東京大学(東大)は、電子顕微鏡により液体の中にある原子1つひとつを可視化し、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成功したと発表した。

同成果は、東大生産技術研究所の溝口照康 准教授、宮田智衆氏、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によるもの。詳細は米国の学術誌「Science Advances」(オンライン版)に掲載された。

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る。液体は巨視的には均質にみえるが、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る。

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つひとつの挙動を捉え、空間的・時間的な不均一性を把握する必要がある。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だった。

今回の研究では、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着目し、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をした。これまでに開発してきた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つひとつを明瞭に可視化することに成功した。

また、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たとしている。

さらに、同研究で明らかとなった金イオンの動きの移動量から、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たという。

研究成果の模式図 (出所:東大Webサイト)

今回の成果を受けて研究グループは、同研究を発展させることで、今後、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るとしている。