【概　要】
ナノマテリアルを代表する物質であるサッカーボール型炭素化合物Ｃ60は、化学合成的に開口して安定な物質を作ることができる。京都大学化学研究所小松研究室で合成されたこの安定な開口Ｃ60分子には、高圧高温で水素分子を１つ100％の収率で入れることができるといわれていた。

高エネルギー加速器研究機構（KEK）物質構造科学研究所の澤　博助教授らのグループは京都大学の小松紘一教授らとの共同研究により、この開口Ｃ60分子に閉じ込められた水素分子をKEK放射光科学研究施設（フォトンファクトリー、PF）を用いたＸ線精密構造解析によって世界で初めて直接観察することに成功した。

【研究の背景と経緯】
化学的に合成されたケージ状の分子に、不安定な分子やガス分子などを閉じ込めることは、例えば製薬やナノテクノロジーの応用の観点から大変興味を引くものである。完成された分子であるフラーレンＣ60に対して、化学の立場からの研究の一つのアプローチとして、合成的に開口して水素ガス分子（H2）を入れて合成的に閉じるという一連の研究の過程で、内包された水素の状態を直接観測したいという要請から行ったのが、今回報告する放射光による水素の直接観測の結果である。

【研究内容】
京都大学化学研究所小松研究室の村田靖次郎助手らは開口Ｃ60を合成した。この分子は安定度が高く、高温処理にも充分耐える。この分子を摂氏200度 800気圧の水素ガス中で処理すると、開口Ｃ60の１分子あたり水素分子が１つ入り、安定した状態を保つことが分かった。右の図は中に水素分子が取り込まれたことを想定して描いてあるモデル図である。このことは分析装置である高分解能のプロトン核磁気共鳴法の測定により確かめられたが、内包している証拠としては間接的であり、水素分子の状態もモデル図のようになっているのかどうか不明である。そこで直接観測を求めて微小単結晶試料（100μ角程度）により放射光Ｘ線回折実験を行った。測定は、高エネルギー加速器研究機構（KEK）の放射光科学研究施設（フォトンファクトリー、PF） ビームライン１Ａのイメージングプレートを用いた回折装置で行った。構造解析により原子位置を定めた後に水素分子の状態を可視化するため、マキシマムエントロピー法（MEM）と呼ばれるデータ処理を行った。

次に示す図は、このMEMによる解析結果を図示したものである。この水素内包分子を輪切りにして電子密度を描くと、確かにほぼ中央に水素分子の電子密度が観測されている。一方、同じ分子に水素を入れる処理を行わなかった空の分子では内部が空である。この結果から、閉じ込められた空間に一つだけ浮いている気体の水素ガス分子を世界で初めて直接観測することに成功した。

分子の電子密度による断層図。内包した結晶には中央に水素が（左）、水素を入れていない空の結晶の断面にはなにもないことがわかる（右）。

本研究は、科学研究費補助金（学術創成研究費）「新しい研究ネットワークによる電子相関系の研究〜物理学と化学の真の融合を目指して〜」の一環として行われたものである。