北里大ら,円偏光発光色素を開発

北里大学と近畿大学は,「ナフタレン分子を環状に規則正しく並べる」という単純な分子設計で,強い円偏光発光(CPL: Circularly Polarized Luminescence)を示す色素を開発した(ニュースリリース)。

私たちが普段感じている光(自然光)は,左回転と右回転の偏光を等しく含んだ光で構成されている。キラルな構造を持つ有機蛍光色素は,そのうちどちらかの回転に偏った光を円偏光発光(CPL)として与える。強いCPLを示す色素は、高輝度液晶ディスプレーの光源や、三次元ディスプレーの色素、偏光を発するインクとしてセキュリティ材料への応用が可能とされ近年注目を集めている。

しかし「どのような分子が効率よくCPLを与えるか」については未解明な部分も多く,また「左右どちらの偏光を与えるか」も不明瞭。これまでの研究で,偏光の強さと回転方向は色素分子の「光るユニット」の配置で決まることが予測されていたが,分子は溶液や固体中であっても激しく運動しているため,具体的にどのような分子が適切なのかについては分からないままだった。

今回,研究グループは,分子運動を抑え,「光るユニット」の配置を精密に制御するために,これらをナノメートルサイズの環状に繋ぎ合わせた分子を考案し,実際に合成した。それにより,効率よくCPLを示す色素材料を開発した。また,環の大きさによって光るユニットの配置がわずかに変化するため,円偏光の回転方向も制御することが可能であることもわかった。

研究グループが今回開発した色素は「光るユニット」としてナフタレンを選び,これを軸不斉となる様に配置したビナフチルユニットを用いた。ビナフチルは日常的に利用されているキラル骨格だが,これを単純に環状化するだけで配置の制御を達成した。

これは環状にすることで分子が動きにくくなり,CPLが強く(効率よく)発生したものと考えられる。得られた新しい色素材料において,環サイズが小~中程度(直径約1-1.5nm程度)までと,それより大きいもの(直径約1.8nm以上)では回転方向が逆転することがわかった。これは環のサイズによって,「光るユニット」の配置が変化することを意味するという。

研究グループは,今回の研究は,従来よく分かっていなかった「分子構造とCPLの相関」を実験的に明らかにしたものであり,CPL色素を用いた機能性光学材料の合理的な設計へ指針を与える重要な成果としている。

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