JPWO2018211820A1

JPWO2018211820A1 - 物、装置、及び処理方法

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Publication number: JPWO2018211820A1
Application number: JP2019519093A
Authority: JP
Inventors: 日浦　英文; 英文日浦; 驚文盧
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2017-05-18
Filing date: 2018-03-26
Publication date: 2020-06-11
Also published as: US20200206713A1; WO2018211820A1

Abstract

実施形態に係る物は、ＯＨ（ＯＤ）基を有する物質を含む物であって、ＯＨ（ＯＤ）基の伸縮振動に共鳴する波長の光が共振する構造の中に存在する物である。この物は、例えば、ＯＨ（ＯＤ）基の伸縮振動に共鳴する波長の光が共振する構造と、この構造の中に物を導入するための導入口と、を備える装置を用いて実現される。この物は、例えば溶媒として使用される。具体的には、溶質を含む溶媒を、溶媒が有する基の伸縮振動と共鳴する光の波長に対して共振する構造の中に位置させ、溶質を反応させる処理方法として使用される。

Description

本発明は、物、装置、及び処理方法に関する。

すべての物質（ただし、単原子分子を除く）は化学結合を有している。そして、化学結合の切断及び生成、すなわち、化学反応により、他の物質が生成される。化学反応の速度は活性化エネルギーに支配される。一般的に、反応速度を大きくするためには、以下の２つの方法がある。第１の方法は、活性化エネルギーに打ち勝つ熱を投入するものである。第２の方法は、触媒を用いることにより、反応経路を換えることである。しかし、第１の方法はエネルギーコストがかさむと伴に、意図しない副生成物が生成する可能性が出てくる。また、第２の方法は、触媒としてレアメタルや高価な化学物質が必要となる。また、全ての化学反応に触媒が存在するわけではないので、第２の方法は、汎用性がない。

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。この方法は、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含んでいる。

特表２０１４−５１３３０４号公報

化学反応は溶媒を用いて進む場合が多い。溶媒は、水やアルコールなどヒドロキシ基（ＯＨ基およびＯＤ基、Ｏ：酸素、Ｈ：軽水素、Ｄ：重水素）を含む物が多い。本発明者は、溶媒となり得る物質の結合状態を変化させることにより、化学反応の反応速度を制御することを検討した。

本発明の目的の一つは、溶媒となり得る物質の結合状態を変化させることにある。

本発明の一態様によれば、ＯＨ基及びＯＤ基の少なくとも一方を有する物質を含む物であって、前記少なくとも一方の基の伸縮振動に共鳴する波長の光が共振する構造の中に存在する物が提供される。

本発明の他の態様によれば、ＯＨ基及びＯＤ基の少なくとも一方に伸縮振動に共鳴する波長の光が共振する構造と、
前記構造の中に物を導入するための導入口と、
を備える装置が提供される。

本発明の他の態様によれば、溶質を含む溶媒を、溶媒が有する基の伸縮振動と共鳴する光の波長に対して共振する構造の中に位置させ、前記溶質を反応させる処理方法が提供される。

本発明によれば、溶媒となり得る物質の結合状態を変化させることができる。

上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。

（Ａ）および（Ｂ）は、光と物質の相互作用を表す模式図である。（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。（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。（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。（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。（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。（Ａ）および（Ｂ）は、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。（Ａ）乃至（Ｃ）は、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。（Ａ）乃至（Ｆ）は、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。（Ａ）乃至（Ｅ）は、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。（Ａ）乃至（Ｇ）は、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。（Ａ）および（Ｂ）は、様々な濃度の軽水（Ｈ_２Ｏ）のＯＨ伸縮の振動モードおよび重水（Ｄ_２Ｏ）のＯＤ伸縮の振動モードと、ファブリ・ペロー共振器の光学モードを振動結合させた時の赤外透過スペクトルを示す図である。軽水（Ｈ_２Ｏ）および重水（Ｄ_２Ｏ）の結合強度：Ω_Ｒ／ω_０と濃度の関係を示す図である。（Ａ）および（Ｂ）は、純粋な軽水（Ｈ_２Ｏ）のＯＨ伸縮の振動モードおよび重水（Ｄ_２Ｏ）のＯＤ伸縮の振動モードと、ファブリ・ペロー共振器の様々な光学モードを振動結合させた時の赤外透過スペクトルを示す図である。超強結合下にある軽水（Ｈ_２Ｏ）および重水（Ｄ_２Ｏ）の結合強度：Ω_Ｒ／ω_０と光学モード番号の関係を示す図である。超強結合水の相対反応速度定数と活性化エネルギーの関係を示す図である。ＯＨ（ＯＤ）基を有する物質の結合強度とＯＨ（ＯＤ）基の数密度の関係を示す図である。（Ａ）乃至（Ｃ）は、振動超強結合が水とシアン酸イオンの化学反応を促進することを示す図である。（Ａ）乃至（Ｃ）は、振動超強結合が水とアンモニアボランの化学反応を促進することを示す図である。（Ａ）および（Ｂ）は液体の水と固体の氷について、純粋な軽水（Ｈ_２Ｏ）のＯＨ伸縮の振動モードおよび純粋な重水（Ｄ_２Ｏ）のＯＤ伸縮の振動モードと、ファブリ・ペロー共振器の光学モードを振動結合させた時の赤外透過スペクトルを比較する図である。水および氷の上枝・下肢ポラリトンの振動数と結合強度の関係を示す図である。氷を含むＯＨ（ＯＤ）基を有する物質の結合強度とＯＨ（ＯＤ）基の数密度の関係を示す図である。（Ａ）および（Ｂ）は軽水（Ｈ_２Ｏ）の水および氷のラビ分裂エネルギー：Ω_Ｒと濃度の関係を示す図である。（Ａ）および（Ｂ）は重水（Ｄ_２Ｏ）の水および氷のラビ分裂エネルギー：Ω_Ｒと濃度の関係を示す図である。軽水（Ｈ_２Ｏ）および重水（Ｄ_２Ｏ）の氷の結合強度：Ω_Ｒ／ω_０と濃度の関係を比較する図である。氷と水の相対反応速度定数の比と活性化エネルギーの関係を示す図である。（Ａ）および（Ｂ）は振動結合下の氷を化学反応の促進に利用する際の化学反応装置の模式図である。（Ａ）および（Ｂ）は超強結合氷と通常氷の融点を比較する図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施形態の概略を説明する。本実施形態に係る処理方法は、溶質を含む溶媒を、溶媒が有する基の伸縮振動と共鳴する光の波長に対して共振する構造の中に位置させ、溶質を反応させる方法である。この方法では、溶質が有する基の振動結合が用いられる。溶媒が含む基は、例えばＯＨ基及びＯＤ基の少なくとも一方（以下ＯＨ（ＯＤ）基と記載）である。このため、ＯＨ（ＯＤ）基を有する物質を含む物が、ＯＨ（ＯＤ）基の伸縮振動に共鳴する波長の光が共振する構造の中に存在することになる。そして、この処理方法には、例えば、ＯＨ（ＯＤ）基の伸縮振動に共鳴する波長の光が共振する構造と、この構造の中に物を導入するための導入口と、を備える装置が使用される。なお、溶質は１種類であってもよいし、複数種類であってもよい。溶質が１種類の場合、上記した反応の一例は溶質の分解反応である。また、溶質が２種類以上の場合、上記した反応の一例は溶質同士の化学反応である。以下、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。

［原理］
まず、実施の形態の原理について、以下の項目（１）〜項目（３）に分けて説明する。
（１）振動結合を利用する化学反応の定量化
（２）振動結合に必要とされる要件を備えた構造の具現化
（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の定量化］
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こと、及び、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、のそれぞれを、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］
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）と反交差した上枝（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Ω_Ｒ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なる。すなわち光と物質は、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）分裂エネルギーと呼ばれ、以下の式で示される。ラビ分裂エネルギーの大きさは、光と物質間の相互作用の強さに比例する。

ここで、

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をｈΩ_Ｒ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

つまり、エネルギーが

と

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ｈΩ_Ｒは、（式１）で表せられる。

ここで、上述の通り、

はディラック定数（プランク定数ｈを２πで除したもの）、Ω_Ｒ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、ｎ_ｐｈは光子数、ω_０は物質遷移の角振動数、ε_０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以下の１）〜（３）に列挙する。

（１）ラビ分裂エネルギーｈΩ_Ｒ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ｈΩ_Ｒ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。

（２）ラビ分裂エネルギーｈΩ_Ｒ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。

（３）ラビ分裂エネルギーｈΩ_Ｒ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。

ラビ分裂エネルギーｈΩ_Ｒと物質の遷移エネルギー

の比：Ω_Ｒ／ω_０は、結合強度と呼ばれる。結合強度：Ω_Ｒ／ω_０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：Ω_Ｒ／ω_０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：Ω_Ｒ／ω_０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。

［（１）−Ｂ：一般の化学反応を方程式で記述する方法］
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。

ＡＢ＋Ｃ →Ａ＋ＢＣ ………（式６）
この（式６）を分子振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て分子ＡＢを形成する。分子ＡＢは原子間距離ｒが平衡核間距離ｒ_ｅ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Ｅ_ａ０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ｒ_ｅにおけるポテンシャルエネルギーＵ（ｒ_ｅ）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（ｒ_ｅ）は分子ＡＢの解離エネルギーＤ_ｅ（定数）に等しい。従って、
Ｅ_ａ０＝Ｕ（ａ）−Ｕ（ｒ_ｅ）＝Ｕ（ａ）＋Ｄ_ｅ ………（式７）
である。

この活性化エネルギーＥ_ａ０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。

ここで、ｖは振動量子数、

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＝ｒ_ｅ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。

次に、活性化エネルギーＥ_ａ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Ｅ_ａ０はＵ（ａ）の関数である。Ｕ（ａ）をｒ_ｅ近傍でテーラー展開すると、次の（式９）となる。

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、以下の条件を使用した。まず、前述の通り、−Ｕ（ｒ_ｅ）は解離エネルギーＤ_ｅに等しいので、Ｕ（ｒ_ｅ）＝−Ｄ_ｅである。次に、振動ポテンシャルの一次微分は力であり、平衡核間距離ｒ_ｅでその値はゼロであるので、Ｕ（１）（ｒ_ｅ）＝０である。次に、前述の通り、平衡核間距離ｒ_ｅ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。（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。

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ｒ_ｅ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Ｅ_ａ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Ｅ_ａも低減することが可能となる。

［（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］
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

で一致する、つまり、（ａ）の振動系と（ｃ）の光学系が角振動数ω_０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。

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

とラビ分裂エネルギーｈΩ_Ｒを用いると、振動結合系の下枝の振動エネルギーω−は次の（式１１）で表される。

なお、上枝の振動エネルギーω＋はω＋＝（１＋１／２・Ω_Ｒ／ω_０）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１１）が示す通り、振動結合系の振動エネルギーω−は原系の振動エネルギー

より、１／２・Ω_Ｒ／ω_０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ｋ_０より小さくなっていることが分かる。これを（式８）と（式１１）を使って定量的に示すと、（式１２）となる。

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Ｅ_ａ０、強振動結合系の活性化エネルギーをＥ_ａ−とすると、（式１０）と（式１２）から次の（式１３）を得る。

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。

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Ｅ_ａ＋は、（式１３）を参考にすると、

となる。上枝の活性化エネルギーＥ_ａ＋は原系の活性化エネルギーＥ_ａ０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Ω_Ｒ回（典型的には１０^６〜１０^７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。

次に、振動結合による化学反応の促進作用を、振動結合系反応速度定数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。

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。

Ｒ＝κ［ＡＢ］［Ｃ］ ………（式１４）

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Ｅ_ａ０、温度Ｔの関数として、次の（式１５）で表される。

但し、ｋ_Ｂ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。

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、ｒ_ｅ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を示す式をそれぞれ導出する。次いで、これらの式と、原系、すなわち、振動結合が無い場合の反応速度定数を示す式（（式１５）および（式１６））との比を取ることで、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。

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。この仮定により、（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、遷移状態における原子間距離ａと平衡原子間距離ｒ_ｅ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。この近似により、（式１８）では（ａ／ｒ_ｅ）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る。

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ｒ_ｅ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Ｅ_ａ０や温度Ｔと、振動結合の最も重要な指標である結合強度：Ω_Ｒ／ω_０、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₋／κ_０）の式が得られたことになる。（式１７）及び（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、（式１７）及び（式１８）を用いると、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₋／κ_０を採用したことに由来し、κ₋／κ_０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。

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。第１の例として、結合強度：Ω_Ｒ／ω_０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κ_０、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、κ_０とκ^＊の比は次の（式１９）で記述される。

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。

（式２０）は、結合強度：Ω_Ｒ／ω_０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：Ω_Ｒ／ω_０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。

図４（Ａ）は、（式２０）で記述される、結合強度：Ω_Ｒ／ω_０の反応温度換算を表す図である。例えば、Ω_Ｒ／ω_０＝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、１４２．１Ｋ、２６０．２Ｋ昇温させることに相当する。更に、Ω_Ｒ／ω_０＝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。

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₋／κ_０と活性化エネルギーＥ_ａ０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、Ω_Ｒ／ω_０＝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₋／κ_０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₋／κ_０は、Ｅ_ａ０＝１．０ｅＶで１０以上、Ｅ_ａ０＝２．０ｅＶで１０^２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₋／κ_０は、Ｅ_ａ０＝１．０ｅＶで１０^３以上、Ｅ_ａ０＝２．０ｅＶで１０^６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₋／κ_０は、Ｅ_ａ０≧１．０ｅＶで１０^１２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。

図４（Ｃ）は、相対反応速度定数：κ₋／κ_０と結合強度：Ω_Ｒ／ω_０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₋／κ_０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₋／κ_０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。

図４（Ｃ）および図４（Ｄ）の第１の特徴は、結合強度：Ω_Ｒ／ω_０の増加に伴い、相対反応速度定数：κ₋／κ_０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₋／κ_０の指数関数的増大傾向は、活性化エネルギーＥ_ａ０が大きいほど顕著となる。

図４（Ｃ）および図４（Ｄ）の第２の特徴は、弱結合領域において、最も増大傾向が大きいＥ_ａ０＝２．５０ｅＶにおいては相対反応速度定数：κ₋／κ_０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₋／κ_０は最大で１０^４に達する。更に、超強結合領域において、Ｅ_ａ０＝２．５０ｅＶの場合、Ω_Ｒ／ω_０＝０．３でもκ₋／κ_０＝１０^１２に及び、Ω_Ｒ／ω_０＝１．０の場合、Ｅ_ａ０＝０．２５０ｅＶでκ₋／κ_０≒１０^３、Ｅ_ａ０＝０．５００ｅＶでκ₋／κ_０≒１０^６、Ｅ_ａ０＝１．００ｅＶでκ₋／κ_０≒１０^１２に達する。

図４（Ｃ）および図４（Ｄ）の第３の特徴は、結合強度：Ω_Ｒ／ω_０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（実践）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Ｅ_ａ０が小さくなるにつれ、両曲線の解離が大きくなり、最終的に、活性化エネルギーＥ_ａ０が０．０２５ｅＶより小さくなると、相対反応速度定数：κ₋／κ_０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：Ω_Ｒ／ω_０の増加に対して相対反応速度定数：κ₋／κ_０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・Ω_Ｒ／ω_０）が相対反応速度定数：κ₋／κ_０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。

［（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］
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（ハーフミラーを含む）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。

ここで、ｋ_ｍは光学モードの波数（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（ｋ_０）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。

第ｍ光学モードにおいて、その半値幅Δｋ_ｍと波数ｋ_ｍの比はＱ値（Quality Factor）と呼ばれ、次の（式２２）で定義される。

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：Ω_Ｒ／ω_０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₋／κ_０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ｈΩ_Ｒ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₋／κ_０を増大させる目的で結合強度：Ω_Ｒ／ω_０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ｋ_ｍ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ｋ_ｍ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。

光電場を閉じ込め可能な別の構造としては、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。

ファブリ・ペロー共振器及び表面プラズモン・ポラリトン構造のいずれの場合においても、共振器長は、振動結合を起こさせる物質が有する基（例えばＯＨ（ＯＤ）基）の伸縮振動に共鳴する波長の光が共振する長さである。

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軸と取る。（ａ）に示すように、ｚ軸方向の電場Ｅｚの強度｜Ｅ_ｚ｜^２が半分になる、原点から誘電体側ｚ軸方向の距離Ｌ_ｚ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｜Ｅ_ｘ｜^２が半分になる、原点から距離Ｌ_ｘは光学モードの伝搬長と呼ばれる。誘電体の誘電率ε_Ｄと金属の誘電率ε_Ｍを用いると、減衰長Ｌ_ｚと伝搬長Ｌ_ｘはそれぞれ、次の（式２３）、（式２４）で表される。

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Ｌ_ｚおよび伝搬長Ｌ_ｘ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Ｌ_ｚ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Ｌ_ｘ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、ε_Ｄ＝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（Ｌ_ｚ／λおよびＬ_ｘ／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。

まず、図６（Ｂ）の（ａ）に示す、減衰長Ｌ_ｚ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、可視領域において減衰長Ｌ_ｚは一般に波長の半分程度であるのに対し、赤外領域においては、減衰長Ｌ_ｚ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。減衰長Ｌ_ｚ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Ｌ_ｚ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）の全範囲において、減衰長Ｌ^ｚ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。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、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。換言すれば、実施の形態が示す振動結合による反応促進の機構は、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Ｌ_ｚ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Ｌ_ｚ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Ｌ_ｚは波数（波長）による相違が高々２倍以内と比較的小さい。特に、銀と金の場合、減衰長Ｌ_ｚ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Ｌ_ｚは波数（波長）による相違が１桁程度と大きくなる。

以上、減衰長Ｌ_ｚ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としては、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る。例えば、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。

次に、図６（Ｂ）の（ｂ）を参照すると、伝搬長Ｌ_ｘ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、可視領域において伝搬長Ｌ_ｘは波長の高々１０倍程度（数μｍ程度）であるのに対し、赤外領域では１０倍から１０４倍にも及ぶことである。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Ｌ_ｘ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ｈΩ_Ｒは粒子数Ｎの平方根に比例する。故に、結合強度：Ω_Ｒ／ω_０は伝搬長Ｌ_ｘ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₋／κ_０は結合強度：Ω_Ｒ／ω_０に対して指数関数的に増加するので、結局、伝搬長Ｌ_ｘが大きいほど、相対反応速度定数：κ₋／κ_０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Ｌ_ｘが大きいほど良い。

第２の特徴は、どの金属でも伝搬長Ｌ_ｘ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。

以上、伝搬長Ｌ_ｘ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。

［（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］
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ｈΩ_Ｒがゼロとなり、結果、結合強度：Ω_Ｒ／ω_０もゼロとなるためである。実際、（式１７）または（式１８）にΩ_Ｒ／ω_０＝０を代入してみると、κ₋／κ_０＝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ｈΩ_Ｒ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：Ω_Ｒ／ω_０は大きくなり、（式１７）または（式１８）から、相対反応速度定数：κ₋／κ_０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。

（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。また、ＯＨ基の振動モードも遷移双極子モーメントｄ＝０．４２０Ｄと大きいため、水やアルコールなど、ＯＨ（ＯＤ）基を有する物質を溶媒にすることで、溶質の化学反応を促進できると考えられる。

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ｈΩ_Ｒ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、実験によれば、ラビ分裂エネルギーｈΩ_Ｒは物質の濃度Ｃの０．４乗乃至０．５乗に比例する。つまり、理論的にはΩ_Ｒ∝Ｃ^０．５、実験的にはΩ_Ｒ∝Ｃ^{０．４〜０．５}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：Ω_Ｒ／ω_０を増大させることで、相対反応速度定数：κ₋／κ_０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₋／κ_０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₋／κ_０の濃度依存性を要約すると、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。なお、溶質を変化させる化学反応において、溶媒の濃度は溶質の濃度と比較して大幅に高いため、溶媒に振動結合を生じさせると、反応速度定数は大幅に増大する。例えば、溶媒が純粋な水の場合、軽水（Ｈ_２Ｏ）でモル濃度は５５．５１Ｍ（Ｍ＝ｍｏｌ・Ｌ^−１、Ｌ：リットル）、重水（Ｄ_２Ｏ）でモル濃度は５５．２７Ｍであり、両者とも著しく高濃度である。一般に、水が関与する水溶液反応では、反応原料の溶質に対して水は大過剰であり、喩え反応が進行しても水の濃度は殆ど変化しない。従って、溶媒である水に振動結合を施せば、著しい反応加速が期待できる。同じ議論は、エタノール（モル濃度：１７．１３Ｍ）、メタノール（モル濃度：２４．７１Ｍ）、プロピレングリコール（モル濃度：１３．６２Ｍ）、エチレングリコール（モル濃度：１７．９４Ｍ）、グリセリン（モル濃度：１３．６９Ｍ）、軽水と重水の混合液、過酸化水素水（モル濃度：３２．６３Ｍ）等が溶媒である場合にも成り立つ。特に、軽水、重水、過酸化水素水、軽水と重水の混合液、エチレングリコール、プロピレングリコールの場合、振動結合可能なＯＨ基（ＯＤ基）が一分子内に２個、グリセリンの場合は３個あるので、反応加速に対する濃度効果は、それぞれ、２倍、３倍となる。なお、以下の説明において、水（軽水と重水を含む）が生命・地球環境・産業上において特別な地位を占めることを鑑み、振動超強結合状態（０．１≦Ω_Ｒ／ω_０≦１．０）にある水を超強結合水と呼ぶ。

［（２）−Ｃ：光学モードと振動モードの振動結合とその要件］
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ｋ_ｍと振動モードの波数ω_０を用いると、次の（式２５）で表される。

ここで、ｋ_０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、ω_０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、ω_０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。

（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Ｅ_ａ０からＥ−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κ_０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₋／κ_０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ｋ_ｍと振動モードの波数ω_０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ω_０≒ｋ_ｍ＝ｍｋ_０（ｍ＝１，２，３，…）である。

ここで、（式２５）において、ω_０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、又は、溶媒となる化学物質に含まれる化学結合（基）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ω_０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ｋ_ｍを振動モードの波数ω_０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：Ω_Ｒ／ω_０が増強するに従い、相対反応速度定数：κ₋／κ_０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₋／κ_０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：Ω_Ｒ／ω_０を増強するかという議論に還元できる。結合強度：Ω_Ｒ／ω_０の光学モード番号依存性は要約すると、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ｈΩ_Ｒ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。

［（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］
上記した項目（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、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、共振器内を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である。この場合、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３．３３ｃｍ^３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構造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。

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。例えば、断面における平行な２辺の間隔は共振器長ｔに等しい。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。

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。原料導入口２７は物、例えば流体を線形共振器単体に導入するための開口である。原料導入口２７に導入される物は、例えば生成物の原料（例えば溶媒及び溶質）である。溶媒としては、水やアルコールなど、ＯＨ（ＯＤ）基を有する者が挙げられる。原料導入口２７に導入された物は、一定時間線形共振器単体の中に滞留する。例えば水を含む物が線形共振器単体の中に滞留した場合、滞留中の水は超強結合状態にある。生成物排出口２８は、線形共振器単体の中に位置する物、及びこの物の少なくとも一部が反応して生成した生成物の少なくとも一方を排出するための開口である。排出される物は、例えば、溶質が反応して生成した生成物、（残存していれば）未反応の原料、及び溶媒を含む。

（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、デットスペースなしで大容量化できる。後述の処理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。

なお、生成物排出口２８を塞ぎ、原料導入口２７が生成物排出口２８を兼ねるようにしてもよい。

［（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、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。

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。

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を示している。断面が二等辺平行六角形である線形共振器単体４３、及び、複数の線形共振器単体４３が集積された線形共振器集積体４５は、それぞれ、空間的に３個に独立している（互いに対向している２つの辺が３組ある）が、エネルギー的には、第１の光学モード４１と、それとはエネルギー的に異なる第２の光学モード４４を有する。従って、図８（Ｂ）の場合、線形共振器単体４３及び線形共振器集積体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。

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を示している。断面が不等辺平行六角形である線形共振器単体４６、及び複数の線形共振器単体が集積された線形共振器集積体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、線形共振器単体４６及び線形共振器集積体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。

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。例えば、平行四辺形線形共振器２０は２個の光学モードを有し、平行六角形線形共振器２１は３個の光学モードを有し、平行八角形線形共振器２２は４個の光学モードを有する。楕円形線形共振器２３は、辺の数が無限と仮定することができる。この場合、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。

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。

［（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］
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。

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、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、共振器長が少しずつ異なる複数の振動結合化学反応装置モジュール３６（図７（ｃ）参照）を用意すれば、様々な化学反応の反応促進に対応可能となる。更に、原料導入口３３と生成物排出口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。

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、原料導入口２７と生成物排出口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、紛体も可能である。

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を介して連結することで、化学反応の各工程に対応する要素となる化学反応ユニットを構築できる。そして、複数の化学反応ユニット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、これらユニットを連結することにより、化学反応の全工程をシステム化することが可能となる。

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。

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ａｋ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。また、化学物質原料ａは、例えば溶媒としての水やアルコールに溶解した状態で原料容器ａ５０に収容されている。なお、化学物質原料ｂについても同様である。

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。この化学反応ユニットにおいて、原料容器ａ５０及び原料容器ｂ５１は、第１流路を介して反応物容器５７に接続している。この流路にはバルブ５６が設けられている。反応物容器５７の排出口と振動結合化学反応装置モジュール５３の導入口は第２の流路で接続されており、反応物容器５７の導入口と振動結合化学反応装置モジュール５３の排出口は第３の流路で接続されている。さらに、振動結合化学反応装置モジュール５３の排出口と生成物容器５４は第４の流路で接続されている。第１の流路、第３の流路、及び第４の流路には、バルブ５６が設けられている。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。

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の化学反応は、直列に連結された振動結合化学反応装置モジュール５３によって順次促進される。そして、化学反応後の生成物は生成物容器５４に蓄えられる。

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の化学反応は、並列に連結された振動結合化学反応装置モジュール５３のそれぞれで促進される、そして、化学反応後の生成物は生成物容器５４に蓄えられる。

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。この化学反応ユニットにおいて、ある振動結合化学反応装置モジュールの排出口及び原料容器が、次の振動結合化学反応装置モジュールの導入口に接続されている。例えば、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。

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直列型振動結合化学反応装置ユニット５９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。

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。

［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。この効果は濃度に応じて大きくなるため、溶質を変化させる化学反応において溶媒に振動結合を生じさせると、反応速度定数は大幅に増大する。

［製造方法の説明］
図１０および図１１を参照して、実施の形態の装置の製造方法を説明する。

図１０は、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の一例を表す模式図である。

まず、図１０（Ａ）に示すように、共振器の筐体となる基板７０を用意する。基板７０の表面は平滑であることが要件であり、表面の凹凸が赤外領域の波長（１〜１００μｍ）の半分以下になるように光学研磨されていることが望ましい。基板７０の材質は、筐体強度を確保できるのであれば、金属、半導体、絶縁体の幅広い材質から選択できる。ただし、赤外吸収分光法等で評価する場合、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。

次いで、図１０（Ｂ）に示すように、基板７０に共振器の鏡面７１を成形する。鏡面７１の材質は、項目（２）−Ａで述べたように、銀又は金が最も優れ、次いでアルミニウム、銅、又は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、又はチタンは可となる。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、電界めっき、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。

次いで、図１０（Ｃ）に示すように、鏡面７１上に保護膜７２を形成する。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（ＳｉＯ_２）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：（−ＳｉＨ_２−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。

次いで、図１０（Ｄ）に示すように、保護膜７２及び鏡面７１が形成された一方の基板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を配置する。そして、この基板７０に、保護膜７２及び鏡面７１が形成されたもう一方の基板７０を重ね合わせる。ここで、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のが好ましい。

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のが好ましい。

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、化学反応を促進する装置として使用する。この際、流路７４の一方の開口（原料導入口）には化学物質原料が導入される。そして、流路７４の他方の開口（生成物排出口）から生成物が排出される。

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の一例を表す断面図である。

まず、図１１（Ａ）に示すように、線形共振器の筐体となるガラス管８０を用意する。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の材質にはソーダガラス、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。

次いで、図１１（Ｂ）に示すように、ガラス管８０に酸可溶性ガラス８１を充填する。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。

次いで、図１１（Ｃ）に示すように、酸可溶性ガラス充填ガラス管８２を細線化する。酸可溶性ガラス充填ガラス管８２を適当な温度まで加熱して管軸方向に引き伸ばす。これにより、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。次いで、細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管８３を、後工程で利用できるように、一定間隔で裁断する。

次いで、図１１（Ｄ）に示すように、細線化酸可溶性ガラス充填ガラス管８３を整列し、融着する。具体的には、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を互いに融着させる。これにより、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を容易に得ることができる。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。

次いで、図１１（Ｅ）に示すように、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。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す。その結果、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、その内径を、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。

次いで、図１１（Ｆ）に示すように、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。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。

次いで、図１１（Ｇ）に示すように、細々線化ガラス管集積体８６の内面に鏡面８７を形成する。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できる。鏡面８７は、例えば５ｎｍ以上の金属膜である。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の管内に含侵し、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（ＳｉＯ_２）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：（−ＳｉＨ_２−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。

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、生成物搬出口を備えた、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。

以下、ＯＨ（ＯＤ）基を有する物質群を評価することにより、それらが非常に低濃度から振動強結合状態（０．０１≦Ω_Ｒ／ω_０＜０．１）を呈し、実用的な濃度で振動超強結合状態（０．１≦Ω_Ｒ／ω_０≦１．０）に達することを示す。特に、振動結合下にあるＯＨ（ＯＤ）基含有物質を化学反応に用いた場合、それが大過剰の溶媒として働くので、高い結合強度：Ω_Ｒ／ω_０を保ったままで化学反応を顕著に増進出来ることを示す。

［実施例１］
本実施例では、振動結合下にある軽水（Ｈ_２Ｏ）および重水（Ｄ_２Ｏ）の赤外透過スペクトルの濃度依存性、並びに、結合強度：Ω_Ｒ／ω_０の濃度依存性について述べる。本実施例のポイントは、適当な光閉じ込め構造に軽水もしくは重水が置かれると、光学モードと振動モードは振動結合を起こし、特に、軽水・重水とも、凡そ９Ｍ（ｍｏｌ・Ｌ^−１、Ｌ：リットル）以上の濃度で超強結合状態になる、つまり、超強結合水となることである。以下に本実施例の詳細を説明する。

実験手順は以下の通りである。ＯＨ基もしくはＯＤ基が共振するための共振条件を満たすファブリ・ペロー共振器の中に水を導入し、フーリエ変換赤外分光（ＦＴ−ＩＲ）装置によって赤外線の透過スペクトルを測定した。なお、ファブリ・ペロー共振器は、赤外線に対して透過する特性を有するセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）窓上に鏡面として金（Ａｕ）を約１０ｎｍの厚さでスパッタ法を用いて製膜し、次いで、保護膜として二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）膜を約１００ｎｍの厚さで溶液プロセス法を用いて製膜したものを使用して作製されている。また、水は、軽水と重水を混ぜて一定の混合比とすることで、それぞれ濃度を変化させた。なお、ＯＨ伸縮振動、ＯＤ伸縮振動の波数は、それぞれ、３４００ｃｍ^−１、２５００ｃｍ^−１はであるため、それぞれ、共振器長を調整することにより共振条件を設定した。

図１２（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ、様々な濃度の軽水のＯＨ伸縮の振動モード（図１２（Ａ）：ω_０＝３４００ｃｍ^−１）および重水のＯＤ伸縮の振動モード（図１２（Ｂ）：ω_０＝２５００ｃｍ^−１）と、ファブリ・ペロー共振器の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赤外透過スペクトルである。（Ａ）の軽水の場合、軽水と重水の混合比（軽水の相対濃度）は上から下へ順に低くなる。具体的には、（ａ）はＨ_２Ｏ：Ｄ_２Ｏ＝１０：０（Ｃ_０＝５５．５Ｍ）、（ｂ）はＨ_２Ｏ：Ｄ_２Ｏ＝８：２（０．８Ｃ_０＝４４．４Ｍ）、（ｃ）はＨ_２Ｏ：Ｄ_２Ｏ＝６：４（０．６Ｃ_０＝３３．３Ｍ）、（ｄ）はＨ_２Ｏ：Ｄ_２Ｏ＝４：６（０．４Ｃ_０＝２２．２Ｍ）、（ｅ）はＨ_２Ｏ：Ｄ_２Ｏ＝２：８（０．２Ｃ_０＝１１．１Ｍ）である。（Ｂ）の重水の場合もやはり、重水と軽水の混合比（重水の相対濃度）は上から下へ順に低くなる。具体的には、（ａ）はＤ_２Ｏ：Ｈ_２Ｏ＝１０：０（Ｃ_０＝５５．３Ｍ）、（ｂ）はＤ_２Ｏ：Ｈ_２Ｏ＝８：２（０．８Ｃ_０＝４４．２Ｍ）、（ｃ）はＤ_２Ｏ：Ｈ_２Ｏ＝６：４（０．６Ｃ_０＝３３．２Ｍ）、（ｄ）はＤ_２Ｏ：Ｈ_２Ｏ＝４：６（０．４Ｃ_０＝２２．１Ｍ）、（ｅ）はＤ_２Ｏ：Ｈ_２Ｏ＝２：８（０．２Ｃ_０＝１１．１Ｍ）である。

なお、（Ａ）の軽水の場合、振動結合した光学モードは、（ａ）〜（ｄ）においては第９光学モード（ｋ_９＝９ｋ_０＝３４００ｃｍ^−１）、（ｅ）においては第１１光学モード（ｋ_１１＝１１ｋ_０＝３４００ｃｍ^−１）であり、（Ｂ）の重水の場合、振動結合した光学モードは、（ａ）〜（ｄ）においては第７光学モード（ｋ_７＝７ｋ_０＝２５００ｃｍ^−１）、（ｅ）においては第８光学モード（ｋ_８＝８ｋ_０＝２５００ｃｍ^−１）である。

図１２の赤外透過スペクトルから明らかな通り、（Ａ）で示される軽水，（Ｂ）で示される重水とも、濃度が低くなるに従い、Ｐ₋状態とＰ_＋状態のピーク間隔、すなわち、ラビ分裂エネルギー：

は次第に減少する。

図１３を参照して、軽水および重水の結合強度：Ω_Ｒ／ω_０と濃度の関係を説明する。（式１）の理論式を参照すれば、ラビ分裂エネルギー：

は濃度：Ｃの平方根に比例すると予想される。この理論予想は、ラビ分裂エネルギー：

の替わりに結合強度：Ω_Ｒ／ω_０を使えば、Ω_Ｒ／ω_０∝Ｃ^０．５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１３に示す結合強度：Ω_Ｒ／ω_０の濃度依存性である。それぞれ、〇印・△印はそれぞれ、軽水・重水の実験プロットであり、実線・点線はそれぞれ、軽水・重水の平方根則を仮定した理論線である。

軽水・重水とも実験プロットは理論線にうまく載ることから、軽水・重水とも、理論予測通り、結合強度：Ω_Ｒ／ω_０と濃度：Ｃの関係において平方根則が成り立っていることが分かる。従って、本発明の方法が、軽水・重水の両者に対して振動結合という現象を実現していると結論できる。また、図１３が明らかにする重要な知見は、軽水・重水とも、濃度がＣ≧９Ｍにおいて、結合強度がΩ_Ｒ／ω_０≧０．１の超強結合状態に達すること、つまり、軽水・重水が凡そ６倍希釈の低濃度から超強結合水になることである。なお、超強結合水は本実施例で示したファブリ・ペロー共振器に限らず、その他の光閉じ込め構造でも実現出来ることが確かめられている。

［実施例２］
本実施例では、振動超強結合下にある軽水（Ｈ_２Ｏ）および重水（Ｄ_２Ｏ）のラビ分裂エネルギー：

と光学モード番号の関係について説明する。本実施例のポイントは、超強結合下にある軽水・重水、すなわち、超強結合水は、振動結合に利用する光学モード番号や光学モード数に依存せず、一定値のラビ分裂エネルギー：

を持つことである。つまり、幅広い選択肢の中から光学モードを選び、超強結合水を発生させることが出来る。以下に本実施例の詳細を説明する。

実験の手順は［実施例１］と同様である。但し、本実施例では、ファブリ・ペロー共振器の共振器長：ｔを幅広く変調することで、光学モード間隔が大きく異なる光学モードを生成した。それらの光学モードと、それぞれ、軽水のＯＨ伸縮の振動モード（ω_０＝３４００ｃｍ^−１）および重水のＯＤ伸縮の振動モード（ω_０＝２５００ｃｍ^−１）を共振条件で振動結合させた。なお、実験では純粋な軽水（濃度：５５．５Ｍ、Ｍ＝ｍｏｌ・Ｌ^−１）および純粋な重水（濃度：５５．３Ｍ）を用いた。

図１４（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ、超強結合下にある軽水および重水の赤外透過スペクトルの光学モード依存性を示す。（Ａ）の軽水の場合、上から下の順に共振器長：ｔ（光学モード番号：ｉ）は大きくなる。具体的には、それぞれ、（ａ）はｔ＝４．６２μｍ（ｉ＝４）、（ｂ）はｔ＝１２．３μｍ（ｉ＝１０、１１）、（ｃ）はｔ＝２９．８μｍ（ｉ＝２２〜２６）、（ｄ）はｔ＝５４．０μｍ（ｉ＝４５〜５２）である。（Ｂ）の重水の場合もやはり、上から下の順に共振器長：ｔ（光学モード番号：ｉ）は大きくなる。具体的には、それぞれ、（ａ）はｔ＝４．７６μｍ（ｉ＝３）、（ｂ）はｔ＝１１．１μｍ（ｉ＝７、８）、（ｃ）はｔ＝１７．８μｍ（ｉ＝１０〜１３）、（ｄ）はｔ＝４７．４μｍ（ｉ＝３２〜４０）である。なお、（Ａ）の軽水の場合、光学モード数と振動モード数の比は、それぞれ、（ａ）では１：１、（ｂ）では２：１、（ｃ）では５：１、（ｄ）では８：１であり、（Ｂ）の重水の場合、光学モード数と振動モード数の比は、それぞれ、（ａ）では１：１、（ｂ）では２：１、（ｃ）では４：１、（ｄ）では９：１である。一般には上記（Ａ）の（ａ）や（Ｂ）の（ａ）に示されるように、１個の光学モードと１個の振動モードが結合することが振動結合の基本であるが、上記（Ａ）の（ｂ）〜（ｄ）や（Ｂ）の（ｂ）〜（ｄ）に示されるように、光学モード数と振動モード数の比が１を超える振動結合も可能である。（Ａ）の軽水の場合、（Ｂ）の重水の場合とも、それらのラビ分裂エネルギー：

は、共振器長：ｔ（光学モード番号）に依存せず一定値を取り、それぞれ、軽水でΩ_Ｒ≒７５０ｃｍ^−１、重水でΩ_Ｒ≒５４０ｃｍ^−１である。

図１５は軽水および重水の結合強度：Ω_Ｒ／ω_０と光学モード番号の関係を示す。〇印および△印は、それぞれ、軽水および重水の実験プロット、実線および点線はそれぞれ、軽水および重水のフィッティング曲線（水平線）である。軽水・重水とも、少なくとも１≦ｉ≦５０の光学モード番号の範囲で、結合強度：Ω_Ｒ／ω_０は光学モード番号：ｉに依存せず、Ω_Ｒ／ω_０≒０．２２の一定値を取る。また、上述のように、軽水・重水とも、結合強度：Ω_Ｒ／ω_０は振動モードと結合させる光学モードのモード数にも依存しない。以上の結果から、超強結合水を生成する際、幅広い選択肢の中から光学モードを選ぶことが可能である。

［実施例３］
本実施例では、超強結合状態（０．１≦Ω_Ｒ／ω_０≦１．０）にある軽水（Ｈ_２Ｏ）もしくは重水（Ｄ_２Ｏ）、すなわち、超強結合水による化学反応促進の理論的予想を示す。本実施例のポイントは、超強結合水を用いれば、典型的な化学反応（活性化エネルギー：Ｅ_０＝０．５〜２．０ｅＶ）において、５０〜１０００万倍の反応加速を期待できることである。

図１７は（式１８）に基づき予想される相対反応速度定数：κ₋／κ_０（κ₋：振動結合系の反応速度定数、κ_０：原系の反応速度定数）との活性化エネルギー：Ｅ_０の関係を示す。ここでは、反応温度：ＴはＴ＝３００Ｋ（室温），結合強度：Ω_Ｒ／ω_０は純粋な軽水もしくは重水の値であるΩ_Ｒ／ω_０＝０．２２２を用いて数値計算した。なお、この値は超強結合領域（０．１≦Ω_Ｒ／ω_０≦１．０）にあるので、顕著な化学反応促進が期待できる。実際に具体的な数値で評価してみる。例えば、典型的な化学反応の活性化エネルギー：Ｅ_０は、Ｅ_０＝０．５ｅＶ（４８．２ｋＪ・ｍｏｌ^−１）からＥ_０＝２．０ｅＶ（１９３ｋＪ・ｍｏｌ^−１）の範囲にあるので、これらの値を下限および上限として評価すると、相対反応速度定数：κ₋／κ_０は、それぞれ、κ₋／κ_０≒５０およびκ₋／κ_０≒１０^７となる。すなわち、通常の水を用いた場合と比較して、超強結合水を用いた場合には５０〜１０００万倍という著しい反応加速が得られることが理論的に予測出来る。また、（式２０）を使って温度換算すると、通常水なら３８０Ｋ（１０７℃）が必要な化学反応を、超強結合水なら３００Ｋ（室温）で行うことが出来ると予想される。すなわち、水の沸点は大気圧下１００℃なので、通常なら沸騰してしまうために行えない溶液反応を、超強結合水を用いれば、大気圧下室温の溶液反応として進行可能である。

一般に化学反応の過半は水溶液反応と言われる。加水分解反応、水和反応、水の分解反応等をはじめ、有機、無機、生化学、電気化学等における多種多様な化学反応において、水は反応原料、反応溶媒として働く。このことを鑑みると、超強結合水の産業上の利用価値は非常に高いと言え、特に、化学分野の産業を一新する潜在力がある。更に、次節の［実施例４］で説明する通り、この顕著な反応促進は水に限らず、ＯＨ（ＯＤ）基を有する物質にも共通する効果であり、アルコール類や過酸化水素水等、ＯＨ（ＯＤ）基含有物質は産業上の利用場面が多岐に渡ることを鑑みると、超強結合水以外の超強結合状態にあるＯＨ（ＯＤ）基含有物質も産業上の利用価値は著しく大きい。

［実施例４］
本実施例では、ＯＨ（ＯＤ）基を有する物質の結合強度：Ω_Ｒ／ω_０とＯＨ（ＯＤ）基と数密度の関係を実験的に評価した結果を説明する。本実施例のポイントは、ＯＨ（ＯＤ）基を有する物質が非常に低濃度（０．０４６７ｍｏｌ・Ｌ^−１）から振動強結合状態を呈し、更に、実用的な濃度（１５．１ｍｏｌ・Ｌ^−１）で振動超強結合状態になることから、ＯＨ（ＯＤ）基含有物質が強結合・超強結合物質として産業上利用価値が高いことを証明した点にある。

図１８はＯＨ（ＯＤ）基を有する物質の結合強度：Ω_Ｒ／ω_０とＯＨ（ＯＤ）基の数密度の関係を表す。実験方法は［実施例１］〜［実施例２］と同様であり、ＯＨ（ＯＤ）基が共振するための共振条件を満たすファブリ・ペロー共振器の中に対象物質を導入し、ＦＴ−ＩＲ装置によって得られる赤外透過スペクトルから、ラビ分裂振動数：Ω_ＲとＯＨ（ＯＤ）伸縮の振動数：ω_０を計測した。なお、ＯＨ（ＯＤ）振動の数密度：Ｎは次式、Ｎ：［数密度（ｍｏｌ・Ｌ^−１）］＝［密度（ｇ・Ｌ^−１）］／［モル質量（ｇ・ｍｏｌ^−１）］×［１分子中のＯＨ（ＯＤ）基の個数］で定義した。すなわち、数密度：Ｎは単位モル濃度当たりの振動モードの個数である。例えば、水（Ｈ_２Ｏ）の場合は、密度が９９９．９７ｇ・Ｌ^−１、モル質量が１８．０１５ｇ・ｍｏｌ^−１、１分子中のＯＨ基の個数が２個であるので、数密度は１１１．０２ｍｏｌ・Ｌ^−１となる。

図１８の最も注目すべき特徴は、異なる物質間であるのにもかかわらず、結合強度：Ω_Ｒ／ω_０と数密度：Ｎの間に、［実施例１］で示した平方根則（０．５乗則）に似た指数則（０．４乗則）が成り立つことである。すなわち、最小二乗法で回帰直線を求めると、相関係数：｜ｒ｜＝０．９９４９という高い相関で、Ω_Ｒ／ω_０＝３．３８×１０^−２×Ｎ^０．４という結合強度：Ω_Ｒ／ω_０と数密度：Ｎの実験式が得られる。この結果は、（式１）の理論式に翻って考えると、異なる物質であってもＯＨ（ＯＤ）振動の遷移双極子モーメント：ｄの値が共通であることに起因する。これが意味するところは、振動結合を利用する際、ＯＨ（ＯＤ）基を有する物質は数密度に応じて超強結合水と同等の効果を産むということである。例えば、化学反応の溶媒としてＯＨ（ＯＤ）基を有する物質を用いれば、超強結合水を溶媒として用いた場合と同等の反応促進の効果が得られる。

図１８を詳しく見ると、モル質量（分子量）が小さいほど、また、１分子あたりのＯＨ（ＯＤ）振動の個数が多いほど、結合強度：Ω_Ｒ／ω_０は大きくなる傾向がある。結合強度：Ω_Ｒ／ω_０が大きい順に列挙すると、軽水（Ｈ_２Ｏ）（Ω_Ｒ／ω_０＝０．２２５）、重水（Ｄ_２Ｏ）（Ω_Ｒ／ω_０＝０．２２２）、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）（Ω_Ｒ／ω_０＝０．２００）、軽水と重水の１：１混合液（Ω_Ｒ／ω_０＝０．１７２）、グリセリン（Ω_Ｒ／ω_０＝０．１５７）、エチレングリコール（Ω_Ｒ／ω_０＝０．１４４）、プロピレングリコール（Ω_Ｒ／ω_０＝０．１２６）、メタノール（Ω_Ｒ／ω_０＝０．１２３）、エタノール（Ω_Ｒ／ω_０＝０．１０５）、イソプロピルアルコール（Ω_Ｒ／ω_０＝０．０９６８）、ｔ−ブチルアルコール（Ω_Ｒ／ω_０＝０．０８６５）、テルピネオール（Ω_Ｒ／ω_０＝０．０５７５）となる。従って、（式４）を参照すると、上記の軽水からエタノールまでが超強結合物質（０．１≦Ω_Ｒ／ω_０≦１．０）であり、（式３）を参照すると、イソプロピルアルコールからテルピネオールまでが強結合物質（０．０１≦Ω_Ｒ／ω_０＜０．１）である。特に、軽水（Ｈ_２Ｏ）、重水（Ｄ_２Ｏ）、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）の場合は、分子量が小さく、かつ、１分子あたりＯＨ（ＯＤ）振動が２個あるので、Ω_Ｒ／ω_０≧０．２という大きな結合強度が得られる。

上記実験式：Ω_Ｒ／ω_０＝３．３８×１０^−２×Ｎ^０．４を参照すれば、超強結合物質となるＯＨ（ＯＤ）含有物質の数密度：Ｎの下限はＮ≒１５．１ｍｏｌ・Ｌ^−１、強結合物質となるＯＨ（ＯＤ）含有物質の数密度：Ｎの下限はＮ≒０．０４６７ｍｏｌ・Ｌ^−１となる。従って、ＯＨ（ＯＤ）含有物質ならば、非常に低濃度から強結合を呈し、図１８で実験的に示される通り、実用的な濃度で超強結合状態を作り出すことが可能である。このことはＯＨ（ＯＤ）含有物質による振動結合を産業上利用する点で大きな利点である。例えば、ＯＨ（ＯＤ）含有物質は水溶液、アルコール溶液等、化学反応の溶媒として多用される。従って、振動結合により化学反応を促進する際、ＯＨ（ＯＤ）含有物質を用いれば、結合強度：Ω_Ｒ／ω_０を反応中一貫して高値で維持出来る。この点は他の物質では得られない長所である。なお、これらＯＨ（ＯＤ）含有物質が大きな結合強度を持つ理由はＯＨ（ＯＤ）振動がｄ＝０．４２０Ｄ（Ｄ：デバイ）という巨大な遷移双極子モーメントを持つことに由来する。

更に、上記実験式：Ω_Ｒ／ω_０＝３．３８×１０^−２×Ｎ^０．４はＯＨ（ＯＤ）基を有する物質の混合物でも成立する。また、図１８では室温で液体のＯＨ（ＯＤ）基含有物質を取り上げたが、固体のＯＨ（ＯＤ）基含有物質でも上記実験式：Ω_Ｒ／ω_０＝３．３８×１０^−２×Ｎ^０．４は成り立つ。例えば、ポリマー固体のポリビニルアルコール（（−ＣＨ_２ＣＨＯＨ−）_ｎ）は、実測によると、結合強度がΩ_Ｒ／ω_０＝０．１４０、数密度が約３０．０ｍｏｌ・Ｌ^−１であり、上記実験式：Ω_Ｒ／ω_０＝３．３８×１０^−２×Ｎ^０．４にうまく載る。従って、ＯＨ（ＯＤ）基を有する物質は、喩え固体であっても、その水溶液やアルコール溶液は強結合・超強結合の作用を持つ溶媒として振る舞う。以上をまとめると、ＯＨ（ＯＤ）基を含む物質は、液体、固体を問わず、また、純物質、混合物を問わず、強結合・超強結合物質としての効果を充分に発揮することが可能となる。

［実施例５］
本実施例では、図１８（Ａ）で示される、水（Ｈ_２Ｏ）とシアン酸イオン（Ｏ＝Ｃ＝Ｎ⁻）から、炭酸イオン（ＣＯ_３ ⁻）とアンモニウムイオン（ＮＨ_４ ^＋）を生じる加水分解反応について、［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、顕著に反応速度定数を増加させることが可能であることを証明する。本実施例のポイントは、本発明による超強結合水を用いれば、約７０倍の反応加速をもって、シアン酸イオンを炭酸イオンとアンモニウムイオンに分解できることである。

実験条件は以下の通りである。すべての実験は室温（Ｔ＝３００Ｋ）で行い、水にシアン酸カリウム（ＫＯＣＮ）を溶解することで、２．００Ｍのシアン酸イオン、５０．９Ｍの水を得た。なお、水はシアン酸イオンに対して大過剰であると伴に反応溶媒として働く。反応装置に関しては、以下の通りである。まず、振動超強結合無しの場合は、鏡面無しの化学反応装置を用いることで、光学モードが無い非共鳴構造とした。一方、振動強結合有りの場合は、鏡面有りの化学反応装置を用いることで、光学モードが有る共鳴構造とした。

具体的には、鏡面無しの化学反応装置の赤外窓は、赤外線に対して透過する特性を有するセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）基板を用いた。また、ＺｎＳｅ窓に反応溶液が直接触るのを防ぐ目的で、保護膜として二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）膜を約１００ｎｍの厚さで、溶液プロセス法を用いて製膜した。一方、鏡面有りの化学反応装置の中心構造はファブリ・ペロー共振器であり、同じくＺｎＳｅ基板を赤外窓として用いた。ただし、ＺｎＳｅ窓の上に、鏡面として金（Ａｕ）を約１０ｎｍの厚さでスパッタ法を用いて製膜し、次いで、ＺｎＳｅ窓上金膜に反応溶液が直接触るのを防ぐ目的で、保護膜として二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）膜を約１００ｎｍの厚さで溶液プロセス法を用いて製膜した。

鏡面有りの化学反応装置では、共振器長を厳密に調整することで、ファブリ・ペロー共振器の光学モード（ｋ_４＝４ｋ_０＝３４００ｃｍ^−１）と水のＯＨ伸縮の振動モード（ω_０＝３４００ｃｍ^−１）を振動結合させた。この時、結合強度はΩ_Ｒ／ω_０＝０．２１４であった。従って、この振動結合は（式４）で示される超強結合領域（０．１≦Ω_Ｒ／ω_０≦１．０）に属する。この際、水は超強結合水であって、純粋な超強結合水（濃度：５５．５Ｍ、Ω_Ｒ／ω_０＝０．２２５）に非常に近かった。また、水は大過剰の溶媒なので、反応中、結合強度は下落せず高い値を持続した。なお、Ｑ値は波数が２５００ｃｍ^−１近辺においてＱ＝１９．４であった。図１８（Ａ）で示される化学反応の活性化エネルギーはＥ_ａ０＝０．６±０．１ｅＶ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、４５＜κ₋／κ_０＜２００の範囲となる（図１６参照）。

実験データの解析方法は以下の通りである。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。濃度の経時変化はシアン酸イオンのＯ＝Ｃ＝Ｎ伸縮振動の赤外吸収バンドの吸光度の経時変化から求めた。反応速度定数の導出では、水はシアン酸イオンに対して大過剰であるので、擬１次反応を仮定し、反応速度式：ｌｎＣ＝−κｔ＋ｌｎＣ_０（Ｃ：濃度、Ｃ_０：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。振動超強結合有りの反応速度定数：κ₋と振動超強結合無しの反応速度定数：κ_０の比：κ₋／κ_０を相対反応速度として導出した。

実験結果は以下の通りである。図１８（Ｂ）は図１８（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）は振動超強結合無しの場合、（ｂ）は振動超強結合有り（ＯＨ伸縮振動）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）ではファブリ・ペロー共振器の光学モード（ｋ_２、ｋ_３）のほか、丸印で示すように、波数３４００ｃｍ^−１付近において、水のＯＨ伸縮の振動モードと第４光学モードが振動結合して上枝Ｐ_＋と下枝Ｐ₋にラビ分裂する様子が観察された。図１８（Ｂ）中の拡大図はシアン酸イオンのＯ＝Ｃ＝Ｎ伸縮振動の経時変化を示し、（ａ）の振動超強結合無しの場合、反応時間中で殆ど減少しないのに対し、（ｂ）の振動超強結合有り（ＯＨ伸縮振動）の場合、反応時間中で半減した。一方、（ｂ）の振動超強結合有り（ＯＨ伸縮振動）の場合、水は大過剰であるので、反応時間中、結合強度：Ω_Ｒ／ω_０はほぼ一定であった。

図１８（Ｃ）は図１８（Ｂ）の吸光度の経時変化から求めた相対濃度の対数と反応時間の関係を示し、（ａ）は振動超強結合無し（○印のプロット）の場合、（ｂ）は振動超強結合有り（△印のプロット）の場合である。（ａ）、（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、振動超強結合無しの場合でκ_０＝８．５６×１０^−７ｓ^−１、振動超強結合有り（ＯＨ伸縮振動）の場合でκ₋＝６．１３×１０^−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、κ₋／κ_０＝７０．８となった。従って、水のＯＨ伸縮振動の振動超強結合により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（４５＜κ₋／κ_０＜２００）内にあった。

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。

［実施例６］
本実施例では、図１９（Ａ）で示される、水（Ｈ_２Ｏ）とアンモニアボラン（ＮＨ_３ＢＨ_３）から、アンモニウムイオン（ＮＨ_４ ^＋）、メタホウ酸イオン（ＢＯ_２ ⁻）、水素（Ｈ_２）を生じる加水分解反応について、［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、顕著に反応速度定数を増加させることが可能であることを証明する。本実施例のポイントは、本発明による超強結合水を用いれば、約１万倍の反応加速をもって、加水分解によりアンモニアボランから水素を取り出せることである。

実験条件は以下の通りである。すべての実験は室温（Ｔ＝３００Ｋ）で行い、水にアンモニアボランを溶解することで、反応溶液を得た。反応溶液の濃度は水が５２．３Ｍ、アンモニアボランが２．００Ｍのものを用いた。従って、水はアンモニアボランに対して大過剰であり、水は反応溶媒としても働く。反応装置は［実施例５］で説明したものと同様である。そして、鏡面有りの化学反応装置では、共振器長を厳密に調整することで、ファブリ・ペロー共振器の光学モード（ｋ_６＝６ｋ_０＝３４００ｃｍ^−１）と水のＯＨ伸縮の振動モード（ω_０＝３４００ｃｍ^−１）を振動結合させた。この時、結合強度はΩ_Ｒ／ω_０＝０．２１８であった。従って、この振動結合は（式４）で示される超強結合領域（０．１≦Ω_Ｒ／ω_０≦１．０）に属する。この際、水は超強結合水であって、純粋な超強結合水（濃度：５５．５Ｍ、Ω_Ｒ／ω_０＝０．２２５）に非常に近かった。また、水は大過剰の溶媒なので、反応中、結合強度が下落せず高い値を持続した。なお、Ｑ値は波数が２４００ｃｍ^−１近辺においてＱ＝２３．３であった。図１９（Ａ）で示される化学反応の活性化エネルギーはＥ_ａ０＝１．1±０．１ｅＶ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、７０００＜κ₋／κ_０＜２００００の範囲となる（図１６参照）。

実験データの解析方法は以下の通りである。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。振動超強結合無しの場合、濃度の経時変化はアンモニアボランのＢＨ伸縮振動の赤外吸収バンドの吸光度の経時変化から直接求めた。振動超強結合有りの場合、濃度の経時変化は、赤外吸収バンドの吸光度の経時変化ではなく、ファブリ・ペロー共振器の媒体がバルク液体の水（屈折率：ｎ＝１．３１）から微小気体の水素（屈折率：ｎ＝１．００）に置き換わることに伴う光学モードの吸光度の経時変化から間接的に求めた。なぜなら、振動超強結合無しの場合は水素が殆ど発生しないが、振動超強結合有りの場合は超強結合水による反応促進のため多量の水素が発生するためである。反応速度定数の導出では、水はアンモニアボランに対して大過剰であるので、擬１次反応を仮定し、反応速度式：ｌｎＣ＝−κｔ＋ｌｎＣ_０（Ｃ：濃度、Ｃ_０：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。振動超強結合有りの反応速度定数：κ₋と振動超強結合無しの反応速度定数：κ_０の比：κ₋／κ_０を相対反応速度として導出した。

実験結果は以下の通りである。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）は振動超強結合無しの場合、（ｂ）は振動超強結合有り（ＯＨ伸縮振動）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）ではファブリ・ペロー共振器の光学モード（ｋ_３、ｋ_４、ｋ_５）のほか、丸印で示すように、波数３４００ｃｍ^−１付近において、水のＯＨ伸縮の振動モードとファブリ・ペロー共振器の第４光学モードが振動結合して上枝Ｐ_＋と下枝Ｐ₋にラビ分裂する様子が観察された。（ａ）の振動超強結合無しの場合、２０時間の反応時間中、ＢＨ伸縮振動の吸光度は殆ど減少しないのに対し、（ｂ）の振動超強結合有り（ＯＨ伸縮振動）の場合、ファブリ・ペロー共振器が５時間で水から水素に完全に置換された。

図１９（Ｃ）は図１９（Ｂ）の吸光度の経時変化から求めた相対濃度の対数と反応時間の関係を示し、（ａ）は振動超強結合無し（○印のプロット）の場合、（ｂ）は振動超強結合有り（△印のプロット）の場合である。（ａ）、（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、振動超強結合無しの場合でκ_０＝１．２８９×１０^−８ｓ^−１であり、文献値とほぼ同じであった。一方、振動超強結合有り（ＯＨ伸縮振動）の場合でκ₋＝１．２８７×１０⁻⁴ｓ^−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、κ₋／κ_０＝９９８７となった。従って、水のＯＨ伸縮振動の振動超強結合により化学反応の顕著な促進が見られ、相対反応速度定数は（式１７）または（式１８）による予測の範囲（７０００＜κ₋／κ_０＜２００００）内にあった。

［実施例７］
本実施例では、振動超強結合下にある軽水（Ｈ_２Ｏ）および重水（Ｄ_２Ｏ）について、それらの液体（水：ｗａｔｅｒ）と固体（氷：ｉｃｅ）の結合強度：Ω_Ｒ／ω_０を比較した結果について述べる。以下では、超強結合状態下の水を超強結合水と呼んだように、適宜、超強結合状態下の氷を超強結合氷と呼ぶ。

本実施例のポイントは、共振器の光学モードと水分子のＯＨ（ＯＤ）振動モードを共鳴的に結合すると、液体の水と同様に、氷も超強結合状態を呈すること、しかも、超強結合氷の結合強度：Ω_Ｒ／ω_０は、軽水（Ｈ_２Ｏ）の場合でΩ_Ｒ／ω_０≒０．３１、重水（Ｄ_２Ｏ）の場合でΩ_Ｒ／ω_０≒０．３３であり、超強結合水の結合強度：Ω_Ｒ／ω_０≒０．２２（軽水・重水とも）と比較して、約１．５倍も増強することである。特筆すべきは、発明者が検討した範囲において、超強結合氷の結合強度：Ω_Ｒ／ω_０の値が物質中最高であることである。すなわち、超強結合水よりも超強結合氷の方が化学反応をより促進することを意味する。

実験手順は［実施例１］〜［実施例２］、［実施例４］〜［実施例６］と同様である。但し、ファブリ・ペロー共振器の赤外窓として、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）基板と伴にサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板も併用した。また、水を氷へ凍らせるための温度制御は、ファブリ・ペロー共振器の筐体に恒温装置から供給される冷媒を巡回させ、赤外窓に接触させた熱電対で計測した温度をフィードバックさせることで行った。測定は水の場合は室温から凝固点の間、氷の場合は融点から−１０℃の間で行った。なお、振動結合は軽水（Ｈ_２Ｏ）ではＯＨ伸縮振動、重水（Ｄ_２Ｏ）ではＯＤ伸縮振動に対し適用した。

図２０は超強結合水と超強結合氷の赤外透過スペクトルの比較を示す。（Ａ）が純粋な軽水（Ｈ_２Ｏ）の場合、（Ｂ）が純粋な重水（Ｄ_２Ｏ）の場合である。まず、（Ａ）の場合、ラビ分裂エネルギー：Ω_Ｒは、Ｈ_２Ｏ水でΩ_Ｒ＝７３４ｃｍ^−１であるのに対し、Ｈ_２Ｏ氷ではΩ_Ｒ＝１０００ｃｍ^−１である。これらの値を結合強度：Ω_Ｒ／ω_０に換算すると、Ｈ_２Ｏ水でΩ_Ｒ／ω_０≒０．２２、Ｈ_２Ｏ氷ではΩ_Ｒ／ω_０≒０．３１となる。次いで、（Ｂ）の場合、ラビ分裂エネルギー：Ω_Ｒは、Ｄ_２Ｏ水でΩ_Ｒ＝５３８ｃｍ^−１であるのに対し、Ｄ_２Ｏ氷ではΩ_Ｒ＝８１３ｃｍ^−１であり、結合強度：Ω_Ｒ／ω_０に換算すると、Ｄ_２Ｏ水でΩ_Ｒ／ω_０≒０．２２、Ｄ_２Ｏ氷ではΩ_Ｒ／ω_０≒０．３３となる。すなわち、水から氷へ変化すると、軽水（Ｈ_２Ｏ）では約３６％、重水（Ｄ_２Ｏ）では約５０％の割合で結合強度：Ω_Ｒ／ω_０が増強する。

注目すべき点は、発明者が検討した範囲において、重水（Ｄ_２Ｏ）の氷の結合強度の値：Ω_Ｒ／ω_０≒０．３３は物質中で一番大きく、軽水（Ｈ_２Ｏ）の氷の結合強度の値：Ω_Ｒ／ω_０≒０．３１は物質中で２番目に大きいことである。この水から氷への変化に伴う結合強度：Ω_Ｒ／ω_０の増強は、次のように解釈できる。すなわち、水から氷への変化に伴い、濃度は、軽水（Ｈ_２Ｏ）で５５．４１Ｍから５０．８９Ｍ、重水（Ｄ_２Ｏ）では５５．２０Ｍから５０．８０Ｍへと、それぞれ約８％減少する。この濃度減少は、（式１）から導かれる平方根則（Ω_Ｒ／ω_０∝Ｃ^０．５）から換算すると、結合強度：Ω_Ｒ／ω_０を約４％減少させる。しかしながら一方で、水から氷への変化に伴い、別途の実測によると、ＯＨ（ＯＤ）振動の吸光度は、軽水（Ｈ_２Ｏ）では約４０％、重水（Ｄ_２Ｏ）では約５５％増加する。この吸光度の増加は水分子間の水素結合の増強に由来する。具体的には、ある水分子に水素結合する隣接水分子の数（配位数）が、水では０〜４の間の数を取り得るのに対し、氷では平均でほぼ４に近い値を取り、氷は水より水素結合が強いためである。ここで、吸光度は遷移双極子モーメント：ｄに比例し、また、（式１）より、結合強度：Ω_Ｒ／ω_０は遷移双極子モーメント：ｄに比例するので、上述の吸光度増加は、結合強度：Ω_Ｒ／ω_０を、軽水（Ｈ_２Ｏ）では約４０％、重水（Ｄ_２Ｏ）では約５５％増加させることに直結する。従って、水から氷への変化に伴う吸光度の増加は濃度減少を打ち消して余りあるほどあり、結局、差し引きすると、超強結合氷は超強結合水より、結合強度：Ω_Ｒ／ω_０が、軽水（Ｈ_２Ｏ）では約３６％、重水（Ｄ_２Ｏ）では約５０％大きいことになる。

以上、本発明の方法によれば、振動結合により、液体の水と同様に、氷も超強結合状態にすることが可能なこと、しかも、超強結合氷の結合強度：Ω_Ｒ／ω_０は、軽水（Ｈ_２Ｏ）の場合でΩ_Ｒ／ω_０≒０．３１、重水（Ｄ_２Ｏ）の場合でΩ_Ｒ／ω_０≒０．３３と、物質中最高であることが証明される。

［実施例８］
本実施例では、軽水（Ｈ_２Ｏ）および重水（Ｄ_２Ｏ）の液体の水および固体の氷について、ポラリトン状態の振動数と結合強度：Ω_Ｒ／ω_０の関係について述べる。本実施例のポイントは、振動結合の理論通り、弱結合は勿論、強結合から超強結合まで、様々な結合強度：Ω_Ｒ／ω_０を持つ水および氷を自由に作り出すことが可能であること、特に、化学反応の促進効果が顕著である超強結合水および超強結合氷を実現できることである。

実験手順は［実施例７］と同様である。まず、実験値は軽水（Ｈ_２Ｏ）と重水（Ｄ_２Ｏ）の混合物について、ＯＨ伸縮振動およびＯＤ伸縮振動に対する振動結合状態を実測することで得た。次いで、理論値は下記（式２６）の理論式で示される上枝・下枝のポラリトン状態の振動数と結合強度：Ω_Ｒ／ω_０の関係から求めた。

但し、前述の通り、ω_±はそれぞれ上枝・下枝のポラリトン状態の振動数、Ω_Ｒはラビ分裂エネルギー、ω_０は原系の分子の振動数である。なお、（式２６）は（式１１）をω_０で規格化したものに相当する。最後に、上述の実験値と理論値を比較した。

図２１は規格化された上枝・下枝ポラリトンの振動数：ω_±／ω_０と結合強度：Ω_Ｒ／ω_０の関係を示している。（Ａ）は軽水（Ｈ_２Ｏ）の場合、（Ｂ）は重水（Ｄ_２Ｏ）の場合である。（Ａ）において、白抜きの丸印は軽水（Ｈ_２Ｏ）の水の実験値プロットを示し、黒塗りの丸印は軽水（Ｈ_２Ｏ）の氷の実験値プロットを示す。点線は（式２６）に基づく理論直線である。上枝・下枝ポラリトンの理論直線はｙ切片が１であり、傾きがそれぞれ＋０．５、−０．５となる。軽水（Ｈ_２Ｏ）の水、氷とも実験値プロットは理論直線に非常にうまく載る。この良い一致は軽水（Ｈ_２Ｏ）の水、氷どちらの場合も振動結合の理論に則ることを証明している。そして、結合強度がΩ_Ｒ／ω_０≧０．１では、それぞれ、軽水（Ｈ_２Ｏ）の超強結合水、軽水（Ｈ_２Ｏ）の超強結合氷を実現できることを意味する。

重水（Ｄ_２Ｏ）の場合を示す（Ｂ）においても同様の結果が得られる。白抜きの四角印は重水（Ｄ_２Ｏ）の水の実験値プロットを示し、黒塗りの四角印は重水（Ｄ_２Ｏ）の氷の実験値プロットを示す。点線は（式２６）に基づく理論直線である。重水（Ｄ_２Ｏ）の水、氷とも実験値プロットは理論直線にうまく載ることから、重水（Ｄ_２Ｏ）の水、氷とも、本発明の実験が振動結合の理論に則ることが分かる。特に、結合強度がΩ_Ｒ／ω_０≧０．１では、それぞれ、重水（Ｄ_２Ｏ）の超強結合水、重水（Ｄ_２Ｏ）の超強結合氷が実現していることが証明される。

以上、本発明の方法によれば、振動結合の理論通り、弱結合は勿論、強結合から超強結合まで、任意の結合強度：Ω_Ｒ／ω_０を持つ水および氷を作り出すことが可能である。特に、化学反応の促進効果が顕著である超強結合水および超強結合氷を実現できることが証明される。

［実施例９］
本実施例では、［実施例４］で示したＯＨ（ＯＤ）基を有する物質の結合強度：Ω_Ｒ／ω_０とＯＨ（ＯＤ）基の数密度：Ｎの関係に氷のデータを追加して説明する。本実施例のポイントは、純粋な軽水（Ｈ_２Ｏ）の氷および純粋な重水（Ｄ_２Ｏ）の氷がＯＨ（ＯＤ）振動を有する物質の中、特異的に大きな結合強度：Ω_Ｒ／ω_０を持つことである。

実験手順は［実施例４］および［実施例７］と同様である。純粋な軽水（Ｈ_２Ｏ）の氷の数密度は、純粋な軽水（Ｈ_２Ｏ）の氷のモル濃度：５０．８９Ｍに軽水（Ｈ_２Ｏ）のＯＨ基の数：２個を乗じることで、１０１．８Ｍとした。また、純粋な重水（Ｄ_２Ｏ）の氷の数密度は、純粋な重水（Ｄ_２Ｏ）の氷のモル濃度：５０．８０Ｍに重水（Ｄ_２Ｏ）のＯＤ基の数：２個を乗じることで、１０１．６Ｍとした。なお、振動結合はＯＨ伸縮振動もしくはＯＤ伸縮振動に対し適用した。

図２２は軽水（Ｈ_２Ｏ）および重水（Ｄ_２Ｏ）の氷を含むＯＨ（ＯＤ）基を有する物質の結合強度：Ω_Ｒ／ω_０とＯＨ（ＯＤ）基の数密度：Ｎの関係である。［実施例４］で説明した通り、液体の場合、異なる物質間であるのにもかかわらず、結合強度：Ω_Ｒ／ω_０と数密度：Ｎの間に、［実施例１］で示した平方根則（０．５乗則）に似た指数則（０．４乗則）が成り立つ。しかしながら、図中、灰色のひし形印で示す通り、固体の氷は軽水（Ｈ_２Ｏ）、重水（Ｄ_２Ｏ）とも、上記指数則から外れ、例外的に大きな結合強度：Ω_Ｒ／ω_０を持つ。その理由は、［実施例７］で説明した通り、液体の水と比較して、固体の氷は水素結合が増強することに由来して、大きな遷移双極子モーメント；ｄを持つためである。重水（Ｄ_２Ｏ）の氷、軽水（Ｈ_２Ｏ）の氷は、それぞれ、すべての物質中で１番目、２番目の結合強度：Ω_Ｒ／ω_０を持つことから、３番目に大きな軽水（Ｈ_２Ｏ）および重水（Ｄ_２Ｏ）の液体状態の水（共に結合強度はΩ_Ｒ／ω_０≒０．２２）と伴に、化学反応を加速する上で最も期待できる物質と言える。

以上、本発明の方法を用いれば、物質中最高の結合強度：Ω_Ｒ／ω_０を持つのは超強結合氷であることが証明される。

［実施例１０］
本実施例では、ＯＨ伸縮振動のラビ分裂エネルギー：Ω_Ｒと濃度の関係を軽水（Ｈ_２Ｏ）の水および氷とで比較した結果、並びに、超強結合下にある軽水（Ｈ_２Ｏ）のラビ分裂エネルギー：Ω_Ｒの転移現象について述べる。本実施例のポイントは、以下の通りである。まず、振動結合下の軽水（Ｈ_２Ｏ）氷の場合でも、振動結合下の軽水（Ｈ_２Ｏ）の水の場合と同様に、ラビ分裂エネルギー：Ω_Ｒ（もしくは結合強度：Ω_Ｒ／ω_０）と数密度：Ｎの間に平方根則（０．５乗則）に似た指数則（０．４乗則）が成り立つ。一方で、振動結合下の軽水（Ｈ_２Ｏ）の水の場合とは異なり、振動結合下の軽水（Ｈ_２Ｏ）の氷の場合、相対濃度がＣ／Ｃ_０＝８６％（Ｃ_０＝４３．７ｍｏｌ・ｄｍ^−３）の時、ラビ分裂エネルギーがΩ_Ｒ＝７８１ｃｍ^−１からΩ_Ｒ＝９３２ｃｍ^−１へ転移する。なお、実験手順は［実施例１］および［実施例７］と同様である。

図２３（Ａ）は振動結合下にある軽水（Ｈ_２Ｏ）の水および氷のＯＨ伸縮振動のラビ分裂エネルギー：Ω_Ｒと濃度：Ｃの関係の比較を示す。白抜き丸印は軽水（Ｈ_２Ｏ）の水の場合の実験値プロットを示し、黒塗り丸印は軽水（Ｈ_２Ｏ）の氷の場合の実験値プロットを示す。点線は軽水（Ｈ_２Ｏ）の水の場合、実線は軽水（Ｈ_２Ｏ）の氷の場合の指数関数を仮定したフィッティング曲線を表す。振動結合下の軽水（Ｈ_２Ｏ）の水において、ラビ分裂エネルギー：Ω_Ｒと数密度：Ｎの間に平方根則（０．５乗則）に似た指数則（０．４乗則）が成り立つ。同様の指数則は軽水（Ｈ_２Ｏ）の氷の場合でも見られるが、同一の濃度ならば、振動結合下の水より振動結合下の氷の方が、より大きなラビ分裂エネルギー：Ω_Ｒを持つ。一方、軽水（Ｈ_２Ｏ）の氷において、最も注目すべき点は、モル濃度がＣ＝４３．７ｍｏｌ・ｄｍ^−３（相対濃度：Ｃ／Ｃ_０＝８６％）の時、ラビ分裂エネルギーがΩ_Ｒ＝７８１ｃｍ^−１からΩ_Ｒ＝９３２ｃｍ^−１へ鋭くジャンプし、ある指数曲線から別の指数曲線に載り移ることである。このような転移現象は今迄観測されたことはなく、振動結合下の氷で初めて観測された現象である。

図２３（Ｂ）は転移前後の超強結合下にある軽水（Ｈ_２Ｏ）の氷の赤外透過スペクトルを示す。（ａ）は相対濃度がＣ／Ｃ_０＝８２％、すなわち転移前の場合を示しており、（ｂ）は相対濃度がＣ／Ｃ_０＝８６％、すなわち転移後の場合を示している。（ａ）と（ｂ）を比較すると、２つの顕著な相違点が見られる。第１の相違点は、ラビ分裂エネルギー：Ω_Ｒが大きく異なっている。詳細には、僅かな濃度の違いにもかかわらず、ラビ分裂エネルギーがΩ_Ｒ＝７４８ｃｍ^−１からΩ_Ｒ＝９３２ｃｍ^−１へ大きく増加している。第２の相違点は、転移前の（ａ）の場合、ラビ分裂は通常の２重分裂（Ｐ^＋およびＰ⁻の２つのピーク）であるのに対し、転移後の（ｂ）の場合、ラビ分裂が特殊な４重分裂（Ｐ^＋、Ｐ”、Ｐ’、およびＰ⁻の４つのピーク）となることである。４重ラビ分裂はラビ分裂エネルギー：Ω_Ｒもしくは結合強度：Ω_Ｒ／ω_０が極めて大きい場合、つまり、超強結合状態でのみ観測される現象である。通常の２重ラビ分裂が光学モード１個と振動モード１個で２個のポラリトンが生成する現象であるのに対し、４重ラビ分裂は光学モード３個と振動モード１個で６個のポラリトンが生成する現象である。軽水（Ｈ_２Ｏ）の場合、６個のポラリトンの内、４個のポラリトンは原系の振動モード（３２５０ｃｍ^−１）近辺にＰ^＋、Ｐ”、Ｐ’、およびＰ⁻の４つのピークとして現れ、残り２個のポラリトンは高波数側と低波数側に隠れている。本来は６重分裂であるが、原系の振動モード（３２５０ｃｍ^−１）近辺に４つのピークが明瞭に観測されるので４重分裂と呼んでいる。なお、液体の軽水（Ｈ_２Ｏ）の場合では、上記のような４重分裂は観察されない。その理由は純粋な軽水（Ｈ_２Ｏ）であっても結合強度はΩ_Ｒ／ω_０≒０．２２であり、結合強度：Ω_Ｒ／ω_０が２重分裂から４重分裂への転移現象の閾値に達しないためと考えられる。

そのほか、軽水（Ｈ_２Ｏ）の超強結合氷の特筆すべき特徴の１つとして、転移濃度近辺では、濃度を変えなくても、２重分裂から４重分裂への転移現象が起こり得ることが挙げられる。例えば、相対濃度：Ｃ／Ｃ_０＝８６％近辺の同一濃度において、２重分裂かつラビ分裂エネルギー：Ω_Ｒが相対的に小さい超強結合氷、もしくは、４重分裂かつラビ分裂エネルギー：Ω_Ｒが相対的に大きい超強結合氷が、別々に、水−氷間の凝固・融解の履歴に依存して得られる。すなわち、濃度と温度を調整することにより、２つの異なる状態の超強結合氷を作り分けることが可能である。つまり、超強結合氷が持つ双安定性を制御可能であるということである。このような双安定性は、次の［実施例１１］で述べる重水（Ｄ_２Ｏ）の場合と同様に、軽水（Ｈ_２Ｏ）の超強結合氷の産業上の利用価値を高めると期待される。

以上をまとめると、軽水（Ｈ_２Ｏ）の超強結合氷は顕著な３つの特徴を持つ。第１に、超強結合氷は超強結合水を凌駕する大きなラビ分裂エネルギー：Ω_Ｒを持つ。第２に、今迄観測されていない、２重ラビ分裂から４重ラビ分裂への変化を伴うラビ分裂エネルギー：Ω_Ｒの転移現象を発現する。第３に、上記転移現象は双安定性である。従って、軽水（Ｈ_２Ｏ）の超強結合氷は、次の［実施例１１］で述べる重水（Ｄ_２Ｏ）の超強結合氷と伴に、振動結合物質の中でも、特別な地位を占め、化学反応の促進は勿論、様々な産業上の利用が望める。

［実施例１１］
本実施例では、重水（Ｄ_２Ｏ）の水および氷のＯＤ伸縮振動のラビ分裂エネルギー：Ω_Ｒと濃度の関係の比較、並びに、超強結合下にある重水（Ｄ_２Ｏ）のラビ分裂エネルギー：Ω_Ｒの転移現象について述べる。本実施例のポイントは以下の通りである。まず、振動結合下の重水（Ｄ_２Ｏ）の水の場合と同様に、振動結合下の重水（Ｄ_２Ｏ）の氷の場合でも、ラビ分裂エネルギー：Ω_Ｒと数密度：Ｎの間に平方根則（０．５乗則）に似た指数則（０．４乗則）が成り立つ。一方、振動結合下の重水（Ｄ_２Ｏ）の水の場合とは異なり、振動結合下の重水（Ｄ_２Ｏ）の氷の場合、相対濃度がＣ／Ｃ_０＝８０％（Ｃ_０＝４０．６ｍｏｌ・ｄｍ^−３）の時、ラビ分裂エネルギーがΩ_Ｒ＝５２７ｃｍ^−１からΩ_Ｒ＝７０４ｃｍ^−１へ転移することである。なお、実験手順は［実施例１０］と同様である。

図２４（Ａ）は振動結合下にある重水（Ｄ_２Ｏ）の水および氷のＯＤ伸縮振動のラビ分裂エネルギー：Ω_Ｒと濃度：Ｃの関係の比較を示す。白抜き四角印は重水（Ｄ_２Ｏ）の水の場合の実験値プロットを示し、黒塗り四角印は重水（Ｄ_２Ｏ）の氷の場合の実験値プロットを示す。点線は重水（Ｄ_２Ｏ）の水の場合、実線は重水（Ｄ_２Ｏ）の氷の場合の指数関数を仮定したフィッティング曲線を表す。［実施例１０］で示した軽水（Ｈ_２Ｏ）の場合と同様の傾向が見られ、重水（Ｄ_２Ｏ）の水および氷の場合、伴に指数則に則るが、同一の濃度ならば、振動結合下の水より振動結合下の氷の方が、より大きなラビ分裂エネルギー：Ω_Ｒを持つ。一方、重水（Ｄ_２Ｏ）の氷の場合で注目すべき点は、モル濃度がＣ＝４０．６ｍｏｌ・ｄｍ^−３（相対濃度：Ｃ／Ｃ_０＝８０％）の時、指数則を満たしつつ、ラビ分裂エネルギーがΩ_Ｒ＝５２７ｃｍ^−１からΩ_Ｒ＝７０４ｃｍ^−１へ鋭くジャンプし、ある指数曲線から別の指数曲線に載り移ることである。このような転移現象は［実施例１０］で示した軽水（Ｈ_２Ｏ）の超強結合氷、および、本実施例の重水（Ｄ_２Ｏ）の超強結合氷でしか観測されない。なお、液体の重水（Ｄ_２Ｏ）の場合では、上記のような４重分裂は観察されない。これは純粋な重水（Ｄ_２Ｏ）であっても結合強度はΩ_Ｒ／ω_０≒０．２２であり、結合強度：Ω_Ｒ／ω_０が２重分裂から４重分裂への転移現象の閾値に達しないためと考えられる。

図２４（Ｂ）は転移前後の超強結合下にある重水（Ｄ_２Ｏ）の氷の赤外透過スペクトルを示している。詳細には、（ａ）は転移前の相対濃度がＣ／Ｃ_０＝７８％の場合であり、（ｂ）は転移後の相対濃度がＣ／Ｃ_０＝８０％の場合である。重水（Ｄ_２Ｏ）の氷においても、［実施例１０］で示した軽水（Ｈ_２Ｏ）の氷と場合と同様の傾向が見られる。具体的には、（ａ）と（ｂ）を比較すると、重水（Ｄ_２Ｏ）の氷の場合でも、２つの際立った特徴が見られる。第１の特徴は、僅かな濃度変化でラビ分裂エネルギー：Ω_Ｒが大きく変化することで、実際、ラビ分裂エネルギーはΩ_Ｒ＝５２３ｃｍ^−１からΩ_Ｒ＝７０４ｃｍ^−１へ大きく増加する。第２の特徴は、［実施例１０］で示した軽水（Ｈ_２Ｏ）の氷と場合と同様、転移前後で、ラビ分裂が２重分裂（Ｐ^＋およびＰ⁻）から４重分裂（Ｐ^＋、Ｐ”、Ｐ’、およびＰ⁻）に変化することである。

そのほか、重水（Ｄ_２Ｏ）の超強結合氷の特筆すべき特徴の１つとして、［実施例１０］で示した軽水（Ｈ_２Ｏ）の場合と同様、転移濃度近辺では、濃度を変えなくても、２重分裂から４重分裂への転移現象が起こり得ることが挙げられる。例えば、相対濃度：Ｃ／Ｃ_０＝８０％近辺の同一濃度において、２重分裂かつラビ分裂エネルギー：Ω_Ｒが相対的に小さい超強結合氷、もしくは、４重分裂かつラビ分裂エネルギー：Ω_Ｒが相対的に大きい超強結合氷が、別々に、水−氷間の凝固・融解の履歴に依存して得られる。すなわち、濃度と温度を調整することにより、２つの異なる状態の超強結合氷を作り分けることが可能である。つまり、超強結合氷が持つ双安定性を制御可能であるということである。このような双安定性は、［実施例１０］で述べた軽水（Ｈ_２Ｏ）の場合と同様に、重水（Ｄ_２Ｏ）の超強結合氷の産業上の利用価値を高めると期待される。

以上をまとめると、重水（Ｄ_２Ｏ）の超強結合氷は顕著な３つの特徴を持つ。第１に、超強結合氷は超強結合水を凌駕する大きなラビ分裂エネルギー：Ω_Ｒを持つ。第２に、今迄観測されていない、２重ラビ分裂から４重ラビ分裂への変化を伴うラビ分裂エネルギー：Ω_Ｒの転移現象を発現する。第３に、上記転移現象は双安定性である。従って、重水（Ｄ_２Ｏ）の超強結合氷は、［実施例１０］で述べた軽水（Ｈ_２Ｏ）の超強結合氷と伴に、振動結合物質の中でも、特別な地位を占め、化学反応の促進は勿論、様々な産業上の利用が望める。

［実施例１２］
本実施例では、軽水（Ｈ_２Ｏ）および重水（Ｄ_２Ｏ）の氷のＯＨ（ＯＤ）伸縮振動に関する結合強度：Ω_Ｒ／ω_０と濃度の関係を比較して説明する。本実施例のポイントは、軽水（Ｈ_２Ｏ）の超強結合氷と重水（Ｄ_２Ｏ）の超強結合氷では、転移濃度と転移幅が若干異なることである。なお、実験手順は［実施例１０］および［実施例１１］と同様である。

図２５は軽水（Ｈ_２Ｏ）および重水（Ｄ_２Ｏ）の氷の結合強度：Ω_Ｒ／ω_０と濃度の関係を比較する図である。縦軸は結合強度：Ω_Ｒ／ω_０、横軸はモル濃度：Ｃであり、黒塗りの丸印は軽水（Ｈ_２Ｏ）の氷の場合の実験値プロット、灰色塗りの四角印は重水（Ｄ_２Ｏ）の氷の場合の実験値プロット、黒色実線は軽水（Ｈ_２Ｏ）の氷の場合の指数関数を仮定したフィッティング曲線、灰色実線は重水（Ｄ_２Ｏ）の氷の場合の指数関数を仮定したフィッティング曲線である。

以下に特徴を列挙する。まず、振動結合下にある軽水（Ｈ_２Ｏ）の氷および重水（Ｄ_２Ｏ）の氷の場合、結合強度：Ω_Ｒ／ω_０は濃度に対する指数則に従う。そして、ある濃度で、氷の結合強度：Ω_Ｒ／ω_０は転移現象を呈する。軽水（Ｈ_２Ｏ）の超強結合氷の場合、転移濃度はモル濃度：Ｃ＝４３．７ｍｏｌ・ｄｍ^−３（相対濃度：Ｃ／Ｃ_０＝８６％）であり、転移前後の結合強度：Ω_Ｒ／ω_０は、それぞれ、Ω_Ｒ／ω_０＝０．２４とΩ_Ｒ／ω_０＝０．２９であり、転移幅はエネルギー換算でΔΩ_Ｒ≒１５０ｃｍ^−１（約１８．６ｍｅＶ）、結合強度：Ω_Ｒ／ω_０換算でΔ（Ω_Ｒ／ω_０）≒０．０４６に及ぶ。一方、重水（Ｄ_２Ｏ）の超強結合氷の場合、転移濃度はモル濃度：Ｃ＝４０．６ｍｏｌ・ｄｍ^−３（相対濃度：Ｃ／Ｃ_０＝８０％）であり、転移前後の結合強度Ω_Ｒ／ω_０は、それぞれ、Ω_Ｒ／ω_０＝０．２２とΩ_Ｒ／ω_０＝０．２９であり、転移幅はエネルギー換算でΔΩ_Ｒ≒１７７ｃｍ^−１（約２２．０ｍｅＶ）、結合強度：Ω_Ｒ／ω_０換算でΔ（Ω_Ｒ／ω_０）≒０．０７２に及ぶ。従って、転移濃度は、軽水（Ｈ_２Ｏ）の超強結合氷が重水（Ｄ_２Ｏ）の超強結合氷より、相対濃度で６％高く、転移幅は重水（Ｄ_２Ｏ）の超強結合氷が軽水（Ｈ_２Ｏ）の超強結合氷より、エネルギー換算でΔΩ_Ｒ≒２２ｃｍ^−１（約３．４ｍｅＶ）大きい。

その他の特徴として次の点が挙げられる。すなわち、振動結合下の軽水（Ｈ_２Ｏ）の水と重水（Ｄ_２Ｏ）の水の場合、濃度に対する結合強度：Ω_Ｒ／ω_０の指数曲線は両者で殆ど一致するのに対して、振動結合下の軽水（Ｈ_２Ｏ）の氷と重水（Ｄ_２Ｏ）の氷の場合は、転移前も転移後も、両者の指数曲線に若干のずれがあるところである。このずれを反映して、強結合から超強結合への遷移にも違いが見られる。軽水（Ｈ_２Ｏ）の氷の場合、モル濃度：Ｃ≒７．３ｍｏｌ・ｄｍ^−３（相対濃度：Ｃ／Ｃ_０≒１４．３％）以上で超強結合状態となり、重水（Ｄ_２Ｏ）の氷の場合、モル濃度：Ｃ≒８．９ｍｏｌ・ｄｍ^−３（相対濃度：Ｃ／Ｃ_０≒１７．５％）以上で超強結合状態となる。一方、[実施例１]で述べたように、軽水（Ｈ_２Ｏ）の水および重水（Ｄ_２Ｏ）の水の場合、双方とも、強結合状態から超強結合状態への遷移は、モル濃度：Ｃ≒９ｍｏｌ・ｄｍ^−３（相対濃度：Ｃ／Ｃ_０≒１６％）を境に起こる。

水と氷の場合をまとめると、振動結合が２重ラビ分裂の範疇にある限り、強結合状態から超強結合状態への遷移は、水も氷も同程度の相対濃度：Ｃ／Ｃ_０≒１６±１．５％が閾値である。一方、相対濃度が大きい場合、軽水(Ｈ_２Ｏ)の氷と重水(Ｄ_２Ｏ)の氷が特に大きな結合強度：Ω_Ｒ／ω_０を持つのは、２重ラビ分裂から４重ラビ分裂への転移現象を呈することに起源がある。

以上をまとめると、水および氷のＯＨ（ＯＤ）伸縮振動の振動結合において、相対濃度：Ｃ／Ｃ_０≒１６±１．５％の時、強結合状態から超強結合状態へ移り変わる。また、超強結合氷が転移濃度以降、特に大きな結合強度：Ω_Ｒ／ω_０を持つ理由は、４重ラビ分裂現象に由来すると結論付けられる。

［実施例１３］
本実施例では、超強結合氷を用いた場合、如何ほど化学反応が促進するかについて述べる。本実施例のポイントは、超強結合氷は超強結合水と比較して、結合強度：Ω_Ｒ／ω_０が約５０％増強されることに起因して、超強結合氷は超強結合水を凌駕する化学反応の促進効果を呈することを理論的に明らかにした点である。

本実施例では（式１８）に基づき、超強結合氷と超強結合水の場合の０℃（２７３．１５Ｋ）における相対反応速度定数を比較した。数値計算では、超強結合氷の結合強度：Ω_Ｒ／ω_０＝０．３３３、超強結合水の結合強度はΩ_Ｒ／ω_０＝０．２２２と仮定した。

図２６は、氷の相対反応速度定数：（κ₋／κ_０）_氷と水の相対反応速度定数：（κ₋／κ_０）_水の比の活性化エネルギー依存性を示す。図中、最も注目すべき特徴は、超強結合氷は超強結合水よりも結合強度：Ω_Ｒ／ω_０が１．５倍大きいことを反映して、原系の活性化エネルギー：Ｅ_０が如何なる値を取る場合でも、氷の相対反応速度定数：（κ₋／κ_０）_氷は水の相対反応速度定数：（κ₋／κ_０）_水を上回る点である。例えば、活性化エネルギーがＥ_０＝０．５０ｅＶ（４８．２ｋＪ・ｍｏｌ^−１）の時、氷の相対反応速度定数と水の相対反応速度定数の比は、（κ₋／κ_０）_氷／（κ₋／κ_０）_水≒７.1４、Ｅ_０＝１．００ｅＶ（９６．５ｋＪ・ｍｏｌ^−１）の時、（κ₋／κ_０）_氷／（κ₋／κ_０）_水≒５．４４×１０、Ｅ_０＝１．５０ｅＶ（１４５ｋＪ・ｍｏｌ^−１）の時、（κ₋／κ_０）_氷／（κ₋／κ_０）_水≒４．１５×１０^２、Ｅ_０＝２．００ｅＶ（１９３ｋＪ・ｍｏｌ^−１）の時、（κ₋／κ_０）_氷／（κ₋／κ_０）_水≒３．１６×１０^３、Ｅ_０＝２．５０ｅＶ（２４１ｋＪ・ｍｏｌ^−１）の時、（κ₋／κ_０）_氷／（κ₋／κ_０）_水≒２．４０×１０^４である。以上に示す通り、活性化エネルギー：Ｅ_０が大きければ大きいほど、氷の相対反応速度定数と水の相対反応速度定数の比：（κ₋／κ_０）_氷／（κ₋／κ_０）_水は顕著に増大する。特に、活性化エネルギーがＥ_０＞０．６ｅＶ（５７．９ｋＪ・ｍｏｌ^−１）では反応促進度が１０倍以上となり、超強結合氷は超強結合水と比較して、文字通り桁違いに化学反応を促進する。

以上、超強結合氷は超強結合水を凌駕する反応促進効果を持つことが証明される。超強結合氷が特に効果を発揮する利用方法としては、氷中反応（ｒｅａｃｔｉｏｎｉｎｉｃｅ）や氷上反応（ｒｅａｃｔｉｏｎｏｎｉｃｅ）、変性し易い生体関連物質や常温で不安定な化学物質の低温合成、温度が氷点下となる淡水圏・海水圏・大気圏における化学処理、大気圏上空の汚染物質の化学分解やオゾンホールの解消、極低温の宇宙環境での化学探査などが挙げられる。

［実施例１４］
本実施例では、振動結合下の氷を化学反応の促進に利用する際の化学反応装置について述べる。本実施例のポイントは、喩え固体である氷であっても、振動結合に基づく化学反応プロセスを流体と同様に逐次的に進行できることである。

図２７（Ａ）および（Ｂ）は振動結合下の氷を化学反応の促進に利用する際の化学反応装置の模式図である。

図２７（Ａ）は液体と氷を混合する装置１０３と振動結合化学反応装置１０５を組み合わせた装置であり、工程は以下の通りである。最初に、液体の導入口１０１から反応物を含む液体を、氷の導入口１０２から氷を、液体と氷を混合する装置１０３へ導く。導入後、粉砕、撹拌、超音波振動などの方法を用いて、振動結合化学反応装置１０５の細管を流体として移動できるほど細かく、液体と水を混合する。次いで、液体と氷が混合された流体を流路１０４にて、振動結合化学反応装置１０５へ導く。最後に、振動結合化学反応装置１０５内で混合流体に対して振動結合を適用して化学反応を行い、導出口１０６より生成物を含む流体を排出する。

図２７（Ｂ）は冷却装置１０７、加熱装置１０８、および、振動結合化学反応装置１０５が組み合わされた装置であり、工程は以下の通りである。最初に、反応物と水を含む液体を導入口１０１から振動結合化学反応装置１０５へ導く。次いで、冷却装置を用いて、振動結合化学反応装置１０５に導入された、反応物と水を含む液体を凍結することで、振動結合下の氷を生成して、それと反応物を化学反応させる。化学反応の終了後、加熱装置１０８を用いて、生成物を含む凍結体を融解して液体に戻す。最後に、導出口１０６から生成物を含む液体を排出する。

図２７（Ａ），（Ｂ）伴に、僅かな工程もしくは装置の付加のみで、振動結合下の溶媒と同様に、振動結合下の氷を取り扱うことが可能である。

以上に示す通り、振動結合下の氷であっても、利便性を損なうことなく、液体と混合することで流動性を付与したり、水と氷の間の相変化を利用することで、振動結合に基づく化学反応プロセスを逐次的に進行できる。

［実施例１５］
本実施例は、ＯＨ伸縮振動およびＯＤ伸縮振動を同時に振動結合した、軽水（Ｈ_２Ｏ）および重水（Ｄ_２Ｏ）から成る氷の融点上昇について述べる。本実施例のポイントは、振動結合下の氷が通常の氷と比較して、融点が約０．２℃上昇するという現象を見出したことである。この融点上昇は約０．２℃と絶対値は小さいが、化学反応性以外で、振動結合による物性変換を観測した初めての事例である。

実験手順は［実施例１２］と同様である。軽水（Ｈ_２Ｏ）と重水（Ｄ_２Ｏ）の混合物について、様々な濃度で融点を測定した。超強結合氷と通常氷は、金属ミラーの有無以外、すなわち、共振器の有無以外、全く同一の測定装置を用いて形成した。超強結合氷の場合、ＯＨ伸縮およびＯＤ伸縮の振動モードが共振器と同時に振動結合できるように共振器長を調整した。温度制御に関しては、冷却は恒温槽からの冷媒で行い、加温は雰囲気への自然放熱で行った。融点測定は熱電対を用いて行い、正確に融点を測定するために、融点付近での温度上昇は０．１℃／分程度と充分時間を掛けて行った。水−氷間の相変化は赤外透過スペクトルの変化をリアルタイムで観測することで行った。

図２８（Ａ）は超強結合氷と通常氷の融点を比較する図である。縦軸は融点：Ｔ_ｍ（℃）、横軸はＤ_２Ｏの相対濃度の百分率：Ｃ／Ｃ_０×１００（％）である。一般に、軽水（Ｈ_２Ｏ）の氷の融点はＴ_ｍ＝０．００℃、重水（Ｄ_２Ｏ）の氷の融点はＴ_ｍ＝３．８２℃であり、両者の混合物の氷の融点はＤ_２Ｏの相対濃度：Ｃ／Ｃ_０の２次関数である（式２７）で表されることが知られている。

（Ａ）において、白抜きの三角印は通常氷の実験プロットの平均値を示し、白抜き丸印は超強結合氷の実験プロットの平均値を示す。点線は（式２７）に基づく通常氷の理論曲線であり、実線は超強結合氷の実験値を２次式でフィッティングした場合の実験曲線である。（Ａ）から明らかな通り、相対濃度が０〜１００％のどの濃度においても、超強結合氷の融点は通常氷の融点より有意に高い。（Ｂ）は超強結合氷の融点から通常氷の融点を差し引いた融点上昇：ΔＴ_ｍ（℃）の相対濃度依存性を示す。白抜き丸印が実験プロットの平均値、エラーバーは標準誤差、実線は２次式でフィッティングした実験曲線である。（Ｂ）から明らかな通り、通常氷から超強結合氷への融点上昇は平均で凡そ０．２℃であることが確認される。この超強結合氷における融点上昇は、化学反応性以外で初めて確認された、振動結合による物性変換の事例である。

以上、超強結合氷の融点上昇の事例を示すことで、振動結合によれば、物質の基本的性質を変換できることを示した。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

この出願は、２０１７年５月１８日に出願された日本出願特願２０１７−０９８７２０及び２０１７年１１月２１日に出願された日本出願特願２０１７−２２３６２２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。

ここで、上述の通り、
ここで、上述の通り、

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。また、化学物質原料ａは、例えば溶媒としての水やアルコールに溶解した状態で原料容器ａ５０に収容されている。なお、化学物質原料ｂについても同様である。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。上記の実施形態の一部又は全部は、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。
１．ＯＨ基及びＯＤ基の少なくとも一方を有する物質を含む物であって、前記少なくとも一方の基の伸縮振動に共鳴する波長の光が共振する構造の中に存在する物。
２．上記１に記載の物であって、
前記物質は流体である物。
３．上記１又は２に記載の物であって、
前記物質は水である物。
４．上記１に記載の物であって、
前記物質は氷である物。
５．上記１又は２に記載の物であって、
前記物質は水と氷の混合物である物。
６．上記３〜５に記載の物であって、
前記物質は振動超強結合状態にある物。
７．上記１〜６のいずれか一項に記載の物であって、
前記物質は溶媒であり、
さらに溶質を含む物。
８．ＯＨ基及びＯＤ基の少なくとも一方の伸縮振動に共鳴する波長の光が共振する構造と、
前記構造の中に物を導入するための導入口と、
を備える装置。
９．上記８に記載の装置において、
前記構造の中に位置する前記物、及び前記物の少なくとも一部が反応して生成した生成物の少なくとも一方を排出するための排出口を備える装置。
１０．上記８又は９のいずれか一項に記載の装置において、
前記構造はファブリ・ペロー共振器又はプラズモン・ポラリトン構造である装置。
１１．上記８〜１０のいずれか一項に記載の装置において、
前記物は水、氷、または、水と氷の混合物である装置。
１２．上記１１に記載の装置において、
前記水、氷、または、水と氷の混合物を振動超強結合状態にする装置。
１３．溶質を含む溶媒を、溶媒が有する基の伸縮振動と共鳴する光の波長に対して共振する構造の中に位置させ、前記溶質を反応させる処理方法。
１４．上記１３に記載の処理方法において、
前記溶質を反応させる際に前記溶媒を振動超強結合状態にする処理方法。
１５．上記１３又は１４に記載の処理方法において、
前記基はＯＨ基及びＯＤ基の少なくとも一方である処理方法。
１６．上記１５に記載の処理方法において、
前記溶質は水、氷、または、水と氷の混合物を含む処理方法。

Claims

ＯＨ基及びＯＤ基の少なくとも一方を有する物質を含む物であって、前記少なくとも一方の基の伸縮振動に共鳴する波長の光が共振する構造の中に存在する物。
請求項１に記載の物であって、
前記物質は流体である物。
請求項１又は２に記載の物であって、
前記物質は水である物。
請求項１に記載の物であって、
前記物質は氷である物。
請求項１又は２に記載の物であって、
前記物質は水と氷の混合物である物。
請求項３〜５に記載の物であって、
前記物質は振動超強結合状態にある物。
請求項１〜６のいずれか一項に記載の物であって、
前記物質は溶媒であり、
さらに溶質を含む物。
ＯＨ基及びＯＤ基の少なくとも一方の伸縮振動に共鳴する波長の光が共振する構造と、
前記構造の中に物を導入するための導入口と、
を備える装置。
請求項８に記載の装置において、
前記構造の中に位置する前記物、及び前記物の少なくとも一部が反応して生成した生成物の少なくとも一方を排出するための排出口を備える装置。
請求項８又は９のいずれか一項に記載の装置において、
前記構造はファブリ・ペロー共振器又はプラズモン・ポラリトン構造である装置。
請求項８〜１０のいずれか一項に記載の装置において、
前記物は水、氷、または、水と氷の混合物である装置。
請求項１１に記載の装置において、
前記水、氷、または、水と氷の混合物を振動超強結合状態にする装置。
溶質を含む溶媒を、溶媒が有する基の伸縮振動と共鳴する光の波長に対して共振する構造の中に位置させ、前記溶質を反応させる処理方法。
請求項１３に記載の処理方法において、
前記溶質を反応させる際に前記溶媒を振動超強結合状態にする処理方法。
請求項１３又は１４に記載の処理方法において、
前記基はＯＨ基及びＯＤ基の少なくとも一方である処理方法。
請求項１５に記載の処理方法において、
前記溶質は水、氷、または、水と氷の混合物を含む処理方法。