超長時間の室温および高温燐光を示す非芳香族ポリマー–深共晶溶媒複合体

輝き続ける発光材料

UVランプを消した後も長く発光を続け、加えて高温下でも光り続ける柔らかなプラスチックを想像してみてください。本研究は、単純な非芳香族ポリマーと特殊な液体混合物からそのような材料を作る方法を報告します。金属や複雑な芳香族分子に依存しないため、発光塗料、セキュリティインク、センサーなどに新たな選択肢を提供します。

長時間発光を作ることが難しい理由

多くの有機材料は発光できますが、室温で長時間光り続けるようにするのは難しいです。本研究で扱う燐光は、熱によって失われやすい脆弱な励起状態に依存しており、分子が動ける環境や材料が高温になると消えやすくなります。これまでの成功例は主に剛直な芳香族分子や精密な結晶設計に頼り、分子運動を抑えることで効果を得ていましたが、これらは高輝度と長寿命の両立や高温環境での安定性に課題がありました。

柔らかなゲルを強靭で長時間光る固体に変える

研究者らは、まずポリアクリルアミドからなる水分を多く含む単純なゲルを出発点にしました。ポリアクリルアミドは一般的な非芳香族ポリマーであり、元々はわずかにしか発光しません。次にゲル内部の水を、2つの小分子を混合して得られる粘性の高い深共晶溶媒に置換しました。その溶媒の一方には臭素が含まれています。溶媒置換後、溶媒が残った状態で穏やかに加熱する「ウェットアニーリング」を施しました。この処理により、重量の約十分の一しか液相が残らないポリマー–溶媒複合体が生成し、アニーリング温度が上がるほど構造はより密で頑丈、かつ透明度が増しました。

強い結合と臭素が光を閉じ込める仕組み

これらの複合体内では、ポリマーチェーンと溶媒成分が強い水素結合を形成し、ネットワークを締め付けてチェーンの運動を抑えます。顕微鏡観察、X線散乱、赤外分光、低磁場NMRは、材料が多孔で緩やかに結合したネットワークから、より緻密で層状の強く溶媒が結合した構造へと変化することを示しています。分子レベルの計算では、溶媒中の臭素が励起分子が長寿命状態へと遷移する確率を大幅に高め、同時に強い結合がこれらの状態の急速な消失を抑えることが示唆されます。その結果、最良サンプルは肉眼で最大9.5秒の残光を示し、室温での寿命は600ミリ秒を超え、吸収したエネルギーの比較的高い割合を光として再放出しました。

高温でも光り続ける

注目すべきことに、最適化された複合体は高温でも発光を維持します。120°Cでも肉眼で確認できる残光を示し、燐光寿命は約0.37秒でした。これは非芳香族系ではこれまで報告されていない性能です。多数の加熱・冷却サイクルでの試験でも発光時間の損失は小さく、特定の有機溶媒中でも同様の挙動を保ちました。加熱しながら行ったX線や赤外測定では、全体構造と主要な水素結合は概ね120°C付近までほぼ維持され、さらに高温になると崩壊して発光が消失することが示されました。

秘密メッセージから一般的なレシピへ

研究チームは、異なる温度でアニーリングした複合体のストリップが、UV光を消した直後や特定の温度でのみ現れる隠れたパターンを記憶できることを示しました。たとえば、背景パターンが常に見えている間に第2のメッセージが数秒だけ現れて消える、あるいは加熱によって永久に消去される「読み取ったら燃やす（burn after reading）」的なセキュリティ機能を作ることができます。他の深共晶溶媒や別のポリマーに置き換えても同じ基本的なレシピで非芳香族発光材料のファミリーが得られ、臭素含有溶媒が最も強く長持ちする発光をもたらしました。

この進展が意味するもの

簡単に言えば、本研究はありふれた非芳香族プラスチックゲルを、特殊な溶媒に浸して穏やかに加熱することで、室温と高温の両方で長時間発光する頑丈な固体へと変える方法を示しています。溶媒とポリマーが互いに強く結びつき、臭素が長寿命の励起状態を作り出すのを助け、剛直なネットワークがこれらの状態を熱による消滅から守ります。これは、偽造防止、情報記録、将来のオプトエレクトロニクスなどに応用可能な、金属を使わない実用的な長時間発光プラットフォームを提供します。

引用: Zhong, X., Bai, Y., Qiao, G. et al. Nonaromatic polymer-deep eutectic solvent complexes with ultralong room-temperature and high-temperature phosphorescence. Nat Commun 17, 4399 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71041-7

キーワード: 燐光, 暗闇で光る材料, ポリマージェル, 深共晶溶媒, セキュリティ印刷