Un equipo de investigación de la Universidad de Kyushu en Japón anunció recientemente que ha desarrollado un nuevo tipo de material molecular de estado sólido que puede convertir la luz visible en luz ultravioleta en condiciones naturales de luz solar. Ha logrado una eficiencia de conversión de luz visible a ultravioleta del 1,9 % bajo la luz solar exterior, lo que se considera un hito importante en el campo de la conversión ascendente de fotones de estado sólido y la investigación del autoensamblaje molecular. Los resultados relevantes se publicaron en la revista Nature Communications el 23 de junio de 2026.
Los investigadores señalaron vívidamente que este proceso es similar a "en el mundo cuántico, verter dos tazas de agua tibia juntas para obtener una taza de agua hirviendo": cosas que son imposibles de suceder en la vida diaria macroscópica se pueden realizar mediante procesos cuánticos a nivel de fotones microscópicos. En este trabajo, dos fotones de luz visible de baja energía pueden "unir fuerzas" para formar un fotón ultravioleta de mayor energía, logrando así una "utilización mejorada" de la energía luminosa.
La luz ultravioleta desempeña un papel clave en áreas como la purificación del aire, el curado de resinas de impresión 3D, los materiales de obturación dental y el fotopolimerización de uñas. Sin embargo, en la luz solar natural, la luz ultravioleta sólo representa alrededor del 6% de la radiación solar total que llega a la superficie terrestre, y sólo una pequeña parte de ella puede ser utilizada por la tecnología. El objetivo del equipo de la Universidad de Kyushu es utilizar la tecnología de "conversión ascendente de fotones" para convertir los abundantes recursos de luz visible originalmente en luz ultravioleta con mayor valor de aplicación, proporcionando una fuente de luz más barata y segura para una variedad de tecnologías que dependen de la luz ultravioleta.
Esta investigación utilizó un mecanismo de conversión ascendente de fotones llamado "aniquilación triplete-triplete" (TTA). Específicamente, en el sistema, la molécula "donante" primero absorbe la luz visible y los electrones pasan a un estado triplete de alta energía; luego, la energía se transfiere a la molécula "aceptora" cercana, formando un estado triplete de excitación del aceptor; cuando los dos estados tripletes se encuentran en el espacio y se "aniquilan", la energía superpuesta se libera en forma de un haz de fotones de luz ultravioleta. Esta solución es relativamente fácil de implementar en un sistema líquido, porque las moléculas pueden moverse libremente en la solución, lo que favorece más las colisiones de tripletes. Sin embargo, los sistemas líquidos a menudo dependen de disolventes tóxicos y tienen problemas de volatilización, lo que dificulta satisfacer las necesidades de las aplicaciones prácticas. Por lo tanto, los materiales de estado sólido eficientes siempre han sido el "Santo Grial" en este campo.
En el estado sólido, las moléculas están estrechamente dispuestas y las nubes de electrones π por encima y por debajo del plano molecular son propensas a superponerse fuertemente, lo que hace que la energía del estado excitado se apague antes de que se logre la conversión ascendente, lo que provoca que la eficiencia luminosa del sistema disminuya significativamente. Para resolver este problema, el equipo de investigación seleccionó la molécula semiconductora orgánica dihidroindenoindenedeno (DHI) e introdujo una cadena alquílica en sus átomos de carbono sp3 con alineación tetraédrica para controlar con precisión el espaciado y la orientación relativa entre moléculas a través del impedimento estérico. Este diseño molecular permite que las moléculas adyacentes estén lo suficientemente cerca como para transferir energía de manera eficiente entre moléculas, pero permanezcan moderadamente "separadas" para evitar el sobreacoplamiento de la nube de electrones π y desencadenar la extinción de excitones.
Gracias a esta ingeniería estructural, el nuevo material exhibe una luminiscencia brillante, estados excitados de larga duración y una transferencia eficiente de energía en estado sólido, con un rendimiento cuántico de fluorescencia en estado sólido superior al 60%. Después de emparejarse con una molécula donante adaptada, el sistema logró una eficiencia de conversión ascendente de visible a UV del 1,9% bajo luz solar natural, lo que significa que de cien fotones visibles absorbidos, alrededor de dos finalmente se convirtieron en fotones UV. El equipo de investigación señaló que aunque esta cifra no suena "deslumbrante", ha superado el nivel que la mayoría de sistemas similares pueden alcanzar en condiciones de alta intensidad lumínica sin necesidad de luz concentrada, dependiendo enteramente de la luz solar natural y siendo un material sólido.
En cuanto a las perspectivas de solicitud, el equipo ha presentado una solicitud de patente para este material. La ruta de síntesis de este material es relativamente simple y las materias primas iniciales de las que depende son baratas, lo que sienta las bases para una futura preparación e industrialización a gran escala. Los investigadores creen que se espera que esta plataforma de conversión ascendente de estado sólido desempeñe un papel en la fotocatálisis impulsada por energía solar, la purificación del aire interior y la impresión 3D con baja intensidad de luz, convirtiendo la luz solar ordinaria en una fuente de luz ultravioleta con mayor "capacidad de procesamiento".
Este avance es también la culminación de un plan de investigación que dura más de diez años. Ya en 2012, Nobuo Kimizuka, actualmente profesor honorario en el "Centro de Investigación de Tecnología de Emisiones Negativas" de la Universidad de Kyushu, comenzó a explorar el uso de sistemas de autoensamblaje para lograr la migración de energía triplete y la conversión ascendente de fotones, con la esperanza de dar a los materiales nuevas funciones a través del autoensamblaje molecular. En los años siguientes de investigación, llevó a su equipo a lograr una serie de avances en sistemas de solución y gel, pero aún no pudieron superar la dificultad clave de los sistemas eficientes de estado sólido.
El punto de inflexión se producirá en mayo de 2024. Los estudiantes de posgrado Naoyuki Harada, Hayato Shoyama, Nutnicha Boonmong y Kiichi Mizukami, que en ese momento era profesor asistente en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Kyushu, y otros unieron fuerzas con Yoichi Sasaki para integrar años de acumulación de investigación en un corto período de tiempo y finalmente completaron este trabajo. Los miembros del equipo recordaron que entregaron el borrador final del artículo al profesor Kimitsuka sólo 11 días antes de su jubilación. Este resultado también es como un significativo "regalo de jubilación" para el laboratorio.
El profesor Kimitsuka dijo que este descubrimiento no sólo es la culminación de más de 14 años de trabajo de investigación de su equipo, sino que también marca una nueva etapa en la investigación sobre la conversión ascendente de fotones y el autoensamblaje molecular. Con la ayuda de este nuevo sistema de estado sólido, la visión de utilizar la luz solar ordinaria para obtener una versión "mejorada" de la luz ultravioleta está pasando gradualmente de conceptos de laboratorio a aplicaciones prácticas.