東京大学の中村栄一特任教授らの研究グループは、確率論的に起こる一つ一つの分子の反応挙動を顕微鏡で見ることで、その挙動が量子力学の理論の予測に合致することを初めて明らかにした。

 ダブルスリット実験は電子の量子性を表す著名な実験である。電子一つ一つは粒子としてランダムに挙動する一方で、波としての法則性も示す。分子同士の反応も同様に挙動するものと予測されてきたが実験的証明はなかった。

 今回、この量子力学的遷移状態理論の予測を実証した。二つの分子が化学反応する様子を原子分解能電子顕微鏡で直接観察。その経過を実時間で追跡したところ、分子一つ一つはランダムだが総和を取ると一次反応(反応の速度が1種類の反応物質の濃度に比例するような反応)という法則に従うという量子力学理論の予測を実証した。

化学反応研究は19世紀以来、反応容器の中に入れたアボガドロ数(10の23乗)個の分子の総量の増減(バルク実験)を追跡することで行われてきた。今回、一次元(カーボンナノチューブという筒状物質内)に配列させた[60]フラーレン分子(炭素原子がサッカーボール状に結合した分子)の反応を、分子一つ一つについて、温度を変えながら原子分解能電子顕微鏡で直接観察して、数十個の分子について積算した。

今回、顕微鏡を用いて化学反応という分子の「動き」を記録し解析できることを実証した。これより、新しい化学反応の発見や、宇宙空間や地球内部など高エネルギー環境における反応モデルの提唱、さらには原油の接触改質などの工業スケール反応における高効率触媒の開発や合理的な化学反応プロセスの設計につながると期待される。

論文情報:【Journal of American Chemical Society】Direct Microscopic Analysis of Individual C60 Dimerization Events: Kinetics and Mechanisms

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