古天乐太阳娱乐集团tyc493官方网站多种有机材料追求超节能光子学
- 聚合物在我们的生活中随处可见，例如橡胶、塑料制品、油漆和衣服。由于分子量超过10000，所以又称为聚合物，是非常大分子的总称。林正太郎副教授的目标是通过以“π共轭分子”为中心的有机/聚合物合成和分子组装古天乐太阳娱乐集团tyc493官方网站，创造出具有优异机械加工性能的“超越聚合物的新材料”，“π共轭分子”因其独特的电子和光学特性而被用作有机电子材料。
2016年，通过对π共轭分子采用独特的设计和合成策略，我们成功地创造出了常人所知不可能的“柔性单晶”。他在世界上第一个公布了开发方法，为有机材料古天乐太阳娱乐集团tyc493官方网站带来了新的创新。 Hayashi 副教授表示：“我们能够利用 π 共轭分子创造出一种具有巨大材料潜力的材料，这一点意义重大。”目前，我们正在积极开发具有巨大潜力的“柔性分子晶体”在光子学方面的应用。
发光功能的表达导致应用开发
分子晶体具有光学、导电、磁性等多种功能，是实现下一代光子学和电子学的关键材料。然而，分子晶体是分子的集合密集由于其各向异性结构，可以期待高性能，但由于缺乏柔韧性，它很脆且容易破碎。如果我们能够自由设计软晶体，或许能够给材料领域带来新的生命。考虑到这一点，林副教授古天乐太阳娱乐集团tyc493官方网站分子晶体中功能性特别优异的π共轭分子的分子结构，设计了晶体，并创造了致密、各向异性和柔性的“柔性分子晶体”。此外，他们发现这种晶体具有自身发光的特性，并且当弯曲时发光会发生变化。
“起初，我认为在控制电子流动的晶体管中使用这种柔性分子晶体会很有趣。但是，随着研究的进展，我发现它除了具有柔性之外，还能够通过变形来改变光发射。从那时起，我开始考虑新的应用。”
对于 Hayashi 副教授来说，这些发现是一个绝佳的机会。我们目前致力于将柔性分子晶体的弹性变形和发光特性应用于柔性光波导和光腔。
显着提高柔性分子晶体的光传输功能
为了实现紧凑的光通信设备，开发一种“自发光”光波导非常重要，该光波导古天乐太阳娱乐集团tyc493官方网站波导本身发出的光，不需要与光源接触或进行角度调整。然而，传统的自发光材料缺乏柔韧性和强度，当材料的光吸收带和发射带重叠时，它们会自行吸收光，导致光传输效率低。
为此，林副教授和他的同事一直致力于古天乐太阳娱乐集团tyc493官方网站柔性分子晶体开发柔性高效的自发光光波导。 “在思考如何提高光传输效率后，我们提出了添加异物的想法。”基于这一想法，当不同的发光分子以1%~5%的比例添加到柔性分子晶体中时，分子之间发生能量转移，从而极大地抑制了引导光的自吸收，并且发现光传输功能比传统晶体提高了15倍以上。这些成果预计将在迄今为止困难的自发光波导系统的建立方面取得重大进展，并在实现更高效的光通信器件方面取得具体进展。
古天乐太阳娱乐集团tyc493官方网站有机晶体和聚合物晶体开发各种形状的光学谐振器
光具有一旦发出就会扩散的特性，为了自由地控制光，将其严格限制在微观区域内非常重要。超小型光学谐振器具有将光限制在一定时间内的结构，被用于激光振荡等各种设备中，作为通过使用捕获的光处理信号来实现节能的设备。 Hayashi 副教授和他的同事们还致力于古天乐太阳娱乐集团tyc493官方网站柔性分子晶体开发高性能、超小型光学谐振器。
通过将入射光捕获在空间中并使其在内部来回循环，信号被放大，产生特定的驻波并发射特征光。这就是光学谐振腔的原理。光学谐振器有多种类型，但最典型的是法布里-珀罗模式谐振器，当光在两个平行镜之间来回传播时会产生谐振。分子晶体由大量有序排列的分子组成，往往呈平行形状。因此，通过对各种柔性分子晶体进行原型设计并测量由于晶体弯曲变形而引起的荧光光谱的变化，他们发现了源自共振模式的图案。我们已经成功开发出使用柔性分子晶体的法布里-珀罗模式谐振器。
此外，古天乐太阳娱乐集团tyc493官方网站其灵活性的各种形状的光学谐振器正在开发中，例如通过将柔性分子晶体加工成环形来创建环形谐振器，其中捕获的光继续循环，同时被完全反射。
此外，我们通过简单地将发光聚合物溶液应用到由二氧化硅合成的约 5 μm 的微观球体上，创建了具有发光特性的有机-无机杂化球体。通过用光照射和限制球体并测量其荧光光谱的变化，他们发现出现了周期性的尖锐发射带，表明球体内部正在发生光学共振。换句话说，可以说这个球体已被证明是回音壁模式（WGM）谐振器，它是环形谐振器的一种。
“WGM 是一种光沿着圆形墙壁循环的模式。例如，如果您在一个大的圆形圆顶中说话，声波将沿着墙壁传播并被另一侧的人听到。在与这种现象基于相同原理的 WGM 模式中，光在球体表面附近循环并强烈共振，使发出的光更加锐利，这有望改善 光输出和更高的光检测灵敏度。”
Hayashi副教授认为，通过将这些发光有机-无机杂化球应用于各种基材并增加面积，应用范围将大大扩展。
“通过使用从该球体振荡的相干光源，可以创建高输出紧凑型 RGB 光源，可应用于激光显示器、光盘设备等。此外，它还可以用作高精度古天乐太阳娱乐集团tyc493官方网站传感器。我目前正在考虑的是，是否可以将大量此类球体集成到 iPhone 芯片中，以创建传感器 可以根据一个人的呼吸来确定其健康状况。这可能是一种通过简单的制造方法具有潜力的新材料的诞生。”
旨在建立一个超越科学框架的新学术领域
谐振器也用作激光振荡器的重要部件。 Hayashi副教授还表示，他希望“将光学谐振器的研发转向激光器的开发。”
“激光沿直线传播，不易衰减，因此用于激光通信，远距离传输信息。通过集成微型光学谐振器并增加面积，我们的目标是开发一种激光振荡器，可用于在外层空间能量不易古天乐太阳娱乐集团tyc493官方网站的一个地方收集太阳光，并将信号发送到地面。”
此外，如果能够将目前主要使用的无机激光介质改为有机激光介质，在成本和古天乐太阳娱乐集团tyc493官方网站方面将极为有利。
``我觉得未来在于利用有机材料来开发超节能的激光振荡器，收集大量的弱光并将其转化为激光。这是因为虽然有机材料比无机材料具有更多样化的结构，但迄今为止对应用材料的研究还很少。然而，近年来，有机古天乐太阳娱乐集团tyc493官方网站和物理学的融合不断取得进展，我们相信进入这一领域将大大增加创造新材料的可能性。”
带着这样的势头，他最近加入了日本应用物理学会和激光学会，并积极尝试与其他领域的互动。
在此之前，林副教授的实验室不仅根据他们想要表达的功能设计和合成分子结构，设计设计许多分子排列的晶体结构的方法，评估出现的特性，而且还使用他们开发的材料进行应用。林副教授的实验室奉行跨学科的研究风格，近年来发表了一系列开创性的研究成果，其中许多成果在国内外学术期刊上发表专题，备受关注。这一突破背后的动力来自于哪里？
``我一直在进行跨学科研究的原因是'只是因为它很有趣。'当你创造出一种新材料时，你并不满足于它，你会从各个角度看待它，并且不断追求未知的事物。这就是我做研究的动力。高知工业大学有一个很容易与其他领域互动、进行跨学科合作研究的环境。我认为这种研究环境对我来说绝对是一个优势。”
Hayashi副教授研究生涯的最大目标是系统地整理从分子设计到器件应用开发的路径，并建立一个超越材料科学框架的新学术领域。我们将以创新的理念和扎实的实践技能，继续推进实现这一目标。
发布日期：2023 年 12 月/报道日期：2023 年 10 月