産総研、ナノスケールと原子スケールの両構造情報を同時取得する手法を開発

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産業技術総合研究所(産総研)は6月26日、放射光X線から作り出された「虹色X線」(波長分散集束X線)を用いて、X線散乱とX線吸収スペクトルを同時かつ高速に計測する技術を開発し、ナノ材料の機能を左右するナノスケール構造(粒子のサイズと形状)、および原子スケール構造(原子間距離、配位数、化学状態)の情報を同時に得ることに成功したと発表した。

同成果は、産総研 物質計測標準研究部門 ナノ材料構造分析研究グループの白澤徹郎上級主任研究員、東京学芸大学 教育学部のVoegeli Wolfgang 准教授、同・荒川悦雄教授らの共同研究チームによるもの。詳細は、英国王立化学会が刊行する物理化学・化学物理学・生物物理化学を扱う学術誌「Physical Chemistry Chemical Physics」に掲載された。

ナノ材料において機能の鍵を握るのは、ナノスケールのサイズや形状、さらにミクロな世界の原子スケールの構造。たとえば燃料電池では、電極触媒に白金などのナノ粒子が用いられているが、その反応効率が発電効率を左右する。触媒反応はナノ粒子の表面で起こるため、一般に、粒子を小さくすることで体積に対する表面積の割合が大きくなり、反応効率が上がる。さらに、反応効率は触媒原子の原子スケールの構造(原子間距離や配位数)によっても変わる。そのため、反応効率の高いナノ粒子を開発するには、ナノスケール構造(粒子サイズや形状)と原子スケール構造を計測した上で、構造と反応効率との因果関係を明らかにし、最適な構造を予測することが重要となるという。

また、反応中に反応効率と構造が変化する場合には、時間的な相関を知ることがそのメカニズムの解明、ひいては耐久性の高いナノ粒子の開発に必須となる。そのため、このようなナノスケール構造と原子スケール構造、およびそれらの時間的変化を計測できる、マルチモーダル計測法が求められていたとする。そこで研究チームは今回、ナノ材料のナノスケール構造と原子スケール構造の同時かつ高速な観察技術の開発を試みることにしたという。

X線吸収スペクトルの計測から原子間距離や配位数や化学状態、X線散乱の計測からナノ材料のサイズや形状を知ることが可能だ。従来の研究では、それらの計測は個別に行われていたが、今回は、これまでに開発済みのX線分光素子技術に加え、新たに開発された二次元検出器を用いた一括測定法と、波長分散集束X線による複雑なX線散乱分布を解析する技術により、X線吸収スペクトルとX線散乱の同時かつ高速な計測が初めて実現された。