科学者たちは、化学反応の極めて短い瞬間における個々の電子の動きを初めて画像化することに成功し、化学プロセスへの理解に革命をもたらす可能性のある画期的な成果を発表しました。この研究は、2025年8月20日に権威ある学術誌「Physical Review Letters」に掲載されました。
この進歩は、超高速X線パルスを利用して、アンモニア分子が解離する際の価電子の動きを捉えることに焦点を当てています。これまで、X線散乱は主に原子とその相互作用を固定するために使用されてきましたが、化学反応の鍵となる価電子は、その性質上、観測が困難でした。今回、研究者たちはこの長年の課題を克服し、これらの外殻電子の直接観測を可能にしました。
この研究の筆頭著者であるイアン・ガバルスキー氏は、価電子の挙動を詳細に研究することで、医薬品開発の最適化、より安定した化学技術の導入、そして先進的な材料の創造につながると述べています。実験では、アンモニア分子が紫外線を照射され、電子が高エネルギー状態に遷移して解離プロセスを開始しました。その後、X線パルスが電子雲の動きを捉え、反応のダイナミクスを記録しました。
量子力学の枠組みでは、電子は固体粒子ではなく、その位置を決定する確率の雲として解釈されます。研究者たちはコンピューターモデリングを用いてこれらの電子雲、すなわち軌道を記述しました。X線が電子雲を通過する際に散乱・干渉するデータを解析することで、電子の動きを追跡する画像を再構築しました。得られたデータと理論モデルとの比較により、価電子が観測された変化において中心的な役割を果たしていることが確認されました。
この技術は、将来的により複雑な三次元環境への応用も目指しており、再生医療分野での実用化も期待されています。例えば、組織の再生や個別の注文に応じた人工構造物の作成など、医療分野における新たな可能性を広げるものです。この技術は、SLAC国立加速器研究所の線形加速器コヒーレント光源（LCLS）で実施されました。LCLSは、毎秒最大100万回のX線パルスを生成できる世界で最も強力なX線レーザーの一つであり、科学者たちが原子スケールの超高速現象をかつてない解像度で探求することを可能にします。この進歩は、化学反応の根本的なメカニズムを解明するだけでなく、将来の技術革新や医療の進歩に大きく貢献するでしょう。