理研,分子間のエネルギー移動を観察

理化学研究所(理研)の研究チームは,二種類の分子が隣接する異分子ダイマー(二量体)におけるエネルギー移動を単分子レベルで計測することに成功した(ニュースリリース)。

分子間のエネルギー移動は,光合成反応や太陽電池・光触媒などのエネルギー変換デバイスの動作に不可欠な物理現象。これまで,エネルギー移動の研究には主に光学顕微鏡が用いられてきたが,空間分解能が数100nmと不十分なため,1nmのスケールで起こるエネルギー移動の詳細は未解明だった。

一方,原子スケールの空間分解能を持つ走査トンネル顕微鏡(STM)をベースとした発光分光法(STM発光分光法)を用いた研究では,近年,さまざまな現象が単分子レベルで観測されており,エネルギー移動の研究への応用が期待されていた。

今回,研究チームは独自に開発したSTM発光分光装置を用いて,数nmの距離に近接したフタロシアニン(H2Pc)分子とマグネシウムフタロシアニン(MgPc)分子の間のエネルギー移動を調べた。

2種類の発光性分子のうち,片方をSTMのトンネル電流で局所的に励起させ,発光スペクトルの測定を行なった。もし,分子から分子へエネルギー移動が起これば,励起させた分子の発光に加えて,直接励起されていない分子の発光も測定される。

その結果,STMのトンネル電流でMgPc分子のみを局所的に励起すると,数nmの距離で隣接するH2Pc分子がMgPc分子からのエネルギー移動によって励起され発光することを見出した。さらに,H2Pc分子内の水素原子の移動に起因して,エネルギー移動の確率が変動する現象を発見し,H2Pc分子がエネルギー移動を制御する「単分子バルブ」として機能することを示した。

この研究は,励起エネルギーの動きを分子レベルの精度で制御し新しいエネルギー変換・情報処理デバイスを研究する,単分子励起子工学の開拓につながるとしている。

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