爱媛大学理学部的佐藤久子研究员（项目负责人）和山本将平（研究生院毕业生）的研究团队与东邦大学医学部、日本物质材料研究机构、日本大学文理学部合作并发表研究结果称，成功在黏土胶体中构建了一种光子上转换（UC）系统。光子上转换（UC）是一种能够发出比入射光波长更短的光的能量转换技术，有望在提升太阳能利用效率、生物原位检测等方面得到应用。作为一种低环境负荷的光能利用方式，该技术的应用前景广阔。该研究成果已于5月11日发表在国际学术期刊《Applied Clay Science》上。
图1 合成皂石中使用了手性分子[Ru（phen）3]2+（供体）和手性DPA（受体）的UC发光示意图（供图：爱媛大学）
蒙皂石族黏土矿物具有阳离子分子通过离子交换在层表面或层间高密度吸附，吸附分子在层表面硅酸盐四面体片的周期结构下可实现均匀取向和规则排列等特征。
从这一点出发，研究团队探讨了通过应用这些特征来构建光能UC系统的可能性。
通常，在被入射光光激发的分子发光过程中，能量会在发光前的弛豫过程中损失，导致发出的光比入射光的光子能量低，波长更长。为此，研究团队使用了三重态/三重态湮灭（TTA）技术作为克服这一问题的手段。
研究结果表明，Ru(II)络合物([Ru（phen）3]2+ (phen=1,10-phenanthroline))的发光强度在溶液中会受到氧的影响而淬灭，但在皂石又得以恢复。此外研究还证实，该物质在合成皂石中与受体DPA（9，10-diphenylanthracene）共存时发光会淬灭，并且发生从供体Ru络合物到DPA的高效光能转移。
通过TTA实现UC通常需要一种基于先进分子设计的反应体系，而此次研究人员在胶体黏土类矿物中实现了这一点。通过使用地球上储量丰富的黏土矿物，研究团队实现了立体选择性UC这一限制在二维黏土表面的效果，为手性传感（光学活性分子的检测）技术的研发铺平了道路。
佐藤研究员表示：“迄今为止，我们实验室以‘黏土表面的二维规则结构和具有与之匹配结构的金属络合物的功能’为关键词，不断推进相关研究。我们特别关注的是研究成果在光能转换和汇集系统中的应用。作为其延伸，本次我们成功在黏土类矿物中实现了将入射光的波长转换为更高能量的短波长的过程（该过程称为“上转换”）。将地球上储量丰富且对人体无害的黏土矿物用于这一目的，是对目前人们所寻求的‘低环境负荷的光能利用升级’的新提案。今后，我们希望与合作的研究人员一起，在技术的实际应用方面取得进一步的进展。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Applied Clay Science
论文：Up-conversion of Photon Energy in Colloidal Clay Systems
DOI：10.1016/j.clay.2024.107397
