超高速の分子振動の高精度観測に成功－原子レベルの時空間分解能で分子動画を作成－

• 公益財団法人 高輝度光科学研究センター
• 国立研究開発法人 理化学研究所
• 大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構

概要

高輝度光科学研究センターXFEL利用研究推進室の片山哲夫研究員、理化学研究所ビームライン研究開発グループの矢橋牧名グループディレクター、大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所の足立伸一教授、ヨーロピアンXFEL（ドイツ）のクリスチャン・ブレスラーグループリーダー、ポール・シェラー研究所（スイス）のクリストファー・ミルネグループリーダー、ハンガリー科学アカデミー（ハンガリー）のジョージ・バンコ教授、ニューキャッスル大学（イングランド）のトーマス・ペンフォールド教授らによる共同研究グループは、X線自由電子レーザー（XFEL）施設SACLAを使い、光を吸収した金属錯体分子の核波束振動を原子レベルの高い時間・空間分解能で追跡することに成功しました。 本研究成果は、”光反応中に分子がどのように動くのか”を観測して理解するための「分子動画」を実現したものであり、光反応の機構の解明に貢献することが期待されます。

光増感剤として期待される銅(I)フェナントロリン錯体は光を吸収すると正四面体型から平面型へ構造が変化することが知られています。共同研究グループは、核波束振動がどのようにこの構造変化に関連しているのかをXFELによる時間分解X線吸収分光法を使って調べました。100兆分の1秒の時間幅と100億分の1メートルオーダーの波長を併せ持つXFELは、光反応中の銅(I)フェナントロリン錯体の構造を時間的にも空間的にもピンぼけすることなく鮮明に捉え、分子動画を作成することができます。その結果、光反応の進行中に3つのタイプの核波束振動があることを発見しました。1つは銅原子と窒素原子の結合長が足並みを揃えて伸縮する振動であり、残りの2つは、銅原子と窒素原子の結合の角度が変化する変角振動でした。これらの核波束振動の寿命の違いから、銅(I)フェナントロリン錯体の平面型への構造変化に強く関連しているのは2つの変角振動であることが分かりました。

今回の研究成果は、国際科学雑誌、「Nature Communications」のオンライン版に掲載されました。