九州大学的研究人员现已开发出一种固态分子材料，能够在常规户外条件下将可见太阳光转化为紫外线（UV）。根据6月23日发表在《自然通讯》（Nature Communications）上的一项研究，这种新材料的上转换效率达到了1.9%。
紫外线的重要性
尽管许多人将紫外线与晒伤和皮肤损伤联系在一起，但它在众多技术中发挥着重要作用。紫外线被用于空气净化、3D打印中树脂的固化、牙科填充物中凝胶的硬化，甚至美甲护理等应用。
尽管紫外线用途广泛，但它仅占到达地球表面阳光的约6%。即便如此，这部分紫外线辐射中只有一部分可用于技术应用。
“我们要做的就是把两个可见光光子的能量‘叠加’起来，制造一个紫外光子。这是一个被称为光子上转换的迷人过程，”九州大学工学院副教授、该研究的通讯作者佐佐木阳一（Yoichi Sasaki）解释道。
将可见光转化为紫外线
该过程依赖于一种被称为三线态-三线态湮灭（TTA）的现象。在这种方法中，一种被称为供体的分子吸收可见光并进入高能三线态。然后，该能量被转移给附近的受体分子。
当两个三线态相遇时，它们会结合并以单个紫外光子的形式释放能量。
科学家早就知道，TTA在液体中能有效运作，因为分子可以自由移动并轻松相互作用。然而，液体系统通常需要有毒溶剂，并且可能会随时间推移而挥发，这限制了其实用性。因此，研究人员花费数年时间寻找可靠的固态替代方案。
“在固体中，分子堆积紧密，π电子云——即悬浮在每个分子平面上方和下方的高电子密度区域——可能会发生重叠，”佐佐木说。“当这种情况发生时，三线态在相遇之前很容易消失。分子必须足够接近以实现能量转移，但又要足够分离以防止激子猝灭。”
一种新的固态解决方案
该团队的突破源于一种名为二氢茚并茚（dihydroindenoindenedene，简称DHI）的有机半导体。
研究人员通过在DHI的sp³碳原子上连接烷基链对其进行了改性——这些碳原子具有指向固定三维方向的四个键。这种设计在相邻分子之间创造了精心控制的间距。分子之间保持足够近的距离以有效传递能量，同时避免了可能抑制性能的强电子相互作用。
所得材料表现出强发光特性、长寿命激发态和高效的能量转移。其固态荧光量子产率超过60%。
当与供体分子配对时，该系统的上转换效率达到了1.9%。
“这意味着每吸收一百个可见光光子，大约会产生两个紫外光子，”佐佐木补充道。“这听起来可能很低，但它仅依靠自然阳光就能运行。大多数固态材料即使在更高的光强下也无法实现这一点。”
太阳能驱动紫外光的潜在应用
研究人员已为该材料提交了专利申请。
除了性能之外，该材料还具有实用优势。它的合成相对容易，且由廉价的起始材料制成。研究团队认为，它最终可用于太阳能光催化、室内空气净化系统和低强度3D打印技术。
长达14年的科学探索
对于参与其中的研究人员来说，这一成就不仅仅代表技术进步。
2012年，现任九州大学负排放技术研究中心名誉教授的鬼冢信夫（Nobuo Kimizuka）开始探索自组装分子系统中通过三线态能量迁移进行的光子上转换。他的目标是建立一种分子系统化学形式，使自组装能够执行有用的功能。
在随后的几年里，他的团队在使用溶液基和凝胶基系统方面取得了稳步进展。然而，高效的固态上转换仍然难以实现。
直到2024年5月，即在鬼冢退休不到一年前，一项重大突破终于到来。
接下来的几个月里，团队全力冲刺以完成该项目。研究生原田直之（Naoyuki Harada）、正山隼人（Hayato Shoyama）和Nutnicha Boonmong与佐佐木以及时任九州大学工学院助理教授的水上纪一（Kiichi Mizukami）并肩作战，将多年的研究整合成最终发表的论文。
“我们在鬼冢教授离开实验室前11天将草稿交给了他，这对我们来说就像是一份由衷的退休礼物，”佐佐木指出。
“这一发现是我们超过14年研究的结晶，标志着光子上转换和分子自组装研究的一个重要里程碑，”鬼冢总结道。