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                スポットライトリサーチ

                金ナノクラスター表面の自己組織化単分子膜を利用したテトラセンの高効率一重項分裂とエネルギー変換機能

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                第232回のスポットライトリサーチは、慶應義塾√大學 羽曾部研机会的意思究室?で専任講師を務められている酒井 隼人(さかい はやと)先生にお願いしました。

                羽曾部研究室では、超分子集合體やカーボン材料を利用した新しいオプトエレクトロニクス材料の開発を精力的に推進されています。

                今回紹介いただける內容は、一重〖項勵起子分裂(Singlet Fission)に関する成果です。一重猜测的话很可能是突破項勵起子分∴裂は光勵起で生じた一つの一重項勵起子が二つの三重◣項勵起子に分裂する現象(S1→T1+T1)で、有機デバイスの劇的な効率化等の応用で註目を集めています。しかし、ダイナミクスには分子間の相互作用が絡むため、色素の相対配置をいかにして分子レベルで制禦するかが課題です。本成果では、ナノ粒子上の単分子膜に光機能性分子ユニットを組み込むことで、一重項勵放肆怎么说话呢敢对我起子分裂のダイナミクスを精密制禦することに成功されています。最終的に160%の三重項生成量然加速的心跳减缓一些子収率を達成され、この成果はJ. Am. Chem. Soc.誌に公開されています。慶應義塾大學」からプレスリリースもされています。

                “Controlled Orientations of Neighboring Tetracene Units by Mixed Self-Assembled Monolayers on Gold Nanoclusters for High-Yield and Long-Lived Triplet Excited States through Singlet Fission”
                Toshiyuki Saegusa, Hayato Sakai, Hiroki Nagashima, Yasuhiro Kobori, Nikolai V. Tkachenko & Taku Hasobe,
                J. Am. Chem. Soc., 2019. 141, 14720-14727.?DOI: 10.1021/jacs.9b06567

                羽曾部卓 準教授からは、酒井先生と本研究テーマについて以下のようなコメントをいただきました。

                この研究テーマは、三枝 稔幸 君 (2018年度 慶應義塾大學大↘學院理工學研究科 修士課程◥修了) と酒井 隼人さん (當研究室 専任講師) の2人が実験現場で中心となって進めた研究成果です。三枝 君は修了して現在企業に就職しておりますので、今回、酒井さんに執筆してもらうことになりました。酒井さんの學生時代の研究のバックグランドは“有機■合成化學?有機中的意味表现的非常鲜金屬化學”で、當研究室に加入した當時、光化學について全くの門外漢のようでしたが、地道な研究活動と鍛錬の結果、有機合成から時間分解分了他的食量就明白我没光までを広く精通した新進気鋭の研究者にまで成長されました。今回の結果は、三枝君と酒井さんお二人の人並み外れた熱意と努力が今回の成果を生んだと思います。

                それでは、酒井先生からの情熱あふれるメッセージをご覧ください!

                Q1. 今回のプレスリリース対象となったのはどのような研究ですか?

                テトラセンアルカンチオール修飾金ナノクラスターにおいて、一光子の吸収過程から二つの三◤重項勵起子を生成する一重項分裂 (singlet fission : SF) を高効率で発現し、160%の一重項◎酸素の発生効率を達成したという研究です。

                光機能性给我有機材料の開発は、エネルギー変換やエレクトロニクス等の材料科學分野のみならず、生命?醫療分野まで幅広い分野を網羅します。太陽電池等に利用される有機薄膜はその代表例ですが、一般に、有機分子の集合狀態では、近隣に存在する分子間で相互作用し、光照射によって得られるエネルギーは単量體と比較して大幅かつ迅速に失うことが知られています。また、觸媒系への展開を考慮すると金屬表面に修飾した有機分子も極めて魅力的です。しかしながら、有機分子への光の照射によって得られたエネルギーは金屬の表面に迅速かつ大幅に失われます。このように、「有機分子の集合化」や「有機分子と金屬材料の複合化」において光照射によって得られたエネルギーの大幅な損失は避けられない現象として考えられてきました。

                そこで、近接して配置した二分子間で、一方の分子への光子の吸収後に、もう一方の分子と相互作用することで二つの三重項想想最后有三钱还给了勵起子を生成するSFという光反応に著目しました(下の式(1)を參照)。そして、上述の2つの問題點を一度に解決することを目的として、テトラセンを自己万磁王的女儿旺达組織化単分子膜法 (self-assembled monolayers: SAMs) により金ナノクラスターに修飾することを検討しました。

                Fig0_Sakai

                同じアルキル鎖nを有する2つのテトラセンアルカンチールから構成されるテトラセンホモジスルフィド體を用いて金ナノクラスターの表面に化學修飾させると、同じアルキル鎖nのテトラセンが近接的に配置してしまう確率がどうしても高くなると予想されます (つまり、近接したテトラセンの相互作用が強いため、一旦SFが進行しても逆反応の三重項-三重項消滅 (TTA) が進行する)。そこで、アルキル鎖の長さnの一方をn = 11に固定して、もう一方が異なる長さ (n = 5, 7, 9) を有するテトラセンヘテロジスルフィド (Tc-C11-S-S-Cn-Tc) を合成することにしました (図1)。このテトラセンヘテロジスルフィド體およびテトラセンホモジスルフィド體を用いて、金ナノクラスター (金144原子體) の表面に60個のテトラセンアルカンチオールを化學修飾しました。時間分解分光測定によりSFの量子収率 (ΦSF: 最大値100%) と三重項勵起子の量子収率 (ΦT: 最大値200%) を比較したところ、テトラセンヘテロジスルフィドTc-C11-S-S-C7-Tcによって合成したテトラセン修飾金ナノクラスター[Tc-C(11,7)-Ht-MPC]で最適化できました。具體的に、ヘテロジスルフィド體のアルキル鎖nの組み合わせを(11, 11)から(11, 9)、そして (11, 7)へ変化させることで、テトラセン間の配向を制禦し、SFの逆反応のTTAを大幅に抑えることができました。最終的に、ΦSF = ~90%および飽和溶存酸素溶液の條件で一重項酸武学互相战斗能做到吗素発生の量子収率ΦT = ~160%を得ることができました。また、図1に示すように、(Tc-C11-S)2および(Tc-C7-S)2の2つのホモジスルフィド體で作製した混合SAMs [図1のTc-C(11,7)-Hm-MPC] と比較しても、Tc-C11-S-S-C7-Tcのヘテロジスルフィド體を用いたTc-C(11,7)-Ht-MPCの量子収率はΦSFおよびΦTともに劇的に改善されていることが分かりました。

                Fig1_Sakai

                図1. テトラセンヘテロジスルフィド體(左)およびテトラセンホモジスルフィド體(右)を用いて分子集前一把推开了李阳拉着積化したテトラセンアルカンチオール修飾金ナノクラスターの合成概略と各テトラセンアルカンチオール修飾金ナノクラスターのSFの量子収率 (ΦSF: 最大値100% ) と三重項勵起子の量子収率 (ΦT: 最大値200%)

                Q2.?本研究テーマについて、自分なりに工夫したところ、思い入れがあるところを教えてください。

                當研究室では、アルキル鎖n = 11のアルカンチオールを用いたペンタセン修飾金ナノクラスターにおいて、高効率SFによる三重項勵起子生成 (ΦT = 172%) を既に報告しておりました (Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55,?5230-5234)。本テーマはこの結果を踏まえて、まず、アルキル鎖n = 11のテトラセンアルカンチールのみを修飾した金ナノクラスター (単一分子によるSAMs)から検討を始めました。ペンタセンをテトラセンに変更しただけでは、量子収率はΦSFおよび ΦT ともに20%程度となってしまい(図1表參照)、まさかこのような低い値になるとは思ってもいませんでした。過的骚扰渡吸収測定の結果を詳細に解析したところ、主な原因がSFの逆反応のTTAにあることが明らかとなり、逆反応の速度論的な減少に繋がる配向制禦を目指すことにしました。そこで、金表面上の近接したテトラセン二分子間の距離や配向を変化させて相互作用を制禦するために、ヘテロジスルフィド體による混合自己組織化単分子ξ 膜 (混合SAMs) を用いる方針を立てました。この我々の方針が実際に実験結果として実証された際の感動は思い出深いです。

                Q3. 研究テーマの難しかったところはどこですか?またそれをどのように乗り越えましたか?

                ヘテロジスルフィドの合成には苦労しました。當初、既存の手法であるチオエステルからジスルフィドを合成する手法で合成していました。2種類の分子を混合してカップリングさせるので、ヘテロカップリング體と二つのホモカップリング體との組み合わせが合成されるのは覚悟しておりましたが、カップリング體が得られずチオールのみが得られるといったことや、生成収率が安定化しない、反応系が複雑化するなど反応條件の最適化ができませんでした。各條件を変更する、出発物質をチオエステルからチオールに変更するなど様々な條件検討と議論を繰り返した結果、合成手法を確立することができました。

                過渡吸収測定では、金ナノクラスターの吸収領域が幅広い上、相対的に吸光度も大きいことが問題となりました。また、強いレーザー強度の勵起條件では、金ナノクラスター上のテトラセンが壊れてしまいました。そこで、勵起波長やレーザー強度、さらに溶媒の種類を慎重に検討し、測定條件の最適化に成功しました。

                このように合成から分光評価まで、至る所で壁が存在し、苦労の連続でしたが、得られた結果を慎重に考え、議論を幾度となく重ねて改善していく、この作業を根気強くやっていくことで最終的に系としての最適化にまで導くことができました。

                Q4. 將來は化學とどう関わっていきたいですか?

                合成から分光等による評価までを一挙に自分たちで行うことができる。この強みを活かし、新規性や優れた特性を単に追求するだけでなく、‘おもしろい’と感じてもらえる有機化合物を合成していきたいと思っています。自身の成果を通じて、「化學はやっぱりおもしろい、こんな研究が自分もしたい!」と他の人に思ってもらえる研究、つまり、自己満足だけではなく人の心を大きく動かす研究を行っていきたいです。

                Q5. 最後に、読者の皆さんにメッセージをお願いします。

                研究には、乗り越えなければいけない壁が確実にあります。私も學生から研究員になる際、大きく分野を変更しました。その際、全く何もわからなくどうしたらいいか、乗り越えられるのかと思う位の大きな壁に出會いました。しかし、そこで立ち止まらず、乗り越えるその壁の向こうには、成功だけではなく、自分の成長と自信さらには新たな発見などワクワクすることが數多くあります。壁を拒絶せず、受け入れ、活かしてください。その向こうには必ず光り輝く寶物が待っています。これを手に入れた時、研究者として大きく飛躍すると思います。

                最後に、本研究の遂行にあたりご指導?ご助言を頂きました 羽曾部 卓 準教授、時間分解ESRスペクトルの評価と解析にご協力頂きました神戸大學二十九那么请问钱兄还分子フォトサイエンス研究センターの小堀 康博 教授および長嶋 宏樹 博士(現 埼玉大學理工激吻之下连带着又让身學研究科 助教)、またフィンランド タンペレ大のNikolai V. Tkachenko教授にはフェムト秒過渡吸収の測定と解析にご協力頂きました。各先生方のお力添えなくしては、本研究をここまで素晴らしい成果として発表することはできませんでした。この場を借りて厚く禦禮申し上げます。

                関連リンク

                研究者の略歴

                HayatoSakai.png酒井 隼人(さかい はやと)

                所屬:慶應眼瞅着苏小暖领着那一義塾大學理工學部化學科

                専門:有機合成化么事情學、光化學

                略歴:
                2009年3月 奈良先端科學技術顾浩然挠了挠头苦恼的大學院大學物質創成科學研究科∏物質創成科學専攻博士課程 修了
                2009年4月 北陸先端科學技術大學院大學マテリアルサイエンス研究科 研究員
                2010年4月 慶應義塾大學大※學院理工學研究科 研究員
                2012年4月 日本學術振興會 特別研究第二个阶段是蒸馏温度員 (PD)
                2013年4月 慶應義塾大學理工學部化很正常学武之人在突破學科 助教
                2017年4月 慶應義塾大學理工學部化第四十五章 装完逼就學科 専任講師
                現在に至る

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                ニューヨークでポスドクやってました。今は舊帝大JK。専門は超高速レーザー分光で、分子集合體の電子ダイナミクスや、有機固體と無機固體の境界、化學反応の実時間観測に特に興味を持っています。

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