筑波大ら,光照射された液晶分子の集団的運動を観測

筑波大学,東京大学らの研究グループは,液晶の中にあるアゾベンゼンの分子が,光を照射されると瞬時(100億分の1秒)に集団的に運動する現象を初めて観測することに成功した(ニュースリリース)。

光を当てることにより分子の形が変化する光異性化は,視覚に限らず自然界においても非常に多く見られる現象で,工業的にも幅広い利用が期待されている。光異性化による分子単独の運動については,多くの知見が報告されているが,液晶中のような分子集団の中でのピコ秒単位の運動に関する知見はなかった。

アゾベンゼン分子は光異性化を示す最も代表的な分子で,トランス体(棒状)からシス体(三角形状)へと変化する。アゾベンゼン分子単独では,光異性化は1兆分の1秒程度で生じると報告されているが,液晶中のような分子集団中においてはその応答速度が100万分の1秒よりも遅くなると考えられてきた。

今回,研究グループは,1兆分の1秒の時間分解能と原子空間分解能をあわせ持つ超高速時間分解電子線回折法を駆使することにより,アゾベンゼン分子が液晶中で生じる集団運動が100億分の1秒程度の応答速度で生じることを突き止めた。

今回の研究で用いたアゾベンゼン分子は,層状で分子が一方向に並んだ状態のスメクティック液晶相になっている。この分子の配列は,アゾベンゼン分子が曲がる方向にそろうように集団的に変化する。これは,液晶中において今まで考えられてきた分子の応答速度に比べて1万倍以上の速度で光異性化が生じていることを示唆し,さらに分子が非常に速く一方向にそろうという新しい機能を示しているという。

研究グループは,今回の研究で得られた知見により,これまでより1万倍以上高速な応答速度を持つ光駆動型の液晶素子(光スイッチ,光センサー,光アクチュエーター)などへの応用が可能となり,さらに,光を用いた分子機能集合体(分子ロボットや人工組織など)への応用に役立つとしている。

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