【ナノテク】化学反応の前後における分子構造の変化を直接画像化することに成功…非接触型原子間力顕微鏡で可能に／UCバークレー校

カリフォルニア大学バークレー校の研究チームが、化学反応の前後における分子構造の変化を
直接画像化することに成功した。化学構造図そっくりに画像化できる。従来、核磁気共鳴法（NMR）などによる
分析を利用した間接的な推測からしか、こうした情報を得ることはできなかった。
2013年5月30日付けの Science に論文が掲載されている。

研究チームは、電子デバイス用途でのグラフェン・ナノ構造をボトムアップ形成するために同手法を開発した。
グラフェンの表面に他の分子を精密に配置して狙ったとおりの構造を作り上げるには、化学反応によって
実際に生成される反応物の状態を詳細に可視化する必要があったという。

図1　反応前後の分子の構造変化を nc-AFM によって可視化 （Credit: UC Berkeley）
http://111.89.136.85/app-def/S-102/wp/wp-content/uploads/2013/06/triptych350.jpg

図1は、今回の研究で用いた化学反応の前後での反応物の画像である。
上段は走査トンネル顕微鏡（STM）によるもので明瞭さに欠けるが、
中段の非接触型原子間力顕微鏡（nc-AFM）の画像では、分子の結合状態が鮮明に表れている。
下段の化学構造図と見比べると、ほとんど構造図そのままの形状で画像化されていることが分かる。

nc-AFMによる原子レベル解像度の撮像技術は、2009年にIBMチューリッヒ研究所がはじめて用いたもの。
探針先端に一酸化炭素を結合させることで nc-AFM の分解能を大幅に高め、
分子の化学結合状態まで可視化できるようになっている。

図2　nc-AFM による撮像の仕組み。一酸化炭素を結合させた探針先端を用いている （Credit: UC Berkeley）
http://111.89.136.85/app-def/S-102/wp/wp-content/uploads/2013/06/afm400.jpg

今回の研究では、反応表面および分子を液体ヘリウム温度（約4K）に冷却して分子の動きを止めてから、
STMを用いてすべての分子を表面上に並べて焦点を絞り込み、nc-AFMによる探針の精度をさらに高めた。

冷却状態での撮像後、分子の反応温度までサンプルをいったん加熱し、次にもう一度 4K まで
冷却することで反応生成物の撮像を行った。これによって反応前後での化学構造の変化を直接可視化することに成功した。

研究チームは、同手法を用いて、高度に秩序化された構造を表面上に形成できるようになるため、
炭素材料を用いた電子デバイスやデータストレージ、ロジックゲートなどの応用につながるとしている。
また、今回の研究の直接の目的はグラフェンのナノ構造形成だが、同手法はグラフェンに限らず、
ヘテロジニアスな触媒の研究などにも幅広く利用できるとみられる。

ソース：SJNニュース（2013年6月3日）
http://sustainablejapan.net/?p=4217
関連リンク：scienceに掲載された論文要旨
「Direct Imaging of Covalent Bond Structure in Single-Molecule Chemical Reactions」（英文）
http://www.sciencemag.org/content/early/2013/05/29/science.1238187
関連リンク：カリフォルニア大学バークレー校のプレスリリース（英文）
http://newscenter.berkeley.edu/2013/05/30/scientists-capture-first-images-of-molecules-before-and-after-reaction/

スレタイで思っていた以上に鮮明な画像で吹いたｗｗｗ

>>2
何でも吹けば良いと言うもんではないぞ

ああ、安倍チョンが入れなかった大学か

すごいね。
科学技術の進歩は、新しい時代に入った感じだ。

物質って本当に化学式通りに繋がってんだね

この反応過程が時間分解で撮影できれば本当にすごいけどね

凄くねコレ

なんか感動した

ついに分子のセックスが見れるようになるのか（´・ω・｀）

二重結合の位置も画像化可能？

これって映してるんだよね？
解析と称して画像創りあげてないよね？

へー
マジでこんなふうに結合してたんだｗ

すっげぇ・・・

馬鹿がいっぱいいるなw

一酸化炭素分子の酸素より細くできる針先は何を使えばいいんだろ

ついにここまで見れるようになったか

なんかレコードみたいな感じ？
でこぼこを分子の針先で走査して、
その変化をレーザーで読み取って画像解析してるのかな

AAと偶然に一致した画像まだ？

>>1
すげー　構造式の通りにほんとに原子って並ぶんだ！

　
一分子だけの撮影も簡単じゃないように思えるのだが、

考えられていた形との差がないのは
それだけシンプルだからなのか

ベンゼン環って便宜的に書いてるもんだと思ってた

これ撮像した写真に合わせて構造式書いただろｗ

日本でも、分子の変化を可視化するシステムが建設されたよ

http://www.mhi.co.jp/discover/graph/feature/no169.html

ベンゼンに乾杯！

子どもの時、初めて大阪に行ったら、街ゆく人が実際に関西弁を喋っていて感激したのと同じ感覚だ(´・ω・｀)

科学記号そのままの外見なんだな おどろいたわ

これを予言していた人達はすげーよなあ

ケクレはサルが6匹輪になって踊り尻尾を持つサルと持たないサルがいる、という
夢を見た？いやそれは後世の作り話？ってネタがあったな

実際には六角形で二重〜一重　が続くと正三角形をちょっとだけ切り落としたような六角形になってしまう

グラフェンの画像
平面じゃなくてフラーレンっぽく丸まろうとしてるな

まあ存在確率の可視化だからね

>>10
やっぱモザイクは敵ってことが判明ｗ

【ナノ/物理】ケルビン プローブ原子間力顕微鏡で単一分子内の電荷分布のイメージングに世界最初に成功−IBMチューリッヒ研究所
http://anago.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1332611230/

前から思ってたけど、どうやって一個だけCOをつけてるんだろう？しかも先っちょに。

>>7
さすがに無理だろ
4Kまで下げて分子運動を止めてようやくこの解像度みたいだからな

微細なプローブで走査するから解像度が高いんだろ
測定物の電荷分布を調べるためにCO分子の極性を利用する

てめーこら、バークレんじゃねーぞ

ここまで見えるとは思わなかったな

まーでもそもそも単分子見たから何なんだって気もする

空間充填モデルみたいには見えないのか

>>34
反応の途中で何度も冷やしては温めを繰り返して
コマ撮りすれば動画もいけるんじゃない？

素粒子ってもっとぼやっと存在してるのかと思ってたけど分子内ではかなりはっきり存在してるんだな。
分子の縁の部分のベンゼン環が濃いのはなんでなんだろ

理屈は、「音楽の波長を人の見える可視光線の波長にシフト（置き換え）
したらこんな色の経時変化になります」
っていうのに近いことだよね？

>>39
きっと
「ブルブルブルブルブルブル・・・」→「ぱっ!!」
で一瞬では

スケール、３Aでいいのか？

>>40
素粒子？

グラフェンちゃんのあんな姿こんな姿
丸見えでグヘヘ

>>40
良くも悪くも原子間力の統計的画像であって
明るいところはそこに何かの力が働く期待値が高いというデータでしょ

そこにプローブを持っていくだけでも凄い。

原子間力をどうやってレーザー光でピックアップしてるの？
近接場光が変化する？

>>48
AFMでググれ

これ本物か？　画像加工してねえだろうな。整形してないなら美人過ぎる。

>>50
グラフェンちゃんは優秀な子なんだよバカヤロー

つながりの部分も可視化されてるのか
線のつながり部分がなぜ映るんだろう

>>52
共有結合で電子の軌道が縛られるからでないの

>>12
この顕微鏡は直接見てるというわけじゃないよ
極細の針を試料に近づけると、針先と試料との間に原子間力という力が働く
この力の大きさを検出してその度合いを画像化してるって感じだったと思う
だから試料の状態をそのまま反映しているとはいえ、人間が光を当てて目で
対象物を見てるのとは違ってるはず

不確定性原理が破れそうです

>>55
いや、この顕微鏡は撮像原理にパウリの排他律つかってるから

http://www.chem-station.com/chemglossary/2009/11/-atomic-force-microscope-afm.html

重なり積分と言うらしいな

>>48
ttp://sustainablejapan.net/?p=4217　の図2

レーザーは「針」の高さを測定してるだけ。
針の高さは電荷分布を反映して上下する。

AFMは制振機構が大変だって言ってたな。
昔、制振がいまいちだった頃は、測定が失敗して原因を
絞り込んだらずいぶん遠くを通った車のせいだった、みたいな

地震多いところじゃAFMは耐震が大変そうだな

非接触型原子間力顕微鏡てどこに行けば売っているんですか？

昔の人って見えもしないものを状況証拠だけで推論して正しい形を把握していたんだね。
すげーわ。