / エチレン / 高次高調波発生 / 過渡吸収分光 / 核酸塩基 / フェムト秒 / 電子緩和 / 光異性化
研究開始時の研究の概要

生命・環境にとって最も重要でありながら、科学的には極めて複雑な研究対象である水溶液中の化学反応について、反応途上に起こる電子状態変化と原子の波束運動をリアルタイム観測し、その詳細を解明する。あらゆる分子をあらゆる電子状態からイオン化できる極端紫外レーザーを用い、10フェムト秒という極限的な時間分解能で反応途上の分子から電子を放出させ、反応の全過程を観測する。溶媒効果の本質を解明するために、気相・液相の反応を実験的に比較すると共に、最先端の理論研究と連携して溶液化学反応のダイナミクスを解明し、多様な分野に波及する基礎科学的学理を確立する。

研究実績の概要

チタンサファイアレーザーの光パルスをマルチプレート法やガス法を用いて短パルス化し、非線形光学過程によって発生される深紫外光と極短紫外光の時間幅を各々10fs以下に圧縮した。この装置を用いて、気相のフラン、エチレン、ピラジン分子の深紫外励起・極端紫外光イオン化光電子分光を11-15fsという高い時間分解能で実現し、これらの分子の超高速内部転換の実時間観測や量子ビートの観測に成功した。
液体の時間分解光電子分光では、マイクロ流路を利用し、真空中に直径25ミクロンの液体流を2本射出衝突させ、幅数mm、厚み0.7ミクロンの膜状の液体ジェットを発生した。液膜を利用することで、従来のマイクロジェットと比べて分光効率を8倍上げるとともに、液体表面に任意の角度で光を照射することが可能となった。また、繰り返し周波数を10kHzから50 kHzにアップグレードし、高いS/N比で光電子スペクトルが観測できるようになった。核酸塩基に関しては、気相孤立分子と液相分子の時間分解光電子分光を実現し、世界で初めて両相のダイナミクスを光電子分光で比較することを可能にした。また、水溶液中での溶質から溶媒への電荷移動(CTTS)反応を、紫外光電子分光と極端紫外光電子分光の両者で研究・比較し、前者において起こる溶液内電子散乱の影響を除去するSpectral Retrieval法を世界で初めて開発した。
時間分解光電子分光と相補的な分光情報を得るため、時間分解赤外分光装置ならびに深紫外過渡吸収分光装置を開発し、核酸塩基水溶液に関する集中的な研究を行うとともに、量子化学計算による振動スペクトル解析を行った。その結果、光電子分光だけでは観測の難しい三重項状態や基底状態の過渡種の生成を明らかにした。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

コロナ禍における活動制限や新規装置の導入の遅延などによる全体的な研究の困難があったにもかかわらず、特別推進研究において計画に掲げた、10 fs光源の開発、液膜発生装置の開発、spectral retrieval法の開発、時間分解赤外分光装置の開発などが順調に進行している。また、理論研究グループとの共同研究も進行し、かつ量子化学計算を専門とする研究員を研究グループに雇用したことで、実験と理論の非常に密な研究が期待通り進行している。深紫外励起と極端紫外イオン化による時間分解光電子分光において世界的に最先端の研究を推進しており、短期間に日本化学会誌のBCSJ賞を2度受賞しているほか、化学の分野におけるtop journalである米国化学会誌に多数の論文発表を行っている。

今後の研究の推進方策

今後とも気相・液相両相における超高速非断熱化学反応を、時間分解極端紫外光電子分光と赤外分光を中心に連携した実験研究を行い、さらに先端的な量子化学計算や分子動力学計算を進めていく。一つの中核的テーマは核酸塩基である。特にウラシル・チミンなどで内部転換後に基底状態で異性化反応するという説を検証することに勢力を傾けている。光電子分光の実験面では、10 fsの極限的時間分解能による実験と100 kHzの光繰り返しレーザーによる高いS/N費の測定を両輪に進める。赤外分光については、観測されたスペクトルの理論解析が挑戦的であり、光電子分光や計算との強い連携の下に研究を発展されていく。気液界面の分子凝集構造の研究や溶質の濃縮効果(界面化学・大気科学)、水溶液中での核酸塩基水溶液の電子緩和過程(生物物理化学)、水中での水和電子の生成と緩和(放射線化学)などが重要なテーマとなる。研究手法として時間分解光電子分光、赤外分光、過渡吸収分光をすべて動員した総合的な研究は世界的にも類例がなく、技術的に高度でかつ統合された質の高い実験研究に今後とも注力していきたい。また、当初の計画にはなかった新たな取り組みとしては、時間分解能をアト秒領域に高めた光イオン化遅延時間測定の実験を液体に適用する計画であり、すでに装置は概ね完成している。

評価記号
中間評価所見 (区分)

A: 研究領域の設定目的に照らして、期待どおりの進展が認められる

報告書

(6件)
  • 2023 研究概要(中間評価) ( PDF )   中間評価(所見) ( PDF )
  • 2022 実績報告書
  • 2021 研究概要(採択時) ( PDF )   審査結果の所見 ( PDF )   実績報告書
  • 研究成果

    (49件)

すべて 2024 2023 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (5件) 雑誌論文 (13件) (うち国際共著 6件、 査読あり 13件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (30件) (うち国際学会 4件、 招待講演 2件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] ニューヨーク大学上海校(中国)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] ビュルツブルグ大学(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] Wurzburg University(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] University of Zurich(スイス)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] Stockholm University(スウェーデン)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] Signatures of Conical Intersections in Extreme Ultraviolet Photoelectron Spectra of Furan Measured with 15 fs Time Resolution2024

    • 著者名/発表者名
      Uenishi Ryuta、Boyer Alexie、Karashima Shutaro、Humeniuk Alexander、Suzuki Toshinori
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 15 号: 8 ページ: 2222-2227

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.3c03582

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Vibrational Motions in Ultrafast Electronic Relaxation of Pyrazine2024

    • 著者名/発表者名
      Karashima Shutaro、Humeniuk Alexander、Suzuki Toshinori
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society

      巻: - ページ: 11067-1071

    • DOI

      10.1021/jacs.4c02886

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Charge Transfer Reactions from I- to Polar Protic Solvents Studied Using Ultrafast Extreme Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy2023

    • 著者名/発表者名
      Yo-ichi Yamamoto, Yoshi-Ichi Suzuki, and Toshinori Suzuki
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 14 号: 4 ページ: 1052-1058

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.2c03849

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Ultrafast Ring Closure Reaction of Gaseous <i>cis</i>-Stilbene from S<sub>1</sub>(ππ*)2023

    • 著者名/発表者名
      Karashima Shutaro、Miao Xincheng、Kanayama Akio、Yamamoto Yo-ichi、Nishitani Junichi、Kavka Nikita、Mitric Roland、Suzuki Toshinori
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society

      巻: 145 号: 6 ページ: 3283-3288

    • DOI

      10.1021/jacs.2c12266

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Formation of Long-Lived Dark States during Electronic Relaxation of Pyrimidine Nucleobases Studied Using Extreme Ultraviolet Time-Resolved Photoelectron Spectroscopy2023

    • 著者名/発表者名
      Yuta Miura, Yo-ichi Yamamoto, Shutaro Karashima, Natsumi Orimo, Ayano Hara, Kanae Fukuoka, Tatsuya Ishiyama, and Toshinori Suzuki
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society

      巻: 145 号: 6 ページ: 3369-3381

    • DOI

      10.1021/jacs.2c09803

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Ultrafast Electronic Relaxation in 6-Methyluracil and 5-Fluorouracil in Isolated and Aqueous Conditions: Substituent and Solvent Effects2023

    • 著者名/発表者名
      Natsumi Orimo, Yo-ichi Yamamoto, Shutaro Karashima, Alexie Boyer, and Toshinori Suzuki
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 14 号: 11 ページ: 2758-2763

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.3c00195

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Distortion correction of low-energy photoelectron spectra of liquids using spectroscopic data for solvated electrons2023

    • 著者名/発表者名
      Yo-ichi Yamamoto and Toshinori Suzuki
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry A

      巻: 14 号: 11 ページ: 2440-2452

    • DOI

      10.1021/acs.jpca.2c08046

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Extreme Ultraviolet Laser Photoelectron Spectroscopy of Flat Liquid Jet Generated Using Microfluidic Device2023

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto, Y.-I.; Yano, H.; Karashima, S.; Uenishi, R.; Orimo, N.; Nishitani, J.; Suzuki, T.
    • 雑誌名

      Bulletin of the Chemical Society of Japan

      巻: 96 号: 9 ページ: 938-942

    • DOI

      10.1246/bcsj.20230151

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Ultrafast Geminate Recombination Facilitated by Hydrogen Atom Transfer in Charge Transfer Reactions from Hydroxide and Methoxide Ions2023

    • 著者名/発表者名
      Yo-ichi Yamamoto and Toshinori Suzuki
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 14 号: 46 ページ: 10463-10468

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.3c02815

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Charge transfer reaction at gas-liquid interface of aqueous tetrabutylammonium iodide solution: influence of ions on dynamical response of solvent2023

    • 著者名/発表者名
      Shutaro Karashima; Yoshi-Ichi Suzuki; Yo-ichi Yamamoto; Toshinori Suzuki
    • 雑誌名

      Bulletin of the Chemical Society of Japan

      巻: 97 号: 1

    • DOI

      10.1093/bulcsj/uoad012

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Ultrafast Photoisomerization of Ethylene Studied Using Time-Resolved Extreme Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy2022

    • 著者名/発表者名
      Karashima Shutaro、Humeniuk Alexander、Glover William J.、Suzuki Toshinori
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry A

      巻: 126 号: 24 ページ: 3873-3879

    • DOI

      10.1021/acs.jpca.2c02468

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Shallow and deep trap states of solvated electrons in methanol and their formation, electronic excitation, and relaxation dynamics2022

    • 著者名/発表者名
      Jinggang Lan, Yo-ichi Yamamoto, Toshinori Suzuki, and Vladimir Rybkin
    • 雑誌名

      Chemical Science

      巻: 13 号: 13 ページ: 3837-3844

    • DOI

      10.1039/d1sc06666h

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Exploration of Gas-Liquid Interfaces for Liquid Water and Methanol Using Extreme Ultraviolet Laser Photoemission Spectroscopy2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Yamamoto、T. Ishiyama、A. Morita、T. Suzuki
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry B

      巻: 125 号: 37 ページ: 10514-10526

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.1c04765

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Formation of dark states during electric relaxation of pyrimidine based studied using EUV time-resolved photoelectron spectroscopy2023

    • 著者名/発表者名
      鈴木俊法
    • 学会等名
      第38回化学反応討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Construction of femtosecond time-resolved infrared spectrometer for aqueous solutions2023

    • 著者名/発表者名
      小原祐樹
    • 学会等名
      第38回化学反応討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Development of transient absorption spectrometer using broad-band deep ultraviolet probe pulses2023

    • 著者名/発表者名
      塩本凜
    • 学会等名
      第38回化学反応討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] OH-, CH3O-からの溶媒和電子の生成および再結合過程の超高速光電子分光2023

    • 著者名/発表者名
      山本遥一
    • 学会等名
      第17回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] シス-スチルベン分子の超高速光閉環反応2023

    • 著者名/発表者名
      唐島秀太郎
    • 学会等名
      第17回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Tetrabutylammonium lodide水溶液の気液界面における電荷移動反応2023

    • 著者名/発表者名
      唐島秀太郎
    • 学会等名
      第17回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 核酸塩基水溶液の時間分解赤外吸収分光2023

    • 著者名/発表者名
      小原祐樹
    • 学会等名
      第17回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 極端紫外光電子分光による気液界面近傍の電子状態の研究2023

    • 著者名/発表者名
      古賀大輝
    • 学会等名
      第17回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ベンゼン、トルエン、o-キシレン、の超高速内部転換2023

    • 著者名/発表者名
      前田和輝
    • 学会等名
      第17回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 核酸塩基水溶液の時間分解赤外吸収分光2023

    • 著者名/発表者名
      神柱尚汰
    • 学会等名
      第17回分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 核酸塩基水溶液の超高速赤外分光2023

    • 著者名/発表者名
      鈴木俊法
    • 学会等名
      2023年日本分光学会年次講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 超高速極端紫外光電子分光による有機分子の気相光化学反応機構の研究2023

    • 著者名/発表者名
      唐島秀太郎
    • 学会等名
      原子衝突学会第48回年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 時間分解赤外分光法による核酸塩基水溶液の超高速電子緩和過程の研究2023

    • 著者名/発表者名
      鈴木俊法
    • 学会等名
      日本化学会第104春季年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 溶媒和電子の超高速光電子分光とスペクトル回復法の開発2023

    • 著者名/発表者名
      山本遥一
    • 学会等名
      日本化学会第104春季年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Ultrafast photoelectron spectroscopy of liquids and spectral retrieval analysis2023

    • 著者名/発表者名
      Toshinori Suzuki
    • 学会等名
      The 14th Asian International Seminar on Atomic and Molecular Physics
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 溶媒和電子の超高速光電子分光とスペクトル回復法の開発2023

    • 著者名/発表者名
      山本遥一、鈴木俊法
    • 学会等名
      日本化学会第103 春季年会(2023)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] マイクロ流体チップを用いた気・液相の軟X線時間分解分光2023

    • 著者名/発表者名
      足立俊輔、鈴木俊法
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] マイクロ流体チップを用いた液膜ジェットの生成と水の窓軟X過渡吸収分光への応用2023

    • 著者名/発表者名
      足立俊輔、鈴木俊法
    • 学会等名
      レーザー学会学術講演会第 43 回年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 光電子分光による核酸塩基の超高速内 部転換の研究2022

    • 著者名/発表者名
      鈴木俊法
    • 学会等名
      2022年日本分光学会年次講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 光電子分光による核酸塩基の超高速内部転換の研究2022

    • 著者名/発表者名
      三浦優太、織茂夏美、唐島秀太郎、山本遥一、鈴木俊法
    • 学会等名
      2022年度日本分光学会年次講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] メタノール中の溶媒和電子生成における複数のトラップ状態2022

    • 著者名/発表者名
      Lang Jingang、 山本遥一、鈴木俊法、Rybkin Vladimir V
    • 学会等名
      第16 回 分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 超高速液体光電子分光によるウラシル誘導体の電子緩和過程の研究2022

    • 著者名/発表者名
      織茂夏美、山本遥一、鈴木俊法
    • 学会等名
      第16 回 分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] エチレンの光異性化反応の超高速光電子分光2022

    • 著者名/発表者名
      唐島秀太郎、Humeniuk Alexander、 Glover William J.、鈴木俊法
    • 学会等名
      第16 回 分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 核酸塩基の超高速内部転換2022

    • 著者名/発表者名
      三浦優太、唐島秀太郎、山本遥一、織茂夏美、鈴木俊法
    • 学会等名
      第16 回 分子科学討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Internal conversion of pyrimidine bases from ππ* state using time-resolved extreme UV photoemission spectroscopy2022

    • 著者名/発表者名
      Yuta Miura, Shutaro Karashima, Natsumi Orimo, Yo-ichi Yamamoto, Toshinori Suzuki
    • 学会等名
      37th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Electron inelastic scattering in liquids and spectral retrieval method for UV photoemission spectroscopy2022

    • 著者名/発表者名
      Yo-ichi Yamamoto, Hiroto Yano, Toshinori Suzuki
    • 学会等名
      37th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] エチレンの光異性化反応の超高速光電子分2022

    • 著者名/発表者名
      唐島秀太郎
    • 学会等名
      原子衝突学会第47回年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 分子配向による高エネルギー光電子円二色性の可能性2022

    • 著者名/発表者名
      鈴木喜一
    • 学会等名
      原子衝突学会第47回年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 1,3-シクロヘキサジエンの超高速開環反応:二電子励起状態を経た非断熱遷移と生成物コヒーレンス2022

    • 著者名/発表者名
      唐島秀太郎、Humeniuk Alexander、上西隆太、堀尾琢哉、菅野学、大田哲郎、西谷純一、Mitric Roland、鈴木俊法
    • 学会等名
      日本化学会第 102 春季年会(2022)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Shedding vacuum-UV light on non-adiabatic dynamics of molecules during and after passing through conical intersections2021

    • 著者名/発表者名
      Shunsuke Adachi
    • 学会等名
      Pacifichem 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] 京都大学大学院 理学研究科 化学専攻 物理化学研究室

    • URL

      http://kuchem.kyoto-u.ac.jp/bukka/

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書

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公開日: 2021-05-21   更新日: 2025-04-17  

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