北大とトヨタなど、自動車排ガス浄化用触媒材料を放射線損傷なくナノレベル観察することに成功

SACLA　産学連携プログラムで，自動車排ガス浄化用触媒材料を
放射線損傷なくナノレベル観察することに成功
−X線自由電子レーザーを利用した世界初の産学連携研究論文を発表−


■概要：
　北海道大学，トヨタ自動車株式会社，高輝度光科学研究センター（JASRI），理化学研究所（理研）は，X線自由電子レーザー（XFEL）施設「SACLA」（＊１）を用いた世界初の産学連携研究の成果として，自動車排ガス浄化用触媒材料を，放射線損傷なくナノレベルで観察することに成功しました。これは，北海道大学電子科学研究所の吉田力矢助教，西野吉則教授，トヨタ自動車株式会社材料技術開発部の山重寿夫主任，理化学研究所放射光科学総合研究センターの矢橋牧名グループディレクターらの成果です。
　本研究成果は，英国の科学雑誌「Journal　of　Physics　B：Atomic，Molecular　and　Optical　Physics」（２０１５年１１月３日付）にオンライン掲載されました（※）。


■経緯：
　X線自由電子レーザー（XFEL）施設　SACLAは，第３期科学技術基本計画における５つの国家基幹技術の１つとして理研とJASRIが建設した，X線科学における世界最先端の研究施設です。理研はJASRIと連携し，SACLAの産業利用振興に必要な調査研究を目的として，平成２６年度よりSACLA　産学連携プログラム（＊２）を開始しました。先端的研究施設の共用の初期段階から，産業利用を積極的に推し進めることは，世界的に見てもこれまでほとんど例のない，斬新な試みです。北海道大学電子科学研究所の西野吉則教授は，トヨタ自動車株式会社と共同で「XFELを用いた自動車用ナノマテリアルの形態や状態の把握」という課題を提出し，平成２６年度より２年連続でSACLA　産学連携プログラムに採択されました。


■内容・対象・意義：
　電子顕微鏡やX線顕微鏡では，電子線やX線といった観察に用いる放射線の照射によって試料が壊れてしまうことがあり，問題となってきました。XFELの発光時間は１０フェムト秒（＊３）以下と，放射線損傷が起こる時間スケールよりも短いため，XFELで試料を照らすと，試料が放射線損傷を受ける前の一瞬の姿を捉えることができます。研究グループは，このXFELの特徴を活かして，コヒーレント回折イメージング（＊４）という手法により，自動車排ガス浄化用触媒材料を放射線損傷なくナノレベルで観察することに成功しました（図１）。

　XFELを用いたイメージングでは，研究グループが独自開発した技術により，従来手法では困難であった溶液中でのみ構造を保つことのできるナノ材料の評価も行うことができます。今後，触媒や電池材料など産業応用上重要な物質の実使用環境やプロセス過程でのナノレベル解析において，この新規技術が威力を発揮すると期待されます。
　本成果は，XFELという世界最先端研究施設を産業利用する世界初の試みです。今後XFEL施設　SACLAでの，さらなる産官学連携研究の広がりが期待されます。


　※
　　研究論文名：
　　　Extending　the　potential　of　x−ray　free−electron　lasers　to　industrial　applications−an　initiatory　attempt　at　coherent　diffractive　imaging　on　car−related　nanomaterials
　　　（X線自由電子レーザーの潜在能力を産業利用に押し広げる　−自動車関連ナノ材料をコヒーレント回折イメージングする初めての試み）
　　著者：
　　　吉田力矢（１），山重寿夫（２），三浦真秀（２），木村隆志（１），城地保昌（３），別所義隆（４，５），倉本真弓（１），于健（１），Krishna　Khakurel（１），登野健介（３），矢橋牧名（３，５），石川哲也（５），西野吉則（１）
　　　（１　北海道大学，２　トヨタ自動車株式会社，３　公益財団法人高輝度光科学研究センター，４　Academia　Sinica，５　国立研究開発法人理化学研究所）
　　公表雑誌：Journal　of　Physics　B：Atomic，Molecular　and　Optical　Physics（英国物理学会の雑誌）
　　公表日：英国時間　２０１５年１１月３日（火）（オンライン掲載）


〔参考図〕

　◇図１は添付の関連資料を参照


〔用語解説〕
　＊１　X線自由電子レーザー（XFEL）施設　SACLA
　　理化学研究所と高輝度光科学研究センターが共同で建設した日本で初めてのXFEL施設。第３期科学技術基本計画における５つの国家基幹技術の１つとして位置付けられ，２００６年度から５年間の計画で建設・整備が進められた。２０１１年３月に施設が完成し，SPring−８　Angstrom　Compact　free　electron　LAserの頭文字を取ってSACLAと命名された。２０１１年６月に最初のX線レーザーを発振，２０１２年３月から共用運転が開始され，利用実験が始まっている。

　＊２　SACLA　産学連携プログラム
　　SACLAの本格的な産業利用を加速するために，理化学研究所が，大学・研究機関・企業及び公益財団法人高輝度光科学研究センター（JASRI）と連携しながら，調査研究を行うプログラム。平成２６年度より継続して実施中。（http://xfel.riken.jp/topics/20150316-1.html）

　＊３　フェムト秒
　　１，０００兆分の１秒が１フェムト秒。１フェムト秒は，光の速さ（秒速約３０万キロメートル）でも０．３マイクロメートルしか進むことができないほどの極めて短い時間。

　＊４　コヒーレント回折イメージング
　　波面が揃っている光のことをコヒーレントな光といい，レーザー光の持つ特徴の１つである。コヒーレントな光を試料に照射した際に起こる散乱現象が，コヒーレント回折である。コヒーレント回折パターンは，試料の僅かな構造の違いにも敏感である。このため，コヒーレント回折パターンを計算機で解析すると，試料の画像を得ることができる。