研究

東工大ニュース

光合成機能をもつ有機分子が働く瞬間を直接観察

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2012.03.01

要約

本研究成果のポイント

  • 光合成機能を持つ有機分子が光エネルギーを化学エネルギーに変換する瞬間を直接観察
  • 光合成を模倣した分子9-メシチル-10-メチルアクリジニウムイオンの光機能を立証
  • 次世代エネルギー源として人工光合成(※1)システムの開発に進展

研究の内容,背景,意義,今後の展開等

概 要

東京工業大学大学院理工学研究科の星野学研究員、腰原伸也教授、植草秀裕准教授、高エネルギー加速器研究機構(KEK)物質構造科学研究所の足立伸一教授、大阪大学大学院工学研究科の福住俊一教授、大久保敬特任准教授の研究グループは、光合成機能を持つ有機分子が、吸収した光エネルギーを化学エネルギーに効率よく変換し、かつ長時間エネルギーを保持し得る状態になることを、KEK放射光科学研究施設(PF-AR)を用いたポンププローブX線回折法(※2)と単結晶X線構造解析(※3)による分子及び結晶構造の直接観察によって立証した。

光合成を模倣しエネルギー変換する分子は多く提案されているが、本研究で用いた分子は、天然光合成の1000倍以上もの長時間、化学エネルギーに変換した状態を保持できることから、次世代エネルギー源としての新しい人工光合成システム開発の進展に寄与すると期待されている。

本研究成果は、米国化学学会誌「Journal of the American Chemical Society」のオンライン速報版で近日中に公開される予定である。

背 景

本研究成果のポイント

  • 光合成機能を持つ有機分子が光エネルギーを化学エネルギーに変換する瞬間を直接観察
  • 光合成を模倣した分子9-メシチル-10-メチルアクリジニウムイオンの光機能を立証
  • 次世代エネルギー源として人工光合成※1システムの開発に進展

現在のエネルギー源は主に化石燃料や原子力が用いられているが、環境負荷の問題や、事故・災害時におけるリスクの高さなどから、より安全でクリーンなエネルギーの創成方法が求められている。太陽光エネルギーは持続可能な次世代エネルギーとして注目されており、特に植物が吸収した光エネルギーを化学エネルギーに変換する光合成のメカニズムを分子レベルで模倣した「人工光合成」は、近年盛んに研究が進められている。しかしながら、人工光合成では、分子が吸収した太陽光エネルギーをどのように化学エネルギーに変換するのかが未解明のまま課題となっていた。エネルギー変換のメカニズムを知る上で、変換過程における分子構造変化を知ることは、極めて重要な要素である。

本研究では、単結晶中の分子構造を直接的に調べることが可能な単結晶X線構造解析を用いて、人工光合成への応用が期待されている9-メシチル-10-メチルアクリジニウムイオン(図1)が光エネルギーを化学エネルギーに変換するときの分子構造変化を解明した。

背 景

本研究成果のポイント

  • 光合成機能を持つ有機分子が光エネルギーを化学エネルギーに変換する瞬間を直接観察
  • 光合成を模倣した分子9-メシチル-10-メチルアクリジニウムイオンの光機能を立証
  • 次世代エネルギー源として人工光合成※1システムの開発に進展

現在のエネルギー源は主に化石燃料や原子力が用いられているが、環境負荷の問題や、事故・災害時におけるリスクの高さなどから、より安全でクリーンなエネルギーの創成方法が求められている。太陽光エネルギーは持続可能な次世代エネルギーとして注目されており、特に植物が吸収した光エネルギーを化学エネルギーに変換する光合成のメカニズムを分子レベルで模倣した「人工光合成」は、近年盛んに研究が進められている。しかしながら、人工光合成では、分子が吸収した太陽光エネルギーをどのように化学エネルギーに変換するのかが未解明のまま課題となっていた。エネルギー変換のメカニズムを知る上で、変換過程における分子構造変化を知ることは、極めて重要な要素である。

本研究では、単結晶中の分子構造を直接的に調べることが可能な単結晶X線構造解析を用いて、人工光合成への応用が期待されている9-メシチル-10-メチルアクリジニウムイオン(図1)が光エネルギーを化学エネルギーに変換するときの分子構造変化を解明した。

論文名:Determination of the Structural Features of a Long-Lived Electron-Transfer State of 9-Mesityl-10-methylacridinium Ion(長寿命電子移動状態における9-メシチル-10-メチルアクリジニウムイオンの構造的特徴の決定)

雑誌名:Journal of the American Chemical Society

著者:M. Hoshino, H. Uekusa, A. Tomita, S. Koshihara, T. Sato, S. Nozawa, S. Adachi, K. Ohkubo, H. Kotani, S. Fukuzumi

本研究の意義、今後の展望

本研究は、太陽光エネルギーを効率よく化学エネルギーに変換する分子設計方針の確立につながる成果である。これにより、光のエネルギーを利用して通常では起こらない化学反応を進行(光触媒反応)させることが可能になると期待できる。

実際に9-メシチル-10-メチルアクリジニウムイオンでは、様々な光触媒反応が報告されており、今後さらに効率的な光触媒反応を設計する上で本研究成果は重要な情報になると考えられる。さらに、9-メシチル-10-メチルアクリジニウムイオンやその分子設計方針を利用して、エネルギー問題を解決へと導く新しい人工光合成システム開発の進展が期待されている。

本成果は、JST 戦略的創造研究推進事業(CREST) 研究領域「先端光源を駆使した光科学・光技術の融合展開」研究課題名:「光技術が先導する臨界的非平衡物質科学」研究代表者:腰原伸也(東京工業大学大学院理工学研究科教授)、 JST 先端的低炭素化技術開発

論文名:Determination of the Structural Features of a Long-Lived Electron-Transfer State of 9-Mesityl-10-methylacridinium Ion(長寿命電子移動状態における9-メシチル-10-メチルアクリジニウムイオンの構造的特徴の決定)

雑誌名:Journal of the American Chemical Society

著者:M. Hoshino, H. Uekusa, A. Tomita, S. Koshihara, T. Sato, S. Nozawa, S. Adachi, K. Ohkubo, H. Kotani, S. Fukuzumi

(ALCA)研究領域「太陽電池及び太陽エネルギー利用システム」 研究課題名:「人工光合成複合システムの構築」 研究代表者:福住俊一(大阪大学大学院工学研究科教授)、JSTさきがけ研究領域「光エネルギーと物質変換」研究課題名:「時間分解X線構造解析法による光エネルギー変換機構の分子動画観測」 研究者:足立伸一(高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所教授)によって得られたものである。

参考図

図1:9-メシチル-10-メチルアクリジニウムイオン

可視光を吸収することでメシチレン部位(スキーム中で青に変わる部位)からアクリジン部位(スキーム中で赤に変わる部位)への電子移動が起こり、吸収した光エネルギーを化学エネルギーに変換する。

図2:観察されたエネルギー変換に伴う構造変化

図中の灰色の半透明部分は可視光を吸収する前の分子配置であり、光を吸収して化学エネルギーに変換する過程で、アクリジン部位に結合したメチル基が折れ曲がり、結晶中で隣接する過塩素酸イオンがメシチレン部位方向に移動していることがわかる。また、メシチレンとアクリジンの配置が観察精度以内で変化していないこともわかる。

用語解説

  1. ※1
    :人工光合成
    植物が光のエネルギーを捕集して、化学エネルギーに変換し、炭化水素合成などの化学反応に利用する光合成を、原子・分子を設計し組み合わせることで人工的に行うこと。本研究で注目した9-メシチル-10-メチルアクリジニウムイオンは光合成のプロセスの中でエネルギーの変換を行う部分(光合成反応中心)の機能を模倣して設計された分子である。
  2. ※2
    :ポンププローブX線回折法
    試料の単結晶に短い時間幅のレーザー光を照射すると、短時間で単結晶中分子の多くが光のエネルギーを吸収して高いエネルギーの状態(本研究では、光誘起電子移動を起こした状態)に変化する。この瞬間のX線回折データを同様に短い時間幅のX線を用いて収集する方法がポンププローブX線回折法である。レーザー光で高いエネルギー状態に“上げた(pump)”瞬間をX線で“調べる(probe)”ことから、このように呼ばれる。
  3. ※3
    :単結晶X線構造解析
    分子が規則正しく周期的に配列した単結晶に単色化したX線を照射すると、結晶中の分子構造と周期性を反映した回折データが得られる。この回折データを数千から数万収集して解析を行うことで、試料の分子構造と結晶構造を知ることができる。この単結晶X線構造解析は実験から得られる回折データのみを利用して分子および結晶の三次元的な構造を知ることが可能であることから、直接観察とも表現される。

本件に関するお問い合せ先
腰原伸也
大学院理工学研究科 物質科学専攻 教授
電話: 03-5734-2449   FAX: 03-5734-2449
E-mail: skoshi@cms.titech.ac.jp

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