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発表・掲載日:2014/05/19

分子間や原子間で働く弱い凝集力を光の照射で増強

-有機デバイス材料などの作成・改良技術への応用に期待-

ポイント

  • 光の照射によって弱い凝集力を増強できることを提案し、シミュレーションを用いて検証
  • 光の照射によってプラスとマイナスの振動する電荷が発生し、電気的な引力によりヘリウム原子間の距離が短縮
  • 光制御技術を用いた有機デバイス材料などの分子性結晶構築の研究開発への貢献に期待


概要

 独立行政法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】(以下「産総研」という)ナノシステム研究部門【研究部門長 山口 智彦】ナノ炭素材料シミュレーショングループ 宮本 良之 研究グループ長、非平衡材料シミュレーショングループ 宮崎 剛英 研究グループ長は、中国 四川大学 Hong Zhang 教授、スペイン バスク大学 Angel Rubio 教授と研究協力して、化学結合していない分子同士や原子同士に働く弱い凝集力を、波長(エネルギーと関連する)を調整した光の照射によって増強できることをシミュレーションにより理論的に予測した。凝集力が増強される原因は、光によりプラスとマイナスの振動する電荷が分子や原子に発生し、それらの間に電気的な引力が生じるためであった。今回予測された、光による凝集力の増強現象は、有機デバイス材料などに用いられる分子性結晶のように弱い凝集力で構成される構造体の作成技術への応用が期待される。

 なお、この成果の詳細は、平成26年月5月20日(米国時間)に、米国物理学協会の科学雑誌Applied Physics Lettersに掲載される。

光照射による振動分極が生じることで分子同士がお互いに近づく模式図画像
光照射による振動分極が生じることで分子同士がお互いに近づく模式図
時間とともに分子が近づく様子を、上から下への流れ図で表現してある。
δ+、δ-は微小なプラスとマイナスの電荷を示す。


開発の社会的背景

 有機材料を用いたデバイス技術は、半導体を用いた技術と比較して製造コストが低くなることが期待されているが、デバイス性能向上のために高品質の分子性結晶の作成が不可欠である。そのため、分子間の相互作用を制御する技術は重要な研究課題となっている。

 化学結合していない分子間や原子間にも引きつけあう相互作用が働く。それはファンデルワールス力と呼ばれており、ヤモリが壁に張り付く力やグラファイトなどの層状物質の凝集力、有機デバイスに用いられる分子性結晶の凝集力として注目されている。一方、光ピンセットの手法により分子を光で操作する技術があるが、原子・分子一つ一つに力を及ぼすことは容易ではない。

研究の経緯

 産総研では、ナノメートルスケールの精度で物質の構造を制御し、その物質による複雑なシステムを構築できる技術開発を目指しており、第一原理計算によるシミュレーションによって実験に先駆けた加工技術提案を行ってきた。特に、電子励起を利用した加工技術のシミュレーション技術は世界の研究機関を見渡してもまれである。

 今回の研究は、分子性結晶の構成に寄与するファンデルワールス力を光で増強して結晶構成プロセスを確実にすることを目的に始めた。その最初の段階の研究として、同様の凝集力を持つ単純な対象のシミュレーションを行い、光の増強効果の実証を試みた。このシミュレーションでは、産総研が導入した大規模な並列計算システムAIST-super cloud; Generation2を利用した。

研究の内容

 今回の研究は、最も単純で化学反応性のない希ガスであるヘリウム(He)を対象にシミュレーションを行った。He原子内の電子は、ある決まったエネルギーでのみ、その軌道を変える(すなわち励起する)。その励起エネルギーに非常に近いエネルギー(波長)を持つ光を照射するとHe原子内の電子は軌道を変えようとして振動を始め、照射を続けると電価分布の振動の振幅が少しずつ大きくなる。これは、振動する振り子に、その振動周期と同周期の力を与え続けると、振幅が大きくなっていくことと類似している。電価分布の振動の振幅が極大になった瞬間、図1に示すように2個のHe原子の間にプラスとマイナスの電荷が存在し、2個のHe原子は引き合うようになる。これを双極子相互作用と呼ぶ。電価分布は、時々刻々変化しプラスとマイナスの電荷の位置が逆転する期間もあるが、常に2個のHe原子が引き合うような電荷配置が維持されるため、どの瞬間であっても双極子相互作用による引力が生じている。

エネルギー20 eVの光を照射した時の2個のHe原子の電荷変調分布図画像
図1 エネルギー20 eVの光を照射した時の2個のHe原子の電荷変調分布図
同じ方向に分極している。δ+、δ-は微小なマイナスとプラスの電荷を意味する。

 図2に示すように、光を照射しない場合と比較して、光を照射するとこれら2個のHe原子間の距離は著しく縮小している。これは、光照射によって常に引力が生じていることを示す。さらに光のエネルギーに依存して引力の生じ方が異なり、20 eVのエネルギーの光が最も引力を増大させることがわかる。

種々のエネルギーの光を照射した後のHe原子間距離の時間変化図画像
図2 種々のエネルギーの光を照射した後のHe原子間距離の時間変化

 今回のシミュレーションで得たHe原子2個の時間による距離の変化を解析した結果、光照射をした場合は光照射のない場合に比べて引力が7 pN増大していることがわかった(p「ピコ」とは1兆分の1のこと)。この値は、通常の化学結合で原子同士をつないでいる力の1000分の1程度の弱い力であるが、化学結合していない原子・分子同士を操作するには十分な大きさである。今回の基礎的なシミュレーション結果から、分子性結晶などにおいても光による凝集力増強の可能性が示唆された。

今後の予定

 今後は、より複雑な凝集系のモデルについて、光によるファンデルワールス力の増強を検証し、分子性結晶の作成制御技術とそのデバイス応用にむけたシミュレーションを行っていく予定である。



用語の説明

◆分子性結晶
通常の結晶は原子の周期的な規則正しい配列と、隣接する原子の間の化学結合によるネットワークが結晶全体にわたって広がった構造を成している。この結晶において、規則正しく並んでいるのが原子ではなく分子一つ一つなのが分子性結晶である。このとき、隣接している分子は化学結合による強い力では結ばれておらず、弱いファンデルワールス力により結びついている。[参照元へ戻る]
◆ファンデルワールス力
化学結合していなくても、分子間あるいは原子間に働く引きつけあう力。この力の起源は、分子から減衰しながら広がって行く弱い力(分散力)であったり、分子に発生する動的な分極同士の相互作用(London力)であったりする。[参照元へ戻る]
◆グラファイト
炭素原子からなる材料の一種。黒鉛とも呼ばれる。炭素原子一つ一つがハチの巣格子状に並んだ炭素原子一個分の厚みをもった層が幾重にも重なってできた構造をしている。この原子層一層分を単離したものをグラフェンと呼ぶ。[参照元へ戻る]
◆層状物質
グラファイトのように、原子同士の化学結合のネットワークが立体的な方向ではなく2次元的な方向で構成されて層のようになったものが、層同士の弱い結合で成り立っている物質。[参照元へ戻る]
◆光ピンセット
レーザーなどの強い光では、空間における光の強度の勾配により光と物質の相互作用に強弱を生じる。結果として、光により分極して相互作用しやすい物質は光強度の強い領域に集まる結果となる。このような現象を利用して、分子を操作する手法を光ピンセットという。今回の研究による光における引力増強効果とは異なるメカニズムによる手法である。[参照元へ戻る]
◆第一原理計算
物質を構成する原子の種類(元素)とその位置を入力として、その物質の電気的、磁気的、機械的性質を、物質中の電子軌道を数値計算することで得る計算手法。入力データは実験的に得る必要はなく、もっとも安定な構造を計算の中だけで決定することも可能で、多くの物質の計算結果はその物質本来の構造や性質を精度よく再現する。[参照元へ戻る]
◆電子励起
電子系のもっともエネルギーの低い状態(基底状態)から、光などの外部刺激によりエネルギーを添加することで、エネルギーの高い状態へ上げること。[参照元へ戻る]



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