励起状態でのダイナミクス制御に基づく高効率アップコンバージョン材料の開発

• 研究課題/領域番号: 18J21140
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 機能物性化学
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 佐々木 陽一 九州大学, 工学府, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2018-04-25 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 2,800千円 (直接経費: 2,800千円); 2020年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2019年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2018年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
• キーワード: 三重項－三重項消滅 / フォトン・アップコンバージョン / 一重項－三重項遷移 / 近赤外光 / 金属錯体 / オプトジェネティクス / 金属有機構造体

研究実績の概要

三重項－三重項消滅に基づくフォトン・アップコンバージョン (TTA-UC) は、低エネルギーの光子を高エネルギーの光子に変換する方法論である。本研究では一重項－三重項遷移 (S-T遷移) を示す Os 錯体を三重項増感剤として用いて、近赤外光から可視光への TTA-UC の高効率化を目指している。しかしながら、 S-T 遷移を示す Os 錯体は励起状態の寿命が短く、三重項エネルギー移動 (TET) を効率的に起こせないという問題がある。
一昨年度から昨年度にかけては、 Os 錯体に対し長寿命な励起状態を示すペリレンを連結させ、分子内 TET に基づく励起三重項 (T1) 状態の長寿命化を行った。その結果、有機溶媒中での励起状態の寿命が約120倍となった。しかし、連結後の錯体においてペリレン部位のりん光が確認され、 Os の重原子効果に由来するペリレン部位の励起状態の短寿命化が示唆された。
本年度は、色素連結型の Os 錯体を設計する上で重原子効果の制御が重要であるという考えの下、フェニレン架橋における置換位置の影響を評価した。ペリレンを導入するフェニレン架橋上の置換位置をパラ位からメタ位に変えたところ、錯体全体の励起状態が約3倍長寿命化した。この結果は、メタ位で連結した錯体の方が T1 状態のスピン密度に対する Os の電子密度の寄与が小さいという量子化学計算結果と対応しており、色素連結型の錯体における架橋構造の重要性が明らかとなった。以上の知見は、今後の長寿命な励起状態を示す三重項増感剤の設計に活かされ、フォトン・アップコンバージョンの更なる展開に資するものと期待される。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] チャルマース工科大学(スウェーデン)
• [国際共同研究] グル・ナーナク・デヴ大学(インド)
• [国際共同研究] キング・アブドゥッラー科学技術大学(サウジアラビア)
• [国際共同研究] 華中科技大学(中国)
• [国際共同研究] 成均館大学校/釜山大学校(韓国)
• [雑誌論文] Photon upconverting bioplastics with high efficiency and in-air durability (2021)
  • 著者名/発表者名: Bharmoria Pankaj、Hisamitsu Shota、Sasaki Yoichi、Kang Tejwant Singh、Morikawa Masa-aki、Joarder Biplab、Moth-Poulsen Kasper、Bildirir Hakan、M?rtensson Anders、Yanai Nobuhiro、Kimizuka Nobuo
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry C 巻: Advance Article 号: 35 ページ: 11655-11661
  • DOI: 10.1039/d1tc00287b
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Leaping across the visible range: near-infrared-to-violet photon upconversion employing a silyl-substituted anthracene (2020)
  • 著者名/発表者名: Haruki Rena、Sasaki Yoichi、Masutani Kouta、Yanai Nobuhiro、Kimizuka Nobuo
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 56 号: 51 ページ: 7017-7020
  • DOI: 10.1039/d0cc02240c
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photon Upconverting Solid Films with Improved Efficiency for Endowing Perovskite Solar Cells with Near‐Infrared Sensitivity (2020)
  • 著者名/発表者名: Kinoshita Mika、Sasaki Yoichi、Amemori Shogo、Harada Naoyuki、Hu Zhanhao、Liu Zonghao、Ono Luis K.、Qi Yabing、Yanai Nobuhiro、Kimizuka Nobuo
  • 雑誌名: ChemPhotoChem 巻: 4 号: 11 ページ: 5271-5278
  • DOI: 10.1002/cptc.202000143
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Discovery of Key TIPS‐Naphthalene for Efficient Visible‐to‐UV Photon Upconversion under Sunlight and Room Light** (2020)
  • 著者名/発表者名: Harada Naoyuki、Sasaki Yoichi、Hosoyamada Masanori、Kimizuka Nobuo、Yanai Nobuhiro
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 60 号: 1 ページ: 142-147
  • DOI: 10.1002/anie.202012419
  • 査読あり
• [雑誌論文] Near‐Infrared‐to‐Visible Photon Upconversion by Introducing an S?T Absorption Sensitizer into a Metal‐Organic Framework (2020)
  • 著者名/発表者名: Joarder Biplab、Mallick Arijit、Sasaki Yoichi、Kinoshita Mika、Haruki Rena、Kawashima Yusuke、Yanai Nobuhiro、Kimizuka Nobuo
  • 雑誌名: ChemNanoMat 巻: - 号: 6 ページ: 1-5
  • DOI: 10.1002/cnma.202000019
  • 査読あり
• [雑誌論文] Upconverting Oil-Laden Hollow Mesoporous Silica Microcapsules for Anti-Stokes-Based Biophotonic Applications (2019)
  • 著者名/発表者名: Lee Hak-Lae、Park Jung Hwan、Choe Hyun-Seok、Lee Myung-Soo、Park Jeong-Min、Harada Naoyuki、Sasaki Yoichi、Yanai Nobuhiro、Kimizuka Nobuo、Zhu Jintao、Bhang Suk Ho、Kim Jae-Hyuk
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 11 号: 30 ページ: 26571-26580
  • DOI: 10.1021/acsami.9b06620
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Near‐Infrared Optogenetic Genome Engineering Based on Photon‐Upconversion Hydrogels (2019)
  • 著者名/発表者名: Sasaki Yoichi、Oshikawa Mio、Bharmoria Pankaj、Kouno Hironori、Hayashi‐Takagi Akiko、Sato Moritoshi、Ajioka Itsuki、Yanai Nobuhiro、Kimizuka Nobuo
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 58 号: 49 ページ: 17827-17833
  • DOI: 10.1002/anie.201911025
  • 査読あり
• [雑誌論文] Absolute Method to Certify Quantum Yields of Photon Upconversion via Triplet-Triplet Annihilation (2019)
  • 著者名/発表者名: Yanai Nobuhiro、Suzuki Kengo、Ogawa Taku、Sasaki Yoichi、Harada Naoyuki、Kimizuka Nobuo
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry A 巻: 123 号: 46 ページ: 10197-10203
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.9b08636
  • 査読あり
• [雑誌論文] Supramolecular Crowding Can Avoid Oxygen Quenching of Photon Upconversion in Water (2019)
  • 著者名/発表者名: Kimizuka Nobuo、Kouno Hiroyuki、Sasaki Yoichi、Yanai Nobuhiro
  • 雑誌名: Chemistry - A European Journal 巻: 印刷中 号: 24 ページ: 6124-6130
  • DOI: 10.1002/chem.201806076
  • 査読あり
• [学会発表] 一重項－三重項遷移を示すオスミウム錯体の励起状態の長寿命化と重原子効果 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐々木陽一
  • 学会等名: 九州錯体化学懇談会
  • 招待講演
• [学会発表] Strategy to collect singlet energy in solid materials showing near-infrared-to-visible photon upconversion (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoichi Sasaki、David G Bossanyi、Shuangqing Wang、Mika Kinoshita、Shogo Amemori、Nobuhiro Yanai、Nobuo Kimizuka、Jenny Clark
  • 学会等名: 2020 年光化学 web 討論会
• [学会発表] Heavy atom effect in chromophore-combined osmium complexes showing singlet-to-triplet direct transition and elongated excited-state lifetimes (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoichi Sasaki、Nobuhiro Yanai、Nobuo Kimizuka
  • 学会等名: 錯体化学会第70回討論会
• [学会発表] Near infrared-to-visible photon upconversion with molecular sensitizers showing singlet-to-triplet direct transition (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoichi Sasaki
  • 学会等名: Internet Meetup on Photon Conversion
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of near-infrared-to-blue photon upconversion materials and its application to optogenetics (2020)
  • 著者名/発表者名: ○Yoichi Sasaki, Mio Oshikawa, Pankaj Bharmoria, Hironori Kouno, Akiko Hayashi-Takagi, Moritoshi Sato, Itsuki Ajioka, Nobuhiro Yanai, Nobuo Kimizuka
  • 学会等名: 第100回日本化学会春季年会
• [学会発表] Near infrared-to-blue photon upconversion based on singlet-to-triplet direct transition (2019)
  • 著者名/発表者名: 〇Yoichi Sasaki, Nobuhiro Yanai, Nobuo Kimizuka
  • 学会等名: 13th International Conference on Optical Probes of Organic and Hybrid Optoelectronic Materials and Applications 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Near infrared-to-blue photon upconversion based on direct S-T absorption of molecular sensitizers (2019)
  • 著者名/発表者名: 〇 Yoichi Sasaki
  • 学会等名: 11th HOPE MEETING with Nobel Laureates
  • 国際学会
• [学会発表] 近赤外－青フォトン・アップコンバージョンを示すヒドロゲルの開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 〇佐々木 陽一、パンカジ バルモリア、味岡 逸樹、楊井伸浩、君塚 信夫
  • 学会等名: 第67回高分子学会年次大会
• [学会発表] S-T遷移と三重項長寿命化の両立に基づく高効率なフォトン・アップコンバージョン (2018)
  • 著者名/発表者名: 〇 佐々木陽一、楊井伸浩、君塚信夫
  • 学会等名: 第30回配位化合物の光化学討論会
• [学会発表] Near Infrared-to-Blue Photon Upconversion Based on Singlet-to-Triplet Direct Transition (2018)
  • 著者名/発表者名: 〇 Yoichi Sasaki, Pankaj Bharmoria, Nobuhiro Yanai, Nobuo Kimizuka
  • 学会等名: 43rd International Conference on Coordination Chemistry
  • 国際学会
• [学会発表] Near Infrared-to-Blue Photon Upconversion Based on Singlet-to-Triplet Direct Transition (2018)
  • 著者名/発表者名: 〇 Yoichi Sasaki, Nobuhiro Yanai, Nobuo Kimizuka
  • 学会等名: 2018 MRS Fall meeting&Exibit
  • 国際学会
• [備考] 可視光から紫外光へのアップコンバージョン効率の世界記録を大幅に更新
  • URL: https://www.kyushu-u.ac.jp/ja/researches/view/512
• [備考] 近赤外光で脳神経細胞の遺伝子を操作するアップコンバージョン分子技術の開発に成功
  • URL: https://www.kyushu-u.ac.jp/ja/researches/view/380
• [備考] 一重項－三重項遷移に基づく近赤外光のアップコンバージョン
  • URL: http://photochem.sci.hokudai.ac.jp/~photochem/documents/NewsLetterNo8.pdf
• [産業財産権] フォトンアップコンバージョン組成物、フィルム、可視光を紫外光へ変換する方法および化合物 (2020)
  • 発明者名: 楊井伸浩、君塚信夫、原田直幸、佐々木陽一
  • 権利者名: 楊井伸浩、君塚信夫、原田直幸、佐々木陽一
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2020-140396
  • 出願年月日: 2020