一种新型阳光驱动材料能够将可见光转化为能量更高的紫外光，克服了困扰科学家多年的挑战。这一突破有望实现更清洁的空气净化、太阳能驱动化学以及先进制造技术，且仅需利用自然阳光。
九州大学的研究人员现已研制出一种固态分子材料，能够在常规户外条件下将可见阳光转化为紫外光（UV）。根据6月23日发表在《自然·通讯》上的一项研究，这种新材料实现了1.9%的光子上转换效率。
为什么紫外光很重要
虽然许多人将紫外光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。紫外光被用于空气净化、3D打印中固化树脂、补牙时硬化凝胶，甚至美甲护理等应用。
尽管紫外光用途广泛，但它仅占到达地球表面阳光的约6%。即便如此，其中只有一部分紫外辐射适用于技术应用。
九州大学工学研究院副教授、该研究的通讯作者佐々木洋一解释道：“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。”
将可见光转化为紫外光
该过程依赖于一种被称为三重态-三重态湮灭（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重态。该能量随后被转移给附近的受体分子。
当两个三重态相遇时，它们会结合并以单个紫外光子的形式释放能量。
科学家们早就知道，TTA在液体中能有效运作，因为分子可以自由移动并轻易相互作用。然而，液体系统通常需要有毒溶剂，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。
佐々木说：“在固体中，分子排列紧密，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。一旦发生这种情况，三重态在相遇之前就会轻易消失。分子必须足够接近以传递能量，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（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，同时又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性、长寿命激发态和高效的能量传递。其固态荧光量子产率超过了60%。
当与供体分子配对时，该系统的上转换效率达到了1.9%。
佐々木补充道：“这意味着每吸收一百个可见光光子，大约就会产生两个紫外光子。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。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。
一段14年的科学征程
对于参与其中的研究人员来说，这一成就不仅仅代表技术上的进步。
2012年，现任九州大学负排放技术研究中心荣休教授的君塚信夫开始探索自组装分子系统中通过三重态能量迁移实现光子上转换。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。
重大突破终于在2024年5月到来，此时距离君塚退休不到一年。
接下来的几个月里，团队为了完成项目进行了紧张的冲刺。研究生原田直幸、庄山隼人和Nutnicha Boonmong与佐々木以及时任九州大学工学研究院助理教授的水上喜一并肩作战，将多年的研究成果整合成最终的论文。
佐々木指出：“我们在君塚教授离开实验室前11天将草稿交给了他，这对我们来说就像是一份真挚的退休礼物。”
君塚总结道：“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。”