【高分子】結晶Ｘ線解析によるヘリウム原子の観測、ならびに異種原子を同時に内包させたフラーレンの合成に成功　/京都大学

村田靖次郎 化学研究所教授、加藤立久 高等教育研究開発推進機構教授、永瀬茂 福井謙一記念研究センターシニアリサーチフェローならびに赤阪健 筑波大学生命領域学際研究センター教授らの研究グループは、
世界で初めて、サブナノサイズの空間に閉じ込めたヘリウム原子の構造解析に成功し、さらにヘリウム原子と窒素原子を同時に内包したフラーレンの合成手法を開発しました。
本研究成果は、2013年3月5日（英国時間）に英国科学誌「Nature Communications」のオンライン速報版で公開されました。

■研究のポイント
・ヘリウム原子の単結晶X線構造解析に世界で初めて成功
・2種類の手法の組合せにより、異種原子を同時に内包した新規フラーレンを創出
・有機太陽電池材料や有機トランジスタの性能向上に期待

■概要
ヘリウムは希ガスの中でも最も小さな原子であり、常圧では絶対零度付近においても液体であるため、常圧での単結晶X線解析による観測はこれまで例がありませんでした。
また、フラーレン内部に原子や分子を挿入する手法としては「アーク放電法」、「イオン注入法」、「高温高圧処理法」、
ならびに「有機化学的な分子手術法」が知られていますが、それぞれ、特定の元素に対してのみ適用されるに過ぎませんでした。

本研究では、分子手術法により合成したヘリウム内包C60の内包率を向上させるとともに、これをC60の内部に閉じ込めたままで単結晶化し、
SPring-8（ビームラインBL38B1）の強力なX線を用いることによって、単結晶解析においてヘリウム原子の観測に成功し、ヘリウム原子がフラーレン内部で動いている様子も明らかとなりました。

さらに、フラーレンC60とC70の内部には、ヘリウム原子が入っている状態でも狭い空間が残っています。
そこで、この空間にイオン注入法の一種である窒素プラズマ法を用いて、窒素原子を追加で内包させることを試みました。
その結果、C60とC70のいずれでも、ヘリウム原子と窒素原子が同時に内包されることが、窒素原子由来の電子スピン共鳴スペクトルおよび質量分析スペクトルの測定から確認されました。

今回、「分子手術法」と「窒素プラズマ法」を段階的に組み合わせることにより、これまでに報告例の無い、異種原子を同時に内包したフラーレンを合成する手法を開発しました。
この組合せは、多様な原子を内包したフラーレンの新しい合成法を提供するものであり、
世界中の産学機関で研究されている次世代の有機薄膜太陽電池や有機トランジスタの性能向上に向けたブレークスルーになります。


イメージ：
図1：ヘリウム原子（赤い球）を内包したフラーレンC60とヘリウム原子・窒素原子（青い球）の両方を内包したフラーレンC60
http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/news_data/h/h1/news6/2012/images/130306_1/01.jpg
図2：単結晶X線回折により得られたヘリウム内包フラーレン（He＠C60）の構造（緑の球がヘリウム原子）
http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/news_data/h/h1/news6/2012/images/130306_1/02.jpg
図3：ヘリウム原子内包フラーレン（「He＠C60」と「He＠C70」）に、それぞれ窒素ガス存在下で高周波プラズマ放電することにより、ヘリウム原子と窒素原子を内包するフラーレン「HeN＠C60」と「HeN＠C70」が合成される。
http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/news_data/h/h1/news6/2012/images/130306_1/03.jpg

ソース：単結晶Ｘ線解析によるヘリウム原子の観測、ならびに異種原子を同時に内包させたフラーレンの合成に世界で初めて成功
http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/news_data/h/h1/news6/2012/130306_1.htm

（続きます）

■研究の背景と経緯
風船の浮揚用ガスとしてよく知られているヘリウムは、最も軽くて小さな希ガス原子であり、常圧で絶対零度付近においても固体にならないという、極めて特徴的な性質をもっています。
またこれまで、ヘリウム原子を選択的に固体中に閉じ込められる物質が存在しなかったため、単結晶X線構造解析によるヘリウムの観測例は全くありませんでした。
この測定法は結晶性物質の構造解析に極めて有用で、結晶を構成する全ての原子の電子数に依存する反射データを解析することにより、
構成原子の位置や熱振動の様子を決定することができますが、小さく軽いヘリウム原子がこの方法で観測され得るかどうかは全く未知でした。

一方、フラーレンは、球状に結合した炭素原子で構成される分子であり、その内部にはサブナノスケールの完全な真空の空間が存在します。
そこに物質が存在するものが内包フラーレンであり、空のフラーレンとは異なった電子物性や化学反応性を有しているために、機能性有機材料として世界中で大きな注目を集めています。
従来、その合成法は、アーク放電法、イオン注入法、高温高圧処理法の三つに限られており、そのいずれも、金属イオン・原子を内包する物質合成の効率はあまり良くありませんでした。
しかし近年、温和な条件下で内包フラーレンを合成できる「分子手術法」が開発され、本研究グループではこれを応用して、小分子やヘリウム原子の内包体を極めて効率よく合成する手法を開拓してきました。
ただし、これまでいずれの手法も単独で用いられるだけであり、複数の手法を組み合わせることができれば、多彩な内包フラーレンの創出につながると期待されていました。

■研究の内容
本研究グループは、ヘリウム原子を内包したフラーレンC60を分子手術法によって合成し、その内包率をHPLC（高速液体クロマトグラフィー）により30％から95％に向上させ、
さらにポルフィリンとのサンドイッチ型の分子錯体として単結晶作製に成功しました。
また、この単結晶について、SPring-8において放射光を用いたX線回折実験を行い、その結果、C60の内部に捕獲されているヘリウム原子の観測に世界で初めて成功しました。
摂氏マイナス100度の測定温度においても、内部のヘリウム原子が動いている様子が観測されました（図1、図2）。このことは、C60の内部には、ヘリウム原子が内包されていても、もう少し余分な空間が存在していることを示しています。

そこで、イオン注入法の一種であるプラズマ放電法により、ヘリウム原子を内包したフラーレンに窒素原子を追加で挿入することを試みました。
窒素原子由来の電子スピン共鳴スペクトルおよび質量分析スペクトルの測定から、得られた生成物はヘリウム原子と窒素原子の異種2原子を内包していることが確認され、
異種原子が近接することにより原子の位置が変化し、また分子の対称性が低下することによって生じる電子構造の変化も理論的に説明されました。
これは、2種類の内包フラーレン合成法を段階的に適用することによって、これまでにない異種原子を内包したフラーレンを合成した初めての成功例です（図3）


本研究により、既存の内包フラーレンに対してイオン注入法を適用することが、異種原子を内包する新しいフラーレンの創成に有効であることが示されました。
さらにリチウムなど他の原子を内包させる可能性を検討し、多様な内包フラーレンの合成方法を確立していきます。

画期的な爆薬が作れるな。

常温常圧核融合爆薬への道

ﾌﾝｶﾞｰ

スーパー電池

物性系のスレは悲しいほど伸びない

フラーレンに水素原子をギチギチに詰め込んで核融合させるのか
なるほど

メモとして論文へのリンク
ttp://www.nature.com/ncomms/journal/v4/n3/full/ncomms2574.html

>>7
この板で伸びるスレって的外れな持論を開陳し続けてるだけだからああなるくらいなら伸びなくていいやって思っちゃうの

>>8
そんな圧力になる前にフラーレンがぶっ壊れると思うの

＞有機太陽電池材料や有機トランジスタの性能向上に期待

これは大ウソ。つまり全く役に立たない趣味的研究。以上。

有り難たみがわかんないお。

ヘリウム原子の単結晶か
あって当然だが構造解析できるまで成長させたのが凄いな
どのくらいの大きさまで成長させたんだろ？

>>10
まあ生まれたての赤ん坊の将来なんてw

>>12
これをヘリウム原子の単結晶というと色々語弊があるような…
ヘリウム原子を含んだ単結晶と言った方が誤解が少ないと思う

何ができるようになるの？

>>15
水素原子をフラーレンにギチギチに詰めてナノ水爆を作ります

異種原子が近接することにより原子の位置が変化し、
また分子の対称性が低下することによって生じる電子構造の変化

このあたりをどう応用してゆくかだね

フラーレンの応用開発が進まないのは、
どんなに高性能な研究結果が得られても、mgオーダーでの試料しかできないため、
企業が金も人も費やす大量合成設備の開発に乗り気でないところだな。

>>9
伸びてるスレって、専門知識なくても参加できる話題だけだからな。
だから例外なく俺様電波理論かネタレスで埋め尽くされてる。

>>1
X線解析画像が出てるかと期待したのに・・・・
まあ見ても分からんだろうけどｗ

>>18
PCBMを超える材料未だに無いもんな
10年くらい前は流行ったが、
最近はフラーレンをまともにやってる研究室も随分少なくなった

【物理】超音波キャビテーション+液体金属リチウム+重陽子ビームでDD核融合反応の促進を確認　約700万度Kの高温プラズマ状態に−東北大
http://anago.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1339135507/
【化学】微細な泡、便利の秘密　福岡・有明高専グループ、解明か
http://anago.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1362395074/

X線じゃ炭素もそうだが、ヘリウムなんてほとんど情報ないんだが、やっぱ放射光か
フラーレンの電子密度によって存在が確認できたってことかな

何に使えるんかなー・・・
フラーレンの中に何か入れれる、というよりこれと同等の電子密分布を持てば
ガスを内在出来る結晶構造であると応用するのが使えそうだな

>>1
励起子かと思った…

>>7
>>9
>>18
ホントそう
具体的にいうとアニヲタとかネトウヨとかVIPERの類がマーキングしすぎなんだと思う
来るのはいいけど頭悪いなら静かにして欲しい
この板のリスキーシフトスレを伸ばしまくるブロックバスター、チリ人さえ出ていけば幾らかまともになるはず
それかアフィ転禁止

ナノカーボン材料は流行り廃りが激しいね。
フラーレン→CNT→グラフェンと来て
次はマッカイ結晶？

【科学】炭素分子「フラーレン」内部に水分子1個を封入　京大が成功 [11/07/29]
http://toki.2ch.net/test/read.cgi/bizplus/1312035451/
【化学】グラフェンでリチウム原子はさむ化合物、東北大が作製成功 　リチウムイオン電池の小型化や別の原子で超伝導へ
http://anago.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1352207170/

C60内でβ崩壊が加速
http://tftf-sawaki.cocolog-nifty.com/blog/2004/09/c60.html
C60フラーレン中の不安定原子核の半減期
http://kaken.nii.ac.jp/d/p/10874041
参考）フラーレン中の不安定原子核の半減期比較精密測定
http://kaken.nii.ac.jp/ja/p/12640532


哲科学のススメ　(1)
http://www.asyura2.com/09/health15/msg/390.html
近年、炭素１４など世界各地で放射性元素の半減期縮小が報告されているが、
太陽活動と同期しており、その他の事象も考え合わせ、
ニュートリノに拠る現象だという説が挙がっている。

放射能除去法纏めサイト - 数多の除去事例網羅と科学原理の考察
http://www45.atwiki.jp/fulvicmicrobe/pages/13.html
http://www.asyura2.com/11/jisin17/msg/294.html
◆ニュートリノが原因？
研究者らは、崩壊定数における異常を33期日と関連させている。その時間枠は太陽核の33自転期日と一致する。
そのような一致は単なる偶然という軽々しい見方を退ける。
太陽核はニュートリノと言われる粒子を継続的期に放射していることで知られているので、科学者の中には、
ニュートリノが物質の変化の背後にある原因であるという証拠を発見しようとしている。
しかしながらその仮定には問題がある。ニュートリノは幽霊の粒子のようなものなのだ。発見することが極めて
困難なのだ。通常、ニュートリノは地球をなんらの相互作用なしに通過する。ニュートリノにとって、地球は
存在しないかのように。
記録された放射性崩壊定数の変化の背後には、以前は未知だったニュートリノの属性を発見したり、
あるいは新しい粒子を発見しないでも、なんらの粒子も存在しないという可能性はある。この現象の原因と
なるものは、以前には知られていない未知の力だ。

ヘリウムを吸った声で↓

こういう基礎的な研究って簡単に理解できるがもっと何に実用できるか
考えて研究すべき。つまんないよ。

>>28
ナノ水爆に使えるって言ってんだろ
つまんないとか簡単に言うお前がつまんない奴なんだよ

>>29
つまんないってのは俺個人または俺に共感する人としての意見
当人にはつまらなくないからこういった研究は続けられるんだろうとは思うけどさ

ヘリウム原子自体の並進性を反映した回折観測かと思って
ワクテカしてスレを開いたら・・・

これは「原子内包フラーレンの回折」だろ

基礎研究に対して役に立つ厨が沸くのがすでに恥ずかしい

実用性重視の研究以外が無くなると
技術の発展はすぐに終わってしまうぞ

>>30
お前はただの馬鹿なんだから黙ってろよ
な？

こういう目標なしの研究ってニコ動の「やってみた」と同レベルだよね

>>35
こういう研究の積み重ねで測定技術が向上して、
測定技術の向上のおかげで実デバイスの開発が発展する

昔からこういう流れは変わらないよ

>>32
市民感覚としては当たり前
国立大学の研究だから税金使ってるんだろ？
>>33
そんな事ないよ必要は発明の母ですよ
その必要ってはの一般社会における必要って意味ね
研究ってのは社会でどう実現されるか想像しながらやらないとダメですよ

市民感覚（笑）

>>37
こんなの何の役に立つんだ？と言われてたような基礎研究

今、実用化で開花している技術には
そんな研究の積み重ねの上に成り立っている物も多い。
当然、役に立たなかった基礎研究だって多いが。

でも、目先の実用性だけを追った研究ばかりになったら
科学は終わったも同然だ

目先の実用性を追わないと快適な生活は停滞するが？
それに１つの基礎技術が開発されたら10年、100年とその基礎技術を
使う事になる。そうなると結局どうその技術を工学に応用するかって
いうほうが大事なんだよね。１つの技術で何通りもの可能性がある。
だから工学部っていうのは理学部より就職がいいんだよ。画期的な
基礎技術を開発した研究者っていうのは歴史を振り返ってみてもそういない。

>>40
「目先の実用性を追った研究をするな」なんて
一言も書いてないぞ

>>41
まそうだな。
それは分かってる。

それにしてもこの村田ってのは若いな。
42くらいで教授ってなれるもんなの？

ｗｗｗｗ

>>42
僻みはみっともないよ？

巨大化学プラントに匹敵する、ナノカーボン"吸着"機能の夢と可能性 【シリーズ �A金子 克美チーム】
http://www.shinshu-u.ac.jp/special/research/2011/02/37366.html
エキゾチック・ナノカーボン（ＥＮＣｓ）とは、炭素を母体とするナノサイズのカーボンに異種の原子を入れ、
これまでにない物性や機能性をもたせた新規物質のこと。ドリームチームでは、このＥＮＣｓの創成と構造解析、
機能性の検証などを4つのグループが共同して行っている。

このうち金子教授率いるグループでは、ＥＮＣｓの物性・構造解析と吸着機能をベースにした新規応用を目指している。
現在はカーボンナノチューブやグラフェンシートによる分子の貯蔵・転換および分離を調べている。次第にENCsも
取り入れた研究を行う予定。

グラフェンは、六角網平面を形成する炭素原子が１層のシート状に結合しているが、そこに所定の原子を柱のように
挟み込み、もう1枚のグラフェンを重ねると隙間（細孔）ができる。こうしてできた細孔は、気体などの分子を捕らえる
空間となる。カーボンナノチューブはグラフェンを丸めて筒にした構造なので、筒の中に分子サイズの空間がある。

通常、気体分子は、熱エネルギーを持ち空間を動き回るが、この状態はエネルギーが高く不安定である。
一般に物質は、不安定な状態から安定した状態に移る。グラフェンの壁で囲まれた空間は、炭素原子が分子を
吸着する力が強いため、分子はその空間に入って安定化する。

分子を吸着するのは、炭素原子との間に働くファンデルワールス力だ。ファンデルワールス力は、グラフェンの
炭素原子と分子との間にも働く。その力は、化学結合の数十分の1程度だが、六角網目構造で並ぶ個々の
炭素原子の力を積算するとかなりになる。こうして次々とカーボンの細孔に捉えられた分子は、空間内に強く押し付け
られた状態となり、最近になって、そこには2万気圧もの圧力がかかっていることが判明している。

タイトル間違ってるじゃないか．
解析じゃなくて回折

>>46
脊髄反射で否定せず
ソースくらい確認しろよw

http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/news_data/h/h1/news6/2012/130306_1.htm
http://www.nature.com/ncomms/journal/v4/n3/full/ncomms2574.html


論文の中身が見られないから単なる推測だけど、
ヘリウム原子自体からの回折線ではないから
"ヘリウム原子の単結晶X線構造解析"って言ってるんだろうよ