[スポンサーリンク]

スポットライトリサーチ

高効率な可視-紫外フォトン・アップコンバージョン材料の開発 ~太陽光や室内LED光から紫外光の発生~

[スポンサーリンク]

第285回のスポットライトリサーチは、九州大学大学院工学府(君塚研究室)・原田直幸さんにお願いしました。

フォトン・アップコンバージョンという技術は可視光(低エネルギー)を紫外光(高エネルギー)へと変換できるため、これまで不可能と考えられてきた低エネルギーの光の利用を可能にする革新的な技術です。その性質から、光触媒や太陽電池などの効率を高めることが期待されています。原田さんが所属する君塚研究室・楊井グループでは、三重項状態を用いたアップコンバージョン材料の開発に力を入れています。今回ご紹介いただける内容は、その中でも非常に高効率な材料の開発に成功したという報告です。本成果は、Angew. Chem. Int. Ed.誌 原著論文およびプレスリリースに公開されています。

“Discovery of Key TIPS‐Naphthalene for Efficient Visible‐to‐UV Photon Upconversion under Sunlight and Room Light”
Naoyuki Harada, Yoichi Sasaki, Masanori Hosoyamada, Nobuo Kimizuka, Nobuhiro Yanai
doi:10.1002/anie.202012419

原田さんを直接指導する楊井伸浩准教授から、原田さんについて以下のコメントを頂いています。

原田君は4年生の頃から2年ほど、実は別の研究テーマに取り組んでいました。これまでのアップコンバージョン材料の限界を超える性能を得ることを目指し、非常に多くの分子を計算科学に基づきスクリーニングし、実際にいくつもの分子を合成して評価を行いましたが、なかなか期待したような結果は得られませんでした。普通ですと心が折れそうになる状況ですが、原田君は驚くべき忍耐力と体力で、自ら新しいアイデアや分子設計を思いついては試し続けました。しかし、残念ながら今のところ上手くいっていません。
そのような状況の中、コロナ禍で実験さえ出来なくなりました。ようやく実験を再開できるようになったころ、気分を変えて新しいテーマに取り組んでみようかと原田君とその指導役の佐々木君と相談し、今回の研究をスタートさせました。するとこれまでの苦労が嘘のように、非常に短期間で素晴らしい結果が得られました。実に合成を開始してから2か月ほどでほぼ論文の形にまとまりました。
これは原田君の凄まじい集中力と体力の賜物ですが、振り返って考えると、原田君が失敗の中で磨いてきた合成と測定の力が、別のテーマにおいて遺憾なく発揮されたことに気が付きます。まずは目的の化合物を短期間で十分な純度で得ること。そして佐々木君と共に、アップコンバージョンの性能を正確に評価するノウハウを築き上げてきたこと。原田君の並々ならぬ努力が今回報われ、私としてはほっとしたというのが正直な気持ちです。類まれなる忍耐力と芯の強さを持ち、理論・合成・測定の優れた技術を身に着けた原田君が今回の成果をばねに今後どのように研究を発展させていくのか。それに併走するのがとても楽しみです。

それでは今回もインタビューをお楽しみください!

Q1. 今回プレスリリースとなったのはどんな研究ですか?簡単にご説明ください。

可視光から紫外光へ変換することができるフォトン・アップコンバージョン(TTA-UC)と呼ばれる技術の変換効率を、これまでの2倍となる20%の効率を示す材料を開発しました。

フォトン・アップコンバージョンは低エネルギー(長波長)な光をより高エネルギー(短波長)な光へ変換するための方法です。今回の研究では、有機分子の三重項状態を利用してアップコンバージョンを行うTTA-UC(Triplet-triplet annihilation-based photon upconversion)と呼ばれる技術を用いました。TTA-UCでは、図のようにドナーとアクセプターの2種類の分子が関与し、ドナーが吸収したエネルギーの光(S1,D)よりも大きなエネルギー(S1,A)を持つ光がアクセプターから放出されます。

従来の可視光から紫外光へ変換するアップコンバージョン材料では、変換効率が10%以下と低く、また太陽光強度(mW/cm2)よりも桁違いに大きな光(>W/cm2)が必要でした。これはドナーとして用いている量子ドットやペロブスカイトナノ結晶といった無機増感剤がアクセプターの発光を再吸収してしまうこと、アクセプターのTTA効率が悪いことなどが原因です。

本研究では、アクセプターの発光を再吸収しにくいドナーと、そのドナーで増感可能な三重項を有するかつ高いTTA効率を示すアクセプターを用いることで、従来の変換効率を大幅に上回る20%を示す材料の開発に成功しました。また、太陽光や屋内のLED照明の光でもアップコンバージョン発光を示すことを確認しました。

太陽光や屋内のLED光に多く含まれる可視光から効率よく有用な紫外光を発生させることができる本材料を光触媒と複合化することで、環境問題やエネルギー問題の解決に貢献することが期待されます。

Q2. 本研究テーマについて、自分なりに工夫したところ、思い入れがあるところを教えてください。

実を言うと、研究を始めてから思いを入れ込むほどの時間はありませんでした。第一波のコロナ明けから研究を始めたのですが、いつまた大学が封鎖されるかもわからない状況でしたのでとにかく急いで実験を行いました。幸いにも研究は進み、論文を投稿することができました。余裕はあまりなかったと思いますが、良いプレッシャーだったのかもしれません。

Q3. 研究テーマの難しかったところはどこですか?またそれをどのように乗り越えましたか?

今回は効率が大幅に向上したことを示さなければならず、効率の算出は慎重に行いました。通常行う相対法という方法だけでなく、積分球を用いた絶対法でも確かめました。実はこの絶対法での評価法はアップコンバージョン材料にとっては扱いが難しく、正しく測定するために何度も測定を行う必要がありました。測定自体はシンプルなのですが、今ではかなり気合いを入れて測定しなければならない測定の一つとなりました。

Q4. 将来は化学とどう関わっていきたいですか?

TTA-UCはエネルギー、環境問題を解決することができるポテンシャルを秘めているので、まずはそのポテンシャルを十分に引き出せるような材料を開発していこうと考えています。また、三重項状態を利用した機能はTTA-UC以外の分野にもあるので、そのような化学との融合領域を研究できたらいいなと思います。

Q5. 最後に、読者の皆さんにメッセージをお願いします。

この研究を行う前までは別の研究を行っていたのですが、思うような結果が得られないことが多々有りました。それでもあきらめずに研究を続けていたおかげで、別のテーマですが今回の研究では迅速な測定や評価を行うことができました。失敗の連続の中にも将来的に役に立つことがたくさんあるはずなので、何かを取り組み続けることが重要だと思います。

関連リンク

  1. 九州大学 工学研究院 君塚研究室
  2. プレスリリース:可視光から紫外光へのアップコンバージョン効率の世界記録を大幅に更新 ~太陽光や室内LEDからエネルギー創出・環境浄化に有用な紫外光を発生~
  3. 楊井 伸浩 Nobuhiro Yanai
  4. 多孔性材料の動的核偏極化【生体分子の高感度MRI観測への一歩】
  5. 光照射によって結晶と液体を行き来する蓄熱分子

研究者の略歴

名前:原田直幸
所属:九州大学大学院工学府 君塚研究室
専門:光化学
略歴:
2019年3月 九州大学工学部 物質科学工学科 卒業
2019年4月 九州大学大学院工学府 物質創造工学専攻 修士課程 進学

Avatar photo

りゅーとも

投稿者の記事一覧

博士 (理学)。現在は某化学メーカー勤務の社会人。学生時代は超高速分光を嗜んでました。

関連記事

  1. 【2021年卒業予定 修士1年生対象】企業での研究開発を知る講座…
  2. 材料・製品開発組織における科学的考察の風土のつくりかた ー マテ…
  3. 第28回光学活性化合物シンポジウム
  4. 配位子保護金属クラスターを用いた近赤外―可視光変換
  5. 有機合成化学協会誌10月号:不飽和脂肪酸代謝産物・フタロシアニン…
  6. 乙卯研究所 2025年度下期 研究員募集
  7. リケラボとコラボして特集記事を配信します
  8. 植物毒の現地合成による新規がん治療法の開発

注目情報

ピックアップ記事

  1. 最近の有機化学注目論文3
  2. 2つのグリニャールからスルホンジイミンを作る
  3. シューミン・リー Shu-Ming Li
  4. 化学の歴史
  5. 「自然冷媒」に爆発・炎上の恐れ
  6. 研究開発DXとマテリアルズ・インフォマティクスを繋ぐmiHub
  7. ケムステ版・ノーベル化学賞候補者リスト【2024年版】
  8. 超原子価ヨウ素反応剤を用いたジアミド類の4-イミダゾリジノン誘導化
  9. 中村 浩之 Hiroyuki NAKAMURA
  10. 有機合成化学協会誌2021年6月号:SGLT2阻害薬・シクロペンチルメチルエーテル・4-メチルテトラヒドロピラン・糖-1-リン酸・新規ホスホジエステラーゼ阻害薬

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2020年12月
 123456
78910111213
14151617181920
21222324252627
28293031  

注目情報

最新記事

水分はどこにあるのか【プロセス化学者のつぶやき】

前回まで1. 設定温度と系内の実温度のお話2. 温度値をどう判断するか3. 反応操作をし…

「MI×データ科学」コース 〜LLM・自動実験・計算・画像とベイズ最適化ハンズオン〜

1 開講期間2026年5月26日(火)、29日(金) 計2日間2 コースのねらい、特色近…

材料の数理モデリング – マルチスケール材料シミュレーション –

材料の数理モデリング概要材料科学分野におけるシミュレーションを「マルチスケール」で理解するた…

第59回天然物化学談話会@宮崎(7/8~10)

ごあいさつ天然物化学談話会は、全国の天然物化学および有機合成化学を研究する大学生…

トッド・ハイスター Todd K. Hyster

トッド・カート・ハイスター(Todd Kurt Hyster、1985年10月10日–)はアメリカ出…

“最難関アリル化”を劇的に加速する固定化触媒の開発

第 703回のスポットライトリサーチは、横浜国立大学大学院 理工学府 博士課程前期で…

「ニューモダリティと有機合成化学」 第5回公開講演会

従来の低分子、抗体だけでなく、核酸、ペプチド、あるいはその複合体(例えばADC(抗体薬物複合体))、…

溶融する半導体配位高分子の開発に成功!~MOFの成形加工性の向上に期待~

第702回のスポットライトリサーチは、関西学院大学理学部(田中研究室)にて助教をされていた秋吉亮平 …

ミン・ユー・ガイ Ming-Yu Ngai

魏明宇(Ming-Yu Ngai、1981年X月XX日–)は米国の有機化学者である。米国パデュー大学…

第55回複素環化学討論会

複素環化学討論会は、「複素環の合成、反応、構造および物性」をテーマとして、化学・薬学・農芸化学など幅…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP