一種新的固態材料將太陽光轉化為高能量紫外線

九州大學的研究人員現已創造出一種固體分子物質，能夠在正常的戶外條件下將可見光轉化為紫外線。根據 6 月 23 日發表的一項研究，這種新材料的圖像轉換效率達到 1.9% 自然通訊。

為什麼紫外線很重要

儘管許多人將紫外線與曬傷和皮膚損傷聯繫在一起，但它們在許多技術中發揮著重要作用。紫外線用於淨化空氣、固化 3D 列印中的樹脂、硬化牙科填充物中的凝膠，甚至用於指甲治療等應用。

紫外線雖然有用，但只佔到達地球表面的陽光的 6% 左右。即便如此，只有一部分紫外線輻射可用於技術應用。

九州大學工程學院助理教授、該研究的通訊作者 Yoichi Sasaki 解釋說：“我們在這裡所做的是將兩個可見光光子的能量‘結合’形成一個紫外光子。” “這是一個令人著迷的過程，稱為圖像轉換。”

將可見光轉化為紫外光

這個過程是基於一種稱為三重湮滅（TTA）的現象。在這種方法中，一種稱為供體的分子吸收可見光並進入高能量三重態。然後該能量被轉移到附近的受體分子。

當兩個三重態相遇時，它們會結合併以單一紫外線光子的形式釋放能量。

科學家早就知道 TTA 在液體中有效發揮作用，因為分子可以自由移動並輕鬆相互作用。然而，液體系統通常需要有毒溶劑，並且可能隨著時間的推移而蒸發，限制了它們的實際適用性。因此，研究人員花了數年時間尋找固態的可靠替代品。

「在固體中，分子緊密堆積，π電子雲（懸停在每個分子水平之上和之下的高電子密度區域）可以重疊，」佐佐木說。 「當這種情況發生時，三重態很容易在相遇之前消失。分子必須足夠接近以傳遞能量，但又必須足夠分離以防止激子猝滅。”

新的固態解決方案

該團隊的突破來自一種稱為二氫茚（DHI）的有機半導體。

研究人員將烷基鏈連接到 sp3 碳原子上來修改 DHI，該碳原子有四個指向固定三維方向的鍵。這種設計在相鄰分子之間創建了仔細控制的間距。這些分子保持足夠接近，可以有效地傳輸能量，同時避免可能削弱性能的強電子相互作用。

所得材料表現出強烈的發光、持久的激發態和高效的能量轉移。實現了大於60%的固態螢光量子產率。

當與供體分子耦合時，系統的轉換效率達到 1.9%。

「這意味著每吸收一百個可見光光子就會產生大約兩個紫外光子，」佐佐木補充道。 “它可能看起來很低，但它僅在自然陽光下起作用。即使在更高的光強度下，大多數固體也無法實現這一點。”

太陽能紫外線的潛在應用

研究人員已經為這種材料提交了專利申請。

除了其性能之外，該材料還具有實際優勢。它的製造相對容易，並且由廉價的原材料製成。該團隊相信它最終可以用於太陽能光催化、室內空氣過濾系統和低密度3D列印技術。

14年的科學之旅

對相關研究人員來說，這項成就不僅代表著技術進步。

2012 年，現任九州大學負發射技術研究中心榮譽教授的 Nobuo Kimizuka 開始探索自組裝分子系統中透過三重態能量遷移進行光子轉換。他的目標是創造一種分子系統化學形式，其中自組裝可以發揮有用的功能。

在接下來的幾年裡，他的團隊利用基於溶液和凝膠的系統取得了穩定進展。然而，要實現高效率的固態轉換仍然很困難。

這個重大里程碑終於在 2024 年 5 月到來，距離君塚退休不到一年。

接下來的幾個月大大推動了專案的完成。研究生 Naoyuki Harada、Hayato Shoyama 和 Notnicha Bunmong 與 Sasaki 以及九州大學工程學院當時的助理教授 Keiichi Mizokami 合作，將多年的研究成果整合到最終出版物中。

「我們在 Kimizuka 教授離開實驗室前 11 天將手稿交給了他，對我們來說，這似乎是一份真誠的退休禮物，」佐佐木指出。

Kimizuka 總結道：“這一發現是我們 14 年多研究的結晶，代表光子轉換和分子自組裝研究的里程碑。”