2015 Fiscal Year Annual Research Report
光合成光捕獲系における電子エネルギー移動ダイナミクスとその環境適応性の分子理論
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25708003
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| Research Institution | Institute for Molecular Science |
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Principal Investigator |
石崎 章仁 分子科学研究所, 協奏分子システム研究センター, 特任准教授 (60636207)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 量子ダイナミクス / 光合成光捕集系 / エネルギー移動 / 電荷分離反応 / 太陽電池 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成２７年度は、光合成初期過程・光捕集系における電子エネルギー移動・初期電荷分離反応の量子ダイナミクス計算・理論解析を通して得た知見をもとに、有機分子結晶で見られる超高速シングレットフィッションが可能となる物理学的・物理化学的原因を明らかにする研究を開始した。
シングレット・フィッションは１つの一重項励起状態から２つの三重項状態が生じる過程であり、有機分子結晶で観測されており、有機太陽電池の光電変換効率を向上させる新たな指針の一つとして注目されている。スピンフリップを伴う分子過程であるにも関わらず、ペンタセンやその誘導体のいくつかの系では数百フェムト秒程度で起こることがレーザー分光実験によって示されている。多くの研究グループが実験・理論の両面から研究を進めているが、フィッションの過程や速度を支配する分子機構の詳細は現状では未解明である。
平成２７年度は、シングレット・フィッション過程のダイナミクスを記述し得るハミルトニアンを構築し、我々がこれまで開発に寄与してき量子ダイナミクス理論に基いて数値的に正確に計算することで、新たな洞察を得ようとした。現段階は未だ準備研究の段階であるが、異なる分光実験グループが見出している（１）数種類のペンタセン誘導体のフィッション速度 (Yost et al, Nat. Chem. 6, 492 (2014).), （２）一重項状態と三重項状態ペアとの間の量子力学的非局在化状態 (Chan et al. Science 3, 34, 1541 (2011).), （３）フィッション速度の温度非依存性 (Chan et al. Nat. Chem. 4, 840 (2014)).を統括的に説明できつつある。これらの成果は, Journal of Physical Chemistry Letters 7, 363 (2016)として出版された。 本プロジェクトに関連して、日本、米国、韓国、香港、シンガポール、タイにおける会議において１０件の招待講演、また日本、米国、韓国の大学・研究所において６件の依頼講演の機会を得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまでの光合成初期過程・光捕集系における電子エネルギー移動・初期電荷分離反応の量子ダイナミクス計算・理論解析を通して得た知見をもとに、平成２７年度は有機分子結晶で見られる超高速シングレットフィッションが可能となる物理学的・物理化学的原因を明らかにする研究を開始した。当初の研究計画では、有機太陽電池などへの展開は計画していなかったが、分野の密な関連性および重要性と我々に可能な寄与の大きさを鑑みて研究に着手し、Journal of Physical Chemistry Letters に出版している。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成２７年度に開始したシングレット・フィッションの理論解析は、未だ準備研究の段階であり、実験結果との定量的な比較・検討を可能とする、より詳細な理論モデルの構築が望まれる。実際、Kukuraらの実験により分子内振動の寄与が指摘されている (Musser et al, Nat. Phys. 11, 352 (2015))。平成２８年度は、特に分子内振動などの寄与を取り入れた、より現実に即した理論モデルを構築し理論解析を進める必要がある。今後の研究の方向性としては、環境自由度やフォノンを制御することで注目する量子ダイナミクスを制御するエンバイロンメンタル・エンジニアリングの視点も念頭に置きながら、研究の展開を図りたい。
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| Causes of Carryover |
海外出張経費として計上した予算分のうち招待講演依頼で先方負担となることが数件あったため、次年度使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
成果発表・情報収集のための海外出張経費として使用する。
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