キラルシリカを“微小らせん石英セル”として利用した円偏光発光制御技術の開発

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スポットライトリサーチ

キラルシリカを“微小らせん石英セル”として利用した円偏光発光制御技術の開発

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第577回のスポットライトリサーチは、大阪工業大学工学研究科化学・環境・生命工学専攻平井研究室の坂井飛成（さかいひなり）さんにお願いしました。

平井研究室では精密重合法を基盤とした新規高分子材料開発に関する研究に取り組んでいます。今回のプレスリリースでは、かご型シルセスキオキサン(POSS)含有高分子より調製したキラルシリカが“極小のらせん形状を持った石英セル”として働き、蛍光分子および溶媒分子を内包することで円偏光発光(CPL)の発光色の制御が可能になることを報告しました。

この研究成果は国立研究開発法人エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)のムーンショット型研究事業(JPNP18016)および燃料電池等利用の飛躍的拡大に向けた共通課題解決型産学官連携研究開発事業(JPNP20003)、ＪＳＰＳ科研費(JP22K05245)により推進され、「JACS Au」誌、および大阪工業大学、東京工業大学、国立陽明交通大学（台湾）よりプレスリリースで発表されました。

Controlling Circularly Polarized Luminescence Using Helically Structured Chiral Silica as a Nanosized Fused Quartz Cell

Hinari Sakai, Tsz-Ming Yung, Tomoki Mure, Naoki Kurono, Syuji Fujii, Yoshinobu Nakamura, Teruaki Hayakawa, Ming-Chia Li, and Tomoyasu Hirai

JACS Au 2023 3 (10), 2698-2702

DOI: doi.org/10.1021/jacsau.3c00390

研究室を主宰されている平井智康准教授より坂井さんについてコメントを頂戴いたしました！

坂井飛成君は4年生で研究室に配属されて以来、キラルシリカの用途探索に関する研究に取り組んできました。キラルシリカを調製するためのPOSS含有高分子はアニオン重合法に基づき調製するため、高度の技術を必要とします。器用で几帳面な、負けず嫌いの性格であり、数多くのキラルシリカの調製、キラルシリカへの分子内包に関する検討に果敢に取り組んでくれました。未踏領域となっていたキラルシリカのナノ石英セルとしての利用方法も坂井君の性格なしには発見できなかったと思います。教員として、坂井君の努力の成果を論文としてまとめることができてとても嬉しく思っています。

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。

キラルシリカはキラル界面活性剤を鋳型とし、テトラエトキシシランのゾルーゲル反応を利用することで調製されてきました。しかしながら、得られるらせんのサイズが分子サイズと比較して大きいことが課題となっていました。我々は独自に立体規則性を制御したPOSS含有メタクリレート高分子に対して少量のキラルドーパントを添加し、この混合物を焼成することで分子サイズのらせん構造を有するキラルシリカを得ました。

一方、蛍光分子として、ピラニンに注目しました。ピラニンは水中では緑色、メタノール中では青色の蛍光発光を示します。調製したキラルシリカに対してピラニンおよび溶媒分子を内包させることで、緑〜青色の領域において蛍光発光色を制御したCPLが得られることを明らかにしました。また、キラルシリカの中に溶媒分子と蛍光分子が内包されていますのでこの材料は粉末として取り扱うことができます。

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。

キラルシリカの調製と分子導入を成し遂げた点です。キラルシリカを調製すると振動円偏光二色性(VCD)から美しい分裂型のコットン効果が観測されます。一方、シリカは紫外から可視領域では透明であるため、円二色性(CD)では信号が得られません。クロモフォアがキラルシリカに内包され、さらにらせんに沿って配列されるならば、CD測定より特異なコットン効果を観測できるのではないかと考えました。実際に実験を行い、CDからコットン効果が観測された時は感動しました。

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？

Q2とも関連がありますが、キラルシリカに対して導入可能な分子を選択した点です。透過型電子顕微鏡(TEM)観察像より、キラルシリカの空孔サイズは評価していましたが、導入できるはずのサイズからなる分子を思うように内包できない状況が続きました。キラルシリカを焼成する過程で極性官能基であるSi-OH骨格が残存していると仮説を立て、極性の高い分子を選択することで状況を乗り越えることができました。

Q4. 将来は化学とどう関わっていきたいですか？

今回の実験を通して様々な発見があり、化学の面白さを肌で感じることができました。微力ながら、化学を通じて、日本の社会をよりよいものにすることができる研究者になりたいと思っています。CPLは量子コンピュータ開発にも注目されている技術ですので、化学以外にも興味を持ちながら、材料開発に携わっていきたいです。