想象一下，混合两杯温水，最后却得到了一杯开水。这在日常生活中是不可能的，但在量子层面上，类似的事情是可能的。多个低能量的光子可以合并能量，从而产生单一具有更高能量的光子。九州大学的研究人员如今创造了一种固态分子材料，这种材料能够在正常的户外条件下将可见阳光转化为紫外光（UV）。根据6月23日在《自然通讯》上发布的研究，这种新材料的光上转换效率达到了1.9%。虽然许多人将紫外光与晒伤和皮肤损伤联系在一起，但它在众多技术中扮演着重要角色。紫外光用于空气净化、3D打印中树脂的固化、牙科填充中凝胶的硬化，甚至还有指甲治疗等应用。尽管紫外光十分有用，但它仅占到到达地球表面的阳光的约6%。即便如此，只有一部分紫外辐射适用于技术应用。九州大学工程学院的副教授、该研究的通讯作者佐佐木阳一解释说：“我们的工作是将两个可见光光子的能量‘加在一起’以生成一个紫外光光子。这是一个被称为光上转换的迷人过程。”这一过程依赖于一种被称为三重态-三重态湮灭（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，这种能量转移到附近的受体分子。当两个三重态相遇时，它们结合并以单一的 UV 光子释放能量。科学家们早已知道，TTA在液体中有效，因为分子可以自由运动并相互作用。然而，液体系统通常需要有毒溶剂，并且随着时间的推移可能会蒸发，限制了它们的实用性。因此，研究人员花了数年寻找可靠的固态替代品。佐佐木表示：“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悬浮的高电子密度区域--可以重叠。当这种情况发生时，三重态在相遇之前就容易消失。分子必须足够接近以便能量传输，但又必须足够分开以防止激子淬灭。”该团队的突破来自一种叫做二氢吲哚基烯烃（DHI）的有机半导体。研究人员通过将烷基链附加到其sp³碳原子上，修改了DHI，这些碳原子有四个指向固定3D方向的键。这种设计创造了相邻分子之间经过精确控制的间隔。分子保持足够接近以高效传输能量，同时避免会抑制性能的强电子相互作用。最终得到的材料展现出强光致发光、长寿命激发态和高效能量传输，其固态荧光量子产率超过60%。当与供体分子配对时，系统达到了1.9%的上转换效率。佐佐木补充道：“这意味着每吸收一百个可见光光子大约会产生两个紫外光光子。”这听起来可能不高，但它仅依赖自然阳光运行。大多数固态材料甚至在更高的光强下也无法实现这一点。研究人员已就该材料提交了专利申请。除了其性能，该材料还提供了实用优势。它的合成相对简单，且由廉价的原材料制成。团队认为，它最终可用于太阳能驱动的光催化、室内空气净化系统和低强度3D打印技术。对于参与的研究人员来说，这一成就不仅仅是技术的进步。2012年，目前为九州大学负排放技术研究中心的名誉教授的木水信男开始探索通过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，其中自组装可以发挥有用功能。在随后的几年中，他的团队不断利用基于溶液和凝胶的系统取得进展。然而，有效的固态上转换依然难以实现。直到2024年5月，在木水的退休前不到一年的时间里，一个重要的突破终于到来了。随后的几个月成为了为完成该项目而进行的密集推进。研究生原田直之、正山隼人和布翁蒙努亚与佐佐木和当时的助理教授水上喜一共同努力，将多年的研究整合为最终成果。