Ein Forschungsteam der Universität Kyushu in Japan gab kürzlich bekannt, dass es eine neue Art von molekularem Festkörpermaterial entwickelt hat, das unter natürlichen Sonnenlichtbedingungen sichtbares Licht in ultraviolettes Licht umwandeln kann. Unter freiem Sonnenlicht wurde ein Wirkungsgrad der Aufwärtskonvertierung von sichtbarem in ultraviolettes Licht von 1,9 % erreicht, was als wichtiger Meilenstein auf dem Gebiet der Festkörper-Photonen-Aufkonvertierung und der molekularen Selbstorganisationsforschung gilt. Die entsprechenden Ergebnisse wurden am 23. Juni 2026 in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Die Forscher wiesen anschaulich darauf hin, dass dieser Prozess dem ähnelt, „in der Quantenwelt zwei Tassen warmes Wasser zusammenzugießen, um eine Tasse kochendes Wasser zu erhalten“: Dinge, die im makroskopischen Alltag unmöglich sind, können durch Quantenprozesse auf der mikroskopischen Photonenebene realisiert werden. In dieser Arbeit können zwei niederenergetische Photonen sichtbaren Lichts „ihre Kräfte bündeln“, um ein energiereicheres ultraviolettes Photon zu bilden, wodurch eine „verbesserte Nutzung“ der Lichtenergie erreicht wird.
Ultraviolettes Licht spielt eine Schlüsselrolle in Bereichen wie der Luftreinigung, der Aushärtung von 3D-Druckharzen, Zahnfüllungsmaterialien und der Lichthärtung von Nägeln. Allerdings macht ultraviolettes Licht im natürlichen Sonnenlicht nur etwa 6 % der gesamten Sonnenstrahlung aus, die die Erdoberfläche erreicht, und nur ein kleiner Teil davon kann technisch genutzt werden. Das Ziel des Teams der Kyushu-Universität besteht darin, die „Photonen-Upconversion“-Technologie zu nutzen, um die ursprünglich reichlich vorhandenen sichtbaren Lichtressourcen in ultraviolettes Licht mit höherem Anwendungswert umzuwandeln und so eine billigere und sicherere Lichtquelle für eine Vielzahl von Technologien bereitzustellen, die auf ultraviolettem Licht basieren.
Diese Forschung nutzte einen Photonen-Upconversion-Mechanismus namens „Triplett-Triplett-Annihilation“ (TTA). Konkret absorbiert in dem System zunächst das „Donor“-Molekül sichtbares Licht und die Elektronen gehen in einen hochenergetischen Triplettzustand über; dann wird die Energie auf das nahegelegene „Akzeptor“-Molekül übertragen, wodurch eine Triplettzustandsanregung des Akzeptors entsteht; Wenn die beiden Triplettzustände im Raum aufeinandertreffen und „vernichten“, wird die überlagerte Energie in Form eines Strahls ultravioletter Lichtphotonen freigesetzt. Diese Lösung lässt sich in einem flüssigen System relativ einfach implementieren, da sich die Moleküle in der Lösung frei bewegen können, was Triplett-Kollisionen begünstigt. Flüssige Systeme basieren jedoch häufig auf giftigen Lösungsmitteln und haben Probleme mit der Verflüchtigung, was es schwierig macht, den Anforderungen praktischer Anwendungen gerecht zu werden. Daher waren effiziente Festkörpermaterialien in diesem Bereich schon immer der „Heilige Gral“.
Im Festkörper sind die Moleküle dicht angeordnet und die π-Elektronenwolken oberhalb und unterhalb der Molekülebene neigen zu starker Überlappung, was dazu führt, dass die Energie des angeregten Zustands gelöscht wird, bevor eine Aufwärtskonvertierung erreicht wird, was dazu führt, dass die Lichtausbeute des Systems erheblich abnimmt. Um dieses Problem zu lösen, wählte das Forschungsteam das organische Halbleitermolekül Dihydroindenoindeneden (DHI) und führte an seinen sp3-Kohlenstoffatomen eine Alkylkette mit tetraedrischer Ausrichtung ein, um den Abstand und die relative Ausrichtung zwischen Molekülen durch sterische Hinderung präzise zu steuern. Dieses molekulare Design ermöglicht es, dass benachbarte Moleküle nahe genug sind, um effizient Energie zwischen Molekülen zu übertragen, aber mäßig „getrennt“ bleiben, um eine Überkopplung der π-Elektronenwolke und die Auslösung einer Exzitonenlöschung zu vermeiden.
Dank dieser Strukturtechnik weist das neue Material helle Lumineszenz, langlebige angeregte Zustände und einen effizienten Energietransfer im Festkörper auf, wobei die Fluoreszenzquantenausbeute im Festkörper über 60 % liegt. Nach der Paarung mit einem angepassten Donormolekül erreichte das System unter natürlichem Sonnenlicht eine Aufkonvertierungseffizienz von sichtbarem in UV-Licht von 1,9 %, was bedeutet, dass von einhundert absorbierten sichtbaren Photonen letztendlich etwa zwei in UV-Photonen umgewandelt wurden. Das Forschungsteam wies darauf hin, dass diese Zahl zwar nicht „umwerfend“ klingt, aber das Niveau übersteigt, das die meisten ähnlichen Systeme unter Bedingungen hoher Lichtintensität erreichen können, ohne dass konzentriertes Licht erforderlich ist, die vollständig auf natürlichem Sonnenlicht basieren und ein festes Material sind.
Im Hinblick auf die Anwendungsaussichten hat das Team einen Patentantrag für dieses Material eingereicht. Der Syntheseweg dieses Materials ist relativ einfach und die Ausgangsrohstoffe, auf denen es basiert, sind billig, was den Grundstein für die zukünftige großtechnische Herstellung und Industrialisierung legt. Forscher glauben, dass diese Festkörper-Upconversion-Plattform voraussichtlich eine Rolle bei der solarbetriebenen Photokatalyse, der Raumluftreinigung und dem 3D-Druck mit geringer Lichtintensität spielen wird, indem sie gewöhnliches Sonnenlicht in eine „verarbeitungsfähigere“ ultraviolette Lichtquelle umwandelt.
Dieser Durchbruch ist auch der Höhepunkt eines mehr als zehnjährigen Forschungsplans. Bereits 2012 begann Nobuo Kimizuka, derzeit Honorarprofessor am „Negative Emission Technology Research Center“ der Kyushu-Universität, mit der Erforschung des Einsatzes von Selbstorganisationssystemen zur Erzielung von Triplett-Energiemigration und Photonen-Upconversion, in der Hoffnung, Materialien durch molekulare Selbstorganisation neue Funktionen zu verleihen. In den darauffolgenden Forschungsjahren führte er sein Team zu einer Reihe von Fortschritten bei Lösungs- und Gelsystemen, doch es gelang ihnen immer noch nicht, die Hauptschwierigkeit effizienter Festkörpersysteme zu überwinden.
Der Wendepunkt wird im Mai 2024 eintreten. Die Doktoranden Naoyuki Harada, Hayato Shoyama, Nutnicha Boonmong und Kiichi Mizukami, der damals Assistenzprofessor an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Kyushu-Universität war, und andere schlossen sich mit Yoichi Sasaki zusammen, um jahrelange Forschungsakkumulation in kurzer Zeit zu integrieren und diese Arbeit schließlich abzuschließen. Die Teammitglieder erinnerten sich, dass sie Professor Kimitsuka den endgültigen Entwurf des Papiers erst 11 Tage vor seiner Pensionierung übergeben hatten. Dieses Ergebnis ist auch wie ein sinnvolles „Ruhestandsgeschenk“ an das Labor.
Professor Kimizuka sagte, dass diese Entdeckung nicht nur den Höhepunkt der mehr als 14-jährigen Forschungsarbeit seines Teams darstellt, sondern auch eine neue Etappe in der Forschung zur Photonen-Upconversion und molekularen Selbstorganisation markiert. Mit Hilfe dieses neuen Festkörpersystems wandelt sich die Vision, gewöhnliches Sonnenlicht zu nutzen, um eine „verbesserte“ Version des ultravioletten Lichts zu erhalten, allmählich von Laborkonzepten zu praktischen Anwendungen.