科学者はパフォーマンスを向上させるために、実際に半導体にビタミン C を「補充」しているのでしょうか?

制作：中国科学普及協会

著者: Shi Chang (物理化学博士)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：中国科学普及の最先端科学技術プロジェクトは、最先端科学技術の最新動向を理解するために、「トップ科学ジャーナルの理解を助ける」と題する一連の記事を開始しました。これは、権威あるジャーナルから優れた論文を選び、できるだけ早く平易な言葉で解釈するものです。トップジャーナルを通して科学の視野を広げ、科学の楽しさを味わいましょう。

今日の健康的な食生活の概念において、果物は欠かせないものとなっています。豊かな色彩で食卓を彩るだけでなく、その独特の栄養価と味で人々の味覚を刺激します。果物にはビタミン、ミネラル、食物繊維が豊富に含まれており、人体に総合的な栄養を与え、私たちの健康をひそかに「守って」くれます。

ビタミンC

（写真提供：veerフォトギャラリー）

果物に含まれるビタミン C は優れた抗酸化能力を持ち、人体に重要な役割を果たしていることは特筆に値します。ビタミン C は体内のフリーラジカルを効果的に除去し、細胞の老化を遅らせ、心臓血管と脳血管の健康を守ります。フリーラジカルは、不対電子を含む分子または原子のグループです。これらは反応性が非常に高く、他の分子と反応して細胞の構造や機能を破壊し、酸化ストレスや細胞損傷を引き起こす傾向があります。

ビタミン C は、外部からの侵入と戦うために体内に強固な防御線を構築する、勤勉な警備員のようなものです。甘いオレンジを一口食べると、一口分の果肉と果汁が味覚を満足させるだけでなく、体内の抗酸化物質の「戦い」にも参加するということを想像してみてください。

では、ビタミンCの抗酸化作用のメカニズムは何でしょうか?

ビタミン C はアスコルビン酸とも呼ばれ、水溶性ビタミンです。ビタミン C の抗酸化メカニズムは、主にビタミン C 自体の強力な還元特性とフリーラジカルを除去する能力に関係しています。

フリーラジカルを除去: ビタミン C はこれらのフリーラジカルと反応し、電子を供与することでそれらを安定化させ、細胞へのさらなる損傷を防ぎます。

他の抗酸化物質の再生: ビタミン C は、フリーラジカルを直接除去するだけでなく、他の抗酸化物質を再生して抗酸化ネットワークを形成することで、間接的に抗酸化効果を発揮します。たとえば、ビタミン E は細胞膜の主な抗酸化物質であり、脂質の過酸化を防ぐことができます。しかし、ビタミン E がフリーラジカルと反応すると、ビタミン E 自体が酸化型に変化し、抗酸化能力を失います。このとき、ビタミン C は酸化されたビタミン E を還元し、その抗酸化作用を回復させることができます。

ビタミン豊富な果物

（写真提供：veerフォトギャラリー）

ビタミン C の抗酸化特性から何を学ぶことができるでしょうか?

半導体は、現代のテクノロジーの礎であり、将来のイノベーションの原動力として高く評価されています。彼らは電子情報産業の魂であるだけでなく、インテリジェント時代の中核的な原動力でもあります。中でも、有機半導体は、その独特な分子構造、柔軟な設計空間、環境に優しい処理方法により、高性能、低コスト、環境に優しい電子機器につながる「高速道路」を開拓しました。

しかし、半導体には「壊れやすい」側面もあります。 N 型半導体は電子半導体とも呼ばれ、主に自由電子を利用して電気を伝導し、発光ダイオードや相補回路などの基本的な電気部品にとって重要な材料です。ほとんどの n 型半導体は、環境中の水や酸素に非常に敏感で、容易に酸化され、電気特性と安定性が低下します。この問題は半導体業界全体を悩ませています。 n型半導体にビタミンCを「与える」と、人体と同じ抗酸化能力が得られるのでしょうか？

それは合理的であり、実行可能であるように思えます。 2024年6月27日、中国の科学者らは、ビタミンCを使用してn型有機半導体の性能と安定性を向上させることに関する論文をNature Materials誌に発表し、n型有機半導体の安定性の問題を解決するための新たなアイデアと方法を提示した。

研究結果はネイチャーマテリアルズ誌に掲載された。

（画像出典：ネイチャーマテリアルズ誌）

研究者らは、ビタミンCの抗酸化作用を利用して、PTCDI-C8（n型有機半導体）フィルムの表面にビタミンCをスピンコートし、半導体の光酸化劣化速度を元の18分の1にまで低減し、n型有機半導体の抗酸化能力を大幅に向上させました。

ビタミン C は n 型有機半導体でどのように機能しますか?

研究者らは、安定および過渡的蛍光分光法を使用して、活性酸素種の一種である一重項酸素のリン光減衰寿命を追跡した。実験結果によると、ビタミンCをスピンコーティングした後、空気中の一重項酸素の寿命は2.7ミリ秒から1.7ミリ秒に短縮され、活性酸素の酸化能力が弱まることがわかりました。 n 型有機半導体におけるビタミン C の抗酸化原理は、生物におけるものと似ています。ビタミン C は「自己犠牲」によってデヒドロアスコルビン酸 (DHA) に酸化されます。このプロセスにより、活性酸素を効果的に除去し、活性酸素による半導体の酸化を防ぐことができます。

研究者らはまた、デヒドロアスコルビン酸には活性酸素を除去する機能もあることを発見した。これは、ビタミンCが抗酸化物質であるだけでなく、その酸化生成物も活性酸素を継続的に除去し、より優れた抗酸化効果をもたらすことを意味している。

ビタミン C、活性酸素種、PTCDI-C8 の分子構造。紀元前。紫外線可視吸収スペクトルデ。電子スピン共鳴信号図; f.一重項酸素リン光寿命図;グラム。再構築されたSASのターゲット分析。 h.三重項状態の時間軌跡図。私。安定化機構図。

（画像出典：参考1）

さらに研究者らは、ビタミンCが「犠牲にすることなく」n型有機半導体の抗酸化能力を高めることも明らかにした。具体的には、ビタミンCと酸化生成物をn型有機半導体に導入すると、新たな中間体は生成されませんが、半導体内のエネルギー励起によって生成される三重項励起子（酸素と反応して活性酸素を生成する可能性がある）の減衰速度が加速され、活性酸素の生成プロセスが効果的にブロックされます。

ビタミンCがn型有機半導体デバイスの安定性に与える影響を検証するために、研究者らはPTCDI-C8有機電界効果トランジスタを作製し、255日間環境にさらしました。結果は、ビタミン C でコーティングされたトランジスタの安定性が大幅に向上したことを示しました。この戦略をインバータに適用すると、理想的なインバータ電圧と、優れた安定性を備えたより高いゲイン値が得られます。

n型有機半導体の応用分野は何ですか?

オプトエレクトロニクス: n 型有機半導体は、有機太陽電池において電子輸送層として重要な役割を果たします。光生成電子を効率的に伝送し、伝送中の電子損失を低減することで、太陽電池の変換効率を向上させます。

太陽電池

（写真提供：veerフォトギャラリー）

有機電界効果トランジスタ：有機電界効果トランジスタでは、n型有機半導体材料が電子伝送チャネルとして機能し、電子の効率的な制御と増幅を実現し、電子タグ、フレキシブルディスプレイ、センサーなどの分野で広く使用されています。

有機光検出器: n 型有機半導体は、有機光検出器においても独自の利点を示します。光信号を電気信号に効率的に変換することができ、光通信、イメージング、センシングなど幅広い用途に使用されています。

折りたたみ式携帯電話

（写真提供：veerフォトギャラリー）

結論

科学技術の急速な発展に伴い、学際的な協力はイノベーションを促進する重要な力となっています。ビタミンCが果物から半導体まで国境を越えた旅は、ハイテク分野における自然の知恵の無限の可能性を示すだけでなく、学際的な統合がもたらす巨大な可能性を私たちに明らかにします。将来を見据えると、学際的なコラボレーションがさらに深まるにつれて、同様の国境を越えたアプリケーションがさらに出現すると信じるに足る理由があります。好奇心とオープンマインドを持ち続け、技術革新がもたらす明るい未来を一緒に見届けましょう！

参考文献

1. Yuan、L.、Huang、Y.、Chen、X. 他。ビタミンCによるn型有機半導体の性能と安定性の向上[J]。ネイチャーマテリアルズ、2024年。

2.Huang W、Chen J、Yao Y、et al.相補回路用垂直有機電気化学トランジスタ[J].Nature、2023。

3. 張祥宇、王莽、陳宏正、他。有機半導体複合光伝導材料およびデバイスの研究開発[J]。自然科学の進歩、1999年。

4. 朱長林、張文斌、孫鵬ほか。ビタミンCとビタミンEの免疫調節作用と抗酸化作用の組み合わせ[J]。中国臨床リハビリテーションジャーナル、2006年。