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九州大学
安達 千波矢

第21回目のインタビューは、九州大学応用科学部門 教授でいらっしゃる安達 千波矢先生にお話をお伺いしました。
安達研究室では、次世代有機フォトニクスデバイスとして、高性能高付加価値あ有機(発光)トランジスタ、有機太陽電池、有機メモリー、有機レーザーダイオード等の実現に積極的に取り組んでいます。
そして、これらの個別デバイスの集積化を通して、オール有機物による電子回路の実現やフレキシブル光電子デバイスなど、従来のSiテクノロジーでは、実現できなかった新しい有機半導体エレクトロニクスを切り拓くことを目指しています。

本日はよろしくお願いいたします。
 早速ですが、安達先生の研究について色々お話をお聞かせ頂ければと思います。

– 安達先生は大変お忙しいと伺っておりますが、先生の1日の過ごし方を教えてください。

 朝はとても早いです。日が昇る前には起きます(笑)。唯一、一人の時間を過ごせる時なので、この時間を楽しむために早いときには朝、ジョギングをしてから、5時頃には研究室に来ます。「ただ考える」ことだけに費やせる時間は貴重なので、一人の時間に思考実験を1日1時間でも確保したいと思っています。研究は「深く考える」ということにいかに多くの時間を費やせるかということだと思っています。昨今の大学は信じられないぐらい忙しく、研究だけではなく、講義や色々なマネージメント業務もありますので、「効率よくやる」ということが大切と思いつつも、相反してはいますが、「研究は自由な発想で無駄なことをいかにたくさんやるか」ということが大切なので、定型業務の効率を上げ、研究はやれるだけめいっぱいやる…というのが理想です。

では、先生の研究分野である有機光エレクトロニクスについて研究の概要をご紹介いただけますか?

 私自身、院生(M1)の時から有機ELの研究をしていまして、1988年から現在に至るまで研究テーマは基本的に変わっていません。その当時、有機物は一般に電気が流れないと言われていましたが、「100 nm程度の超薄膜を作る」というのがポイントになっています。超薄膜という極限状態に持っていくことで普段では見えない極限の物性が見えてくるのです。これは面白いですよ。そして、私たちの興味は、有機物に電気を流すだけではなく「流した電気を光に変える」ところです。「有機物に電気を流す」ということ自体、普通の常識ではやらないだろうし、どうせ役に立たないだろうし、そもそも耐久性も出ないだろうと考えられてきました。しかし私たちは、最近では、ついに比較的簡単なフローで分子を合成し、その分子で流した電流を100%の量子効率で光に変換することで成功し、2012年の12月にNature誌に発表しました。
 ここで鍵となるのが「遅延蛍光」という技術です。発光材料に電流を流すと、電子と正孔(ホール)の再結合エネルギーを利用して分子が励起されますが、このときに、一重項励起状態(S1)の分子と三重項励起状態(T1)の分子が1:3の割合で生成されます。普通の発光材料は、一重項状態の分子からの発光(注:これを「蛍光」といいます)しか生じないので、発光効率は25%の低い値に留まってしまいます。
 ところが、もし三重項励起状態の分子からの発光(注:これを「リン光」と言います)も光として取り出すことができれば、原理的には内部量子効率100%を達成するこができます。実際、イリジウムを含有する有機金属系の金属錯体を発光層に用いると、ほぼ、100%の量子効率でEL発光を実現することができます。しかしながら、高効率でリン光発光を発生させるためには貴金属を用いなければならないので高コストなどの、いくつかの重大な問題点がありました。
 そこで、「第三世代の発光体」として、三重項状態の励起分子を一重項励起状態に変換することができれば、貴金属を用いなくても100%の内部効率をもつ新しい発光分子を創出することができるだろうと考えました。その実現のためには一重項と三重項励起状態のエネルギーレベルの差を理想的にはゼロにすればよいことになります。例えて言うと、底に穴の開いた2つのプール(一重項と三重項励起状態)があって、その穴の大きさが10000倍くらい違うとしましょう。このプールをパイプでつないでしまうと、大きな穴の方から水がどんどん落下するようになります。このパイプで繋いでしまうことが、一重項と三重項励起エネルギーギャップをゼロに近づけることに相当し、大きな穴の方の光(一重項励起状態からの蛍光)が高効率で光るというのが、第三世代発光体の基本的な原理です。

実は、このような分子内のエネルギー状態は人工的に制御が可能であり、特に、量子化学計算をうまく使うことで、精度良く分子設計ができることに気がつきました。一重項と三重項励起子のギャップ(Δ EST)を小さくするためには、第一にHOMOとLUMOの軌道が重ならないようにすればよいのですが、一方で、分子を高効率で光らせるためには、HOMOとLUMOは重なりを持たなければならないのです。つまり、発光効率の高い分子を得るためには、この相反する要求を同時に満たす必要があります。そこで、絶妙な設計をしていくわけです。基本的にはHOMOとLUMOを分離させるのですが、少しだけオーバーラップを入れ込みます。この分子設計をもとに網羅的に分子の探索を行ったところ、三重項から一重項励起状態への逆系間交差確率がほぼ100%に達する分子が見つかりました。
 ひとたび、分子設計がわかってしまうと、ドナーとアクセプター部位を組み合わせることで、次から次へと様々な分子が見つかるようになり、私どもの研究室だけでも約300個に達する新しい遅延蛍光分子が見つかっています。20年前の昔だったら手探りでやっていたところが、計算化学で軌道計算を行うことで、だいたいこのへんかな?という「辺りの領域」がわかるようになり、無駄な探索時間が少なくなりました。

先生はどうしてこのようなことを思いつかれたのでしょうか?

 私は実は学部は物理学科出身です。その後、物理学者としての道はあきらめ、大学院では、より実験研究に近い応用化学に進みましたが、応用化学でも色々な知識を身につけて行ったものの、結局、根本的には、物理的なアイディアや考え方が大切であることがわかりました。物理は色々な基礎的な考え方の集積のようなところがあり、その基礎の上に実学である化学があるような気がします。分子構造が面白いからと単に新しい分子を作るのではなく、新規の機能発現を第一に考えた分子設計をいつも考えていることが、うまく行った理由かもしれません。

「光らせたい」ということから、どうすればいいのか?ということで基礎に立ち返ってもう一度考えてみたということですね?

 結局のところ、行き詰ったら基礎的な思考に戻らないと難しい課題は突破できないと思います。そういう意味では物理がとても有用です。私たちがよく言われて嫌だなと感じることがあるのですが、それは「安達研は応用研究」だと言われてしまうところです。例えば「効率なんか追究して企業のようなことをやってどうするつもりだ」と言われることもあります。効率などの数字を重視することは、実用開発に近い応用研究だと見られがちですが、私は基礎研究を進めるにあたっても、むしろそこを目指すべきだと思っています。なぜなら、100%の効率が出るということを目指すプロセスはとても大切で、そこには、絶対にごまかしがききません。大学の研究室で「光ればいいや」とか「1%でも10%でもいいや」という研究の進め方をしていると実は本質を見逃してしまいます。「100%が得られた時にこそ見える新しい現象や物事の本質」を僕らは何度も体験しています。このことは、新しい物性物理を開拓する上でも大切だと思っています。
 ですから、学生さんにも「プロセスを追いこんで究極の効率を目指そう」と常に言っています。もちろん、0を1にすることが一番大切なのですが、新しいものが見つかったら徹底的に究極の100%に持っていくプロセスは必須です。

「0を1にし、それが見つかったら効率を100%に上げる」中で、100%にしたいというのは、実用化に向けて100%を目指されたのか、それとも先生が100%にするというのが好きでそれを目指したのかというのはどちらが大きいのでしょうか?

 そこには、色々な思いがありますが、先ほどお話した通り、有機デバイスにおいては、特に「100%にすることによって真実が見える」というところを追究したい気持ちがあります。ごまかしがきかない本当のサイエンスとは何か、分子の本来の力を100%発揮させたいということです。一方、私自身が原理を知りたいという気持ちと同時に、研究成果を実用化に持っていきたいという気持ちも正直強いです。それは私自身、民間企業に5年間在籍したという経験もあり、最終的には「世の中に役に立つ科学技術を提供したい」という強い思いがあります。
 実は初期の有機ELデバイス(写真参照)は2〜3分しか持たなかったのですが、劣化原因の徹底的な追求により、主な要因の一つは薄膜中に取り込まれた極微量の「水」であることがわかってきました。有機物は2つの顔を持っていて、水が存在する場合と水が存在しない場合の有機物は別物のように振る舞います。水さえきちんと取り除けば、実は高い耐久性の発現が有機物でも可能だということがわかってきました。こういったメカニズムの解明は、実用化に向けた大きなキーポイントになります。

有機物(の研究)に魅せられる方は、手を動かすことが好きな方に多い傾向にあると聞きましたがいかがでしょうか?

 ええ、まさにそうですね(笑) 有機化学の知識がないと分子を実際に合成することは相当難しいですし、一方、有機ELの動作原理をきちんと理解するためには「半導体物理」を中心とした電子工学の基礎知識が必要です。私たちの研究室では、それらの異分野融合をシームレスに図るために、物理寄りの研究者と化学寄りの研究者が日々議論を戦わ情報の共有化や異分野のレベル合わせを進めています。ただ、私自身は、今後、今の研究スタイルを大きく変えたいと思っています。第3の柱として「計算化学」を加え、「物性・合成・計算」の3つを融合した形にしたいと思っています。基本的に現象の物理的な理解さえきちんとしていれば、あとは、分子設計で追い込むことができるので、網羅的に計算科学で思考実験を進めれば、見落としがなく、大幅な時間の節約にもなります。研究室としては、今後、より強固に「物性・合成・計算」の三本柱で研究チームを組んでいきたいと思っています。

シミュレーションにおいて、実測値との誤差が問題になることはありませんか?

 実験値との誤差というのは、やはり未だ大きい場合も多々あります。ただ、計算科学で極限まで分子設計を追い込むということは究極的には難しいだろうと思いますし、「この辺の領域」かなと、大まかに方向性や傾向を掴むためのツールとして、まずは計算機を使いたいと思っています。
 例えば、100万個の化合物を想定して、例えば、領域Xと領域Yに面白いことがありそうだというようなスクリーニングができれば、まずはいいかなと感じています。従来の常識では考えられないような領域を計算化学で追い込むことができたら研究の進め方が変わり、新しい世界が開けると思います。

安達先生は弊社の計算機と共に、計算化学ソフトウェアであるReaction plusQMMM plusをご利用いただいていますが、導入のきっかけについて教えて下さい。

 私たちは、今、グローバル社会における研究開発のスピード感がとても大切で、短時間で研究を進めることが必要とされています。実験は基本的に時間が掛かる場合が多く、下手をしたら化合物を一つ作るのに2〜3週間掛かったりすることも多々あります。ですので、計算化学によってできるだけ材料探索にかける時間を短縮したいという思いがあります。
 私は研究の黎明期にオキサジアゾール誘導体を闇雲に300個くらい合成しました。3年くらいかけて合成を進めたのですが、結局良いものはたった2〜3個でした。もし、分子設計を計算化学で追い込むことが出来たなら、今では、従来300個作っていたものを10個程度作れば十分追い込めると思います。その分、他の仕事をどんどん回すというサイクルができますので、そこに魅力を感じています。
 特に、QMMM plusでは、周りの分子との相互作用を考慮しつつ、S1とT1のエネルギーを計算することが可能だと聞いています。たくさんの分子の存在下で、分子間電子状態の相互作用を確認することで、大きな物性値の飛躍が計算である程度見積もることができることを期待しています。

また、導入いただいた弊社のソフトウェア、「Reaction plus」は反応物と生成物と指定するだけで自動的に反応経路が求まるソフトウェアですが、こちらもまた、先生のご研究においてどのようにご活用される予定でしょうか?

 私たちのグループでは合成専門の研究者もいて、どういうルート(反応経路)がいいのかを知って、時間節約のために収率を上げたいという要求があります。目的の分子の収率が数パーセントしかできないというのは、デバイス化を考えると大きな障害になるので、少なくとも50~60%の収率を得るためのアシストになればと思います。

研究していて一番楽しい・やりがいを感じることはどのようなことですか?

 大学ですので、0を1にするところ、ハイリスク・ハイリターンのところをチャレンジしていくことに楽しさ・魅力を感じています。その自由度が未だ大学には残っています。それがなくなってしまったら大学の存在意義はないと思いますし、できない技術や芽が出るのか出ないのかわからないような技術を追い込んでいきたいと思います。民間企業でできることを大学ではやるべきではないと思っています。

逆に、研究をしていて辛いことはありますか?

 そうですね、研究室の維持費が大変ですね(笑)。電気代とか、その他にも、お金がかかるので、プロジェクトの維持がとても大変です(笑)。研究に行き詰るときは、色々な人と話したり、全く分野の違う人と話したりすることが大切だと思っています。また、全くダメなときは、スパッとやめて思い切って次のテーマへシフトさせることもよくやります。また、うまいタイミングが来ればブレークスルーができる時が必ず来ます。
 研究そのものでへこたれるようなことはあまりないと思います(笑)。ラボには、世界中から様々な研究者が研究室に在籍していますし、日々、面白いことが次々に起きています。行き詰るという感覚があまりないのは、もしかしたら「有機物」が研究テーマだからかもしれません。レゴブロックの様に有機物には無限大の分子設計の可能性があるのです。行き詰ったら次はこっちをやろう!というくらい選択肢が幅広いのできっと終わりがないですね〜(笑)。

研究から離れて気分転換に何かされていることはございますか?

 先ほどジョギングの話はしましたが、それ以外では読書ですね。本はたくさん読みます。何でも読みますよ。漫画でもくだらない本でも何でも読みます。学生さんが将来のことなど、色々な悩みを抱えて相談してくることも多くありますので、そういう時に良き相談相手になれるように、まじめな本から雑学までたくさん詰め込んでいます(笑) ただ、最近の学生さんの本離れは正直気になります。また、本を読むことによって自分の知らない世界が見えたりしますし、研究以外にも面白いことはたくさんあると思うので、別の世界を知りたいことも本も読む動機の一つです。

九州大学の学生さんはどのような学生が多いですか?

 基本的にとても優秀です。成績はトップクラスのレベルです。ただ、それだけでは足りないと思いますね。結局、研究で一番大切なのは、個々人の強い興味や嗜好です。勉強一筋で、アルバイトもしたことがない学生さんもたくさんいますので、僕らの頃とはずいぶんと違うなと感じます。学部の出来るだけ早い時期に将来何をするべきかを各自で真剣に考えて欲しいと思っています。
 今、日本が大きく変わろうとしていて、いわゆる「良い大学を出て大企業に就職する」という成功パターンが成り立たなくなっていると思います。米国の大学院生に将来どうしたいのかと尋ねると、十中八九の学生が「自分で会社を作りたい。ベンチャーに行きたい。それがダメなら中小企業。それがダメなら大企業」と答えます。これは、小さい会社の方が自由度が大きく、自分の力を100%発揮できるという考え方が根本にあるからだと思います。そういう意味では、今の日本は社会構造の過渡期に入っているので、学生さんたちの就職に対する悩みはとても大きいようです。日本の社会構造が変わって、ドクターコースに進学して、知識だけでなくより高度な思考力をもって、チャレンジングな選択をする人が評価される時代に早くなって欲しいですね。

これから有機光エレクトロニクスを学ぶ人たちへのメッセージをお願いします。

 無限の分子設計を切り拓いて、それを実デバイスへ持っていける研究分野というのは魅力的だと思います。近い将来、バイオエレクトロニクスなどの新しい研究分野もこれから出てくると思いますが、その根本にあるのは無限の分子設計だと思います。新しい斬新な発想で新しいサイエンスや技術を切り拓いていくことができ、知的好奇心が大きく広がる研究分野です。ぜひ若い人に入ってきて欲しいですね。

今、私たちの会社は計算化学という文化を広めていきたいと考えています。いずれ、安達先生のように実験と計算を突き合わせていく時代が来るだろうと思って普及活動をしているのですが、現状なかなか計算には興味がない方もいれば、興味があっても二の足を踏んでいる人もいます。そういう方々へぜひアドバイスをお願いします。

 まさに今やっている研究で、計算化学がなかったらいったいどれくらいの時間を要したのだろうかと思います。計算化学があることによって10〜100倍くらい研究開発の速度が上がったと思います。実験だけではとてもじゃないけど研究にならないという感覚を実感しています。例えば実験上危ない反応で、やりにくい反応でも計算だったらできますよね。そう考えると「計算をやらない理由がない」と感じます。今では、計算機の精度も飛躍的に向上しており、今後も計算機の能力はさらに上がっていくと想定すると、研究スタイルは「計算が90%、実験は最小限」という時代が来るかもしれません。研究開発の手法が大きく変わると思っています。
 最後に、少し矛盾するかもしれないですが、細かい手作業を含め、実験を通して自然と一対一になって分子を理解するという感覚はとても大切です。例えば、カラムをかけていて、本当に綺麗なものが出てきたときは、言葉では表現出来ないような液の輝きが感覚でわかります。これは、多くの実験をこなさない限り味わえない実験化学者の醍醐味です。一方、計算では大きな視野で考えている分子群の全体像が見えますし、「ターゲットの材料はこの辺かな」という感覚が計算化学で得られるのなら、それはカラムで綺麗なものを見極められるという実験の話にほぼ匹敵するのかもしれません。

実験をやりつつ、計算化学に興味を持った方は、まずどのようなことから始めたら良いとお考えですか?

 まずは自分の研究テーマに非常に近いところから必要な計算をやっていくのが一番有意義かなと思います。ただ漫然と計算するのではなく、自分の研究で必要とされているところにポイントを絞り計算を取り入れていくということですね。あまり身構えず、まずは計算してみる!というのがいいのではないでしょうか。今は本当に計算機の精度がいいので始めてみる価値はあると思います。

九州大学「最先端有機光エレクトロニクス研究センター」のご紹介

設置クラスター(OPERA)
設備のご紹介(実験室・その他設備)

安達 千波矢 先生のプロフィール

  • 研究室紹介:九州大学 大学院工学研究院応用化学部門
  • 研究テーマ:
    ・ 有機発光ダイオード
    ・ 有機電界効果トランジスタ
    ・ 電子的励起状態分子の反応性に関する研究
    ・ 有機レーザーダイオード
    ・ 有機太陽電池
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