• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 課題ページに戻る

2019 年度 実施状況報告書

水素結合ネットワークのテラヘルツ光による振動励起と低温光反応ダイナミクス

研究課題

研究課題/領域番号 17K05825
研究機関東北大学

研究代表者

高橋 まさえ  東北大学, 農学研究科, 准教授 (80183854)

研究分担者 松井 広志  東北大学, 理学研究科, 准教授 (30275292)
研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2021-03-31
キーワードテラヘルツ分光 / 第一原理計算 / 水和塩イオン / 弱い水素結合
研究実績の概要

本研究は、応募者等が発見した温度依存テラヘルツ分光スペクトルに観測される水素結合ネットワークの形成開裂を指標に、テラヘルツ波を励起光とした低温光反応ダイナミクスを追跡し、人体に安全なテラヘルツ波の利点を活かした応用の道を開拓するものです。
初年度は、結晶試料について弱い分子間相互作用を調べました。次年度は、生体適合性を示す非晶質試料について低温における振動吸収の挙動を調べました。本年度は、結晶中の水和塩イオンにおける振動吸収挙動を調べました。
測定は150-700cm-1のFIR領域をSPring-8のBL43IRビームラインを用い、20-100 cm-1のTHz領域をTHS-TDSを用いて行いました。水溶性ビタミンの1種であるチアミン結晶に水和塩イオンを捕獲した結晶を作製し、低温での振動分光における挙動を調べました。生物は蒸留水から飽和塩濃度までの広い範囲の塩分中で生き延びています。水和塩イオンの特性は、化学的、生物学的現象において引き起こされるイオン効果にとって多くの意味をもつ基本的問題です。水和イオンの構造は分子動力学計算から5配位または6配位と推定されていますが、直接の実験的構造決定は実現していません。我々は、有機化合物との界面における水和塩イオンの構造と振動分光特性を調べるために、結晶中の塩化チアミン結晶に水和塩イオンを捕獲したチアミン塩酸塩一水和物の結晶を作製し、そのX線構造解析を行いました。その結果、分子動力学計算での予測と一致し、塩素イオンのまわりは6配位であることがわかりました。さらに、この水和イオンを含有する有機化合物は、振動分光のピーク位置や線幅における温度依存性にいくつかの異常性を示しました。また、塩素や硫黄原子を含むため、振動モード同定において、相対論効果をいれた第一原理計算を行うことで、データが著しく改善することが明らかとなりました。

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

初年度に発見した極低温において観測される新しい現象は、複数の系で一度は観測されるものの再現せず、混迷を極めました。本現象は、吸湿性の物質に共通して起こる現象であることから、今年度は、積極的に結晶中に水を捕獲し、その温度依存の振動吸収特性を調べました。今回は水和塩イオンとして取り込むことで、生物中で重要な役割を担うイオンと水の有機化合物との界面での挙動を明らかにしました。
「波長可変テラヘルツ照射低温光反応測定の溶液系への応用展開」では、水和塩イオンを結晶中に積極的に取り込み、溶液系のモデルを構築し、その振動特性を調べました。溶液中に溶けたイオンの水和構造については分子動力学計算による構造予測が最も有力です。しかし、実際の構造についての実験的知見はまだありませんでした。「溶液系の第一原理分子動力学計算」として、分子動力学計算で予測される構造を、有機結晶中に水和塩イオンを捕獲結晶化し、実験的的に調べました。X線構造解析の結果、水和塩イオンは、有機物と水との界面においても、分子動力学計算の予測の通り6配位構造であることが分かりました。また、水の酸素と有機物のOH基の酸素との距離は、分子動力学計算で予測されている純粋中の水クラスターの酸素間距離に等しく、通常のOHO水素結合の酸素間距離より伸びていました。結晶中に捕獲された水分子は、溶液中の水分子と類似の水素結合ネットワークを形成し、イオンへの水和で、有機物との相互作用は弱まっていることがわかりました。さらに、この水和イオンを捕獲した有機結晶は、ピーク位置や線幅、ピーク分裂などの温度依存性について、通常の振動分光で現れる特性とは明らかに異なるいくつかの異常性を示すことがわかりました。異常性を示したピークの振動モードは、相対論効果を取り込んだ第一原理計算から、水素結合の変化に関係するモードであることが明らかになりました。

今後の研究の推進方策

初年度に発見した極低温における新奇な現象について、いくつかの吸水性の高い分子において共通に起こることが確認されました。再現性がとれないという問題も共通して起こることが分かってきました。真空チャンバー中では水が抜けていることは確認しましたが、一度空気中の湿気を吸って、その後、水分が抜けた場合、もとの状態にもどらない可能性が考えられ、測定試料の準備における再現性を担保することが難しいことが分かってきました。そこで、今年度は、溶液中の状態を担保するように水和塩イオンとして水を積極的に有機結晶中に捕獲し、真空チャンバー中で水が抜けないようにパラトンNでコートして測定することで、再現性良く測定できる系を確立しました。また、塩素イオンや硫黄などの高周期原子を含むため、相対論的効果を取り込んだ第一原理計算を行うことで、著しく精度が向上し、正確な振動モード解析を実施でき、振動吸収スペクトルの観測された温度依存の異常性と捕獲された水分子との関連を明らかにできました。これらの成果は、低温光反応ダイナミクス追跡の礎になると確信します。
予定期間を1年延長して、これまで築いた知見をもとに、理論解析を推進し、低温光反応ダイナミクス追跡の指針をまとめます。資金不足で、実験的にはダイナミクス追跡まで到達できませんでしたが、ここで得られた知見をもとに、さらに、低温光反応ダイナミクスの追跡にむけて準備を進めます。

次年度使用額が生じた理由

今年度の成果を現在論文にまとめています。草稿の完成が年度内では難しく、次年度に草稿を英文校閲に出すために次年度使用額が発生しました。次年度内に草稿を英文校閲に出し、研究成果を論文投稿します。

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 1件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 4件、 招待講演 4件)

  • [雑誌論文] The role of lattice vibration in the terahertz region for proton conduction in 2D metal?organic frameworks2020

    • 著者名/発表者名
      Itakura Tomoya、Matsui Hiroshi、Tada Tomofumi、Kitagawa Susumu、Demessence Aude、Horike Satoshi
    • 雑誌名

      Chemical Science

      巻: 11 ページ: 1538~1541

    • DOI

      10.1039/c9sc05757a

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Phonon-assisted proton tunneling in the hydrogen-bonded dimeric selenates of Cs3H(SeO4)22020

    • 著者名/発表者名
      H. Matsui, K. Shimatani, Y. Ikemoto, T. Sasaki, Y. Matsuo
    • 雑誌名

      J. Chem. Phys.

      巻: 152 ページ: 154502

    • DOI

      10.1063/1.5145108

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Assessment of the VDW interaction converting DMAPS from the thermal-motion form to the hydrogen-bonded form2019

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Masae、Matsui Hiroshi、Ikemoto Yuka、Suzuki Makoto、Morimoto Nobuyuki
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 9 ページ: 13104

    • DOI

      10.1038/s41598-019-49352-1

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Proton Conduction Inhibited by Xe Hydrates in the Water Nanotube of the Molecular Porous Crystal {{[RuIII(H2bim)3](TMA)}2・mH2O}n2019

    • 著者名/発表者名
      Matsui Hiroshi、Sasaki Tomotaka、Tadokoro Makoto
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 123 ページ: 20413~20419

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.9b05779

    • 査読あり
  • [学会発表] 水ナノチューブにおけるXe水和物生成とプロトン伝導の抑制効果2020

    • 著者名/発表者名
      松井広志
    • 学会等名
      ウォーターフロンティアサイエンス&テクノロジー研究センター研究成果報告会
    • 招待講演
  • [学会発表] Flat building blocks for flat silicene and the extension to 2D sheet2019

    • 著者名/発表者名
      Masae Takahashi
    • 学会等名
      10th International Conference on Materials for Advanced Technologies
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Assessment of the VDW interaction converting DMAPS from the thermal-motion form to the hydrogen-bonded form2019

    • 著者名/発表者名
      Masae Takahashi
    • 学会等名
      The 10th International Conference of the Asian Consortium on Computational Materials Science
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Theoretical design of flat silicene molecules towards flat 2D silicene sheets2019

    • 著者名/発表者名
      Masae Takahashi
    • 学会等名
      The 5th International Conference on Molecular Simulation
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Assessment of the VDW interaction converting biocompatible molecules from the thermal-motion form to the hydrogen-bonded form2019

    • 著者名/発表者名
      Masae Takahashi
    • 学会等名
      The 5th International Conference on Molecular Simulation
    • 国際学会
  • [学会発表] Cs3H(SeO4)2の異常なフォノンとプロトンの相関2019

    • 著者名/発表者名
      松井広志、島谷和紀、池本夕佳、松尾康光
    • 学会等名
      日本固体イオニクス学会第22回超イオン導電体物性研究会
  • [学会発表] Xeを内包した水ナノチューブのプロトン伝導2019

    • 著者名/発表者名
      松井広志、佐々木智崇、佐久間惇、田所誠
    • 学会等名
      日本物理学会
  • [学会発表] テラヘルツ分光を用いたプロトン移動の研究2019

    • 著者名/発表者名
      松井広志、高野紗季
    • 学会等名
      第1回連携ワークショップ「テラヘルツ光研究の新展開と産業応用への展望」

URL: 

公開日: 2021-01-27  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi