阪大,近赤外光を選択的に吸収する無色透明材料開発

大阪大学の研究グループは,近赤外光を選択的に吸収しつつ,無色透明な特性を示す有機分子の設計と開発に成功した(ニュースリリース)。

近赤外光は高い生体透過性,物質透過性を示す。また近赤外光に対して応答を示す半導体材料は,近赤外光のイメージングや無色透明な太陽電池材料といった,様々な分野への応用開発が期待されている。さらに,有機分子でこれらの性質を発現することで薄く,柔軟な性質を生かしたフレキシブルやウェラブルなデバイスの開発が可能となる。

しかし,このような性質を持った分子の例は限られていることに加えて,分子を設計する指針も明確ではないという課題があり,近赤外光選択的に吸収を示しつつ,半導体特性を示す分子の設計指針の提唱が望まれていた。

研究グループでは,分子軌道の対称性に着目した新しい設計により,可視光範囲で起こりうる電子遷移を禁制,近赤外光領域の電子遷移のみを許容になるような分子軌道配置を設計した。実際に設計したPy-FNTz-B分子は理論計算から,近赤外光域に相当するHOMO→LUMO遷移が許容に,可視域の遷移となるHOMO→LUMO+1遷移とHOMO−1→LUMO遷移の二つが現れるが,いずれも禁制になることが判明した。

さらに,この遷移の違いがでる原因をLaporteの規則を用いて説明することに成功した。これは,軌道遷移に伴って,軌道の称性が保持される場合は禁制となり,軌道対称性が逆転する場合は許容になるもの。つまり,隣り合う軌道配置の対称性を互いに反転させることで最長波長を選択的に吸収することが可能になることを見出した。

実際に合成した分子の物性を調べたところ,Py-FNTz-Bは近赤外光選択的な吸収特性を示し,溶液やフィルム状態で無色透明な特性を示した。加えて,開発した分子をもとに,有機電界効果トランジスタを作製すると、近赤外光を照射することで電流増幅が起こり,吸収スペクトルに応じた選択的な光センシングを実現した。

このようにLaporteの規則に基づいて分子軌道の対称性をチューニングした分子を設計することで,近赤外光選択的な吸収特性と半導体特性を示す分子の開発が期待される。近赤外光選択的なセンシングは,肉眼で確認できない物質の傷などを検出できる近赤外線カメラやヘルスケアなどへの応用が期待される。

研究グループは,このような分子設計指針の提案は,近赤外光領域で発電可能な無色透明有機太陽電池開発や近赤外光遮蔽フィルム,セキュリティインクなどへの応用が可能な分子を創出するうえでも非常に有用なツールになるとしている。

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