Optical Materials

太陽はその内部で、水素(H)をヘリウム(He)へと変換する核融合反応を起こし、莫大なエネルギーを熱および光として放出することで光り輝いています。太陽光は地球へと降り注ぎ、天候をはじめ、自然界の生命活動に必要なエネルギーを与えてくれます。太陽光によって生じるオーロラや虹は私たちが実際に観察することのできる不思議な光の性質の一部です。この他にも雷、マグマなどの自然現象からも光を観察することができ、植物(キノコ)や生物(ホタル)も発光現象を利用して生きる種が知られています。このように自然界は「光」で満ち溢れ、我々はその現象を神秘的なものとして捉え、魅了されてきました。そして人類は現代の有機EL素子に代表されるように、この「光」を巧みに材料化し、利用することで目覚ましい社会発展を遂げてきました。現在もなお、「光」は科学者たちの興味を強烈に惹きつけ、圧倒的な情熱と共に研究が進められています。

そのような「光」を有機化合物からも取り出すことができます。有機化合物も通常の状態（基底状態）で光を吸収すると、高エネルギー状態（励起状態）へと遷移し、すぐにまた元の基底状態に戻ります。この戻る過程で余分なエネルギーを熱または光として放出します。取り出せる光は化合物によって異なりますが、「蛍光(Fluorescence)」と「燐光(Phosphorescence)」の二つに分類されます。通常、我々が観測しているのは、色として判別可能な可視光領域の波長(380〜780 nm)になります。この性質を利用して、有機発光色素の開発が可能となります。

しかし一方で、化合物は構成する原子間の結合伸縮や回転などにより、伸縮・並進・振動などの運動を絶え間なく続けます。このような挙動は励起状態において、得たエネルギーを熱として放出してしまう原因となってしまいます。つまり、効率良く発光する色素の分子設計において、これらの挙動を如何に抑制できるか、という点が重要な鍵となります。加えて、一般的に有機発光色素は単分子の状態で効率良く発光する場合が多く、高い濃度、例えば固体状態では発光効率が著しく低下する傾向にあります（濃度消光）。強い発光を示す有機発光色素の開発には、構成する原子の数や種類、結合様式、単分子の挙動、分子集積状態の挙動など、種々の要因を解決する必要があり、せっかく合成に成功した化合物でも実際にはあまり光らない、ということが少なくありません。これまでに様々な有機発光色素が開発されているものの、その性質が分子骨格に依存する以上、種々の分子骨格について検討する必要があり、常に新しい分子設計指針を打ち立てる必要があります。従って、分子構造と発光特性の相関について明らかにすることはこの分野の命題とも言えます。

我々のグループでは、一見すると発光特性に不向きな「湾曲構造」を組み込んだ色素の開発を積極的に行っています。このような分子系は、希釈状態（単分子系）では湾曲部の分子運動に起因した熱失活により、発光効率が低下するものの、分子を集めることによって一連の運動を抑制し、発光効率を高めることが可能になります。このような現象は「凝集誘起発光(AIE)」と呼ばれ、前述の濃度消光とは相反する性質を有することから、材料化学の分野において注目されています。さらに、合成した湾曲色素分子が希釈溶液中、極低温(液体窒素温度(77 K))において「強燐光発光」を示すことも見出しており、低温条件による分子運動の抑制が燐光発光の発現(三重項状態への効率的な項間交差)に関与していることが考えれます。また、ある湾曲分子は粉末状態において、水色の蛍光発光を示しますが、外部から機械的刺激を加えると、分子配列が変化することにより、緑色蛍光発光へと変化する「メカノフルオロクロミズム」を示すことが明らかになっており、このような物質は発光色を制御できることからスイッチング色素への応用が期待できます。別の湾曲分子の単結晶においては、紫外光を照射すると長寿命の残光を示す「室温燐光発光」を観測することができ、湾曲構造を結晶構造中で固定することにより、通常困難な室温燐光を発現することが可能となります。

我々のグループでは、「湾曲構造」を活かすことで初めて発現する特異な発光特性に着目して、独自の分子を創造し、新たな設計指針を確立することを目標としています。