加州大學(xué)河濱分校和德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的材料科學(xué)家證明，當(dāng)使用包含硅納米晶體和特殊有機(jī)分子的精心設(shè)計的結(jié)構(gòu)時，可以實現(xiàn)比激發(fā)材料的能量更高的光的發(fā)射。

這一成果發(fā)表在《自然化學(xué)》雜志上，使科學(xué)家們離開發(fā)出治療癌癥的光動力治療又近了一步。這一進(jìn)展也可能加速太陽能轉(zhuǎn)換、量子信息和近紅外驅(qū)動光催化等新技能的發(fā)展。

高能量的光，如紫外線激光，可以形成能夠攻擊癌組織的自由基。然而，紫外線不能深入到組織中，不能在腫瘤附近產(chǎn)生治療自由基。另一方面，近紅外光穿透得很深，但沒有足夠的能量產(chǎn)生自由基。

雖然光子上轉(zhuǎn)換可以克服這一限制，但轉(zhuǎn)換材料要么效率低，要么是有毒材料。眾所周知，硅是無毒的，但直到現(xiàn)在，研究人員還不能證明硅納米晶體可以向上轉(zhuǎn)換光子，這使得這種有希望的癌癥治療遙不可及。

由加州大學(xué)河濱分校材料科學(xué)博士生潘霞領(lǐng)導(dǎo)的小組通過仔細(xì)研究硅納米晶體的表面化學(xué)來解決這個問題。研究小組學(xué)習(xí)了如何將有助于分子結(jié)合的配體連接到納米顆粒上，該納米顆粒是專門設(shè)計用于將能量從納米晶體轉(zhuǎn)移到周圍分子的。

然后，團(tuán)隊將激光照射到溶液中。他們發(fā)現(xiàn)具有適當(dāng)表面配體的硅納米晶體可以迅速將能量轉(zhuǎn)移到周圍分子的三重態(tài)。然后，稱為-三重態(tài)三元融合的過程將低能激發(fā)轉(zhuǎn)換為高能激發(fā)，從而產(chǎn)生比納米顆粒吸收的光子更短的波長或更高的能量的發(fā)射。

“我們用蒽功能化了硅納米晶。然后我們激活了硅納米晶體，發(fā)現(xiàn)能量通過蒽分子有效地從納米晶體轉(zhuǎn)移到溶液中的二苯蒽。”研究人員指出，“這意味著我們獲得了更高能量的光?！?/p>

“要將低能光子轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芄庾?，您需要使用三重態(tài)，需要使用量子約束的納米粒子，并且需要將納米粒子和有機(jī)分子非常緊密地保持在一起。這就是獲得三重態(tài)的方式結(jié)合能量以獲得高能光子。”合著者，加州大學(xué)河濱分校化學(xué)副教授，夏的論文顧問唐明(Ming Lee Tang)說。Tang的實驗室開創(chuàng)了如何將共軛有機(jī)分子連接到硅納米顆粒的方法。

機(jī)械工程學(xué)副教授洛倫佐·曼戈利尼(Lorenzo Mangolini)說：“這項工作非?；A(chǔ)。真正的新奇之處在于如何讓這個結(jié)構(gòu)的兩個部分——有機(jī)分子和受量子限制的硅納米晶體——協(xié)同工作。我們是初次將兩者結(jié)合在一起的人?！?/p>

論文的合著者肖恩·羅伯茨是德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的化學(xué)助理教授，他使用超快激光研究了這種混合結(jié)構(gòu)中能量是如何傳遞的，并確定了該過程的驚人速度和效率。

“面臨的挑戰(zhàn)是將成對的激發(fā)電子從這些有機(jī)材料中轉(zhuǎn)移到硅中。這不能僅僅通過在另一個的頂部沉積一個就完成，”羅伯茨說?！靶枰诠韬瓦@種材料之間建立一種新型的化學(xué)界面，使它們能夠進(jìn)行電子通信。”

這一發(fā)現(xiàn)還可能改進(jìn)光催化，即利用光來驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)。

唐說：“光催化劑通常只在紫外線或紫外光下工作，所以這是一種從其余的太陽光譜中產(chǎn)生光催化劑的方法。”

環(huán)境可持續(xù)的以硅為中心的方法也適用于量子信息科學(xué)和單態(tài)態(tài)裂變驅(qū)動的太陽能電池。

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