新固体材料が青色太陽光を紫外線に記録的効率で変換、太陽駆動化学を実現
太陽光は豊富だが、そのエネルギーの大部分は可視光線や赤外線の光子として届き、多くの化学反応や樹脂硬化、水の浄化に必要な高エネルギーの紫外線ではない。九州大学の研究チームは、この問題を解決する有機固体材料を開発した。この材料は、2つの低エネルギーの青色光子を1つの高エネルギー紫外光子に変換し、自然太陽光下での実用化を初めて可能にする効率を達成した。
6月23日にNature Communicationsに掲載されたこの研究は、君塚信夫名誉教授の研究室による14年にわたる努力の集大成であり、退職のわずか11日前に最終原稿として教授に手渡された。
典型的なアップコンバージョンとは異なる
ほとんどの光子アップコンバージョンシステムは、非線形光学結晶（強力なレーザーパルスが必要）またはランタノイドドープナノ粒子（効率的だが特定の波長に限定）のいずれかで動作する。九州大学チームのアプローチは、有機半導体中での三重項-三重項消滅（TTA）光子アップコンバージョンという全く異なるメカニズムを用いる。
システムは2つの構成要素からなる：
- Ir(ppy)₃（トリス(2-フェニルピリジン)イリジウム(III)）、 約445nmの青色光を吸収し、項間交差を介して効率的に長寿命の三重項状態に変換する有機金属錯体。
- iBu-DHI（テトライソブチル置換5,10-ジヒドロインデノ[2,1-a]インデン）、 アルキル側鎖により分子間距離を約0.4nmに精密制御した有機半導体。デクスター電子交換機構が効率的に三重項エネルギーを移動させるのに十分近接しつつ、従来の固体TTAシステムを失敗に導いた励起子消光を防ぐのに十分な距離を保っている。
動作原理
エネルギーカスケードは4つのステップで進行する：
1. 吸収： Ir(ppy)₃が青色光子（約445nm）を吸収し、電子を一重項状態に励起。その後、速やかに項間交差により三重項状態に移行する。
2. 移動： 三重項エネルギーがデクスター電子交換を介して隣接するiBu-DHI分子にホッピングする。これは軌道の直接重なりを必要とする量子力学的プロセスである。
3. 消滅： 三重項状態にある2つのiBu-DHI分子が拡散して衝突する。それらの三重項が結合して消滅し、一方の分子をより高エネルギーの一重項状態に昇位させる。
4. 放出： その一重項状態が放射的に崩壊し、吸収された2つの可視光子のエネルギーの約合計に相当する単一の紫外光子を放出する。
iBu-DHIの計算された三重項エネルギー移動時間は1.25マイクロ秒であり、よりかさ高い誘導体（2-EtBu-DHI）の42ミリ秒と比較して4桁の違いがあり、分子設計が重要である理由を説明している。
記録的な性能指標
この材料は、固体状態で1.9%の絶対アップコンバージョン量子収率を達成した。これは、10mW/cm²未満の励起閾値で動作する室温・可視光-紫外TTA-UCシステムとして報告された最高値である。アップコンバージョンを維持するために必要な最小光レベルである閾値強度自体は、スピンコート膜でわずか1.2mW/cm²、ドロップキャスト膜で0.7mW/cm²である。参考までに、445nmでの太陽放射照度は約1.4mW/cm²であり、システムが自然太陽光の強度未満で動作することを意味する。
この材料はまた、顕著な欠陥耐性を示す：結晶性iBu-DHIは固体状態で69–83%の蛍光量子収率を保持する（溶液中では88%）。一方、無置換の親化合物（DHI）は結晶化すると96%からわずか10%に低下し、歴史的に固体TTA-UCの取り組みを阻んできたほぼ完全な崩壊を示す。
固体状態での三重項寿命は4.0ミリ秒であり、エネルギーが失われる前に三重項の拡散と消滅が効率的に起こるのに十分な長さである。
応用
外部電源なしで自然太陽光から紫外光子を生成できることにより、いくつかの実用的用途が開かれる：
- 太陽駆動光触媒 、 UVは可視光では不可能な水分解や汚染物質分解などの化学反応を駆動する
- 空気および水の浄化 、 UVは病原体を不活化し、揮発性有機化合物を分解する
- 3Dプリンティング樹脂硬化 、 高出力UVランプではなく、濃縮太陽光を用いて光重合樹脂を硬化できる
- 歯科充填材とジェルネイルコーティング 、 現在専用のUV光源を必要とする光硬化材料
iBu-DHI材料は、有毒溶媒を使わず安価な出発材料から簡単なワンポット反応で合成でき、チームはこの技術の特許を出願している。注目すべきことに、iBu-DHIは4CzIPNなどの有機TADF（熱活性化遅延蛍光）増感剤とも機能し、高価なイリジウム錯体を必要としない。
責任著者である九州大学工学部の佐々木陽一准教授は、真のブレークスルーは特定の材料ではなく分子設計原理にあると指摘した。「sp³炭素上のアルキル鎖を用いて軌道の重なりを妨げずに間隔を制御する立体保護戦略は、他の有機半導体システムにも適用できます」と彼は述べた。「これは固体消光問題に対する一般的な解決策です。」
出典：
1. Harada, N., Shoyama, H., Boonmong, N. et al. 「Sterically protected π-electron systems for efficient solid-state photon upconversion.」 Nature Communications 17, 5134 (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-73898-0
2. 九州大学. ScienceDaily経由のプレスリリース, 2026年6月23日.
3. Sasaki, Y. & Kimizuka, N. 九州大学. Phys.orgおよびSciTechDailyによる追加報道.
雅子 訳