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2017 年度 実施状況報告書

多原子系反応の実効的反応座標の決定と反応設計に向けた体系化

研究課題

研究課題/領域番号 15KT0065
研究機関広島大学

研究代表者

高口 博志  広島大学, 理学研究科, 准教授 (40311188)

研究期間 (年度) 2015-07-10 – 2019-03-31
キーワード反応ダイナミクス / イオン・分子反応 / 状態選別散乱実験
研究実績の概要

29年度は、NO+状態選別イオンビームとメタンとの反応[NO+(v,J) + CH4 ]の動力学的研究を行った。NOイオンと炭化水素とのイオン・分子反応では、ヒドリド(H-)移動が電荷移動と競合するとされているが、反応分子の振動・回転状態および衝突エネルギーによって変化する反応分岐測定から、プロトン移動に比べて詳細が知られていないヒドリド移動機構を動力学的に解明することが、この測定の目的である。実験は前年度に製作した合流イオンビーム配置を用いた測定を主として行い、光生成したイオンビームの低速領域での並進エネルギー制御性を評価しながら、反応装置の開発・改良を進めた。並行して製作している交差分子線配置およびイオンガイド配置のために、高電圧パルス式画像観測電極を導入して、その動作確認をした。
前年度までの装置開発工程において性能評価のために用いていた固定波長光(213nm)による非共鳴イオン化法から、共鳴光イオン化法に切り替えて実験を行った。これにより当初から課題としていた特定の振動・回転状態NO+(v, J)イオンとの反応実験が可能となり、CH4中性分子線との衝突によりNO+ビームが30%程度ほど減衰する様子が確認された。一方で、前駆体分子線へのレーザー光集光条件では、微小体積中でのイオン生成により、低速時のビーム発散(空間電荷効果)が信号レベルを低下させる結果となった。これを解決するためにNOのA-X共鳴励起光と電子励起状態からのイオン化光の二波長のレーザーを用いる1+1’共鳴イオン化スキームを適用した。このイオン化スキームでは単一波長の光イオン化(1+1共鳴イオン化)に比べてイオン化効率が高いため、レンズ集光による高い光電場を必要とせず、低密度での大きなイオン発生体積が実現できる。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

前年に引き続き、ドイツ・ケルン大学に6ヶ月間滞在して、極低温イオン・分子反応の共同研究を行なった。ケルングループは、本研究課題で開発したイオン反応装置と同仕様のイオン制御機構を採用した極低温イオントラップ装置を使った先駆的研究を行っており、低エネルギーイオン制御に関する技術情報を研究現場で取得し、それを本研究課題に活用することが長期滞在の目的である。前年度も共同研究を通じて多くの改良のヒントが得られ、装置製作に反映されている。また、実験技術だけでなく、イオン化学研究の国際的拠点に滞在することで、多くの訪問者からイオン化学研究の動向についての意見・情報を収集することができた。滞在期間中は、極低温ヘリウムトラップを使ってプロトン化酸素(O2H+)とメチルカチオンクラスター(CH3+-(He)n)の高分解能赤外分光研究を行い、スペクトル測定・解析から成果発表まで行った。渡航中には広島大学で取り組んでいるイオン反応観測装置を用いた研究・開発は滞ることとなったが、当該実験技術の専門家との今後の研究を推進していく上で他では得がたい議論を深める機会を得た。特に、レーザー光イオン化による空間電荷効果の抑制法については有用な意見を得ることができた。本研究課題の最大の特徴である状態選別イオン発生にはレーザー光イオン化が不可欠であるが、ケルン大学グループを含めて多くの研究者が取り組んできた難易度の高い開発要素である。パルスレーザーによる共鳴イオン化法は多くの利点があるが、空間電荷効果を必然的に伴い、低速イオンの並進エネルギー制御性を低下させる。この問題に対してこれまで試みられてきた解決策とその効果についての実情を知ることができた。衝突エネルギー1eV領域での反応実験を目標としており、これが実現されていない点で予定から遅れているが、目標達成に向けての手段として国際共同研究ネットワークに参加した。

今後の研究の推進方策

分子の光イオン化は高密度の照射光ほど発生効率が向上するが、集光させたレーザー光の適用はイオン種の低速制御を困難にする。これを回避するために二波長のレーザー光による光イオン化法を採り入れて、低密度・高体積でのイオン生成によって空間電荷効果を抑制する。計画当初の非共鳴イオン化法から29年度は共鳴法に切り替えてイオンビーム強度は大幅に向上したが、単一波長を共鳴・イオン化の両方に使う1+1共鳴イオン化法でも照射光の前駆体への集光は必要であった。NOの共鳴光(~225nm 可変波長)とイオン化光(330nm 固定波長)を同時照射する1+1’イオン化を適用したところ、イオン化効率はさらに向上して、レンズによる集光を行わなくても十分な強度の状態選別NOイオンビームが発生できることを確認した。空間電荷効果はイオン発生密度に依存するが、低い密度で広い体積内で発生した全イオン数は並進エネルギー制御性には影響を与えず、イオン衝突実験には有効であると考えられる。予備実験では330nm(イオン化光)光源として色素レーザーシステムを使ったが光学系としては複雑である。今年度は、有効性が確認できた二色共鳴イオン化法を反応実験装置に簡便に組み込めるように必要な光源系を構築して、低エネルギー衝突実験を行う。
本実験手法の有効性を発揮できる反応系として、NOイオンとメタンの反応を対象としてきた。装置開発段階での性能評価にも有用な反応系であるが、比較的高い衝突エネルギー条件であれば、散乱実験が可能となった現状を踏まえて、反応系を他の炭化水素系に拡張して測定を行う。合流イオンビーム配置での測定だけでなく、交差分子線配置とイオンガイド配置の開発も継続して行い、それぞれ散乱分布と反応断面積が測定できるイオン・分子反応装置としての完成を目指す。

  • 研究成果

    (28件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 1件、 査読あり 5件) 学会発表 (22件) (うち国際学会 14件、 招待講演 1件)

  • [国際共同研究] Cologne University(Germany)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      Cologne University
  • [雑誌論文] Unravelling the Electronic State of NO2 Product in Ultrafast Photodissociation of Nitromethane2018

    • 著者名/発表者名
      Adachi Shunsuke、Kohguchi Hiroshi、Suzuki Toshinori
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 9 ページ: 270~273

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.7b03032

    • 査読あり
  • [雑誌論文] High-resolution infrared spectroscopy of O2H+ in a cryogenic ion trap2018

    • 著者名/発表者名
      Kohguchi Hiroshi、Jusko Pavol、Yamada Koichi M. T.、Schlemmer Stephan、Asvany Oskar
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 148 ページ: 144303~144303

    • DOI

      10.1063/1.5023633

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Direct Detection of S(3P) and S(1D) Generated in the O(1D) + OCS Reaction: Mechanism of the Formation of S2 (X 3∑g and a1Δg)2018

    • 著者名/発表者名
      Haruka Tanimoto, Shogo Tendo, Kenichi Orimi, Hiroki Goto, Hiroshi Kohguchi, and Katsuyoshi Yamasaki
    • 雑誌名

      Journal of Physical Chemistry A

      巻: 122 ページ: 1948-1953

    • DOI

      DOI: 10.1021/acs.jpca.7b11375

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Internal and Translational Energy Partitioning of the NO Product in the S2 Photodissociation of Methyl Nitrite2017

    • 著者名/発表者名
      Masataka Sumida, Shu Masumoto, Mitsue Kato, Katsuyoshi Yamasaki, and Hiroshi Kohguchi
    • 雑誌名

      Chemical Physics Letters

      巻: 674 ページ: 58-63

    • DOI

      DOI: 10.1016/j.cplett.2017.02.044

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Vibrational relaxation of S2(a1Δg) by collisions with SF6 and CF42017

    • 著者名/発表者名
      Shogo Tendo, Tohru Uchiyama, Hiroki Goto, Ayano Hara, Keigo Fujihara, Hiroshi Kohguchi, and Katsuyoshi Yamasaki
    • 雑誌名

      Chemical Physics Letters

      巻: 684 ページ: 171-176

    • DOI

      DOI: 10.1016/j.cplett.2017.06.030

    • 査読あり
  • [学会発表] Genaration of CH(X2Π) and H in the UV two-photon dissociation of CHX3(X = Cl, Br)2017

    • 著者名/発表者名
      Atsumi Yoshiki, Yuta Sugino, Shogo Tendo, Hiroshi Kohguchi, Katsuyoshi Yamasaki
    • 学会等名
      第33回化学反応討論会
    • 国際学会
  • [学会発表] Mechanism of the generation of S2(a1Δg) in the O(1D) + OCS reaction system2017

    • 著者名/発表者名
      Haruka Tanimoto, Hiroki Goto, Shogo Tendo, Hiroshi Kohguchi, Kastuyoshi Yamasaki
    • 学会等名
      第33回化学反応討論会
    • 国際学会
  • [学会発表] Kinetic study on the vibrational relaxation of S2(a1Δg) by collisions with CF42017

    • 著者名/発表者名
      Shogo Tendo, Haruka Tanimoto, Hiroki Goto, Hiroshi Kohguchi, Kastuyoshi Yamasaki
    • 学会等名
      第33回化学反応討論会
    • 国際学会
  • [学会発表] Probing photochemical reaction of pentacarbonyliron(0) in the MLCT state by using REMPI spectroscopy and ion imaging2017

    • 著者名/発表者名
      H. Nakata, K. Yamasaki, H. Kohguchi
    • 学会等名
      第33回化学反応討論会
    • 国際学会
  • [学会発表] Genaration of CH(X2Π) and H in the UV two-photon dissociation of CHX3(X = Cl, Br)2017

    • 著者名/発表者名
      Atsumi Yoshiki, Yuta Sugino, Shogo Tendo, Hiroshi Kohguchi, Katsuyoshi Yamasaki
    • 学会等名
      International Symposium on "Diversity of Chemical Reaction Dynamics"
    • 国際学会
  • [学会発表] Mechanism of the generation of S2(a1Dg) in the O(1D) + OCS reaction system2017

    • 著者名/発表者名
      Haruka Tanimoto, Hiroki Goto, Shogo Tendo, Hiroshi Kohguchi, Kastuyoshi Yamasaki
    • 学会等名
      International Symposium on "Diversity of Chemical Reaction Dynamics"
    • 国際学会
  • [学会発表] Kinetic study on the vibrational relaxation of S2(a1Δg) by collisions with CF42017

    • 著者名/発表者名
      Shogo Tendo, Haruka Tanimoto, Hiroki Goto, Hiroshi Kohguchi, Kastuyoshi Yamasaki
    • 学会等名
      International Symposium on "Diversity of Chemical Reaction Dynamics"
    • 国際学会
  • [学会発表] Structural dynamics of photoexcited transition metal carbonyls - Approach from the motion of photoeliminated ligands -2017

    • 著者名/発表者名
      H. Nakata, K. Yamasaki, H. Kohguchi
    • 学会等名
      International Symposium on "Diversity of Chemical Reaction Dynamics"
    • 国際学会
  • [学会発表] Detection of the Excited State NH2(A2A1) in the Ultraviolet photodissociation of methylamine2017

    • 著者名/発表者名
      Yuuki Onitsuka, Katsuyoshi Yamasaki, Hiroki Goto, Hiroshi Kohguchi
    • 学会等名
      International Symposium on "Diversity of Chemical Reaction Dynamics"
    • 国際学会
  • [学会発表] トリメチルアミン励起状態ダイナミクスと光解離機構の解明2017

    • 著者名/発表者名
      門脇悠稀, 鬼塚侑樹, 山崎勝義, 高口博志
    • 学会等名
      第11回分子科学討論会
  • [学会発表] 配位子の運動解析による遷移金属カルボニル錯体の光解離反応の研究2017

    • 著者名/発表者名
      中田裕之, 山崎勝義, 高口博志
    • 学会等名
      第11回分子科学討論会
  • [学会発表] メチルアミンの紫外光解離における電子励起状態NH2の検出2017

    • 著者名/発表者名
      鬼塚侑樹,山崎勝義,後藤寛貴,高口博志
    • 学会等名
      第11回分子科学討論会
  • [学会発表] 日焼け防止剤としての桂皮酸誘導体の無輻射過程の研究2017

    • 著者名/発表者名
      中山晋吾,井口佳哉,高口博志,鬼塚侑樹,木下真之介,江幡孝之
    • 学会等名
      第11回分子科学討論会
  • [学会発表] Hydroxy methylcinnamateにおける無輻射失活経路の置換位置依存性2017

    • 著者名/発表者名
      山崎馨,木下真之介,宮崎康典,住田聖太,鬼塚侑樹,高口博志,井口佳哉,赤井伸行,白男川貴史,江原正博,原渕祐,前田理,武次徹也,江幡孝之
    • 学会等名
      第11回分子科学討論会
  • [学会発表] para-, meta-, ortho-hydroxy methylcinnamateの無輻射緩和経路とtrans→cis異性化の研究2017

    • 著者名/発表者名
      木下真之介,宮崎康典,井口佳哉,江幡孝之,住田聖太,鬼塚侑樹,高口博志,赤井伸行,白男川貴史,江原正博,山崎馨,原渕祐,前田理,武次徹也
    • 学会等名
      第11回分子科学討論会
  • [学会発表] Non-adiabatic Dynamics around the Conical Intersection of Ammonia-derivative Species2017

    • 著者名/発表者名
      Yuuki Onitsuka, Katsuyoshi Yamasaki, Hiroshi Kohguchi
    • 学会等名
      第13回若手研究者による先端的レーザー分光シンポジウム
  • [学会発表] Detection of Electronically Excited NH2 product in the Ultraviolet Photodissociation of Methylamine2017

    • 著者名/発表者名
      Yuuki Onitsuka, Shogo Tendo, Hiroki Goto, Katsuyoshi Yamasaki, Hiroshi Kohguchi
    • 学会等名
      The 14th Nano Bio Info Chemistry Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] Photoelimination Dynamics Study of Tricarbonylnitrosylcobalt by Analyzing the Motion of Eliminated Ligands2017

    • 著者名/発表者名
      H. Nakata, K. Nagamori, K. Yamasaki, H. Kohguchi
    • 学会等名
      The 14th Nano Bio Info Chemistry Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] Vibrational Spectroscopy of He-O2H+ and O2H+2017

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Kohguchi, Koichi Yamada, Pavol Jusko,Stephan Schlemmer, Oskar Asvany
    • 学会等名
      International Symposium on Molecular Spectroscopy,Urbana-Champaign, June 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Internal and translational energy partitioning of the NO product in the S2 photodissociation of methyl nitrite2017

    • 著者名/発表者名
      M. Sumida, S. Masumoto, M. Kato, K. Yamasaki, and H. Kohguchi
    • 学会等名
      34th International Symposium on Free Radicals
    • 国際学会
  • [学会発表] Photodissociation Studies in an Ion-Imaging Experiment2017

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi KOHGUCHI
    • 学会等名
      Horizons in Cold Cluster Spectroscopy
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 極低温イオントラップによるプロトン化酸素O2H+の高分解能赤外分光2017

    • 著者名/発表者名
      高口博志、山田耕一、Pavol Jusko、Stephan Schlemmer、Oskar Asvany
    • 学会等名
      第18回分子分光研究会

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公開日: 2018-12-17  

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