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助成番号 180324
研 究 成 果 報 告 書

研究テーマ（和文） ＡＢ

キラルナノフォトニクスに立脚したキラル核形成制御と電磁場パリティの開拓

研究テーマ（欧文） ＡＺ

Control of Chiral Nucleation and Exploitation of Electromagnetic Parity Based on
Chiral Nanophotonics

研究氏
代表名者

ｶﾀｶﾅ ＣＣ姓）ニイノミ名）ヒロマサ

研究期間 Ｂ

２０１８ ～ ２０２１ 年

漢字 ＣＢ

新家寛正

報告年度 ＹR

２０２１Hiromasa

研究機関名

東北大学多元物質科学研究所

ﾛｰﾏ字 ＣＺ Niinomi

研究代表者 ＣＤ
所属機関・職名

年

東北大多元物質科学研究所・助教

概要 ＥＡ (600 字～800 字程度にまとめてください。)
本研究では、電磁場の「キラリティ」に関する新しい保存量である Optical Chirality(OC)の増強された、円偏光よりもキラル物質と強く左右非対称に相互作用する光場を表面プラズモン近接場の駆使により高度に設計し、その場の中でキラル結晶核形成を誘起することで水溶液からのキラル結晶化の掌性を制御し、OC の果たす役割を検証することを目的としている。本研究により、三角形金プラズモンナノ粒子を、三回回転対称性を持つように 3 つガラス基板上で互いに近接させたナノ構造体への円偏光照射により誘起される水溶液からの塩素酸ナトリウム(NaClO3)キラル結晶化において、その核形成頻度に結晶鏡像体過剰率にして 50％を超える巨大なキラリティの偏りが見られることが国際共同研究を通じて明らかとなった。 円偏光を不斉源とした液相中での絶対不斉合成において一般的に観測される鏡像異性体過剰率は 0.5-2%程であることを鑑みると、今回得られた結晶鏡像異性過剰率は極めて大きい。また、時間領域差分法に基づいた電磁場解析により、ナノ構造体中心部の表面プラズモン近接場において、入射円偏光と比較して30-40 倍の OC 増強が局所的にみられることが明らかとなった。OC に空間的な勾配があると、その光場に曝されたキラル微粒子には鏡像体選択的な光学力が働くことが先行研究において理論的に指摘されている。今回の電磁場解析により得られた OC の値を用いて、水溶液中に存在する核形成前の半径 20nm 程度の NaClO3 キラル結晶クラスター働く鏡像体選択的な光学力の大きさを見積もったところ数十 fN に及ぶことが明らかとなった。この大きさは、レーザー集光により生じる光学力により水溶液中の分子を光学捕捉し不飽和水溶液から結晶核形成を強制的に誘起する“レーザー光学捕捉誘起結晶化”における光学力の大きさと比較可能な大きさである。このことから、OC の空間勾配に起因する鏡像体選択的光学力がキラル核形成に鏡像体選択的な影響を及ぼしている可能性が示唆された。

キーワード ＦＡ

キラル核形成Optical Chirality

表面プラズモン共鳴（以下は記入しないでください。）
助成財団ｺｰﾄﾞ ＴＡ

研究課題番号 ＡＡ

研究機関番号 ＡＣ

シート番号- 1 -光学力

発表文献（この研究を発表した雑誌・図書について記入してください。）
論文標題ＧＢ

Chiral Optical Force Generated by a Superchiral Near-Field of a Plasmonic Triangle
Trimer as Origin of Giant Bias in Chiral Nucleation: a simulation study

著者名 ＧＡ

Niinomi et al.

雑誌名 ＧＣThe Journal of Physical Chemistry C

ページ ＧＦ6209～6221

発行年 ＧＥ

2

論文標題ＧＢ

Plasmonic Manipulation-Controlled Chiral Crystallization of Sodium Chlorate

著者名 ＧＡ

A.C.
Cheng,H. 雑誌名 ＧＣ
Niinomi et al.

The Journal of Physical Chemistry Letters

ページ ＧＦ4422～4426

2

雑誌

02

1

巻号 ＧＤ

125

雑誌

発行年 ＧＥ

02

0巻号 ＧＤ

11

論文標題ＧＢ
雑誌

著者名 ＧＡ

雑誌名 ＧＣページ ＧＦ

発行年 ＧＥ

巻号 ＧＤ

発行年 ＨＤ

総ﾍﾟｰｼﾞ ＨＥ

発行年 ＨＤ

総ﾍﾟｰｼﾞ ＨＥ

著者名 ＨＡ
図書

書名 ＨＣ
出版者 ＨＢ
著者名 ＨＡ

図書

書名 ＨＣ
出版者 ＨＢ

欧文概要 ＥＺ
The purpose of this study is to control handedness of chiral crystal resulting from chiral crystallization by inducing chiralnucleation under well-designed chiral plasmonic near-field with enhanced “optical chirality (OC)”, which is a
newly-discovered conserved quantity of electromagnetic field indicating the magnitude of chirality, and to explore the roleof OC on light-matter interaction. This study showed that chiral bias beyond 50% of crystal enantiomeric excess wasdetected in the NaClO3 chiral nucleation induced by irradiating circularly polarized near-infrared laser to a nanostructure
consisting of three triangle Au nanoparticles closely arranged with each other so as to possess three-fold rotational
symmetry on a cover glass. Taking the fact that typical enantiomeric excess ranges from 0.5 to 2% into consideration, theobtained crystal enantiomeric excess is extremely large. The numerical analysis of electromagnetic field based on
finite-difference time-domain (FDTD) method showed that 30-40 fold enhancement of OC compared to circularly
polarized light can be observed in the plasmonic near-field generated in the nano-gap at the center of the above mentioned
Au triangle trimer nanostructure. It has been reported in previous studies that spatial gradient of OC imposes
enantioselective “chiral” gradient force on a chiral particles exposed to a near-field with enhanced OC. Our numericalanalysis revealed that the magnitude of the chiral gradient force exerted on NaClO3 chiral pre-nucleation clusters with 20
nm of radius attained to a few tens of fN. This magnitude is comparable with that of the achiral optical force in “lasertrapping-induced crystallization”, where crystal nucleation is mandatorily induced by trapping crystalline clusters withlaser tweezers even from an unsaturated solution. This suggests that the chiral optical force originating from the plasmonic
near-field with enhanced OC enantioselectively influenced on kinetics of chiral nucleation.

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