Exploration of Fluctuation-Controllable Self-Assembled Supramolecular Systems and Elucidation of Their Control Mechanisms

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 17K05025
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Applied materials
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: Sato Shin-ichiro 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (10262601)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 自己組織化 / ポルフィリン / フラーレン / 分子動力学シミュレーション / 量子化学計算 / 非平衡グリーン関数法

Outline of Final Research Achievements

Exciton splitting in the absorption spectra of monocarboxylic acid tetraphenylporphyrin (TPPCOOH) and monocarboxymethyltetraphenylporphyrin (TPPCOOCH3) was successfully reproduced by molecular dynamics and TDDFT simulations of the self-assembled dimers of both polyphyrins.The difference in the thermodynamically stable structures of the two porphyrin dimers and the magnitude of their structural fluctuations was attributed to the difference in the hydration structures of the carboxylic acid and carboxymethyl groups.
The stable structures of self-assembled complexes of TPPCOOH and TPPCOOCH3 with fullerenes were also investigated, and a DA complex with controllable fluctuations was possible by linking porphyrins in a ring-like structure.

Free Research Field

計算物理化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

SASM（自己組織化超分子）は、共有結合では達成し難い構造を容易に可能とするため、数多く研究され、実用的にも幅広く用いられている。非共有結合から成るSASMの大きな特徴として、「構造の揺らぎ」がある。揺らぎがSASMの機能に与える影響は、タンパク質や生体膜等、SASMの塊である生体科学分野では以前から注目されてきたことである。しかしながら、SASMを用いた材料分野、特に電子材料分野では大きな着目は浴びてこなかった。今回、本研究により、環状にポルフィリンを連結させることで、フラーレンとの間に揺らぎ制御可能なDA錯体を生成可能であることが示唆された。