أعلن فريق بحث من جامعة كيوشو في اليابان مؤخرًا أنهم طوروا نوعًا جديدًا من المواد الجزيئية الصلبة التي يمكنها تحويل الضوء المرئي إلى ضوء فوق بنفسجي تحت ظروف ضوء الشمس الطبيعي. لقد حقق كفاءة تحويل الضوء المرئي إلى فوق البنفسجي بنسبة 1.9% تحت ضوء الشمس الخارجي، وهو ما يعتبر علامة بارزة في مجال تحويل الفوتون في الحالة الصلبة وأبحاث التجميع الذاتي الجزيئي. نُشرت النتائج ذات الصلة في مجلة Nature Communications في 23 يونيو 2026.
وأشار الباحثون بوضوح إلى أن هذه العملية تشبه "في العالم الكمي، سكب كوبين من الماء الدافئ معًا للحصول على كوب من الماء المغلي": فالأشياء التي من المستحيل حدوثها في الحياة اليومية العيانية يمكن تحقيقها من خلال العمليات الكمومية على مستوى الفوتون المجهري. في هذا العمل، يمكن لفوتونين ضوئيين منخفضي الطاقة أن "يتحدا" لتكوين فوتون فوق بنفسجي عالي الطاقة، وبالتالي تحقيق "استخدام محسن" للطاقة الضوئية.
يلعب الضوء فوق البنفسجي دورًا رئيسيًا في مجالات مثل تنقية الهواء، ومعالجة راتينج الطباعة ثلاثية الأبعاد، ومواد حشو الأسنان، وعلاج ضوء الأظافر. ومع ذلك، في ضوء الشمس الطبيعي، لا يمثل الضوء فوق البنفسجي سوى حوالي 6% من إجمالي الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى سطح الأرض، ولا يمكن استخدام سوى جزء صغير منه بواسطة التكنولوجيا. هدف فريق جامعة كيوشو هو استخدام تقنية "تحويل الفوتون" لتحويل موارد الضوء المرئي الوفيرة في الأصل إلى ضوء فوق بنفسجي مع قيمة تطبيقية أكبر، مما يوفر مصدر ضوء أرخص وأكثر أمانًا لمجموعة متنوعة من التقنيات التي تعتمد على الضوء فوق البنفسجي.
استخدم هذا البحث آلية تحويل الفوتون تسمى "إبادة ثلاثية ثلاثية" (TTA). على وجه التحديد، في النظام، يمتص الجزيء "المانح" الضوء المرئي أولاً، وتنتقل الإلكترونات إلى حالة ثلاثية عالية الطاقة؛ بعد ذلك، يتم نقل الطاقة إلى الجزيء "المستقبل" القريب، مما يشكل حالة إثارة ثلاثية للمستقبل؛ عندما تلتقي الحالتان الثلاثيتان في الفضاء و"تفنيان"، يتم إطلاق الطاقة المتراكبة على شكل شعاع من فوتونات الضوء فوق البنفسجي. من السهل نسبيًا تنفيذ هذا الحل في النظام السائل، لأن الجزيئات يمكن أن تتحرك بحرية في المحلول، وهو أكثر ملاءمة للتصادمات الثلاثية. ومع ذلك، تعتمد الأنظمة السائلة غالبًا على المذيبات السامة وتعاني من مشاكل التطاير، مما يجعل من الصعب تلبية احتياجات التطبيقات العملية. لذلك، كانت المواد الصلبة الفعالة دائمًا هي "الكأس المقدسة" في هذا المجال.
في الحالة الصلبة، يتم ترتيب الجزيئات بإحكام، وتكون سحب الإلكترون π الموجودة أعلى وأسفل المستوى الجزيئي عرضة للتداخل القوي، مما يؤدي إلى إخماد طاقة الحالة المثارة قبل تحقيق التحويل، مما يتسبب في انخفاض كفاءة النظام المضيئة بشكل ملحوظ. لحل هذه المشكلة، اختار فريق البحث جزيء شبه الموصل العضوي ثنائي هيدروإندينويندينيدين (DHI) وأدخل سلسلة ألكيل إلى ذرات الكربون sp3 الخاصة به مع محاذاة رباعي السطوح للتحكم بدقة في التباعد والاتجاه النسبي بين الجزيئات من خلال عائق استاتيكي. يسمح هذا التصميم الجزيئي للجزيئات المتجاورة بأن تكون قريبة بدرجة كافية لنقل الطاقة بكفاءة بين الجزيئات، ولكنها تظل "منفصلة" بشكل معتدل لتجنب الإفراط في اقتران سحابة الإلكترون π وإثارة إخماد الإكسيتون.
بفضل هذه الهندسة الهيكلية، تُظهر المادة الجديدة تألقًا ساطعًا وحالات مثارة طويلة الأمد ونقلًا فعالًا للطاقة في الحالة الصلبة، مع عائد كمي فلوري للحالة الصلبة يتجاوز 60%. بعد الاقتران مع جزيء مانح مُكيَّف، حقق النظام كفاءة تحويل مرئية إلى الأشعة فوق البنفسجية بنسبة 1.9% تحت ضوء الشمس الطبيعي، مما يعني أنه من بين مائة فوتون مرئي ممتص، تم تحويل اثنين تقريبًا في النهاية إلى فوتونات فوق البنفسجية. وأشار الفريق البحثي إلى أنه على الرغم من أن هذا الرقم لا يبدو "مبهرا"، إلا أنه تجاوز المستوى الذي يمكن أن تحققه معظم الأنظمة المماثلة في ظل ظروف كثافة الضوء العالية دون الحاجة إلى ضوء مركز، والاعتماد كليا على ضوء الشمس الطبيعي، وكونها مادة صلبة.
وفيما يتعلق بآفاق التطبيق، قدم الفريق طلب براءة اختراع لهذه المادة. يعد مسار تصنيع هذه المادة بسيطًا نسبيًا، كما أن المواد الخام الأولية التي تعتمد عليها رخيصة الثمن، مما يضع الأساس للتحضير والتصنيع على نطاق واسع في المستقبل. يعتقد الباحثون أنه من المتوقع أن تلعب منصة تحويل الحالة الصلبة هذه دورًا في التحفيز الضوئي الذي يعمل بالطاقة الشمسية، وتنقية الهواء الداخلي، والطباعة ثلاثية الأبعاد منخفضة الكثافة، مما يحول ضوء الشمس العادي إلى مصدر ضوء فوق بنفسجي أكثر "قدرة على المعالجة".
ويعد هذا الإنجاز أيضًا تتويجًا لخطة بحثية استمرت لأكثر من عشر سنوات. في وقت مبكر من عام 2012، بدأ نوبو كيميزوكا، وهو حاليًا أستاذ فخري في "مركز أبحاث تكنولوجيا الانبعاثات السلبية" بجامعة كيوشو، في استكشاف استخدام أنظمة التجميع الذاتي لتحقيق هجرة الطاقة الثلاثية وتحويل الفوتون، على أمل إعطاء المواد وظائف جديدة من خلال التجميع الذاتي الجزيئي. وفي السنوات اللاحقة من البحث، قاد فريقه لتحقيق سلسلة من التقدم في أنظمة المحاليل والهلام، لكنهم ما زالوا غير قادرين على التغلب على الصعوبة الرئيسية المتمثلة في أنظمة الحالة الصلبة الفعالة.
ستحدث نقطة التحول في مايو 2024. انضم طلاب الدراسات العليا ناويوكي هارادا، وهاياتو شوياما، ونوتنيتشا بونمونج، وكييتشي ميزوكامي، الذي كان أستاذًا مساعدًا في كلية الهندسة بجامعة كيوشو في ذلك الوقت، وآخرون إلى يويتشي ساساكي لدمج سنوات من تراكم الأبحاث في فترة قصيرة من الزمن وأكملوا هذا العمل أخيرًا. وأشار أعضاء الفريق إلى أنهم سلموا المسودة النهائية للورقة إلى البروفيسور كيميتسوكا قبل 11 يومًا فقط من تقاعده. هذه النتيجة هي أيضًا بمثابة "هدية تقاعد" ذات مغزى للمختبر.
وقال البروفيسور كيميزوكا إن هذا الاكتشاف ليس فقط تتويجا لأكثر من 14 عاما من العمل البحثي الذي قام به فريقه، ولكنه يمثل أيضا مرحلة جديدة في البحث حول تحويل الفوتون والتجميع الذاتي الجزيئي. وبمساعدة نظام الحالة الصلبة الجديد هذا، فإن رؤية استخدام ضوء الشمس العادي للحصول على نسخة "محدثة" من الضوء فوق البنفسجي تنتقل تدريجياً من المفاهيم المختبرية إلى التطبيقات العملية.