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- 光を消すと結晶がジャンプする新現象を発見 ―光と熱、2つの刺激の相乗効果で実現―
静岡大学の関 朋宏准教授、本学 理工学群の林 正太郎教授、東京科学大学の植草 秀裕教授らの研究グループは、共同で新規結晶アクチュエータの開発に成功しました。
【研究のポイント】
・「光を消す（遮る）ことで」結晶がジャンプするという現象を世界で初めて確認しました。
・光と熱という二種類の外部刺激を適切に用いることで初めて現れる機能的な挙動です。
・将来的に、周囲の環境変化に応答して動作する刺激応答性マテリアル、微小な機械部品となり得るマイクロアクチュエータ、自律的に形状を変えるスマート材料などへの応用が期待されます。
「分子結晶」はある分子が規則正しく配列して構成されています。通常動いたりしませんが、近年一部の特殊な結晶が外部からの刺激をきっかけとして、動く現象が知られてきました。例えば、温度を上げるとポンとはじけ飛ぶ結晶や、光を当てると割れる結晶などが報告されています。運動のきっかけとなる刺激の種類に応じて、これらの運動はサーモサリエント効果、フォトサリエント効果（※１）と呼ばれています（図a）。研究グループはこのたび、「光を消すとジャンプする結晶」というこれまでにない新現象を発見しました。紫外光の照射を止めた瞬間に、分子の結晶がまるでポップコーンのように飛び跳ねます。研究チームはこの現象を"ライトオフサリエント効果"と名付けました。
本研究では、新規に合成した有機分子1（図b）の結晶を用いました。この結晶は、温度変化によって結晶構造が変化［結晶相転移（※２）］する性質があります。通常（光を用いない場合）、約160℃に加熱すると結晶構造が変わります（1A→1X）が、研究グループはここに光（紫外光）を組み合わせました（図d、e）。紫外光を当てながら加熱すると、結晶内部の構造変化が起こる温度を約30 ℃も下げることができることが分かりました（図e）。冷却過程においても、元の結晶構造が回復する（1X→1A）温度が光照射によって約10 ℃低下します（図e）。つまり、光を照射することで、より低い温度で結晶の状態を変化させることに成功したのです。さらに重要なことに、紫外光を照射した状態で加熱した結晶に対して、急に光を遮断すると、その瞬間に結晶の構造が急激に変わり、結晶が小さく跳ね上がる現象を実現しました。紫外光照射と加熱という二つの刺激を巧みに利用することで、光を消した"瞬間"に初めて生じるこのジャンプ現象（ライトオフサリエント効果）を引き起こすことに成功したのです（図f）。
図 a）サリエント効果の模式図。
b）化合物1の構造式。
c）多形1Aと1Xの写真。
d）ライトオフサリエント効果の模式図。
e）光照射下および光照射を行わない場合の1の相図。
f）ライトオフサリエント効果を示す1の写真。
今回見出した「光を消すと結晶がジャンプする」という現象は、異なる種類の刺激を適切に組み合わせることで、物質の新しい機能を引き出せることを示しています。この成果は、刺激に応答して形が変わったり動いたりする次世代のスマート材料の開発につながる可能性があります。例えば、温度や光など環境の変化によって自律的に駆動するマイクロアクチュエータ（微小な作動器）への応用や、将来的には人工筋肉のように外部刺激で動作するデバイス、環境に合わせて形状を変える柔軟な構造材料などへの展開が期待できます。
この成果は、2025年7月7日付でAmerican Chemical Societyの発行する国際雑誌「Journal of the American Chemical Society」に掲載されました。
詳細はプレスリリースをご覧ください。
用語解説
※１）サリエント効果
外部からの刺激に応じて、結晶が飛び跳ねたり、割れたりといった力学的な動作を示す現象の総称。たとえば、加熱により瞬間的にジャンプする現象は「サーモサリエント効果」、光照射によって動く場合は「フォトサリエント効果」と呼ばれる。本研究では、光を遮断することで結晶が跳ね上がる新しいタイプのサリエント効果を世界で初めて発見し、「ライトオフサリエント効果」と命名した。
※２）結晶の相転移
結晶において、温度や圧力、光などの外部環境の変化により、構成分子や原子の配列様式（結晶構造）が異なる状態へと変化する現象。相転移には、分子の配置がわずかに変わるようなものから、全く異なる構造に変わるものまで幅広いタイプがあり、それぞれに特徴的な物性の変化が伴う。同じ分子から分子結晶は、結晶構造が変化すると、光学的、機械的、熱的性質が劇的に変わる場合がある。
掲載論文
題 名： Light-off Salient Effect: Thermal Phase Transitions of Molecular Crystals Controlled by Photoirradiation
著 者： 関 朋宏、岡田 拓己、池田 昌弘、山本 凱世、林 正太郎、岸田 裕子、植草 秀裕
掲載誌： Journal of the American Chemical Society
掲載日： 2025年7月7日
D O I ： https://doi.org/10.1021/jacs.5c04563
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