ソフトクリスタルの準安定状態創製技術の開発と相転移現象の解明

2021 年度 実績報告書

• 研究領域: ソフトクリスタル：高秩序で柔軟な応答系の学理と光機能
• 研究課題/領域番号: 17H06375
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 石井 和之 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (20282022)
• 研究分担者: 宮武 智弘 龍谷大学, 先端理工学部, 教授 (10330028) ; 高江 恭平 東京大学, 生産技術研究所, 特任講師 (30739321) ; 篠崎 一英 横浜市立大学, 理学部, 教授 (40226139) ; 恩田 健 九州大学, 理学研究院, 教授 (60272712)
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2022-03-31
• キーワード: 準安定状態 / ポルフィリン / 機械的回転 / 相転移 / 分光

研究実績の概要

本研究では、ソフトクリスタルにおけるマクロな低刺激とナノ構造変化を繋ぐ学理を解明することで、全く新しい機能性素材の開発指針を得ることを目的とする。今年度は、以下の研究を遂行した。
１、ソフトクリスタル評価方法の開発：構造化照明顕微鏡と共焦点レーザー顕微鏡に適切な閉鎖系を適用することで、Pt錯体のベイポクロミック挙動を調査した。このPt錯体では、アモルファス固体粉末がアルコール蒸気に暴露されることにより結晶化される。その単一粒子の微視的固体結晶化プロセスについて超解像顕微鏡観察を行い、三次元的ベイポクロミズム時間変化を解明した。また、光散乱の問題を解決することで、ベイポクロミズム結晶の時間分解赤外分光測定に成功し、結晶軸方向に依存した構造変化を明らかにした。
２、モデル化による相転移の原理解明：キラル分子モデルにおいて、理論的に隣り合った分子同士が捩れた配置をとるとき、安定となるようにする。分子の形状を変化させ、隣り合った楕円体分子間に働く捩れの強さを制御したところ、捩れが弱い時は、分子の向きが揃った均一相、捩れを強くしていくと分子の向きが捩れたらせん相、そしてさらに捩れを強くすると分子が渦状に配向したハーフスキルミオン相への相転移が起こることを明らかにした。さらに、相転移により不均一な弾性場が発生すること、外部応力の印加によって相転移を制御できることが明らかとなった。
３、新規機能開拓：ソフトクリスタルのベイポクロミズム挙動を調べる際に、揮発性有機化合物に対する有機潮解性応答を見出した。この有機潮解は、「似たものを溶解する」という原理に従って設計でき、揮発性有機化合物を回収剤としての発展が期待できる。また、M[Ru(bpy)(CN)4] (M2+ = Ca2+, Sr2+, Ba2+)結晶において、水分子の吸脱着を伴う固体色および発光色の可逆なサーモクロミズムを見出した。

現在までの達成度 (段落)

令和3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3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] KU Leuven(ベルギー)
  • 国名: ベルギー
  • 外国機関名: KU Leuven
• [国際共同研究] Bordeaux University(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Bordeaux University
• [雑誌論文] Characterisation of Excited States in a Multiple-Resonance-Type Thermally Activated Delayed Fluorescence Molecule Using Time-Resolved Infrared Spectroscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Saigo, Y. Shimoda, T. Ehara, T. Ryu, K. Miyata, K. Onda
  • 雑誌名: Bull. Chem. Soc. Jpn. 巻: 95 ページ: 381-388
  • DOI: 10.1246/bcsj.20210403
  • 査読あり
• [雑誌論文] Aggregation-induced Emission Active Thermally-activated Delayed Fluorescence Materials Possessing N-Heterocycle and Sulfonyl Groups (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Matsui, Y. Yokoyama, T. Ogaki, K. Ishiharaguchi, A. Niwa, E. Ohta, M. Saigo, K. Miyata, K. Onda, H. Naito, H. Ikeda
  • 雑誌名: J. Mater. Chem. C 巻: 10 ページ: 4607-4613
  • DOI: 10.1039/D1TC05196B
  • 査読あり
• [雑誌論文] 時間分解赤外分光を用いた光機能性物質の動的構造解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 恩田健
  • 雑誌名: レーザー研究 巻: 50 ページ: 6-10
• [雑誌論文] Reversible colour/luminescence colour changes of tetracyanoruthenium(II) complexes by sorption/desorption of water molecules in crystal (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Hattori, T. Nagai, A. Sekine, T. Otsuka, K. Shinozaki
  • 雑誌名: Dalton Trans. 巻: 51 ページ: 1474-1480
  • DOI: 10.1039/D1DT03666A
  • 査読あり
• [雑誌論文] Emergent elastic fields induced by topological phase transitions: Impact of molecular chirality and steric anisotropy (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Takae, T. Kawasaki
  • 雑誌名: Proc. Nat. Acad. Sci. USA 巻: 119 ページ: e2118492119
  • DOI: 10.1073/pnas.2118492119
  • 査読あり
• [雑誌論文] 機能発現の普遍性と多様性を数値シミュレーションで探る, (2022)
  • 著者名/発表者名: 高江恭平
  • 雑誌名: 化学と工業 巻: 75 ページ: 098
• [雑誌論文] Meso-/Microscopic Single Particle Analyses of Vapochromic Solid-State Crystallization in [Pt(CN)2(H2dcbpy)] (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Ishii, S.Takanohashi, M. Karasawa, K. Enomoto, Y. Shigeta, M. Kato
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 125 ページ: 21055-21061
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c06139
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chiral Induction in Buckminsterfullerene Using a Metal-Organic Framework (2021)
  • 著者名/発表者名: S.-W. Lo, T. Kitao, Y. Nada, K. Murata, K. Ishii, T. Uemura,
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 60 ページ: 17947-17951
  • DOI: 10.1002/anie.202105967
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photochemistry of phthalocyanine based on spin angular momenta: a kinetic study of fluorescent probes for ascorbic acid (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Yokoi, K. Murata, K. Ishii
  • 雑誌名: Pure Appl. Chem. 巻: 93 ページ: 1255-1263
  • DOI: 10.1515/pac-2021-0301
• [雑誌論文] Distorted Porphyrins with High Stability: Synthesis and Characteristic Electronic Properties of Mono- and Di- Nuclear Tricarbonyl Rhenium Tetraazaporphyrin Complexes (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Wang, K. Murata, K. Ishii
  • 雑誌名: Chem. Eur. J. 巻: 27 ページ: 8994-9002
  • DOI: 10.1002/chem.202005042
  • 査読あり
• [雑誌論文] Vortex-Induced Harmonic Light Scattering of Porphyrin J-Aggregates (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Hattori, M. Moris, K. Shinozaki, K. Ishii, T. Verbiest
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 巻: 125 ページ: 2690-2695
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c09733
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Low-threshold exciton-polariton condensation via fast polariton relaxation in an organic microcavities (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Ishii, K. Miyata, M. Mamada, F. Bencheikh, F. Mathevet, K. Onda, S. Kena-Cohen, C. Adachi
  • 雑誌名: Adv. Opt. Mater. 巻: 10 ページ: 2102034
  • DOI: 10.1002/adom.202102034
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Enhanced light-matter interaction and polariton relaxation by the control of molecular orientation (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Ishii, F. Bencheikh, S. Forget, S. Chenais, B. Heinrich, D. Kreher, L. S. Vargas, K. Miyata, K. Onda, T. Fujihara, S. Kena-Cohen, F. Mathevet, C. Adachi
  • 雑誌名: Adv. Opt. Mater. 巻: 10 ページ: 2101048
  • DOI: 10.1002/adom.202101048
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Photoinduced Oxygen Transport in Cobalt Double-Perovskite Crystal EuBaCo2O5.39 (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Hada, S. Ohmura, T. Ishikawa, M. Saigo, N. Keio, W. Yajima, T. Suzuki, D. Urushihara, K. Takubo, Y. Masaki, M. Kuwahara, K. Tsuruta, Y. Hayashi, J. Matsuo, T. Yokoya, K. Onda, F. Shimojo, M. Hase, S. Ishihara, T. Asaka, N. Abe, T. Arima, S. Koshihara, Y. Okimoto
  • 雑誌名: Appl. Mater. Today 巻: 24 ページ: 101167
  • DOI: 10.1016/j.apmt.2021.101167
  • 査読あり
• [雑誌論文] Achieving Thermally Activated Delayed Fluorescence from Benzophenone by Host-Guest Complexation (2021)
  • 著者名/発表者名: R. K. Koninti, K. Miyata, M. Saigo, K. Onda
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 125 ページ: 17392-17399
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c04283
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanistic study of Photocatalytic CO2 reduction using Ru(II)-Re(I) supramolecular photocatalyst (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Kamogawa, Y. Shimoda, K. Miyata, K. Onda, Y. Yamazaki, Y. Tamaki, O. Ishitani
  • 雑誌名: Chem. Sci. 巻: 12 ページ: 9682-9693
  • DOI: 10.1039/D1SC02213J
  • 査読あり
• [雑誌論文] Determining Excited-State Structures and Photophysical Properties in Phenylphosphine Rhenium(I) Diimine Biscarbonyl Complexes Using Time-Resolved Infrared and X-ray Absorption Spectroscopies (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Shimoda, K. Miyata, M. Funaki, T. Ehara, T. Morimoto, S. Nozawa, S. Adachi, O. Ishitani, K. Onda
  • 雑誌名: Inorg. Chem. 巻: 60 ページ: 7773-7784
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.1c00146
  • 査読あり
• [雑誌論文] Guest-tunable Excited States in a Cyanide-bridged Luminescent Coordination Polymer (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Sasaki, H. Yoshino, Y. Shimoda, M. Saigo, K. Miyata, K. Onda, K. Sugimoto, H. Yamate, H. Miura, B. Le Ouay, R. Ohtani, M. Ohba
  • 雑誌名: Inorg. Chem. 巻: 60 ページ: 6140-6146
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.1c00702
• [雑誌論文] Challenges for developing photo-induced phase transition (PIPT) systems: from classical (incoherent) to quantum (coherent) control of PIPT dynamics (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Koshihara, T. Ishikawa, Y. Okimoto, K. Onda, R. Fukaya, M. Hada, Y. Hayashi, S. Ishihara, T. Luty
  • 雑誌名: Phys. Rep. 巻: 942 ページ: 1-61
  • DOI: 10.1016/j.physrep.2021.10.003
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Emission Intensity Enhancement for Iridium(III) Complex in Dimethyl Sulfoxide under Photoirradiation (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Hattori, S. Hirata, K. Shinozaki
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 巻: 125 ページ: 9260-9267
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.1c03753
  • 査読あり
• [学会発表] Chiroptical Properties of Chiral Porphyrin Aggregates (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Ishii
  • 学会等名: International CREST-CPL Conference (ICCC) 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Rotary Evaporation-Based Preparation of Metastable States (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Ishii
  • 学会等名: 239th ECS Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electrochemical and Spectral Properties of Highly Distorted Rhenium Phthalocyanine Complexes (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Wang, Y. Koike, K. Murata, D. Saito, M. Kato, K. Ishii
  • 学会等名: 239th ECS Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Photochemical Reactivities and Photodynamic Effects of an Organorhodium Phthalocyanine (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Murata, Y. Saibe, R. Misawa, Y. Ikeuchi, K. Ishii
  • 学会等名: 239th ECS Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Meso/Microscopic Single Particle Analyses of Vapochromic Solid-State Crystallization in [Pt(CN)2(H2dcbpy)] (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Ishii
  • 学会等名: The 3rd International Symposium on Soft Crystals
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Phase transition dynamics of phthalocyanine-based chiral thin films prepared using macroscopic mechanical rotations (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Ishii, Y. Mizuno, M. Kuroha, S. Hattori, K. Murata
  • 学会等名: Pacifichem 2021, #254 Photofunctions of Soft Crystals Constructed with Coordination Compounds
  • 国際学会
• [学会発表] Chromic Behavior of Chlorophyll Derivatives Possessing N-Alkylamide Groups (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Yoshiyama, R. Inoue, T. Miyatake
  • 学会等名: 16th International Workshop on Supramolecular Nanoscience of Chemically Programmed Pigments
  • 国際学会
• [学会発表] Solid-State Self-Aggregation of Chlorophyll Derivatives (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Nagaoka, D. Tsutsui, T. Miyatake
  • 学会等名: 16th International Workshop on Supramolecular Nanoscience of Chemically Programmed Pigments
  • 国際学会
• [学会発表] Tracking the multi-step and multi-electron CO2 reduction photocatalytic processes using time-resolved infrared spectroscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Onda, Y. Shimoda, K. Kamogawa, K. Miyata, O. Ishitani
  • 学会等名: Pacifichem 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Time-resolved Spectroscopic Studies on Elementary Processes in Photofunctional Metal Complexes (2021)
  • 著者名/発表者名: Ken Onda
  • 学会等名: The 4th International Symposium on Photofunctional Chemistry of Complex Systems (ISPCCS 2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Fundamental mechanisms of artificial photosynthesis studied by time-resolved infrared spectroscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Onda
  • 学会等名: 11th Asian Photochemistry Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Dual Emission from an Iridium(III) Complex/Counter Anion Ion Pair (2021)
  • 著者名/発表者名: W. Ito, S. Hattori, M. Kondo, H. Sakagami, O. Kobayashi, T. Ishimoto, K. Shinozaki
  • 学会等名: Pachifichem2021
  • 国際学会
• [図書] 日本化学会編「化学の要点シリーズ39 時間分解赤外分光 光化学反応の瞬間を診る」 (2021)
  • 著者名/発表者名: 恩田健
  • 総ページ数: 196
  • 出版者: 共立出版
  • ISBN: 978-4-320-04480-7
• [備考] Soft Crystals Japanese ver
  • URL: https://www.youtube.com/watch?v=1eOmNQyCzPY
• [備考] Soft Crystals English ver
  • URL: https://www.youtube.com/watch?v=LXE3LeAk3N0
• [産業財産権] 分子性ナノ細孔フィルター (2021)
  • 発明者名: 石井和之、青木祐奈、榎本恭子、渡邊圭、大澤道
  • 権利者名: 石井和之、青木祐奈、榎本恭子、渡邊圭、大澤道
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2021-142707
• [産業財産権] 揮発性有機化合物回収剤および揮発性有機化合物回収方法 (2021)
  • 発明者名: 石井和之、村田慧、横森慶、榎本恭子、中村誠司
  • 権利者名: 石井和之、村田慧、横森慶、榎本恭子、中村誠司
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2021-142583
• [産業財産権] 温度特性を有するクロロフィル誘導体 (2021)
  • 発明者名: 宮武智弘、井上 凌
  • 権利者名: 宮武智弘、井上 凌
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2121-31708