Исследователи из японского Университета Кюсю представили инновационный твердый материал, способный конвертировать видимый свет в высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение без применения токсичных растворителей. Результаты научной работы, опубликованные в издании Nature Communications, предлагают решение давней проблемы в области фотонной апконверсии — процесса объединения энергии нескольких низкоэнергетических фотонов для создания одного фотона с высокой энергией.
Ультрафиолет играет критическую роль в современной промышленности: от систем обеззараживания и очистки воздуха до технологий фотохимического синтеза и отверждения полимеров в 3D-печати. Однако естественный солнечный спектр содержит лишь около 6% ультрафиолетового излучения, и его активное использование затруднено. Разработка ученых открывает путь к эффективной трансформации доступного солнечного света в необходимый ультрафиолетовый диапазон.
В основе процесса лежит квантовое явление триплет-триплетной аннигиляции. Сначала молекула-поглотитель переходит в возбужденное триплетное состояние, передавая энергию соседним молекулам. При взаимодействии двух таких возбужденных частиц их энергия суммируется, порождая фотон ультрафиолетового спектра. Как отмечает доцент инженерного факультета Университета Кюсю Ёити Сасаки, именно этот квантовый механизм объединения энергии является фундаментальным ключом к новой технологии.
Долгое время практическое применение метода ограничивалось необходимостью использования жидких сред, склонных к испарению и зачастую содержащих опасные токсичные компоненты. Попытки создания твердотельных аналогов сталкивались с физическим барьером: в плотной структуре материала молекулы располагались слишком близко, что приводило к преждевременной потере энергии возбужденных состояний.
Японским ученым удалось преодолеть это ограничение с помощью органического полупроводника на основе дигидроинденоиндена (DHI). Ключевым нововведением стало внедрение алкильных цепочек, которые выступили в роли дистанционных регуляторов между молекулами. Это позволило создать оптимальную архитектуру: молекулы находятся на достаточном расстоянии для обмена энергией, но при этом защищены от быстрого затухания возбуждения.
Эффективность нового материала составляет 1,9%, что означает генерацию двух ультрафиолетовых фотонов на каждые сто поглощенных фотонов видимого спектра. Для твердого материала, функционирующего при естественном освещении, этот показатель считается впечатляющим. Многие аналогичные системы, существующие сегодня, требуют значительно более мощных источников искусственного света для достижения хотя бы близких результатов.
Команда разработчиков уже подала патентную заявку на технологию, подчеркивая ее низкую стоимость и простоту химической структуры. Для профессора Нобуо Кимидзуки, стоявшего у истоков исследования, данный прорыв стал итогом более чем 14-летней научной деятельности. Ученый завершил карьеру спустя 11 дней после публикации статьи, отметив, что этот успех знаменует собой важную веху в развитии молекулярной самоорганизации и фотонных технологий.
