最新の研究成果
1ナノメートル以下の分解能で！ 世界初！1分子内部の電子の歪みを画像化－集積分子材料のデザインに不可欠な情報の画像化に成功－
2024年1月23日
- 工学研究科
- プレスリリース
ポイント
◇光照射によって働く試料とプローブ間の力（光圧※1）を計測する「光誘起力顕微鏡※2」で、単一分子内部の電子の歪みを世界で初めて1ナノメートル以下の分解能※3で画像化することに成功
◇隣接環境間の電荷移動を計測する「ケルビンプローブ力顕微鏡※4」と組み合わせることにより、単一分子内部でなぜ電子の歪みが発生するのかを明らかにすることに成功
◇画期的な光触媒材料や太陽電池材料など、機能性ナノ材料の設計・評価のための新しい基盤技術として期待
概要
大阪大学大学院工学研究科 菅原 康弘教授、山本 達也さん（研究当時：博士後期課程）、大阪大学大学院基礎工学研究科 石原 一教授、大阪公立大学大学院工学研究科 余越 伸彦准教授、大阪産業技術研究所 山根 秀勝研究員らの研究チームは、光照射により発生する力（光圧）を計る顕微鏡（光誘起力顕微鏡）を用いて、単一分子の中で電子が複雑に歪む様子を1ナノメートル（10億分の1メートル）以下の分解能で画像化することに世界で初めて成功しました（図1）。
基板や配列をデザインして一つ一つの分子を積み上げ新しい機能を持つ物質を創り出す技術は、将来の省エネルギー・持続型社会の創造に欠かせない技術です。しかし、配列構造中など、多様な環境中にある分子一つ一つの性質は、それが単独であるときのものとは通常著しく異なります。周囲との相互作用の結果、分子の性質を決める電子が移動したり、電子雲※5が強く歪んだりするので、それを理解した上での材料設計が必須です。今回研究チームは、層状に積まれた単一分子の一つ一つを、光が誘起する力を用いて観測しました。その結果、分子内の電子雲が歪み、電荷分布が分子サイズより細かい複雑な構造を持つ様子を原子分解能に迫る光圧画像で確認しました。また通常の光では吸収せず透明に見えてしまう波長での像が観測できたことも特徴です。機能性集積分子材料の設計・評価のための新しい基盤技術として期待される成果です。
図1 (a) ペンタセン分子の原子構造と今回試料とした銀(Ag)表面上のペンタセン二層膜の分子の配列。(b) 光誘起力顕微鏡の模式図。(c) 二層ペンタセン分子の光誘起力像。各単分子の両端で強い電子の歪みが観測された。(d) (c)の白線上の断面図。0.6ナノメートルの空間分解能が実現されている。
本研究成果は、2023年12月29日（金）、米国化学会の学術誌「ACS Nano」のArticlesオンライン速報版で公開されました。
掲載誌情報
【発表雑誌】ACS Nano
【論文名】Optical Imaging of a Single Molecule with Subnanometer Resolution by Photoinduced Force Microscopy
【著者】T. Yamamoto, H. Yamane, N. Yokoshi, H. Oka, H. Ishihara and Y. Sugawara
【掲載URL】https://doi.org/10.1021/acsnano.3c10924
資金情報
本研究は、文部科学省科学研究費新学術研究領域研究「光圧によるナノ物質操作と秩序の創生」（領域代表 大阪府立大学/大阪大学 石原一）の支援の下に行われました。
用語解説
※1 光圧…物質に光があたると、光の色（波長）や強度によって様々な力が働き、これを光圧と呼ぶ。光電場とそれにより物質内に誘起される電気分極の間に働く相互作用に由来する。
※2 光誘起力顕微鏡…金属基板上の試料と金属コートされた走査型顕微鏡のプローブチップが光で照射されると、両者の間に近接場と呼ばれる強い光電場が発生する。この近接場がプローブチップに及ぼす光圧を高感度に測定することで試料イメージを得る顕微鏡。
※3 分解能…測定装置などが、どれくらいまで細かい構造を識別できるかの性能を表す指標。1ナノメートル以下の分解能とは1ナノメートル以下の距離しか離れていない構造が識別できる性能を表す。
※4 ケルビンプローブ力顕微鏡…金属コートされた走査型顕微鏡のプローブチップと試料にバイアス電圧を印加すると、両者の間に静電気力が働く。この静電気力を高感度に測定することにより試料の局所的な電気的特性や電荷分布を得る顕微鏡。
※5 電子雲…量子力学によると、分子内の電子の位置は測定前に確定せず、ある位置に存在する確率だけが得られる。そのような確率分布を図示したものを電子雲と呼び、電子雲が歪むと分子内に電荷の偏りができる。本記事ではこれを簡単に電子が歪むと表現している。
研究に関する問い合わせ先
大阪公立大学大学院 工学研究科
准教授 余越 伸彦（よこし のぶひこ）
TEL：072-254-9497
E-mail：n.yokoshi[at]omu.ac.jp
※[at]を@に変更してください。
報道に関する問い合わせ先
大阪公立大学 広報課
担当：竹内
TEL：06-6605-3411
E-mail：koho-list[at]ml.omu.ac.jp
※[at]を@に変更してください。
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