研究内容







先端的な量子計測・レーザー分子分光計測で切り拓く
物質表面界面における水の分子科学
水分子が深く関与する表面界面現象は、物理学・化学・工学・生物学・地学・天文学といった広い範囲の分野において基礎・応用の両観点で極めて重要な研究対象です。私たちは、22世紀の礎(いしずえ)となる人類の新たな学理を構築することを目指し、学術的にも実学的にも興味深く重要な水の表面界面現象を原子・分子レベルの目線で解き明かす基礎研究を展開しています。

研究の概要 / Research Abstract
特異的な構造物性・化学的機能・量子ダイナミクス
このような水分子が本質的に関わる重要な緒現象において、対象となる物質の表面・界面に形成される水分子の特異的な水素結合が機能発現において決定的な役割を担っていることは漠然と認識されている程度であり、個々の現象において、「どのように特異な水素結合構造が表面・界面に形成されているのか?」、「いったいどのような局所サイトや相互作用が水分子及び表面・界面の機能やダイナミズムを創発させているのか?」等の本質的な問題に対する微視的かつ具体的な知見は未だほとんど皆無の状態です。
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Electrochemistry & Catalysis, etc.
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Tribology & Adhesion, etc.
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Astrochemistry & Astrophysics, etc.
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Biology & Physiology, etc.
私たちは、水分子凝集系における水素の配置(H-up/H-down配置)を解明することができる先進的な非線形レーザー分子分光法を実験研究の基軸として、実用物質の不均一な表面やナノレベルで構造を制御したモデル固体表面に吸着・凝集した水分子の水素結合系がどのようなメカニズムで特異的な構造物性や化学的機能、量子ダイナミクスを発現させているのかを解明すること取り組んでいます。
特に私たちは、この数十間年の物質創成の大きな方向性・コンセプトであった『元素戦略』の枠組みでは扱いきれなかった「悪魔が作りし表面(by W. Pauli)」に真摯に対峙しています。とりわけ、触媒化学や環境エネルギー化学、接合・接着工学や光デバイス工学、真空工学、更には大気科学や生命科学といった様々な分野において実は極めて重要な『実材料・実物質の表面界面系』に関しては、その表面界面構造は本質的に不規則・不均一であり、動的な乱れも顕著で周囲の環境に敏感に応答し激しく変質するかなり厄介な『複雑性・非理想性』が顕在化しています。まさに『悪魔の化身』とでも称すべき難攻不落の研究対象であった『実材料・実物質の表面界面系』に対して、私たちは新たな発想や次世代実験技術、深い洞察力と熱いスピリットを武器に真正面から立ち向かっています!

赤外光の振動数が分子振動モードの固有振動数と共鳴する際に、非線形光学効果により赤外光と可視光の和の周波数を持つ光が生成されます。この和周波光を“ヘテロダイン検出法”という光学干渉を利用した光検出法で観測することで、従来の実験方法では解明できなかった“水分子凝集系の水素の配置(H-up、H-down構造)”を解明することが可能になりました。
当グループでは、この実験手法を“世界初”で固体表面上の水分子凝集系に応用することに成功し、開拓的な研究に取り組んでいます。
【解説記事】分子科学会誌(2020)
日本化学会誌(2020)

分子の回転励起を介したトンネル電子の非弾性散乱過程は、これまでの理論的枠組みで取り扱うことが困難でした。当グループでは、この物理メカニズムを解明する理論を“世界初”で提唱することに成功し、走査トンネル顕微鏡を用いた単一分子の回転分光研究の物理化学的基礎を構築しました。
【原著論文】Phys.Rev.B誌 (2017,速報)
現在は、この手法を更に発展させ、非線形光学(量子光学)や極微フォトニクス・プラズモニクスを高度に組み合わせることで、水分子集合体の新規な物性や化学機能の発現に資する特異な水素結合の構造やダイナミズムを微視的に解明できる革新的な実験手法の開発にも世界に先駆けて挑戦しています。
具体的テーマの詳細については、下記「研究トピック」へお進みください。
専門分野 / Fields of research (key words)
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表面界面物性
Surface & interface science -
分光学
Molecular spectroscopy -
物理化学
Physical chemistry -
機能物性化学
Functional chemistry -
宇宙物質科学
Astrophysics & Astrochemistry -
真空工学
Vacuum engineering
研究トピック/Research Topics
HPに掲載外の研究テーマも現在進行中ですので、当グループでの基礎研究に興味がある方は気軽にご連絡下さい。

研究トピック5(精密ラボ実験よる宇宙科学の開拓)より