研究表明，吸收光的手性分子自组装会促进单线态裂变过程

在有机分子中，激子是电子（负电荷）和空穴（正电荷）的粒子结合对。它们通过库仑引力结合在一起，可以在分子组件内移动。单重态裂变（SF）是一个激子被放大的过程，单重态激子产生两个三重态激子

这是由被称为发色团（吸收特定波长光的分子）的分子中单个光粒子或光子的吸收引起的。控制发色团的分子取向和排列对于在具有强大光学器件应用潜力的材料中实现高SF效率至关重要

到目前为止，已经在固体样品中进行了SF的研究，但对于高效SF所需的分子组织，还没有全面的设计指南

九州大学的Nobuo Kimizuka教授及其同事现已成功证明，通过将手性（不能叠加在镜像上的分子）引入发色团并在自组装分子结构中实现手性分子取向，可以促进SF

发表在《高级科学》杂志上，该团队在含有手性π电子发色团的自组装水性纳米粒子中展示了基于SF的三重态激子，这一现象在类似的外消旋纳米粒子（等量分子的混合物，彼此镜像）中没有观察到

Kimizuka说：“我们发现了一种通过在自组装结构中实现发色团的手性分子取向来增强SF的新方法。”研究人员研究了由四苯二甲酸和各种手性或非手性胺的离子对自组装而成的水性纳米粒子的SF特性。他们确定了抗衡离子（一种与溶液中另一种离子电荷相反的离子）的关键作用，特别是铵分子

抗衡离子影响离子对的分子取向、结构规律、光谱性质和四苯发色团之间的分子间偶联强度。因此，抗衡离子在控制发色团的排列和相关的SF过程中起着关键作用

通过对手性胺的广泛实验，该团队实现了133%的三重态量子产率和6.99×109 s-1的速率常数。相比之下，他们观察到具有非手性抗衡离子的纳米粒子没有表现出SF

外消旋离子对也通过SF产生了一个中间相关的三重态。然而，在三重态对中，三重态-三重态湮灭占主导地位；因此，没有观察到游离三胞胎的解离

Kimizuka总结道：“我们的研究为SF研究中的分子设计提供了一个新的框架，并将为能源科学、量子材料、光催化和涉及电子自旋的生命科学的应用铺平道路。此外，它激励我们继续探索SF在有机介质和薄膜系统中的手性分子组装中的应用，这对太阳能电池和光催化剂的应用至关重要。” More information: Ilias Papadopoulos et al, Chirality in Singlet Fission: Controlling Singlet Fission in Aqueous Nanoparticles of Tetracenedicarboxylic Acid Ion Pairs, Advanced Science (2024). DOI: 10.1002/advs.202405864

Journal information: Advanced Science