
Солнце является не только центром нашей планетарной системы, но и одной из причин существования жизни на Земле. Солнечный свет является набором электромагнитных излучений, которые представлены ультрафиолетовым излучением, видимым светом и инфракрасным излучением. Ультрафиолет занимает около 5% по энергии от всего Солнечного излучения. Тем не менее именно с ним связано множество технологических процессов, от очистки воздуха до полимеризации пломб. Ультрафиолет обладает массой перспективных применений, если бы его было «больше». Ученые из Университета Кюсю (Фукуока, Япония) разработали твердотельную систему, способную конвертировать видимый свет в ультрафиолет. Из чего состоит данная система, как она работает, и где может быть использован созданные ею ультрафиолет? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Разработка технологий эффективного использования солнечного света имеет важное значение для устойчивого развития современного общества. Хотя неорганические фотокатализаторы, использующие ультрафиолетовое (УФ или UV от ultraviolet) излучение, достигли высокой эффективности фотокаталитического расщепления воды, они страдают от низкой доли УФ-излучения в солнечном свете (около 3-5% в диапазоне 300–400 нм). Для решения этой проблемы существует потребность в разработке высокоэффективных твердотельных материалов для преобразования видимого (Vis от visible) света в УФ-излучение. Преобразование фотонов на основе триплет-триплетного слияния, то есть аннигиляции триплет-триплетов (TTA-UC), привлекло большое внимание благодаря потенциальной возможности работы при возбуждающем свете, близком к солнечному излучению (~1 мВт/см2), в деаэрированных растворах, достигая высокого квантового выхода, превышающего 10%. Процесс TTA-UC инициируется поглощением света донором, за которым следует межсистемное пересечение с образованием возбужденных триплетов, которые затем передаются акцептору (перенос энергии триплета или TET от triplet energy transfer) по механизму Декстера. Впоследствии два акцептора в возбужденном триплетном состоянии диффундируют и сталкиваются в растворе, образуя синглет с определенной спин-статистической вероятностью, после чего акцептор в возбужденном синглетном состоянии испускает квант апконвертированного света (1c).

Изображение №1
На сегодняшний день эффективные системы TTA-UC, преобразующие видимый свет в УФ-излучение, были продемонстрированы исключительно за счет использования молекулярной диффузии в растворе. Используя акцепторы, такие как 1,4-бис((-триизопропилсилил)этинил)нафталин (TIPS-Nph) и 2,5-дифенилоксазол (PPO), были достигнуты квантовые выходы UC (ΦUC) до 16.4%. Эти системы применялись для фотокаталитического расщепления воды под действием синего света и фотореакций в растворе. Однако летучесть растворителя является критическим ограничением для применения устройств и длительного использования. Предпринимаются попытки разработать жесткие полимерные пленки, содержащие жидкие капли растворенных доноров и акцепторов. Несмотря на умеренные самоподдерживающиеся свойства и высокий ΦUC, эти системы очень восприимчивы к утечке жидкости, а молекулярная диффузия ограничивает константы скорости переноса триплетной энергии от донора к акцептору (TET) и триплет-триплетной аннигиляции (TTA).
Для практического применения TTA-UC необходимо обеспечить эффективную апконверсию в твердом состоянии без растворителя при низкой интенсивности возбуждения. Высокоупорядоченная самосборка хромофоров TTA-UC может обеспечить более эффективный TET перенос и более быстрые процессы миграции энергии триплетного состояния, чем в растворе. Другие преимущества самоорганизующихся TTA-UC включают продемонстрированную устойчивость к кислороду. Несмотря на эти требования, существует мало сообщений о преобразовании видимого света в ультрафиолетовый методом TTA-UC в чистых твердых системах. Также остается нерешенный вопрос: ΦUC в твердых системах значительно ниже, чем в растворах. Значительное снижение эффективности апконверсии в твердых телах обусловлено тушением синглетных и триплетных экситонов в местах безызлучательной деактивации. Результирующая безызлучательная деактивация значительно снижает квантовый выход флуоресценции (ΦF) и время жизни триплетного состояния (τT) по сравнению с молекулярно диспергированным раствором. Кроме того, в кристаллах акцептора происходит сегрегация доноров, что значительно ухудшает характеристики TTA-UC. Даже поликристаллические пленки PPO, полученные методом температурно-градиентной кристаллизации, требовали на один-два порядка большей интенсивности возбуждения для того, чтобы TTA преимущественно происходила в твердом состоянии. Таким образом, были необходимы рекомендации по молекулярному дизайну, которые обеспечивали бы равномерное распределение доноров внутри кристаллической молекулярной сборки без фазового разделения, демонстрируя при этом высокий квантовый выход, не зависящий от образования кристаллических дефектов.
Для предотвращения тушения синглетных и триплетных экситонов в кристаллах и повышения квантового выхода флуоресценции было бы эффективно ввести соответствующие объемные заместители в акцепторы. Эта модификация предотвращает тесный контакт между π-сопряженными остовами акцепторов внутри кристаллов, тем самым уменьшая количество мест тушения экситонов. Кроме того, для обеспечения смешиваемости с донором, заместители, вводимые в акцепторы, должны быть спроектированы таким образом, чтобы иметь большую площадь поверхности, чтобы можно было регулировать величину сил Ван-дер-Ваальса, являющихся источником силы сцепления молекулы акцептора.
Традиционно метильные, фенильные и трет-бутильные группы вводились в высокоэмиссионные π-системы, такие как ацены и рилены, для предотвращения тушения синглетного состояния в твердом теле. В случае триплетов было показано, что разделение хромофоров увеличивает время жизни возбужденного состояния, но чрезмерное разделение π-систем затрудняет миграцию энергии в твердых телах, поскольку эффективная передача энергии триплетного состояния требует перекрытия π-орбиталей. Поэтому расстояние между хромофорами и молекулярная ориентация акцепторов должны быть оптимизированы для достижения эффективного твердотельного TTA-UC, который бы согласовывал противоречивые свойства высокого квантового выхода флуоресценции, длительного времени жизни триплетного состояния и быстрой диффузии энергии триплетного состояния.
В рассматриваемом нами сегодня труде учеными было достигнуто эффективное TTA-UC как в растворе, так и в твердом состоянии, за счет контроля межмолекулярных электронных взаимодействий посредством замещения алкильной цепи на sp3-углеродных атомах высокоэмиссионного скелета 5,10-дигидроиндено[2,1-α]индена (DHI) (1a). Благодаря изначально неплоской тетраэдрической геометрии sp3-углеродных атомов, стерическое препятствие, пространственно защищающее область выше и ниже π-плоскости, легко вводится в DHI посредством одностадийного синтеза. Такая конструкция акцептора позволяет контролировать межмолекулярные взаимодействия в кристаллическом состоянии, что приводит к быстрой диффузии энергии триплетного состояния при одновременном подавлении тушения синглетного и триплетного состояний (1b). Производные DHI демонстрируют квантовые выходы флуоресценции, устойчивые к дефектам. Пленка, использующая изобутилзамещенный акцептор DHI (iBu-DHI) и триплетный донор Ir(ppy)3, демонстрирует высокую ΦUC 1.9% и низкую пороговую интенсивность возбуждения (Ith) 1.2 мВт/см2, что ниже солнечной радиации вблизи длины волны возбуждения (1.4 мВт/см2, 445 нм ± 5 нм). Кроме того, плотная молекулярная сборка твердотельной системы обеспечивает кислородоустойчивое излучение UC. Вместе с теоретически рассчитанными временами реакций TET и TTA для молекулярных пар, обнаруженных в кристаллах, ученые рассмотрели возможные факторы, способствующие превосходным характеристикам UC пленки iBu-DHI/Ir(ppy)3.
Результаты исследования

Изображение №2
Расчеты DFT и TD-DFT подтвердили, что введение алкильных цепей в хромофоры DHI немного снижает нижние возбужденные синглетные (S1) и триплетные (T1) энергетические уровни, а пространственные распределения неспаренной электронной плотности в состоянии T1 были схожими. Незамещенный DHI демонстрирует высокий квантовый выход флуоресценции (ΦF = 96%) в разбавленном растворе, но резко снижается в кристаллическом состоянии (ΦF = 10%, график выше и таблица ниже). Это явление обычно наблюдается в красителях и объясняется тем, что центры безызлучательного тушения способствуют дезактивации синглетных экситонов. Изменения в геометрии молекул при кристаллизации также могут способствовать интеркомбинационному переходу в триплетное состояние и тем самым усиливать дезактивацию. Между тем, введение алкильных групп на атомы sp3-углерода DHI увеличивало квантовый выход флуоресценции в кристаллах. Твердое вещество iBu-DHI показало высокие ΦF (69–83%), сравнимые с таковыми в растворе. Эти результаты указывают на то, что алкильные цепи, введенные к атомам sp3-углерода, защищают верхнюю и нижнюю поверхности π-орбиталей и эффективно уменьшают их перекрытие в кристаллическом состоянии. Следовательно, подавляется образование вредных мест закалки.

Таблица №1
Затем ученые систематически исследовали характеристики TTA-UC в деаэрированных растворах и экспериментально определили структуру алкильной цепи, чтобы минимизировать пороговую интенсивность возбуждения (Ith), интенсивность возбуждающего света, выше которой процесс TTA становится доминирующим. Ir(ppy)3 использовали в качестве донора (сенсибилизатора), поскольку его триплетный энергетический уровень (2.4 эВ) немного выше, чем рассчитанный для алкилированного DHI (2.33–2.36 эВ). Смешанный раствор DHI, Me-DHI и iBu-DHI с Ir(ppy)3 показал апконверсионное УФ-излучение с пиками около 360 нм, 365 нм и 370 нм соответственно при лазерном облучении на длине волны 445 нм в атмосфере Ar. Апконверсионное излучение 2-EtBu-DHI было значительно слабее из-за агрегации.
Двойные логарифмические графики интенсивности излучения UC в зависимости от интенсивности возбуждения показали изменение наклона от 2 до 1, характерное для TTA-UC. ΦUC в оптимизированных системах iBu-DHI составило 10% ([iBu-DHI] = 10 мМ), что сопоставимо с самым высоким ΦUC в предыдущих TTA-UC системах преобразования видимого в УФ-излучение. В отличие от этого, для незамещенного DHI наблюдалось небольшое значение ΦUC, равное 3.1%. Это низкое значение ΦUC может быть связано с нестабильностью при лазерном возбуждении и тушением возбужденного состояния во встречающихся димерах. Высокое значение ΦUC, наблюдаемое для iBu-DHI, предполагает, что присутствие алкильных боковых цепей подавляет такие процессы безызлучательной деактивации. Участие процесса TTA также подтверждается длительной задержкой излучения с временем жизни более микросекунд.
Интересно, что наблюдаемое время жизни триплетного состояния (τT) зависит от длины алкильной группы. По мере увеличения объема боковой цепи от DHI до iBu-DHI, τT увеличивается с 1.4 мс до 7.8 мс. Эта тенденция согласуется с сообщениями о том, что производные TIPS-Nph с более объемными заместителями демонстрируют более длительное время жизни триплетного состояния из-за подавления тушения взаимодействием T1–S0. Длительное τT iBu-DHI обеспечило значительно низкое значение Ith (1.8 мВт/см2, рисунок S11a, таблица S1), близкое к солнечному свету (приблизительно 1.4 мВт/см2 при 445 нм ± 5 нм). Кроме того, он продемонстрировал стабильную люминесценцию TTA-UC при непрерывном лазерном облучении в THF. Превосходные характеристики UC, наблюдаемые, особенно для iBu-DHI, связаны с контролируемыми межхромофорными взаимодействиями, обеспечиваемыми алкильными цепями в производных DHI, вытянутыми в направлении, перпендикулярном плоскости π.

Изображение №3
Перекрытие π-орбиталей было оптимизировано не только в растворе, но и в кристаллическом состоянии, что привело к низкому значению Ith и длительному времени жизни возбужденного состояния. Кристаллические пленки Me-DHI, iBu-DHI и 2-EtBu-DHI, легированные Ir(ppy)3, полученные методом центрифугирования, показали четкое УФ-излучение с апконверсией в твердом состоянии (3a, 3b). В отличие от этого, пленка DHI, полученная методом центрифугирования, не показала обнаруживаемого излучения с апконверсией, вероятно, из-за ее низкого ΦF. Среди трех исследованных производных iBu-DHI показал самое низкое значение Ith (1.2 мВт/см2), что значительно ниже, чем у ранее описанных донорно-акцепторных пар (3c, 3e). На основе профилей затухания UC-излучения были определены значения τT для Me-DHI, iBu-DHI и 2-EtBu-DHI, равные 0.50 мс, 4.0 мс и 4.6 мс соответственно. Как показали квантовые выходы флуоресценции, более длительное время жизни iBu-DHI и 2-EtBu-DHI указывает на подавление тушения. Учитывая схожее время жизни триплетного состояния у iBu-DHI и 2-EtBu-DHI, резкое снижение значения Ith для iBu-DHI/Ir(ppy)3 подразумевает быструю диффузию энергии триплетного состояния в кристаллическом твердом теле. Абсолютное значение ΦUC составило 1.9% после коррекции на самопоглощение (3d). Это лучшее значение для твердотельного TTA-UC в видимом и ультрафиолетовом диапазонах с Ith ниже 10 мВт/см2, когда-либо зарегистрированное.
Перекрытие между излучением iBu-DHI и поглощением Ir(ppy)3 в растворе позволило бы реабсорбцию и обратный перенос энергии синглетного состояния (BET от back energy transfer) от акцептора к донору в легированной донором пленке. Однако, поскольку время жизни флуоресценции iBu-DHI в пленке, полученной методом центрифугирования, практически не изменяется (1.9 нс для пленки iBu-DHI, 1.8 нс для пленки iBu-DHI/Ir(ppy)3), процесс BET считается менее эффективным. Этот небольшой вклад BET в основном объясняется изначально малым молярным коэффициентом поглощения Ir(ppy)3 (ε370 ~ 1.3 × 104 М−1 см−1) вблизи пика излучения акцептора. Кроме того, короткое время жизни флуоресценции (~ 2 нс) производных DHI сделало бы BET менее эффективным.
Дополнительно было установлено, что пленка iBu-DHI/Ir(ppy)3, полученная методом капельного нанесения, демонстрирует еще более низкое значение Ith 0.7 мВт/см2 с достаточно большим τT 3.8 мс (3c). Поскольку времена жизни триплетных состояний в пленках, полученных методом центрифугирования и литья, схожи и составляют 4.0 мс и 3.8 мс соответственно, более низкое значение Ith, наблюдаемое для пленки, полученной литьем, указывает на улучшенную скорость диффузии триплетных экситонов, возможно, из-за повышенной кристалличности, обусловленной более низкой скоростью испарения. Было обнаружено, что когда пленка iBu-DHI/Ir(ppy)3, полученная методом центрифугирования, была отожжена при температуре на 120 °C выше температуры плавления iBu-DHI (Tm ~ 110 °C), фосфоресценция от Ir(ppy)3 четко наблюдалась на микроскопическом снимке, а излучение UC значительно снизилось. Это указывает на снижение эффективности триплетной сенсибилизации из-за сегрегации. Это также подчеркивает важность кинетического контроля процесса легирования сенсибилизатором в этом гибридном материале. Следует отметить, что молекулы iBu-DHI достигают высокой донорно-акцепторной совместимости и превосходных свойств TTA-UC с помощью простых методов формирования пленки, таких как литье при комнатной температуре и центрифугирование, без необходимости какой-либо специальной термической обработки.

Изображение №4
В то время как сегрегация сенсибилизаторов из кристаллов-аннигиляторов часто приводит к значительному снижению эффективности сенсибилизации и увеличению значений Ith, это не относится к кристаллическим системам DHI UC, полученным методом центрифугирования или капельного нанесения. На 4a–4d показаны снимки, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией (SEM-EDX), кристаллов iBu-DHI и 2-EtBu-DHI, сформированных методом центрифугирования. Атомы Ir и N в Ir(ppy)3 равномерно распределены в этих микрокристаллах без сегрегации в микрометровом масштабе, в отличие от обычно наблюдаемых неоднородных смесей сенсибилизатор-аннигилятор в твердом состоянии. По разрешению SEM трудно определить, находятся ли доноры внутри кристалла или на его поверхности, или же они молекулярно диспергированы. Однако наблюдение высоких значений ΦUC и низких значений Ith в этих кристаллических образцах предполагает, что доноры равномерно распределены внутри акцепторного кристалла, что обеспечивает эффективную триплетную сенсибилизацию.
Эффективная передача энергии от Ir(ppy)3 к производным DHI в пленках, полученных методом центрифугирования, подтверждается тушением фосфоресценции донора. Основной компонент профилей затухания фосфоресценции Ir(ppy)3 снизился с 1.5 мкс (в THF) или 45 нс (в чистой твердой смеси) до менее чем 5 нс. Используя квантовый выход фосфоресценции Ir(ppy)3 в чистом твердом веществе (ΦP = 9.4%), нижний предел эффективности TET для Me-DHI, iBu-DHI и 2-EtBu-DHI был оценен в 59%, 71% и 93% соответственно. Эти характеристики напоминают описанную ранее систему апконверсии на основе металлоорганических каркасов, которая продемонстрировала эффективную триплетную сенсибилизацию. Ученые также обнаружили, что апконверсионное излучение iBu-DHI может быть сенсибилизировано безметаллическими термоактивированными сенсибилизаторами замедленной флуоресценции (TADF) 4CzIPN и DABNA в пленках iBu-DHI, нанесенных методом центрифугирования. Таким образом, TTA-апконверсия видимого и ультрафиолетового излучения в кристаллическом iBu-DHI также может быть достигнута без использования дорогостоящих комплексов иридия.
Еще одним ожидаемым преимуществом TTA-UC в высокоплотных молекулярных структурах является устойчивость к кислороду. Пленка iBu-DHI/Ir(ppy)3, полученная методом центрифугирования в условиях насыщения воздуха, показала апконверсию излучения на воздухе. Плотная структура хромофоров может подавлять диффузию кислорода, в то время как локальная концентрация триплетов увеличивается в области возбуждения. TTA-UC включается, когда кислород в системе расходуется путем превращения в синглетный кислород. Пленка iBu-DHI/Ir(ppy)3 показала апконверсию на воздухе даже при интенсивном облучении (λdt = 370 нм, Iex = 2.0 Вт/см2) в течение более 1 часа. Это фоторазложение было подавлено путем герметизации в инертной атмосфере.
Для выяснения взаимосвязи между структурой и эффективностью UC были проведены теоретические расчеты времени реакций TET и TTA для монокристаллических структур Me-DHI, iBu-DHI и 2-EtBu-DHI. Рентгенодифракционные картины монокристаллов и пленок, полученных методом центрифугирования, были схожи (3f), и ученые оценили межмолекулярную геометрию димеров в кристаллах (4e, 4f). В случае кристалла iBu-DHI кратчайшее расстояние между атомами DHI-единиц, упакованных в кристаллическую структуру, составляет 0.4 нм (4e), что значительно короче, чем в кристалле 2-EtBu-DHI (0.7 нм), в последнем случае образуется параллельно-смещенная укладка (4f). Разница в элементах матрицы электронного взаимодействия в этих упаковочных структурах, а также время реакции ТЕТ и ТТА были теоретически оценены с использованием расчетов ab initio и DFT/TD-DFT. Направления, обеспечивающие самое быстрое время реакции ТЕТ и ТТА в iBu-DHI и 2-EtBu-DHI, которые, скорее всего, вносят вклад в динамику триплета, показаны на 4e и 4f.
Благодаря достаточному взаимодействию π-орбиталей между краями π-плоскостей, для iBu-DHI достигается умеренная сила электронного взаимодействия, обеспечивающая время реакции ТЕТ 1.25 мкс, что на четыре порядка быстрее, чем у 2-EtBu-DHI (4.20 × 104 мкс для пары a, 2.85 × 104 мкс для пары b). Время реакции TTA в одном и том же направлении было рассчитано как 4.54 нс и 8.09 × 101 нс (для пары a) или 1.10 × 106 нс (для пары b) для iBu-DHI и 2-EtBu-DHI соответственно. Хотя наноразмерные структуры интерфейса донор-акцептор могут влиять на эффективность TET, рассчитанные значения объясняют разницу в Ith на три порядка между iBu-DHI и 2-EtBu-DHI, которая обратно пропорциональна константам скорости TTA, часто аппроксимируемым константой скорости диффузии триплета. Следует отметить, что время реакции TET и TTA между Me-DHI и iBu-DHI было схожим, что также согласуется с разницей в Ith, объясняемой главным образом временем жизни триплета (∝τT−2). Таким образом, ученые пришли к выводу, что молекулярная организация iBu-DHI, с надлежащим балансом экранированных и открытых π-поверхностей, обеспечиваемых алкильными цепями, и адекватным молекулярным расстоянием, способствовала низкому значению Ith и высокому значению ΦUC. Рабочие характеристики данной твердотельной системы TTA-UC в видимом диапазоне могут быть дополнительно улучшены путем оптимизации донорной молекулярной структуры и применения контролируемого процесса кристаллизации.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые представили твердотельную систему преобразования видимого света в ультрафиолетовое (УФ) излучение.
УФ излучение является крайне полезным инструментом во многих технологиях и сферах деятельности человека; очистка воздуха, отвержение смол в 3D-печати, отвержение пломб в стоматологии и т. д. Несмотря на свою полезность, лишь 3-5% солнечного света является УФ излучением. Грубо говоря, его мало, а хотелось бы больше.
С этой целью ученые реализовали процесс, основанный на явлении триплет-триплетная аннигиляция (ТТА), когда молекула (донор) поглощает видимый свет и переходит в высокоэнергетическое триплетное состояние. Затем эта энергия передается соседней молекуле (акцептор). При взаимодействии двух триплетных состояний происходит их объединение и высвобождение энергии в виде УФ излучения.
Ученым давно известно, что ТТА эффективно работает в жидкостях, поскольку молекулы могут свободно перемещаться и легко взаимодействовать. Однако жидкие системы часто требуют токсичных растворителей и могут испаряться со временем, что ограничивает их практическое применение. В результате исследователи потратили годы на поиски надежной твердотельной альтернативы. Ключом к достижению этого стал органический полупроводник под названием дигидроинденоинденеден (DHI). Ученые модифицировали DHI, присоединив алкильные цепи к его sp3-углеродным атомам, которые имеют четыре связи, направленные в фиксированные трехмерные направления. Такая конструкция создала тщательно контролируемое расстояние между соседними молекулами. Молекулы оставались достаточно близко друг к другу для эффективной передачи энергии, избегая при этом сильных электронных взаимодействий, которые могут подавлять производительность.
Полученный материал продемонстрировал сильную люминесценцию, долгоживущие возбужденные состояния и высокоэффективную передачу энергии. Была достигнута квантовая эффективность флуоресценции в твердом состоянии, превышающая 60%. В сочетании с молекулой-донором система достигла эффективности преобразования излучения в 1.9%. Как объясняют ученые, это означает, что на 100 поглощенных фотонов видимого света образуется порядка 2 УФ фотона.
Созданный материал можно синтезировать относительно легко, и он изготавливается из недорогих исходных материалов. Ученые считают, что в конечном итоге он может быть использован в фотокатализе, работающем на солнечной энергии, системах очистки воздуха в помещениях и технологиях 3D-печати низкой интенсивности.
Немного рекламы
Спасибо, что остаетесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
