研究成果 2011/09/26
太陽光は、右回りで進む右円偏光と、左回りの左円偏光が50:50の割合で混じった自然光と呼ばれる状態で地球 上に降りそそいでいます。光合成を行う緑色植物の構成成分であるクロロフィル（葉緑素）も円偏光を吸収し、円偏光発光を示すことがすでに報告されていまし たがその役割についてはよく理解されていませんでした。
本学物質創成科学研究科 高分子創成科学研究室博士課程の中野陽子博士（2010年３月学位取得、現在、オランダ・アイントホーフェン工科大学博士研究員）と藤木道也教授は、ケイ 素を主にした高分子半導体を使い、葉緑体とよく似た環境をつくり、入射した光のエネルギーを吸収して円偏光を高効率で発生させることに世界で初めて成功し ました。この成果は次世代の光エレクトロニクスに不可欠な光機能素子材料の開発に大きく貢献するだけでなく、植物の光合成での葉緑体の働きを解明する手が かりとなることが期待されます。
中野さんと藤木教授は「光合成を行う緑色植物も太陽光から左右どちらかの円偏光を発生させ、光合成反応に 積極的に利用しているのではないか」との仮説に基づき研究。ケイ素を主にした化合物に、光学的性質を変えることができる有機分子（有機側鎖基）を結合した 「有機ポリシラン」と呼ばれる物質を使い、円偏光を発生する人工的な半導体高分子に仕立てました。これを葉緑体の大きさに近い5μmの微粒子を溶液（有機 溶媒）中で調製し、円偏光特性などの光学的性質を詳細に調べました。
その結果、自然光を試料溶液に入射させると、5μm程度のポリシラン 微粒子が優れた円偏光特性を示し、自然光から非常に高純度の円偏光吸収と円偏光発光（円偏光純度35％、蛍光量子収率53％）が発生していることを世界で 初めて見いだしました。光に対するポリシラン微粒子の屈折率が1.62程度であるのに対して、有機溶媒の屈折率が1.37になった時に円偏光発生効率が最 大となりました。また有機側鎖基の化学構造を少しかえるだけで、左右どちらの円偏光も発生できました。
葉緑体は2-10μm程度の大きさ で凸レンズ状の形態で、チラコイドとその積層構造であるグラナ（直径400から600nm、長さ500から800nm）など構成要素の屈折率は1.6前 後、液相のストロマ（基質）の屈折率は1.4前後と予想されることから、葉緑体の光合成機構においても同様の仕組み（円偏光閉込効果）が関与しており、太 陽光から左右の円偏光を効率よく発生させ、光合成反応に利用しているのではないかとの新説を提唱しました。
また、入手容易な種々の紫外・ 可視吸収を有する高分子や分子にも適用可能で、特別な波長板など固体光学素子を使うことなく、高効率の円偏光の簡便発生と簡便分離を可能にする偏光液体素 子を常温常圧下で作製することが容易になるため、安全性と操作性に優れています。また使用したポリシランや溶媒はすべて回収して再利用できるので、短工程 かつ経済性に優れているなど低炭素化社会に相応しい環境調和型の光機能性高分子の創成技術が実現すると期待されます。
この研究成果は、アメリカ化学会が発行する高分子科学の学術専門誌であるMacromolecules電子版http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ma201665nに平成23年9月16日付けで掲載されました。
