有机晶体在紫外光下绽放红光，近红外光下释放绿色光！

超出人类视觉范围的不可见光在通信技术、医学诊断和光学传感中起着至关重要的作用。紫外线和近红外波长在这些领域中被广泛使用，但直接检测它们通常需要复杂的仪器。

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开发能够将不可见光转换为可见信号的材料，能够成为测量技术和传感器的重要组成部分，并在理解基本光物理过程上发挥重要作用。然而，开发这些材料仍然是光子学和材料科学中的一个关键挑战。

有机发光材料因其轻便、化学可调和结构灵活而成为解决这一挑战的有吸引力的选择。然而，它们的光学效率常常受到分子运动和非辐射衰减引起的能量损失的限制。

为了克服这些问题，研究人员主要关注刚性分子框架和受控晶体堆积，在这些结构中，分子间的相互作用可以产生在溶液中未观察到的集体光学特性。

具有双重响应的单个晶体

在此背景下，由日本芝浦工业大学（SIT）工程与科学研究生院的堀明子教授领导的研究团队，与日本早稻田大学的石井步美教授和日本东京科学研究所的横田弘子教授合作，探讨了单个有机晶体是否能够对不同形式的不可见光产生多重光学响应。

这项研究发表在 化学通讯。

研究团队设计并合成了一种刚性的π共轭有机化合物，含有1,2,5-噻二唑取代的吡嗪单元，并成功生长出高质量的单晶体。虽然在常温常压下晶体看起来是黄色的，但它的光学行为却非常不寻常。

来自不可见辐射的两种颜色

当晶体受到紫外光照射时，发出了红光，并且具有异常大的斯托克斯位移——发射光的能量远低于吸收光的能量。详细分析显示，这种红色发射是由于晶体晶格内紧密的分子间相互作用形成的激发态。

令人惊讶的是，在近红外辐射下，同一晶体显示出第二种截然不同的光学响应。在近红外辐射下，它通过二次谐波生成（SHG）产生绿色可见光，这是一种将两个低能光子转换为一个高能光子的非线性光学过程。

重要的是，这两种光学响应——来自激发态二聚体的红色荧光和来自SHG的绿色光——在同一晶体中共存且不互相干扰。

好奇心驱动的发现及其影响力

“这个晶体的显著之处在于，在同一有机晶体中，两种根本不同的物理现象独立存在，”堀教授解释道。

“通过精确控制分子结构和晶体的排列，我们能够用不同的光学机制来可视化各种不可见光。”

这项研究的灵感源于团队对分子排列如何影响光学行为的长期兴趣。“当我们注意到一种黄色晶体发出红光时，我们不禁想知道是否可以产生其他颜色，”堀教授说。

“这种简单的好奇心——源于日常观察——促使我们去探索晶体堆积和分子排列是否能够产生多种光学响应。”

下一代光子设备的潜力

这种双模光学行为对未来的技术发展非常重要。能够将紫外线和近红外光转换为可见信号的材料将成为光学传感器、成像系统和测量设备的关键组件。

传统上，光学波长转换依赖于无机晶体，这些晶体通常比较重、刚性大，而且加工困难。这项研究指出，通过有机晶体的分子设计和晶体堆积，也能实现类似的功能。

通过在有机晶体中展示相似的功能，本研究扩展了下一代光子设备的材料设计策略，并突显了分子晶体在可视化不可见光方面尚未开发的潜力。