具体的には、2枚の反射ミラーを向かい合わせた共振器を作成し、共振器内部の分光計測、電気化学計測を可能とするセルを開発。反射ミラー間の厚さを数μm程度で制御することにより、共振器のエネルギーを分子振動のエネルギーと一致させ、振動強結合状態にすることを試みることにしたという。

その結果、共振器のエネルギーを変化させ、水が振動強結合状態にあるときには、イオン伝導度が向上し、誘電率も変化することが電気化学計測から示されたほか、観測された挙動は電解質水溶液中のイオンの種類に依存し、塩化カリウム水溶液の場合には、数倍程度のイオン伝導度の変調が観測されたとする。また、プロトン伝導を示す過塩素酸水溶液においては、1桁以上のプロトン伝導度の向上が観測されたとしている。

  • 振動強結合下におけるプロトン伝導促進の概念図

    今回実証された、振動強結合下におけるプロトン伝導促進の概念図。なお、一般的なプロトン伝導機構においては、水分子間でのプロトン(H+)移動に加え、水分子間での配向などが重要となる (出所:北大プレスリリースPDF)

さらに、今回観測されたイオン伝導度の増大は、振動強結合の結合状態に強く依存していることも判明。振動強結合状態では、分子間で量子相関を誘起することにより、動的水和構造の変化が協同的なプロトン移動を可能とし、従来のイオン伝導度からの飛躍的な向上を可能としたとしている。

  • 振動強結合状態におけるエネルギー図

    (左)振動強結合状態におけるエネルギー図。分子振動のエネルギーと、共振器のエネルギーを一致させたときに真空場―分子混成状態である振動強結合状態が誘起される。(右)観測された振動強結合下におけるイオン伝導度の向上。共振器中ではイオン伝導度の増大が確認され、プロトン伝導においては15倍程度増大していることがわかった (出所:北大プレスリリースPDF)

なお、今回の研究で開発された手法から、イオンをとりまく水の分子振動と共振可能な場を提供することによって、イオン伝導度が向上することが一般的に示されたことを受け、研究チームでは、これまでボトルネックとなっていた水の動的物性を制御可能とするものであり、電気化学エネルギー変換における抜本的な原理革新を可能とする重要な発見としており、今後、この分子との共振特性を有する構造を利用することにより、高効率なエネルギー変換デバイスの創出が期待できるとしている。