こすると円偏光発光が切り替わる有機結晶材料～実用的な固体円偏光発光材料の開発につながる新設計～

【本研究のポイント】
●キラル有機結晶の発光を機械的刺激により切り替えることに成功
●非晶質状態で円偏光発光を示す「励起2量体」の構造を初めて解明
●3次元ディスプレイやセキュリティ印刷などへの応用に期待





【研究概要】
横浜国立大学の伊藤傑　准教授、近畿大学の今井喜胤　教授、東京科学大学の植草秀裕　教授らの共同研究グループは、こする刺激を加えると、らせん状の発光である円偏光発光(CPL)[注1]の波長が長波長化するキラル有機結晶材料を開発しました。従来は、こする刺激で結晶が崩壊して非晶質状態になるとCPLの効率が大きく低下していましたが、本研究では独自の分子設計により効率低下の問題を解決するとともに、非晶質状態でCPLを示す「励起2量体(エキシマー)[注2]」の構造を解明することに成功しました。本成果を応用することで、3次元ディスプレイやセキュリティ印刷などに用いられる固体CPL材料が開発されることが期待されます。
本成果はドイツ化学会の国際学術雑誌「Angewandte Chemie International Edition」（2025年1月22日付）のオンライン版で公開されます。

【社会的な背景】
有機分子には、右手と左手の関係のように互いに重ね合わせることのできないキラル分子が存在します。紫外線などの光を吸収し、可視光の光を放出するキラル分子の発光は、右回転と左回転の円偏光に偏りが生じた円偏光発光（CPL：Circularly Polarized Luminescence）となります。CPLは、3次元画像を表示するディスプレイに用いる光源や、偽造を防止するセキュリティ印刷に用いるインクなどへの応用が期待されていることから、近年活発に研究されています。一方、こするなどの機械的刺激を加えると発光色が変化するメカノクロミック発光（MCL：Mechanochromic Luminescence）[注3]を示す有機分子結晶に関する研究も盛んに行われています。しかし、固体状態のCPLを測定することが近年まで困難であったこともあり、固体材料のCPLを機械的刺激により切り替える研究は進んでいませんでした。特に、機械的刺激を加えることで結晶が崩れ、分子の周期的配列が失われた非晶質状態になると、CPLの効率が大きく低下することが問題となっていました。

【研究成果】
本研究では、アミノ酸の一種であるプロリンに発光性の多環芳香族炭化水素であるピレン環をつなげたキラル分子1およびキラル分子2を設計・合成したところ、片手型の分子のみからなる結晶（エナンチオピュア結晶）と両手型の分子を含む結晶（ラセミ結晶）が対照的なMCLを示すことを見いだしました（図1）。すなわち、薬さじを用いてこする刺激を加えると、分子1はエナンチオピュア結晶の方がラセミ結晶よりも発光波長が大きく変化し、分子2ではその反対の挙動を示しました。
結晶中でピレン環が孤立している単量体からの発光（モノマー発光）に比べ、積層している2量体からの発光は長波長の発光（エキシマー発光）となり、非晶質状態ではさらに長波長のエキシマー発光となることが、MCLの波長変化量が異なる要因だとわかりました。