(57)【要約】  化学反応を促進できる化学反応装置、及びその製造方法を提供する。化学反応装置は、化学反応に係る化学物質の振動モードと同一もしくはその近傍の振動数を持つ光学モードを形成する光電場閉じ込め構造と、上記化学物質を含む上記化学反応に必要な流体を収納する空間を持つ化学反応容器構造と、が一体化した光電場閉じ込め化学反応容器構造を有し、上記光学モードと上記振動モードとを振動結合させて化学反応を促進する。
2018038130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学反応に係る化学物質の振動モードと同一もしくはその近傍の振動数を持つ光学モードを形成する光電場閉じ込め構造と、
前記化学物質を含む前記化学反応に必要な流体を収納する空間を持つ化学反応容器構造と、が一体化した光電場閉じ込め化学反応容器構造を有し、
前記光学モードと前記振動モードとを振動結合させて化学反応を促進する、化学反応装置。
【請求項２】
前記光学モードと前記振動モードとを振動結合させて、前記化学反応の活性化エネルギーを低減する、請求項１に記載の化学反応装置。
【請求項３】
前記化学反応容器構造は、前記流体の導入口と排出口を有する、請求項１または請求項２に記載の化学反応装置。
【請求項４】
前記導入口や前記排出口を介して、１個以上の別の化学反応装置と連結されている、請求項３に記載の化学反応装置。
【請求項５】
前記光電場閉じ込め構造は、互いに平行な２個の鏡面から構成されるファブリ・ペロー共振器である、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の化学反応装置。
【請求項６】
前記ファブリ・ペロー共振器は、１組以上の互いに平行な２個の鏡面を側面として持ち、十分に長い角柱状の構造から構成される線形共振器、もしくは前記線形共振器の集積体である、請求項５に記載の化学反応装置。
【請求項７】
前記光電場閉じ込め構造はプラズモン・ポラリトン構造である、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の化学反応装置。
【請求項８】
基板上に鏡面を形成することで、鏡面／基板から構成される構造を作製し、
前記鏡面上に保護膜を形成することで、保護膜／鏡面／基板から構成される構造を作製し、
前記保護膜上に共振器長を規定するスペーサーを配置することで、スペーサー／保護膜／鏡面／基板から構成される構造を作製し、
前記スペーサー／保護膜／鏡面／基板から構成される構造上に、前記保護膜／鏡面／基板から構成される構造を重ね合わせることで、基板／鏡面／保護膜／スペーサー／保護膜／鏡面／基板から構成されるファブリ・ペロー共振器構造を作製し、
前記ファブリ・ペロー共振器構造を、導入口と、排出口と、前記ファブリ・ペロー共振器構造を格納するチャンバーと、を備える筐体に収めることで、請求項５または請求項６に記載の化学反応装置を作製する化学反応装置の製造方法。
【請求項９】
ガラス管内に酸可溶性ガラスを充填することで、酸可溶性ガラス充填ガラス管を作製し、
前記酸可溶性ガラス充填ガラス管から細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管を作製し、
前記細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管のいくつかを管軸が互いに平行になるように整列し、加熱により融着することで、細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体を作製し、
前記細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体から細々線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体を作製し、
前記細々線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体から前記酸可溶性ガラスを酸により溶解させることで、細々線化ガラス管集積体を作製し、
前記細々線化ガラス管集積体を構成する、個々の細々線化ガラス管の管内に鏡面を形成し、請求項６の前記線形共振器の集積体を作成する化学反応装置の製造方法。
【請求項１０】
前記線形共振器の集合体を、導入口と、排出口と、前記線形共振器の集合体を格納するチャンバーと、を備える筐体に収める、請求項９に記載の化学反応装置の製造方法。
【請求項１１】
前記個々の細々線化ガラス管の管内に前記鏡面を形成した後で、前記鏡面上に保護膜を形成する、請求項９または請求項１０に記載の化学反応装置の製造方法。
【請求項１２】
前記細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管は、前記酸可溶性ガラス充填ガラス管を加熱により管軸方向に引き伸ばすことにより作成される、請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の化学反応装置の製造方法。
【請求項１３】
前記細々線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体は、前記細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体を加熱により管軸方向に引き伸ばすことにより作成される、請求項９乃至請求項１２のいずれか一項に記載の化学反応装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学反応を促進する装置とそのシステム及びその製造方法に関し、特に反応速度を向上することができる装置とシステム及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
すべての化学物質は化学結合を介して構成され、結合の切断・生成、すなわち、化学反応により別の新たな物質が製造され、処理される。化学反応の速度は活性化エネルギーに支配され、背景技術では、反応速度を大きくするためには、活性化エネルギーに打ち勝つ熱を投入するか、反応経路を換えることで活性化エネルギーを低減する触媒を用いるか、２つの手段しかない。しかしながら、熱投入にはエネルギーコストがかさむと共に、不用意に加熱すれば不要で有害な副生成物が生成してしまうので限界がある。また、触媒利用にはレアメタルや高価な化学物質が必要となるばかりか、殆どの場合、特定の触媒は特定の化学反応にしか有効でなく、汎用性に課題がある。よって、将来の持続的成長社会の実現を鑑みると、化学反応を促進する新しい手段が求められている。【０００３】
化学反応を制御する新しい方法として、例えば、特許文献１に電磁波と物質間の結合を利用する方法が開示されている。すなわち、局所的な電磁真空場に結合させ、その結果、分子、生体分子、または物質のエネルギー準位が再配列されたことを利用することを通じて、反応の基準またはパラメーター（反応させようとしている物質の反応性、反応のキネティックス、反応の速度および／または収率、反応の熱力学）の少なくとも１つに影響を及ぼすことによって、化学反応を制御することを特徴とする、前記分子、生体分子、または物質における遷移と共鳴する電磁的モードを有する反射またはフォトニック構造をもたらす工程と、前記分子、生体分子、または物質を上記のタイプの構造内または構造上に配置する工程を主に含むことを特徴とする方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１４−５１３３０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した化学反応を制御する方法には以下のような課題がある。【０００６】
上述の通り、背景技術の課題は、化学反応を促進するには、活性化エネルギーに打ち勝つために大量のエネルギーを浪費するか、反応経路を替えて活性化エネルギーを下げる触媒を利用して希少資源を消耗するか、２つの手段しかないことである。その理由は、背景技術の化学反応理論の枠組みでは、活性化エネルギーの大きさを定量的に低減する手段が知られていないので、現状の合理的な帰結として、この２つの手段が選択されるためである。【０００７】
一方、上述の特許文献１では、背景技術の課題を克服する手段として、電磁波と物質間の結合を利用する方法が開示されている。しかしながら、特許文献１では、電磁波と物質間の結合という物理現象と反応という化学現象を結びつける理論が示されていないため、電磁波と物質間の結合が化学反応に及ぼす影響を定量的に評価することが不可能となっている。そのため、電磁波と物質間の結合を実際に化学反応に利用する際、どれくらいの効果があるか全く不明であり、反応を促進するのか、抑制するのかさえ分からない。それに起因して、具体的な装置を設計することが不可能なため、産業上の利用が阻まれている。【０００８】
本発明は、化学反応を促進できる化学反応装置、及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明に係る化学反応装置は、
化学反応に係る化学物質の振動モードと同一もしくはその近傍の振動数を持つ光学モードを形成する光電場閉じ込め構造と、
上記化学物質を含む上記化学反応に必要な流体を収納する空間を持つ化学反応容器構造と、が一体化した光電場閉じ込め化学反応容器構造を有し、
上記光学モードと上記振動モードとを振動結合させて化学反応を促進する。【００１０】
化学反応装置の製造方法は、
基板上に鏡面を形成することで、鏡面／基板から構成される構造を作製し、
上記鏡面上に保護膜を形成することで、保護膜／鏡面／基板から構成される構造を作製し、
上記保護膜上に共振器長を規定するスペーサーを配置することで、スペーサー／保護膜／鏡面／基板から構成される構造を作製し、
上記スペーサー／保護膜／鏡面／基板から構成される構造上に、上記保護膜／鏡面／基板から構成される構造を重ね合わせることで、基板／鏡面／保護膜／スペーサー／保護膜／鏡面／基板から構成されるファブリ・ペロー共振器構造を作製し、
上記ファブリ・ペロー共振器構造を、導入口と、排出口と、上記ファブリ・ペロー共振器構造を格納するチャンバーと、を備える筐体に収めることで、上記化学反応装置を作製する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、化学反応の活性化エネルギーを低減することで、上記化学反応を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（Ａ）および（Ｂ）は、光と物質の相互作用を表す模式図である。
【図２】（Ａ）および（Ｂ）は、物質の振動と化学反応の関係を表す模式図である。
【図３】（Ａ）および（Ｂ）は、振動結合が活性化エネルギーを低減する原理を説明する模式図である。
【図４】（Ａ）乃至（Ｄ）は、振動結合が化学反応を促進することを定量的に示した図である。
【図５】（Ａ）乃至（Ｃ）は、共振器と光学モードの関係を表す模式図である。
【図６】（Ａ）および（Ｂ）は、光学モードの減衰長と伝搬長を定量的に示した図である。
【図７】（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の実施の形態である振動結合化学反応装置の模式図である。
【図８】（Ａ）乃至（Ｃ）は、本発明の別の実施の形態である振動結合化学反応装置の断面図である。
【図９】（Ａ）乃至（Ｆ）は、本発明の実施の形態である振動結合化学反応装置ユニットとそのシステムの模式図である。
【図１０】（Ａ）乃至（Ｅ）は、本発明の実施の形態である振動結合化学反応装置の製造方法の工程を表す模式図である。
【図１１】（Ａ）乃至（Ｇ）は、本発明の別の実施の形態である振動結合化学反応装置の製造方法の工程を表す断面図である。
【図１２】（Ａ）乃至（Ｉ）は、活性化エネルギーと結合強度の関係の温度依存性を定量的に示した図である。
【図１３】（Ａ）乃至（Ｉ）は、温度と結合強度の関係の活性化エネルギー依存性を定量的に示した図である。
【図１４】（Ａ）乃至（Ｉ）は、活性化エネルギーと温度の関係の結合強度依存性を定量的に示した図である。
【図１５】（Ａ）乃至（Ｄ）は、光学モードと振動モードが振動結合することを実証する赤外吸収スペクトルを表す図である。
【図１６】（Ａ）および（Ｂ）は、実験から得られた結合強度の濃度依存性を表す図である。
【図１７】相対反応速度定数と相対濃度の関係を定量的に示した図である。
【図１８】（Ａ）および（Ｂ）は、実験から得られた結合強度の光学モード番号依存性を表す図である。
【図１９】（Ａ）乃至（Ｃ）は、本発明の実施の形態である振動結合化学反応装置による化学物質製造を実証する図である。（（トリフェニルホスホラニリデン）ケテンとアセトンの反応の場合）
【図２０】（Ａ）乃至（Ｃ）は、本発明の実施の形態である振動結合化学反応装置による化学物質製造を実証する図である。（フェニルイソシアネートとメタノールの反応の場合）
【図２１】（Ａ）乃至（Ｃ）は、本発明の実施の形態である振動結合化学反応装置による化学物質製造を実証する図である。（（トリフェニルホスホラニリデン）ケテンと二硫化炭素の反応の場合）
【図２２】（Ａ）乃至（Ｃ）は、本発明の実施の形態である振動結合化学反応装置による化学物質製造を実証する図である。（（トリフェニルホスホラニリデン）ケテンとメタノールの反応の場合）製造を実証する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の具体的な実施の形態や実施例について説明する前に、本発明を概観する。
【００１４】
本発明の一例としての半導体装置は、
化学反応に係る化学物質の振動モードと同一もしくはその近傍の振動数を持つ光学モードを形成する光電場閉じ込め構造と、
上記化学物質を含む上記化学反応に必要な流体を収納する空間を持つ化学反応容器構造と、が一体化した光電場閉じ込め化学反応容器構造を有し、
上記光学モードと上記振動モードを振動結合させ、上記化学反応の活性化エネルギーを低減することで、上記化学反応を促進する化学反応装置である。
【００１５】
本発明の一例としての化学反応装置の製造方法は、
基板上に鏡面を形成することで、鏡面／基板から構成される構造を作製する工程と、
上記鏡面上に保護膜を形成することで、保護膜／鏡面／基板から構成される構造を作製する工程と、
上記保護膜上に共振器長を規定するスペーサーを配置することで、スペーサー／保護膜／鏡面／基板から構成される構造を作製する工程と、
上記スペーサー／保護膜／鏡面／基板から構成される構造上に、上記保護膜／鏡面／基板から構成される構造を重ね合わせることで、基板／鏡面／保護膜／スペーサー／保護膜／鏡面／基板から構成される構造を作製する工程と、
からなることを特徴とする化学反応装置の製造方法である。
【００１６】
本発明の一例としての化学反応装置の別の製造方法は、
ガラス管内に酸可溶性ガラスを充填することで、酸可溶性ガラス充填ガラス管を作製する工程と、
上記酸可溶性ガラス充填ガラス管を加熱により管軸方向に引き伸ばすことで、細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管を作製する工程と、
上記細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管のいくつかを管軸が互いに平行になるように整列し、加熱により融着することで、細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体を作製する工程と、
上記細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体を加熱により管軸方向に引き伸ばし、必要に応じて、管軸と垂直方向に圧力を加えることで、細々線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体を作製する工程と、
上記細々線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体から上記酸可溶性ガラスを酸により溶解させることで、細々線化ガラス管集積体を作製する工程と、
上記細々線化ガラス管集積体を構成する、個々の細々線化ガラス管の管内に鏡面を形成し、必要に応じて、上記鏡面上に保護膜を形成することで、線形共振器集積体を作製する工程と、
上記線形共振器集合体を、導入口と、排出口と、上記線形共振器集合体を格納するチャンバーとを備える筐体に収めることで、化学反応装置を作製する工程と、
からなることを特徴とする化学反応装置の製造方法である。
【００１７】
上述した、本発明の一例としての化学反応装置や、化学反応装置の製造方法によれば、次のような効果がもたらされる。
【００１８】
第１の効果は、光電場閉じ込め構造が形成する光学モードと化学反応に係る化学物質の振動モードを振動結合することで、振動エネルギーを減少させ、化学反応の活性化エネルギーを低減できるため、化学反応の顕著な促進を実現した化学反応装置を提供できる。
【００１９】
第２の効果は、活性化エネルギーを下げる手段として振動結合を利用することで、構成材料の化学的性質に無依存で、あらゆるタイプの化学反応の促進を実現した化学反応装置を提供できる。
【００２０】
第３の効果は、活性化エネルギーを下げる手段として振動結合を利用することで、１０００℃の反応温度が必要な化学反応を室温で行うことを実現した化学反応装置を提供できる。
【００２１】
第４の効果は、活性化エネルギーを下げる手段として振動結合を利用することで、活性化エネルギーが０．５ｅＶならば、反応速度を１００万倍、活性化エネルギーが１．０ｅＶならば反応速度を１兆倍へと飛躍的に加速できることを実現した化学反応装置を提供できる。
【００２２】
第５の効果は、活性化エネルギーを下げる手段として振動結合を利用することで、通常の触媒の１００万倍の距離であるサブミリメートルまで触媒効果を保持できることを実現した化学反応装置を提供できる。
【００２３】
第６の効果として、振動結合が構造のみに依存するという特徴を活かし、装置をモジュール化、ユニット化、システム化することで、製造・処理コストの大幅削減と生産性の大幅向上に役立つことを実現した化学反応装置を提供できる。
【００２４】
本発明の実施の形態について図面を参照して以下、詳細に説明する。
【００２５】
［実施の形態］
本節では本発明の実施の形態を説明する。
【００２６】
［実施の形態の構成］
本発明の実施の形態を以下の項目（１）〜項目（３）に分けて、発明の原理から発明の具現化まで順次説明する。
（１）振動結合を利用する化学反応を定量化する工程
（２）振動結合に必要とされる要件を備えた構造を具現化する工程
（３）振動結合化学反応装置を具現化し、所望の化学物質を製造・処理する工程
［（１）振動結合を利用する化学反応を定量化する工程］
最初に、項目（１）に関し、振動結合という量子力学的現象と化学反応という物理化学的現象を巧みに融合すると、ほぼあらゆるタイプの化学反応を桁違いに促進できるという科学技術上の飛躍的進歩が得られること、振動結合による化学反応の促進を解析的・定量的に評価できることを、以下の項目（１）−Ａ、項目（１）−Ｂ、項目（１）−Ｃに従って説明する。
（１）−Ａ：光と物質の相互作用
（１）−Ｂ：一般の化学反応を方程式で記述する方法
（１）−Ｃ：振動結合下にある反応速度定数を定量的に記述する方程式の導出方法
［（１）−Ａ：光と物質の相互作用］
項目（１）−Ａに関し、光と物質の相互作用について説明する、局所的な光電場が存在できる構造―例えば、共振器や表面プラズモン・ポラリトン構造―に物質が置かれると、図１（Ａ）で示すように、光と物質はエネルギー・運動量に関して新たな分散関係を持つようになる。このことはすべての物質に当てはまり、気相、液相、固相の相に依らない。この新たな分散は、光の分散（右肩上がりの直線）および物質の分散（水平な直線）とアンチ・クロッシングした上枝（Ｐ＋）と下枝（Ｐ−）から成る曲線を成す。つまり、光電場が局所的な空間に物質と共に閉じ込められると、光と物質は混ざり合い、上枝と下枝の状態間をラビ角振動数ΩＲで行き来する。この状態は光−物質混成体と呼ばれ、巨視的コヒーレント（可干渉性の）状態である。図１（Ａ）に示すように、光−物質混成体は、物質の分散に近いと「物質的」、光の分散に近いと「光的」、両分散の交点では物質と光が丁度半分ずつ、つまり、エネルギー・運動量の分散関係に応じて任意の割合で混合する。上枝状態と下枝状態のエネルギー差は、ラビ（Ｒａｂｉ）分裂エネルギー
【数１】
2018038130.tif 000003
と呼ばれ、光と物質間の相互作用の強さに比例する。なおここで、
【数２】
2018038130.tif 000004
はディラック定数であり、プランク定数ｈを２πで除したものである。以降、表記の都合上、ラビ分裂エネルギーｈΩＲと記載する場合がある。上述の光と物質の混成をエネルギー準位図で示すと図１（Ｂ）になる。物質の基底状態と励起状態間の遷移エネルギーが光学モードのエネルギーと一致する、つまり、共鳴する時、物質の励起状態は分裂幅が
【数３】
2018038130.tif 000005
、つまり、エネルギーが
【数４】
2018038130.tif 000006
と
【数５】
2018038130.tif 000007
の２つの状態にラビ分裂する。上述のラビモデルを回転波近似したジェインズ−カミングス（Jaynes-Cummings）モデルのよると、ラビ分裂エネルギーｈΩＲは（式１）で表せられる。
【００２７】
【数６】
2018038130.tif 000008
ここで、上述の通り、
【数７】
2018038130.tif 000009
はディラック定数（プランク定数ｈを２πで除したもの）、ΩＲはラビ角振動数であり、Ｎは物質の粒子数、Ｅは光電場振幅、ｄは物質の遷移双極子モーメント、ｎｐｈは光子数、ω０は物質遷移の角振動数、ε０は真空の誘電率、Ｖはモード体積である。なお、モード体積Ｖは、近似的には光の波長の３乗の大きさを持つ。（式１）が意味する重要な物理的帰結を列挙すると以下に示す（１）〜（３）となる。
【００２８】
（１）ラビ分裂エネルギーｈΩＲは、物質の粒子数Ｎの平方根に比例する。つまり、通常の物理量とは異なり、ラビ分裂エネルギーｈΩＲは粒子数依存であり、粒子数が多いほど大きくなる。この粒子数の平方根依存性は、光と物質の相互作用が巨視的コヒーレント現象であることに由来する。
【００２９】
（２）ラビ分裂エネルギーｈΩＲは、光電場の強さと遷移双極子モーメントｄに比例する。つまり、光と物質の相互作用は光電場を閉じ込める度合いが強い構造になるほど、また、物質が光を吸収する度合が強いほど、大きくなる。
【００３０】
（３）ラビ分裂エネルギーｈΩＲは、光子数ゼロでも有限の値を持つ。つまり、光の全く無い暗黒状態でさえ光−物質混成体は存在する。この光−物質の相互作用は、真空場の量子揺らぎに基づくことに由来する。つまり、量子力学的観点からみると、微視的空間では光子が生成・消滅を繰り返しており、外部から光子を供給せずとも光−物質混成体は生成可能ということである。
【００３１】
ラビ分裂エネルギーｈΩＲと物質の遷移エネルギー
【数８】
2018038130.tif 000010
の比：ΩＲ／ω０は、結合強度と呼ばれる。結合強度：ΩＲ／ω０は、物質の遷移エネルギーが光と物質の相互作用により、どれくらいラビ分裂するかを表す指標である。また、結合強度：ΩＲ／ω０は、原系の物質の遷移エネルギーで規格化しているので、エネルギー帯の異なる系を客観的に比較することができる。概ね、結合強度：ΩＲ／ω０が０．０１未満の場合を弱結合（（式２））、０．０１以上０．１未満の場合を強結合（（式３））、０．１以上１以下の場合を超強結合（（式４））、１を超える場合は超々強結合（（式５））と呼ぶ。なお、現時点までに報告されている結合強度の観測値は０．７３である。つまり、現状、超々強結合は理論上のみ存在し、現実の系は超強結合までである。
【００３２】
【数９】
2018038130.tif 000011
【００３３】
【数１０】
2018038130.tif 000012
【００３４】
【数１１】
2018038130.tif 000013
【００３５】
【数１２】
2018038130.tif 000014
【００３６】
［（１）−Ｂ：一般の化学反応を方程式で記述する方法］
項目（１）−Ｂに関し、一般の化学反応について説明する。化学反応とは、端的に言えば、化学結合の切断と生成である。例えば、Ａ、Ｂ、Ｃを原子とし、分子ＡＢが切断され、新たに分子ＢＣが生成される化学反応は、次の（式６）で示される。
【００３７】
ＡＢ＋Ｃ  →Ａ＋ＢＣ    ………（式６）
この（式６）を分子運動として模式的に示したのが図２（Ａ）であり、分子ＡＢおよび分子ＢＣの振動ポテンシャルＵ（ｒ）の重なりである反応ポテンシャルとして描写したのが図２（Ｂ）である。図２を詳細に説明すると、原子Ａと原子Ｂはある化学結合を介して結合し分子ＡＢを形成し、分子ＡＢは原子間距離ｒが平衡核間距離ｒｅ近辺において分子振動を行っている。この系の正反応の活性化エネルギーＥａ０は、分子ＡＢの振動ポテンシャルにおいて、遷移状態の原子間距離ａにおけるポテンシャルエネルギーＵ（ａ）と平衡原子間距離ｒｅにおけるポテンシャルエネルギーＵ（ｒｅ）の差として次の（式７）で定義される。なお、原子間距離ｒが無限大で、分子ＡＢの振動ポテンシャルＵ（ｒ）はゼロになると定義すると、−Ｕ（ｒｅ）は分子ＡＢの解離エネルギーＤｅ（定数）に等しい。従って、
Ｅａ０＝Ｕ（ａ）−Ｕ（ｒｅ）＝Ｕ（ａ）＋Ｄｅ    ………（式７）である。
【００３８】
この活性化エネルギーＥａ０に見合う充分な熱エネルギーが加えられると、古典的には分子振動の振幅が大きくなること、量子力学的には反応ポテンシャルＡＢに付随する振動エネルギー準位を飛び飛びに駆け上る。これにより、分子ＡＢ間の化学結合が切れ、核間距離ｒ＝ａに位置する遷移状態を経由して、反応ポテンシャルＢＣに移り、ここで新たに原子Ｂと原子Ｃ間に結合が生じる。この一連の過程を経て（式６）の化学反応は完結する。なお、分子の振動エネルギーＥｖは次の（式８）で記述される。
【００３９】
【数１３】
2018038130.tif 000015
【００４０】
ここで、ｖは振動量子数、
【数１４】
2018038130.tif 000016
は前出のディラック定数、ωは角振動数、ｋは力の定数、ｍは換算質量である。力の定数ｋはバネ定数とも呼ばれ、化学結合の強さの指標となる。つまり、力の定数ｋの値が小さければ、振動エネルギーＥｖは小さく、化学結合は弱い。また、力の定数ｋの値が大きければ、振動エネルギーＥｖは大きく結合は強い。また、調和振動子近似の元では、力の定数ｋは振動ポテンシャルのｒ＝ｒｅにおける二次微分係数である。従って、力の定数ｋの値が小さければ、振動ポテンシャルＵ（ｒ）の底は浅くなり、大きければ、底は深くなる。
【００４１】
次に、活性化エネルギーＥａ０を力の定数ｋの関数として表してみる。（式７）が示す通り、活性化エネルギーＥａ０はＵ（ａ）の関数である。Ｕ（ａ）をｒｅ近傍でテーラー展開すると、次の（式９）となる。
【００４２】
【数１５】
2018038130.tif 000017
ここで、Ｕ（ｎ）（ｒ）はＵ（ｒ）のｎ次微分を表す。なお、（式９）の式の変形において、前述の通り、−Ｕ（ｒｅ）は解離エネルギーＤｅに等しいので、Ｕ（ｒｅ）＝−Ｄｅであること、振動ポテンシャルの一次微分は力であり、平衡核間距離ｒｅでその値はゼロであるので、Ｕ（１）（ｒｅ）＝０であること、また、前述の通り、平衡核間距離ｒｅにおける振動ポテンシャルの二次微分は力の定数ｋであることを使った。（式７）と（式９）とを組み合わせ、調和振動子近似で三次以降の項を無視すると、次の（式１０）を得る。
【００４３】
【数１６】
2018038130.tif 000018
【００４４】
一般には、力の定数ｋは、分子の電子状態で決定されるので、元素組成や構造が決まれば変えることはできない分子固有の定数である。また、電子状態が決まれば、遷移状態の原子間距離ａならびに平衡原子間距離ｒｅも一定である。従って、反応ポテンシャルもしくはその構成要素である振動ポテンシャルを変えない限り、活性化エネルギーＥａ０を変えることはできない。しかしながら、次項で説明する通り、光と物質の相互作用の一種である振動結合を利用すれば、力の定数を減少させることが可能である。従って、（式１０）の関係から、活性化エネルギーＥａ０も低減することが可能となる。
【００４５】
［（１）−Ｃ：振動結合下にある反応速度定数を定量的に記述する方程式の導出方法］
項目（１）−Ｃに関し、振動結合と振動結合による化学反応促進について説明する。振動結合とは、上述の光と物質の相互作用の一種であり、赤外領域（波長：１〜１００μｍ）の電磁波を閉じ込め可能な共振器や表面プラズモン・ポラリトン構造が形成する光学モードと、分子や結晶など化学物質の振動モードとが結合する現象を指す。図３（Ａ）において、（ａ）は振動系（原系）のエネルギー準位（調和振動子近似）、（ｂ）は振動結合系のエネルギー準位（調和振動子近似）、（ｃ）は光学系のエネルギー準位である。（ａ）の振動系の振動エネルギーと（ｃ）光学系のエネルギーとが
【数１７】
2018038130.tif 000019
で一致する。つまり、（ａ）の振動系と（ｃ）の光学系が角振動数ω０で共鳴すると、光（光学系）と物質（振動系）が混成した（ｂ）の振動結合系が生成する。（ｂ）の振動結合系において、振動準位ｖ＝０は原系の振動系と同じであるが、振動準位ｖ＝１は上枝と下枝のエネルギー準位に分裂する。
【００４６】
次いで、振動結合系の振動エネルギーを求める。原系の振動系の振動エネルギー
【数１８】
2018038130.tif 000020
とラビ分裂エネルギーｈΩＲを用いると、振動結合系の下枝の振動エネルギーは次の（式１１ａ）で表される。
【００４７】
【数１９】
2018038130.tif 000021
【００４８】
なお、上枝の振動エネルギーは
【数２０】
2018038130.tif 000022
と表せるが、後述の通り、振動結合系の上枝の振動準位は化学反応の促進には寄与しないので、以降言及しない。（式１１ａ）が示す通り、振動結合系の振動エネルギーは原系の振動エネルギー
【数２１】
2018038130.tif 000023
より、
【数２２】
2018038130.tif 000024
だけ小さくなっている。なお、このことは、図３（Ａ）の（ｂ）に示すように、振動結合系の振動ポテンシャルの底が原系のそれより浅くなっていることを対応する。振動ポテンシャルの最底部の二次微分が力の定数であることを想起すると、振動結合系の力の定数ｋ−が原系の力の定数ｋ０より小さくなっていることが分かる。これを（式８）と（式１１ａ）を使って定量的に示すと、（式１２）となる。
【００４９】
【数２３】
2018038130.tif 000025
【００５０】
次いで、振動結合系の活性化エネルギーを求める。原系の活性化エネルギーをＥａ０、振動結合系の活性化エネルギーをＥａ−とすると、（式１０）と（式１２）から次の（式１３）を得る。
【００５１】
【数２４】
2018038130.tif 000026
【００５２】
なお、（式１３）では、平衡原子間距離と遷移状態における原子間距離の差が原系と振動結合系でほぼ同じであるという近似を使った。図３（Ｂ）を参照すると、（式１３）は原系と比較して振動結合系では活性化エネルギーが低減することを明示している。例えば、（式３）に示す強結合条件では約１〜１０％、（式４）に示す超強結合条件では約１０〜７５％も活性化エネルギーが減少する。つまり、振動強結合さらには振動超強結合を利用すれば、大幅な化学反応の促進が得られると予想できる。
【００５３】
本節の補足として、振動結合系の上枝の存在を無視して議論した理由を述べる。上枝の振動エネルギーに対応する活性化エネルギーＥａ＋は、（式１３）を参考にすると、
【数２５】
2018038130.tif 000027
となる。上枝の活性化エネルギーＥａ＋は原系の活性化エネルギーＥａ０より大きいため、上枝準位に留まれば、原系に比べ反応は遅延することになる。しかしながら、実際には、振動結合系において反応分子の振動状態は上枝と下枝の間を１秒当たりΩＲ回（典型的には１０６〜１０７回）も往復しており、これは典型的な反応速度より充分に速い。つまり、たとえ振動状態が、ある瞬間、活性化エネルギーが相対的に高い上枝準位にあって反応が起こり難くとも、次の瞬間、活性化エネルギーが相対的に低い下枝に移れば、反応は起こり易くなる。従って、振動結合系で化学反応を考察する上では上枝の存在は無視しても構わないという結論になる。
【００５４】
次に、振動結合による化学反応の促進作用を、振動結合系と原系の反応速度定数の比、すなわち、相対反応速度定数を用いてより定量的に評価する。反応速度定数は、活性化エネルギーよりも計測し易い物理量であり、実用性も高い。また、後述のように、相対反応速度定数による表式は、振動結合を化学反応促進に利用するにあたり、様々な指標を与える。
【００５５】
化学反応の反応速度式は、例えば、（式６）に示す反応が分子ＡＢと原子Ｃに対してそれぞれ一次反応であると仮定すると、次の（式１４）で記述できる。
【００５６】
Ｒ＝κ［ＡＢ］［Ｃ］        ………（式１４）
【００５７】
ここで、Ｒは反応速度、κ（カッパ）は反応速度定数、［ＡＢ］、［Ｃ］は、それぞれ、分子ＡＢ、原子Ｃの濃度を表す。反応速度は単位時間当たりの濃度変化と定義され、濃度／時間の次元を持つ。反応速度定数の単位は反応の次数によって変わり、時間の単位を秒（ｓ）、濃度の単位をＭ（Ｍ：モル濃度、Ｍ＝ｍｏｌ・Ｌ−１、Ｌ：リットル）に取れば、例えば、０次反応ならば反応速度と同じ次元のＭ・ｓ−１、一次反応ならばｓ−１、二次反応ならばＭ−１・ｓ−１である。反応速度定数は、頻度因子Ａ、活性化エネルギーＥａ０、温度Ｔの関数として、次の（式１５）で表される。
【００５８】
【数２６】
2018038130.tif 000028
【００５９】
但し、ｋＢはボルツマン定数である。（式１５）は、アレニウスの式として知られる経験式である。一方、次の（式１６）は、遷移状態理論から演繹される理論式の１つであるアイリングの式である。
【００６０】
【数２７】
2018038130.tif 000029
【００６１】
アイリングの式には様々な表式があるが、ここでは最も基本的な化学反応（解離反応）に用いられる式を用いた。なお、ａは前出の遷移状態における原子間距離、ｒｅは同じく前出の平衡原子間距離である。次に、振動結合が有る場合の反応速度定数と振動結合が無い場合の反応速度定数の比、すなわち、相対反応速度定数を求める。まず、（式１５）および（式１６）に前節で求めた振動結合系の活性化エネルギーを表す（式１３）をそれぞれ代入することで、振動結合が有る場合の反応速度定数の式をそれぞれ導出する。次いで、原系、すなわち、振動結合が無い場合の（式１５）および（式１６）で表される反応速度定数の式との比をそれぞれ取ることで、次に示す相対反応速度定数の式である（式１７）と（式１８）をそれぞれ得る。
【００６２】
【数２８】
2018038130.tif 000030
【００６３】
但し、（式１７）の導出において、振動結合は分子の衝突頻度に影響を及ぼさないので、振動結合が有る場合と無い場合の頻度因子Ａは同一の値を取ると仮定した。比を取るので、（式１７）では頻度因子Ａの項が消える。また、（式１８）の導出においては、遷移状態における原子間距離ａと平衡原子間距離ｒｅの比は振動結合が有る場合と無い場合でほぼ等しいと、近似した。上述と同じく比を取るので、（式１８）では（ａ／ｒｅ）の項は打ち消される。なお、付言すると、（式１７）および（式１８）は、本発明者の鋭意検討の結果、世界に先駆けて導かれた方程式であり、本発明において初めて開示される。
【００６４】
以上の理論的考察により、実験で測定が困難もしくは理論で見積もりが困難な頻度因子Ａ、遷移状態における原子間距離ａ、平衡原子間距離ｒｅといった諸々の物理量から解放されるばかりか、実験的にも理論的にも馴染み深い物理量である活性化エネルギーＥａ０や温度Ｔと、振動結合の最も重要な指標である結合強度：ΩＲ／ω０、これらたった３つの物理量のみをパラメーターとする、単純明瞭な相対反応速度定数（原系の反応速度定数と振動結合系の反応速度定数の比κ−／κ０）の式が得られたことになる。（式１７）と（式１８）の導出により、振動結合が化学反応に及ぼす影響を定量的に評価できる。換言すると、例えば、振動結合を化学反応に応用する際、目的の化学反応でどれだけの反応促進が期待できるか、温度の影響はどうなるか、活性化エネルギーの大小はどう効くか、どういったタイプの化学反応が振動結合に有利か等を客観的な数値として予め予想できるようになる。（式１７）および（式１８）の更なる利点は、化学反応のタイプに依らず適用可能であることである。例えば、化学反応が起こる相、気相、液相、固相を問わず、（式１７）および（式１８）は成り立つ。この理由は、相を限定するパラメーターを（式１７）および（式１８）は含まないためである。また、化学反応の反応次数、一次反応、二次反応、三次反応、その他、複雑な次数の反応、例えば、１．５次反応等、どんな次数の反応でも（式１７）および（式１８）を用いて、振動結合による反応促進を正確に評価できる。これらの汎用性は、（式１７）および（式１８）の表式において、原系と振動結合系の反応速度定数の比である相対反応速度定数：κ−／κ０を採用したことに由来し、κ−／κ０が無名数であるが故、あらゆる反応を単位に囚われず、定量的に解析可能である。以上により、振動結合を利用する化学反応装置を設計する上で、（式１７）および（式１８）は強力無比の武器となると結論できる。
【００６５】
図４を参照すれば、振動結合による化学反応の促進を定量的に理解する上で、（式１７）および（式１８）から数多くの知見が得られることが示される。第１の例として、結合強度：ΩＲ／ω０の反応温度換算について説明する。ある化学反応において、ある温度Ｔにおける反応速度定数をκ０、別の温度Ｔ＊における反応速度定数をκ＊と置く時、（式１５）のアレニウスの式を参照すれば、κ０とκ＊の比は次の（式１９）で記述される。
【００６６】
【数２９】
2018038130.tif 000031
【００６７】
もし、反応速度定数に対する振動結合による効果と温度による効果が同じ、すなわち、κ−＝κ＊と仮定すると、（式１７）と（式１９）は同型の指数関数であることから、冪乗部を比較することで、次の（式２０）を得る。
【００６８】
【数３０】
2018038130.tif 000032
【００６９】
（式２０）は、結合強度：ΩＲ／ω０の反応温度換算を表す方程式である。（式２０）の意味するところは、ある結合強度：ΩＲ／ω０の振動結合の効果が反応温度を何倍にした時の効果と同じになるかということである。
【００７０】
図４（Ａ）は、（式２０）で記述される、結合強度：ΩＲ／ω０の反応温度換算を表す図である。例えば、ΩＲ／ω０＝０．１、Ｔ＝３００．０Ｋの場合、Ｔ＊＝３３２．４Ｋとなる。つまり、０．１の結合強度を持つ振動結合は、系の温度を室温から３２Ｋ昇温させることに相当する。同様の換算から、０．３、０．５の結合強度を持つ振動結合は、系の温度を室温から、それぞれ、１１５．２Ｋ、２３３．３Ｋ昇温させることに相当する。更に、ΩＲ／ω０＝１．０、Ｔ＝３００．０Ｋの場合、Ｔ＊＝１２００Ｋとなる。つまり、結合強度１．０の振動結合は、通常なら１２００Ｋもの反応温度が必要な化学反応を室温（３００Ｋ）で同じ反応速度をもって進行させることが可能ということである。これは（式１７）から派生する（式２０）が明示する、化学反応に対して振動結合が持つ顕著な効果の一例である。また、（式１７）は化学反応に対する振動結合の効果に関して定量的精度をもって可視化することに役立つ。
【００７１】
図４（Ｂ）を参照すれば、室温（Ｔ＝３００Ｋ）における化学反応の場合、相対反応速度定数：κ−／κ０と活性化エネルギーＥａ０の二次元マップにおいて、（式２）〜（式５）で示される弱結合、強結合、超強結合、超々強結合の各条件がどの領域を占め、その各領域で如何ほどの化学反応の促進が得られるかを可視化した図である。図４（Ｂ）において各領域の境界は、ΩＲ／ω０＝０．０１、０．１０、１．００の各条件から成る直線である。振動弱結合領域では相対反応速度定数：κ−／κ０が１０を超えることは困難である一方で、振動強結合領域の半ば辺りで、相対反応速度定数：κ−／κ０は、Ｅａ０＝１．０ｅＶで１０以上、Ｅａ０＝２．０ｅＶで１０２以上になる。振動超強結合領域の半ば辺りならば、相対反応速度定数：κ−／κ０は、Ｅａ０＝１．０ｅＶで１０３以上、Ｅａ０＝２．０ｅＶで１０６以上になり、振動超々強結合領域に入ると、相対反応速度定数：κ−／κ０は、Ｅａ０≧１．０ｅＶで１０１２以上になる。つまり、化学反応の促進に対して、振動弱結合では顕著な効果は得難い一方で、振動強結合、振動超強結合、振動超々強結合では顕著な効果を得易い。更に、その効果は振動強結合、振動超強結合、振動超々強結合の順に指数関数的に増大する。但し、前述の通り、超々強結合は現実の系では未だ発見されていないので、実際上、振動強結合および振動超強結合を実現することが化学反応を桁違いに促進する上で要となる。
【００７２】
図４（Ｃ）は、相対反応速度定数：κ−／κ０と結合強度：ΩＲ／ω０の二次元マップ上に描いた、相対反応速度定数の曲線の活性化エネルギー依存性を示すグラフであり、同時に、弱結合、強結合、超強結合、超々強結合領域を重畳して描画している。実線はアイリング型の（式１８）に基づく相対反応速度定数：κ−／κ０の曲線であり、点線はアレニウス型の（式１７）に基づく相対反応速度定数：κ−／κ０の曲線である。なお、図４（Ｄ）は、図４（Ｃ）を縦軸方向に拡大した図である。
【００７３】
図４（Ｃ）および図４（Ｄ）の第１の特徴は、結合強度：ΩＲ／ω０の増加に伴い、相対反応速度定数：κ−／κ０が指数関数的に増加することである。この相対反応速度定数：κ−／κ０の指数関数的増大傾向は、活性化エネルギーＥａ０が大きいほど顕著となる。
【００７４】
第２の特徴は、弱結合領域において、最も増大傾向が大きいＥａ０＝２．５０ｅＶにおいては相対反応速度定数：κ−／κ０は３に届かない。一方、強結合領域においては、相対反応速度定数：κ−／κ０は最大で１０４に達する。更に、超強結合領域において、Ｅａ０＝２．５０ｅＶの場合、ΩＲ／ω０＝０．３でもκ−／κ０＝１０１２に及び、ΩＲ／ω０＝１．０の場合、Ｅａ０＝０．２５０ｅＶでκ−／κ０≒１０３、Ｅａ０＝０．５００ｅＶでκ−／κ０≒１０６、Ｅａ０＝１．００ｅＶでκ−／κ０≒１０１２に達する。
【００７５】
第３の特徴は、結合強度：ΩＲ／ω０が大きくなると、アレニウス型の（式１７）に基づく曲線（点線）とアイリング型の（式１８）に基づく曲線（実線）の間にずれが生じることである。特に、超々強結合領域において、活性化エネルギーＥａ０が小さくなるにつれ、両曲線の乖離が大きくなり、最終的に、活性化エネルギーＥａ０が０．０２５ｅＶより小さくなると、相対反応速度定数：κ−／κ０は１を下回るようになる。この現象の理由は、アレニウス型の（式１７）では前指数項（指数関数の前に付く項）がないため、結合強度：ΩＲ／ω０の増加に対して相対反応速度定数：κ−／κ０は単調に増加し続けるのに対し、アイリング型の（式１８）では前指数項：（１−１／２・ΩＲ／ω０）が相対反応速度定数：κ−／κ０の増加を抑制するためである。しかしながら、超々強結合は実現されていないので現状考慮する必要がないこと、弱結合、強結合、超強結合領域では（式１７）と（式１８）のずれは比較的小さく、両者はほぼ同一の曲線を描くことを考慮すると、（式１７）、（式１８）のどちらを用いても、振動結合による化学反応の促進を評価する上では大差はない。
【００７６】
なお、［実施例１］〜［実施例３］において、広範なパラメーター条件、すなわち、活性化エネルギーＥａ０は０．００５〜２．０００ｅＶの範囲、結合強度：ΩＲ／ω０は０．０００５〜２．０００の範囲、温度Ｔは１０〜１０００Ｋの範囲において、振動結合が化学反応に及ぼす影響を（式１７）および（式１８）に基づき定量的に評価した結果を詳述する。実施例１〜３により、振動結合による化学反応の促進に関し、ほぼすべての化学反応条件、振動結合条件を網羅する知見が得られる。
【００７７】
［（２）振動結合に必要とされる要件を備えた構造を具現化する工程］
次いで、項目（２）に関し、項目（１）に基づき、振動結合に必要とされる要件を備えた構造を具現化する工程について、以下の項目（２）−Ａ、項目（２）−Ｂ、項目（２）−Ｃに従って説明する。なお、本構造の具体的な製造に関しては、［製造方法の説明］の節で後述する。
（２）−Ａ：光学モードを形成するための光電場閉じ込め構造とその要件
（２）−Ｂ：化学反応に用いる化学物質が持つ振動モードとその要件
（２）−Ｃ：光学モードと振動モードの振動結合とその要件
［（２）−Ａ：光学モードを形成するための光電場閉じ込め構造とその要件］
項目（２）−Ａに関し、光学モードを形成するための光電場閉じ込め構造とその要件について説明する。光電場を閉じ込め可能な構造として第一に挙げられるのはファブリ・ペロー（Fabry Perot）共振器である。図５（Ａ）に示すように、ファブリ・ペロー共振器７は、２個の互いに平行な鏡面１が１組で構成される最も基本的な共振器である。入射光３がファブリ・ペロー共振器７に入射する時、一部は反射光４として反射される一方、ある特定の波長の光はファブリ・ペロー共振器７内部で繰り返し反射される共振光５となり、共振光５の一部が透過光６として透過する。この描像を数式で表すと以下となる。すなわち、２個の鏡面間の距離である共振器長がｔ［μｍ］、屈折率がｎの誘電体２が鏡面１間に挟まれる時、２個の鏡面１間で次の（式２１）の関係で示される光学モードが立つ。
【００７８】
【数３１】
2018038130.tif 000033
【００７９】
ここで、ｋｍは第ｍ番目の光学モードの波数（単位はｃｍ−１）、ｍは光学モード番号で、自然数である。例えば、共振器長ｔが赤外線波長と同程度、すなわち、ｔ＝１〜１００μｍ程度である場合、ファブリ・ペロー共振器７の光学モードは、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ−ＩＲ）等で測定することが可能である。図５（Ｂ）は、（式２１）に従う光学モードの透過スペクトルの模式図である。低波数から高波数へ等間隔の光学モード間隔８（ｋ０）で、第１光学モード９、第２光学モード１０、第３光学モード１１、第４光学モード１２等が現れる一方、光学モード間では赤外光は透過しない。この理由は、鏡面１端面に節がある赤外光のみに限り、鏡面１間で共振が起こるため、赤外光は透過するだけの強度を稼げるが、それ以外の赤外光はすぐに減衰してしまうためである。言うなれば、ファブリ・ペロー共振器７は特定波長の光を共振させつつ通す一方で、その波長以外の光を遮断するバンドパス・フィルターとして働く。例えば、図５（Ｃ）において、（ａ）は第１光学モード１５に対応し、特定波長の半波長がｔμｍ、つまり、特定波長が２ｔμｍの場合である。また、（ｂ）は第２光学モード１６に対応し、特定波長の半波長がｔ／２μｍ、つまり、特定波長がｔμｍの場合である。更に、（ｃ）は第３光学モード１７に対応し、特定波長の半波長がｔ／３μｍ、つまり、特定波長が２ｔ／３μｍの場合である。それぞれ、光電場の振幅１３と光電場の強度１４の分布を持つ。
【００８０】
第ｍ光学モードにおいて、その半値幅Δｋｍと波数ｋｍの比はＱ値（Quality Factor）と呼ばれ、次の（式２２）で定義される。
【００８１】
【数３２】
2018038130.tif 000034
【００８２】
Ｑ値は光電場閉じ込め構造の性能指数の１つであり、その逆数は第ｍ光学モードの寿命に比例する。従って、Ｑ値は、その値が大きいほど、光電場の閉じ込め時間が長く、共振器としての性能が良いことになる。また、Ｑ値と結合強度：ΩＲ／ω０とは比例関係にあるので、（式１７）または（式１８）を参照すれば、Ｑ値が大きいほど相対反応速度定数：κ−／κ０は増大することになる。但し、実験結果を踏まえると、Ｑ値は高々２０程度の大きさであれば、振動結合による化学反応の促進に対し実効的な効果を得ることが可能である。共振器の別の性能指数としては、モード体積が挙げられる。（式１）に示すように、ラビ分裂エネルギーｈΩＲはモード体積Ｖの平方根に反比例する。従って、相対反応速度定数：κ−／κ０を増大させる目的で結合強度：ΩＲ／ω０を増強するためには、モード体積Ｖは小さいほど良い。但し、ファブリ・ペロー共振器７の場合、モード体積Ｖは、光学モードの波数ｋｍを規定する共振器長ｔに依存する一方で、他方、振動結合の場合、光学モードの波数ｋｍは振動モードの波数に一致させる必要がある。従って、ファブリ・ペロー共振器７を振動結合に利用する場合、モード体積Ｖは自ずとある値に定まってしまうので、調整可能な変数ではなく不変量として扱われる。
【００８３】
その他、別の光電場を閉じ込め可能な構造としては、表面プラズモン・ポラリトン構造が挙げられる。表面プラズモン・ポラリトン構造は、一般には、誘電関数の実部が負で絶対値が大きく、その虚部は絶対値が小さい材料、典型的には金属が、大きさ、ピッチとも目的の光の波長程度の微小構造として、誘電体表面に周期的に多数並んだ構造を指す。振動結合に利用する場合は、金属微小構造の大きさ、ピッチは赤外光の波長程度、すなわち、１〜１００μｍ程度である。
【００８４】
次いで、光学モードの伝搬と減衰について、説明する。図６（Ａ）に示すように、誘電体（網掛けの部分）と金属（斜線の部分）の界面を考え、界面上に原点Ｏ、界面に垂直方向にｚ軸、界面に平行方向にｘ軸を取る。（ａ）に示すように、ｚ軸方向の電場Ｅｚの強度｜Ｅｚ｜２が半分になる、原点から誘電体側ｚ軸方向の距離Ｌｚは光学モードの減衰長（誘電体内）と呼ばれる。また、（ｂ）に示すように、ｘ軸方向の電場Ｅｘの強度｜Ｅｘ｜２が半分になる、原点から距離Ｌｘは光学モードの伝搬長と呼ばれる。誘電体の誘電率εＤと金属の誘電率εＭを用いると、減衰長Ｌｚと伝搬長Ｌｘはそれぞれ、次の（式２３）、（式２４）で表される。
【００８５】
【数３３】
2018038130.tif 000035
【００８６】
ここでλは波長（λ＝２πｃ／ω、ｃ：光速度）であり、Ｉｍ（Ｃ）は複素数Ｃの虚部を取る演算子である。一般に、物質の誘電率は虚部と実部を持つ複素誘電関数であり、複素誘電関数は波長依存である。従って、減衰長Ｌｚおよび伝搬長Ｌｘは、波長依存性を有することとなる。図６（Ｂ）を参照すれば、（ａ）は（式２３）に基づいて計算された減衰長Ｌｚの波数（波長）依存性を示し、（ｂ）は（式２４）に基づいて計算された伝搬長Ｌｘの波数（波長）依存性を示す。ここでは、代表的な金属である銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、パラジウム（Ｐｄ）、チタン（Ｔｉ）について、赤外領域の複素誘電関数の実験値を用い、また、誘電体の誘電関数は実部のみで、簡単のため、εＤ＝１と置いて計算した。また、それぞれの図で、縦軸は波長λで規格化した（Ｌｚ／λおよびＬｘ／λ）。従って、図６（Ｂ）のある波長λにおける縦軸の値は、その波長λの何倍に当たるかを示す。
【００８７】
まず、図６（Ｂ）に示される（ａ）の減衰長Ｌｚの波数（波長）依存性を詳細に見ると、幾つかの特徴が挙げられる。第１の特徴は、赤外領域においては、減衰長Ｌｚは波長程度から波長の数十倍の大きさになることである。これに対し、可視領域において減衰長Ｌｚは一般に波長の半分程度である。減衰長Ｌｚは光学モードが垂直方向に存在できる範囲であるので、振動結合の効果が及ぶ範囲と見なせる。従って、振動結合により化学反応を促進する際、減衰長Ｌｚはできるだけ大きいことが望ましい。波数：４００〜４０００ｃｍ−１（波長：２５〜２．５μｍ）の範囲において、減衰長Ｌｚが波長の１０倍以上になるのは銀、金、アルミニウム、銅の場合であり、特に、銀と金の場合、減衰長Ｌｚは、それぞれ、波長の約８０倍、約５５倍の大きさになる。具体的に見ると、銀の場合、波数：１０００ｃｍ−１（波長：１０μｍ）ならば、金属と誘電体の界面から垂直（ｚ軸）方向に約０．８ｍｍまで光学モードの存在領域が及ぶということである。同じ条件で光学モードの垂直方向の存在領域は、金ならば約０．５ｍｍ、アルミニウムや銅ならば約０．２５ｍｍ、タングステンやニッケルならば約０．２ｍｍ、白金やコバルトならば約０．１ｍｍとなる。すなわち、多くの金属において、振動結合の効果は界面から垂直方向にサブミリオーダーまで波及することになる。背景技術の触媒は、均一触媒、不均一触媒を問わず、反応原料が触媒の活性中心もしくは界面と物理的もしくは化学的に結合しない限り、すなわち、サブナノメートルオーダーまで触媒と反応原料が接近しないと触媒作用を発揮できない。これに対し、本発明の実施の形態が示す振動結合による反応促進の機構に依れば、界面からサブミリオーダーの範囲に反応原料が入れば、反応原料である化学物質は反応促進作用、すなわち、触媒作用を享受することが可能である。謂わば、本発明の実施の形態が示す振動結合による反応促進の機構は、触らずして媒する全く新しい概念の触媒と見なすことができる。第２の特徴は、減衰長Ｌｚが金属の種類により大きく異なることであり、例えば、減衰長Ｌｚが最大の銀と最小のチタンで１〜２桁の相違がある。第３の特徴は、銀、金、アルミニウム、銅、タングステンの場合、減衰長Ｌｚは波数（波長）による相違が高々２倍以内と比較的小さく、特に、銀と金の場合、減衰長Ｌｚは殆ど波数（波長）依存性がなく、一定値を取る。これに対し、ニッケル、白金、コバルト、鉄、パラジウム、チタンの場合、減衰長Ｌｚは波数（波長）による相違が１桁程度と大きくなる。
【００８８】
以上、減衰長Ｌｚの波数（波長）依存性に関する３つの特徴から、振動結合による化学反応促進の用途に適する金属を分類すると、銀と金が最も優れ、次いでアルミニウム、銅、タングステンが望ましく、ニッケル、白金、コバルト、鉄、パラジウム、チタンは可となる。その他、誘電関数の実部が負で絶対値が大きく、その虚部は絶対値が小さい材料であれば利用可能であり、ここでは取り上げなかった単体金属、合金金属、金属酸化物、グラフェンやグラファイト等もこれに該当する。
【００８９】
次に、図６（Ｂ）に示される（ｂ）の伝搬長Ｌｘを参照すると、伝搬長Ｌｘの波数（波長）依存性には幾つかの特徴が挙げられる。第１の特徴は、伝搬長Ｌｘは赤外領域では１０倍から１０４倍にも及ぶことである。これに対し、可視領域において伝搬長Ｌｘは波長の高々１０倍程度（数μｍ程度）である。具体的には、銀の場合、波数：１０００ｃｍ−１（波長：１０μｍ）ならば、水平方向に約６０ｍｍ四方という非常に広い範囲で光学モードはコヒーレンス（可干渉性）を維持できる。同じ条件でコヒーレンスの広がりは、金ならば約４０ｍｍ四方、アルミニウムならば約２５ｍｍ四方、銅ならば約１５ｍｍ四方、タングステンならば約８．５ｍｍ四方、ニッケルなら約７ｍｍ四方、白金なら約４．５ｍｍ四方、コバルトなら約３ｍｍ四方、鉄ならば約２．５ｍｍ四方、パラジウムならば約１．５ｍｍ四方、チタンならば約１ｍｍ四方となる。伝搬長Ｌｘは、光学モードがコヒーレンスを保持できる水平方向の広がりと見なすことができる。従って、文字通り、ミリオーダーからセンチオーダーの広がりを持つ、文字通りの巨視的コヒーレント状態が実現される。一方、（式１）で示すように、ラビ分裂エネルギーｈΩＲは粒子数Ｎの平方根に比例する。故に、結合強度：ΩＲ／ω０は伝搬長Ｌｘが大きいほど、相互作用できる粒子数Ｎが増える。更に、（式１７）または（式１８）によれば、相対反応速度定数：κ−／κ０は結合強度：ΩＲ／ω０に対して指数関数的に増加するので、結局、伝搬長Ｌｘが大きいほど、相対反応速度定数：κ−／κ０は大きくなる。従って、振動結合により化学反応を促進する目的には、伝搬長Ｌｘが大きいほど良い。第２の特徴は、どの金属でも伝搬長Ｌｘは波数（波長）よる相違が約１桁と大きいことである。第３の特徴は、金属の種類による相違が約２桁と大きいことである。
【００９０】
以上、伝搬長Ｌｘの波数（波長）依存性に関する３つの特徴から、振動結合による化学反応促進の用途に適する金属を順に挙げると、銀、金、アルミニウム、銅、タングステン、ニッケル、白金、コバルト、鉄、パラジウム、チタンとなる。その他、誘電関数の実部が負で絶対値が大きく、その虚部は絶対値が小さい材料であれば利用可能であり、ここでは取り上げなかった単体金属、合金金属、金属酸化物、グラフェンやグラファイト等もこれに該当する。
【００９１】
［（２）−Ｂ：化学反応に用いる化学物質が持つ振動モードとその要件］
項目（２）−Ｂに関し、化学反応に用いる化学物質が持つ振動モードとその要件を説明する。Ｎ個の原子から成る分子は、並進と回転の自由度を除いた３Ｎ−６個の振動モードを持つ（但し、直線分子の場合は３Ｎ−５個）。この内、振動結合に利用できる振動モードは双極子許容に限る。この理由は（式１）が示すように、遷移双極子モーメントｄがゼロであると、ラビ分裂エネルギーｈΩＲがゼロとなり、結果、結合強度：ΩＲ／ω０もゼロとなるためである。実際、（式１７）または（式１８）にΩＲ／ω０＝０を代入してみると、κ−／κ０＝１、すなわち、振動結合による化学反応の促進は得られない。なお、双極子許容は換言すると、赤外活性のことであり、赤外吸収があるものを指す。赤外活性の振動モードは、化学物質に対称中心があれば、逆対称伸縮振動や逆対称変角振動等から成る一方、他方、対称中心がなければ、逆対称伸縮振動や逆対称変角振動等に加え、対称伸縮振動や対称変角振動等も含む。（式１）によると、ラビ分裂エネルギーｈΩＲは遷移双極子モーメントｄに比例する。すなわち、遷移双極子モーメントｄが大きいほど、結合強度：ΩＲ／ω０は大きくなり、（式１７）または（式１８）から、相対反応速度定数：κ−／κ０も増大する。つまり、遷移双極子モーメントｄが大きい振動モードほど、振動結合は化学反応をより促進する。
【００９２】
【表１】
2018038130.tif 000036
【００９３】
（表１）に、様々な振動モードの遷移双極子モーメントｄの文献値または実験値を記す。なお、遷移双極子モーメントｄの単位はＤ（デバイ、１Ｄ＝３．３３６×１０−３０Ｃ・ｍ）で表した。（表１）を参照すれば、一般的な傾向としては、等原子間よりは異原子間の振動モード、質量差が大きい原子間よりは小さい原子間の振動モード、単結合よりは多重結合の振動モード、短い共役系よりは長い共役系の振動モードにおいて、遷移双極子モーメントｄが相対的に大きい。この傾向は振動結合による化学反応の促進度にも継承される。すなわち、質量差が比較的小さい異原子間の多重結合の振動モード、例えば、Ｃ＝Ｎ、Ｃ＝Ｏ、Ｃ＝Ｐ、Ｃ＝Ｓ、Ｎ＝Ｏ、Ｎ＝Ｐ、Ｎ＝Ｓ、Ｏ＝Ｓの各振動モードを持つ化学物質は振動結合による化学反応促進の効果をより期待できる。
【００９４】
一方で、遷移双極子モーメントｄは振動モード固有、すなわち、化学物質固有なので、反応系が定まると変えることはできない。他方、（式１）で示される理論によれば、ラビ分裂エネルギーｈΩＲは物質の濃度Ｃ（Ｃ＝Ｎ／Ｖ、Ｎ：物質の粒子数、Ｖ：モード体積）の平方根に比例し、また、［実施例５］に示す実験によれば、ラビ分裂エネルギーｈΩＲは物質の濃度Ｃの０．４乗に比例する。つまり、理論的にはΩＲ∝Ｃ０．５、実験的にはΩＲ∝Ｃ０．４である。従って、何れにせよ、振動結合による化学反応の促進度を上げる手段としては、濃度Ｃを増加させることを通して結合強度：ΩＲ／ω０を増大させることで、相対反応速度定数：κ−／κ０を大きくすることが汎用性のある方法となる。（式１７）を利用すると、濃度Ｃの濃薄が相対反応速度定数：κ−／κ０に与える影響を定量的に見積もることができる。この相対反応速度定数：κ−／κ０の濃度依存性については、［実施例６］で詳細に説明するが、ここで結論だけ述べると以下の通りである。すなわち、化学物質の濃度を上げることは、（式５）に示される超々強結合領域に突入しない限り、振動結合下の反応速度定数を増大する手段として有効である。特に、振動強結合、振動超強結合に対して濃度増加は顕著な効果をもたらす。
【００９５】
［（２）−Ｃ：光学モードと振動モードの振動結合とその要件］
項目（２）−Ｃに関し、光学モードと振動モードの振動結合とその要件について説明する。ファブリ・ペロー共振器７を用いて振動結合を達成するための条件は、光学モードの波数ｋｍと振動モードの波数ω０を用いると、次の（式２５）で表される。
【００９６】
【数３４】
2018038130.tif 000037
【００９７】
ここで、ｋ０は前述の通り、光学モード間隔である。なお、項目（１）−Ａで定義したように、ω０は角振動数（単位：ｓ−１）であるが、実験で得られる物理量が波数（単位：ｃｍ−１）であるので、これ以降、ω０は波数と呼称する。付言すると、（エネルギー）＝（プランク定数）×（振動数）＝（ディラック定数）×（角振動数）＝（プランク定数）×（光速度）×（波数）であるので、エネルギー、振動数、角振動数、波数は互いに言い換え可能である。
【００９８】
（式２５）が満たされる時、図３（Ａ）に示すように、（ａ）の振動系と（ｃ）の光学系の混成を通して（ｂ）の振動結合系を生起せしめる。図３（Ｂ）を参照すれば、化学反応において、（式１３）の通り、振動結合系は原系と比較して活性化エネルギーがＥａ０からＥａ−に低減される。結果、（式１７）または（式１８）が示す通り、振動結合系の反応速度定数κ−は原系の反応速度定数κ０と比較して増大する。特に、（式３）で表される強結合条件、（式４）で表される超強結合条件において、相対反応速度定数：κ−／κ０は数桁から数十桁の値を取り、振動結合による化学反応促進の効果を最も享受できる。なお、実験によると、（式２５）において、光学モードの波数ｋｍと振動モードの波数ω０は厳密に一致せずとも、同等の化学反応促進の効果が得られることが分かっている。すなわち、実験的にはω０≒ｋｍ＝ｍｋ０（ｍ＝１，２，３，…）である。
【００９９】
ここで、（式２５）において、ω０は、所望の化学反応において原料となる化学物質を構成する、化学反応を起こしたい化学結合の振動モードの波数である。つまり、原系の振動モードの波数ω０は原系の化学物質に固有の一定値であるので、調整の自由度がない。従って、振動結合を化学反応の促進に利用する際は、光学モードの波数ｋｍを振動モードの波数ω０と一致させるべく調節することになる。項目（２）−Ａで述べたように、光学モードは第１光学モード、第２光学モード、第３光学モード、…、第ｍ光学モードから構成されるので、（式２５）の条件に適合するｍ個の選択肢がある。どの光学モードが振動結合による化学反応促進に最良であるかは自明ではない。ここで、前述の図４（Ａ）〜図４（Ｄ）に示す如く、（式１７）または（式１８）によれば、結合強度：ΩＲ／ω０が増強するに従い、相対反応速度定数：κ−／κ０は増大する。よって、どの光学モードが相対反応速度定数：κ−／κ０を大きくするのに最良であるかは、どの光学モードが結合強度：ΩＲ／ω０を増強するかという議論に還元できる。結合強度：ΩＲ／ω０の光学モード番号依存性については、［実施例７］で詳細に説明するが、ここで結論だけ述べると以下となる。すなわち、第１光学モードから、少なくとも第２０光学モードまで、どの光学モードを用いてもラビ分裂エネルギーｈΩＲはほぼ一定値を取る。従って、事実上、振動結合を化学反応の促進に利用する目的には、何番目の光学モードを用いても同じ効果が期待できる。
【０１００】
［（３）振動結合化学反応装置を具現化し、所望の化学物質を製造・処理する工程］
最後に、項目（３）に関し、項目（２）に基づき、振動結合を行う目的と化学反応を行う目的が両立した振動結合化学反応装置を具現化し、それを用いて所望の化学物質を製造・処理する工程について、以下の項目（３）−Ａ、項目（３）−Ｂ、項目（３）−Ｃに従って説明する。
（３）−Ａ：線形共振器による振動結合化学反応装置の大容量化
（３）−Ｂ：線形共振器による振動結合化学反応装置の多モード化
（３）−Ｃ：振動結合化学反応装置のモジュール化、ユニット化、システム化
［（３）−Ａ：線形共振器による振動結合化学反応装置の大容量化］
まず、項目（３）−Ａに関し、線形共振器の概念と、それによる振動結合化学反応装置の大容量化について説明する。図５のファブリ・ペロー共振器７は構造が簡単で製造し易いという利点がある一方で、光の閉じ込め空間は共振器長ｔで規定されるため、振動結合用の化学反応容器としては容量が小さいという短所がある。例えば、図５を参照すると、波数が１０００ｃｍ−１の化学物質の振動モードとファブリ・ペロー共振器７の光学モードを振動結合する場合、共振器に満たす化学物質の屈折率が１．５ならば、共振器長ｔは約３．３３μｍであり、鏡面１の広さがたとえ１ｍ四方でも、充填可能な化学物質の体積は約３．３３ｃｍ３にしかならない。容量を稼ぐには二次元的構造から三次元的構造へ拡張すれば良いが、ファブリ・ペロー共振器７を幾つかを単純に積層するだけでは製造が非常に困難である。ファブリ・ペロー共振器７が持つこれらの短所を克服する目的の下、つまり、光電場閉じ込めと化学反応容器としての大容量化を両立しつつ製造も簡素化する目的の下、鋭意研究の結果、次に示すような線形共振器を集積する方式を考案するに至った。
【０１０１】
図７を参照すると、線形共振器は断面が互いに平行な２辺をｐ組持つ凸な２ｐ角形（ｐは２以上の整数）であり、その断面に垂直方向（長軸方向）に十分長い角柱の形状を持つ。換言すると、線形共振器は互いに平行なｐ組の２鏡面を側面として持つ、十分に長い２ｐ角形角柱である。断面の形状は光学モードの数、光学モードの振動数など光学モードの構成を規定する。また、長軸は反応物の容量を規定し、更に、後述のフロー反応を行う場合は反応時間を規定する。すなわち、反応物容量または反応時間は長軸の長さに比例する。例えば、図７（Ａ）の（ａ）〜（ｄ）は様々な線形共振器単体の概観図であり、（ｅ）〜（ｈ）はそれぞれの断面図である。すなわち、（ａ）と（ｅ）はｐ＝２の平行四辺形線形共振器２０、（ｂ）と（ｆ）はｐ＝３の平行六角形線形共振器２１、（ｃ）と（ｇ）はｐ＝４の平行八角形線形共振器２２、（ｄ）と（ｈ）はｐ＝∞の楕円形線形共振器２３に対応する。図７の（ｅ）〜（ｈ）の断面図に示すように、それぞれの線形共振器単体は内側の鏡面２５と外側の線形共振器筐体２４から構成され、相対する平行な鏡面間で共振する光学モード２６を持つ。
【０１０２】
図７（Ｂ）は、線形共振器を集積した場合の概観図を示す。（ａ）は線形共振器単体２９であり、線形共振器単体の原料導入口２７と線形共振器単体の生成物排出口２８を備える。（ｂ）は線形共振器単体２９が集合した線形共振器集積体３２であり、同じく線形共振器集積体の原料導入口３０と線形共振器集積体の生成物排出口３１を備える。（ｃ）は線形共振器集積体３２が線形共振器集積体のチャンバー３４に収められた振動結合化学反応装置モジュール３６であり、振動結合化学反応装置モジュールの原料導入口３３と振動結合化学反応装置モジュールの生成物排出口３５を備える。線形共振器単体２９を線形共振器集積体３２へと三次元的に束ねることで、化学反応容器として大容量化が図られる。なお、線形共振器単体２９が平行四辺形もしくは平行六角形の断面形状を持つならば、線形共振器単体２９を隙間なく集積できるので、デッドスペースなしで大容量化できる。後述の製造方法で説明する通り、線形共振器集積体３２は製造も簡単である。
【０１０３】
［（３）−Ｂ：線形共振器による振動結合化学反応装置の多モード化］
次いで、項目（３）−Ｂに関し、線形共振器による振動結合化学反応装置の多モード化について説明する。線形共振器は、構成可能な光学モードの数がその断面形状に依存する。換言すると、線形共振器を用いると、同時に振動結合できる振動モード数を複数にすること、つまり、多モード化が可能となる。具体的な例を図８に示す。図８は、様々な平行六角形線形共振器単体の断面図、並びに、平行六角形線形共振器集積体の断面図である。
【０１０４】
図８（Ａ）は断面形状が正六角形の場合で、正六角形線形共振器単体４０、並びに、正六角形線形共振器集積体４２は、それぞれ、空間的に３個に独立しているが、エネルギー的には１個に縮重する光学モード４１を有する。従って、図８（Ａ）の場合、正六角形線形共振器単体４０、並びに正六角形線形共振器集積体４２は、化学物質が持つ１個の振動モードとのみ振動結合が可能である。
【０１０５】
図８（Ｂ）は断面形状が、相対する辺のうち２組が同じ長さであるが、残りの１組が他の２組と長さが異なる二等辺平行六角形の場合で、二等辺平行六角形線形共振器単体４３、並びに、二等辺平行六角形線形共振器集積体４５は、それぞれ、空間的に３個に独立しているが、エネルギー的には３個のうち２個が縮重した光学モード４１と、それとはエネルギー的に異なる光学モード４４を有する。従って、図８（Ｂ）の場合、二等辺平行六角形線形共振器単体４３、並びに、二等辺平行六角形線形共振器集積体４５は、化学物質が持つ２個の異なる振動モードと同時に振動結合が可能である。
【０１０６】
図８（Ｃ）は断面形状が、相対する平行な辺の３組すべての長さが異なる不等辺平行六角形の場合で、不等辺平行六角形線形共振器単体４６、並びに、不等辺平行六角形線形共振器集積体４８は、それぞれ、空間的にもエネルギー的にも独立した３個の光学モード４１、光学モード４４、光学モード４７を有する。従って、図８（Ｃ）の場合、不等辺平行六角形線形共振器単体４６、並びに、不等辺平行六角形線形共振器集積体４８は、化学物質が持つ３個の異なる振動モードと同時に振動結合が可能である。
【０１０７】
一般的には、断面形状が平行２ｐ角形（ｐは２以上の整数）の場合、空間的に独立した光学モードの数はｐ個であるので、例えば、平行四辺形線形共振器２０では２個、平行六角形線形共振器２１では３個、平行八角形線形共振器２２では４個、楕円形線形共振器２３では辺の数が無限と仮定すると、理論上無限個の空間的に独立した光学モードがある。ここで、断面形状が正２ｐ角形でｐ組の平行な辺の長さがすべて等しい場合、空間的に独立した光学モードの数はｐ個であるが、エネルギー的にはｐ個が縮重しているので、振動数は同一となり、実質上、１個の光学モードのみを有することとなる。従って、正２ｐ角形線形共振器は、化学物質が持つ１個の振動モードのみと振動結合が可能である。また、断面形状が不等辺平行２ｐ角形でｐ組の平行な辺の長さがすべて異なる場合、空間的にもエネルギー的にも独立したｐ個の光学モードを有する。従って、不等辺平行２ｐ角形線形共振器は、化学物質が持つｐ個の異なる振動モードと同時に振動結合が可能である。更に、断面形状が一般の２ｐ角形で、ｐ組の平行な辺の長さがｑ個に分類できる場合、空間的に独立した光学モードの数はｐ個であるが、エネルギー的に異なる光学モードの数はｑ個となる。従って、一般の２ｐ角形線形共振器は、化学物質が持つｑ個の異なる振動モードと同時に振動結合が可能である。
【０１０８】
以上、線形共振器はその断面形状を規定することで、化学物質が持つ単数から複数個の振動モードと振動結合が可能、つまり、多モード化が可能となることから、多様な化学反応に対応可能である。特に、原料の化学物質の種類が複数の場合、個々の原料で化学反応に係る振動モードを同時に活性化することが線形共振器はできるので、化学反応全体の反応速度を相乗的に加速する際に威力を発揮する。
【０１０９】
［（３）−Ｃ：振動結合化学反応装置のモジュール化、ユニット化、システム化］
最後に、項目（３）−Ｃに関し、振動結合化学反応装置のモジュール化、ユニット化、システム化について説明する。
【０１１０】
本発明の実施の形態で化学反応装置をモジュール化することが可能な理由は、化学反応促進の原理が、通常の触媒作用のように化学反応ごとに特定の元素組成や表面状態を用意する必要がなく、化学反応に係る特定の振動モードに共鳴する、構造のみで決まる光学モードを用意さえすれば良いことに、起因する。従って、本発明の実施の形態によれば、共振器長のみで光学モードの振動数が決定されるので、モジュールの製品規格化が非常に簡単となる。例えば、図７を参照すれば、共振器長が少しずつ異なる振動結合化学反応装置モジュール３６の一連のセットを用意すれば、あらゆる化学反応の反応促進に対応可能となる。更に、振動結合化学反応装置モジュールの原料導入口３３と振動結合化学反応装置モジュールの生成物排出口３５を共通規格とすれば、後述の如く、ユニット化、システム化が自由自在となる。また、振動結合化学反応装置モジュール３６は生成物の生産量・処理量に応じてスケールアップ・スケールダウンも可能である。
【０１１１】
図７で示す振動結合化学反応装置モジュール３６には、前項で示した集積による大容量化が可能という利点に加え、線形共振器集積体３２が筒状の形状を有し、線形共振器単体の原料導入口２７と線形共振器単体の生成物排出口２８を備えるという特徴に由来して、化学物質の原料を取り入れ、反応させた後、生成物を取り出すという一連の工程を連続的に行うことができるという別の利点が生まれる。この特徴により、フロー方式の化学反応が可能となる。ここで、フローする化学物質は気体、液体、固体を問わず、流体ならば適用可能で、化学物質単体のガス、化学物質とキャリアガスを含む混合ガス、化学物質単体の原液や溶融体、化学物質を含む溶液、エマルジョン、懸濁液、超臨界流、粉体も可能である。振動結合化学反応装置モジュール３６はフロー方式の化学反応が可能という利点は、装置のユニット化、システム化に資することになる。モジュール化された振動結合化学反応装置と、原料を収める容器や生成物を蓄える容器とを適当な流路で連結することで、化学反応の全工程を構成する１つ１つの要素となる化学反応ユニットを構築できる。更には、化学反応ユニット同士が適当な流路で連結される、大規模で複雑な化学反応システムを構築できる。すなわち、振動結合化学反応装置をモジュール化した結果、化学反応の個々の工程をユニット化することが可能となり、化学反応の個々の工程をユニット化した結果、化学反応の全工程をシステム化することが可能となる。
【０１１２】
図９に、振動結合化学反応装置のモジュール化が生み出す化学反応ユニット及び化学反応システムを例示する。図９（Ａ）は基本型振動結合化学反応装置ユニット５５、図９（Ｂ）は循環型振動結合化学反応装置ユニット５８、図９（Ｃ）は直列型振動結合化学反応装置ユニット５９、図９（Ｄ）は並列型振動結合化学反応装置ユニット６０、図９（Ｅ）は逐次型振動結合化学反応装置ユニット６８、図９（Ｆ）は振動結合化学反応装置システム６９である。
【０１１３】
図９（Ａ）は、本発明の実施の形態の最も基本的な化学反応ユニットであり、原料容器ａ５０に収められた化学物質原料ａと原料容器ｂ５１に収められた化学物質原料ｂの化学反応を、振動結合化学反応装置モジュール５３を用いて促進し、化学反応後、生成物を生成物容器５４に蓄える工程を行う。なお、原料容器ａ５０や原料容器ｂ５１と振動結合化学反応装置モジュール５３間の原料の受け渡しや振動結合化学反応装置モジュール５３と生成物容器５４間の生成物の受け渡しは、流路５２を用いて行う。
【０１１４】
図９（Ｂ）は、反応物を振動結合化学反応装置モジュール５３に循環させる化学反応ユニットであり、大量の反応物を反応させたり、反応時間を長くしたい場合に適する。原料容器ａ５０に収められた化学物質原料ａと原料容器ｂ５１に収められた化学物質原料ｂを一旦、反応物容器５７に貯蔵し、バルブ５６等を適当に操作することで、反応物容器５７と振動結合化学反応装置モジュール５３間で循環させ、化学反応を促進した後に、生成物を生成物容器５４に蓄える工程を行う。
【０１１５】
図９（Ｃ）は、振動結合化学反応装置モジュール５３を直列に連結した化学反応ユニットであり、反応時間を長くしたい場合に適する。原料容器ａ５０に収められた化学物質原料ａと原料容器ｂ５１に収められた化学物質原料ｂの化学反応を、直列に連結された振動結合化学反応装置モジュール５３のセットを用いて促進し、化学反応後、生成物を生成物容器５４に蓄える工程を行う。
【０１１６】
図９（Ｄ）は、振動結合化学反応装置モジュール５３を並列に連結した化学反応ユニットであり、大量の反応物を反応させる場合に適する。原料容器ａ５０に収められた化学物質原料ａと原料容器ｂ５１に収められた化学物質原料ｂの化学反応を、並列に連結された振動結合化学反応装置モジュール５３のセットを用いて促進し、化学反応後、生成物を生成物容器５４に蓄える工程を行う。
【０１１７】
図９（Ｅ）は、複数の化学反応を逐次的に行う化学反応ユニットであり、多段階反応を行う場合に適する。原料容器ａ５０に収められた化学物質原料ａと原料容器ｂ５１に収められた化学物質原料ｂの化学反応を振動結合化学反応装置モジュールI６４を用いて促進する。この化学反応の後、その生成物と原料容器ｃ６１に収められた化学物質原料ｃの化学反応を振動結合化学反応装置モジュールII６５を用いて促進する。この化学反応の後、その生成物と原料容器ｄ６２に収められた化学物質原料ｄの化学反応を振動結合化学反応装置モジュールIII６６を用いて促進する。この化学反応の後、その生成物と原料容器ｅ６３に収められた化学物質原料ｅの化学反応を振動結合化学反応装置モジュールIV６７を用いて促進し、化学反応後、その生成物を生成物容器５４に蓄える工程を行う。
【０１１８】
図９（Ｆ）は、図９（Ａ）〜図９（Ｅ）に示す化学反応ユニットが組み合わされた反応装置システムであり、複雑な化学反応の全工程を一挙に行う場合に適する。この例では、基本型振動結合化学反応装置ユニット５５で製造される生成物と循環型振動結合化学反応装置ユニット５８で製造される生成物の化学反応を並列型振動結合化学反応装置ユニット６０で行い、次いで、その生成物と直列型振動結合化学反応装置ユニット５９で製造される生成物の化学反応を逐次型振動結合化学反応装置ユニット６８を用いて行い、最終的に、その生成物を生成物容器５４に蓄える工程を行う。この例は一例であり、様々な化学反応ユニットの組み合わせが可能である。
【０１１９】
以上、本発明の実施の形態のモジュール化、ユニット化、システム化によれば、少量少品種から大量生産まで多様な生産・処理規模に対応可能であり、必要に応じて簡単に組み換え、再配置、交換することができるので、製造・処理コストの大幅削減と生産性の大幅向上に役立つ。
【０１２０】
なお、振動結合化学反応装置を用いた化学物質の製造に関しては、［実施例８］〜［実施例１１］で詳細に説明する。
【０１２１】
［効果の説明］
以上のように、本発明の実施の形態である振動結合化学反応装置は、光電場閉じ込め構造が形成する光学モードと、化学反応に係る化学物質の振動モードとを振動結合することで、振動エネルギーを減少させ、化学反応の活性化エネルギーを低減できるため、化学反応を促進できる。このように、本発明の実施の形態の振動結合化学反応装置は触媒作用を有するが、通常の触媒が構成材料の化学的性質に依存するのに対し、本発明の実施の形態の振動結合化学反応装置は構成材料には無依存で、光電場閉じ込め構造の構造パラメーターのみに依存する。そのため、構造パラメーターを調整するだけで、あらゆるタイプの化学反応を加速することが可能である。また、振動結合の強さの指標である結合強度：ΩＲ／ω０が超強結合領域にあるならば、本発明の実施の形態の振動結合化学反応装置は１０００℃の反応温度が必要な化学反応を室温で行うことができる。さらに、本発明の実施の形態の振動結合化学反応装置は、化学反応の活性化エネルギーが大きいほど、化学反応をより促進することが可能である。例えば、本発明の実施の形態の振動結合化学反応装置は、ΩＲ／ω０＝１の条件で、活性化エネルギーが０．５ｅＶならば、反応速度を１００万倍、活性化エネルギーが１．０ｅＶならば反応速度を１兆倍へと飛躍的に加速できる。また、通常の触媒は化学物質原料にサブナノメートルまで接近して化学吸着や物理吸着を介して接触しないと触媒作用が生じないのに対し、本発明の実施の形態の振動結合化学反応装置は、光学モードが存在できるサブミリメートル以内に化学物質原料が飛び込めば、その化学物質原料に対し触媒作用を発揮できる。つまり、本発明の実施の形態の振動結合化学反応装置は、通常の触媒の１００万倍の距離まで触媒効果を保持することができる。更に、本発明の実施の形態によれば、振動結合化学反応装置をモジュール化、ユニット化、システム化することにより、少量少品種から大量生産・処理まで多様な規模に対応する効率的な化学物質の製造や処理を行うことが可能であり、必要に応じて簡単に組み換え、再配置、交換することができるので、製造・処理コストの大幅削減と生産性の大幅向上に役立つ。
【０１２２】
［製造方法の説明］
図１０および図１１を参照して、実施の形態の製造方法を説明する。
【０１２３】
図１０は、本発明の実施の形態のファブリ・ペロー共振器型の振動結合化学反応装置を製造する工程を表す模式図である。
【０１２４】
図１０（Ａ）は、共振器の筐体となる基板７０を用意する工程である。基板７０の表面は平滑であることが要件であり、赤外領域の波長（１〜１００μｍ）の半分程度に光学研磨されていることが望ましい。基板７０の材質は筐体強度があれば、金属、半導体、絶縁体の幅広い材質から選択できるが、赤外吸収分光法等で評価する場合は赤外領域で比較的透明なゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）などを用いることが望ましい。基板７０の厚さは筐体強度を保持できる程度で十分である。
【０１２５】
図１０（Ｂ）は、基板７０に共振器の鏡面７１を成形する工程である。鏡面７１の材質は、項目（２）−Ａで述べたように、銀と金が最も優れ、次いでアルミニウム、銅、タングステンが望ましく、ニッケル、白金、コバルト、鉄、パラジウム、チタンは可となる。その他、誘電関数の実部が負で絶対値が大きく、その虚部は絶対値が小さい材料であれば利用可能であり、単体金属、合金金属、金属酸化物、グラフェンやグラファイト等もこれに該当する。鏡面７１の厚さは５ｎｍ程度で十分であるが、赤外吸収分光法等で評価する場合は赤外光透過の観点から、２５ｎｍ以下が望ましい。鏡面７１の形成方法としてはスパッタ製膜、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着などのドライ製膜や、電解めっき、無電解めっきなどのウェット製膜など、一般の製膜方法を用いることができる。
【０１２６】
図１０（Ｃ）は、鏡面７１上に保護膜７２を形成する工程である。保護膜７２は鏡面７１が化学物質と接触するのを防止する目的で形成される。保護膜７２の厚さは１００ｎｍ程度で十分である。保護膜７２の材質は使用する化学反応に依るが、一般的には化学的に不活性である酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を用いる。保護膜７２の形成方法としてはスパッタ製膜等のドライ法、パーヒドロポリシラザン（Perhydropolysilazane：（−ＳｉＨ２−ＮＨ−）ｎ））によるガラス化製膜等のウェット法を用いることができる。
【０１２７】
図１０（Ｄ）は、一方の保護膜７２、鏡面７１が形成された基板７０上に、化学物質溜め７５を形成するためのスペーサー７３、流路７４を配置し、もう一方の保護膜７２、鏡面７１が形成された基板７０を重ね合わせる工程である。一部がＵ字状に膨らんだリブである一対のスペーサー７３を一方の基板７０上に距離を隔てて配置し、対向する一対のスペーサー７３間が流路７４となり、一対のスペーサー７３のＵ字状の部分で囲まれた領域が化学物質溜め７５となる。スペーサー７３の厚さは共振器長を規定する。従って、スペーサー７３の厚さは化学反応に用いる化学物質の振動モードの振動数ごとに、（式２１）に従って調整する必要があるが、概ね、赤外光の波長（１〜１００μｍ）の大きさである。なお、流路７４とスペーサー７３の厚さは同一とする。スペーサー７３の材質は、ある程度厚さ調整が可能なテフロン（Teflon）（登録商標）、マイラー（Mylar）（登録商標）などのプラスチック樹脂製薄膜が適している。特に、テフロン（Teflon）、マイラー（Mylar）は化学的に不活性なので、スペーサー７３として利用価値が高い。但し、プラスチック樹脂は６μｍ以下に薄膜化することが困難なので、スペーサー７３の厚さが６μｍ未満の場合、スペーサー７３の材質として、延伸加工が可能な金属、例えば、チタン、鋼鉄、金、銅などを選択することができる。金属製のスペーサー７３を用いる場合は、必要に応じて、スペーサー７３の表面をテフロン等のプラスチック樹脂、酸化ケイ素などの酸化膜等で不活性化する。
【０１２８】
図１０（Ｅ）は、ファブリ・ペロー共振器型の振動結合化学反応装置７６の完成図である。実用上は、これを共振器長調整用の荷重機構を備える適当なホルダーに収め、流路７４を介して化学物質原料を導入、もしくは生成物を排出することで、化学反応を促進する装置として使用する。
【０１２９】
図１１は、本発明の実施の形態の線形共振器型の振動結合化学反応装置を製造する工程を表す断面図である。
【０１３０】
図１１（Ａ）は、線形共振器の筐体となるガラス管８０を用意する工程である。ガラス管８０の大きさは、小規模の線形共振器ならば、直径が１ｃｍ程度、長さが１０ｃｍ程度で十分である。大規模の線形共振器の場合は規模に応じて拡大する。ガラス管８０の材質はソーダガラス、鉛ガラス、ホウケイ素ガラス、石英ガラス、サファイアガラス等を用いることができるが、溶融加工が簡便という観点から、ソーダガラス、鉛ガラス、ホウケイ素ガラスが適している。
【０１３１】
図１１（Ｂ）は、ガラス管８０に酸可溶性ガラス８１を充填する工程である。酸可溶性ガラス８１は、塩酸、硝酸、硫酸等に溶ける特殊ガラスであり、後工程の細線化時にガラス管８０が内面で融着することを防止する役割を果たす。ガラス管８０を予め加熱し、溶融した酸可溶性ガラス８１をガラス管８０内に流し込むことで、酸可溶性ガラス充填ガラス管８２を得る。
【０１３２】
図１１（Ｃ）は、酸可溶性ガラス充填ガラス管８２を細線化する工程である。酸可溶性ガラス充填ガラス管８２を適当な温度で加熱して管軸方向に引き伸ばし、結果、直径が１００μｍ前後である細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管８３を得る。細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管８３は後工程で利用できるように一定間隔で裁断する。
【０１３３】
図１１（Ｄ）は、細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管８３を整列融着する工程である。細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管８３を管軸が互いに平行になるように整列して束ね、適当な温度で加熱することで、束ねた細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管８３を互いに融着させ、細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体８４を得る。なお、型枠用のガラス管を利用し、その管内で細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管８３を整列融着すると、均一なピッチを持つ細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体８４を得ることができる。また、細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体８４を構成する個々の細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管の断面形状は融着時の整列方法で制御する。例えば、整列融着時、三角格子状になるように整列すると、断面形状は正六角形となり、正方格子状になるように整列すると、面形状は正方形となる。
【０１３４】
図１１（Ｅ）は、細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体８４を更に細線化する工程である。細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体８４を適当な温度で管軸方向に加熱して引き伸ばし、結果、細々線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体８５を得る。細々線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体８５を構成する細々線化酸可溶性ガラス充填ガラス管の内径は共振器長を規定する。従って、その内径は化学反応に用いる化学物質の振動モードの振動数ごとに、（式２１）に従って調整する。なお、内径は概ね赤外領域の波長（１〜１００μｍ）の範囲に収まる。加熱加工時、引き伸ばし加工に加え、側面からの圧縮加工を行うと、細々線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体８５を構成する細々線化酸可溶性ガラス充填ガラス管の断面形状を制御することができる。例えば、加熱加工する細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体８４を構成する個々の細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管の断面形状が正六角形であった場合、引き伸ばし加工のみを行うと、細々線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体８５を構成する細々線化酸可溶性ガラス充填ガラス管の断面形状は正六角形継承するのに対し、引き伸ばし加工に側面からの圧縮加工を加えると、断面形状を、図８で示したような二等辺平行六角形や不等辺平行六角形に変形することができる。
【０１３５】
図１１（Ｆ）は、細々線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体８５から酸可溶性ガラスを抜芯する工程である。細々線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体８５を塩酸、硝酸、硫酸など適当な酸に浸漬し、酸可溶性ガラスを溶かし出すことで、細々線化ガラス管集積体８６を得る。
【０１３６】
図１１（Ｇ）は、細々線化ガラス管集積体８６の内面に鏡面８７を形成する工程である。鏡面形成には無電解めっきが適している。細々線化ガラス管集積体８６を適当な溶媒で洗浄し、適当な前処理を行った後、無電解めっき液に浸漬する。鏡面８７の厚さは浸漬時間で調整し、５ｎｍ以上の金属膜を形成する。また、ガラス管８０の材質が鉛ガラスの場合、細々線化ガラス管集積体８６を真空中で水素還元することで、その内面に金属鉛の薄膜を成長させ、その鉛薄膜を足場として、無電解めっきまたは電解めっきにより鏡面８７を形成することが可能である。この場合、鏡面８７とガラス内面の密着性が良くなるほか、均一な鏡面８７を得ることができる。また、鏡面８７として、液相成長法によりグラフェン膜・グラファイト膜を形成しても良い。この場合は、加熱時に炭素を含むガリウム（Ｇａ）等の液体金属を細々線化ガラス管集積体８６の管内に含浸し、冷却時にグラフェン膜を成長させる。グラフェン膜・グラファイト膜はガラス内面とよく密着し、非常に均一な鏡面８７を得ることができる。なお、必要に応じて、鏡面８７上に保護膜を形成する。保護膜の厚さは１００ｎｍ程度で十分である。保護膜の材質は使用する化学反応に依るが、一般的には化学的に不活性である酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を用いる。保護膜の形成方法としてはスパッタ製膜等のドライ法、パーヒドロポリシラザン（Perhydropolysilazane：（−ＳｉＨ２−ＮＨ−）ｎ））によるガラス化製膜等のウェット法を用いることができる。但し、鏡面８７としてグラフェン膜・グラファイト膜を採用する場合は、グラフェン膜・グラファイト膜自体が酸化以外の化学反応に不活性であるので、保護膜形成の工程は使用する化学反応が酸化でない限り不要である。以上の工程により、線形共振器集積体８８を得る。
【０１３７】
図７（Ｂ）の（ｃ）に示す如く、線形共振器集積体８８を、線形共振器集積体８８をマウントするチャンバー、化学物質原料導入口、生成物排出口を備えた、適当なホルダーや筐体に収めることで、線形共振器型の振動結合化学反応装置が完成する。
【実施例】
【０１３８】
以下に、本発明の実施例を列挙して記す。［実施例１］〜［実施例３］は、上記の項目（１）に関し、振動結合下の相対反応速度定数：κ−／κ０を表す方程式である（式１７）または（式１８）に基づき、広範な化学反応条件の下、振動結合が化学反応に及ぼす影響を定量的に評価した結果を記す。【０１３９】
［実施例１］
図１２は温度Ｔを一定とし、活性化エネルギーＥａ０と振動結合の結合強度：ΩＲ／ω０を変数として描いた、（式１８）に基づく振動結合下の相対反応速度定数：κ−／κ０の濃淡プロットである。温度Ｔがそれぞれ、図１２（Ａ）は１００Ｋ（ケルビン）、図１２（Ｂ）は２００Ｋ、図１２（Ｃ）は３００Ｋ、図１２（Ｄ）は４００Ｋ、図１２（Ｅ）は５００Ｋ、図１２（Ｆ）は６００Ｋ、図１２（Ｇ）は７００Ｋ、図１２（Ｈ）は８００Ｋ、図１２（Ｉ）は９００Ｋの場合である。各プロットとも、縦軸が活性化エネルギーＥａ０、横軸が結合強度：ΩＲ／ω０である。濃淡は濃いほど相対反応速度定数：κ−／κ０が大きく、黒で示される領域は相対反応速度定数：κ−／κ０が１０２４以上で最大、白で示される領域は１以上１０未満、斜線で示される領域は１未満である。【０１４０】
図１２（Ａ）から図１２（Ｉ）を一瞥して分かることは、右上隅の領域で相対反応速度定数：κ−／κ０が大きくなることである。すなわち、活性化エネルギーＥａ０が大きいほど、かつ、振動結合の結合強度：ΩＲ／ω０がより大きいほど、振動結合は化学反応をより促進するということである。次に、逆から見て図１２（Ｉ）から図１２（Ａ）へ進むと、右上隅の濃淡の濃い領域が拡がって行く。つまり、温度が低くなるほど、振動結合は化学反応をより促進することが分かる。更に詳しく図１２を見ると、例えば、室温付近の図１２（Ａ）Ｔ＝３００Ｋの場合、（式２）で示される弱結合条件（ΩＲ／ω０＜０．０１）において、現実的な活性化エネルギーの上限である４．００ｅＶ（電子ボルト、ＳＩ単位系では３８６ｋＪ／ｍｏｌ、以下同様）で、相対反応速度定数：κ−／κ０は１０に届かない、すなわち、振動弱結合ではそれほど大きな化学反応の促進を望めない。一方、（式３）で示される強結合条件（０．０１≦ΩＲ／ω０＜０．１）においては同温度で、ΩＲ／ω０＝０．０３以上、かつ、Ｅａ０≧２．００ｅＶ（１９３ｋＪ／ｍｏｌ）ならば、相対反応速度定数：κ−／κ０は１０２以上となる。更に、（式４）で示される超強結合条件（０．１≦ΩＲ／ω０≦１）においては同温度で、ΩＲ／ω０＝０．１ならば、Ｅａ０＝０．７００ｅＶ（６７．５ｋＪ／ｍｏｌ）でも相対反応速度定数：κ−／κ０は１０２以上、Ｅａ０≧１．００ｅＶ（９６．５ｋＪ／ｍｏｌ）なら１０３以上となる。同条件で、もしΩＲ／ω０＝１ならば、かなり小さな活性化エネルギーであるＥａ０＝０．１００ｅＶ（９．６５ｋＪ／ｍｏｌ）でも相対反応速度定数：κ−／κ０は１０２以上、Ｅａ０≧１．００ｅＶ（９６．５ｋＪ／ｍｏｌ）なら１０１２（１兆）となる。つまり、化学反応系が振動強結合、更に振動超強結合の下にあるならば、桁違いの化学反応の促進が見込めるということである。この著しい反応促進は、（式１７）または（式１８）において、結合強度：ΩＲ／ω０の項が指数関数部に含まれることに由来する。【０１４１】
最後に図１２に関して補足すると、Ｅａ０≦０．０４ｅＶ（３．８６ｋＪ／ｍｏｌ）の場合、または、概ねΩＲ／ω０＞１の場合、相対反応速度定数：κ−／κ０は１未満になる。κ−／κ０＜１となる理由は、（式１８）において、前指数項：（１−１／２・ΩＲ／ω０）が存在するためである。実際、前指数項がない（式１７）で数値計算すると、相対反応速度定数：κ−／κ０が１未満の領域は出現しない。つまり、活性化エネルギーＥａ０が極端に小さい場合、または、結合強度：ΩＲ／ω０が極端に大きい場合には、（式１８）において、前指数項：（１−１／２・ΩＲ／ω０）による減少は指数項による増大を打ち消して余りあるということである。実際には、ΩＲ／ω０＞１である超々強結合系は見つかっていないので、この極端な条件は考慮する必要はない。【０１４２】
以上、図１２から得られる知見をまとめると以下となる。すなわち、活性化エネルギーＥａ０が極端に小さくない限り、振動結合は化学反応を促進する。反応促進の効果は活性化エネルギーＥａ０が大きいほど、結合強度：ΩＲ／ω０が大きいほど、顕著となる。特に、振動強結合、振動超強結合は化学反応を桁違いに促進する。【０１４３】
［実施例２］
図１３は活性化エネルギーＥａ０を一定とし、温度Ｔと振動結合の結合強度：ΩＲ／ω０を変数として描いた、振動結合下の相対反応速度定数：κ−／κ０の濃淡プロットである。活性化エネルギーＥａ０がそれぞれ、図１３（Ａ）は０．００５ｅＶ（０．４８２ｋＪ／ｍｏｌ）、図１３（Ｂ）は０．０１０ｅＶ（０．９６５ｋＪ／ｍｏｌ）、図１３（Ｃ）は０．０２５ｅＶ（２．４１ｋＪ／ｍｏｌ）、図１３（Ｄ）は０．０５０ｅＶ（４．８２ｋＪ／ｍｏｌ）、図１３（Ｅ）は０．１００ｅＶ（９．６５ｋＪ／ｍｏｌ）、図１３（Ｆ）は０．２００ｅＶ（１９．３ｋＪ／ｍｏｌ）、図１３（Ｇ）は０．５００ｅＶ（４８．２ｋＪ／ｍｏｌ）、図１３（Ｈ）は１．０００ｅＶ（９６．５ｋＪ／ｍｏｌ）、図１３（Ｉ）は２．０００ｅＶ（１９３ｋＪ／ｍｏｌ）の場合である。各プロットとも、縦軸が温度Ｔ、横軸が結合強度：ΩＲ／ω０である。濃淡の定義は図１２と同様である。【０１４４】
図１３（Ａ）から図１３（Ｉ）へ順に見て行くと、右下隅の領域で相対反応速度定数：κ−／κ０が大きくなることである。すなわち、温度Ｔが低いほど、振動結合の結合強度：ΩＲ／ω０がより大きいほど、振動結合は化学反応をより促進することが分かる。また、図１３（Ａ）から図１３（Ｉ）に行くに従って、右下隅の濃淡の濃い領域が拡がって行く。つまり、活性化エネルギーＥａ０が大きくなるほど、振動結合は化学反応をより促進することが見て取れる。更に詳しく図１３を見ると、図１３（Ａ）〜図１３（Ｃ）において、Ｅａ０≦０．０２５ｅＶである場合、相対的に高温の領域、図１３（Ａ）では約１００Ｋ以上、図１３（Ｂ）では約２００Ｋ以上、図１３（Ｃ）では約５５０Ｋ以上で相対反応速度定数：κ−／κ０が１未満になる。従って、振動結合を化学反応の促進に利用する際、活性化エネルギーＥａ０が極端に小さくないかどうか検討する必要がある。但し、振動結合を化学反応の遅延に利用する際は活性化エネルギーＥａ０が極端に小さいことが利点となり得る。一方、一般的な化学反応の活性化エネルギーの範囲と考えられるＥａ０≧０．１００ｅＶ（９．６５ｋＪ／ｍｏｌ）である場合、図１３（Ｅ）〜図１３（Ｉ）に示す通り、相対反応速度定数：κ−／κ０が１未満の領域は超々強結合領域（１＜ΩＲ／ω０）以外で消失し、振動結合による化学反応の促進が見られる。そして、弱結合領域（ΩＲ／ω０＜０．０１）よりは強結合領域（０．０１≦ΩＲ／ω０＜０．１）、強結合領域よりは超強結合領域（０．１≦ΩＲ／ω０≦１）、超強結合領域よりは超々強結合領域で振動結合による促進度が高まる。特に、強結合領域、超強結合領域では化学反応が文字通り桁違いに進行し易くなる。【０１４５】
図１３から得られる知見をまとめると、以下となる。すなわち、活性化エネルギーＥａ０が極端に小さくない限り、振動結合は化学反応を促進する。活性化エネルギーＥａ０が小さい場合は、結合強度：ΩＲ／ω０をできるだけ大きくすることが、振動結合による化学反応促進の適用指針として挙げられる。反応促進の効果は活性化エネルギーＥａ０が大きいほど、結合強度：ΩＲ／ω０が大きいほど、顕著となる。特に、振動強結合、振動超強結合は化学反応を桁違いに促進する。【０１４６】
［実施例３］
図１４は振動結合の結合強度：ΩＲ／ω０を一定とし、活性化エネルギーＥａ０と温度Ｔを変数として描いた、振動結合下の相対反応速度定数：κ−／κ０の濃淡プロットである。振動結合の結合強度：ΩＲ／ω０がそれぞれ、図１４（Ａ）は０．００５、図１４（Ｂ）は０．０１０、図１４（Ｃ）は０．０２０、図１４（Ｄ）は０．０５０、図１４（Ｅ）は０．１００、図１４（Ｆ）は０．２００、図１４（Ｇ）は０．５００、図１４（Ｈ）は１．０００、図１４（Ｉ）は２．０００の場合である。各プロットとも、縦軸が活性化エネルギーＥａ０、横軸が温度Ｔである。濃淡の定義は図１２と同様である。【０１４７】
図１４（Ａ）から図１４（Ｉ）の全体的な傾向として、左上隅に相対反応速度定数：κ−／κ０が大きくなる領域が出現すること、右下隅に相対反応速度定数：κ−／κ０が１未満になる領域が現われることである。すなわち、活性化エネルギーＥａ０が大きいほど、温度Ｔが低いほど、振動結合による化学反応を促進の効果が高く、また、活性化エネルギーＥａ０が極端に小さく、かつ、温度Ｔが極端に高いと、振動結合は化学反応を遅延するということである。また、図１４（Ａ）から図１４（Ｉ）への順番で、左上隅の濃淡が濃くなる。これが意味するところは、振動結合の結合強度：ΩＲ／ω０が大きくなるに従い、相対反応速度定数：κ−／κ０は増大する、つまり、振動結合による化学反応促進が増進するということである。更に詳しく図１４を見ると、図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）に示されるように、弱結合条件（ΩＲ／ω０＜０．０１）では、Ｅａ０≦２ｅＶ（１９３ｋＪ／ｍｏｌ）ならば１００Ｋ以下の低温でしか、相対反応速度定数：κ−／κ０は１０以上とならない。つまり、振動結合は、弱結合領域では温度Ｔが極端に低い、または、活性化エネルギーＥａ０が極端に大きいという条件でしか効果を期待できない。一方、強結合条件（０．０１≦ΩＲ／ω０＜０．１）ならば、Ｔ＝３００Ｋ、Ｅａ０＝１ｅＶ（９６．５ｋＪ／ｍｏｌ）という条件において、例えば、図１４（Ｄ）に示されるΩＲ／ω０＝０．０５０ならば、相対反応速度定数：κ−／κ０は１０以上となる。つまり、強結合条件ならば、振動結合による化学反応促進の効果が十分に認められる。更に、超強結合条件（０．１≦ΩＲ／ω０≦１）ならば、Ｔ＝３００Ｋ、Ｅａ０＝１ｅＶという条件において、例えば、図１４（Ｆ）に示されるΩＲ／ω０＝０．２００ならば、相対反応速度定数：κ−／κ０は１０３以上、図１４（Ｈ）に示されるΩＲ／ω０＝０．５００ならば、相対反応速度定数：κ−／κ０は１０６（百万）以上、図１４（Ｉ）に示されるΩＲ／ω０＝２．０００ならば、相対反応速度定数：κ−／κ０は１０１２（一兆）以上となる。つまり、振動結合を超強結合条件下で利用すれば、化学反応促進に対する顕著な効果が得られる。【０１４８】
以上、図１４から得られる知見をまとめると以下となる。化学反応の促進を目的とするならば、振動弱結合では効果は限定的である。一方、振動強結合ならば、室温付近でも化学反応の促進に十分な効果を期待できる。更に、振動超強結合ならば、尚更の顕著な効果が得られる。【０１４９】
［実施例４］〜［実施例６］は、上記の項目（２）に関し、振動結合化学反応装置の作製とその基本性能評価の結果について述べる。次いで、振動結合化学反応装置により所望の化学物質を製造する際に必要となる振動結合の基礎的特性、すなわち、結合強度の濃度依存性、振動結合下の相対反応速度定数の相対濃度依存性、ラビ分裂エネルギーの光学モード番号依存性等について、振動結合化学反応装置を用いた実験で得られた結果を中心に説明する。【０１５０】
［実施例４］
［製造方法の説明］で述べた手段により、振動結合化学反応装置を作製した。簡潔に説明すると以下となる。振動結合化学反応装置の完成品をフーリエ変換赤外吸収分光（ＦＴ−ＩＲ）装置により評価できるように、赤外領域で透明なセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）を基板として採用した。２枚のＺｎＳｅ基板を用意し、双方に対し、光学研磨を施し、適当な方法で洗浄した後、真空中において金を１０ｎｍの厚さでスパッタ蒸着した。次いで、金薄膜が化学物質と接触することを防ぐため、２枚の金／ＺｎＳｅ基板上に１００ｎｍのＳｉＯ２層を形成した。ＳｉＯ２保護膜形成法としては、最初にパーヒドロポリシラザン（Perhydropolysilazane：（−ＳｉＨ２−ＮＨ−）ｎ）の５％キシレン溶液を金／ＺｎＳｅ基板上に塗布し、１００℃加熱で乾燥後、紫外線照射により、（−ＳｉＨ２−ＮＨ−）ｎ＋２ｎＨ２Ｏ→（ＳｉＯ２）ｎ＋ｎＮＨ３＋２ｎＨ２の化学反応を促進させ、最後に２５０℃加熱により石英化（ＳｉＯ２化）を完結させる方法を用いた。最後に、２枚のＳｉＯ２／金／ＺｎＳｅ基板をテフロンもしくはマイラー等のプラスチック樹脂製のスペーサーを挟んで重ね合わせ、ファブリ・ペロー共振器を構成した。でき上がったファブリ・ペロー共振器は、２枚のＳｉＯ２／金／ＺｎＳｅ基板に対して均等な圧力を荷重できる機構を有するホルダーに収め、振動結合化学反応装置を完成させた。なお、共振器長は大まかにはスペーサーの厚さで規定し、微調整はホルダーの荷重機構で行った。【０１５１】
図１５（Ａ）は、上記方法で作製され、共振器内が空気で満たされた振動結合化学反応装置の透過率と波数の関係を示す。（ａ）は共振条件から外れた場合で、２枚のＳｉＯ２／金／ＺｎＳｅ基板が持つ正味の透過率の波長依存性を表すのに対し、（ｂ）は共振条件に合致した場合で、光電場の閉じ込めにより、第２光学モードから第１９光学モードまで、多数の光学モードが整然と並立していることが分かる。低波数から高波数に掛けてピーク高が高くなる、すなわち、光の透過と吸収の差が大きくなるのは、高波数側ほど光電場の閉じ込め効果が高くなるためで、ファブリ・ペロー共振器特有の性質である。【０１５２】
（表２）に、本振動結合化学反応装置に関するファブリ・ペロー共振器としての光学的特性を示す。（表２）を参照すると、光学モード間隔ｋ０は各光学モード間でほぼ一定で、その平均値は３９１．８２ｃｍ−１である。この値と空気の屈折率：１を（式２１）に代入すると、共振器長ｔは１２．７６μｍとなる。使用したスペーサーの厚さは１０μｍなので、ｔ＝１２．７６μｍはスペーサー厚より若干長めになる。別途の実験で、ホルダーの荷重機構を利用すると、（スペーサー厚＋３．５）μｍ±２．５μｍの範囲で共振器長ｔが可変であり、目的の波数に±１ｃｍ−１の精度で微調整が可能であった。また、Ｑ値は第２光学モードのＱ＝５７．２２から徐々に増加し、第１６光学モードで最大値のＱ＝１２５．９を取り、その後、徐々に減少し、平均値は１０３．０であった。この値は振動結合に必要なＱ値である２０を大幅に超えていることから、本振動結合化学反応装置の光電場の閉じ込め能力は十分である。次いで、本振動結合化学反応装置に化学物質を満たして性能試験を行った。その結果を以下に記す。【０１５３】
【表２】
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【０１５４】
図１５（Ｂ）〜図１５（Ｄ）は、化学物質を導入した振動結合化学反応装置の透過率と波数の関係である。それぞれ、図１５（Ｂ）が純粋なクロロホルムを導入した場合、図１５（Ｃ）が１．００Ｍ−二硫化炭素（ＣＳ２）のクロロホルム溶液の場合、図１５（Ｄ）が１．００Ｍ−フェニルイソシアネート（Ｐｈ−Ｎ＝Ｃ＝Ｏ）のクロロホルム溶液の場合である。また、図１５（Ｂ）〜図１５（Ｄ）の各図で（ａ）は共振条件から外れた場合、（ｂ）は共振条件に合致した場合である。従って、（ａ）は通常の化学物質の赤外吸収スペクトル、（ｂ）はファブリ・ペロー共振器の光学モード、化学物質、光学モードと化学物質の振動モードが振動結合した光・物質混成体の赤外吸収スペクトルが重畳したものとなる。図１５（Ｂ）〜図１５（Ｄ）の各図について、以下に詳細を説明する。【０１５５】
図１５（Ｂ）の（ｂ）の場合では、共振器長ｔを微調整することで、１２１６ｃｍ−１付近に観察されるクロロホルムのＣＨ変角振動モードの基音（振動量子数０→１遷移）と第４光学モードを振動結合させ、下枝のＰ−状態と上枝のＰ＋状態にラビ分裂させた。振動モードと光学モードの波数のずれは±１ｃｍ−１以内であり、ほぼ完全な共鳴が得られた。なお、偶然の一致で、２４０６ｃｍ−１付近に観察されるクロロホルムのＣＨ変角振動の倍音（振動量子数０→２遷移）と第８光学モードが振動結合し、下枝のＰ−＊状態と上枝のＰ＋＊状態にラビ分裂した。前者の結合強度：ΩＲ／ω０は０．０４５１、後者は０．０１２４であり、（式３）を参照すると、双方とも強結合（０．０１≦ΩＲ／ω０＜０．１）であった。後者の値が前者の値より大幅に小さいのは、一般に、倍音は基音と比較して、遷移双極子モーメントｄが１桁程度小さいことに由来する。なお、光学モード間隔ｋ０の平均値は２９９．３ｃｍ−１であり、この値とクロロホルムの屈折率：ｎ＝１．４３４を（式２１）に代入すると、共振器長ｔは１１．６４μｍとなった。また、Ｑ値は２１０８ｃｍ−１付近の第７光学モードで７５．０２であり、光電場の閉じ込め能力は十分であった。また、クロロホルムを導入して８時間後にＦＴ−ＩＲ測定を行ったところ、導入直後と殆ど同一の赤外吸収スペクトルが得られたことから、本振動結合化学反応装置は、揮発し易いクロロホルムでも蒸散のない気密性に加え、共振条件を長時間一定に保つ光学的剛性も併せ持つことが分かった。【０１５６】
図１５（Ｃ）の（ｂ）の場合では、共振器長ｔを微調整することで、１５１９ｃｍ−１付近のＳ＝Ｃ＝Ｓ逆対称伸縮の振動モードと第７光学モードを振動結合させ、下枝のＰ−状態と上枝のＰ＋状態にラビ分裂させた。振動モードと光学モードの波数のずれは±１ｃｍ−１以内であり、ほぼ完全な共鳴が得られた。なお、偶然の一致で、３０１７ｃｍ−１付近のクロロホルムのＣ−Ｈ伸縮の振動モードと第１４光学モードが振動結合し、下枝のＰ−＊状態と上枝のＰ＋＊状態にラビ分裂した。前者の結合強度：ΩＲ／ω０は０．０４１４、後者は０．０１１１であり、（式３）を参照すると、双方とも強結合であった。クロロホルム濃度は１１．６５Ｍなので、二硫化炭素の濃度より１２倍近く濃いにも拘らず、クロロホルム由来のＣ−Ｈ伸縮振動の結合強度（ΩＲ／ω０＝０．１１１）が二硫化炭素由来のＳ＝Ｃ＝Ｓ伸縮振動の結合強度（ΩＲ／ω０＝０．４１４）よりかなり小さい理由は、（表１）で示されるように、一般に、単結合（Ｃ−Ｈ）は二重結合（Ｓ＝Ｃ＝Ｓ）と比較して、遷移双極子モーメントｄが１桁以上小さいことに由来する。なお、光学モード間隔ｋ０の平均値は２１７．０２ｃｍ−１であり、この値とクロロホルムの屈折率：ｎ＝１．４３４を（式２１）に代入すると、共振器長ｔは１６．０７μｍとなった。また、Ｑ値は１９４７ｃｍ−１付近の第９光学モードで７４．８４であり、光電場の閉じ込め能力は十分であった。【０１５７】
図１５（Ｄ）の（ｂ）の場合では、共振器長ｔを微調整することで、２２７２ｃｍ−１付近に観察されるフェニルイソシアネートのＮ＝Ｃ＝Ｏ逆対称伸縮の振動モードと第９光学モードを振動結合させ、下枝のＰ−状態と上枝のＰ＋状態にラビ分裂させた。振動モードと光学モードの波数のずれは±１ｃｍ−１以内であり、ほぼ完全な共鳴が得られた。なお、偶然の一致で、１６００ｃｍ−１付近に観察されるフェニルイソシアネートのベンゼン環の骨格振動（Ｃ＝Ｃ）と第６光学モードが振動結合し、下枝のＰ−状態と上枝のＰ＋＊状態にラビ分裂した。前者の結合強度：ΩＲ／ω０は０．０４８０、後者は０．０１６８であり、（式３）を参照すると、双方とも強結合であった。後者の値が前者の値より大幅に小さいのは、（表１）で示されるように、Ｎ＝Ｃ＝Ｏ伸縮の振動モードが巨大な遷移双極子モーメントｄを有することに由来する。なお、光学モード間隔ｋ０の平均値は２２７．０８ｃｍ−１であり、この値とクロロホルムの屈折率：ｎ＝１．４３４を（式２１）に代入すると、共振器長ｔは１５．３５μｍとなった。また、Ｑ値は２０４３ｃｍ−１付近の第８光学モードで９６．２７であり、光電場の閉じ込め能力は十分であった。【０１５８】
以上の結果より、本発明の実施例の振動結合化学反応装置は、振動結合に必要な共鳴条件を±１ｃｍ−１の精度で調整できる精密性と最低でも８時間に渡る光学的剛性を持つ共振器としての機能と共に、揮発し易い化学物質を最低でも８時間気密する化学反応容器としての機能を有することが実証される。【０１５９】
［実施例５］
本実施例では［実施例４］で得られた振動結合化学反応装置を用い、結合強度：ΩＲ／ω０の濃度依存性を調べた結果を述べる。【０１６０】
図１６（Ａ）は、様々な濃度のフェニルイソシアネートのクロロホルム溶液に対して、フェニルイソシアネートのＮ＝Ｃ＝Ｏ逆対称伸縮の振動モード（ω０＝２２７２ｃｍ−１）と第５光学モード（ｋ５＝５ｋ０＝２２７２ｃｍ−１）を振動結合させ、Ｐ−状態とＰ＋状態にラビ分裂させた時の透過率スペクトルである。それぞれ、濃度Ｃが（ａ）は０．２５Ｍ、（ｂ）は０．５０Ｍ、（ｃ）は１．００Ｍ、（ｄ）は２．００Ｍ、（ｅ）は４．００Ｍ、（ｆ）は８．００Ｍの場合である。濃度が高くなるに従い、Ｐ−状態とＰ＋状態のエネルギー差、すなわち、ラビ分裂エネルギーｈΩＲは次第に増加する。（式１）の理論式を参照すれば、ラビ分裂エネルギーｈΩＲは濃度Ｃの平方根に比例すると予想される。この理論予想をラビ分裂エネルギーｈΩＲの代わりに結合強度：ΩＲ／ω０を使えば、ΩＲ／ω０∝Ｃ０．５と表式される。この式が実験的に妥当かどうかを調べたのが、図１６（Ｂ）に示す結合強度：ΩＲ／ω０の濃度依存性である。なお、横軸の濃度は、純粋なフェニルイソシアネートのモル濃度：Ｃ０＝９．１７Ｍで規格化し、相対濃度：Ｃ／Ｃ０で表した。図１６（Ａ）から得られる測定値をプロットすると、理論予想のΩＲ／ω０∝Ｃ０．５では余り良くフィッティングされず、実験的にはΩＲ／ω０∝Ｃ０．４で良くフィッティングされた。理論と実験で差異を与える理由は、（式１）を与えるジェインズ・カミングスモデルは回転波近似を採用しているが、（式３）の強結合領域（０．０１≦ΩＲ／ω０＜０．１）から（式４）の超強結合領域（０．１≦ΩＲ／ω０≦１）に掛けて、回転波近似が徐々に破綻して行くことが関係していると推定される。この実験結果は振動強結合や振動超強結合を記述する新たな物理が必要なことを示唆する重要性を持つ。ここで再度図１６（Ｂ）を参照すれば、実験式：ΩＲ／ω０∝Ｃ０．４を低濃度側に外挿すると、フェニルイソシアネートはＣ＝１０−３Ｍ付近で弱結合領域から強結合領域に遷移する一方で、他方、凡そＣ＝４Ｍで超強結合領域に到達する。この特性は、（表１）に示すように、フェニルイソシアネートのＮ＝Ｃ＝Ｏの振動モードがｄ＝０．８０の巨大な双極子モーメントを持つことに由来する。また、結合強度：ΩＲ／ω０は濃度Ｃを変数とする増加関数であることは間違いなく、次の［実施例６］で詳細に説明する通り、濃度Ｃを増加させることは振動結合で化学反応を加速する際、最も効果的な手段の１つである。【０１６１】
以上、振動結合化学反応装置により所望の化学物質を製造する際に役立つ基礎的知見として、結合強度の濃度依存性は理論的にはΩＲ／ω０∝Ｃ０．５で表式されるが、実験的にはΩＲ／ω０∝Ｃ０．４であることを明らかにした。【０１６２】
［実施例６］
本実施例では相対反応速度定数：κ−／κ０の濃度依存性について（式１７）に基づいて解析した結果について説明する。【０１６３】
図１７は、濃度Ｃの時の振動結合下の反応速度定数κ−と濃度Ｃ＊の時の振動結合下の反応速度定数κ−＊との比と、相対濃度：Ｃ＊／Ｃの関係を示す。但し、温度Ｔは３００Ｋ、活性化エネルギーＥａ０は０．５ｅＶに固定し、結合強度：ΩＲ／ω０が０．００３、０．０１、０．０３、０．１、０．３、１の場合を計算した。（式２）で表される弱結合条件（ΩＲ／ω０＜０．０１）であるΩＲ／ω０＝０．００３の場合、濃度を１００分の１に薄めても反応速度定数は殆ど変わらないのと引き換えに、濃度を１０倍にしても反応速度定数は２倍に届かず、濃度が１００倍で反応速度定数が漸く約１００倍になる。（式３）で表される強結合条件（０．０１≦ΩＲ／ω０＜０．１）である場合、１０−２≦Ｃ＊／Ｃ≦１００の範囲、つまり濃度を１００分の１まで薄めた場合、κ−＊／κ−は殆ど１である一方、濃度を濃くすると、指数関数的に反応速度定数は増大する。例えば、ΩＲ／ω０＝０．０１の場合、Ｃ＊／Ｃ＝１０の時にκ−＊／κ−≒１０、Ｃ＊／Ｃ＝１０２の時にκ−＊／κ−≒１０６となり、ΩＲ／ω０＝０．０３の場合、Ｃ＊／Ｃ＝１０の時にκ−＊／κ−≒１０３、Ｃ＊／Ｃ＝１０２の時にκ−＊／κ−≒１０６となる。なお、ΩＲ／ω０＝０．０３の場合、相対濃度：Ｃ＊／Ｃが６０を超える辺りで、κ−＊／κ−が増加から減少に転ずる。この理由は濃度の増加に伴い、強結合から超強結合、更に超々強結合に転じたためである。（式４）で表される超強結合条件（０．１≦ΩＲ／ω０≦１）にある場合、１０−２≦Ｃ＊／Ｃ≦１００の範囲において、κ−＊／κ−の減少が目立つようになる。例えば、Ｃ＊／Ｃ＝１０−２の時、ΩＲ／ω０＝０．１の場合はκ−＊／κ−≒０．２、ΩＲ／ω０＝０．３の場合はκ−＊／κ−≒５×１０−２、ΩＲ／ω０＝１の場合はκ−＊／κ−≒１０−６に及ぶ。一方、超強結合条件で濃度が濃くなる場合、結合強度：ΩＲ／ω０が大きくなるに従い、κ−＊／κ−の増加の立ち上がりは急峻になるものの、増加から減少に転じる相対濃度：Ｃ＊／Ｃが低くなって行く。この理由は結合強度：ΩＲ／ω０が大きいほど、超々強結合条件に達し易くなるためである。しかしながら、超強結合条件において、反応速度定数は最高で、ΩＲ／ω０＝０．１の場合で約５×１０７倍、ΩＲ／ω０＝０．３の場合で約１０６倍、ΩＲ／ω０＝１の場合で約１０２倍に達する。以上の結果より、化学物質の濃度を上げることは、超々強結合に突入しない限り、振動結合下の反応速度定数を増大する手段として有効であることが証明される。特に、振動強結合、振動超強結合に対して濃度増加は顕著な効果をもたらす。【０１６４】
［実施例７］
本実施例では［実施例４］で得られた振動結合化学反応装置を用い、結合強度：ΩＲ／ω０の光学モード依存性を調べた結果を述べる。【０１６５】
図１８（Ａ）は純粋なフェニルイソシアネートのＮ＝Ｃ＝Ｏ逆対称伸縮の振動モード（ω０＝２２７２ｃｍ−１）と様々な光学モードを振動結合させ、Ｐ−状態とＰ＋状態にラビ分裂させた時の透過スペクトルである。それぞれ、（ａ）が第２光学モード（ｋ２＝２ｋ０＝２２７２ｃｍ−１、共振器長：ｔ＝２．９２μｍ）、（ｂ）が第３光学モード（ｋ３＝３ｋ０＝２２７２ｃｍ−１、共振器長：ｔ＝４．４０μｍ）、（ｃ）が第５光学モード（ｋ５＝５ｋ０＝２２７２ｃｍ−１、共振器長：ｔ＝７．３３μｍ）、（ｄ）が第１０光学モード（ｋ１０＝１０ｋ０＝２２７２ｃｍ−１、共振器長：ｔ＝１４．６μｍ）、（ｅ）が第１５光学モード（ｋ１５＝１５ｋ０＝２２７２ｃｍ−１、共振器長：ｔ＝２１．９μｍ）、（ｆ）が第２０光学モード（ｋ２０＝２０ｋ０＝２２７２ｃｍ−１、共振器長：ｔ＝２９．２μｍ）の場合である。調べた光学モードの範囲内において、光学モードに依らず、ラビ分裂エネルギーは波数換算で約３１０ｃｍ−１と一定である。この無依存性を結合強度：ΩＲ／ω０と光学モード番号：ｍの関係で示したのが図１８（Ｂ）である。やはり、２≦ｍ≦２０の範囲で結合強度：ΩＲ／ω０は光学モード番号：ｍに依存せず、ΩＲ／ω０＝０．１４０の定数となる。従って、振動結合を行うための光学モードは、少なくとも第２０光学モードまでは、自由に選択できる。【０１６６】
［実施例８］〜［実施例１１］は、上記の項目（３）に関し、［実施例１］〜［実施例３］で定量化された振動結合下の化学反応に基づき、［実施例４］で製造された振動結合化学反応促進装置を用いて、実際に、所望の物質を製造した結果を説明する。【０１６７】
［実施例８］
本実施例では、図１９（Ａ）で示される、（トリフェニルホスホラニリデン）ケテン（Ｐｈ３Ｐ＝Ｃ＝Ｃ＝Ｏ）とアセトン（（ＣＨ３）２Ｃ＝Ｏ）を原料とする化学反応について、［製造方法の説明］で述べた手段により製造された振動結合化学反応装置を用いることで、目的の物質である生成物Ｉ（構造は図１９（Ａ）参照）を、反応速度の加速を伴い製造できることを証明した実験結果について述べる。【０１６８】
実験条件は以下の通りである。【０１６９】
すべての実験は室温（Ｔ＝３００Ｋ）で行い、（トリフェニルホスホラニリデン）ケテンは濃度が０．２５０Ｍのアセトン溶液となるように調量した。なお、アセトン濃度は１３．６Ｍで（トリフェニルホスホラニリデン）ケテンに対して大過剰である。振動結合無しの場合、［製造方法の説明］で述べた手段により製造された鏡面無しの化学反応装置を用い非共鳴とした。振動強結合有りの場合は、［製造方法の説明］で述べた手段により製造された鏡面有りの化学反応装置を用い、共振器長を厳密に調整することで光学モードと振動モードを結合させた。ここでは２種類の振動結合、Ｃ＝Ｏ共鳴とＳ＝Ｃ＝Ｓ共鳴を試した。Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合は、共振器長がｔ＝１２．３８μｍである共振器の第６光学モード（ｋ６＝６ｋ０＝１７１２ｃｍ−１）とアセトンのＣ＝Ｏ伸縮振動モード（振動量子数０→１遷移：１７１２ｃｍ−１）を共鳴させた場合で、結合強度はΩＲ／ω０＝０．０６４４、Ｑ値はＱ＝１３．３７であった。Ｃ＝Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合は、共振器長がｔ＝１１．５８μｍである共振器の第７光学モード（ｋ７＝７ｋ０＝２１００ｃｍ−１）と（トリフェニルホスホラニリデン）ケテンのＣ＝Ｃ＝Ｏ逆対称伸縮振動モード（振動量子数０→１遷移：２１００ｃｍ−１）を共鳴させた場合で、結合強度はΩＲ／ω０＝０．０６１４、Ｑ値はＱ＝１３．７９であった。両者の振動結合とも（式３）で示される強結合領域（０．０１≦ΩＲ／ω０＜０．１）に属する。図１９（Ａ）の化学反応の活性化エネルギーはＥａ０＝０．１０〜０．２０ｅＶの範囲にあるので、（式１７）または（式１８）を用いて相対反応速度定数を予測すると、１．２＜κ−／κ０＜１．６の範囲となる。【０１７０】
反応速度定数を求めるため、ＦＴ−ＩＲ装置を用いて一定時間毎に赤外吸収スペクトルを測定した。振動結合無しの場合は（トリフェニルホスホラニリデン）ケテンのＣ＝Ｃ＝Ｏ振動の赤外吸収バンドの吸光度から濃度の経時変化を直接求めた。また、振動結合有りの場合は、測定される光学モードと振動モードの合成スペクトルをローレンツ関数や逆ローレンツ関数など適切なスペクトル関数で波形分離を行うことで、振動結合した（トリフェニルホスホラニリデン）ケテンの赤外吸収バンドの吸光度を抽出した後、濃度変化を求めた。反応速度定数の導出では、０次速度式：Ｃ＝κｔ＋Ｃ０（Ｃ：濃度、Ｃ０：初期濃度、κ：反応速度定数、ｔ：時間）によるフィッティングにて解析した。Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合における反応速度定数はκ−（Ｃ＝Ｏ）、Ｃ＝Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合における反応速度定数はκ−（Ｃ＝Ｃ＝Ｏ）と表し、振動結合無しの反応速度定数κ０との比、それぞれ、κ−（Ｃ＝Ｏ）／κ０、κ−（Ｃ＝Ｃ＝Ｏ）／κ０を相対反応速度として導出した。【０１７１】
実験結果は以下の通りである。【０１７２】
図１９（Ｂ）は図１９（Ａ）で示される化学反応中の赤外吸収スペクトルの経時変化であり、（ａ）は振動結合無しの場合、（ｂ）はＣ＝Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合の場合、（ｃ）はＣ＝Ｏ共鳴の場合である。（ａ）では光学モードが存在しないので通常の赤外吸収スペクトルが観察されるのに対し、（ｂ）および（ｃ）では光学モード（ｋ６、ｋ７、ｋ８、…、ｋ１１等）と振動モード（Ｃ＝Ｃ＝Ｏ振動、生成物のＣ＝Ｏ振動、アセトンのＣ＝Ｏ振動等）の吸収が重畳するためにスペクトル形状が複雑になる。詳細に見ると、（ａ）において、反応が進行するに伴い、白抜きの矢印で示すように、原料である（トリフェニルホスホラニリデン）ケテンのＣ＝Ｃ＝Ｏ振動（２１００ｃｍ−１）の吸収が減少する一方で、生成物ＩのＣ＝Ｏ振動（１８００ｃｍ−１付近）の吸収が増加する。丸印で示すように、（ｂ）では波数１７１２ｃｍ−１において、アセトンのＣ＝Ｏ振動と第６光学モードが振動結合して上枝と下枝にラビ分裂し、（ｃ）では波数２１００ｃｍ−１において、（トリフェニルホスホラニリデン）ケテンＣ＝Ｃ＝Ｏ振動と第７光学モードが振動結合して上枝と下枝にラビ分裂している様子が観察される。また、（ｂ）ならびに（ｃ）は共に、光学モードとの重畳があるが、（ａ）と同様の振動モードの吸収増減、ならびに、振動結合モードの吸収減少が観察される。【０１７３】
図１９（Ｃ）は図１９（Ｂ）の吸光度の経時変化から求めた濃度と反応時間の関係を示し、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、振動結合無し（○印のプロット）、Ｃ＝Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合（△印のプロット）、Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合（□印のプロット）の場合である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のそれぞれのフィッティング直線の傾きから反応速度定数を求めると、振動結合無しの場合でκ０＝３．８１×１０−６Ｍ・ｓ−１、Ｃ＝Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合でκ−（Ｃ＝Ｃ＝Ｏ）＝４．８６×１０−６Ｍ・ｓ−１、Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合の場合でκ−（Ｃ＝Ｏ）＝５．０４×１０−６Ｍ・ｓ−１であった。これらの値から相対反応速度定数を求めると、Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合の場合でκ−（Ｃ＝Ｏ）／κ０＝１．３３、Ｃ＝Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合でκ−（Ｃ＝Ｃ＝Ｏ）／κ０＝１．２８となった。従って、Ｃ＝Ｏ共鳴、Ｃ＝Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合とも化学反応の促進が見られ、相対反応速度定数は双方とも（式１７）または（式１８）による予測の範囲（１．２＜κ−／κ０＜１．６）内にあった。【０１７４】
以上の実験結果から、［製造方法の説明］で述べた方法で製造される化学反応装置は光電場の閉じ込める目的と化学反応を行う目的が両立していること、振動結合は、（式１７）または（式１８）の予測通り、化学反応を促進すること、そして、［製造方法の説明］で述べた方法で製造される化学反応装置は実際に目的の化学物質を製造できることが証明される。【０１７５】
［実施例９］
本実施例では、図２０（Ａ）で示される、フェニルイソシアネート（Ｐｈ−Ｎ＝Ｃ＝Ｏ）とメタノール（ＣＨ３ＯＨ）を原料とする化学反応について、［製造方法の説明］で述べた手段により製造された振動結合化学反応装置を用いることで、目的の物質であるＮ−フェニルカルバミン酸メチル（Ｐｈ−ＮＨ−ＣＯ−Ｏ−ＣＨ３）を、反応速度の加速を伴い製造できることを証明した実験結果について述べる。【０１７６】
実験条件は以下の通りである。【０１７７】
すべての実験は室温（Ｔ＝３００Ｋ）で行い、フェニルイソシアネートとメタノールはそれぞれ濃度が１．００Ｍのクロロホルム溶液となるように調量した。振動結合無しの場合、［製造方法の説明］で述べた手段により製造された鏡面無しの化学反応装置を用い非共鳴とした。振動強結合有りの場合は、［製造方法の説明］で述べた手段により製造された鏡面有りの化学反応装置を用い、共振器長を厳密に調整することで光学モードと振動モードを結合させた。ここではＣ＝Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合を試した。すなわち、共振器長がｔ＝１３．７６μｍである共振器の第９光学モード（ｋ９＝９ｋ０＝２２７２ｃｍ−１）とフェニルイソシアネートのＮ＝Ｃ＝Ｏ逆対称伸縮振動モード（振動量子数０→１遷移：２２７２ｃｍ−１）を共鳴させた場合で、結合強度はΩＲ／ω０＝０．０４５２、Ｑ値はＱ＝３３．９１であった。この振動結合は（式３）で示される強結合領域（０．０１≦ΩＲ／ω０＜０．１）に属する。図２０（Ａ）の反応の活性化エネルギーはＥａ０＝０．３０±０．１０ｅＶであるので、（式１７）または（式１８）を用いて相対反応速度定数を予測すると、１．４＜κ−／κ０＜２．０の範囲となる。【０１７８】
反応速度定数を求めるため、ＦＴ−ＩＲ装置を用いて一定時間毎に赤外吸収スペクトルを測定した。振動結合無しの場合はフェニルイソシアネートのＮ＝Ｃ＝Ｏ振動の赤外吸収バンドの吸光度から濃度の経時変化を直接求めた。また、振動結合有りの場合は、測定される光学モードと振動モードの合成スペクトルをローレンツ関数や逆ローレンツ関数など適切なスペクトル関数で波形分離を行うことで、振動結合したフェニルイソシアネートの赤外吸収バンドの吸光度を抽出した後、濃度変化を求めた。反応速度定数の導出では、２分子反応と仮定し、二次速度式：Ｃ−１＝κｔ＋Ｃ０−１（Ｃ：濃度、Ｃ０：初期濃度、κ：反応速度定数、ｔ：時間）によるフィッティングにて解析した。Ｎ＝Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合における反応速度定数はκ−（Ｃ＝Ｃ＝Ｏ）、と表し、振動結合無しの反応速度定数κ０との比：κ−（Ｎ＝Ｃ＝Ｏ）／κ０を相対反応速度として導出した。【０１７９】
実験結果は以下の通りである。【０１８０】
図２０（Ｂ）は図２０（Ａ）で示される化学反応中の赤外吸収スペクトルの経時変化であり、（ａ）は振動結合無しの場合、（ｂ）はＮ＝Ｃ＝Ｏ共鳴の場合である。（ａ）では光学モードが存在しないので通常の赤外吸収スペクトルが観察されるのに対し、（ｂ）では光学モード（ｋ６、ｋ７、ｋ８、…、ｋ１２）と振動モード（Ｃ＝Ｃ＝Ｏ振動、生成物のＣ＝Ｏ振動等）の吸収が重畳するためにスペクトル形状が複雑になる。詳細に見ると、（ａ）において、反応が進行するに伴い、白抜きの矢印で示すように、原料であるフェニルイソシアネートのＣ＝Ｃ＝Ｏ振動（２２７２ｃｍ−１）の吸収が減少する一方で、生成物であるＮ−フェニルカルバミン酸メチルのＣ＝Ｏ振動（１７３４ｃｍ−１）の吸収が増加する。丸印で示すように、（ｂ）では波数２２７２ｃｍ−１において、Ｎ＝Ｃ＝Ｏ振動と第９光学モードが振動結合して上枝と下枝にラビ分裂している様子が観察される。また、（ｂ）では、光学モードとの重畳があるが、（ａ）と同様の振動モードの吸収の増減、ならびに、振動結合モードの減少が観察される。【０１８１】
図２０（Ｃ）は図２０（Ｂ）の吸光度の経時変化から求めた濃度の逆数と反応時間の関係を示し、（ａ）と（ｂ）は、それぞれ、振動結合無し（○印のプロット）、Ｎ＝Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合（△印のプロット）の場合である。（ａ）と（ｂ）のそれぞれのフィッティング直線の傾きから反応速度定数を求めると、振動結合無しの場合でκ０＝１．０６×１０−４Ｍ−１・ｓ−１、Ｎ＝Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合でκ−（Ｎ＝Ｃ＝Ｏ）＝１．６５×１０−４Ｍ−１・ｓ−１であった。これらの値から相対反応速度定数を求めると、Ｃ＝Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合でκ−（Ｃ＝Ｃ＝Ｏ）／κ０＝１．５６となった。従って、Ｃ＝Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合による化学反応の促進が見られ、相対反応速度定数は（式１７）または（式１８）による予測の範囲（１．４＜κ−／κ０＜２．０）内にあった。【０１８２】
以上の実験結果から、［製造方法の説明］で述べた方法で製造される化学反応装置は光電場の閉じ込める目的と化学反応を行う目的が両立していること、振動結合は、（式１７）または（式１８）の予測通り、化学反応を促進すること、そして、［製造方法の説明］で述べた方法で製造される化学反応装置は実際に目的の化学物質を製造できることが証明される。【０１８３】
［実施例１０］
本実施例では、図２１（Ａ）で示される、（トリフェニルホスホラニリデン）ケテン（Ｐｈ３Ｐ＝Ｃ＝Ｃ＝Ｏ）と二硫化炭素（ＣＳ２）を原料とする化学反応について、［製造方法の説明］で述べた手段により製造された振動結合化学反応装置を用いることで、目的の物質である（トリフェニルホスホラニリデン）チオケテン（Ｐｈ３Ｐ＝Ｃ＝Ｃ＝Ｓ）と硫化カルボニル（Ｓ＝Ｃ＝Ｏ）を反応速度の加速を伴い製造できることを証明した実験結果について述べる。【０１８４】
実験条件は以下の通りである。【０１８５】
すべての実験は室温（Ｔ＝３００Ｋ）で行い、（トリフェニルホスホラニリデン）ケテンと二硫化炭素はそれぞれ濃度が１．００Ｍのクロロホルム溶液となるように調量した。振動結合無しの場合、［製造方法の説明］で述べた手段により製造された鏡面無しの化学反応装置を用い非共鳴とした。振動強結合有りの場合は、［製造方法の説明］で述べた手段により製造された鏡面有りの化学反応装置を用い、共振器長を厳密に調整することで光学モードと振動モードを結合させた。ここでは２種類の振動結合、Ｃ＝Ｃ＝Ｏ共鳴とＳ＝Ｃ＝Ｓ共鳴を試した。Ｃ＝Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合は、共振器長がｔ＝１４．８５μｍである共振器の第９光学モード（ｋ９＝９ｋ０＝２１００ｃｍ−１）と（トリフェニルホスホラニリデン）ケテンのＣ＝Ｃ＝Ｏ逆対称伸縮振動モード（振動量子数０→１遷移：２１００ｃｍ−１）を共鳴させた場合で、結合強度はΩＲ／ω０＝０．０５３５、Ｑ値はＱ＝２６．９２であった。Ｓ＝Ｃ＝Ｓ共鳴の振動結合は、共振器長がｔ＝１３．７２μｍである共振器の第６光学モード（ｋ６＝６ｋ０＝１５１９ｃｍ−１）と二硫化炭素のＳ＝Ｃ＝Ｓ逆対称伸縮振動モード（振動量子数０→１遷移：１５１９ｃｍ−１）を共鳴させた場合で、結合強度はΩＲ／ω０＝０．０３５９、Ｑ値はＱ＝２９．６７であった。両者の振動結合とも（式３）で示される強結合領域（０．０１≦ΩＲ／ω０＜０．１）に属する。図２１（Ａ）の反応の活性化エネルギーはＥａ０＝０．８±０．１ｅＶの範囲にあるので、（式１７）または（式１８）を用いて相対反応速度定数を予測すると、３＜κ−／κ０＜４の範囲となる。【０１８６】
反応速度定数を求めるため、ＦＴ−ＩＲ装置を用いて一定時間毎に赤外吸収スペクトルを測定した。振動結合無しの場合は（トリフェニルホスホラニリデン）ケテンのＣ＝Ｃ＝Ｏ振動の赤外吸収バンドの吸光度から濃度の経時変化を直接求めた。また、振動結合有りの場合は、測定される光学モードと振動モードの合成スペクトルをローレンツ関数や逆ローレンツ関数など適切なスペクトル関数で波形分離を行うことで、（トリフェニルホスホラニリデン）ケテンの赤外吸収バンドの吸光度を抽出した後、濃度変化を求めた。反応速度定数の導出では、１分子反応と仮定し、一次速度式：ｌｎＣ＝−κｔ＋ｌｎＣ０（Ｃ：濃度、Ｃ０：初期濃度、κ：反応速度定数、ｔ：時間）によるフィッティングにて解析した。Ｃ＝Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合における反応速度定数はκ−（Ｃ＝Ｃ＝Ｏ）、Ｓ＝Ｃ＝Ｓ共鳴の振動結合における反応速度定数はκ−（Ｓ＝Ｃ＝Ｓ）と表し、振動結合無しの反応速度定数：κ０との比、それぞれ、κ−（Ｃ＝Ｃ＝Ｏ）／κ０、κ−（Ｓ＝Ｃ＝Ｓ）／κ０を相対反応速度として導出した。【０１８７】
実験結果は以下の通りである。【０１８８】
図２１（Ｂ）は図２１（Ａ）で示される化学反応中の赤外吸収スペクトルの経時変化であり、（ａ）は振動結合無しの場合、（ｂ）はＳ＝Ｃ＝Ｓ共鳴の振動結合の場合、（ｃ）はＣ＝Ｃ＝Ｏ共鳴の場合である。（ａ）では光学モードが存在しないので通常の赤外吸収スペクトルが観察されるのに対し、（ｂ）および（ｃ）では光学モード（ｋ６、ｋ７、ｋ８、…、ｋ１３等）と振動モード（Ｃ＝Ｃ＝Ｏ振動、Ｓ＝Ｃ＝Ｓ振動、Ｃ＝Ｃ＝Ｓ振動等）の吸収が重畳するためにスペクトル形状が複雑になる。詳細に見ると、（ａ）において、反応が進行するに伴い、白抜きの矢印で示すように、原料である（トリフェニルホスホラニリデン）ケテンのＣ＝Ｃ＝Ｏ振動（２１００ｃｍ−１）および二硫化炭素のＳ＝Ｃ＝Ｓ振動（１５１９ｃｍ−１）の吸収が減少する一方で、生成物である（トリフェニルホスホラニリデン）チオケテンのＣ＝Ｃ＝Ｓ振動（１９７４ｃｍ−１）の吸収が増加する。丸印で示すように、（ｂ）では波数２１００ｃｍ−１において、Ｃ＝Ｃ＝Ｏ振動と第９光学モードが振動結合して上枝と下枝にラビ分裂し、（ｃ）では波数１５１９ｃｍ−１において、Ｓ＝Ｃ＝Ｓ振動と第６光学モードが振動結合して上枝と下枝にラビ分裂している様子が観察される。また、（ｂ）ならびに（ｃ）は共に、光学モードとの重畳があるが、（ａ）と同様の振動モードの吸収増減、ならびに、振動結合モードの吸収減少が観察される。【０１８９】
図２１（Ｃ）は図２１（Ｂ）の吸光度の経時変化から求めた濃度の逆数と反応時間の関係を示し、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、振動結合無し（○印のプロット）、Ｃ＝Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合（△印のプロット）、Ｓ＝Ｃ＝Ｓ共鳴の振動結合（□印のプロット）の場合である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のそれぞれのフィッティング直線の傾きから反応速度定数を求めると、振動結合無しの場合でκ０＝１．９２×１０−５ｓ−１、Ｃ＝Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合でκ−（Ｃ＝Ｃ＝Ｏ）＝５．９０×１０−５ｓ−１、Ｓ＝Ｃ＝Ｓ共鳴の振動結合の場合でκ−（Ｓ＝Ｃ＝Ｓ）＝７．００×１０−５ｓ−１であった。これらの値から相対反応速度定数を求めると、Ｓ＝Ｃ＝Ｓ共鳴の振動結合の場合でκ−（Ｓ＝Ｃ＝Ｓ）／κ０＝３．６５、Ｃ＝Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合でκ−（Ｃ＝Ｃ＝Ｏ）／κ０＝３．０７となった。従って、Ｓ＝Ｃ＝Ｓ共鳴、Ｃ＝Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合とも化学反応の促進が見られ、相対反応速度定数は双方とも（式１７）または（式１８）による予測の範囲（３＜κ−／κ０＜４）内にあった。【０１９０】
以上の実験結果から、［製造方法の説明］で述べた方法で製造される化学反応装置は光電場の閉じ込める目的と化学反応を行う目的が両立していること、振動結合は、（式１７）または（式１８）の予測通り、化学反応を促進すること、そして、［製造方法の説明］で述べた方法で製造される化学反応装置は実際に目的の化学物質を製造できることが証明される。【０１９１】
［実施例１１］
本実施例では、図２２（Ａ）で示される、（トリフェニルホスホラニリデン）ケテン（Ｐｈ３Ｐ＝Ｃ＝Ｃ＝Ｏ）とメタノール（ＣＨ３ＯＨ）を原料とする化学反応について、［製造方法の説明］で述べた手段により製造された振動結合化学反応装置を用いることで、目的の物質である（トリフェニルホスホラニリデン）酢酸メチル（Ｐｈ３Ｐ＝ＣＨ−ＣＯ−Ｏ−ＣＨ３）を反応速度の加速を伴い製造できることを証明した実験結果について述べる。【０１９２】
実験条件は以下の通りである。【０１９３】
すべての実験は室温（Ｔ＝３００Ｋ）で行い、（トリフェニルホスホラニリデン）ケテンとメタノールはそれぞれ濃度が０．５００Ｍの１，２−ジクロロエタン溶液となるように調量した。振動結合無しの場合、［製造方法の説明］で述べた手段により製造された鏡面無しの化学反応装置を用い非共鳴とした。振動強結合有りの場合は、［製造方法の説明］で述べた手段により製造された鏡面有りの化学反応装置を用い、共振器長を厳密に調整することで光学モードと振動モードを結合させた。ここではＣ＝Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合を試した。すなわち、共振器長がｔ＝１４．９５μｍである共振器の第９光学モード（ｋ９＝９ｋ０＝２１００ｃｍ−１）と（トリフェニルホスホラニリデン）ケテンのＣ＝Ｃ＝Ｏ逆対称伸縮振動モード（振動量子数０→１遷移：２１００ｃｍ−１）を共鳴させた場合で、結合強度はΩＲ／ω０＝０．０７１８であった。この振動結合は（式３）で示される強結合領域（０．０１≦ΩＲ／ω０＜０．１）に属する。図２２（Ａ）の反応の活性化エネルギーはＥａ０＝１．５±０．１ｅＶの範囲にあるので、（式１７）または（式１８）を用いて相対反応速度定数を予測すると、４４＜κ−／κ０＜７６の範囲となる。【０１９４】
反応速度定数を求めるため、ＦＴ−ＩＲ装置を用いて一定時間毎に赤外吸収スペクトルを測定した。振動結合無しの場合は（トリフェニルホスホラニリデン）ケテンのＣ＝Ｃ＝Ｏ振動の赤外吸収バンドの吸光度から濃度の経時変化を直接求めた。また、振動結合有りの場合は、測定される光学モードと振動モードの合成スペクトルをローレンツ関数や逆ローレンツ関数など適切なスペクトル関数で波形分離を行うことで、（トリフェニルホスホラニリデン）ケテンの赤外吸収バンドの吸光度を抽出した後、濃度変化を求めた。反応速度定数の導出では、２分子反応と仮定し、二次速度式：Ｃ−１＝κｔ＋Ｃ０−１（Ｃ：濃度、Ｃ０：初期濃度、κ：反応速度定数、ｔ：時間）によるフィッティングにて解析した。Ｃ＝Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合における反応速度定数はκ−（Ｃ＝Ｃ＝Ｏ）、と表し、振動結合無しの反応速度定数：κ０との比：κ−（Ｃ＝Ｃ＝Ｏ）／κ０を相対反応速度として導出した。【０１９５】
実験結果は以下の通りである。【０１９６】
図２２（Ｂ）は、図２２（Ａ）で示される化学反応中の赤外吸収スペクトルの経時変化であり、（ａ）は振動結合無しの場合、（ｂ）はＣ＝Ｃ＝Ｏ共鳴の場合である。（ａ）では光学モードが存在しないので通常の赤外吸収スペクトルが観察されるのに対し、（ｂ）では光学モード（ｋ７、ｋ８、…、ｋ１３）と振動モード（Ｃ＝Ｃ＝Ｏ振動、生成物のＣ＝Ｏ振動等）の吸収が重畳するためにスペクトル形状が複雑になる。詳細に見ると、（ａ）において、反応が進行するに伴い、白抜きの矢印で示すように、原料である（トリフェニルホスホラニリデン）ケテンのＣ＝Ｃ＝Ｏ振動（２１００ｃｍ−１）の吸収が減少する一方で、生成物である（トリフェニルホスホラニリデン）酢酸メチルのＣ＝Ｏ振動（１７５０ｃｍ−１付近）の吸収が増加する。丸印で示すように、（ｂ）では波数２１００ｃｍ−１において、Ｃ＝Ｃ＝Ｏ振動と第９光学モードが振動結合して上枝と下枝にラビ分裂している様子が観察される。また、（ｂ）では、光学モードとの重畳があるが、（ａ）と同様の振動モードの吸収増減、ならびに、振動結合モードの吸収減少が観察される。【０１９７】
図２２（Ｃ）は、図２０（Ｂ）の吸光度の経時変化から求めた濃度の逆数と反応時間の関係を示し、（ａ）と（ｂ）は、それぞれ、振動結合無し（○印のプロット）、Ｃ＝Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合（△印のプロット）の場合である。（ａ）と（ｂ）のそれぞれのフィッティング直線の傾きから反応速度定数を求めると、振動結合無しの場合でκ０＝１．７４×１０−４Ｍ−１・ｓ−１、Ｃ＝Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合でκ−（Ｃ＝Ｃ＝Ｏ）＝１．２２×１０−２Ｍ−１・ｓ−１であった。これらの値から相対反応速度定数を求めると、Ｃ＝Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合でκ−（Ｃ＝Ｃ＝Ｏ）／κ０＝７０．０となった。従って、Ｃ＝Ｃ＝Ｏ共鳴の振動結合による化学反応の促進が見られ、相対反応速度定数は（式１７）または（式１８）による予測の範囲（４４＜κ−／κ０＜７６）内にあった。【０１９８】
以上の実験結果から、［製造方法の説明］で述べた方法で製造される振動結合化学反応装置は光電場の閉じ込める目的と化学反応を行う目的が両立していること、振動結合は、（式１７）または（式１８）の予測通り、化学反応を促進すること、そして、［製造方法の説明］で述べた方法で製造される振動結合化学反応装置は目的の化学物質を実際に製造できることが証明される。【０１９９】
以上、本発明の好ましい実施形態や実施例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲に含まれることはいうまでもない。【０２００】
上記の実施形態や実施例の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）化学反応に係る化学物質の振動モードと同一もしくはその近傍の振動数を持つ光学モードを形成する光電場閉じ込め構造と、前記化学物質を含む前記化学反応に必要な流体を収納する空間を持つ化学反応容器構造と、が一体化した光電場閉じ込め化学反応容器構造を有し、前記光学モードと前記振動モードとを振動結合させて化学反応を促進する、化学反応装置。
（付記２）前記光学モードと前記振動モードとを振動結合させて、前記化学反応の活性化エネルギーを低減する、付記１に記載の化学反応装置。
（付記３）前記化学反応容器構造は、前記流体の導入口と排出口を有する、付記１または付記２に記載の化学反応装置。
（付記４）前記導入口や前記排出口を介して、１個以上の別の化学反応装置と連結されている、付記１乃至付記３のいずれか一つに記載の化学反応装置。
（付記５）前記光電場閉じ込め構造は、互いに平行な２個の鏡面から構成されるファブリ・ペロー共振器である、付記１乃至付記４のいずれか一つに記載の化学反応装置。
（付記６）前記ファブリ・ペロー共振器は、１組以上の互いに平行な２個の鏡面を側面として持ち、十分に長い角柱状の構造から構成される線形共振器、もしくは前記線形共振器の集積体である、付記５に記載の化学反応装置。
（付記７）前記光電場閉じ込め構造はプラズモン・ポラリトン構造である、付記１乃至付記４のいずれか一つに記載の化学反応装置。
（付記８）基板上に鏡面を形成することで、鏡面／基板から構成される構造を作製し、前記鏡面上に保護膜を形成することで、保護膜／鏡面／基板から構成される構造を作製し、
前記保護膜上に共振器長を規定するスペーサーを配置することで、スペーサー／保護膜／鏡面／基板から構成される構造を作製し、前記スペーサー／保護膜／鏡面／基板から構成される構造上に、前記保護膜／鏡面／基板から構成される構造を重ね合わせることで、基板／鏡面／保護膜／スペーサー／保護膜／鏡面／基板から構成されるファブリ・ペロー共振器構造を作製し、前記ファブリ・ペロー共振器構造を、導入口と、排出口と、前記ファブリ・ペロー共振器構造を格納するチャンバーと、を備える筐体に収めることで、付記５または付記６に記載の化学反応装置を作製する化学反応装置の製造方法。
（付記９）ガラス管内に酸可溶性ガラスを充填することで、酸可溶性ガラス充填ガラス管を作製し、前記酸可溶性ガラス充填ガラス管から細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管を作製し、前記細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管のいくつかを管軸が互いに平行になるように整列し、加熱により融着することで、細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体を作製し、前記細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体から細々線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体を作製し、前記細々線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体から前記酸可溶性ガラスを酸により溶解させることで、細々線化ガラス管集積体を作製し、前記細々線化ガラス管集積体を構成する、個々の細々線化ガラス管の管内に鏡面を形成し、付記６の前記線形共振器の集積体を作成する化学反応装置の製造方法。
（付記１０）前記線形共振器の集合体を、導入口と、排出口と、前記線形共振器の集合体を格納するチャンバーと、を備える筐体に収める、付記９に記載の化学反応装置の製造方法。
（付記１１）前記個々の細々線化ガラス管の管内に前記鏡面を形成した後で、前記鏡面上に保護膜を形成する、付記９または付記１０に記載の化学反応装置の製造方法。
（付記１２）前記細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管は、前記酸可溶性ガラス充填ガラス管を加熱により管軸方向に引き伸ばすことにより作成される、付記９乃至付記１１のいずれか一つに記載の化学反応装置の製造方法。
（付記１３）前記細々線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体は、前記細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体を加熱により管軸方向に引き伸ばすことにより作成される、付記９乃至付記１２のいずれか一つに記載の化学反応装置の製造方法。【０２０１】
この出願は、２０１６年８月２６日に出願された日本出願特願２０１６−１６５８４９号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【産業上の利用可能性】
【０２０２】
本発明は、化学、医療・医薬、製鉄・金属冶金、エレクトロニクス、自動車、造船、運輸、航空・宇宙、その他、社会インフラ産業など、化学反応を利用する様々な産業分野に適用できる。例えば、水素、アンモニア、メタノールに代表される化石燃料代替のエネルギー貯蔵物質の生産、ＮＯｘ除去用の白金・ロジウム等に代表されるレアメタル代替の触媒、工業廃水・煤煙等に代表される有害化学物質を分解する処理システム、一般化成品や生物由来原料から合成されるエコ素材の生産など、環境調和型産業への活用が期待される。更に、本発明により、細菌やウイルスを構成する生体物質、人体代謝物質の振動モードを活性化することで、殺菌・解毒作用を行う浄化システム、人工腎臓・肝臓等に代表される人工臓器に適用可能であること、また、新規抗生物質・ジェネリック医薬品等の低コスト生産、非火炎型熱源や熱電発電ユニット等の安心・安全な熱源の提供等も可能であることから、社会貢献に関連する産業分野への利用も期待できる。
【符号の説明】
【０２０３】
１    鏡面
２    誘電体
３    入射光
４    反射光
５    共振光
６    透過光
７    ファブリ・ペロー共振器
８    光学モード間隔
９    第１光学モード
１０    第２光学モード
１１    第３光学モード
１２    第４光学モード
１３    光電場の振幅
１４    光電場の強度
１５    第１光学モード
１６    第２光学モード
１７    第３光学モード
２０    平行四辺形線形共振器
２１    平行六角形線形共振器
２２    平行八角形線形共振器
２３    楕円形線形共振器
２４    線形共振器筐体
２５    鏡面
２６    光学モード
２７    線形共振器単体の原料導入口
２８    線形共振器単体の生成物排出口
２９    線形共振器単体
３０    線形共振器集積体の原料導入口
３１    線形共振器集積体の生成物排出口
３２    線形共振器集積体
３３    振動結合化学反応装置モジュールの原料導入口
３４    線形共振器集積体のチャンバー
３５    振動結合化学反応装置モジュールの生成物排出口
３６    振動結合化学反応装置モジュール
４０    正六角形線形共振器単体
４１    光学モード
４２    正六角形線形共振器集積体
４３    二等辺平行六角形線形共振器単体
４４    光学モード
４５    二等辺平行六角形線形共振器集積体
４６    不等辺平行六角形線形共振器単体
４７    光学モード
４８    不等辺平行六角形線形共振器集積体
５０    原料容器ａ
５１    原料容器ｂ
５２    流路
５３    振動結合化学反応装置モジュール
５４    生成物容器
５５    基本型振動結合化学反応装置ユニット
５６    バルブ
５７    反応物容器
５８    循環型振動結合化学反応装置ユニット
５９    直列型振動結合化学反応装置ユニット
６０    並列型振動結合化学反応装置ユニット
６１    原料容器ｃ
６２    原料容器ｄ
６３    原料容器ｅ
６４    振動結合化学反応装置モジュールI
６５    振動結合化学反応装置モジュールII
６６    振動結合化学反応装置モジュールIII
６７    振動結合化学反応装置モジュールIV
６８    逐次型振動結合化学反応装置ユニット
６９    振動結合化学反応装置システム
７０    基板
７１    鏡面
７２    保護膜
７３    スペーサー
７４    流路
７５    化学物質溜め
７６    ファブリ・ペロー共振器型の振動結合化学反応装置
８０    ガラス管
８１    酸可溶性ガラス
８２    酸可溶性ガラス充填ガラス管
８３    細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管
８４    細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体
８５    細々線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体
８６    細々線化ガラス管集積体
８７    鏡面
８８    線形共振器集積体
【図１】
2018038130.tif 000039
【図２】
2018038130.tif 000040
【図３】
2018038130.tif 000041
【図４】
2018038130.tif 000042
【図５】
2018038130.tif 000043
【図６】
2018038130.tif 000044
【図７】
2018038130.tif 000045
【図８】
2018038130.tif 000046
【図９】
2018038130.tif 000047
【図１０】
2018038130.tif 000048
【図１１】
2018038130.tif 000049
【図１２】
2018038130.tif 000050
【図１３】
2018038130.tif 000051
【図１４】
2018038130.tif 000052
【図１５】
2018038130.tif 000053
【図１６】
2018038130.tif 000054
【図１７】
2018038130.tif 000055
【図１８】
2018038130.tif 000056
【図１９】
2018038130.tif 000057
【図２０】
2018038130.tif 000058
【図２１】
2018038130.tif 000059
【図２２】
2018038130.tif 000060
【手続補正書】
【提出日】平成31年2月7日(2019.2.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学反応に係る化学物質の振動モードと同一もしくはその近傍の振動数を持つ光学モードを形成する光電場閉じ込め構造と、
前記化学物質を含む前記化学反応に必要な流体を収納する空間を持つ化学反応容器構造と、が一体化した光電場閉じ込め化学反応容器構造を有し、
前記光学モードと前記振動モードとを振動結合させて化学反応を促進する、化学反応装置。
【請求項２】
前記光学モードと前記振動モードとを振動結合させて、前記化学反応の活性化エネルギーを低減する、請求項１に記載の化学反応装置。
【請求項３】
前記化学反応容器構造は、前記流体の導入口と排出口を有する、請求項１または請求項２に記載の化学反応装置。
【請求項４】
前記導入口や前記排出口を介して、１個以上の別の化学反応装置と連結されている、請求項３に記載の化学反応装置。
【請求項５】
前記光電場閉じ込め構造は、互いに平行な２個の鏡面から構成されるファブリ・ペロー共振器である、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の化学反応装置。
【請求項６】
前記ファブリ・ペロー共振器は、１組以上の互いに平行な２個の鏡面を側面として持ち、十分に長い角柱状の構造から構成される線形共振器、もしくは前記線形共振器の集積体である、請求項５に記載の化学反応装置。
【請求項７】
前記光電場閉じ込め構造はプラズモン・ポラリトン構造である、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の化学反応装置。
【請求項８】
基板上に鏡面を形成することで、鏡面／基板から構成される構造を作製し、
前記鏡面上に保護膜を形成することで、保護膜／鏡面／基板から構成される構造を作製し、
前記保護膜上に共振器長を規定するスペーサーを配置することで、スペーサー／保護膜／鏡面／基板から構成される構造を作製し、
前記スペーサー／保護膜／鏡面／基板から構成される構造上に、前記保護膜／鏡面／基板から構成される構造を重ね合わせることで、基板／鏡面／保護膜／スペーサー／保護膜／鏡面／基板から構成されるファブリ・ペロー共振器構造を作製し、
前記ファブリ・ペロー共振器構造を、導入口と、排出口と、前記ファブリ・ペロー共振器構造を格納するチャンバーと、を備える筐体に収めることで、請求項５または請求項６に記載の化学反応装置を作製する化学反応装置の製造方法。
【請求項９】
ガラス管内に酸可溶性ガラスを充填することで、酸可溶性ガラス充填ガラス管を作製し、
前記酸可溶性ガラス充填ガラス管から細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管を作製し、
前記細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管のいくつかを管軸が互いに平行になるように整列し、加熱により融着することで、細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体を作製し、
前記細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体から細々線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体を作製し、
前記細々線化酸可溶性ガラス充填ガラス管集積体から前記酸可溶性ガラスを酸により溶解させることで、細々線化ガラス管集積体を作製し、
前記細々線化ガラス管集積体を構成する、個々の細々線化ガラス管の管内に鏡面を形成し、請求項６の前記線形共振器の集積体を作成する化学反応装置の製造方法。
【請求項１０】
前記線形共振器の集合体を、導入口と、排出口と、前記線形共振器の集合体を格納するチャンバーと、を備える筐体に収める、請求項９に記載の化学反応装置の製造方法。
【国際調査報告】
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