【化学】水素イオン（プロトン）の連続リレー移動反応の直接観察と微視的機構を確立　STM探針から電子を当てて観測

1 ：pureφ ★：2011/12/22(木) 23:44:44.54 ID:???

水素イオン（プロトン）の連続リレー移動反応の直接観察と微視的機構を確立

　京都大学は2011年11月28日に，奥山弘 京都大学理学研究科准教授，上羽弘
富山大学理工学部教授らのグループが，もっとも軽い元素である水素イオン（プロトン）の
水素結合を介して伝わる様子を観察し，そのメカニズムを解明することに成功したとのプレス
リリースを行った．原著論文は物質科学の専門誌Nature Materialsにオンライン速報として
掲載された（注）．

　物質中における水素イオン（プロトン，H+）の移動は化学，生物学において重要な役割を
果たしている．特に水素結合系におけるプロトン移動は，有機化学反応における酸･塩基
反応や，生体中の酵素触媒反応の反応素過程として極めて重要である．その移動過程に
対し，1806年にTheodor Grottussはプロトンリレー移動の考え（グロータス機構）を提唱した．
水の分子（H2O）は水の中で互いに水素結合して存在し，プロトンと結合してH3O+となった
水分子からH+が水素結合を介して隣の水分子に移動することによって，水の電気伝導や
電解反応が進行するというものである．しかし，その後200年にわたり，分子レベルでの詳細は
明らかにされて来なかった．その原因は，プロトントンネリングのようなプロトンの量子力学的
性質や，移動過程における溶媒分子，分子内（間）振動などの周囲との相互作用が，
反応機構をより複雑なものにしているためと考えられている．

　奥山准教授らの実験チーム1個の水分子（H2O）に隣接して数個の水酸基（OH）が並ぶ
一次元鎖構造を結晶方位(110)の銅基板上に作製した．端の水分子に適切なエネルギーを
もった電子を走査トンネル顕微鏡（Scanning Tunnel Microscope, STM）のプローブから
当てると，水分子を構成する1個の水素イオン（プロトン）が次々と隣のOH分子に乗り移り，
最終的には端にあるOHがH2Oに変化する単一分子間のプロトン移動を観測することができた．
移動は可逆的で，非弾性トンネル電子が分子振動を励起することによって起る．この実験
結果に対し，上羽教授らの理論チームは，吸着，振動モード，反応経路の第一原理計算を
行って，その物理的機構を理論的に明らかにした．

　今回の成果は，200年以上も前に提唱された水素結合系でのプロトン移動に関する
グロータス機構の解明に新たな糸口を与えるとともに，原子移動に伴う単一ビット情報伝達を
利用した分子コンピューターへの道を拓く可能性も秘めていると研究者達は期待している．

（注）T. Kumagai, A. Shiotari, H. Okuyama, S. Hatta, T. Aruga, I. Hamada, T. Frederiksen, and H. Ueba,
"H-atom relay reactions in real space"
Nature Materials (2011) doi:10.1038/nmat3176. Published online on 27 November 2011.
http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat3176.html

NanotechJapan 2011.12.12
https://nanonet.nims.go.jp/modules/news/article.php?a_id=1219

参考リンク
もっとも軽い元素である水素原子（プロトン）の連続リレー移動反応の直接観察と微視的機構を世界で初めて確立
京都大学プレスリリース 2011年11月28日
http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/news_data/h/h1/news6/2011/111128_2.htm
http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/news_data/h/h1/news6/2011/images/111128_2/01.jpg
図1：水の中で電気（プロトンH+）が伝わる様子。右端のH3O+イオンから、順次プロトンのリレーを
行い、左端の水分子にプロトン（電荷）が移動すると考えられている。（プロトンリレー）。
http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/news_data/h/h1/news6/2011/images/111128_2/02.jpg
図2： 走査トンネル顕微鏡の探針からエネルギー（電子）を水分子に注入することで、プロトンリレー
が進行する。図は顕微鏡像を3次元表示したもの。

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