量子振動がギ酸分子に動的キラリティーを誘発する新知見

2026年1月、学術誌『Physical Review Letters』に発表された新たな研究成果は、化学における基本的な分子構造の認識に一石を投じました。長年にわたり完全に平面分子として扱われてきたギ酸（メタナール酸、HCOOH）が、実際には絶え間ない原子の微小振動によって、ほとんどの瞬間において対称性を失い、動的に三次元的なキラリティー（鏡像異性）を帯びていることを示唆しています。

この高精度な測定は、ドイツ・ハンブルクにあるDESY加速器センターのPETRA III X線源を用いて実施されました。研究チームは、X線ビームを照射して光電離効果とそれに続くアウゲル効果を誘発し、クーロン爆発を観測しました。具体的には、COLTRIMS反応顕微鏡を用いてこれらの連続過程を同時計測することで、分子の瞬間的な状態を捉えることに成功しました。このCOLTRIMS（コールド・ターゲット・リコイル・イオン・運動量分光法）は、ラインハルト・デーナー教授らが共同で確立した測定手法であり、高精度実験の鍵となりました。

主要な観測データは、分子内の二つの水素原子が極めてわずかに振動することにより、分子がほぼ瞬時にキラリティーを持つ非鏡像異性体構造を採用している点に関連しています。この研究には、ゲーテ大学フランクフルトの核物理学研究所に所属するデーナー教授率いるグループのほか、カッセル大学、マールブルク大学、ネバダ大学、フリッツ・ハーバー研究所、マックス・プランク核物理学研究所など複数の機関が共同で取り組みました。彼らの結論は、量子世界における幾何学は静的な特性ではなく動的な事象であり、平坦な分子像は全方向への振動の時間平均の結果に過ぎないという点に集約されます。

ギ酸が平面分子であるという従来の化学的通説が覆されたことは、分子構造の定義が静的なものではなく、量子効果によって絶えず変化する動的な事象であるという量子論的な視点を分子構造の理解に深く導入するものです。従来のキラリティーの定義は分子の静的な構造に依存していましたが、本研究は、粒子が完全に静止しないことを規定するゼロ点振動といった量子物理学的な効果が、分子の非対称性という根本的な性質をいかにして動的に生じさせるかを示しています。この動的なキラリティーの出現は、生物学的に重要なキラリティーが自然界でどのように発生するかについて、より広範な示唆を与えるものです。

この実験的進歩は、COLTRIMSと高輝度X線源を組み合わせた高度な技術により、瞬間的な分子構造を精密に測定する能力が向上したことを示しています。分子レベルでの非対称性の理解を深めることは、例えば、キラルな性質が円偏光発光を示す材料開発や、次世代の光学デバイスへの応用といった分野における基礎的な一歩となります。