加州大學河濱分校和德克薩斯大學奧斯汀分校的材料科學家證明，當使用包含硅納米晶體和特殊有機分子的精心設計的結構時，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》雜志上，使科學家們離開發(fā)出治療癌癥的光動力治療又近了一步。這一進展也可能加速太陽能轉換、量子信息和近紅外驅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生自由基。

雖然光子上轉換可以克服這一限制，但轉換材料要么效率低，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。

由加州大學河濱分校材料科學博士生潘霞領導的小組通過仔細研究硅納米晶體的表面化學來解決這個問題。研究小組學習了如何將有助于分子結合的配體連接到納米顆粒上，該納米顆粒是專門設計用于將能量從納米晶體轉移到周圍分子的。

然后，團隊將激光照射到溶液中。他們發(fā)現(xiàn)具有適當表面配體的硅納米晶體可以迅速將能量轉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)轉換為高能激發(fā)，從而產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移到溶液中的二苯蒽?！毖芯咳藛T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)的方式結合能量以獲得高能光子?！焙现?，加州大學河濱分?；瘜W副教授，夏的論文顧問唐明(Ming Lee Tang)說。Tang的實驗室開創(chuàng)了如何將共軛有機分子連接到硅納米顆粒的方法。

機械工程學副教授洛倫佐·曼戈利尼(Lorenzo Mangolini)說：“這項工作非?；A。真正的新奇之處在于如何讓這個結構的兩個部分——有機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合在一起的人。“

論文的合著者肖恩·羅伯茨是德克薩斯大學奧斯汀分校的化學助理教授，他使用超快激光研究了這種混合結構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)電子從這些有機材料中轉移到硅中。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界面，使它們能夠進行電子通信。”

這一發(fā)現(xiàn)還可能改進光催化，即利用光來驅動化學反應。

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生光催化劑的方法?！?/p>

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和單態(tài)態(tài)裂變驅動的太陽能電池。

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