新型固态材料将阳光转化为更高能量的紫外线

据日本九州大学(Kyushu University)2026年6月26日报道(Kyushu University. "New solid-state material converts sunlight into higher-energy UV light." ScienceDaily, 26 June 2026. www.sciencedaily.com/releases/2026/06/260623083058.htm)，科学家们已经找到了一种用新型材料将普通阳光转化为紫外线的方法，为太阳能技术开辟了新的可能性。这种新的太阳能材料可以将可见光转化为更高能量的紫外线，克服了多年来困扰科学家的挑战。这一突破可以实现更清洁的空气净化、太阳能驱动的化学和仅使用自然阳光的先进制造技术。

九州大学的一种新型固态材料在阳光强度下将可见光转化为高能紫外线。通过将烷基链连接到有机分子的sp³碳原子上，研究人员在相邻分子之间创建了精确控制的间隙。这种间距实现了高效的三重态能量转移，在固态下实现了60%以上的量子产率。当与供体分子结合时，该系统的可见光到紫外上转换效率达到1.9%。

想象一下，把两杯温水倒在一起，结果却变成了一杯开水。这在日常生活中不可能发生，但在量子层面上，类似的事情是可能的。多个低能光粒子可以结合它们的能量，产生一个能量更高的粒子。

九州大学的研究人员现在创造了一种固态分子材料，能够在正常的室外条件下将可见阳光转化为紫外线（UV）。根据2026年6月23日发表在《自然-通讯》(Nature Communications)杂志上的一项研究，这种新材料的光转换效率为1.9% 。原文详见Naoyuki Harada, Hayato Shoyama, Nutnicha Boonmong, Kiichi Mizukami, Yuya Watanabe, Pei Zhao, Masahiro Ehara, Yoichi Sasaki, Nobuo Kimizuka. Sterically protected π-electron systems for efficient solid-state photon upconversion. Nature Communications, 2026; 17 (1) DOI: 10.1038/s41467-026-73898-0. http://dx.doi.org/10.1038/s41467-026-73898-0

为什么紫外线很重要

尽管许多人将紫外线与晒伤和皮肤损伤联系在一起，但它在许多技术中起着重要作用。紫外线用于空气净化、3D打印中的树脂固化、牙科填充物中的凝胶硬化，甚至指甲护理等应用。

尽管紫外线很有用，但它只占到达地球表面的阳光的6%左右。即便如此，只有部分紫外线辐射可用于技术应用。

九州大学工程学院(Kyushu University's Faculty of Engineering)副教授、该研究的通讯作者Yoichi Sasaki解释说：“我们在这里做的是将两个可见光子的能量‘加在一起’，形成一个紫外线光子。这是一个有趣的过程，称为光上转换(photo upconversion)。”

将可见光转化为紫外光

该过程依赖于一种称为三重态-三重态湮灭（triplet-triplet annihilation简称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。然后，这种能量被转移到附近的受体分子。当两个三重态相遇时，它们会结合并释放出能量，形成一个紫外光子。

科学家们早就知道TTA在液体中有效，因为分子可以自由移动并容易相互作用。然而，液体系统通常需要有毒溶剂，并可能随着时间的推移而蒸发，限制了它们的实用性。因此，研究人员花了数年时间寻找可靠的固态替代品。

Sasaki说：“在固体中，分子紧密堆积，π电子云——在每个分子平面上方和下方盘旋的高电子密度区域——可以重叠。当这种情况发生时，三重态很容易在它们相遇之前就消失了。分子必须足够接近以转移能量，但要足够分离以防止激子淬灭(quenching of excitons)。”

一种新的固态解决方案

该团队的突破来自一种名为二氢茚并茚（dihydroindenoindenedene简称DHI）的有机半导体。

研究人员通过将烷基链连接到DHI的sp³碳原子上来修饰DHI，这些碳原子有四个指向固定3D方向的键。这种设计在相邻分子之间创造了精心控制的间距。分子保持足够近的距离以有效地传递能量，同时避免可能抑制性能的强电子相互作用。

所得材料表现出强烈的发光、长寿命的激发态和高效的能量转移。它实现了大于60%的固态荧光量子产率。当与供体分子配对时，该系统的上转换效率达到1.9%。

Sasaki补充道：“这意味着每吸收一百个可见光光子，大约会产生两个紫外线光子。这听起来可能很低，但它仅在自然阳光下运行。即使在更高的光强度下，大多数固态材料也无法实现这一点。”

太阳能紫外光的潜在应用

研究人员已经为这种材料提交了专利申请。

除了性能外，这种材料还具有实用优势。它可以相对容易地合成，并且由廉价的起始材料制成。该团队认为，它最终可以用于太阳能光催化、室内空气净化系统和低强度3D打印技术。

14年的科学之旅

对于参与其中的研究人员来说，这一成就不仅仅是一项技术进步。

2012年，现任九州大学负发射技术研究中心(Kyushu University's Research Center for Negative Emissions)名誉教授的Nobuo Kimizuka开始探索通过自组装分子系统中的三重态能量迁移进行光子上转换。他的目标是建立一种分子系统化学形式，其中自组装可以发挥有用的功能。

在接下来的几年里，他的团队使用基于溶液和凝胶的系统取得了稳步进展。然而，高效的固态上转换仍然难以实现。

2024年5月，在Kimizuka退休前不到一年，终于取得了重大突破。接下来的几个月成为了完成该项目的强烈推动力。研究生Naoyuki Harada、Hayato Shoyama和Nutnicha Boonmong与Sasaki以及九州大学工程学院的Kiichi Mizukami助理教授合作，将多年的研究成果整合成最终出版物。

Sasaki指出：“在Kimizuka教授离开实验室前11天，我们把草稿交给了他，对我们来说，这就像是一份衷心的退休礼物。”

Kimizuka总结道：“这一发现是我们14年多研究的结晶，标志着光子上转换和分子自组装研究的一个重要里程碑。”

上述介绍仅供参考。欲了解更多信息敬请注意浏览原文或相关报道(https://www.kyushu-u.ac.jp/en/researches/view/384)。

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