Исследовательская группа из Университета Кюсю в Японии недавно объявила, что они разработали новый тип твердотельного молекулярного материала, который может преобразовывать видимый свет в ультрафиолетовый свет в условиях естественного солнечного света. Он достиг эффективности преобразования видимого света в ультрафиолетовый 1,9% под воздействием наружного солнечного света, что считается важной вехой в области твердотельного преобразования фотонов и исследований молекулярной самосборки. Соответствующие результаты были опубликованы в журнале Nature Communications 23 июня 2026 года.
Исследователи ярко отметили, что этот процесс аналогичен «в квантовом мире объединению двух чашек теплой воды, чтобы получить чашку кипятка»: вещи, которые невозможно произойти в макроскопической повседневной жизни, могут быть реализованы посредством квантовых процессов на микроскопическом уровне фотонов. В этой работе два фотона видимого света с низкой энергией могут «объединить силы», чтобы сформировать ультрафиолетовый фотон с более высокой энергией, тем самым достигая «более эффективного использования» энергии света.
Ультрафиолетовый свет играет ключевую роль в таких областях, как очистка воздуха, отверждение смол для 3D-печати, пломбировочные материалы для зубов и светоотверждение ногтей. Однако при естественном солнечном свете на долю ультрафиолетового света приходится лишь около 6% общего солнечного излучения, достигающего земной поверхности, и лишь небольшая его часть может быть использована с помощью технологий. Цель команды Университета Кюсю — использовать технологию «преобразования фотонов» для преобразования изначально обильных ресурсов видимого света в ультрафиолетовый свет с большей прикладной ценностью, обеспечивая более дешевый и безопасный источник света для различных технологий, основанных на ультрафиолетовом свете.
В этом исследовании использовался механизм ап-конверсии фотонов, называемый «триплет-триплетной аннигиляцией» (ТТА). В частности, в системе «донорная» молекула сначала поглощает видимый свет, а электроны переходят в высокоэнергетическое триплетное состояние; затем энергия передается ближайшей молекуле-«акцептору», образуя триплетное состояние возбуждения акцептора; когда два триплетных состояния встречаются в пространстве и «аннигилируют», наложенная энергия высвобождается в виде луча фотонов ультрафиолетового света. Это решение относительно легко реализовать в жидкой системе, поскольку молекулы могут свободно перемещаться в растворе, что более способствует триплетным столкновениям. Однако жидкие системы часто основаны на токсичных растворителях и имеют проблемы с испарением, что затрудняет удовлетворение потребностей практического применения. Поэтому эффективные твердотельные материалы всегда были «Святым Граалем» в этой области.
В твердом состоянии молекулы плотно расположены, а облака π-электронов выше и ниже молекулярной плоскости склонны к сильному перекрытию, в результате чего энергия возбужденного состояния гасится до того, как будет достигнуто повышающее преобразование, что приводит к значительному снижению световой эффективности системы. Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа выбрала органическую полупроводниковую молекулу дигидроинденоинденден (DHI) и ввела алкильную цепь к ее атомам углерода sp3 с тетраэдрическим выравниванием, чтобы точно контролировать расстояние и относительную ориентацию между молекулами посредством стерических затруднений. Такая молекулярная конструкция позволяет соседним молекулам находиться достаточно близко, чтобы эффективно передавать энергию между молекулами, но оставаться умеренно «отдельными», чтобы избежать чрезмерного взаимодействия π-электронного облака и запуска тушения экситонов.
Благодаря такой структурной разработке новый материал демонстрирует яркую люминесценцию, долгоживущие возбужденные состояния и эффективную передачу энергии в твердом состоянии, при этом квантовый выход флуоресценции твердого тела превышает 60%. После соединения с адаптированной молекулой-донором система достигла эффективности преобразования видимого света в УФ на уровне 1,9% при естественном солнечном свете. Это означает, что из ста поглощенных видимых фотонов около двух в конечном итоге преобразуются в УФ-фотоны. Исследовательская группа отметила, что, хотя это число не звучит «ошеломляюще», оно превзошло уровень, которого большинство подобных систем могут достичь в условиях высокой интенсивности света без необходимости концентрированного света, полностью полагаясь на естественный солнечный свет и будучи твердым материалом.
Что касается перспектив применения, команда подала заявку на патент на этот материал. Путь синтеза этого материала относительно прост, а исходное сырье, на котором он основан, дешевое, что закладывает основу для будущего крупномасштабного производства и индустриализации. Исследователи полагают, что эта твердотельная платформа с повышающим преобразованием, как ожидается, сыграет роль в солнечном фотокатализе, очистке воздуха в помещениях и 3D-печати с низкой интенсивностью света, преобразуя обычный солнечный свет в более «способный к обработке» источник ультрафиолетового света.
Этот прорыв также является кульминацией исследовательского плана, который длился более десяти лет. Еще в 2012 году Нобуо Кимизука, в настоящее время почетный профессор «Исследовательского центра технологий отрицательной эмиссии» Университета Кюсю, начал изучать использование систем самосборки для достижения триплетной миграции энергии и ап-конверсии фотонов, надеясь придать материалам новые функции посредством молекулярной самосборки. В последующие годы исследований он привел свою команду к достижению ряда успехов в области систем растворов и гелей, но они все еще не могли преодолеть ключевую трудность эффективных твердотельных систем.
Поворотный момент наступит в мае 2024 года. Аспиранты Наоюки Харада, Хаято Сёяма, Нутнича Бунмонг и Киичи Мизуками, который в то время был доцентом инженерного факультета Университета Кюсю, и другие объединили усилия с Ёичи Сасаки, чтобы объединить годы накопленных исследований за короткий период времени и, наконец, завершили эту работу. Члены команды вспомнили, что они передали окончательный вариант статьи профессору Кимицуке всего за 11 дней до его выхода на пенсию. Этот результат также можно назвать значимым «пенсионным подарком» лаборатории.
Профессор Кимицука заявил, что это открытие является не только кульминацией более чем 14-летней исследовательской работы его команды, но и знаменует собой новый этап в исследованиях ап-конверсии фотонов и молекулярной самосборки. С помощью этой новой твердотельной системы идея использования обычного солнечного света для получения «модернизированной» версии ультрафиолетового света постепенно переходит от лабораторных концепций к практическим применениям.