東京大学 生産技術研究所の溝口 照康 准教授、宮田 智衆 大学院生、物質・材料研究機構の
上杉 文彦 主幹エンジニアらの研究グループは、電子顕微鏡により液体の中にある原子1つ1つを可視化し、さらにそれらの原子が液体内部で不均一に運動している様子を観察することに世界で初めて成功しました。
産業活動や生命活動において、輸送担体や反応溶媒、潤滑剤などの用途で液体は広範囲に用いられています。液体は巨視的には均質にみえますが、原子・分子のスケールでは、原子・分子ごとに、また同じ原子・分子でも時間ごとに、とりまく環境が異なっています。すなわち、液体の特性を正確に理解するためには、この原子・分子1つ1つの挙動を捉え、空間的・時間的な不均一性を把握する必要があります。しかし、液体中の原子は長距離にわたって秩序構造をとることはなく、さらに運動性が高いことから原子レベルでの解析が困難であり、微視的な理解が遅れているのが現状でした。
研究グループは、液体でありながら真空下でも揮発しないイオン液体という特殊な液体に注目し、高い空間分解能を持つ電子顕微鏡を用いて原子の動きを観察しました。これまでに開発してきた独自の試料作製法を生かし、イオン液体に金イオンを分散させ、重元素を優先的に可視化できる環状暗視野法というイメージング手法を利用して、液体中の金イオン1つ1つを明瞭に可視化することに成功しました。
さらに、連続撮影することで、金イオンが液体内部で移動 (拡散) する様子を観察しました。金イオンが動く軌跡から、ある時間では大きく移動し、ある時間では小さな領域に滞在するという不均一な運動をしていることを明らかにしました。本研究で明らかとなった金イオンの動きを模式的に図3に示します。そしてその移動量から、金イオンの拡散係数と、その活性化エネルギーを見積もることにも成功しました。
液体は反応場や輸送媒体として幅広く使用されています。今回用いたイオン液体は不揮発性・不燃性・電気伝導性という特性から、安全な電池の電解質などとしての利用が期待されています。本研究は液体中の原子1つ1つの運動を可視化した世界初の研究成果です。本研究を発展させることで、液体内部で生じるさまざまな現象の理解が深まり、高性能な電池や溶媒の開発に大きく役立つと期待されます。
本研究成果は平成29年12月15日午前9時 (米国東部時間) に、アメリカ科学振興協会AAASが発行する「Science Advances」 (オンライン版) に掲載されます。
