電子１個の精度で触媒ナノ粒子の電荷量を計測

• 透過電子顕微鏡法の一種である「電子線ホログラフィー」の位相計測精度を従来よりも1桁高め、触媒ナノ粒子の電荷量を電子１個の精度で計測することに成功
• 新技術を駆使して、白金ナノ粒子触媒の帯電状態を初めてナノ粒子ごとに解析し、ごく微弱な帯電を引き起こすメカニズムを究明
• 本技術により、今後、カーボンニュートラルや食料増産等の課題解決に役立つ触媒の開発が加速されることが期待

　さまざまな化学反応を促す「触媒」は、環境浄化や食料増産など地球規模の問題解決に貢献する、とりわけ重要な材料です。触媒の性質を明らかにするための新技術として、透過電子顕微鏡法の一種であり、物質の電位分布を観察できる「電子線ホログラフィー（※1）」が重要視されています。しかし、触媒ナノ粒子が示すごく微弱な電位分布や電荷量を計測するためには、電子線ホログラフィーの位相（※2）計測精度を従来よりも1桁高めるという、技術上の大きな飛躍が必要でした。
　今回、九州大学大学院工学研究院の麻生亮太郎准教授、村上恭和教授らの研究グループ、株式会社日立製作所の谷垣俊明主任研究員、品田博之技術顧問らの研究グループ、および明石工業高等専門学校専攻科の中西寛教授は、大阪大学大学院情報科学研究科の御堂義博特任准教授、九州大学大学院総合理工学研究院の永長久寛教授、北條元准教授らと共同で、最先端の電子顕微鏡技術と情報科学的手法（微弱信号の抽出技術）を融合する独自の研究戦略により、電子線ホログラフィーの位相計測精度を目的通り1桁向上させました。同グループはこの超高感度を活かして、触媒ナノ粒子の電荷量を「電子１個の精度で数える」という、従来技術では達成できなかった未踏の計測を成し遂げました。また、化学反応に寄与する触媒電位の空間分布を観察することで、酸化チタン（TiO2）に担持（付着）した白金（Pt）ナノ粒子が、接合界面の素性によって正にも負にも帯電し得ることを明らかにしました。さらに、電荷量がPtナノ粒子の結晶の歪み具合にも影響を受けることなど、触媒の研究開発にとって非常に重要な知見を得ました。本研究で実現した超高感度の電子線ホログラフィーにより、今後、地球環境問題の解決に役立つ触媒の開発が加速されることが期待されます。
　本研究の成果は2022年10月14日(金)午前3時（日本時間）発行の米国科学誌「Science」オンライン版で公開されました。

（※1）電子線ホログラフィー
透過電子顕微鏡法（TEM）の一種。通常のTEMは、試料の形状、大きさ、結晶方位などの構造的な情報を与える。これに対して電子線ホログラフィーは、試料を透過する電子の位相（※2）の解析を通して、その根源となる静電ポテンシャルや磁束密度など、電場・磁場に関わる情報を与える。
（※2）位相（電子波の位相）
波としての性質を持つ電子（電子波）の状態は、「振幅」と「位相」をもとに表現することができる。通常のTEMでは、原理的に、振幅の情報しか得ることができない。これに対して電子線ホログラフィーでは、電子波の干渉パターン（後述するホログラム※3）の解析をもとに、振幅と位相、両方の情報を取得できる。試料を透過した電子の位相は、上記の通り、試料の電場や磁場に応じた変調（位相変化）を被る。従って、位相の解析をもとに、電子顕微鏡で観察する局所領域の電場・磁場の情報を得ることができる。
（※3）ホログラム
試料を透過した電子波（物体波）と、試料の外側（真空）を通過した電子波（参照波）を干渉させた際に観測される電子の強度分布（干渉パターン）。画像データとして取得されたホログラムを解析することで、物体波の位相変化を決定できる。位相変化を精度よく解析するためには、ホログラムの像質（干渉縞の鮮明度）を十分に高めることが重要となる。この位相解析精度の向上において、後述するウェーブレット隠れマルコフモデル（※4）など、情報科学的手法との接点が生じる。
（※4）ウェーブレット隠れマルコフモデル
画像データに対するノイズ除去技術の一つ。ウェーブレット変換を利用した旧来の手法では、画像データのノイズを除去する際に、微弱な信号も失われるという問題があった。一方、画像データのウェーブレット変換では、「信号としての特徴を持つ画素（ピクセル）は、変換後の相当画素にも、その特徴が受け継がれる」という傾向がある。この傾向を複数の確率変数（マルコフパラメ－タ）で表し、同パラメータの最適化を通して信号とノイズの的確な分離を行う技術を本研究で独自に整備した。パラメータの記述にあたって「隠れ状態」という確率論・統計論的な概念を参照していることから、この手法を「ウェーブレット隠れマルコフモデル」と称する。

• 本研究の詳細についてはこちら

掲載誌：Science
タイトル：Direct identification of the charge state in a single platinum nanoparticle on titanium oxide
著者名：Ryotaro Aso, Hajime Hojo, Yoshio Takahashi, Tetsuya Akashi, Yoshihiro Midoh, Fumiaki Ichihashi, Hiroshi Nakajima, Takehiro Tamaoka, Kunio Yubuta, Hiroshi Nakanishi, Hisahiro Einaga, Toshiaki Tanigaki, Hiroyuki Shinada, Yasukazu Murakami
DOI：10.1126/science.abq5868

工学研究院　麻生亮太郎　准教授
工学研究院　村上恭和　教授