分子間「連結順序」決定固體功能與變化

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),或加熱變成水蒸氣(氣體)的相變化。

*4)分散力

一種分子間相互作用，存在於無極性(分子整體沒有電氣偏差)分子之間的力。

*5)偶極相互作用

一種分子間相互作用，帶有電荷偏差(偶極)的分子或原子之間相互吸引的靜電力。

*6)鹵素鍵

碘(I)、溴(Br)、氯(Cl)等鹵素原子與其他分子的特定部位之間產生的強烈連結。是一種分子間相互作用。

*7)結晶(多形)

化學組成完全相同，但原子或分子的排列(結晶結構)不同，因而呈現出不同顏色、硬度、性質的現象。代表性例子是，相同組成卻分為「鑽石」與「石墨」的碳。

*8)單晶X射線結構解析

一種技術，透過將「X射線」照射到單一結晶上，並計算其反射方式，來精確確定肉眼看不見的分子在結晶中是如何排列的。能夠以皮米(1兆分之1米)等級觀察分子排列方式，可說是「超高性能的分子顯微鏡」。

*9)非晶質(無定型)

構成物質的原子或分子沒有規則排列，處於隨機狀態。

【研究經費】

本研究由科學技術振興機構 創發研究支援事業 (JPMJFR211W)、科學研究費補助金 基盤研究(B) (24K01574)、學術變革領域(A) π分子複雜性的追究所紡織的功能科學 (26H01373),以及科學技術振興機構 SPRING (grant no. JPMJSP2141) 提供支援。

【論文資訊】

標題:Interaction Hierarchy and Polymorphic Structure–Property Dynamics in LuminescentMolecular Crystals

作者:Mahiro Nakabayashi, Shotaro Hayashi

刊載雜誌:Angewandte Chemie International Edition

公開日:2026年6月30日

DOI:10.1002/anie.8807652