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2021 年度 実績報告書

電子スピン分極の三次元映像化で解く多重励起子・電荷分離立体構造の分子運動効果

研究課題

研究課題/領域番号 19H00888
研究機関神戸大学

研究代表者

小堀 康博  神戸大学, 分子フォトサイエンス研究センター, 教授 (00282038)

研究分担者 大西 洋  神戸大学, 理学研究科, 教授 (20213803)
池田 浩  大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30211717)
羽會部 卓  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (70418698)
松木 陽  大阪大学, 蛋白質研究所, 准教授 (70551498)
濱田 守彦  神戸市立工業高等専門学校, その他部局等, 講師 (70827948)
研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2023-03-31
キーワード一重項分裂 / 電子スピン分極 / 時間分解電子スピン共鳴 / 光電荷分離 / 有機太陽電池 / 分子振動効果 / 励起子解離 / 構造解析
研究実績の概要

単一の光子から複数の三重項励起子を生むシングレットフィッション(一重項分裂)は有機薄膜太陽電池において飛躍的に高い光エネルギー変換効率をもたらす現象として世界的に注目されている。本研究では、時間分解電子スピン共鳴法をベースに世界最高性能の空間分解能を持つ中間体構造解析の画期的ツールとして独自に開発してきた「電子スピン分極イメージング法」を主たる手法とし、時々刻々と変化する多重励起子や光電荷分離状態の立体配置とその分子運動効果をナノ秒領域の三次元動画 (映像化)として実験的に特徴づけた。分子内シングレットフィッション系では、強く相関した多重励起子からの電子的相互作用による束縛を解く際にかかるねじれ振動モードと周波数を具体的に特徴づけるとともに、それによる解離多重励起子の立体構造の変化も明らかにした。さらに励起子解離による立体構造変化の分子論起源は不明であった。本研究では、電子構造論に基づき双性イオン構造による束縛励起子対からのテラヘルツ振動による開放として、具体的に記述することもできた。動物による磁気コンパスの働きを持つものの起源と考えられているクリプトクロムにおいては、光誘起電荷分離過程で生成する電荷分離状態の立体構造と配位水のゆらぎ分子運動による電子伝達機構の詳細を明らかにした。以上より、結晶性と非晶性を併せ持つ有機エレクトロニクス薄膜や生体タンパク質のエントロピー効果と運動による電子的効果を用いるデバイス効率飛躍的向上化の知的基盤を獲得し、有機薄膜太陽電池開発で課題となっている超高効率化への指針を提示することができるようになってきた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本研究では、時間分解電子スピン共鳴法をベースに世界最高性能の空間分解能を持つ中間体構造解析の画期的ツールとして独自に開発してきた「電子スピン分極イメージング法」を主たる手法とし、時々刻々と変化する多重励起子や光電荷分離状態の立体配置とその分子運動効果をナノ秒領域の三次元動画 (映像化)として実験的に特徴づける。我々はすでにこの映像化による電荷分離状態などの中間体構造解析の手法を確立しただけでなく、励起子解離による四電子系によるスピン量子効果で生成するスピン相関三重項対モデルを確立している。これを駆使し、世界ではじめて分子内励起子分裂で生成する多重励起子の解離が、分子内の特定の振動モードによる構造変化によって極めて高い量子収量で起こることを明らかにした。この他、パルス電子スピン共鳴法を用いた多重励起子スピン量子操作や、有機薄膜太陽電池における光キャリア生成に対する格子振動効果の観測や立体構造の解明など、当初の計画を上回るペースにて研究の進捗が加速化している。

今後の研究の推進方策

引き続き、電子スピン分極イメージング法とパルス電子スピン共鳴法を駆使し、高性能有機薄膜太陽電池における光電荷分離状態の立体構造解析と不均一運動性の分類化をすすめる。励起子分裂系においては、薄膜において生成する多重励起子の解離機構の詳細を明らかにするとともに、四量子ビット系による量子演算操作を試みる。また、新たに金属有機構造体(MOF)による励起子分裂とそれらの解離過程に対する分子論的解明の研究に着手している。MOFによる分子運動正の制御とそれに伴う量子演算操作系の構築にも取り組む。また、三重項-三重項消滅による光アップコンバージョンの超高効率化をねらいとする多重励起子の分子運動性によるスピン操作も進めている。

  • 研究成果

    (35件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 4件、 査読あり 7件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (24件) (うち国際学会 6件、 招待講演 12件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] Albert-Ludwigs-University Freiburg(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      Albert-Ludwigs-University Freiburg
  • [国際共同研究] Tampere University(フィンランド)

    • 国名
      フィンランド
    • 外国機関名
      Tampere University
  • [雑誌論文] Identification of a Self-Photosensitizing Hydrogen Atom Transfer Organocatalyst System2022

    • 著者名/発表者名
      Fuse Hiromu、Irie Yu、Fuki Masaaki、Kobori Yasuhiro、Kato Kosaku、Yamakata Akira、Higashi Masahiro、Mitsunuma Harunobu、Kanai Motomu
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society

      巻: 144 ページ: 6566~6574

    • DOI

      10.1021/jacs.2c01705

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Manipulation of Charge-Transfer States by Molecular Design: Perspective from “Dynamic Exciton”2021

    • 著者名/発表者名
      Imahori Hiroshi、Kobori Yasuhiro、Kaji Hironori
    • 雑誌名

      Accounts of Materials Research

      巻: 2 ページ: 501~514

    • DOI

      10.1021/accountsmr.1c00045

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enthalpy-Entropy Compensation Effect for Triplet Pair Dissociation of Intramolecular Singlet Fission in Phenylene Spacer-Bridged Hexacene Dimers2021

    • 著者名/発表者名
      Nakamura Shunta、Sakai Hayato、Fuki Masaaki、Kobori Yasuhiro、Tkachenko Nikolai V.、Hasobe Taku
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 12 ページ: 6457~6463

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.1c01430

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Organic photostimulated luminescence associated with persistent spin-correlated radical pairs2021

    • 著者名/発表者名
      Sakurai Manabu、Kabe Ryota、Fuki Masaaki、Lin Zesen、Jinnai Kazuya、Kobori Yasuhiro、Adachi Chihaya、Tachikawa Takashi
    • 雑誌名

      Communications Materials

      巻: 2 ページ: -

    • DOI

      10.1038/s43246-021-00178-3

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Synergetic Role of Conformational Flexibility and Electronic Coupling for Quantitative Intramolecular Singlet Fission2021

    • 著者名/発表者名
      Nakamura Shunta、Sakai Hayato、Nagashima Hiroki、Fuki Masaaki、Onishi Kakeru、Khan Ramsha、Kobori Yasuhiro、Tkachenko Nikolai V.、Hasobe Taku
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 125 ページ: 18287~18296

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.1c04734

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Orientations and water dynamics of photoinduced secondary charge-separated states for magnetoreception by cryptochrome2021

    • 著者名/発表者名
      Hamada Misato、Iwata Tatsuya、Fuki Masaaki、Kandori Hideki、Weber Stefan、Kobori Yasuhiro
    • 雑誌名

      Communications Chemistry

      巻: 4 ページ: -

    • DOI

      10.1038/s42004-021-00573-4

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Molecular Design Strategy for High-Yield and Long-Lived Individual Doubled Triplet Excitons through Intramolecular Singlet Fission2021

    • 著者名/発表者名
      Hasobe Taku、Nakamura Shunta、Tkachenko Nikolai V.、Kobori Yasuhiro
    • 雑誌名

      ACS Energy Letters

      巻: 7 ページ: 390~400

    • DOI

      10.1021/acsenergylett.1c02300

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 電子スピン分極の空間映像化による動的エキシトン機構解析2022

    • 著者名/発表者名
      小堀康博
    • 学会等名
      京都大学分子工学研究科特別講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] 電荷移動によるスピンの動きを捉える2022

    • 著者名/発表者名
      小堀康博
    • 学会等名
      日本化学会春季年会特別企画「光化学の新展開」
    • 招待講演
  • [学会発表] 電子スピン共鳴法を用いた有機半導体光アップコンバージョン材料のドナー/アクセプター界面で生成する三重項励起子のダイナミクス2022

    • 著者名/発表者名
      岡本翔、小堀康博
    • 学会等名
      日本化学会第102春季年会(2022)
  • [学会発表] 時間分解EPR法による熱活性化遅延蛍光分子の励起状態の解析2022

    • 著者名/発表者名
      勝平譲治、小堀康博
    • 学会等名
      日本化学会第102春季年会(2022)
  • [学会発表] 分子内一重項励起子分裂で生成する多重励起子の構造変化:時間分解EPR法による解析2022

    • 著者名/発表者名
      楠本遼太, 小堀康博
    • 学会等名
      日本化学会第102春季年会(2022)
  • [学会発表] 時間分解電子スピン共鳴法による非フラーレン型太陽電池材料の界面電荷分離構造解析2022

    • 著者名/発表者名
      村山加純、小堀康博
    • 学会等名
      日本化学会第102春季年会(2022)
  • [学会発表] Vibronic Effect of Donor-Acceptor Interaction Determines Fate of Mutiexciton Spins Generated By Singlet Fission2021

    • 著者名/発表者名
      Yasuhiro Kobori
    • 学会等名
      ECS Meeting
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Water dynamics control of the magnetic compass2021

    • 著者名/発表者名
      Yasuhiro Kobori
    • 学会等名
      7th Kanto Area Spin Chemistry Meeting (KASC 7)
    • 招待講演
  • [学会発表] 電子スピン分極映像化による超高効率光エネルギー変換機構の解明2021

    • 著者名/発表者名
      小堀康博
    • 学会等名
      第一回広帯域極限電磁波生命理工連携研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] 電子スピン分極映像化による超高効率光エネルギー変換機構の解明2021

    • 著者名/発表者名
      小堀康博
    • 学会等名
      第19回ESR夏の学校講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] 光合成光電荷分離のスピン量子コヒーレンスとデコヒーレンス2021

    • 著者名/発表者名
      小堀康博
    • 学会等名
      量子生命科学会第3回大会
    • 招待講演
  • [学会発表] Conformation change and electronic de-coupling via intramolecular singlet fissions2021

    • 著者名/発表者名
      Yasuhiro Kobori
    • 学会等名
      ICFPE2021
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Vibronic Spins in Singlet Fissions2021

    • 著者名/発表者名
      Yasuhiro Kobori
    • 学会等名
      Modern Development of Magnetic Resonance
    • 招待講演
  • [学会発表] 動物の磁気コンパスにおける水和運動の役割: 光受容タンパク質の長距離電荷分離機構2021

    • 著者名/発表者名
      小堀康博
    • 学会等名
      第15回物性科学領域横断研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] Spin-entanglement transport via singlet-fission as studied by transient EPR2021

    • 著者名/発表者名
      Yasuhiro Kobori
    • 学会等名
      Pacifichem2021
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Heterogeneous charge-separation geometries at bulk-heterojunction interfaces in organic solar cell studied by transient EPR2021

    • 著者名/発表者名
      Yasuhiro Kobori
    • 学会等名
      Pacifichem2021
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 結晶性薄膜の一重項励起子分裂 : 活性化多重励起子の構造と解離に対する動的効果2021

    • 著者名/発表者名
      小堀康博
    • 学会等名
      光化学討論会2021
  • [学会発表] 分子内励起子分裂に伴う立体構造変化と電子的デカップリング :電子スピン分極映像化による解析2021

    • 著者名/発表者名
      小堀康博
    • 学会等名
      第15回 分子科学討論会
  • [学会発表] Geometries and Oscillating Motions Driving Quintet Multiexcitons and Triplet-Triplet Dissociations via the Intramolecular Singlet Fissions2021

    • 著者名/発表者名
      M. Fuki, Yasuhro Kobori
    • 学会等名
      ISMAR-APNMR2021
    • 国際学会
  • [学会発表] テトラセン分子ワイヤーにおける一重項励起子分裂で生成した多重励起子のスピンダイナミクス2021

    • 著者名/発表者名
      婦木正明, 小堀康博
    • 学会等名
      2021年光化学討論会
  • [学会発表] Generation domain of quintet multiexcitons via singlet fission in organic thin films as studied by time-resolved EPR2021

    • 著者名/発表者名
      Takaaki Nagatomo, Yasuhiro Kobori
    • 学会等名
      ISMAR-APNMR2021
    • 国際学会
  • [学会発表] ベンゾポルフィリン-ジケトピロロピロールをドナーとするバルクヘテロ接合界面の電荷移動と電荷解離:時間分解EPRによる解析2021

    • 著者名/発表者名
      長友敬晃, 小堀康博
    • 学会等名
      2021年光化学討論会
  • [学会発表] 時間分解EPRによるビフェニル連結テトラセンダイマーの分子内励起子分裂機構の解明2021

    • 著者名/発表者名
      大西翔、小堀康博
    • 学会等名
      2021年光化学討論会
  • [学会発表] 時間分解EPR法による熱活性化遅延蛍光分子の励起状態の解析2021

    • 著者名/発表者名
      勝平譲治、小堀康博
    • 学会等名
      2021年光化学討論会
  • [備考] 光吸収による励起子反応効率200%を実現する材料設計の新概念を実証

    • URL

      https://www.kobe-u.ac.jp/research_at_kobe/NEWS/news/2022_01_13_02.html

  • [備考] タンパク質結合水の運動が生物の磁気コンパスを制御―光受容クリプトクロムの電子伝達機構―

    • URL

      https://www.kobe-u.ac.jp/research_at_kobe/NEWS/news/2021_10_01_03.html

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公開日: 2022-12-28  

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