高知工科大學的中林 真宏(當時:大學院博士後期課程3年/2026年3月畢業)與林 正太郎教授(理工學群)發現,在有機分子結晶*1)中,「分子間相互作用的階層性*2)(連結順序)」支配著結晶結構、發光特性,甚至相轉移*3)的行為。過去,當分子間同時存在多種作用力時,要預測和控制哪種力優先、如何支配整體,一直被認為非常困難。本研究提出了一個新的指導方針:「透過設計分子,使其連結力具有優先順序(階層性),從而能精確控制結晶的性質及對刺激的反應變化」,此點獲得了學術上的高度肯定。 此成果已於2026年6月30日刊載於化學領域具高影響力的國際學術期刊 Angewandte Chemie International Edition。 【研究成果重點】 在有機分子結晶中,明確了分子間的吸引力(分子間相互作用)的「種類」與「強度順序(階層性)」決定了結晶的行為。 發現可基於上述「連結順序」來設計分子,從同一種分子創生出分別發出黃光與綠光的兩種不同結晶(多形)。 成功將結晶狀態透過不同過程變化的情形,以發光顏色的變化加以視覺化,無論是加熱(熱刺激)或摩擦(機械刺激)。 為探討未來的應用可能性,將此分子滲透於紙張中,製作出摩擦後發光顏色會變為黃色,並可透過加熱消除(重置)的「安全紙」,並驗證了其應用性。 ▲圖1 製作的安全紙。機械刺激、熱刺激重複導致的顏色變化情形。 【研究背景】 對光、熱、力等外部刺激產生反應並改變結構與性質的「有機分子結晶*1)」是感測器、光功能材料等次世代材料,正受到全球研究的關注。然而,如何設計分子以引發預期的相轉移(狀態變化),仍有許多未解之處。近年來,利用分子間相互作用來控制結晶結構的研究雖有進展,但當分子中同時存在多種吸引力時,它們如何相互影響並支配整體結晶結構與相轉移,卻尚未確立通用的設計方針。 【研究成果】 研究團隊設計了一種新的發光分子,該分子帶有氰基,並同時配置了「溴原子」與「甲氧基」。此分子共存著多種不同強度的相互作用,例如分散力*4)、偶極相互作用*5)、鹵素鍵*6)等。 將此分子結晶化後,根據結晶條件得到了兩種排列方式不同的結晶(多形)*7),其中一種是發出黃光的「α相」,另一種是發出綠光的「β相」。 ▲圖2 新設計的分子結構與兩種結晶。 透過單晶X射線結構解析*8),揭示了這兩種結晶內部分子間相互作用的「階層性(順序)」差異。 α相(黃色結晶):甲氧基之間或芳香環之間的相對「均質」相互作用占優勢。 β相(綠色結晶):由溴原子與甲氧基之間形成的鹵素鍵等「異種」相互作用網絡形成,並強烈支配。 本研究的特點在於,將分子間相互作用分類為「均質相互作用」與「異種相互作用」,並著眼於它們的能量具有階層(優先順序)。這種階層性的連結,使得結晶結構的變化路徑會因施加刺激的種類而完全不同。 熱刺激(加熱):從黃色結晶(α相)直接轉變為綠色結晶(β相),同時維持結晶形狀【單晶-單晶相轉移】。 機械刺激(摩擦等):黃色結晶(α相)會先經過一個無規則、不穩定的「非晶質*9)(無定型)狀態」,然後緩慢轉變為綠色結晶(β相)。 ▲圖3 轉換路徑示意圖。 研究團隊成功地將這些複雜的變化路徑,以「從黃光發光轉變為綠光發光」的清晰顏色變化進行光學追蹤與視覺化。這表明分子間相互作用的微小差異,會大幅改變結晶的響應性與相轉移路徑。 此外,利用此分子,進行了安全紙的製作與演示。將分子滲透於紙張後,在施加UV光(紫外線)的同時「摩擦(機械刺激)」,只有摩擦的部分發光顏色會改變,可以浮現出文字或圖案。進一步「加熱(熱刺激)」後,又能恢復到原來的均質發光顏色,實現了對所繪製資訊的重置(圖1)。 【未來展望】 本研究所示的「相互作用階層」概念,不僅限於發光材料,更有可能成為加速機械響應材料、電子材料、光功能材料等廣泛分子性材料設計的新指導方針。此外,所驗證的安全紙,能夠透過機械刺激進行資訊寫入並透過加熱消除,未來有望發展為防偽特殊材料或可重複寫入的新型資訊記錄媒體。 更進一步,透過理解分子間相互作用競爭所產生的複雜結構變化,可望催生出有機結晶中的新相轉移現象與動態功能。 【術語解釋等】 *1)有機分子結晶 以碳為主成分的有機化合物分子,以三維方式規則且整齊排列而固化的物質。 日常例子包括砂糖結晶、藥品原料等。 *2)分子間相互作用的階層性(相互作用階層) 分子間連結的分子力強度具有「優先順序(順序)」。當多個分子聚集形成規則排列的「結晶」時,分子間的吸引力稱為「分子間相互作用」,分子力強度具有漸層(階層、順序)的狀態稱為「具有階層性」。正是因為分子力強度具有「階層」,所以結晶的行為會因給予刺激的方式而改變。 *3)相轉移 物質的結構或性質因溫度、力等外部刺激而發生劇烈變化,轉變為另一種狀態(相)的現象。日常例子包括水(液體)冷卻變成冰(固體),或加