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分子の中の電子の流れを捉えた!ー 国際チームが超高強度X線を照射された分子の超高速応答を解明 ー

 米国のカンザス大学、ドイツのハンブルグ大学、東北大学(多元物質科学研究所および大学院理学研究科)等の研究者からなる国際合同チームは、有機分子の最小構成単位の一つであるメチル基(CH3)にヨウ素原子(I)を付加したヨウ化メチル分子(CH3I)に、米国のX線自由電子レーザー(XFEL)施設LCLSから供給される超高強度X線を照射すると、メチル基のほとんどの電子が次々にヨウ素原子に流れ込んでは放出される新規現象を発見しました。
 XFELはわずか数十フェムト秒(1フェムト秒は千兆分の1秒)の照射時間という極短パルスを生成する超高強度X線源です。このXFELパルスを分子に照射すると、一瞬にして、多くの電子が分子から引き剥がされます。その結果、電荷間の反発力で分子を破壊する「クーロン爆発」という現象が起こります。クーロン爆発で放出される電荷を帯びた原子(イオン)を計測すると、分子を構成する個々の原子から引き剥がされた電子の数を知ることができます。
 本実験で、超強力XFELパルスを照射した1個のヨウ化メチル分子から生成する多数のイオンを計測したところ、最大で計54個の電子が分子から引き剥がされること、1個のヨウ素原子の場合に比べると、分子の場合は7個も多く電子が引き剥がされること、この7個の電子はメチル基から引き剥がされることを見出しました。X線と相互作用しないはずのメチル基から7個の電子が引き剥がされる理由を、新たに開発した理論的手法を用いて解析したところ、メチル基から電子が次々にヨウ素原子に移動し、ヨウ素原子がX線を吸収してさらに電子を放出することを解明しました。
 本研究で得られた超強力X線と分子との相互作用が誘起する電子移動に関する理解は、今後、XFELを用いた新規構造決定にも不可欠の知見を与えると期待されます。
 本研究の成果は、2017年6月1日(英国夏時間)に発行される英国の科学雑誌『Nature』に掲載されました。
プレスリリース本文(PDF)

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ヨウ化メチル分子のイオン化機構の模式図
(i) X線による光電子放出、(ii)オージェカスケードによる電子放出、(iii) 電荷再配置。矢印は電子の移動を表す。(i)-(iii)の過程を繰り返して分子は電子を次々に放出して正に帯電していき、最後にクーロン斥力で分解(クーロン爆発)する。

論文情報:
“Femtosecond response of polyatomic molecules to ultra-intense hard X-rays”
A. Rudenko, L. Inhester, K. Hanasaki, X. Li, S.J. Robatjazi, B. Erk, R. Boll, K. Toyota, Y.Hao, O. Vendrel, C. Bomme, E. Savelyev, B. Rudek, L. Foucar, S.H. Southworth, C.S.Lehmann, B. Kraessig, T. Marchenko, M. Simon, K. Ueda, K.R. Ferguson, M. Bucher, T.Gorkhover, S. Carron, R. Alonso-Mori, J.E. Koglin, J. Correa, G.J. Williams, S. Boutet, L.Young, C. Bostedt, S.-K. Son, R. Santra, and D. Rolles
Nature, 546, 129–132 (01 June 2017)
DOI:10.1038/nature22373
※Nature「今週のハイライト」に選ばれました

関連リンク:
上田研究室(電子分子動力学研究分野)
東北大学大学院理学研究科・理学部
東北大学ウェブサイト
 

問い合わせ先

(研究に関すること)
東北大学多元物質科学研究所
担当:教授 上田 潔(うえだ きよし)
電話:022-217-5381
E-mail:ueda*tagen.tohoku.ac.jp(*を@に置き換えてください)

(報道に関すること)
東北大学多元物質科学研究所 広報情報室
電話:022-217-5866
E-mail:press.tagen*grp.tohoku.ac.jp(*を@に置き換えてください)

東北大学大学院理学研究科
特任助教 高橋 亮(たかはし りょう)
電話: 022-795-5572、022-795-6708
E-mail:sci-pr*mail.sci.tohoku.ac.jp(*を@に置き換えてください)

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