Как работает квантовая технология?

Представьте, что вы смешиваете две чашки просто теплой воды и получаете одну чашку очень горячего кипятка. В повседневной жизни это невозможно, но в квантовом мире действуют совсем другие правила. Как сообщает издание SciTechDaily, японские физики разработали уникальный твердотельный материал, который объединяет энергию обычных фотонов для создания ультрафиолетового излучения. Это открывает новые горизонты для солнечных технологий, экологичной очистки воздуха и 3D-печати.

Смотрите также Его искали более 50 лет: физики ЦЕРНа открыли новую элементарную частицу

Хотя летом мы стараемся избегать ультрафиолета, он имеет решающее значение для многих технологий: от очистки воздуха до отверждения смол в 3D-печати и стоматологии. Однако УФ-свет составляет лишь около 6% солнечного излучения, достигающего поверхности Земли. Чтобы решить эту проблему, учёные использовали явление, известное как фотонная апконверсия.

Мы буквально суммируем энергию двух фотонов видимого света, чтобы получить один ультрафиолетовый фотон. Это удивительный процесс, который называют фотонной апконверсией,
– объясняет Йоичи Сасаки, доцент Инженерного факультета Университета Кюсю и один из авторов исследования.

Один из способов добиться этого – процесс триплет-триплетной аннигиляции (TTA). Представьте себе эстафету: молекула-донор поглощает видимый свет и переводит свои электроны в высокоэнергетическое состояние (триплет). Затем она передает эту энергию соседней молекуле-акцептору. Когда два таких возбужденных состояния сталкиваются, они объединяют свою энергию и высвобождают ее в виде одного мощного УФ-фотона.

Сложности реализации

Раньше этот подход хорошо работал только в жидкостях, где молекулы свободно движутся. Но жидкости часто требуют токсичных растворителей и могут испаряться, что делает их непрактичными для реального применения. Создать эффективную твёрдотельную альтернативу оказалось чрезвычайно сложно.

В твёрдых телах молекулы упакованы очень плотно, поэтому облака π-электронов – области высокой электронной плотности над и под молекулярной плоскостью – могут перекрываться. Из-за этого триплеты просто затухают ещё до того, как соприкоснутся. Молекулы должны находиться достаточно близко для передачи энергии, но в то же время на таком расстоянии, чтобы избежать гашения экситонов,
– отмечает Сасаки.

Чтобы обойти это препятствие, команда использовала органический полупроводник дигидроинденоиндеден (DHI). Они присоединили алкильные цепи к атомам углерода sp³, которые имеют четыре связи, направленные в фиксированных 3D-направлениях. Этот хитроумный молекулярный дизайн создал идеальное расстояние между соседними молекулами: они расположены достаточно близко для передачи энергии, но достаточно далеко, чтобы избежать нежелательных электронных взаимодействий.

Какие результаты продемонстрировал новый материал?

Новый материал продемонстрировал яркое свечение и достиг квантового выхода твёрдотельной флуоресценции более 60%. В паре с молекулой-донором эффективность фотонной апконверсии составила 1,9% под воздействием обычного естественного солнечного света.

Это означает, что примерно два УФ-фотона образуются на каждые сто поглощенных фотонов видимого света. Показатель кажется низким, но система работает исключительно на естественном солнечном свете. Большинство твердотельных материалов не способны на такое даже при гораздо более высокой интенсивности света,
– добавляет Сасаки.

Команда уже подала заявку на патент. Материал относительно прост в производстве и основан на недорогих компонентах. В будущем его планируют использовать для солнечного фотокатализа, очистки воздуха в помещениях и 3D-печати низкой интенсивности.

История успеха: 14 лет исследований

Для исследователей этот проект – гораздо больше, чем просто очередное научное достижение. Научная работа японских физиков опубликована в журнале Nature Communications 23 июня 2026 года.

Путь к этому открытию начался ещё в 2012 году. Профессор Нобуо Кимизука, который в настоящее время является почетным профессором Исследовательского центра технологий отрицательных выбросов Университета Кюсю, сосредоточился на изучении миграции триплетной энергии в самоорганизованных молекулярных структурах. Его глобальной целью было создание таких молекулярных систем, в которых процессы самосборки способны самостоятельно выполнять полезные практические функции.

На протяжении многих лет его команда добивалась значительных успехов с растворами и гелями, но создание эффективной твёрдотельной системы оставалось нерешённой задачей. Прорыв произошёл в мае 2024 года, менее чем за год до выхода профессора Кимизуки на пенсию.

Аспиранты Наоюки Харада, Хаято Шояма и Нутнича Бунмонг вместе с тогдашним доцентом Киичи Мизуками присоединились к Сасаки в интенсивной попытке объединить годы разрозненных исследований. Также в разработке молекулярного материала принимали участие учёные Юя Ватанабе, Пэй Чжао и Масахиро Эхара.

Мы передали черновик статьи профессору Кимизуке всего за 11 дней до того, как он покинул лабораторию. Для нас это было как искренний подарок к его выходу на пенсию,
– вспоминает Сасаки.

Это открытие является кульминацией более чем 14 лет исследований и знаменует собой важную веху в изучении фотонной апконверсии и самосборки молекул.