基于压力的控制可实现可调谐单线态裂变材料

东京工业大学和庆应义塾大学的研究人员将静水压力用作外部刺激，展示了一种调节单线态裂变 (SF) 的新方法，该过程是发色团中单个光子产生两个电子的过程，为 SF- 的设计打开了大门具有增强(光)能量转换的基材料。他们的方法通过实现替代控制策略，超越了限制此类材料分子设计的严格要求。

单线态裂变 (SF) 是一个过程，其中处于激发单线态的有机发色团(一种吸收光的分子)将能量转移到相邻的发色团，从而产生两个相关的三线态激子对(成对的束缚电子-空穴态，“空穴”表示不存在电子)衰变为低能三线态激子。这些激子具有长寿命并显示出高效的光发射，使得 SF 有望用于高效的光能转换。

然而，基于 SF 的材料的分子设计受到激发单重态能量必须至少等于两个三重态能量的要求的限制。克服此限制的一种方法是应用外部刺激(例如温度或压力)来操纵 SF 过程。

现在，在化学科学杂志上发表的一项合作研究中，东京工业大学(东京工业大学)的 Gaku Fukuhara 教授和日本庆应义塾大学的 Taku Hasobe 教授首次展示了一种基于静水压力的策略控制 SF 过程的动力学，为设计和制造新颖、可调的 SF 基材料打开大门。

Fukuhara 教授和 Hasobe 教授解释说：“我们通过压力依赖性 UV/vis 和荧光光谱法以及荧光寿命和纳秒级瞬态吸收测量，证明了 SF 中相关三重态对的静水压力控制形成和解离。”

在他们的研究中，研究人员使用联苯桥接并五苯二聚体作为模型发色团，并测试了它在 0.1 MPa(大气压力)到 180 MPa 的一系列静水压力下在三种不同溶剂中的响应：甲苯、甲基环己烷和四氢呋喃。

使用定制的高压设备，研究人员通过监测发色团的荧光寿命衰减来测量不同压力下激子的产生速率，这表明发色团在初始激发后需要多长时间才能发射光子。他们发现相关三重态激子对的产生速率常数随压力增加而增加，表明更高的压力会导致更快的 SF 过程。

使用纳秒瞬态吸收技术，研究人员随后追踪了三重态激子的衰变，发现它们在高压下的寿命缩短了。

基于量子产率计算和热力学估计，研究人员发现了产生相关对和单个激子的两种机制。在相关激子对的情况下，SF 过程由分子的溶剂化和去溶剂化驱动，导致比激发发色团更紧凑和热力学稳定的激子结构。相比之下，发现由解离过程产生的单个激子在热力学上体积更大，导致溶剂分子聚集在周围并在高压下使它们失活。

通过这些发现，研究人员阐明了 SF 过程中涉及的不同系统(压力、溶剂、发色团、激子)之间的相互作用，提出了一种合适的 SF 传统控制策略替代方案。

“我们的研究为使用静水压力作为外部刺激来控制分子内 SF 提供了新的视角。这种动态控制概念可以扩展到其他 SF 支架和相关系统，这些系统在基态和激发态下都难以控制，”Fukuhara 教授和 Hasobe 教授推测。

我们当然希望看到 SF 基材料在高效有机太阳能电池和光转换器件设计中的应用。

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