阳光“进级”为紫外光：九州大年夜学实现固态光子上转换重大年夜冲破

研究人员形象地指出，这一过程类似于“在量子世界里，把两杯温水倒在一路，获得一杯开水”：在宏不雅日常生活中弗成能产生的工作，在微不雅光子层面却可以经由过程量子过程实现。在此次工作中，两束低能量的可见光光子可以“合力”，形成一束能量更高的紫外光光子，从而实现光能的“进级应用”。

紫外光在空气净化、3D打印树脂固化、牙科填充材料和美甲光固化等范畴扮演关键角色，但在天然阳光中，紫外光仅占到抵达地表总太阳辐射的大年夜约6%，可供技巧应用的只是个中的一小部分。九州大年夜学团队的目标，就是经由过程“光子上转换”技巧，把本来丰富的可见光资本转化为更具应用价值的紫外光，为多种依附紫外线的技巧供给便宜且更安然的光源。

此次研究采取的是一种被称为“三级-三级湮灭”（triplet-triplet annihilation，TTA）的光子上转换机制。具体而言，体系中起首由“给体”分子接收可见光，电子跃迁到高能量的三重态；随后，该能量被转移到邻近的“受体”分子，形成受体的三重态激发；当两个三重态在空间上相遇并产生“湮灭”时，叠加的能量以一束紫外光光子的情势释放出来。这一筹划在液体体系中相对轻易实现，因为分子在溶液中可以自由移动，更有利于三重态互相碰撞，但液系一切往往依附有毒溶剂且存在挥发问题，难以知足实际应用需求，是以高效固态材料一向是该范畴的“圣杯”。

在固态中，分子排布慎密，分子平面高低方的π电子云轻易产生强烈重叠，导致激发态能量在尚未实现上转换前就被淬灭，使得体系发光效力大年夜幅降低。为解决这一难题，研究团队选用了有机半导体分子二氢茚并茚二烯（dihydroindenoindenedene，DHI），并在其具有四面体配向的sp3碳原子上引入烷基链，经由过程立体位阻精确调控分子间的间距与相对取向。这种分子设计让相邻分子既足够接近，以便能量在分子之间高效转移，又保持适度“分开”，避免π电子云过度耦合而激发激子淬灭。

从应用前景看，团队已就这一材料提交了专利申请。该材料合成路线相对简单，依附的肇端原料价格低廉，为将来范围化制备和家当化奠定了基本。研究人员认为，这一固态上转换平台有望在太阳能驱动光催化、室内空气净化，以及低光强3D打印等场景中发挥感化，将通俗阳光转化为更具“加工才能”的紫外光源。

得益于这种构造工程，新材料在固态下表示出通亮发光、长命命激发态和高效能量转移等特点，其固态荧光量子产率跨越60%。在与适配的给体分子配对后，体系在天然阳光照射下实现了1.9%的可见光到紫外光上转换效力，这意味着在接收的一百个可见光光子中，约有两个最终被转化为紫外光光子。研究团队指出，固然这一数字听起来并不“刺眼”，但在无需聚光、完全依附天然阳光、且为固态材料的前提下，已经超出了大年夜多半同类体系在高光强前提下才能达到的程度。

这项冲破也是一项长达十余年研究筹划的阶段性收官。早在2012年，现任九州大年夜学“负排放技巧研究中间”荣誉传授的君塚信夫（Nobuo Kimizuka）便开端摸索应用自组装体系实现三重态能量迁徙和光子上转换，欲望经由过程分子自组装来付与材料新的功能。在随后的多年研究中，他带领团队在溶液和凝胶体系中取得了一系列进展，却始终未能霸占高效固态体系这一关键难点。

转折点涌如今2024年5月。研究生原田直行（Naoyuki Harada）、正山隼人（Hayato Shoyama）、Nutnicha Boonmong，以及当时任职九州大年夜学工学部助理传授的水上贵一（Kiichi Mizukami）等人与佐佐木洋一（Yoichi Sasaki）联手，在短时光内整合多年研究积聚，最终完成了这项工作。团队成员回想称，他们在君塚传授退休前仅11天，将论订婚稿交到他的手中，这一成果对实验室而言也像是一份别具意义的“退休献礼”。

君塚传授表示，这一发明不仅是其团队14余年研究工作的集中结晶，也标记住光子上转换与分子自组装研究迈入新的阶段。借助这一新型固态体系，应用通俗阳光获得“进级版”紫外光的愿景，正从实验室概念慢慢走向实际应用。