| 研究課題/領域番号 |
22K05236
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| 研究機関 | 東京農工大学 |
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研究代表者 |
戸谷 健朗 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 技術職員 (50397014)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| キーワード | 調光作用 / 非線形透過率 / 機能性高分子 |
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| 研究実績の概要 |
本課題では強い入射光を遮り、強度によって透過率を変化させる機能性を有した有機材料系を実現し、ガラス等に塗布することで入射する太陽光の量を調節する機能性材料を作製することを目的とする。そのためには太陽光レベルの光強度で透過率が非線形に減少するような材料システムを構築する必要がある。
このような材料システムを実現させるために、緩和の過程に禁制遷移を含む三重項の励起状態を経由し、励起状態を長時間維持することで、材料の光学的性質を変化させる。これにより光の透過率が非線形に振る舞うようになる。本年度は材料のマトリックスとなる高分子として、ノルボルレン骨格を中心とした強直な主鎖骨格を導入した。高分子側鎖の置換基をアセチル、ヒドロキシと変化させながら、色素分子の励起状態を長時間保てるような高分子マトリックスとなるように最適な分子構造を選定した。
励起子を蓄積させる色素分子としてペリレン系分子を採用した。材料を高分子内の側鎖に直接結合させることで、色素分子間の距離を適度に離し、量子効率の低下を防ぐことに成功した。色素の増感剤としてIr系の錯体ドナー分子を選択した結果、青色の光において10 mW/cm2レベルの励起強度で材料の透過率が非線形に減少することを確認した。
別の材料の選択としてH,C,O,Nのみの元素からなる材料で非線形透過率が実現できるよう、Ir錯体分子に代わって色素を増感できる分子の探索を試みた。その結果、対称構造を有した分子の中にいくつか候補を見つけることができた。また、太陽光の調光作用を可視光全域に広げることができるよう、青色光を励起光源にした際に、緑から赤への広いスペクトルにわたって光の透過率を減少させることが可能な分子群の捜索を行い、1つの候補を見つけるに至った。
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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
太陽光に対する調光作用を有する機能性材料の構築を目指し、現在、色素を増感させるドナー分子としてIr金属を有する錯体分子を用いることで、青色の光において10 mW/cm2レベルの励起強度で材料の透過率が非線形に減少することを確認した。材料の系として、色素分子の励起状態を長時間保てるような高分子マトリックスの選定を行い、高分子主鎖としてノルボルレン骨格を有する強直な構造を取り入れることで、色素分子の励起状態寿命を延ばすことが可能となった。高分子側鎖の置換基をヒドロキシ、メトキシ基等変化させながら、色素のドープ状況、色素分子の励起状態寿命を比較することで、エネルギー移動を阻害しないもの、高分子特性として力学的に優れているものの特徴をそれぞれ識別した。
色素と高分子マトリックスの関係は、単純に色素をドープする系と、高分子内の側鎖として色素分子を結合させたものとで比較を行った。その結果、色素分子を高分子側鎖に結合させた方が、色素分子間の距離を適度に離し、量子効率が向上することが判明した。 材料の選択として、金属元素を使わないようH,C,O,Nのみの元素からなる分子系で非線形透過率が実現できるよう、代替分子の検討を行った。目的とする光学特性を有し、かつ試料にした際の発色を防ぐために、対称構造を有した分子の中にいくつか候補を見いだした。
また、太陽光の調光作用を可視光全域で実現できるよう、複数の色素をドープし、色素間のエネルギー移動を利用しながら、青色光を照射した際に可視スペクトル全般にわたって透過率が非線形に減少するように、試料の組み合わせの捜索を行った。その結果、可視光長波長領域と可視光短波長領域の光でそれぞれ非線形な透過率を示せるような材料の組みあわせが見つかった。過渡吸収の測定から、これらの材料でほぼ一様に可視光線の透過率が減少することが示された。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後の研究では、まず、可視光全般に対応した非線形透過率の測定を可能とする実験系の構築を行う。既存の測定系と対応させながら、励起光の波長、強度の調整と可視光の非線形透過率の変化を同時に測定できるようにする。その後、これまでに得られた試料について、その特性評価を行う。
現状では、まだ、満足な非線形透過率の値が得られていないので、それらを実現すべく、試料としての観点から、厚さの調整やドープ量の検討を行い、調光作用を大きく引き出すことができるように調整する。
金属元素を使わない材料のシステムの検討は引き続き継続し、Ir金属以外のドナー分子で非線形に透過率が減少するように、材料の検討、および分子の合成を行う。
また、本材料では透過率の非線形な振る舞いの他に、材料の屈折率の変化に由来した表面反射率の非線形な増加が起こると予想される。よって、材料の屈折率の変化について計測を試みる。非線形な表面反射率が確認できれば、その変化は光の入射角ともなって増大すると考えられるので、入射角を変えた際の調光効果についても評価する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
前年度は最終段階まで研究指針にあったレーザー光線の購入の検討を行った。資材高騰、為替変動のため当初予定した機器すべてを購入することが不可能になった。限られた予算内に必要となる波長領域と出力強度を有するレーザーを購入するために、前年度は、試料の作成を優先させた。
前年度の試料検討により必要となるレーザーの種類を限定することができたため、本年度、初期段階にて実験システムの構築を行う。
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