分子内のすばやい動きで高いエネルギー光へ変換

量子センシングの医療応用にも期待

化学
2025.06.12
エネルギー変換
センシング
量子化学計算
光アップコンバージョン
分子振動
情報学研究科
東 雅大
三重項－三重項消滅

神戸大学大学院理学研究科の東晃輔 大学院生（研究当時、現：東レリサーチセンター勤務）、分子フォトサイエンス研究センターの岡本翔 助手（研究当時、現：筑波大学助教）および小堀康博 教授、長崎大学大学院総合生産科学研究科（工学系）の作田絵里 教授、新潟大学大学院自然科学研究科の生駒忠昭 教授、名古屋大学大学院情報学研究科の東雅大 教授らの研究グループは、ドイツのザーランド大学との共同研究により、人体に無害な長波長光を高いエネルギーをもつ短波長光に変換するアップコンバージョン過程の中間体が、分子内部の励起子ホッピング運動を1兆分の1秒の単位で繰り返し起こす現象を明らかにしました。このホッピング速度は溶媒の粘性を変えるだけで大きく変化させることが可能で、それにより光の波長変換の効率を制御できることを示しました。
今後は、分子振動を巧みに利用する光エネルギー変換デバイス開発が進展し、人体に害のない近赤外光を利用する光線力学的ながん治療や、その細胞内部のミクロな流体環境センシングへの応用など幅広い分野への展開が期待されます。
この研究成果は、2025年5月19日に、独国科学雑誌「Angewante Chemie International Edition」に掲載されました。
 

発表のポイント

・持続可能社会の実現に向け、これまで利用されてこなかったエネルギー源を有効活用することが重要。光アップコンバージョンと呼ばれる長波長光を短波長光に変換する現象を活用し、超高効率光エネルギー変換システムの実現が期待される。
・光アップコンバージョンの光エネルギー変換効率は改良されてきているが、この反応のメカニズムが十分に理解されておらず、材料開発のボトルネックとなっていた。
・今回、アントラセン三つをホウ素で架橋させた分子内において生成する三重項励起子によるアップコンバージョン発光と電子スピンのホッピング運動の両者を観測した。この中間体が分子内部において回転しながらホッピングする時間が溶媒によって大きく変化し、それにより光の波長変換効率を制御できることが明らかとなり分子周囲のミクロな領域で流動性をセンシングするのに適していることが分かった。
 
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用語説明

※1.　励起子
物質が最安定となる電子の配置よりも高いエネルギー状態になった電子配置を持つ分子のこと。不安定なこの中間体分子は、一定時間経過するとエネルギーを放出して元の最安定配置へ戻る。一重項励起子が安定状態へ戻る際に、光としてエネルギーを放出することを蛍光と呼ぶ。光アップコンバージョンでは、材料に入射した光よりも短波長の光を、励起子からの蛍光として取り出す。
※2.　一重項、三重項の電子スピン状態とスピン変換
原子は電子と原子核から成り立っており、電子は電気とスピンの性質を備えている。一つの孤立スピンは電子の自転運動で生じる磁石の性質 (磁性) を示す。分子は原子から構成され、電子スピンの配列の仕方やエネルギー値などによって分子の状態は表現される。一般に、A重項 (Aは1, 2, 3などの数字) とは分子のスピンの状態を示す表現 (スピン多重度と呼ばれる) である。有機分子の一重項の多くは磁性を示さないが、A > 1の場合は磁性を示す。一重項、三重項の各状態は電子スピンの配置の入れ替えで異なる互いの状態に変換することがある（スピン変換）。一重項励起子は高いエネルギーの蛍光を放射しもとの状態に戻ることが多い。一方、三重項励起子はスピン禁制のためにもとの状態に戻る際には、蛍光を発することができない。
 

論文情報

・タイトル
“Vibronic Trimer Design Enhancing Intramolecular Triplet-Exciton Hopping to Accelerate Triplet-Triplet Annihilation for Photon Upconversion”
DOI：10.1002/anie.202503846
URL：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202503846?msockid=1eda0727e93d63c81698126de88a6211
・著者
Kousuke Higashi, Tsubasa Okamoto, Nanami Iwaya, Eri Sakuda, Christopher W. Kay, Tadaaki Ikoma, Masahiro Higashi and Yasuhiro Kobori
・掲載誌
Angewante Chemie International Edition
 

研究代表者

大学院情報学研究科 東 雅大 教授
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