Creation of energy conversion systems based on photoresponsive molecular crystals

• Project Area: Molecular Engine: Design of Autonomous Functions through Energy Conversion
• Project/Area Number: 21H00411
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Rikkyo University
• Principal Investigator: 森本 正和 立教大学, 理学部, 教授 (70447126)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2021: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
• Keywords: 発動分子 / 分子結晶 / エネルギー変換 / フォトクロミズム

Outline of Research at the Start

光応答性分子結晶の光誘起形状変化現象を発展させ、発動分子の機械的な動きを利用した新しいエネルギー変換機構の創出を目指す。構成分子の光化学反応に伴う機械的な動きが誘起する結晶格子変形が関わる動作原理により光エネルギーを力学的エネルギーや電気エネルギーへと変換し、さらには一波長の光照射による自律振動機能に基づき連続的に駆動する発動分子エネルギー変換システムの創出に挑戦する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、光応答性分子結晶の光誘起形状変化現象（フォトメカニカル効果）を発展させ、発動分子の機械的な動きを利用した新しいエネルギー変換機構を創出することを目的とした。分子結晶の反応性や物性、機能はその結晶構造に強く依存するため、適切な分子設計により結晶構造を制御する方法論が求められる。ジアリールエテン系フォトクロミック分子を対象として、硫黄原子の酸化状態に着目した二成分混晶の作成と光応答機能について検討した。
２つのベンゾチオフェン環の両方の硫黄原子が酸化されてスルホンになった分子（1）と片方の硫黄原子のみが酸化されてスルホンになった分子（2）を混合した溶液から再結晶を行うと、無色の単結晶が得られた。この結晶について、高速液体クロマトグラフィーによる成分分析および単結晶Ｘ線回折による構造解析を行った結果、1の結晶格子の中に2がドーパントとして含まれた混晶であることが分かった。1と2は硫黄原子の酸化状態が異なるが、分子構造は類似しているために混晶を形成したと考えられる。無色の二成分混晶に紫外光を照射すると橙色に変化した。これは、紫外光の照射により、結晶中に1の黄色の閉環異性体と2の赤色の閉環異性体の両方が生成したためである。また、二成分混晶に対して照射する光の波長を変えることで、二種のジアリールエテンを選択的に光異性化させることができ、混晶は無色から橙色・黄色・赤色へと変化し、多色フォトクロミズムを示した。このような二成分フォトクロミック分子結晶は、マルチカラーディスプレイや多重光メモリ、照射光波長により運動を制御できるフォトメカニカル材料などとして機能する可能性がある。硫黄原子の酸化状態の違いを利用した混晶作成のアプローチは、発動分子結晶の結晶構造と機能の制御を可能とするだけでなく、有機分子結晶全般においても広く適用できると期待される。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Chalmers University of Technology(スウェーデン)
• [Journal Article] Diarylethene Isomerization by Using Triplet-Triplet Annihilation Photon Upconversion (2023)
  • Author(s): Wera Larsson, Masakazu Morimoto, Masahiro Irie, Joakim Andreasson, Bo Albinsson
  • Journal Title: Chemistry-A European Journal Volume: 29 Issue: 13
  • DOI: 10.1002/chem.202203651
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Efficient surface peeling, a photoinduced result of photochromic diarylethene crystal by multistep light irradiation (2023)
  • Author(s): Y. Nakagawa, M. Morimoto, S. Yokojima, S. Nakamura, K. Uchida
  • Journal Title: Cryst. Growth Des. Volume: 23 Issue: 3 Pages: 1581-1591
  • DOI: 10.1021/acs.cgd.2c01202
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A turn-on mode fluorescent diarylethene having an azacrown ether receptor: Metal-ion-gated enhancement of the photoreactivity and fluorescence (2023)
  • Author(s): Takaku Shota、Nishimura Ryo、Morimoto Masakazu
  • Journal Title: Dyes and Pigments Volume: 216 Pages: 111354-111354
  • DOI: 10.1016/j.dyepig.2023.111354
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] White light emission generated by two stacking patterns of a single organic molecular crystal (2022)
  • Author(s): Nakagawa Yuma、Kinoshita Kuon、Kasuno Megumi、Nishimura Ryo、Morimoto Masakazu、Yokojima Satoshi、Hatakeyama Makoto、Sakamoto Yuki、Nakamura Shinichiro、Uchida Kingo
  • Journal Title: Materials Advances Volume: 3 Issue: 16 Pages: 6466-6473
  • DOI: 10.1039/d2ma00670g
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Phototunable Golden Luster Microcrystalline Film of Photochromic Diarylethene (2022)
  • Author(s): Nakagawa Yuma、Nishimura Ryo、Morimoto Masakazu、Yokojima Satoshi、Nakamura Shinichiro、Uchida Kingo
  • Journal Title: Bulletin of the Chemical Society of Japan Volume: 95 Issue: 10 Pages: 1438-1444
  • DOI: 10.1246/bcsj.20220169
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Multicolor Photochromism of Two-Component Diarylethene Crystals Containing Oxidized and Unoxidized Benzothiophene Groups (2022)
  • Author(s): Nishimura Ryo、Nagakawa Yurika、Morimoto Masakazu
  • Journal Title: Crystals Volume: 12 Issue: 12 Pages: 1730-1730
  • DOI: 10.3390/cryst12121730
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Visualization of the microstructure and the position-dependent diffusion coefficient in a blended polymer solid using photo-activation localization microscopy combined with single-molecule tracking based on one-color fluorescence-switching of diarylethene (2022)
  • Author(s): Ito Syoji、Funaoka Misato、Hanasaki Itsuo、Takei Satoshi、Morimoto Masakazu、Irie Masahiro、Miyasaka Hiroshi
  • Journal Title: Polymer Chemistry Volume: 13 Issue: 6 Pages: 736-740
  • DOI: 10.1039/d1py01100f
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photoinduced cytotoxicity of photochromic symmetric diarylethene derivatives: the relation of structure and cytotoxicity (2022)
  • Author(s): Yuma Nakagawa, Tatsuya Hishida, Eri Hatano, Kimio Sumaru, Kana Morishita, Masakazu Morimoto, Satoshi Yokojima, Shinichiro Nakamura, Kingo Uchida
  • Journal Title: Organic & Biomolecular Chemistry Volume: 20 Issue: 15 Pages: 3211-3217
  • DOI: 10.1039/d2ob00224h
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Turn-on mode fluorescent diarylethene containing neopentyl substituents that undergoes all-visible-light switching (2022)
  • Author(s): R. Nishimura, E. Fujisawa, I. Ban, R. Iwai, S. Takasu, M. Morimoto, M. Irie
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 58 Issue: 30 Pages: 4715-4718
  • DOI: 10.1039/d2cc00554a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fluorescence Switchable Conjugated Polymer Microdisk Arrays by Cosolvent Vapor Annealing (2021)
  • Author(s): Yamagishi Hiroshi、Matsui Tokiya、Kitayama Yusuke、Aikyo Yusuke、Tong Liang、Kuwabara Junpei、Kanbara Takaki、Morimoto Masakazu、Irie Masahiro、Yamamoto Yohei
  • Journal Title: Polymers Volume: 13 Issue: 2 Pages: 269-269
  • DOI: 10.3390/polym13020269
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Photochemically switchable interconnected microcavities for all-organic optical logic gate (2021)
  • Author(s): Hendra, A. Takeuchi, H. Yamagishi, O. Oki, M. Morimoto, M. Irie, Y. Yamamoto
  • Journal Title: Advanced Functional Materials Volume: 31 Issue: 34 Pages: 2103685-2103685
  • DOI: 10.1002/adfm.202103685
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photoinduced topographical surface changes and photoresponse of the crystals of 7-methoxycoumarin (2021)
  • Author(s): K. Yano, R. Nishimura, Y. Hattori, M. Morimoto, H. Sugiyama, T. Kamitanaka, S. Yokojima, S. Nakamura, K. Uchida
  • Journal Title: CrystEngComm Volume: 23 Issue: 34 Pages: 5780-5787
  • DOI: 10.1039/d1ce00444a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molecular crystalline capsules that release their contents by light (2021)
  • Author(s): A. Nagai, R. Nishimura, Y. Hattori, E. Hatano, A. Fujimoto, M. Morimoto, N. Yasuda, K. Kamada, H. Sotome, H. Miyasaka, S. Yokojima, S. Nakamura, K. Uchida
  • Journal Title: Chemical Science Volume: 12 Issue: 34 Pages: 11585-11592
  • DOI: 10.1039/d1sc03394h
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 5位にπ共役性置換基を有するビスベンゾチエニルエテンのフォトクロミズム (2023)
  • Author(s): 長谷川 雄大、森本 正和、西村 涼
  • Organizer: 日本化学会第103春季年会
• [Presentation] スルホン化ベンゾチオフェンを有する非対称ジアリールエテンの光応答特性 (2023)
  • Author(s): 西 克海、森本 正和、西村 涼
  • Organizer: 日本化学会第103春季年会
• [Presentation] ジアリールエテンの光応答特性に対する反応点アルキル置換基の効果 (2021)
  • Author(s): 藤澤 衣里、伴 威風、西村 涼、森本 正和、入江 正浩
  • Organizer: 2021年光化学討論会
• [Presentation] π共役を拡張した可視光応答型ジアリールエテンの合成 (2021)
  • Author(s): 吉川 篤宏、伴 威風、西村 涼、森本 正和、入江 正浩
  • Organizer: 2021年光化学討論会
• [Book] 未来を拓く多彩な色素材料：エレクトロニクスから医科学にまで広がる色素の世界（執筆担当章：超解像蛍光イメージングへ向けた光スイッチ型蛍光分子の開発） (2021)
  • Author(s): 森本 正和
  • Total Pages: 212
  • Publisher: 化学同人
  • ISBN: 9784759814002
• [Remarks] 立教大学森本正和研究室ホームページ
  • URL: https://www2.rikkyo.ac.jp/web/m-morimoto/index.html