光応答性有機結晶による近赤外-可視波長変換と光スイッチングを実現

九州大学大学院工学研究院の君塚信夫教授、永井邑樹大学院生、森川全章助教らは、光信号に応答する分子が反転対称性を持たない極性結晶＊1を自発的に形成し、かつ結晶中で光異性化＊2することにより結晶が液化すること、さらにこの光誘起“固―液”相転移現象を利用して光第二高調波発生を他波長光でスイッチする光論理ゲート機能を持つ分子システムの開発に成功しました。

π共役電子系を持つ有機分子は、分子設計の自由度が高く、無機結晶材料に比べて大きな非線形分極を示しうることから、SHG（Second Harmonic Generation:光第二高調波発生）＊3材料、さらに光コンピューター要素技術への応用が期待されています。有機分子がSHG特性を示すためには、分子が電気双極子を持ち、反転対称性をもたない極性結晶が得られることが必要です。ところが、ほとんどの有機分子結晶は対称中心を持ち、分子が一方向に配向した極性結晶が得られる例は極めて限られます。また、巨視的な異方性を有する極性結晶薄膜の作製技術や、光を用いてSHG特性をスイッチする光論理ゲート機能を持つ安定な有機SHG材料は得られていませんでした。

本研究では、溶液中で極性結晶を自発的に形成する化学的に安定な光応答性分子を見いだし、気―水界面で巨大な極性結晶薄膜を形成することや、固体結晶膜において近赤外光（1064 nm）を可視SHG光（532 nm）に変換するとともに、光誘起“固―液”相転移に基づき可逆的にon-offスイッチすることに成功しました。今後は光論理ゲートなど、光コンピューターの要素技術開発に貢献することが期待されます。

本研究成果は、2020年12月21日付でドイツの国際学術誌「Angewandte Chemie International Edition」にオンライン掲載されました。日本学術振興会科学研究費（JP20H05676, JP16H06513）、小笠原科学技術振興財団、積水化学「自然に学ぶものづくり」研究助成の支援により行われました。

■用語解説
＊1）極性結晶
アゾベンゼンの光異性化反転中心を持たず、分子が結晶中で非対称な分子配向をとる結果、自発的な分極を有している結晶のこと。多くの有機分子結晶においては、分子が電気双極子モーメントを打ち消すように配列した“反転対称”を有する構造を与えるが、今回の化合物１のように分子が結晶中で反転対称性のない、非対称な分子配向をとった場合、極性結晶と呼ぶ。

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研究に関するお問い合わせ先

工学研究院　君塚 信夫　主幹教授