分子が集合して自発的に秩序ある構造と新たな性質を生み出す現象を自己組織化現象と言います。分子は自己組織化構造を組み上げる際に、同じ分子でも条件によって異なる集合構造を持ちます。すなわち、苦労して狙いの機能をもった分子を設計・合成したとしても、それらが望まない自己組織化構造を形成してしまうために使い物にならない、ということが十分に起こり得ます。このように自己組織化現象を制御することは、分子材料の研究において重要であると言えます。
本研究では、多点水素結合と呼ばれる分子間相互作用を利用し、半導体性を持つ分子の自己組織化を極めて精密に制御することができました。研究者らは、「バルビツール酸」と呼ばれる多点水素結合部位を「オリゴチオフェン」と呼ばれる汎用性半導体分子に結合させた、構造の異なる分子２種類を合成し、それらのわずかな違いを利用して、様々な条件下で集合構造を制御することに成功しました。そして、分子が高い精度で階層的に組み上がる仕組みを解明することができました。
さらに、上記の方法で得られた集合構造の１つは、電子物性が異なる材料とよく混ざり合う性質をもち、水素結合性材料としては世界最高の太陽電池としての性能を示すことも明らかになりました。これは、ナノレベルの構造の違いが太陽電池の性能に多大な影響を与えることの証明であるともいえます。
２種の化合物の自己組織化の概略図。左から右に向けて自己組織化の階層が上がる
分子の自己組織化を利用した有機デバイスは、低コスト化・大面積化の観点から無機デバイスや従来の蒸着法を用いた有機デバイスよりも優れており、今後さらに発展する研究開発分野です。これまで、分子がどのように自己組織化するかを分子構造から予測・設計することは困難でしたが、近年になって、次第に狙い通りに分子を自己組織化させることができるようになりつつあります。本成果はその発展をさらに加速化する重要な知見を与えています。自己組織化を利用した太陽電池の実用化も、近い将来実現できると考えられます。
本研究は、科学技術振興機構（JST）・戦略的創造研究推進事業（CREST）の『太陽光を利用した独創的クリーンエネルギー生成技術の創出』研究領域（領域代表：山口真史）における研究課題「革新的塗布型材料による有機薄膜太陽電池の構築」（研究代表者：山田容子）ならびに、日本学術振興会科学研究費補助金・新学術領域研究『π造形科学』(領域代表 : 福島孝典)における研究課題「複合アセンブリーπ造形システム」（研究代表者：矢貝史樹）の一環として行われました。また、本研究の成果はScientific Reports (No. srep43098)にて日本時間2017年2月22日（水）午後７時に公開されます。
【本研究に関するお問い合わせ】
千葉大学大学院工学研究科 矢貝史樹
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