分子の並び方を段階的にたどり、 有機半導体の結晶構造を予測 ―ポリアセン分子系列に現れる4種の結晶構造多型の発現機構を解明―

2026-10-23 東京大学

東京大学と山形大学の研究グループは、有機半導体分子「ポリアセン」系列を対象に、量子化学計算によって結晶構造を予測する新手法を開発した。従来は膨大な候補構造を生成して安定構造を探索する方法が主流だったが、本手法では結晶の層状性と対称性を手がかりに、分子配置を決める変数を体系化し、重要な変数から段階的に最適化する。これにより、ナフタレンからヘキサセンまでの分子を解析し、実験で知られる4種類の結晶構造多型を、実験構造を初期値として与えずに計算だけで再現した。さらに、最適化過程でのエネルギー変化を分析し、分子の回転や層間のずれ、隣接分子間の相互作用が結晶構造の形成・安定化に果たす役割を解明した。結晶構造と電荷輸送特性の関係を理解する手がかりにもなり、将来的には分子設計段階から結晶構造を考慮した高性能有機半導体や分子材料の開発を加速すると期待される。

分子の並び方を段階的にたどり、 有機半導体の結晶構造を予測 ―ポリアセン分子系列に現れる4種の結晶構造多型の発現機構を解明―
概要図:段階的な結晶構造の予測と最適化

<関連情報>

段階的な量子化学最適化により、ポリアセンにおける層状ヘリンボーン構造のパッキングと多形性の起源が明らかになった Stepwise quantum chemical optimization reveals the origin of layered herringbone packing and polymorphism in polyacenes

Ryota Ono, Satoru Inoue, Mao Miyoshi, Kanata Koyama, Seiji Tsuzuki & Tatsuo Hasegawa
Communications Chemistry  Published:23 October 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s42004-026-02252-8

Abstract

Polyacenes are archetypal π-conjugated systems with important applications in organic semiconductors. This series exhibits four distinct types of layered packing motifs that significantly affect semiconducting properties, yet their structural origins remain elusive. Here, we show that stepwise quantum-chemical optimization applied to a structural model with a minimal and rational set of variables enables systematic reproduction of all the polymorphs. The model starts with a monomolecular layer composed of molecular pairs, where the short axes are arbitrarily positioned and oriented under glide symmetry, while the long axes remain parallel and unshifted. By introducing long-axis inclinations, torsions, and interlayer displacements, we obtain locally stable structures that reproduce the geometries and relative stabilities of all the polymorphs. Potential energy map analysis reveals distinct stabilizing mechanisms specific to each form. These findings clarify the origin of polymorphism in polyacenes and provide insight into how molecular packing influences charge transport. This work establishes a predictive first-principles framework for understanding and designing functional crystalline molecular materials.

0500化学一般
ad
ad
ad
タイトルとURLをコピーしました