有機材料中の水素と重水素の分布を単一分子スケールで識別することに成功 新たな電子線分光技術により、分子や結合位置の特定に効力

2025年3月25日 10:00 |

研究者情報

〇多元物質科学研究所　教授　陣内浩司
多元物質科学研究所　講師　宮田智衆
研究室ウェブサイト

発表のポイント

独自に開発した電子線分光技術を用いて、有機材料中の水素と重水素^（注1）の分布を、3ナノメートル（nm）^（注2）という極めて高い空間分解能でイメージングすることに成功しました。

計算科学との融合により、高分子科学における長年の未解決課題であったレプテーションモデル^（注3）の実証に近づく重要な手がかりを得ました。

本手法は、これまで観測が困難だった有機材料内部の化学結合や化学物質の空間分布を精密に特定できる新しいイメージング技術です。より高性能かつ高機能な材料の開発に向けた新たな指針を提供すると期待されます。

発表概要

プラスチックや有機半導体など高機能有機材料の特性を精緻に制御するには、材料内部の微細構造を分子レベルで解明することが不可欠です。しかし、これまで有機材料中の化学結合や分子の位置を分子レベルで特定できる技術がありませんでした。
東北大学多元物質科学研究所の陣内浩司教授と宮田智衆講師ら、産業技術総合研究所ナノ材料研究部門の千賀亮典主任研究員、大阪大学産業科学研究所の末永和知教授、防衛大学校応用物理学科の萩田克美講師のグループは、電子線による分子振動マッピング法を独自に開発し、炭素に対する水素と重水素の化学結合の違いを見分けることで、有機材料中に存在する重水素標識分子の空間分布を3nmの分解能でイメージングすることに成功しました。本技術により、有機材料の精密な構造解析が可能となり、高性能かつ高機能な材料の開発が加速すると期待できます。
本研究成果は、2025年3月24日（英国時間）に、科学誌Nature Nanotechnologyに公開されました。

図1. 本研究で開発した手法の概要

用語解説

注1. 重水素：原子核が陽子1つと中性子1つで構成される水素の安定同位体。水素に対して質量は約2倍となるものの、ほぼ同じ化学的性質を示す。同位体は、原子番号が等しく、原子核の中性子数が異なる原子。
注2. ナノメートル（nm）：1ナノメートルは10億分の1メートル。1ナノメートルは1nmと表記する。
注3. レプテーションモデル：高分子のような鎖状構造がレプタイル（reptile：ヘビなどの爬虫類）のように軸方向に運動することを想定したモデルであり、高分子の粘弾特性を説明する代表的なモデル。

論文情報

タイトル：Nanoscale C-H/C-D mapping of organic materials using electron spectroscopy
著者：千賀亮典*、萩田克美*、宮田智衆、王孝方、眞弓皓一、陣内浩司*、末永和知
*責任著者：東北大学 多元物質科学研究所 教授 陣内浩司、産業技術総合研究所ナノ材料研究部門 主任研究員（大阪大学 産業科学研究所 招へい准教授 兼任）千賀亮典、防衛大学校 応用物理学科 講師 萩田克美
掲載誌：Nature Nanotechnology
DOI：10.1038/s41565-025-01893-5

詳細（プレスリリース本文）

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
教授　陣内 浩司
TEL: 022-217-5329
Email: hiroshi.jinnai.d4*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
TEL: 022-217-5198
Email: press.tagen*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）


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