1兆分の1秒で変形する光分子スイッチの様子をとらえる

金属イオンの周辺にいくつかの分子が取り囲む「金属錯体」は、光や電気、化学的な刺激を受けると構造を変化させる特徴を持っています。この特徴を活用すると、究極の最小単位としての動力源や分子スイッチが実現するため、そのメカニズムの解明や用途開発が世界中の注目を集めています。特にある種の銅錯体は、光を当てると銅原子の保有する電子の数が変化し、四面体型から平面四角形型に変形するため、分子スイッチの機構解明の良いモデル化合物となります。しかし、この分子の変形は非常に速く進むため、実際にどのように変形していくのか、という詳しい様子はまったく分かっていませんでした。

基幹研究所の田原分子分光研究室は、光分子スイッチや光増感型太陽電池に塗布する光増感剤としての応用が期待される「銅（�T）ビスジイミン錯体」に、100兆分の1秒という極短時間の2つの光パルスを照射し、この分子の動きを実時間で観察しました。その結果、1つ目の光パルスを照射して約1兆分の1秒の間、元の四面体型を保ったまま反復的に揺れる、「分子の身震い」を引き起こしている様子をとらえることに成功しました。これまで「分子の変形は光照射直後から始まる」と考えられていましたが、こうした予想を覆す結果となります。この「分子の身震い」は、銅イオンの周りの原子がバラバラに動くのではなく、動きをそろえて震えていること、そして、次第にこの原子の震えが失われて、分子が変形していくことが分かりました。

今回、光機能性分子が四面体型から平面四角型へと変形する様子を、世界で初めて浮き彫りにすることに成功しました。この研究は、金属錯体を使った分子スイッチや、光エネルギー変換の研究に新たな知見を加えるだけでなく、新たな有機金属分子の機能の設計に指針を与えると期待できます。