2018 Fiscal Year Research-status Report
一次元ナノ空間内部スチルベン誘導体の分子配列制御による新規波長変換素子の創製
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18K04864
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
湯村 尚史 京都工芸繊維大学, 材料化学系, 教授 (80452374)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | カーボンナノチューブ / 密度汎関数法計算 / パイ共役 / 二次の非線形光学特性 / ナノ空間 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
カーボンナノチューブへのジメチルアミノニトロスチルベンの内包過程におけるポテンシャルエネルギー曲面に関する知見を分散力を考慮した密度汎関数法計算により得た. 一般に, カーボンナノチューブに パイ共役系分子が内包するときに毛管力が働くことが知られているが, 本研究によりこの力がCHーpi 相互作用や piーpi 相互作用に由来することを見出した. さらに, 直径 1 nm 以下のチューブ内部のジメチルアミノニトロスチルベン集合体は一列に配列することがわかった。一方、直径 1 nm 以上のチューブ内部のジメチルアミノニトロスチルベン集合体の場合, 熱力学的に安定な配列は積層型であるものの, 速度論を利用することにより一列配列を安定に存在させることが可能なことも見出してした. このジメチルアミノニトロスチルベン一列配列は二次の非線形光学特性を発現する.このため, 直径 1 nm 以上のチューブ内部においても二次の非線形光学特性を発現するジメチルアミノニトロスチルベン集合体を, 速度論を利用することにより作成可能であることが明らかとなった.
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
一年目の研究目標は, 「カーボンナノチューブに内包されたスチルベンゲスト集合体の準安定状態の探索」であった。この方針に従い今年度の研究により, カーボンナノチューブへのジメチルアミノニトロスチルベンの内包過程におけるポテンシャルエネルギー曲面に関する知見を得ることができた. 実際, 複数の準安定構造が存在することや隣接する準安定構造は一つの遷移状態が存在することがわかった. さらに, 太いチューブ内部におけるジメチルアミノニトロスチルベンの内包過程の活性化エネルギーを見積もることに成功し, 熱エネルギーで十分に超えられる程度の値であることが明らかになった. この結果は, 外部から与える熱を制御することにより, 二次の非線形光学特性を示すのに最適なスチルベンゲスト集合体の配列を作成することが可能であることを示唆している. 従って, 今年度の研究は, 当初の計画以上に進展しているといってよい.
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度で得られたカーボンナノチューブ内部のスチルベンゲスト集合体の準安定状態の情報を基に, スチルベンゲスト集合体の非線形感受率を計算する. 一般に, 分子集合体の二次の非線形感受率は, その分子配列に依存する. カーボンナノチューブ内部のスチルベンゲスト集合体の準安定状態は, その相対エネルギーに依存して様々な分子配列や構造をとる. 従って本研究では, カーボンナノチューブ内部のスチルベンゲスト集合体の準安定状態における非線形感受率を算出する. その後, ある温度における準安定状態の存在確率をボルツマン分布により算出し, スチルベンゲスト集合体の非線形感受率の期待値がどのように温度に依存するかを予測する. スチルベンゲスト集合体の分子配列は, ホストーゲスト相互作用およびゲストーゲスト相互作用のバランスにより決定される. このため, 直径の異なるホストチューブにスチルベンゲスト集合体を取り込むことにより, この二つの相互作用のバランスを調整し, その結果として非線形光学特性を最大化させるための分子配列を得る.
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| Causes of Carryover |
当該年度の計画の「カーボンナノチューブに内包されたスチルベンゲスト集合体の準安定状態
の探索」について, 当初計画よりも効率的に計算時間の確保と計算速度の向上が可能となった.このため, 当初計画で計上していた大型計算機の購入に必要な物品費を大幅に削減することができたために未使用額が生じた. 来年度の計画では,「スチルベン誘導体内包カーボンナノチューブの非線形光学特性の温度依存性」には膨大な計算コストが見込まれるため, これを行うための大型計算機の購入に未使用額を充てる.
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