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粉末から単結晶の情報を得る
－強磁場を用いた微結晶の三軸配向－ 平成１８年 ３月１７日 独立行政法人物質・材料研究機構 概要 １．独立行政法人物質・材料研究機構（理事長：岸 輝雄）、強磁場研究センター（センター 長：木戸 義勇）の木村 恒久グループリーダー（本務：首都大学東京教授（学長：西澤 潤 一）都市環境学部（学部長：井上 晴夫））のグループは、首都大学と共同で磁場配向を用 いて粉末試料から単結晶Ｘ線回折像を得ることに世界で初めて成功した。 ２．大きな単結晶ができない物質のＸ線構造解析はもっぱら粉末試料を用いて行われるが、粉 末中では個々の微結晶の結晶方位がランダムであるため、得られる回折情報が大きく制限さ れる。 これは蛋白質、有機物、無機物等の物質の場合（単結晶解析ができる程度の大きさの試料 を作製することが非常に困難である場合が多い）や、ナノサイズの結晶を解析する場合に大 きな問題となっていた。 このような問題を解決する方法として、微結晶の方位を全てそろえることができれば粉末 試料から単結晶と同等のＸ線回折像が得られるので、構造解析が飛躍的に容易になると考え られていたが、そのような手法は実現されていなかった。 ３．今回、強磁場を用いることにより粉末試料中の微結晶の３軸を全て揃える方法を開発した。 静磁場下では結晶が一軸配向することは良く知られていたが、一軸のみの配向では他の軸は 自由であり、完全な配向とはいえない。本成果は、時間的に変動する特殊な磁場を用いるこ とにより、二軸を配向させることができることを理論的に見出し、実験的にも検証したもの である。 二軸が配向することにより他の一軸も自動的に配向するので、結晶の三軸とも配向するこ とが可能となった。 ４．本成果により、感度では１００倍、分解能も向上するため、様々な物質の結晶構造が決定 でき、医薬品開発、材料開発、微粒子を用いた複合材料の開発に大きく寄与できると期待さ れる。 ５．本研究成果は、文部科学省特定領域研究「強磁場新機能の開発」（領域代表者：山口益弘 横浜国大教授）の一環で得られたものであり、武蔵工業大学で開催される応用物理学会（3 月 22 日～26 日）で 3 月 26 日に発表される。またアメリカ化学会の国際学術誌「Langmuir」研究の背景 この 10 年程の間に、いわゆる磁気科学と呼ばれる分野が急速に発展した。この分野 では、磁場が非磁性体に及ぼす様々な現象が精力的に研究され、物体の磁気浮上、磁 場中で液面が割れる効果（モーゼ効果）、高分子の磁場配向などの興味深い現象がたく さん見出されている。 そのような流れの中で、磁気異方性を有する粒子の磁場による配向制御の研究が非 常に進展した。従来、静磁場下での単純な一軸配向のみが知られていたが、時間的に 変動する磁場を用いると、3 次元精密配向ができることが見出された。これはまさに、 究極の配向である。本研究はこの手法を、微粒子懸濁系１）に適用したものである。 成果の内容 微粒子が液体中に懸濁した状態では，個々の微粒子はランダムな方向を向いている （図１a）．これに静磁場を印加すると，磁化容易軸が磁場方向に配向する（図１ｂ）． しかし、一軸性の配向であるため他の軸は固定されず、不完全な配向しか達成できな い。ところが、強度や周波数が周期的に変動する磁場（楕円磁場）を用いると、磁化 容易軸と磁化困難軸２）を同時に配向させることが可能である（図１ｃ）。磁場が時間 的に回転することにより磁化困難軸が、回転面に垂直に配向する。それと同時に、磁 場強度に強弱があるので磁化容易軸は磁場が強い方向に配向する。その結果、困難軸 と容易軸を同時に各々の方向に配向させることができる。 これはランダムな方向を向いた粉体試料から全ての微結晶が同一方向に揃った、擬 単結晶試料が作製できることを意味する。図２にはこの擬単結晶試料を各々ｘ、ｙ、 ｚ方向から見た模式図を示す。各々の方向からＸ線を当てて回折像を取ると、一つの 大きな単結晶と同等の回折像が得られる。 以上のことを実験的に検証するために、L-alanine３）の微結晶を光硬化性樹脂４）に 懸濁し、楕円磁場を印加した後、3 次元配向をＵＶ照射により固定し、得られた試料 のＸ線測定を行った。図３にはその結果を示す。ｘ、ｙ、ｚの三方向からの測定共に、 単結晶の回折パターンに特有なスポットとなっている。即ち図２のような配向が達成 されたことがわかる。 波及効果と今後の展開 この手法は、Ｘ線構造解析のみならず、種々の解析手法、例えば中性子散乱、固体Ｎ ＭＲ等の前処理手法として非常に有用である。この手法により、従来では粉末パター ンしか得られなかった試料から、単結晶パターンが得られるので、結果として構造解 析の分解能と感度が飛躍的に向上する。 たとえば感度は、今までリンク状だと回折点が３６０度に散らばっていたが、擬単 結晶化すると、スポット（例えば３．６度）に集まるため、１００倍向上することに
また、分解能については、同じリング上に重なっているシグナルが違う場所に分離 された結果、１次元情報が２次元化するため、結晶の種類にもよるが、確実に分解能 が上がる。 更に、粉末結晶から擬単結晶が作製できるので、大きな結晶ができないが、結晶と して光学的、電気的等の性質に優れる物質を見かけ上、単結晶として使用できる可能 性が開ける。 用語解説 １）微粒子懸濁系 結晶などの非常に小さい粒子を液体に分散させたもの。 ２）磁化容易軸、磁化困難軸 磁化率が最大の値を持つ軸を磁化容易軸、最小の値を持つ軸を磁化困難軸と言う。（厳 密には、磁化率テンソルの３つの主軸のうち、その主値が最大のものを磁化容易軸、 最小のものを磁化困難軸と呼ぶ）図４に示すように、磁化容易軸は静磁場方向に配向 する。その結果、磁化困難軸は静磁場に垂直な面上に来るが、この面上での方向は定 まらない。 ３）L-Alanine アラニン（CH3CH(COOH)NH2）。蛋白質を構成するアミノ酸のひとつ。ほとんどすべての 蛋白質に普遍的に見られる。結晶系は斜方晶。 ４）光硬化性樹脂 光エネルギーの作用で液状から固体に変化させことを「光硬化」と呼び、硬化する合 成有機材料を光硬化性樹脂と呼んでいる。硬化に用いる光としては一般に紫外線が用 いられている。 問い合わせ先： 〒305-0047 茨城県つくば市千現１－２－１ 独立行政法人物質・材料研究機構 広報室 TEL:029-859-2026 研究内容に関すること： 独立行政法人物質・材料研究機構 強磁場研究センター 材料・プロセスグループ グループリーダ 木村 恒久（きむら つねひさ）） TEL: 029-851-3354 (内線 5009) E-mail: [email protected]
又は、本務先 首都大学東京 都市環境学部 教授 木村 恒久 （きむら つねひさ） TEL: 0426-77-2845 E-mail: [email protected] 3 月 18 日－24 日は海外出張で不在． 独立行政法人物質・研究機構強磁場研究センター 特別研究員 木村 史子（きむら ふみこ） TEL: 029-851-3354 (内線 5147) E-mail: [email protected]
図１ 微結晶の磁場配向 赤い矢印は磁場を表す (a) 磁場無し (b) 静磁場 (c) 楕円磁場
