Изследователи от Япония са разработили уникален твърдотелен материал, способен да комбинира енергията на обикновените фотони, за да генерира ултравиолетова радиация. Това откритие отваря нови хоризонти за слънчевите технологии, екологичното пречистване на въздуха и 3D печата.

Как работи квантовата технология?

Представете си, че смесвате две чаши хладка вода, за да създадете една чаша вряща вода. Това е невъзможно в ежедневието, но в квантовия свят важат съвсем различни правила. Както съобщава SciTechDaily, японски физици са разработили уникален твърдотелен материал, който комбинира енергията на обикновените фотони, за да създаде ултравиолетова радиация. Това отваря нови хоризонти за слънчевата технология, екологичното пречистване на въздуха и 3D печатането.

Въпреки че се опитваме да избягваме ултравиолетовата радиация през лятото, тя е от решаващо значение за много технологии – от пречистване на въздуха до втвърдяване на смоли в 3D печата и стоматологията. UV светлината обаче представлява само около 6% от слънчевата радиация, достигаща до земната повърхност. За да се справят с този проблем, учените са използвали феномен, известен като фотонна конверсия.

„Ние буквално комбинираме енергията на два фотона от видимата светлина, за да произведем един ултравиолетов фотон. Този забележителен процес се нарича фотонна апконверсия“, обяснява Йоичи Сасаки, доцент във Факултета по инженерство в университета Кюшу и един от авторите на изследването.

Един от начините да се постигне това е чрез процеса на триплет-триплетна анихилация (TTA). Представете си щафетна надпревара: донорна молекула абсорбира видимата светлина и преобразува електроните си във високоенергийно състояние (триплет). След това тя прехвърля тази енергия на съседна акцепторна молекула. ​​Когато двете възбудени състояния се сблъскат, те комбинират енергията си и я освобождават като един мощен UV фотон.

Трудности при прилагането

Преди това този подход работеше добре само в течностите, където молекулите се движат свободно. Но течностите често изискват токсични разтворители и могат да се изпаряват, което ги прави непрактични за реалните приложения. Създаването на ефективна алтернатива в твърдо състояние се оказа изключително трудно.

В твърдите тела молекулите са много плътно опаковани, така че облаците от π-електрони – областите с висока електронна плътност над и под молекулната равнина, могат да се припокриват. Това кара триплетите просто да се разпадат, преди дори да се докоснат. „Молекулите трябва да са достатъчно близо, за да прехвърлят енергия, но в същото време достатъчно далеч, за да се избегне гасене на екситоните“, отбелязва Сасаки.

За да преодоли това препятствие, екипът е използвал органичен дихидроинденоинден полупроводник (DHI). Те са прикрепили алкилови вериги към sp³ въглеродни атоми, които имат четири връзки, подредени във фиксирани 3D направления. Този умен молекулярен дизайн е създал идеалното разстояние между съседните молекули: те са достатъчно близо, за да пренасят енергия, но и достатъчно далеч, за да се избегнат нежелани електронни взаимодействия.

Какви резултати показва новият материал?

Новият материал демонстрира ярка флуоресценция и постига квантов добив на флуоресценция в твърдо състояние над 60%. Когато е сдвоен с донорна молекула, ефективността на преобразуването на фотоните е 1,9% при нормална естествена слънчева светлина.

Това означава, че за всеки сто абсорбирани фотона видима светлина се произвеждат приблизително два UV фотона. Това изглежда малко, но системата работи изключително на естествена слънчева светлина. Повечето твърдотелни материали не са способни на това, дори при много по-висок интензитет на светлината, добавя Сасаки.

Екипът вече е подал патентна заявка. Материалът е сравнително лесен за производство и е базиран на евтини компоненти. Бъдещите му приложения включват слънчева фотокатализа, пречистване на въздуха в помещенията и 3D печат с ниска интензивност.

История на успеха: 14 години изследвания

За изследователите този проект е много повече от просто поредно научно постижение. Изследването на японските физици беше публикувано в списание Nature Communications на 23 юни 2026 г.

Пътят към това откритие започва още през 2012 г. Професор Нобуо Кимизука, понастоящем почетен професор в Изследователския център за технологии за отрицателни емисии в университета Кюшу, се фокусира върху изучаването на миграцията на триплетната енергия в самоорганизиращите се молекулярни структури. Неговата обща цел е да създаде молекулярни системи, в които процесите на самосглобяване са способни самостоятелно да изпълняват полезни практически функции.

През годините екипът му постигна значителен напредък с разтвори и гелове, но създаването на ефективна твърдотелна система остана нерешен проблем. Пробивът се случи през май 2024 г., по-малко от година преди пенсионирането на професор Кимизуки.

Докторантите Наоюки Харада, Хаято Шояма и Нутнича Бунмонг, заедно с тогавашния доцент Кийчи Мизуками, се присъединиха към Сасаки в интензивен опит за консолидиране на години разнородни изследвания. За разработването на молекулярния материал са допринесли и учените Юя Ватанабе, Пей Джао и Масахиро Ехара.

„Предадохме черновата на статията на професор Кимизуке само 11 дни преди да напусне лабораторията. За нас това беше като искрен подарък за пенсионирането му“, спомня си Сасаки.

Това откритие е кулминацията на повече от 14 години изследвания и бележи важен етап в изучаването на фотонното преобразуване нагоре и молекулярното самоорганизиране.