お椀型多面体マイクロ単結晶を均一精密に成長制御―有機マイクロフォトニクス研究への展開に期待：筑波大学ほか
(2022年8月5日発表)
筑波大学と関西学院大学の共同研究グループは8月5日、お椀型の結晶である凹多面体マイクロ単結晶を均一かつ精密に成長制御することに成功したと発表した。凹多面体マイクロ単結晶に潜在する有機マイクロフォトニクスなどの機能の発掘、応用開発が期待されるという。
凹多面体単結晶はお椀のような凹み型をした「骸晶（がいしょう）」とも呼ばれる結晶で、通常緩やかな結晶成長プロセスで凸型結晶が成長するのとは異なり、急速な成長プロセスのもとで凹み型が形成される。
骸晶は、緩やかな成長プロセスでは現れてこない結晶面や複雑な形状を持つため、骸晶形成の精密な制御ができれば、結晶材料に潜在する新たな機能の発掘が期待できる。しかし、骸晶はその急速な成長プロセスにより、形状や大きさ、配向性をそろえることが困難だった。
研究グループは、(S)-CP4と呼ばれるπ共役分子を材料に用い、結晶成長を詳細に調べた。
その結果、(S)-CP4の過飽和溶液を石英基板上に滴下し、急速に溶媒を蒸発させたところ、形状、サイズ、配向が均一にそろったマイクロ結晶が形成することを見出した。
走査型電子顕微鏡でこの結晶を観察したところ、基板表面に逆六角錐（すい）で中心に凹面を形成したお椀型のマイクロ構造体が無数に形成されており、それらは基板に対し一律に直立していた。このマイクロ構造体一粒子をX線構造解析したところ、この構造体が(S)-CP4の単結晶の骸晶であることが確認された。
さらに結晶成長プロセスを把握するため、蛍光顕微鏡下で(S)-CP4の結晶成長を追跡した。その結果、過飽和溶液の滴下から核形成、成長、停止の一連の過程がわずか10秒程度で進行し、基板表面に一斉にマイクロ結晶が形成することが観察された。
また、溶液濃度の調整やキラリティの選択により、より複雑で精緻なお椀型多面体形状の結晶を形成することができ、得られた凹多面体マイクロ結晶は、実際に溶液を保持する微小な器として機能することが明らかになった。
今回の研究では、面キラリティを持つ共役系有機分子を基板表面で自己組織化させると同一形状で均一サイズ、かつ一軸配向した骸晶を形成できることが示された。今後フォトニクス、エレクトロニクス、触媒などへの研究の展開が期待されるという。
