神戸大学 大学院理学研究科・理学部

研究トピックス

太陽光エネルギー変換のしくみを解き明かす

化学科・化学専攻 反応物理化学分野 小堀 康博 教授

小堀 康博 教授  光合成は、46億年にわたる地球の歴史の中で多様な生命進化のきっかけとなった重要な化学反応として位置づけられています。光合成生物が生みだす酸素や有機物が私たちの地球環境と生命活動を支える大切なエネルギー源になっています。光合成の初期過程では、光エネルギーを捕集し、それを化学エネルギーに変換するタンパク質複合体が中心的な役割を果たしています。近年では、このタンパク質複合体のX 線結晶構造解析が進み、エネルギー変換のしくみについて世界的な関心がより高まっています。

小堀 康博 教授  光合成や有機太陽電池、光触媒などの光エネルギー変換システムでは光が電荷を伝える中間体を瞬時に生みだします。この中間体は、正の電荷と負の電荷がわずかに離れた位置にあり、電荷分離状態とよばれています。この状態は極めて不安定であり、すぐに電荷を戻して元の安定な分子になろうとします。ですから、このエネルギーロスを起こさずに電荷を化学エネルギーとして得ることは簡単ではありません。現在、人類が直面しているエネルギー問題を解決するには、光合成や太陽電池が電荷を伝えるしくみをより詳しく調べ、さらに効率のよい人工光合成や太陽電池へと結びつけていくことが重要なのです。このためには、光合成タンパク質や太陽電池において複雑に配置された分子同士がどのような相互作用を持ち、どのような立体配置で電荷が伝達されていくのかを調べる必要があります。

 これまで、光の入射直後に生じる電荷分離状態がどのような立体構造をもち、どのような電子軌道のはたらきで電荷を伝えるのかを実証した研究はありませんでした。私たちは、反応中間体の電荷がもつ磁気的性質を計測する「時間分解電子スピン共鳴法」を用い、種々の電荷分離状態を捉えることに成功しています。ごく最近では、1)紅色細菌の光合成反応中心タンパク質や2)有機薄膜太陽電池の光活性層について、初期電荷分離状態の立体配置や電子軌道の重なりの性質を明らかにし、電荷のロスを防ぎながら効率よく化学エネルギーを生むしくみを解き明かしました。私たちは、さらに高度な機能をもつ高等植物や有機・無機系太陽電池について光エネルギー変換のしくみを調べ、喫緊のエネルギー問題を解決するための基礎研究に日々取り組んでいます。

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