独立行政机构产业技术综合研究所[会长：中钵良二]（以下简称“AIST”）纳米系统研究部[研究部主任山口智彦]纳米碳材料模拟组Yoshiyuki Miyamoto研究组组长，非平衡材料模拟组研究组组长宫崎武秀是中国四川大学张宏西班牙巴斯克地区大学教授安吉尔·卢比奥与教授合作，我们通过模拟从理论上预测，通过调整波长（与能量有关）的光照射，可以增强非化学键合的分子和原子之间作用的弱内聚力。内聚力增强的原因是光在分子和原子中产生振荡的正电荷和负电荷，从而在它们之间产生电吸引力。此次预测的光致内聚力增强现象可用于有机器件材料等分子晶体这样的弱内聚力结构的技术。
该结果详细发表于2014年5月20日（美国时间）美国物理学会科学杂志应用物理快报
 |
由于光照射引起的振动偏振而使分子相互接近的示意图
从上到下的流程图显示了分子如何随着时间的推移相互接近。
δ+、δ-表示微小的正电荷和负电荷。 |
使用有机材料的器件技术预计比使用半导体的技术具有更低的制造成本，但高质量分子晶体的制造对于提高器件性能至关重要。因此，控制分子间相互作用的技术已成为重要的研究课题。
非化学键合的分子和原子之间也存在吸引相互作用。那就是范德华力，使壁虎粘在墙上的力石墨等等分层材料的凝聚力作为有机器件中使用的分子晶体的凝聚力而受到关注。另一方面，光镊方法，但对每个单独的原子或分子施加力并不容易。
AIST 的目标是开发能够以纳米级精度控制材料结构的技术，并使用这些材料构建复杂的系统。第一性原理计算进行模拟，在实验之前提出了处理技术。特别是，电子激发加工技术的模拟技术即使在世界各地的研究机构中也是罕见的。
这项研究始于利用光增强有助于分子晶体组成的范德华力，以确保晶体组成过程。作为这项研究的第一步，我们对具有相似内聚力的简单物体进行了模拟，并试图证明光的增强效果。在本次模拟中，我们使用了AIST推出的大规模并行计算系统。AIST-超级云；第2代
在这项研究中，我们使用氦气 (He) 进行模拟，氦气是最简单且化学反应性最低的稀有气体。 He 原子中的电子仅在特定能量下改变其轨道（即被激发）。当用能量（波长）非常接近激发能的光照射时，He原子内的电子开始振荡以试图改变其轨道，并且随着照射的继续，电荷分布中的振荡幅度逐渐增加。这类似于这样的事实：如果你继续对具有相同振动周期的振动摆施加力，则振幅会增加。当电荷分布的振荡幅度达到最大时，两个He原子之间存在正电荷和负电荷，如图1所示，两个He原子开始相互吸引。这称为偶极相互作用。尽管电荷分布时时变化，并且存在正负电荷位置颠倒的时期，但电荷排列始终保持，使得两个He原子相互吸引，因此随时会产生由于偶极子相互作用而产生的吸引力。
 |
图1 两个He原子在能量为20 eV的光照射下的电荷调制分布图
它们的偏振方向相同。 δ+ 和 δ- 表示微小的负电荷和正电荷。 |
如图2所示，与未照射光时相比，照射光时这两个He原子之间的距离显着减小。这表明吸引力总是由光照射产生。此外，可以看出，吸引力的产生方式根据光的能量而不同，并且能量为20eV的光使吸引力增加最多。
 |
| 图2 不同能量的光照射后He原子间距离的时间变化 |
分析该模拟中获得的两个He原子之间的距离随时间的变化的结果发现，当施加光照射时，吸引力与没有光照射时相比增加了7 pN（p“Pico”意味着万亿分之一）。这个值是弱力，大约是通过正常化学键连接原子的力的1/1000，但它足够大，足以操纵非化学键的原子和分子。基本模拟结果表明，即使在分子晶体中，光也可以增强内聚力。
未来，我们计划在更复杂的内聚系统模型中验证光对范德华力的增强，并进行旨在控制分子晶体的产生及其器件应用的模拟。