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ランダム光散乱媒体がつくる「仮想光ファイバー」

【化学科】2010年11月

 「色」は、科学では一番古くて新しい問題の一つでしょう。例えば、どうして海は青いのでしょうか? 19世紀末には、水が赤い光を青い光よりも強く吸収するためだと考えられていました。チンダル (Tyndall) は、海水中に漂う微粒子が光を散乱することも一因だろうと述べています。ところが、1910 年、ノーベル賞受賞者で著名な物理学者であるレイリー卿 (Lord Rayleigh) は、こう言い放ちました。


「・・・それは、青空が単に反射して、青く見えるだけのことだ!」


 その数年後には、これもノーベル賞受賞者であるラマン (Raman) が、さらにこれを否定し、水分子自体の選択的光散乱が原因であると主張しています。


 この例でもわかるように、色、さらに一般に、光と物質の相互作用は、分子や微粒子の吸収や散乱が複雑にからみ合うディープな問題なのです。微粒子の光散乱一つをとってみても、一筋縄では行きません。光の波長に比べて粒子のサイズが小さいときには、レイリー散乱という等方的(全方向)散乱が起こります。これが青空の色の原因であることはよく知られています。一方、粒子が大きくなると、ミー (Mie) 散乱が起こり、しばしば異常な色や、強い方向性を示します。同一成分からできているコロイド粒子が、サイズの違いのみによって色を変え、鮮やかな七色になることもあります。また、虹や、火山の噴火後に見られるという伝説(笑)の「青い月」(!)も、ミー散乱によって説明できると考えられています。


 ところで、ミー散乱が起こったとき、その微粒子のすぐそばの他の分子にはどんな影響が出るでしょうか。散乱には強い方向性がありますから、微粒子がまるでミクロなレンズのようにはたらいて集光し、光エネルギー密度を増幅して、他分子によるエネルギーの有効利用を促したりできるのではないでしょうか。実は、このような「近接場」の研究は始まったばかりです。その一例として、最近の研究結果をご紹介します。


図1:HPC 溶液の相転移
図2:多重散乱
図3:ミー近接場
図4:仮想光ファイバー

 水溶性高分子のヒドロキシプロピルセルロース (HPC) は面白い性質を持っています。無色透明な HPC 水溶液は、臨界温度 (41℃) を越えると相転移を起こし、ミルク状のナノ粒子懸濁液(ランダム光散乱媒体)へと劇的に変化します(図1)。つまり、温度制御により、可逆的にミー散乱を on/off できるわけです。これは光散乱の効果をみるのに好都合です。そこで、この溶液にプローブ蛍光色素を加えて、観測を行いました。その結果、ミー散乱を on にすると、増幅自発発光 (Amplified Spontaneous Emission, ASE) や分子間エネルギー移動 (ET) が大きく促進されることが分かりました。


 ASE は、通常の自発発光(蛍光)が「タネ」となり、シリンダー状の光路を経て増幅され、放出されるもので、普通、レーザー発振の前段階として観測されます。ランダム媒体中においても、多重散乱によってジグザグな増幅光路が出現していると考えられます(図2)。詳しい解析の結果、強い多重散乱にもかかわらず、光がかなり奥深くまで到達すること、また、ミー近接場は強い前方散乱性を示し、かつ長い「すそ」を形成することが明らかになりました(図3)。すなわち、個々の HPC ナノ粒子がマイクロレンズのように働いて「光パイプ」を作り、それらがジグザグにつながることによって「仮想光ファイバー」を形成するわけです(図4)。これが増幅光路として作用するため、その内部に存在する色素分子に対して、顕著な促進効果が現れるものと考えられます。我々はこれを「明るい表通り (Sunny Side of the Street) 効果」と名づけ、エネルギーの高効率利用へ向けて応用する可能性を探っています。


 光と色。吸収と散乱。21世紀の今日でも、きっと、新たな発見や衝撃が我々を待ち受けているに違いありません。



参考文献:
C. F. Bohren: Clouds in a Glass of Beer, Wiley (1987).
I-Y. S. Lee and H. Suzuki: Energy Transfer and Amplified Spontaneous Emission in Temperature-Controlled Random Scattering Media, J. Phys. Chem., B112, 4561-4570 (2008).



(化学科 鈴木 炎)