大阪大学大学院工学研究科の博士前期課程（研究当時）の久次米智裕さん、同環境安全研究管理センターの王哲助教、森直教授らの研究グループは、分子の「形の変化」が「ねじれた光（円偏光発光）」の強さを決める仕組みを、世界で初めて解明しました。

光には「右回り」と「左回り」の2種類の「ねじれた光（円偏光）」があります。この性質を利用すると、より鮮明な3D映像の表示や、生体組織の高精度な観察が可能になります。しかし、有機分子で「ねじれた光」を強く出すことは非常に難しく、これが実用化の大きな壁となっていました。

今回、研究グループは、「分子がどう"踊るか"で、光の性質が決まる」という新事実を発見しました。柔軟な構造を持つ「カルバゾール二量体」という分子を用い、実験と計算を組み合わせることで、「分子がどのように形を変え、どの形の分子がどれだけ強いねじれ光を出すか」を予測・制御する方法を確立しました。

この発見は、3Dディスプレイや生体イメージングなど、次世代の光学技術を支える「高性能発光材料」の設計に新しい道を開くものです。

本研究成果は、ドイツの総合化学誌「Angewandte Chemie International Edition」に、4月27日（月）（日本時間）に公開されました。

図1. 基底状態S₀（青）および励起状態S₁（緑）のPES。
tt型由来のエキシマーがCPL発光を示す。

円偏光発光（CPL）は左右の円偏光成分に対して異なる強度で発光する現象であり、3Dディスプレイ、光学データストレージ、バイオセンシングなど次世代キロプティカル材料への応用が期待されています。一方、CPLの性能指標である発光非対称因子（g_lum）を大きくすることが重要な課題となっていますが、有機小分子では磁気双極子遷移モーメントが本質的に小さいため、大きなg_lum値の実現は困難とされてきました。

こうした背景から、エキシマー発光に基づくCPLが有力な戦略として近年注目されています。エキシマー発光では、2つの発色団間の励起子相互作用によって単一のレッドシフトした発光帯が生じ、磁気双極子モーメントへの依存を回避できます。しかし、ピレンや環状共役系を基盤とした剛直なπスタック構造を用いたエキシマーCPLが報告されているものの、分子内に複数のコンフォマーが共存する柔軟な系ではどのコンフォマーが実際に発光に寄与しているかが不明であり、発光特性の温度・溶媒・置換基依存性も明らかになっていませんでした。これは、エキシマーは過渡的・構造的に不明確な状態であり、基底状態と励起状態の両コンフォメーションランドスケープを一体的に把握することが困難だと考えられてきたためです。

研究グループでは、ポリ（ビニルカルバゾール）（PVCz）のモデル分子として古くから研究されてきた2,4-ジ(N-カルバゾリル)ペンタンに着目し、置換基が異なるカルバゾール二量体を2種類（1a, 1b）合成しました。温度可変の蛍光・CPLスペクトル測定の結果、1aは25 °Cのメチルシクロヘキサン中で370 nm付近にエキシマー由来の負のCPLを示し、g_lum = –6.6 × 10⁻³ を示しました。スペクトル測定温度を−110 °Cまで下げると、CPL強度は増大し発光極大は380 nmへと赤側へシフトし、g_lum = –11 × 10⁻³ まで向上しました。この変化は、低温で基底状態における熱力学的に安定なttコンフォマーの占有率が増加し、エキシマー発光への寄与が増大したためです。一方、モノマー由来の発光（340 nm付近）ではCPLがほぼ観測されず、エキシマー発光のみがCPL活性であることが確認されました。

量子化学計算により、基底状態S₀・励起状態S₁のポテンシャルエネルギー曲面（PES）を系統的に調査したところ、いろいろな「形（コンフォマー）」のうちでもtt型と呼ばれる二つの発色団が程よく重なった形が両状態において最安定構造であり、部分的な重なりによって強いエキシマー発光とCPLを示すことが確認されました。一方、trans-gauche（tg）とgauche-gauche（gg）型は、エキシマー形成せず、CPLへ寄与しないことが分かりました。S1 PESはS₀ PESよりも平坦で、コンフォマー間のエネルギー障壁が低いことも明らかとなりました（図１）。したがって、温度上昇に伴い励起分子はttからgauche型へ比較的容易に変換され、CPL強度が低下すると説明されます。

tert-ブチル誘導体1bは、25°Cで弱いCPL（g_lum = –1.2 × 10⁻³）を示し、温度依存性もほとんど観測されませんでした。また、非共有結合相互作用とエネルギー分解解析により、S₁でのtt→gauche変換がより容易に起こることが明らかとなりました。つまり1bでは、低温でもgauche型への変換が起こりやすく、温度変化に対するCPL応答が鈍感になります。このように、分子骨格への微小な置換基修飾が励起状態のコンフォマーダイナミクスを劇的に変化させ、CPL特性に決定的な影響を与えることが示されました。

本研究は、柔軟な分子系におけるエキシマーCPL発光が「基底状態の熱力学的コンフォマー分布」と「励起状態における速度論的コンフォマーアクセス」という二つの要因の競合によって制御されることを初めて解明しました。この研究結果は、温度・溶媒・置換基によってCPL強度を制御できることを示しており、3Dディスプレイや生体イメージング、光学データストレージ、有機電界発光素子（OLED）、キラルセンシングなどの開発に向けた高性能CPL材料の設計に貢献するものです。

本研究成果は、2026年4月27日（月）（日本時間）にドイツの総合化学誌「Angewandte Chemie International Edition」（オンライン）に掲載されました。

タイトル：“Conformational landscapes in the ground and excited states dictate circularly polarized excimer emission: A thermodynamic–kinetic interplay in carbazole dimer systems”
著者名：Tomohiro Kujime, Zhe Wang and Tadashi Mori
ＤＯＩ：https://doi.org/10.1002/anie.6661486