研究組織　A01班（平成25年〜26年）

計画班　A01　「光捕集機能を有する人工光合成システム」

天然光合成系のペリフェラルアンテナ部を中心にして、その励起エネルギー伝達・移動機能を超高速分光を駆使して明らかにします。この成果を踏まえて、天然・人工クロロフィルやカロテノイドの集積体を利用して、高効率な光収獲・励起子伝達・エネルギー移動が可能な人工光合成アンテナ系を創製し、化学エネルギーへの変換系との有機的な結合法を、メソポーラス有機シリカも利用しつつ開発します。さらに、コアアンテナ部についても同様の手法を展開して、検討を行っていきます。

研究代表者	民秋 均	立命館大学・薬学部・教授	クロロフィル集積体による光収穫アンテナ機能の解明
研究分担者	稲垣 伸二	株式会社豊田中央研究所・稲垣特別研究室・室長・シニアフェロー	メソポーラス有機シリカを光捕集系とした人工光合成の構築
	橋本 秀樹	大阪市立大学・複合先端研究機構・教授	光捕集機能の解明と高効率化

公募班

公募A01
研究代表者	山口 央	茨城大学・理学部・准教授
チューブ状メソポーラスシリカを利用した光捕集複合体の配列制御
生物由来の光合成ユニットを利用した半人工プロセスにおいては，細胞内での高効率な光エネルギー伝達過程の再現が重要であり，人工的にナノメートルレベルで各種光合成ユニットの規則的・階層的配置が求められている。申請者は，これまでに多孔性陽極酸化アルミナ膜が内包する円筒状アルミナ細孔（細孔径：数十〜200 nm）内に，チューブ状メソポーラスシリカが形成することを見いだした。本研究では，人工光合成アンテナ系構築で求められる光捕集タンパク質・反応中心の階層的配列について，チューブ状メソポーラスシリカを用いた新しい方法論の開拓を目標とする。具体的には，チューブ状メソポーラスシリカのコア空間と細孔壁に，コア光捕集複合体LH1と周辺光捕集複合体LH2をそれぞれ配置させ，LH2-LH1-RC間での効率的な光エネルギー伝達系構築を試みる。
公募A01
研究代表者	山本 洋平	筑波大学・数理物質系・准教授
生体分子による新しい光電変換系の構築
本申請では、生体分子や生体組織系を用いた新しい光電変換システムについて提案する。具体的には、ペプチドβシートを足場とした電子供与体（D−受容体（A）分子の１分子層ヘテロ接合による有機薄膜太陽電池や、生体色素を用いた有機太陽電池である。いずれも生体組織や生体分子のメソスケールの集合構造を利用した光−電子機能創出に関するものである。現在、固相反応によるアミノ酸配列をプログラムした人工ペプチドの合成と自己組織化について研究を進めている。本研究は、生体物質化学、分子集合体科学、エネルギー変換工学、電子デバイス工学など多くの理工学分野を跨ぐ学際的研究と位置づけられる。
公募A01班
研究代表者	坂本 良太	東京大学・大学院理学系研究科・助教
連携研究者	北河 康隆	大阪大学・大学院理学研究科・助教
	宮地 麻里子	東京大学・大学院理学系研究科・特任助教
単一指向性光伝達を可能とする光捕集錯体ナノシート・ナノワイヤ
人工光捕集系において、蛍光共鳴エネルギー移動(FRET)に基づく長距離・高効率の光エネルギー（＝励起子）伝達を達成するためには、異方的な構造・光励起ポテンシャル傾斜を有する色素集合体の構築が肝要である。本研究の目的は、FRETに有利な強発光・強蛍光特性、および自己集合的な錯形成能を有するビス(ジピリナト)亜鉛錯体を構成要素とした色素集合体を創成すること、ならびにその「光捕集系」としての優れたポテンシャルを示すことである。具体的には「1次元錯体ナノワイヤ」を「逐次錯形成法」、「2次元錯体ナノシート」を「気液界面錯形成法」を用いてそれぞれ作成する。ナノシート積層体の構築も行う。ナノワイヤ・ナノシートの励起子伝達能を定量し、そのダイナミクスを過渡分光により解明する。領域内で創生された人工光合成機能性分子とナノワイヤ・ナノシートとの共役にも挑戦する。
公募A01班
研究代表者	立間 徹	東京大学・生産技術研究所・教授
プラズモニック光捕集アンテナ界面の構築
金属ナノ粒子のプラズモン共鳴には、「光を集め、留まらせる」効果があり、近傍にある色素や半導体を、局在振動電場により、通常の伝搬光より効率的に励起できる。これまで開発してきた直立ナノプレート、ナノピラミッド、ナノロッドの高次モード共鳴を利用した加工法などを利用して、強い局在振動電場を生じるプラズモニックアンテナ界面を作り、人工光合成系へ適用する。系統的な研究開発と、人工光合成系に適用した際の知見をフィードバックすることで、より電場が強い界面を創出する。また、半導体−ナノ粒子界面における「プラズモン誘起電荷分離」の効率を同様にして向上し、これを人工光合成系に適用する。内部量子収率は高いが光吸収が小さい人工光合成系や、二次元界面にしか構築できない人工光合成系などの外部量子収率を高め、実用性を高めることを目指す。
公募A01班
研究代表者	柘植 清志	富山大学・大学院理工学研究部・教授
配位高分子鎖を利用した光捕集系の構築
これまで申請者は、発光性金属ユニットを組み合わせた銅（Ｉ）および銀（Ｉ）配位高分子において、発光ユニットと架橋配位子の適切な選択によりユニット間でのエネルギー移動が進行することを示してきた。また、混合型の配位高分子を合成により光吸収サイトと光集約サイトが組み込まれた配位高分子鎖が合成できる可能性がある事を示してきた。 　本研究では、このような発光性配位高分子の特徴を利用して、発光性配位高分子鎖を光アンテナとして利用した光捕集系の構築を行う。具体的には、1. 種々の配位子・金属を組合せた配位高分子の合成による配位高分子鎖中でのエネルギー移動の解明、2. 配位高分子鎖に錯体ユニットを導入することにより光集約サイト、すなわち光エネルギーの取り出し口の連結を行い、光を高効率で利用できる系の構築を行う。
公募A01班
研究代表者	宇佐美 久尚	信州大学・繊維学部・教授
多孔質ガラス導光型光化学反応器の開発研究
人工光合成を目指した多様な研究の蓄積が全世界的になされてきたが、地球上で消費する石油資源を代替可能な太陽光−化学エネルギー転換システムに直結する化学工学的な研究例はない。主因として、効率的な導光と物質移動を両立できる光化学反応装置が存在しないことが挙げられる。 　本研究では、太陽光で誘起される光化学反応を効率よく行い、かつ容易にスケールアップ可能な多孔質ガラス反応器を開発する。この反応器は、既往の反応器にはない下記の特徴を有している。すなわち、円筒型反応器の側面から受光した光を反応器内部に分散導光して内部フィルター効果を克服できること、および、広い内部表面に分散導光することにより、基質分子との接触面積を増大させるとともに、局所反応サイトの光強度を低減させて素反応の量子収率を向上できる。 　 本研究では、反応器の試作、導光特性の評価、およびモデル反応と領域内の研究例を用いて反応器性能を実証する。
公募A01班
研究代表者	荒谷 直樹	奈良先端科学技術大学院大学・物質創成科学研究科・准教授
拡張ローダミンに基づく堅牢な光アンテナシステムの構築
本研究課題では、可視域全域から近赤外領域まで吸収する高効率光アンテナ分子の創製を目指す。化学的安定性を十分に有する人工ローダミン色素の集積体を利用して、高効率な光収獲・励起子伝達・エネルギー移動が可能な人工光合成アンテナ系を創製し、化学エネルギーへの変換系との有機的な結合法を開発する。 　申請者はこれまでにπ共役系化合物の多量体の合成とその光物性研究を展開し、本研究課題は『よりシンプルな分子で長波長吸収を達成する』という研究テーマである。溶解性と安定性を確保した堅牢な新しい骨格をもつローダミン系の多環式芳香族化合物を基軸とした平面状化合物の合成研究を展開し、機能評価する。π共役系を高いアスペクト比を保ったままで拡張することによって、比較的少ない芳香環ユニット数で吸収波長の長波長化 が可能であると期待される。
公募A01班
研究代表者	高木 慎介	首都大学東京・大学院都市環境科学研究科・准教授
光物質変換系との連結を目指した新規ナノシート型光捕集系の構築
申請者は、超分子的な手法により超分子系組織体の構造制御を行い、人工光捕集系の構築を試みてきた。これまでに、申請者が提唱してきたサイズマッチング則を利用した粘土鉱物上におけるポルフィリン分子の吸着配列制御を達成している。これらの複合体において、色素分子間での高効率な光エネルギー移動反応が可能であることを見い出し、光捕集系構築への足がかりを得ている。ただし、これらの系は二次元平面上でのモデル実験であり、実際に実用に供しうる材料とはなっていなかった。本研究ではこれらの研究背景のもと、人工光捕集系の３次元化を目指し、かつ、光捕集に続く後続の物質変換系との連結を目的とする。具体的には、ホスト材料として粘土鉱物を、光捕集系色素として、ポルフィリン類などの機能性色素を用い、さらに、物質変換系を組み入れた反応系を構築する。その際に、反応系の固相化など材料としての利用を視野に入れて研究を進める。
公募A01班
研究代表者	佐賀 佳央	近畿大学・理工学部・准教授
光合成細菌の生合成反応を利用した天然型光捕集超分子の機能化
太陽光エネルギーを効率よく捕集し伝達する天然型の光合成アンテナ超分子の利用は、人工光合成システムの高機能化に大きく寄与する。しかし、光合成アンテナは光エネルギー捕集・伝達に機能が特化していることから、人工光合成系に展開するには物質変換機能との融合が必要である。また、人工システムとの融合に適した光エネルギー捕集・伝達機能の制御や超分子の安定化が重要となる。　 　そこで本研究では、緑色光合成細菌の主要な光捕集アンテナ超分子であるクロロゾームを対象とし、それらの構成分子の生合成過程を利用して物質変換機能との融合や安定性向上を目指した改変を行うことで、クロロゾームの色素集積構造を保持しつつ人工光合成のツールとして利活用することを目的とする。
公募A01班
研究代表者	梶 貴博	情報通信研究機構・未来ICT研究所・研究員
ナノフォトニック構造を用いた人工光合成系の光捕集効率化と機能解明
本研究では、ナノフォトニック構造により生成するスローライトを用いることで、天然・人工光合成アンテナ系や多孔質ナノ材料、金属ナノ材料との複合系における光の利用効率を飛躍的に高めた人工光合成系の構築を行う。さらに、光捕集アンテナ系にフォトニックバンドギャップを作用させた系における励起子の移動効率について高速分光法を用いて評価、解明する。これらにより、光エネルギーの化学エネルギーへの変換効率が飛躍的に向上した人工光合成デバイスの実現や、エネルギー伝搬や変換過程の評価、解明によるナノ構造やナノフォトニック構造を用いた人工光合成系に関する新たなデバイス設計指針の取得を目指す。