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自然に学ぶ研究事例

第70回葉緑素に学ぶ光機能性材料の創製
材料・デバイス開発
植物資源
光合成の色素配列を人工的に再現
光学機器、情報通信、医療、エネルギーなど、 さまざまな分野で利用される光。 光の力を効率よく活用し、次世代型の高機能光デバイスを可能にする、葉緑素に学ぶ、光機能性材料とは?
光合成における光捕集系色素配列
光合成における光捕集系色素配列

天然の光合成反応中心には2つのクロロフィルがスペシャルペアを構成し、それが9つ集まって環状体を形成して効率よく光を集めている。写真は葉の葉緑体が光を捕集するイメージ写真である。

通常、物質に光をあてると、物質内の電子がある決まった波長の光子(フォトン)を1つ吸収し、エネルギーが安定的な状態から高エネルギー(励起・れいき)状態へと移ります。ところが、レンズで焦点を絞って強いレーザー光をあてると、一光子吸収の時の約2倍の波長(エネルギーは半分)の光子が同時に2つ吸収される、二光子吸収が起こります。一光子吸収は物質の表面でのみ起こりますが、波長が長い二光子吸収は物質の表面を透過します。そのため、内部の特定する部位に焦点をあて、その周辺の限られた範囲で励起状態を起こすことが可能です。焦点を移すことで、階層的に励起状態をつくりだせるのです。

 

こうした光の吸収による励起状態は、たとえば、光ディスクへの情報の書き込みなどに利用されますが、二光子吸収で多層構造を持たせることで、記録容量を飛躍的に増大することができるのです。そして、高密度三次元光メモリー、超高速通信用光スイッチ、体の深部のガン細胞だけを狙って治療する光線力学療法(PDT)などを実現するために、二光子吸収能の高い材料の開発が進められています。いかに二光子吸収効率を上げるか…。そこで注目したのが、光合成を行う天然のクロロフィル(葉緑素)の色素配列だったのです。

 

光合成の光捕集系色素配列は、2つのクロロフィルがペアを組み、それが集まって輪のような環状体を形成しています。この配列をクロロフィルと似た性質をもつポルフィリンを使い人工的に再現したところ、従来に比べて二光子吸収効率を4倍以上に増大させることに成功しました。

 

現在、実用化を目指してさらなる高効率化、材料としての耐久性の検討などが進められています。次世代型の大容量光デバイスや、メスや抗ガン剤を使わないため副作用もなく体への負荷が少ない深部ガンの治療が、そう遠くない未来に実現すると期待されているのです。

小川和也 准教授

山梨大学大学院 医学工学総合研究部

社会に役立つ夢の材料をつくる
以前は、ポルフィリンを利用した光合成の研究を中心に行っていました。その中で、ポルフィリンの自己組織化を利用して長鎖ポリマーを分子配線として使うといった、分子エレクトロニクスの分野に色素を応用できることがわかってきたのです。7年ほど前に、世界最大の二光子吸収効率をもつ材料開発に成功しました。天然の光捕集系における色素配列を模した、大環状人工光捕集配列を設計し、現在は、分子量を変えながら光学特性を調べる研究なども行っています。 人工物で天然を越えることは容易にできませんが、液晶も有機ELも10年とか20年とか昔は夢の材料でした。いまの研究もまだまだ課題はありますが、10年後くらいを見据えて実用化できればと思いながら、研究を続けています。

トピックス
光による記録は、ポルフィリンのような光を吸収すると構造が変化する分子(フォトクロミック分子)を利用して行われます。構造の変化に伴い、色や光かたなどが変化し、別の波長の光を吸収したり、熱によって元の状態に戻ります。この変化を利用して、情報を1と0のデジタルデータとして記録するのです。また、光線力学療法(PDT:Photo-Dynamic Therapy)は、ガン細胞に親和性が高く、レーザー光を照射すると活性酸素を発生させる光感受性物質を静脈注射によってガン細胞内部に取り込ませ、発生した活性酸素によってガン細胞を殺傷する治療法です。PDTによる治療はさまざまに実施されていますが、二光子吸収を応用することで、より深部のガン治療に利用できるようになったのです。
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