Immaginate di versare insieme due tazze di acqua tiepida e di ottenere, in qualche modo, una tazza di acqua bollente. Questo non può accadere nella vita di tutti i giorni, ma a livello quantistico, qualcosa di simile è possibile. Molteplici particelle di luce a bassa energia possono combinare la loro energia per creare un’unica particella con un’energia molto più elevata.
I ricercatori dell’Università di Kyushu hanno creato un materiale molecolare allo stato solido in grado di convertire la luce solare visibile in luce ultravioletta (UV) in normali condizioni esterne. Il nuovo materiale raggiunge un’efficienza di conversione fotoelettrica dell’1,9%, secondo uno studio pubblicato il 23 giugno su Nature Communications .
Perché la luce UV è importante
Sebbene molte persone associno la luce UV alle scottature e ai danni alla pelle, essa svolge un ruolo importante in numerose tecnologie. La luce UV viene utilizzata per la purificazione dell’aria, la polimerizzazione delle resine nella stampa 3D, l’indurimento dei gel nelle otturazioni dentali e persino in applicazioni come i trattamenti per le unghie.
Nonostante la sua utilità, la luce UV rappresenta solo circa il 6% della luce solare che raggiunge la superficie terrestre. Anche in questo caso, solo una parte di tale radiazione UV è effettivamente utilizzabile per applicazioni tecnologiche.
“Quello che facciamo qui è ‘sommare’ l’energia di due fotoni di luce visibile per crearne uno ultravioletto. È un processo affascinante chiamato fotoconversione ascendente”, spiega Yoichi Sasaki, professore associato presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Kyushu e autore corrispondente dello studio.
Trasformare la luce visibile in luce ultravioletta
Il processo si basa su un fenomeno noto come annichilazione tripletta-tripletta (TTA). In questo approccio, una molecola chiamata donatore assorbe luce visibile ed entra in uno stato di tripletto ad alta energia. Tale energia viene quindi trasferita a una molecola accettatrice vicina.
Quando due stati di tripletto si incontrano, si combinano e rilasciano la loro energia sotto forma di un singolo fotone UV.
Gli scienziati sanno da tempo che la TTA funziona efficacemente nei liquidi perché le molecole possono muoversi liberamente e interagire facilmente. Tuttavia, i sistemi liquidi spesso richiedono solventi tossici e possono evaporare nel tempo, limitandone la praticità. Di conseguenza, i ricercatori hanno trascorso anni alla ricerca di un’alternativa affidabile allo stato solido.
“Nei solidi, le molecole sono impacchettate strettamente e le nubi elettroniche π – regioni ad alta densità elettronica che si trovano sopra e sotto ogni piano molecolare – possono sovrapporsi”, spiega Sasaki. “Quando ciò accade, i tripletti si dissolvono facilmente prima ancora di incontrarsi. Le molecole devono essere abbastanza vicine da permettere il trasferimento di energia, ma abbastanza separate da impedire lo spegnimento degli eccitoni.”
Una nuova soluzione a stato solido
La svolta per il team è arrivata grazie a un semiconduttore organico chiamato diidroindenoindenedene (DHI).
I ricercatori hanno modificato il DHI attaccando catene alchiliche ai suoi atomi di carbonio sp³, che presentano quattro legami orientati in direzioni tridimensionali fisse. Questa progettazione ha creato una spaziatura attentamente controllata tra le molecole vicine. Le molecole sono rimaste sufficientemente vicine da trasferire energia in modo efficiente, evitando al contempo le forti interazioni elettroniche che possono compromettere le prestazioni.
Il materiale risultante ha mostrato una forte luminescenza, stati eccitati di lunga durata e un trasferimento di energia altamente efficace. Ha raggiunto una resa quantica di fluorescenza allo stato solido superiore al 60%.
Se abbinato a una molecola donatrice, il sistema ha raggiunto un’efficienza di upconversion dell’1,9%.
“Questo significa che vengono prodotti circa due fotoni UV per ogni cento fotoni di luce visibile assorbiti”, aggiunge Sasaki. “Può sembrare un valore basso, ma funziona esclusivamente con la luce solare naturale. La maggior parte dei materiali allo stato solido non è in grado di raggiungere questo risultato nemmeno con intensità luminose molto più elevate.”
Possibili applicazioni della luce UV alimentata a energia solare
I ricercatori hanno depositato una domanda di brevetto per il materiale.
Oltre alle sue prestazioni, il materiale offre vantaggi pratici. Può essere sintetizzato con relativa facilità ed è prodotto a partire da materie prime economiche. Il team ritiene che potrebbe essere utilizzato in futuro nella fotocatalisi a energia solare, nei sistemi di purificazione dell’aria interna e nelle tecnologie di stampa 3D a bassa intensità.
Un percorso scientifico di 14 anni
Per i ricercatori coinvolti, questo risultato rappresenta più di un semplice progresso tecnico.
Nel 2012, Nobuo Kimizuka, ora professore emerito presso il Centro di ricerca per le tecnologie a emissioni negative dell’Università di Kyushu, ha iniziato a esplorare la conversione ascendente di fotoni attraverso la migrazione di energia di tripletto in sistemi molecolari autoassemblati. Il suo obiettivo era quello di stabilire una forma di chimica dei sistemi molecolari in cui l’autoassemblaggio potesse svolgere funzioni utili.
Negli anni successivi, il suo gruppo ha compiuto progressi costanti utilizzando sistemi basati su soluzioni e su gel. Tuttavia, ottenere una conversione ascendente efficiente allo stato solido è rimasto difficile.
Una svolta decisiva arrivò finalmente nel maggio 2024, meno di un anno prima del ritiro di Kimizuka.
I mesi successivi furono caratterizzati da un’intensa attività per portare a termine il progetto. Gli studenti di dottorato Naoyuki Harada, Hayato Shoyama e Nutnicha Boonmong lavorarono a fianco di Sasaki e dell’allora professore associato Kiichi Mizukami della Facoltà di Ingegneria dell’Università di Kyushu per condensare anni di ricerca in una pubblicazione finale.
“Abbiamo consegnato la bozza al professor Kimizuka appena 11 giorni prima che lasciasse il laboratorio, il che per noi è stato come un sentito regalo di pensionamento”, osserva Sasaki.
“Questa scoperta è il culmine di oltre 14 anni di ricerca e rappresenta una pietra miliare nella ricerca sulla conversione ascendente di fotoni e sull’autoassemblaggio molecolare”
Abstract
È stato sviluppato un sistema di conversione ascendente di fotoni allo stato solido basato sull’annichilazione tripletta-tripletta visibile-ultravioletta, alimentato da luce a bassa intensità, a livelli simili a quelli della luce solare. La realizzazione di un tale sistema di conversione ascendente di fotoni allo stato solido si è rivelata impegnativa, poiché è difficile ottenere simultaneamente un’elevata resa quantica di fluorescenza e una rapida diffusione degli eccitoni di tripletto, il che richiede metodologie per controllare con precisione le interazioni tra i cromofori e sopprimere il quenching sia degli stati eccitati di singoletto che di tripletto. In questo lavoro, riportiamo che un gruppo di derivati del diidroindeno[2,1- a ]indene funzionalizzati con catene alchiliche sopra e sotto il piano π soddisfa tutti questi requisiti. Tra i tre derivati studiati, identifichiamo la struttura dell’emettitore ottimale che presenta la più alta resa quantica di conversione ascendente di fotoni sia in soluzione che allo stato cristallino. Il sistema allo stato solido è meno influenzato dai difetti cristallini, esibendo un’elevata resa quantica di fotoluminescenza, una lunga durata di vita del tripletto e una rapida diffusione del tripletto, con una resa quantica di upconversion fotonica assoluta dell’1,9% e una bassa intensità di eccitazione di soglia di 1,2 mW cm −2
Materials provided by Kyushu University. Note: Content may be edited for style and length.
Naoyuki Harada, Hayato Shoyama, Nutnicha Boonmong, Kiichi Mizukami, Yuya Watanabe, Pei Zhao, Masahiro Ehara, Yoichi Sasaki, Nobuo Kimizuka. Sterically protected π-electron systems for efficient solid-state photon upconversion. Nature Communications, 2026; 17 (1) DOI: 10.1038/s41467-026-73898-0
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