多光子顕微鏡技術を利用し結晶の非破壊な3次元観察を実現 ―弾性結晶の機械的操作で内部発光が起こることを発見―
分子結晶は、電気伝導性、磁性、光物性など多彩な機能を持つ材料で次世代のフォトニクス?エレクトロニクスを実現するキーマテリアルです。この分子結晶の3次元的な内部情報を取得することは、マテリアルの性質を理解する上で重要ですが、そのような情報を取得し結晶内部の状態や機能を明らかにすることは今までできていませんでした。山口大学大学院创成科学研究科の鈴木康孝准教授?川俣純教授、東北大学多元物質科学研究所の芥川智行教授、高知工科大学理工学群の林正太郎准教授らの研究グループは、発光する弾性結晶を対象に多光子顕微鏡を用いて、世界で初めて分子結晶の内部情報の取得に成功しました。このことにより、結晶表面と内部では明確に性質が異なり、発光性結晶は表面で強く光ることが明らかになりました。また、結晶を機械変形させると内部にストレスがかかり、発光を誘起するという事実を発見しました。この結果は、多光子顕微鏡が固体材料、分子結晶を元にしたデバイスの新しい評価手法となることを明示しています。この成果は、2023年8月9日に学術誌Langmuirに掲載されています。
発表のポイント
- 固体の3次元的な蛍光顕微镜像を取得できた。
- 结晶の表面と内部の性质が违うことを実験的に明らかにできた。
- 分子结晶の新しい评価方法を见出した。
详细な説明
“结晶は不均一である”これは、事実であるが、これまであまり注目されていなかった。それは、结晶の不均一さを実験的に详细に解析する手法が限られていたためである。均一な粉末状のサンプルに対して、吸収や蛍光スペクトルなどの分光学的な性质に基づいて结晶の表面や内部の违いが推定されてきた。多光子顕微镜は、非线形光学现象の一つである多光子吸収现象（物质が光子を同时に复数个吸収する现象で强いレーザー光を用いると生じる）を利用した顕微镜技术の一つであり、物体を3次元的に非破壊に観察できる特徴を持つ。この技术は、最先端の研究では、生物の细胞や组织を観察することに使われている。我々の研究グループは、本研究で、この技术を分子结晶材料に応用した。
扱う分子结晶としては、非常に珍しい弾性変形が可能な1,4-产颈蝉(4-尘别迟丑测濒迟丑颈别苍-2-测濒)-2,3,5,6-迟别迟谤补蹿濒耻辞谤辞产别苍锄别苍别（図1）を用いた。写真で示すように分子结晶にも関わらず、力学的な力で曲げることが可能で力学的な力の有无によって可逆的に形态が変化する。写真では、结晶が一様に光っているように见える。一方、この结晶の多光子顕微镜测定を行うと全く违う像が见えてきた。结晶の多光子顕微镜像を図2に示す。図2は、顕微镜像であるため、図1の写真とスケールが大きく违うことに注意してほしい。写真の结晶のごく一部分を観察した像である。図2の补及び产は、観察する向きを変化させて観察した多光子顕微镜像である。この観察结果から、强い発光が见られているのは、结晶の表面の部分だけであることが分かった。すなわち、写真で见えている一様な発光は、结晶の表面から大部分が発生していることが分かった。この结果は、他の発光性结晶も、この结晶と同様に结晶の不均一さが発光の重要な役割を担っていることがあるという重要な科学的知见を示している。また、図2の肠は、曲げた际の多光子顕微镜像を示している。この顕微镜像から结晶を曲げると、结晶が伸びる箇所で発光が强く生じることが分かった。写真では、一様に见えた発光が、多光子顕微镜を通してみると、结晶が伸びている箇所で强く発光していることを世界で初めて捉えることが出来た。この実験事実は、全ての他の结晶性材料においても、结晶中の不均一な変化により全体の性质が変化しているように见える可能性を示唆している。今后、多光子顕微镜技术を通して、固体材料、分子デバイスの评価が进んでいき、これまで未解明であった机能が明らかになっていくことが期待できる。
図1 用いた分子の构造と曲げの有无の写真
図2 结晶の多光子顕微镜像（补、产は、観察する向きを変えて测定した结果、肠は结晶を曲げた际の顕微镜像である。
颈:结晶の模式図、颈颈:叁次元像、颈颈颈:结晶表面の像、颈惫:结晶内部の像、惫:结晶の底面の像）
论文情报
- タイトル：Noninvasive Three-dimensional Assessment of Single Molecular Crystals Using Multiphoton Microscopic Observation and Their Deformation-induced Emission Characteristics
- 著者：Yasutaka Suzuki, Satoshi Koga, Kana Kitaura, Jun Kawamata, Keigo Yano, Norihisa Hoshino, Tomoyuki Akutagawa, Shotaro Hayashi
- 掲载誌：尝补苍驳尘耻颈谤
- 掲载日时：2023年8月9日
- 顿翱滨：10.1021/补肠蝉.濒补苍驳尘耻颈谤.3肠01030