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表面増強分光法を駆使してナノの世界に挑む

山本研究室 YAMAMOTO Laboratory
准教授:山本 裕子(Yuko S. Yamamoto)

E-mail:yamayujaist.ac.jp
[研究分野]
表面増強分光学、量子光学、触媒反応
[キーワード]
分光学、ラマン分光学、表面増強分光、表面増強ラマン散乱、チップ増強ラマン散乱、ナノマテリアル

研究を始めるのに必要な知識・能力

「とにかく研究が好き!」「とにかく実験が好き!」「大発見したい!」「大発明で世の中を良くしたい!」この中から最低一つ、まさに自分に当てはまると思えること。これが当研究室で研究を始めるにあたって必要な能力です。実現に必要な知識や、技術の習得の仕方は教えます。大きな野望を持つ学生さんも大歓迎です。

この研究で身につく能力

新しいなにかを、自らの手で切り開く力です。これは世の中のあらゆる場面で役立ちますが、教えられる機会はさほど多くありません。新しいなにかを自らの手で切り開くには、現在を正しく知る感度の高いアンテナ、適切な問題意識と問題解決能力、プレゼンテーション能力、コミュニケーション能力、文章執筆能力を含む高い言語能力、加えて資金や周囲の賛同を得る人間力、これら全てが求められます。これらの全てが、研究を遂行する中で身につくようにバックアップします。また、修了後・在学中の留学や、ベンチャー企業の設立も支援します。

【就職先企業・職種】 化学系企業、起業等

研究内容




図. 表面増強ラマン散乱法測定の概略図

 ナノメートルオーダーの世界では、いったい何が起きているのか。これを知る手がかりになるのが、表面増強分光法です。分光法では一般に、物質にレーザー光などの光を照射しその吸収・反射・散乱光を細かく分析することで、その物質が何でできているのか、あるいは化学的にどんな状態にあるのかを知ることができます。表面増強分光法とは、この吸収・反射・散乱光の強度を銀・金などの自由電子リッチな金属から成るナノ構造体表面を用いて飛躍的に増大させる方法のことで、ナノメートルオーダーの大変小さなスケールで物質の状態を測定することができます。また測定条件を工夫すると、最大で1分子の感度をも達成することができるため、研究・産業応用の両面から大きな期待が寄せられています。

 当研究室では「表面増強分光法」の中でも、分子の振動準位に関する情報を得やすい「表面増強ラマン分光法」を柱とし、基礎研究・応用研究の両面から研究を推進していきます。現在の主な研究トピックは以下の通りです。

1.表面増強ラマン散乱法を用いた触媒表面化学反応の解析

 近年、金や銀など可視光域に強いプラズモン共鳴を持つ金属から成るナノ構造体が、次世代の不均一系光触媒材料として非常に有望視されています。従来よく知られた不均一系光触媒には例えば、本多-藤嶋効果として有名な半導体である二酸化チタン(TiO2)が挙げられますが、同効果をもたらすには紫外光の高いエネルギーが必要でした。一方2010年代初頭に見つかった不均一系光触媒では、従来紫外光のエネルギーが必要と考えられてきた水の分解(2H2O→2H2+O2)や水素分子の解離(H2→H+H)などの化学反応が可視光の低いエネルギーで実現されており、これまで知られていなかった新しい現象として世界的に研究が進められています。本研究室では特にプラズモン共鳴を持つ金属ナノ粒子表面に可視光を照射すると起きる光化学反応に焦点を絞り、反応メカニズムの研究を進めています。

2.「どこでも表面増強分光法」の開発

 指導教員は2016年4月末~2017年2月末までの約10か月間、ドイツ イエナ大学のProf. Deckert研究室に留学し、表面増強分光法の一つである「チップ増強ラマン散乱法」の経験を得まし た。Prof. Deckertは同法を世界で初めて開発した3グループの一つで、そこで得た知見は基礎・応用の両面で非常に重要なものでした。その知見を活かし、これまで数百万~数千万円程度と装置に非常にお金がかかる手法だったチップ増強ラマン散乱や表面増強ラマン散乱を、もっと気軽に利用する方法を構築します。

 参考文献・これまでの研究業績に関する論文を見てみたい方はお気軽に指導教員までメールまたは指導教員室までお立ち寄りください。論文の別刷 (論文のコピーのこと)を差し上げます。

主な研究業績

  1. 山本裕子*, “表面増強ラマン散乱を用いたプラズモニック光化学反応の追跡”,分光研究,64, 539-548, 2015/12.
  2. 山本裕子、伊藤民武、尾崎幸洋、” プラズモン増強分光法の新展開-強い電磁増強場で見えてきたフェルミ黄金律の破綻”, 月刊「化学」, 70, 68-69, 2015/03
  3. Yuko S. Yamamoto*, Tamitake Itoh*, “Why and how do the shapes of surface-enhanced Raman scattering spectra change? Recent progress from mechanistic studies”, J. Raman Spectrosc., 47, 78-88, 2016/01

使用装置

表面増強ラマン顕微鏡(自作)
密度汎関数(DFT)計算装置

研究室の指導方針

 より良い基礎研究を行うためにはどのような環境が適しているのかを、個人的にずっと研究してきました。その結果、自由闊達な研究環境こそが、より良い基礎研究の発展に最適なのではないかと考えています。そのため当研究室では基本的に、コアタイムの設定は行いません。研究室内のメンバーとの情報交換・互いの進捗の確認は、週一回の全体ミーティングおよび輪講セミナーにて行います。そのため、自律的にしっかりと研究生活を組み立てられるタイプの学生の方に適した環境です。
 自らの研究成果を世に発信するため、年1回程度の学会発表を推奨しております。研究テーマの設定は、指導教員が提示する研究テーマを軸に、個々の学生さんの興味範囲・方向性を取り入れつつ最大限希望に添う形で行います。基本的に、研究成果を国際論文(英語)という形で世に広く発表することを目指していきます。プロの研究者を志望する方にお勧めです。
 もちろん、指導教員による個別指導を随時行います。指導教員の持つ知識や経験をどんどん活用してください。

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