「馬が走る時、4本の脚全てが地面から離れる瞬間はあるのか？」今からおよそ150年前、アメリカで疾走中の馬について議論がまきおこりました。これに決着をつけたのが、エドワード・マイブリッジ氏です。彼は12台のカメラを使ってストロボ撮影し、4本の脚全てが地面から離れる瞬間があることを確かめました。時間を短く切りとることで、動くものの姿を捉える技術が誕生した瞬間です。150年経った現在、研究者は、より小さいものの動きをより短い時間で切り取る試みを続けています。固体表面にわずかしか存在しない分子の変化を捉える「高感度分子カメラ」として、フォトンファクトリーの放射光は力を発揮しています。

図1　ストロボ撮影による疾走中の馬
米国の実業家リーランド・スタンフォードの依頼により写真家エドワード・マイブリッジが撮影した疾走する馬の様子。12台のカメラを使ってストロボ撮影した写真によって、馬の疾走の様子が初めて捉えられた。
出展：The Library of Congress

私たちが日々利用する自動車の排気ガスには一酸化炭素(CO)や窒素酸化物(NO_x)などの有害な物質が含まれています。こ れらのガスが放出されると、中毒症状や酸性雨の原因となるため、浄化してから排出しなければなりません。そこで働いているのが「触媒」です。触媒は化学反応を促進する物質で、触媒装置中を排気ガスが通り抜ける間に化学反応が起こり、有害なガスの分子が無害な分子になります。触媒の表面で有害物質が無害化される過程では、一体どのように物質が変化しているのでしょうか？

排気ガスの浄化に使用されている触媒は「不均一系触媒」という、固体触媒の表面で反応を起こす触媒です。触媒を高性能化させるためには、触媒の働く「固体の表面」で分子がどのように時間変化しているのかを詳しく知る必要があります。X線よりエネルギーの低い軟X線は、物質の表面を感度良く調べることができる特徴があるので、固体の表面に軟X線をあて、その吸収を調べる「軟X線吸収分光法」がよく使われています。この方法は固体の最表面にどのような分子がどれくらいの量あるかを精度良く調べることができますが、1つのデータを取るのに通常数分かかってしまいます。冒頭の馬の例でいうと、シャッターを1回切る間に馬は走り去っているようなもので、これでは動くものの姿を捉えることはできません。

図3　イリジウム表面における酸素

原子(O)と一酸化炭素分子(CO)の反応中に測定した軟X線吸収スペクトルの時間変化

触媒は自動車の有害物質の分解除去だけでなく、工業生産の場や、水素と酸素を反応させてエネルギーを得る燃料電池など、様々な分野で利用されています。ストロボ撮影によって馬の走る様子が解明されたように、この手法を使って物質変化の新たな姿が解明され、より高性能な触媒の開発につながることでしょう。

フォトンファクトリーのビームラインBL-16Aでは、現在「偏光スイッチング」という方法をこの「波長分散型軟Ｘ線吸収分光法」と組み合わせる開発を雨宮准教授を中心として進めています。放射光の偏光という性質を使えば、表面の分子の種類や量だけでなく、その分子がどちらの方向を向いているかまで調べることができます。触媒表面での反応の姿をより鮮明に捉えることができるこの技術は、文字通り「高感度分子カメラ」として期待されています。