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理化学研究所(理研)放射光科学研究センター利用技術開拓研究部門物質ダイナミクス研究グループのアルフレッド・バロングループディレクターらの研究チームは、水の「ナノメートル空間[1]」で観測される非弾性X線散乱スペクトル[2]の中に「ファノ効果[3]」と呼ばれる干渉効果に似た相互作用が現れることを発見した。 1. ナノメートル空間:1ナノメートル(nm)は10億分の1メートル。ナノメートル空間は、一辺の長さ1~10ナノメートルで作られる空間サイズを指す。 2. 非弾性X線散乱スペクトル:X線を物質に照射したとき、物質のさまざまな励起状態とエネルギーをやり取りした結果、散乱X線のエネルギーが入射X線のエネルギーから変化する現象を非弾性X線散乱といい、エネルギーを変えながら散乱X線強度を観測したものを非弾性X線散乱スペクトルという。このスペクトルを精度よく測定することで、原子や分子の集団運動について詳しく知ることができる。 3. 理化学研究所：水のナノメートル空間で現れる特殊なダイナミクスを発見 – Motor-FanTECH.[モーターファンテック]. ファノ効果:エネルギー的に離散的な共鳴準位と連続的な準位間で起きる干渉をいう。この現象は非対称的なスペクトル波形として観測され、凝縮系物理学や原子物理学で広く観察されている。 水は地球表面に存在する最も重要な物質である。液体の運動に関する研究分野は英語で「hydrodynamics」、つまり「水(hydro)-力学(dynamics)」ということからも分かるように、液体の運動はまさに"水に始まって、水に終わる"ともいえる。水についての研究はこれまで数多く行われてきたが、それでもまだ解明されていない課題がいくつか残っている。 そのうちの一つが「ナノメートル空間」における水の運動。1ナノメートル(nm)は10億分の1メートルで、ナノメートル空間とは一辺が1~10nmの非常に小さな空間のことである。そのような微小空間であっても、水は連続体の運動として記述できるのか、それとも連続体としての近似はもはや成り立たず、個々の水分子(H 2 O)の離散的な分布(最近接の分子間距離:約0. 28nm)を考慮した運動を考えなければならないのか、分かっていなかった。 この問題を解く実験的研究は、1980年代から1990年代にかけて欧州で始まり、研究者らはX線や中性子線を光源とし、精巧な装置を築いて取り組んだ。その結果、観測する空間スケールを細かくしていくと、水の運動には何らかの新しいモード(運動のパターン)が現れることが多くの研究で示唆された。しかし、実験結果の解析や解釈について統一的な見解が得られていなかった。 研究手法と成果 研究チームは、大型放射光施設「SPring-8」 [5] に設置されている高分解能非弾性X線散乱スペクトロメータ [6] を用いて、1ミリ電子ボルト(meV、1meVは1, 000分の1電子ボルト)以下というこれまでにない非常に高い精度でナノメートル空間における水の集団運動を観測した(図1)。 5.
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