化学反応を可視化―ミクロな世界の一瞬をスローモーションで見る

実はよくわかっていない化学反応のプロセス

「酸素と水素が結合すると水ができる」という現象を、2H₂＋O₂→2H₂Oという化学反応式で表します。いろいろな物質の原子、分子が、「化学反応」によって結合したり分解したりすることを利用して、今ではさまざまな物質が作られ、産業や生活に利用されています。しかし、実はこの化学反応式の矢印の部分で何が起こっているのか、つまり、分子のどの部分がどう切り離されて、あるいはどういう形で結合して、などの詳しいプロセスはよくわかっていないのです。

ミクロの世界の一瞬の現象

化学反応の過程では、電子が飛び出したり、分子の形が変わったりすることは、理論上わかっています。しかし、分子の大きさは数Å（オングストローム）程度（1Å＝10⁻¹⁰メートル）、変化の速度は100フェムト秒程度（1フェムト秒＝10⁻¹⁵秒）と、ミクロの世界でほんの一瞬で起こることなので、それを人間の目でもわかる形で可視化することは、これまでできていませんでした。
現在、この化学反応の過程を実際に観測し、スローモーション動画にしようという研究が進んでいます。変化の様子を、非常に短いシャッタースピードで連続撮影し、それを動画にするようなイメージです。

化学反応をスローモーション動画に

ミクロの世界の分子を見るためには、分子に電子線を当てて散乱した電子を観測することで分子の状態を知る「電子回折」という手法がよく使われています。また、電子線の代わりにX線のレーザー光線を当てて観測する方法もあります。
最先端の研究では、化学反応中の分子に超高速の電子線と、超短パルスのレーザー光線を同時に当てることで、いわばシャッタースピードを上げた、ブレやピンボケのない状態のスローモーション動画を作れることがわかってきました。現段階では、静止している分子での実験が成功しており、近い将来には、動いている分子で、化学反応の実態を人の目で見るという、人類初の体験が期待されています。

※夢ナビ講義は各講師の見解にもとづく講義内容としてご理解ください。

※夢ナビ講義の内容に関するお問い合わせには対応しておりません。

先生情報 / 大学情報

東京都立大学理学部化学科教授歸家令果先生

興味が湧いてきたら、この学問がオススメ！

化学

先生が目指すSDGs

メッセージ

身の回りの「不思議」に興味を持ってほしいです。例えば、湯気はどうしてこういう動きになるのかなど、私たちが住んでいる世界はどうなっているのかを考えるのが、自然科学研究の基本だからです。興味を持ったら、インターネットで調べるのもいいですが、雑学的な知識を得てわかった気になることより、自分が本当にその原理を理解できたのかの方が大事です。調べていくうちに、「これを本当に理解するためには、大学に行ってたくさん勉強しなきゃ」という意欲につながるかもしれません。

先生への質問

先輩たちはどんな仕事に携わっているの？

東京都立大学に関心を持ったあなたは

東京都立大学は「大都市における人間社会の理想像の追求」を使命とし、東京都が設置している公立の総合大学です。人文社会学部、法学部、経済経営学部、理学部、都市環境学部、システムデザイン学部、健康福祉学部の7学部23学科で広範な学問領域を網羅。学部、領域を越え自由に学ぶカリキュラムやインターンシップなどの特色あるプログラムや、各分野の高度な専門教育が、充実した環境の中で受けられます。