【本学研究者情報】

〇多元物質科学研究所　教授　芥川智行
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 外部環境に応じた結晶内部のフッ素配向変化を利用して、単一分子のみから結晶化溶媒を変えるだけで誘電応答性が顕著に異なる結晶を作成することに成功
• これまで未解明であったボウル反転運動と結晶化プロセスとの相関に関する知見を初めて提供
• お椀型分子を用いることで省プロセス・省コストでの物性制御が可能な誘電材料への応用に期待

【概要】

大阪大学大学院工学研究科の大学院生のLi Minghongさん（博士後期課程　研究当時）、燒山佑美准教授、櫻井英博教授、大阪大学大学院基礎工学研究科の松林伸幸教授、東北大学多元物質科学研究所の芥川智行教授らの研究グループは、お椀型分子スマネンのフッ素誘導体であるモノフルオロスマネン(FS)の結晶化プロセスにおいて、ボウル反転運動^※1が周囲の溶媒の影響を受け、結果として結晶内部のフッ素配向が様々に変化することを明らかにしました。こうして得られた結晶は、フッ素配向に応じて顕著に異なる誘電応答性を示しました。

ボウル反転運動は、お椀構造を持つ有機分子に特徴的な挙動であり、反転に伴い双極子モーメントの向きや大きさが変化します。このことから、お椀型分子は誘電材料や電場依存型のスイッチング素子をはじめとして、種々の材料への応用が期待されています。しかしながら、溶液中でこの反転運動を制御することは容易ではなく、お椀型分子の材料応用へ向けての大きな妨げとなっていました。

今回、燒山准教授らの研究グループは、スマネンにフッ素原子を１つ導入したFSを設計・合成しました。FSは溶液中でボウル反転運動により、異なるフッ素配向と双極子モーメントを持つ２種類の異性体FS_endoとFS_exoの混合物として存在します。一方、結晶化の際に用いる溶媒を適切に選択することで、結晶内部のFS_endoとFS_exoの存在比、すなわち結晶内部のフッ素配向を様々に変化させることに成功しました。この存在比は、各分子の構造に加え、それぞれの溶媒中におけるFS_endoとFS_exoの溶媒和自由エネルギー^※2と関連しており、得られた結晶は、FS_endoとFS_exoの存在比に応じて顕著に異なる誘電応答性を示すことがわかりました。本研究成果は、お椀型分子を用いた単一分子系でのエネルギー材料応用へ向けた大きな一歩となるものです。

本研究成果は、米国科学誌「Journal of the American Chemical Society」に、2024年2月20日（火）に公開されました。

【用語解説】

※1　ボウル反転運動
お椀型のπ共役分子が、平面状の遷移状態を経て、ひっくり返った構造に変換する挙動のこと。ほとんどが溶液中で観測される。その反転にかかる活性化エネルギーはお椀の深さが大きく関係しており、浅ければ浅いほど早く、深ければ深いほどゆっくり反転することが知られている。また置換基の位置によっては反転によって鏡像体を与える例も知られており、この際に生じる掌性を「ボウルキラリティー」と呼ぶ。

※2　溶媒和自由エネルギー
溶質分子1個を真空中から溶媒内に移動させた時の自由エネルギー変化のこと。値が負に大きいほどその溶媒中で大きく安定化されることを表す。

詳細（プレスリリース本文）※2月28日に訂正版へ差替え
※4頁目の科研費新学術領域研究の課題名と学術変革領域Aの課題番号を修正しました。

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学 多元物質科学研究所
教授　芥川 智行（あくたがわ ともゆき）
電話： 022-217-5653
Email：akutagawa*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

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