新規光機能性キラル剤を用いた円偏光発光型フォトニック液晶の創製

• Project/Area Number: 18H00308
• Research Category: Grant-in-Aid for Encouragement of Scientists
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: 2190:Physical chemistry, functional solid state chemistry, organic chemistry, inorganic/coordination chemistry, analytical chemistry, polymers, organic materials, inorganic materials chemistry, energy-related chemistry, biomolecular chemistry and related fields
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 西川 浩矢 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 特別研究員
• Project Period (FY): 2018
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥370,000 (Direct Cost: ¥370,000); Fiscal Year 2018: ¥370,000 (Direct Cost: ¥370,000)
• Keywords: キラル剤 / フォトニックバンドギャップ / フォトニック液晶

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、コレステリック液晶やブルー相といったフォトニック液晶がもつフォトニックバンドギャップ(PBG)制御によって円偏光発光のON-OFFが可能な新規円偏光発光素子を創製することを志向し、光学活性部位と高い発光特性を示す発光団を組み合わせた新規発光キラル剤の開発とその発光特性を評価した。
可視光波長オーダーのらせん周期構造をもつフォトニック液晶はキラル剤により容易に誘起できる。そこで、著者は光学活性部位であるビナフチル骨格と高い発光特性を示すアゾーホウ素部位を組み合わせた発光キラル剤を分子設計した。しかしながら、この発光キラル剤は精製が困難であることが明らかとなったため、ビスピロメテン部位を発光部位として採用し、分子設計・合成を行なった。設計分子の発光特性はDFT計算により予測した。
合成した本発光キラル剤は、種々の測定により次の特性を持つことが明らかとなった。1) 約220nmと約490nmの波長領域に大きな吸収帯が存在し、励起光(λex=490nm)により515nm付近に発光帯が出現する(量子収率Φ=0.34)。2) 母液晶5CB-JC、E7中で各々93.3μm^<-1>、78.4μm^<-1>の大きなねじれ力を示し、いずれも右らせん構造のコレステリック液晶を誘起する。本発光キラル剤により作製したフォトニック液晶素子は、発光キラル剤の少量添加(4.19wt%)で発光帯とPBGを重ねることが可能であり、また光学濃度も0.3と低いためバルク中からの発光を可能とする。実際には素子のPBG幅は発光帯全域に比べ狭く、円偏光発光のOFF状態をとることができなかったが、PBG端で発光強度が約2倍増幅する現象を見出した。これはレーザー発振する可能性を示唆している。
以上、本来の研究目的と変更があったものの、ビスピロメテン部位を有する新規発光キラル剤の開発に成功し、フォトニック液晶内に別途色素を導入する従来の液晶色素レーザーとは異なり本発光キラル剤と液晶の2種類を混ぜるだけで作製できる新規液晶レーザー創製の可能性を見出した。