阳光“升级”为紫外光：九州大学实现固态光子上转换重大突破

日本九州大学科研团队近日宣布，他们开发出一种新型固态分子材料，能够在自然日光条件下将可见光转换为紫外光，在户外阳光下实现了1.9%的可见光到紫外光上转换效率，被认为是在固态光子上转换与分子自组装研究领域的重要里程碑。相关成果已于2026年6月23日发表在《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上。

研究人员形象地指出，这一过程类似于“在量子世界里，把两杯温水倒在一起，得到一杯开水”：在宏观日常生活中不可能发生的事情，在微观光子层面却可以通过量子过程实现。在此次工作中，两束低能量的可见光光子可以“合力”，形成一束能量更高的紫外光光子，从而实现光能的“升级利用”。

紫外光在空气净化、3D打印树脂固化、牙科填充材料和美甲光固化等领域扮演关键角色，但在自然阳光中，紫外光仅占到抵达地表总太阳辐射的大约6%，可供技术利用的只是其中的一小部分。九州大学团队的目标，就是通过“光子上转换”技术，把原本丰富的可见光资源转化为更具应用价值的紫外光，为多种依赖紫外线的技术提供廉价且更安全的光源。

此次研究采用的是一种被称为“三级-三级湮灭”（triplet-triplet annihilation，TTA）的光子上转换机制。具体而言，体系中首先由“给体”分子吸收可见光，电子跃迁到高能量的三重态；随后，该能量被转移到附近的“受体”分子，形成受体的三重态激发；当两个三重态在空间上相遇并发生“湮灭”时，叠加的能量以一束紫外光光子的形式释放出来。这一方案在液体体系中相对容易实现，因为分子在溶液中可以自由移动，更有利于三重态相互碰撞，但液体系统往往依赖有毒溶剂且存在挥发问题，难以满足实际应用需求，因此高效固态材料一直是该领域的“圣杯”。

在固态中，分子排布紧密，分子平面上下方的π电子云容易发生强烈重叠，导致激发态能量在尚未实现上转换前就被淬灭，使得体系发光效率大幅下降。为解决这一难题，研究团队选用了有机半导体分子二氢茚并茚二烯（dihydroindenoindenedene，DHI），并在其具有四面体配向的sp3碳原子上引入烷基链，通过立体位阻精确调控分子间的间距与相对取向。这种分子设计让相邻分子既足够接近，以便能量在分子之间高效转移，又保持适度“分开”，避免π电子云过度耦合而引发激子淬灭。

得益于这种结构工程，新材料在固态下表现出明亮发光、长寿命激发态和高效能量转移等特性，其固态荧光量子产率超过60%。在与适配的给体分子配对后，系统在自然阳光照射下实现了1.9%的可见光到紫外光上转换效率，这意味着在吸收的一百个可见光光子中，约有两个最终被转化为紫外光光子。研究团队指出，虽然这一数字听起来并不“耀眼”，但在无需聚光、完全依赖自然阳光、且为固态材料的前提下，已经超越了大多数同类体系在高光强条件下才能达到的水平。

从应用前景看，团队已就这一材料提交了专利申请。该材料合成路线相对简单，依赖的起始原料价格低廉，为未来规模化制备和产业化奠定了基础。研究人员认为，这一固态上转换平台有望在太阳能驱动光催化、室内空气净化，以及低光强3D打印等场景中发挥作用，将普通阳光转化为更具“加工能力”的紫外光源。

这项突破也是一项长达十余年研究计划的阶段性收官。早在2012年，现任九州大学“负排放技术研究中心”名誉教授的君塚信夫（Nobuo Kimizuka）便开始探索利用自组装体系实现三重态能量迁移和光子上转换，希望通过分子自组装来赋予材料新的功能。在随后的多年研究中，他带领团队在溶液和凝胶体系中取得了一系列进展，却始终未能攻克高效固态体系这一关键难点。

转折点出现在2024年5月。研究生原田直行（Naoyuki Harada）、正山隼人（Hayato Shoyama）、Nutnicha Boonmong，以及当时任职九州大学工学部助理教授的水上贵一（Kiichi Mizukami）等人与佐佐木洋一（Yoichi Sasaki）联手，在短时间内整合多年研究积累，最终完成了这项工作。团队成员回忆称，他们在君塚教授退休前仅11天，将论文定稿交到他的手中，这一成果对实验室而言也像是一份别具意义的“退休献礼”。

君塚教授表示，这一发现不仅是其团队14余年研究工作的集中结晶，也标志着光子上转换与分子自组装研究迈入新的阶段。借助这一新型固态体系，利用普通阳光获得“升级版”紫外光的愿景，正从实验室概念逐步走向现实应用。

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