2012年1月11日
京都大学、高輝度光科学研究センター（以下JASRI、理事長 白川哲久）の研究グループは、高輝度放射光で共鳴励起した原子核から散乱されたガンマ（γ）線のユニークな特性を利用して、ソフトマター中で1000万分の1秒程度の时间で起こる分子レベルの运动を测定可能にする方法を新たに开発しました。そして、この方法を用いて液晶中の分子の运动状态（ダイナミクス）を调べ、分子间の结び付きの状态（会合状态）を世界で初めて明らかにしました。
液晶などのソフトマター中では分子の运动は液体中よりも遅く、ナノ秒よりも遅い时间スケールでの运动に兴味が持たれていました。特に、人体など复雑な组成のソフトマター中では、内部で様々な运动が起きていると考えられ、运动している部位のサイズを特定した状态で観测することができる方法を开発することは、ソフトマターの微视的な基础理解を飞跃的に向上させることに期待ができるため、非常に重要であると考えられます。しかしながら、これまでの方法ではナノ秒から10マイクロ秒の时间スケールの运动の、原子?分子の微视的なスケール（0.1～6ナノメートル）で长さを特定した状态での迅速な测定は困难でした。今回、大型放射光施设厂笔谤颈苍驳-8の核共鸣散乱ビームライン（叠尝09齿鲍）で利用可能な放射光を用いて単色性の高い高指向性γ线を生成し、それをソフトマターに照射したときに散乱されてくるγ线强度の时间変化を観测することによって、通常の液晶と分子スケールで会合するようにデザインされた両亲媒性液晶（试料提供：顿滨颁株式会社、西山伊佐氏）の系でその运动性が同じ程度であることを见出しました。その结果、この両亲媒性液晶の系では微视的に分子の会合が强く起きていないことが示唆されました。また、本研究により、本方法がソフトマターに适用可能であることがはじめて実証されました。この成果をきっかけに、今后ソフトマターの微视的ダイナミクス研究が発展し、生体中での分子の运动性の理解などが可能になると期待されます。
本研究成果は、齋藤真器名 理学研究科大学院生、瀬戸誠 原子炉実験所教授、山本潤 理学研究科教授、JASRIの依田芳卓 主幹研究員らのグループによって、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業 チーム型研究（CREST）「物質現象の解明と応用に資する新しい計測?分析基盤技術」研究領域（研究総括：田中通義 東北大学名誉教授）の研究課題「物質科学のための放射光核共鳴散乱法の研究」（研究代表者：瀬戸教授）およびSPring-8 パワーユーザー課題「先端的放射光核共鳴散乱法の開発研究およびその物質科学への応用」（研究代表者：瀬戸教授）において得られたもので、一般社団法人日本物理学会の欧文誌である、Journal of the Physical Society of Japan （JPSJ、日本物理学会欧文誌） のオンライン版に1月11日に掲載される予定で、JPSJ編集委員会が推薦する注目論文として、"Papers of Editors' Choice"に選ばれています。
【论文情报】
"Small and Large Angle Quasi-Elastic Scattering Experiments by Using Nuclear Resonant Scattering on Typical and Amphiphilic Liquid Crystals"
M. Saito, M. Seto, S. Kitao, Y. Kobayashi, M. Kurokuzu, Y. Yoda, and J. Yamamoto
Journal of the Physical Society of Japan 81 (2012) 023001
1. 研究の背景
ディスプレーなどに用いられる液晶の物性に対する基础理解は、その応用上からも重要です。液晶分子の形成する重要な相状态の一つであるスメクティック相では、分子は运动性を有したまま図1で示されるような层状の秩序构造を作ります。层の中では液晶分子は比较的自由に拡散できますが、层间の移动は、ある程度、制限されることが知られています。一方、分子が会合するようにデザインされた両亲媒性の液晶分子は、もしこの分子が微视的に会合するような层秩序构造を形成する场合は、层内では自由に动くことが可能ですが、层间の运动をした际には分子が隣の层内で安定な向きとは反対向きになるため、そのような运动はかなり起こりにくくなると考えられます。このような层内运动に比べて层间运动が起きにくくなるかどうか调べることで、分子の微视的な会合状态が起きているか知ることができます。このような会合する分子は生体中にも见られており、微视的运动性の理解は重要です。しかし、これまでこのような分子の微视的な运动性をミクロなレベルで比较的迅速に観测するには多くの制限がありました。
2．研究方法?成果
研究方法としては、原子核（57贵别）が励起状态から基底状态に崩壊するときに放出されるγ线を利用しています。第一励起状态にある57贵别原子核がその寿命（141苍蝉）程度で脱励起する际に放射されるγ线は、そのエネルギー（14.4办别痴）に対して13桁も小さいエネルギー幅（4.6ナノ别痴）となっています。厂笔谤颈苍驳-8の高辉度放射光を用いることによって、このような単色性に加えて高い指向性と强度の强いγ线を生成することが可能となります。このγ线を试料に当てると、γ线は试料の中の运动している分子と衝突することによってエネルギーが変化します。通常の场合は様々な分子の运动によって、入射エネルギーを中心としたエネルギー拡がりが起こることになります。干渉现象を用いて、このエネルギー変化を、観测します。まず、（図1の核共鸣吸収体（叠）からの）変化を受けていないγ线と、（図1の核共鸣吸収体（础）からの）仅かにエネルギーの异なったγ线とを干渉させたとすると、强度の时间変化でうなりが観测されます。これは互いに仅かに周波数の异なった2つの正确な音叉を同时に鸣らすとうなりが闻こえることに似た现象です。このとき、どちらか一方のγ线のエネルギーが试料の运动によって、その线幅である4.6ナノ别痴よりも拡がった场合（準弾性散乱広がり）には、うなりがぼやけて観测されることになります。よって、このような干渉现象を利用して运动状态を観测することが可能となります。一方、この57贵别原子核の第一励起エネルギー14.4办别痴は波长に换算すると0.086ナノメートル（0.86オングストローム）であるため、オングストロームオーダーの原子?分子スケールの构造をみるのに适しています。今回开発した方法は、このような原子?分子スケールでのナノ秒から10マイクロ秒程度の拡散の様子を时间领域上で観测することのできる方法です。この测定装置の概念図を図1に示しました。试料はスメクティック相状态にある液晶分子を用いています。この液晶试料からの回折光を调べると、透过光に対する角度2θhighと2θlowにそれぞれ强い回折光が観测され、それらはそれぞれスメクティック层内と层间方向の分子の配置の相関を反映しています。まず検出器をそれぞれの角度に合わせることで、どのような分子スケールの构造において相関のゆらぎ（缓和）を调べたいかを决めることができます。この时、この得られた时间スペクトルのうなりの状态は、着目している构造の相関がどのような时间で缓和するのかを表しています。実験の结果、典型的な液晶と分子スケールで会合するようにデザインされた両亲媒性液晶の系でその运动性が层内と层间でそれぞれ同程度であることが见出されました。その结果、両亲媒性液晶の系では微视的に分子の会合が强く起きていないことが示唆されました。さらに、この研究により、実际に本方法がソフトマターに适用可能であることが実証されました。
3．波及効果
本方法では、原子?分子の微视的なスケール（0.1～6ナノメートル）でナノ秒から10マイクロ秒の时间スケールでの运动の测定が可能となっています。このような时间－空间スケールでの测定が有効な领域としては本研究で行った液晶をはじめ高分子等も含めたソフトマターに留まらず、ガラス転移机构解明を睨んだ过冷却状态の液体のダイナミクスも重要な研究ターゲットとして考えられます。このように、本方法では基础的な领域から応用研究にまで适用可能であり、すでにイオン液体、分子液体や固体中での分子?イオンの拡散研究にも応用が行われはじめています。
本方法と同様の测定が可能な方法として、中性子スピンエコー法があります。この方法により多くのソフトマターに関する知见が明らかになってきました。本方法は、より小さな相関が遅く缓和する运动が见やすいなどの、いくつかの优れた性质を有しています。さらに、本方法の発展として、异なるエネルギーの核共鸣散乱を同时に用いることで、放射光を高効率に利用でき、测定时间の大幅な短缩が可能です。本方法の今后の広范な応用の可能性が期待されます。
- 図1：时间领域干渉计法の装置図と时间スペクトル
用语解説
ソフトマター
ソフトマターは、固体に対比して柔らかな物质の総称です。例えば、今回调べられたような液晶や、界面活性剤、高分子などがソフトマターと呼ばれます。また、人体中に见られる细胞膜などの生体构造もソフトマターの一つです。ソフトマターは、阶层的な秩序构造があることに加え、その内部での分子の比较的大きな运动性が特徴であり、それによって固体にはない特徴的な机能を持つことがあります。また、人体のメカニズムの理解へ向けても、ソフトマターは盛んに研究されています。
大型放射光施设厂笔谤颈苍驳-8
兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高の放射光を生み出す理化学研究所の施設で、その運転管理や利用促進業務はJASRIが行っています。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8GeVに由来。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する、細く強力な電磁波のことです。SPring-8では、この放射光を用いて、ナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究が行われています。
スメクティック相
スメクティック相は、棒状の液晶分子が2次元の层构造を形成し、それが积み重なった构造を持つ液晶相です。スメクティック层构造中で、液晶分子は特定の方向を向いており、分子は固体と比べて比较的大きな运动性を有しています。また、スメクティック层内での分子运动は、スメクティック层间の分子运动よりも比较的早いことが知られています。
- 日刊工業新聞（2月14日 23面）および科学新聞（1月20日 4面）に掲載されました。