2017 Fiscal Year Annual Research Report
Control of light-driven fast internal rotation in crystalline molecular gyroscopes: Theoretical design, synthesis, and measurement
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15KT0138
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
菅野 学 東北大学, 理学研究科, 助教 (30598090)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
瀬高 渉 首都大学東京, 都市環境科学研究科, 准教授 (60321775)
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| Project Period (FY) |
2015-07-10 – 2018-03-31
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| Keywords | 遷移状態 / 結晶 / 動的機能分子 / ナノテクノロジー / テラヘルツ波 / 分子動力学計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、超多次元系である固体（結晶）における化学反応や分子運動の遷移状態を制御する手法を開拓する。特に、結晶性分子ジャイロスコープの高速内部回転制御を目指す。分子ジャイロスコープは外部骨格（固定子）に保護された環（回転子）を持ち、それが結合を軸として回転する。回転子の挙動を瞬時に制御できれば、液晶よりも高速に動作する光学材料としての応用が見込まれる。我々は分子設計に基づく静的制御と光照射による動的制御を組み合わせた研究を計画した。
平成27年度は、フッ素置換回転子とジシロキサンかご状骨格を持つ分子ジャイロスコープの有効回転ポテンシャル曲線を算出し、約 5 kcal/mol の低い障壁を有する 2 つの遷移状態が存在することを明らかにした。回転の有効反応座標は環が軸周りに回るだけのものではなく、回転子と固定子が相関した複雑な運動である。ナノ秒動力学計算から室温での回転頻度を評価し、約 3 ns に 1 回の頻度で遷移状態を越えると予測した。
平成28年度は、光駆動回転シミュレーションを行った。フッ素置換の効果で環が光と相互作用して回る。回転子が光から供給されるエネルギーの半分以上を得るが、その大部分は固定子に流れる。これによって分子全体の実効的な温度が上昇し、回転障壁を越える。実験的に可能な電場強度（< 2 GV/m）では、数nsで連続回転に至ると考えられる。
平成29年度は、チオフェン回転子とエチレンかご状骨格を持つ分子ジャイロスコープの回転機構を調べた。この系は、285 K以下では結晶全体で双極子を打ち消すように環が秩序的な配向を取るのに対し、285 K以上では環が逆向きの安定構造間を移動することが確認されている。我々は環の配向が異なる複数のエネルギー的に準安定な中間構造の存在を示し、高温では直接的な180°反転ではなく、これらの中間構造を経由して回転する可能性を見出した。
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Research Products
(3 results)
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[Book] 分子マシンの科学2017
Author(s)
菅野 学, 河野 裕彦
Total Pages
200 (133-139)
Publisher
化学同人
ISBN
978-4-7598-1386-9
