Як працює квантова технологія?
Уявіть, що ви зливаєте дві чашки просто теплої води й отримуєте одну чашку дуже гарячого окропу. У повсякденному житті це неможливо, але в квантовому світі діють зовсім інші правила. Як повідомляє видання SciTechDaily, японські фізики розробили унікальний твердотільний матеріал, який об'єднує енергію звичайних фотонів для створення ультрафіолетового випромінювання. Це відкриває нові горизонти для сонячних технологій, екологічного очищення повітря та 3D-друку.
Дивіться також Його шукали бльше 50 років: фізики ЦЕРНу відкрили нову елементарну частинку
Хоча влітку ми намагаємося уникати ультрафіолету, він є критично важливим для багатьох технологій: від очищення повітря до затвердіння смол у 3D-друці та стоматології. Проте УФ-світло становить лише близько 6% сонячного випромінювання, що досягає поверхні Землі. Щоб розв'язати цю проблему, вчені використали явище, відоме як фотонна апконверсія.
Ми буквально додаємо енергію двох фотонів видимого світла, щоб отримати один ультрафіолетовий фотон. Це дивовижний процес, який називають фотонною апконверсією,
– пояснює Йоічі Сасакі, доцент Інженерного факультету Університету Кюсю та один з авторів дослідження.
Один зі способів досягти цього – процес триплет-триплетної анігіляції (TTA). Уявіть естафету: молекула-донор поглинає видиме світло і переводить свої електрони у високоенергетичний стан (триплетний). Потім вона передає цю енергію сусідній молекулі-акцептору. Коли два такі збуджені стани зустрічаються, вони об'єднують свою енергію і вивільняють її у вигляді одного потужного УФ-фотону.
Складнощі створення
Раніше цей підхід добре працював лише в рідинах, де молекули вільно рухаються. Але рідини часто потребують токсичних розчинників і можуть випаровуватися, що робить їх непрактичними для реального застосування. Створити ефективну твердотільну альтернативу виявилося надзвичайно складно.
У твердих тілах молекули упаковані дуже щільно, тому хмари π-електронів – області високої електронної густини над і під молекулярною площиною – можуть перекриватися. Через це триплети просто згасають ще до того, як зустрінуться. Молекули мають бути достатньо близько для передачі енергії, але водночас на такій відстані, щоб уникати гасіння екситонів,
– зазначає Сасакі.
Щоб обійти цю перешкоду, команда використала органічний напівпровідник дигідроінденоіндеден (DHI). Вони прикріпили алкільні ланцюги до атомів вуглецю sp3, які мають чотири зв'язки, спрямовані у фіксованих 3D-напрямках. Цей хитрий молекулярний дизайн створив ідеальну відстань між сусідніми молекулами: вони розташовані достатньо близько для передачі енергії, але достатньо далеко, щоб уникнути небажаних електронних взаємодій.
Які результати показав новий матеріал?
Новий матеріал продемонстрував яскраве випромінювання світла та досяг квантового виходу твердотільної флуоресценції понад 60%. У парі з молекулою-донором ефективність фотонної апконверсії склала 1,9% під впливом звичайного природного сонячного світла.
Це означає, що приблизно два УФ-фотони утворюються на кожні сто поглинутих фотонів видимого світла. Показник здається низьким, але система працює виключно на природному сонячному світлі. Більшість твердотільних матеріалів не здатна на таке навіть за набагато вищої інтенсивності світла,
– додає Сасакі.
Команда вже подала заявку на патент. Матеріал відносно простий у виробництві та базується на недорогих компонентах. У майбутньому його планують використовувати для сонячного фотокаталізу, очищення повітря в приміщеннях та 3D-друку низької інтенсивності.
Історія успіху: 14 років досліджень
Для дослідників цей проєкт – набагато більше, ніж просто чергове наукове досягнення. Наукова праця японських фізиків опублікована в журналі Nature Communications 23 червня 2026 року.
Шлях до цього відкриття розпочався ще у 2012 році. Професор Нобуо Кімізука, який зараз є почесним професором Дослідницького центру технологій негативних викидів Університету Кюсю, сфокусувався на вивченні міграції триплетної енергії в самоорганізованих молекулярних структурах. Його глобальною метою було створення таких молекулярних систем, де процеси самозбирання здатні самостійно виконувати корисні практичні функції.
Роками його команда досягала значних успіхів із розчинами та гелями, але створення ефективної твердотільної системи залишалося невирішеним завданням. Прорив стався у травні 2024 року, менш ніж за рік до виходу професора Кімізуки на пенсію.
Аспіранти Наоюкі Харада, Хаято Шояма та Нутніча Бунмонг разом із тодішнім доцентом Кіічі Мізукамі приєдналися до Сасакі в інтенсивній спробі об'єднати роки розрізнених досліджень. Також у розробці молекулярного матеріалу брали участь науковці Юя Ватанабе, Пей Чжао та Масахіро Ехара.
Ми передали чернетку статті професору Кімізуці всього за 11 днів до того, як він залишив лабораторію. Для нас це було як щирий подарунок до його виходу на пенсію,
– згадує Сасакі.
Це відкриття є кульмінацією понад 14 років досліджень і знаменує собою важливу віху в дослідженні фотонної апконверсії та самозбирання молекул.