低エネルギーの光子を高エネルギーの光子に変換

・フォトンアップコンバージョンは、特殊な有機分子と綿密に設計されたシリコンナノ結晶構造を使用して実現できます。

・これにより、研究者は癌の光線力学療法がこれまで以上の効果を発揮することができます。

フォトンアップコンバージョンは、2つ以上の低エネルギー光子が吸収され、より高エネルギーの1つの放出光子に変換されるプロセスです。赤外線で吸収され、電磁スペクトルの紫外線または可視領域で放出されます。

ただし、アップコンバートされた材料は、有毒であるか、効率が悪くなっています。 シリコンは完璧ですが、科学者はそのナノ結晶を使用してフォトンアップコンバージョンを達成することができませんでした。

近年、テキサス大学とカリフォルニア大学の研究者は、特殊な有機分子と綿密に設計されたシリコンナノ結晶構造を使用してフォトンアップコンバージョンを達成できることを証明しました。

どのようにしたのか?

研究チームは、シリコンナノ結晶の表面化学を研究し、シリコンナノ結晶から隣接する分子にエネルギーを効率的に渡すことができるナノ粒子にリガンドを結合する技術を考え出しました。

レーザー光を溶液に照射した後、適切な表面配位子を持つナノ結晶は、エネルギーを隣接分子の三重項状態にすばやく伝達しました。 次に、低エネルギー励起は、三重項-三重項融合として知られるプロセスによって高エネルギー励起に変換されます。

これにより、ナノ粒子によって最初に吸収されたものと比較して、より高いエネルギー（またはより短い波長）での光子放出がもたらされます。 これが彼らがより高いエネルギーの光を達成した方法です。

低エネルギーの光子を高エネルギーの光子に変換するには、次のことを行う必要があります。

１・三重項を使用する

２・量子閉じ込めナノ粒子を使用する

３・ナノ粒子を有機分子に極限まで近づけて、その状態を保持する

A 低エネルギーレーザー（緑色）はシリコン量子ドットを通過し、高エネルギー青色光にアップコンバートされます | 研究者からの提供

このプロセスは効率的で高速です。 しかし、有機材料から励起された電子を抽出してシリコンに入れることは、非常に困難な作業でした。 研究者たちは、有機材料とシリコンの間の電子通信を可能にする新しい種類の化学インターフェースを開発しました。

アプリケーション

この研究により、研究者はこれまで以上に癌の侵襲的光線力学療法を効果的にすることができます。

高エネルギー光（UV）は、フリーラジカルを生成して癌細胞を攻撃することができますが、組織に深く入り込んで癌に近い所で治療用ラジカルを生成することはできません。 一方、近赤外光は深く浸透することができますが、ラジカルを形成するのに十分なエネルギーを持っていません。 フォトンアップコンバージョンはこの問題を解決できます。

またこの発見は、光触媒として知られるプロセスである光による化学反応の加速を高める可能性があります。 通常、紫または紫外線で機能します。

この環境適合性と固有の持続可能性のおかげで、シリコンを中心とするメカニズムは、一重項分裂駆動太陽電池と量子情報科学にも非常に関連しています。