[スポンサーリンク]

スポットライトリサーチ

「フント則を破る」励起一重項と三重項のエネルギーが逆転した発光材料

[スポンサーリンク]

第421回のスポットライトリサーチは、大阪大学大学院工学研究科応用化学専攻 中山研究室の相澤 直矢(あいざわ なおや)助教にお願いしました。

今回ご紹介いただける成果は、理化学研究所の創発物性科学研究センター (CEMS) 創発超分子材料研究チーム (夫研究室)情報変換ソフトマター研究ユニット(宮島研究室)北海道大学大学院理学研究院化学部門 前田研究室による成果です。
有機光材料の常識であった“最低一重項励起状態(S1)のエネルギーは最低三重光励起状態(T1)のエネルギーよりも大きい”すなわちΔEST=E(S1)-E(T1)が正であるという常識を打ち破った革新的な報告です(ΔESTは一般的に”デルタ イー エス ティー”と読まれます)。光化学・計算科学・有機化学・デバイス科学の融合的なアプローチで、負のΔESTを持つ分子を合成・実証しています。分子が関わる光化学全体に衝撃を与えたこの成果は、Nature本誌に原著論文として公開され、もちろんプレスリリースもされています。

“Delayed fluorescence from inverted singlet and triplet excited states”
Naoya Aizawa, Yong-Jin Pu, Yu Harabuchi, Atsuko Nihonyanagi, Ryotaro Ibuka, Hiroyuki Inuzuka, Barun Dhara, Yuki Koyama, Ken-ichi Nakayama, Satoshi Maeda, Fumito Araoka & Daigo Miyajima, Nature 2022, 609, 502–506. DOI: 10.1038/s41586-022-05132-y

論文中では、タイトルとなっているこの新現象を、頭文字をとってDFISTと呼ぶことを提案しています。理論的に提唱されていたものが本当に現実のものになったということで、これからこのDFISTが光化学の新分野として発展していくことを期待しています。

相澤先生にスポットライトリサーチに寄稿いただくのは二度目です(参考:コンピューターが有機EL材料の逆項間交差の速度定数を予言!)。前回も計算化学による素晴らしい分子探索の成果でしたが、今回はなんと見つけた分子が教科書を書き換えるという大仕事! 背景にあったドラマを、インタビューを通じて感じていただければと思います。それでは、相澤先生の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。

1925年にドイツの物理学者フリードリヒ・フントは「同一の電子配置において、最大のスピン多重度を持つ状態が最低エネルギーを持つ」という経験則を提案しました。このフント則は、多電子原子や分子の基底状態および励起状態において広く成り立ちます。例えば、これまでに合成された数多くの有機分子の三重項励起状態のエネルギーは一重項励起状態より低く、両状態間のエネルギー差(ΔEST)は正であることが知られています。
本研究では、三重項励起状態より一重項励起状態のエネルギーが低い、すなわち負のΔESTを持つ有機EL発光材料を開発しました。負のΔESTに由来して、本材料の三重項励起状態は速やかに一重項励起状態、そして光子に変換されます。
驚くべきことに、負のΔESTの可能性は1980年代から議論されていました。しかし、実験的証拠がないまま現在に至っていました。詳しい先行研究や負のΔESTの起源については是非論文をご参照ください。

Q2. 本研究テーマについて、思い入れがあるところを教えてください。

本材料の発光特性を初めて評価したときは思わず声が出るほど感動しました。遅延蛍光寿命が217 nsと短いうえに、温度を下げると通常とは逆に短くなったのです。2020年8月のことですが、半信半疑だった負のΔESTの仮説が確信に変わった瞬間でした。その2年後にやっと皆様に共有することができて嬉しく思います。

(a) 負のΔESTを持つHzTFEX2の分子構造と(b) 過渡PL減衰の温度依存性
一重項励起状態が三重項励起状態よりも低エネルギーであるため、低温において一重項励起状態の占有密度(ポピュレーション)が増大し、遅延蛍光寿命が短くなる。

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?

前例がなかった負のΔESTをどう実証するかが難しかったです。そのために、量子化学計算、分光測定、デバイス評価の多角的な検証を行いました。その中でも、波動関数理論の励起状態計算や過渡吸収分光等は、本研究のために新たに導入したので、使いこなせるようになるまで時間が掛かりました。ただ、色々と思考を巡らせながらの証拠集めは、苦労したというより、楽しかったと記憶しています。一方で、論文の査読は非常に厳しかったです…(詳細はPeer Reviewer Fileとして公開されています)。
共同研究者の先生方をはじめとする多くの方々のご尽力により、本研究をやりきることができました。この場を借りて感謝申し上げます。

Q4. 将来は化学とどう関わっていきたいですか?

昨年から大阪大学工学研究科応用化学専攻の教育活動に携わっています。学生さんが、こちらの想定をはるかに超えるどんなすごい発見をしてくれるか今から楽しみです。そのためにも、だれもが安心して研究に取り組める環境づくりに力を入れたいです。

Q5. 最後に、読者の皆さんにメッセージをお願いします。

H. Rechenberg “Friedrich Hund” Physics Today 50, 126 (1997)によると、フント (1896–1997)は、第一・第二次世界大戦をドイツで経験しながら、101歳まで生き、250報以上の論文を発表しました。皆様の長寿と繁栄を!

関連リンク

  1. 原著論文 Delayed fluorescence from inverted singlet and triplet excited states
  2. プレスリリース 励起一重項と三重項のエネルギー逆転を実現-フントの規則を破る新しい有機EL材料として期待-
  3. C&EN記事 This organic molecule shines bright by breaking the rules

研究者の略歴

Profile:

名前:相澤 直矢(あいざわ なおや)
所属:大阪大学大学院工学研究科応用化学専攻
専門:有機エレクトロニクス
略歴:
2015年 山形大学理工学研究科 博士後期課程 修了 博士(工学)
2015年–2018年 九州大学稲盛フロンティア研究センター 特任助教
2017年–2021年 科学技術振興機構さきがけ研究員
2019年–2021年 理化学研究所創発物性科学研究センター 研究員/基礎科学特別研究員
2021年10月より現職

spectol21

投稿者の記事一覧

ニューヨークでポスドクやってました。今は旧帝大JKJ。専門は超高速レーザー分光で、分子集合体の電子ダイナミクスや、有機固体と無機固体の境界、化学反応の実時間観測に特に興味を持っています。

関連記事

  1. 有機合成化学協会誌2020年9月号:キラルナフタレン多量体・PN…
  2. ベンゼン一つで緑色発光分子をつくる
  3. 親子で楽しめる化学映像集 その2
  4. 分子集合の力でマイクロスケールの器をつくる
  5. 工程フローからみた「どんな会社が?」~タイヤ編 その2
  6. DNAを人工的につくる-生体内での転写・翻訳に成功!
  7. アミジルラジカルで遠隔位C(sp3)-H結合を切断する
  8. 外国人研究者あるある

コメント、感想はこちらへ

注目情報

ピックアップ記事

  1. 2015年化学生物総合管理学会春季討論集会
  2. 構造式を楽に描くコツ!? テクニック紹介
  3. Z-スキームモデル Z-Scheme Model
  4. MIを組織内で90日以内に浸透させる3ステップ
  5. ハプロフィチンの全合成
  6. 電子実験ノートSignals Notebookを紹介します ①
  7. 水をヒドリド源としたカルボニル還元
  8. 10手で陥落!(+)-pepluanol Aの全合成
  9. タミフル―米国―厚労省 疑惑のトライアングル
  10. 【好評につきリピート開催】マイクロ波プロセスのスケールアップ〜動画で実証設備を紹介!〜 ケミカルリサイクル、乾燥炉、ペプチド固相合成、エステル交換、凍結乾燥など

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2022年9月
 1234
567891011
12131415161718
19202122232425
2627282930  

注目情報

最新記事

アゾ重合開始剤の特徴と選び方

ラジカル重合はビニルモノマーなどの重合に用いられる方法で、開始反応、成長反応、停止反応を素反応とする…

先端事例から深掘りする、マテリアルズ・インフォマティクスと計算科学の融合

開催日:2023/12/20 申込みはこちら■開催概要近年、少子高齢化、働き手の不足の影…

最新の電子顕微鏡法によりポリエチレン分子鎖の向きを可視化することに成功

第583回のスポットライトリサーチは、東北大学大学院 工学研究科 応用化学専攻 陣内研究室の狩野見 …

\脱炭素・サーキュラーエコノミーの実現/  マイクロ波を用いたケミカルリサイクル・金属製錬プロセスのご紹介

※本セミナーは、技術者および事業担当者向けです。脱炭素化と省エネに貢献するモノづくり技術の一つと…

【書籍】女性が科学の扉を開くとき:偏見と差別に対峙した六〇年 NSF(米国国立科学財団)長官を務めた科学者が語る

概要米国の女性科学者たちは科学界のジェンダーギャップにどのように向き合い,変えてきたのか ……

【太陽ホールディングス】新卒採用情報(2025卒)

■■求める人物像■■「大きな志と好奇心を持ちまだ見ぬ価値造像のために前進できる人…

細胞代謝学術セミナー全3回 主催:同仁化学研究所

細胞代謝研究をテーマに第一線でご活躍されている先生方をお招きし、同仁化学研究所主催の学術セミナーを全…

マテリアルズ・インフォマティクスにおける回帰手法の基礎

開催日:2023/12/06 申込みはこちら■開催概要マテリアルズ・インフォマティクスを…

プロトン共役電子移動を用いた半導体キャリア密度の精密制御

第582回のスポットライトリサーチは、物質・材料研究機構(NIMS) ナノアーキテクトニクス材料研究…

有機合成化学協会誌2023年11月号:英文特別号

有機合成化学協会が発行する有機合成化学協会誌、2023年11月号がオンライン公開されています。…

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