| 研究課題/領域番号 |
22K05025
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分32010:基礎物理化学関連
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| 研究機関 | 千葉工業大学 |
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研究代表者 |
山本 典史 千葉工業大学, 工学部, 教授 (30452163)
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| 研究分担者 |
藤崎 弘士 日本医科大学, 医学部, 教授 (60573243)
上田 将史 北里大学, 理学部, 助教 (60778611)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2024年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2022年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
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| キーワード | 凝集誘起発光 / 非断熱遷移 / 分子シミュレーション / 光機能性材料 / 大規模複雑系 / 三脚巴状分子 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
凝集誘起発光（AIE）が発現する系は，分子が凝集するというシンプルな現象のもとで非断熱遷移が制御されて，その発光効率が高まるが，動的メカニズムの詳細は明らかではない。高次光機能性をもつ革新的材料であるAIE色素を合理的に設計・最適化するには，大規模かつ複雑である凝集系の非断熱遷移を巧みに制御する指導原理の確立が必要となる。本研究は，大規模複雑系の非断熱遷移ダイナミクスを効率的に捉える分子シミュレーション手法を開発し，分子がAIEを発現するに至るまでの動的な描像を捉えることで，非断熱遷移過程の制御という観点からAIEメカニズムの本質を明らかにする。
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| 研究実績の概要 |
2022年度は、凝集誘起発光（AIE）において非断熱遷移ダイナミクスが巧みに制御されるメカニズムの深い理解とその活用に向けた道筋を示すことを目指した基礎研究に取り組んだ。AIEとは、分子が凝集することで発光効率（蛍光量子収率）が高まる現象であり、これを利用することで革新的な光機能材料の設計・最適化が可能となる。しかし、AIEを発現する系では大規模かつ複雑な凝集系の非断熱遷移ダイナミクスを解析する必要があるため、その動的メカニズムの詳細はまだ明らかになっていない。本研究では、この課題に対処するため、大規模かつ複雑な凝集系の非断熱遷移ダイナミクスを効率的に捉えるための分子シミュレーション手法の開発を目的とする。さらに、開発した手法を用いることで、分子がAIEを発現するまでの動的な過程を描き出し、非断熱遷移過程の制御という観点からAIEメカニズムの本質を解明することを目指す。
今年度の具体的な研究成果としては、AIEを示す三脚巴状分子について、その発光メカニズムの理論的な解析をQM/MM自由エネルギー摂動法を用いて行った。その結果、三脚巴状分子がAIEを示す分子論的なメカニズムを明らかにすることに成功した。また、山本（代表者）が先行研究で用いたスピン反転時間依存密度汎関数法（SF-TD-DFT）を用いて、代表的なAIE分子のテトラフェニルエチレンを対象として、その非断熱遷移ダイナミクスの基礎研究を進めた。これらの成果は、AIEを発現する分子の設計・最適化の基礎を確立するという重要な意義を持つ。AIE色素は高次光機能性を持つ革新的材料であり、その利用範囲は広い。本研究の成果は、その設計・最適化に対する新たな指針を示すものであると考えられる。本研究をさらに発展させることで、AIE過程における非断熱遷移ダイナミクスの理解を深め、新たなAIE色素の設計・最適化につなげていくことを目指す。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究の進捗状況はおおむね順調であると判断している。その理由は以下の通りである。
まず、凝集誘起発光（AIE）という現象の動的メカニズムを理解するためのシミュレーション手法の基礎の確立に成功している点が挙げられる。これにより、大規模かつ複雑な凝集系の非断熱遷移を効率的に捉えることを目指すことが可能となり、AIEメカニズムの本質を明らかにする新たな道筋が示された。次に、具体的なAIE色素についての解析も進展している。AIEを示す三脚巴状分子について、QM/MM自由エネルギー摂動法を用いて理論的な解析を行い、そのメカニズムを明らかにすることに成功した。これは、AIEの詳細なメカニズムを理解する上で大きな一歩である。また、代表的なAIE色素であるテトラフェニルエチレンについて、山本（代表者）が先行研究で用いたスピン反転時間依存密度汎関数法（SF-TD-DFT）を用いて非断熱遷移ダイナミクスの基礎研究を進めている。これにより、非断熱遷移ダイナミクスを効率的に解析するための理論的な基礎がさらに強化された。さらに、これらの研究成果は、AIEを発現する分子の設計・最適化の基礎を確立するものであり、その意義は大きい。高次光機能性を持つ革新的材料であるAIE色素の応用範囲は広く、本研究の成果がその設計・最適化に対する新たな指針を示すものである。
以上の理由から、本研究の進捗状況はおおむね順調であると評価している。今後も本研究をさらに発展させ、非断熱遷移ダイナミクスの理解を深め、新たなAIE色素の設計・最適化につなげていくことを目指す。
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究の今後の推進方策は、以下の通りである。まず、開発している分子シミュレーション手法の活用を更に発展させることが求められる。本研究で取り組んでいる非断熱遷移ダイナミクスの新しい捉え方は革新的であり、これを活用してより多くのAIE色素についての研究を効率的に進めることが可能となると期待できる。また、異なる複数種類のAIE色素について分子シミュレーションに基づく理論的な解析に取り組み、得られた結果の詳細を比較・解析することで、AIE発現の普遍的なメカニズムを探ることが重要である。特に、三脚巴状分子に対するさまざまな類延体の解析結果を基に、新たなAIE色素の設計・最適化につなげることが必要となる。具体的には、解析結果から得られた知見を元に、AIE色素の設計原理を構築し、それを基に実験的な合成を試みる。これにより、理論と実験の連携を強化し、AIE色素の新たな応用領域を開拓することが期待される。また、代表的なAIE分子であるテトラフェニルエチレンをモデル分子として、非断熱遷移ダイナミクスの解析手法に関する基礎研究をさらに深める。ここでは、非断熱遷移ダイナミクスをより効率的に解析するため、ニューラルネットワークポテンシャル力場などを用いた新規手法の開発を進める必要があると考えている。さらに、本研究の進捗を広く共有し、多様な視点からのフィードバックを得ることも重要である。研究成果を定期的に学術誌に発表するだけでなく、学会等での発表も積極的に行うことで、他の研究者からの有益な意見を集め、研究の質を向上させる。以上の推進方策を通じて、本研究は複雑なAIEプロセスに対する真の理解を深めて、その合理的な設計・最適化に向けた新たな指針を提供することを目指す。
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