産業技術総合研究所は、化学結合していない分子同士や原子同士に働く微弱な凝集力を、波長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。中国の四川大学 、スペイン バスク大学との共同研究となる。今回理論的に予測された増強現象は、有機デバイス材料などに利用される分子性結晶のような、弱い凝集力で構成される構造体を作成することへの応用が期待される。

産総研、分子/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への応用に期待
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

半導体を用いた技術と比較して製造コストが低くなると期待される、有機材料を用いたデバイス技術には、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という。


今回の研究では、化学反応性のない希ガスのヘリウム(He)を対象にシミュレーションが行われた。He原子内の電子で軌道を変えるエネルギーと近いエネルギー(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、電価分布の振動の振幅が大きくなる。振幅が極大になった瞬間に He 原子間にプラスとマイナスの電荷が存在し、2個の He 原子が引き合うようになる双極子相互作用が起きる。

光を照射しない場合と比較して、光を照射する場合には、2個の He 原子間の距離は著しく縮小していることから、光照射によって常に引力が生じていると予測され、実際に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 7pN 増大していることがわかった(p「ピコ」とは1兆分の1)。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程度と弱い力だが、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だという。今回の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という。