งานวิจัยก่อนหน้านี้ได้ตั้งสมมติฐานว่าหลักการของ TL (transistor latency) ในสารประกอบเชิงซ้อนของธาตุหายากนั้นเกิดจากการกระตุ้นโดยตรงของธาตุหายาก จากผลกระทบของเสาอากาศที่เริ่มต้นโดยการกระตุ้นของโมเลกุลอินทรีย์ หรือจากการกระตุ้นของก๊าซที่อยู่รอบตัวอย่าง (เช่น ไนโตรเจน) นอกจากนี้ยังมีการถกเถียงกันว่าโครงสร้างโมเลกุลนั้นมีสมมาตรแบบจุดศูนย์กลางหรือไม่ โมเลกุลเชิงซ้อนไครัลที่ใช้ในงานวิจัยนี้ คือ Chiral LnL^val (Ln = ไอออนของธาตุหายาก) จัดเรียงตัวอยู่ในกลุ่มพื้นที่ที่ผิดปกติมากคือ "P"6₅ (หรือ "P"6₁) ก่อให้เกิดโครงสร้างแบบแผ่น ในโครงสร้างนี้ วงแหวนอะโรมาติกของโมเลกุลอินทรีย์จะเรียงตัวในลักษณะคล้ายแผ่นอยู่ด้านหนึ่ง ขนาบข้างชั้นของธาตุหายาก ในขณะที่ไอออนไนเตรตจะเรียงตัวอยู่ด้านตรงข้าม ชั้นเชิงซ้อนถัดไปจะถูกวางลงไปแบบไม่สมมาตรในขณะที่ยังคงรักษาทิศทางนี้ไว้ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ มันเป็นระบบที่มีสมมาตรแบบจุดศูนย์กลางที่แตกหัก เพื่อเป็นการเปรียบเทียบ ได้มีการทำการทดลองที่คล้ายกันโดยใช้ผลึกราเซมิกของ LnL^val และผลึกที่เปลี่ยนไอออนลบจากไอออนไนเตรตเป็นไอออนคลอไรด์ แต่ทั้งสองกรณีไม่แสดงปรากฏการณ์ TL
เมื่อทำการวัด TL ของ Chiral LnL^val โดยใช้ DTS จะสังเกตเห็นสเปกตรัมการปล่อยแสงที่มีลักษณะเฉพาะของไอออนธาตุหายาก (รูปที่ 2)
ตัวอย่างเช่น แถบความถี่ที่คมชัดปรากฏขึ้นในย่านความยาวคลื่นสีแดงสำหรับ Eu และในย่านความยาวคลื่นสีเขียวสำหรับ Tb เพื่อทำความเข้าใจกลไกของปรากฏการณ์ TL นี้ เราได้ทำการทดลองโดยใช้วิธีการเพิ่มเติมอีกสี่วิธี

(1) ความสัมพันธ์ของความเข้ม TL กับความแรงของสิ่งเร้า (รูปที่ 2): เมื่อความสูงเริ่มต้นของการตกของลูกบอลสแตนเลสใน Chiral EuL ^val DTS เพิ่มขึ้น และพลังงานที่ใช้ในการบดเพิ่มขึ้น ความเข้ม TL ในระบบนี้จะไม่เปลี่ยนแปลงอีกต่อไปตั้งแต่ความสูง 80 ซม. ซึ่งแสดงให้เห็นว่ามีขีดจำกัดของพลังงานเชิงกลที่จำเป็นในการเหนี่ยวนำ TL

(2) ความจำเพาะของสภาพแวดล้อมต่อการแสดงออกของ TL: เพื่อตรวจสอบว่า TL ในระบบนี้เกิดจากการกระตุ้นโดยตรงของไอออนธาตุหายากหรือผ่านเอฟเฟกต์เสาอากาศหรือไม่ จึงได้ทำการจำกัด DTS ไว้ในบรรยากาศอาร์กอนหรือไนโตรเจน และทำการวัด TL ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าไม่ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อม นอกจากนี้ เมื่อเปรียบเทียบความเข้มสัมพัทธ์ของสเปกตรัม TL โดยใช้ Chiral Tb/EuL^val ซึ่งเป็นส่วนผสมของ Tb และ Eu กับสเปกตรัม PL พบว่าไม่มีการถ่ายโอนพลังงานระหว่างโลหะจาก Tb ไปยัง Eu ใน TL กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ พบว่า TL ไม่ได้เกิดจากการกระตุ้นโดยตรงของไอออนธาตุหายาก

(3) ความสัมพันธ์ระหว่างขนาดเกรนของผลึกและการแสดงออกของ TL (รูปที่ 3): ผลึกของสารประกอบเชิงซ้อนแสดง TL ทันทีหลังการสังเคราะห์ แต่เมื่อบดผลึกอย่างละเอียดในครกแล้ว TL จะไม่แสดงออกมาอีก เมื่อวัดด้วยการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์แบบผง (PXRD) ที่สถานีรังสีซินโครตรอนขนาดใหญ่ SPring-8*⁴ (BL02B2) พบว่าความกว้างเต็มที่ที่ครึ่งค่าสูงสุดของยอด XRD ของตัวอย่างที่บดแล้วเพิ่มขึ้น แต่ตำแหน่งของยอดการเลี้ยวเบนไม่เปลี่ยนแปลง นอกจากนี้ เมื่อทำการตกผลึกใหม่ ความกว้างเต็มที่ที่ครึ่งค่าสูงสุดของยอด XRD จะคมชัดขึ้น คล้ายกับกรณีทันทีหลังการสังเคราะห์ และสังเกตเห็น TL ผลกระทบของขนาดยังสังเกตได้จากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน กล่าวคือ ในระหว่างกระบวนการบดนี้ โครงสร้างผลึกไม่เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ (ไม่มีการเปลี่ยนเฟสของผลึกเกิดขึ้น) แต่ขนาดเกรนของผลึกลดลง ซึ่งบ่งชี้ว่าขนาดเกรนของผลึกที่แน่นอนมีความจำเป็นสำหรับการแสดงออกของ TL

(4) การยืนยันการแสดงออกของ TL ของโมเลกุลอินทรีย์ที่ทำหน้าที่เป็นเสาอากาศแสง: สารประกอบธาตุหายากแบบดั้งเดิมจำนวนมากที่แสดง TL มุ่งเน้นไปที่การเรืองแสงของธาตุหายากเอง สารประกอบที่มี Gd ติดอยู่เป็นประโยชน์สำหรับการทำความเข้าใจคุณสมบัติการเรืองแสงของสารประกอบอินทรีย์ พบว่าไครัล GdL^val เป็นระบบที่แสดง TL เฉพาะที่โมเลกุลอินทรีย์ กล่าวอีกนัยหนึ่ง เมื่อพิจารณาร่วมกับข้อควรพิจารณาใน (2) พบว่า TL ที่เกิดจากไอออนธาตุหายาก เช่น Eu จะถูกกระตุ้นโดยการกระตุ้นทางกลของลิแกนด์และดำเนินไปผ่านการถ่ายโอนพลังงานภายในโมเลกุล

โดยสรุป การศึกษานี้แสดงให้เห็นว่าระบบที่แปลงพลังงานกลเป็นแสงโดยใช้ผลึกแผ่นบางของสารประกอบเชิงซ้อนของธาตุหายากแบบไครัลที่มีกรดอะมิโนนั้น เกิดจากผลของเสาอากาศผ่านสถานะกระตุ้น (โดยเฉพาะสถานะกระตุ้นแบบทริปเล็ต) ของลิแกนด์ (รูปที่ 4) ระบบดังกล่าวยังไม่เคยถูกนำไปใช้ในทางปฏิบัติ และการอธิบายหลักการของระบบนี้จะเป็นจุดเริ่มต้นสำหรับการพัฒนาวัสดุเปล่งแสงใหม่ในอนาคต

ในการดำเนินการวิจัยนี้ เราได้รับคำแนะนำและความช่วยเหลือจากศาสตราจารย์โคอิจิ โนซากิ และอาจารย์มุเนทากะ อิวะมูระ จากมหาวิทยาลัยโทยามะ และดร.เคนตะ โกโตะ จากสถาบันเคมีและวิศวกรรมวัสดุ มหาวิทยาลัยคิวชู การวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนจากกระทรวงศึกษาธิการ วัฒนธรรม กีฬา วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (MEXT) ผ่านโครงการให้ทุนสนับสนุนการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ มูลนิธิวิทยาศาสตร์ยามาดะ ศูนย์วิจัยร่วมด้านวัสดุและอุปกรณ์ และโครงการสนับสนุนการสร้างฐานวิจัยเชิงกลยุทธ์ของ MEXT สำหรับมหาวิทยาลัยเอกชน การวัด PXRD ด้วยรังสีซินโครตรอนดำเนินการที่ศูนย์รังสีซินโครตรอนขนาดใหญ่ SPring-8 ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการที่ได้รับการคัดเลือก และเราได้รับความช่วยเหลือจากบริษัทฮามามัตสึ โฟโตนิกส์ จำกัด และบริษัทเทจิน จำกัด ในการจัดตั้ง DTS เราขอถือโอกาสนี้แสดงความขอบคุณอย่างยิ่ง

*1: ผลึกอ่อนเป็นคำทั่วไปสำหรับผลึกระดับโมเลกุลที่เป็นระบบตอบสนองที่มีระเบียบสูงและยืดหยุ่นได้ เงื่อนไขสำหรับการก่อตัวของผลึกอ่อนและปรากฏการณ์การเปลี่ยนเฟสได้รับการพัฒนาอย่างมากในโครงการสนับสนุนการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ด้านนวัตกรรมของ MEXT ในหัวข้อ "ผลึกอ่อน - หลักการและฟังก์ชันทางแสงของระบบตอบสนองที่มีระเบียบสูงและยืดหยุ่นได้" และกำลังพัฒนาเป็นกลุ่มวัสดุใหม่
*2: ไครัลลิตี้ หมายถึง ความสัมพันธ์ที่โมเลกุลมีโครงสร้างโครงร่างเหมือนกัน แต่ไม่สามารถทับซ้อนกันได้ เช่น ความสัมพันธ์ระหว่างมือขวาและมือซ้าย ตัวอย่างเช่น ในกรณีของโมเลกุล ส่วนประกอบของกลิ่นในมะนาวและส้มเป็นสารประกอบไครัล และเนื่องจากมีโครงสร้างโมเลกุลแบบมือขวาและมือซ้าย จึงมีหน้าที่แตกต่างกัน (ในกรณีนี้คือกลิ่น)
*3: ธาตุหายากเป็นคำทั่วไปที่ใช้เรียกสแกนเดียม อิตเทรียม และแลนทานัม ซึ่งมีเลขอะตอมตั้งแต่ 57 ถึง 71 สารประกอบเชิงซ้อนของธาตุหายากเป็นสารประกอบที่เกิดจากการเชื่อมต่อโมเลกุลอินทรีย์กับธาตุเหล่านี้ ในที่นี้ เราใช้สารประกอบเชิงซ้อนกับซาแมเรียม (Sm) ยูโรเปียม (Eu) เทอร์เบียม (Tb) และไดสโปรเซียม (Dy) ซึ่งเป็นที่ทราบกันดีว่ามีคุณสมบัติเรืองแสง รวมทั้งแกโดลิเนียม (Gd) เพื่อใช้ในการเปรียบเทียบ
*4: ศูนย์วิจัย RIKEN ที่ตั้งอยู่ในเมือง Harima Science Park จังหวัดเฮียวโกะ ซึ่งผลิตรังสีซินโครตรอนที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในโลก สถาบันวิจัยรังสีซินโครตรอนแห่งญี่ปุ่น (JASRI) ให้การสนับสนุนผู้ใช้งาน ชื่อ SPring-8 มาจาก Super Photon ring-8 GeV (กิกะอิเล็กตรอนโวลต์) ที่ SPring-8 มีการวิจัยหลากหลายด้านโดยใช้รังสีซินโครตรอนนี้ ตั้งแต่นาโนเทคโนโลยีและเทคโนโลยีชีวภาพไปจนถึงการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม

<ข้อมูลที่เกี่ยวข้อง>