最新一期【研发信息汇总】已发布↓↓↓

一周研发资讯汇总（20260119-20260125）

欢迎点击浏览，参与投票，决定更新内容

↓↓↓文章末尾获取原文链接↓↓↓

本文2064字，阅读约需6分钟

摘要：研究小组将液晶的有序结构与氧掺杂型PAHs的高设计自由度相结合，设计出一种人工光捕获系统（LHS），能够高效捕获整个可见光范围、且其性质可通过分子设计进行调控，两步能量转移效率达70%。

关键词：人工光合作用、光捕获系统（LHS）、PXX纳米带、向列相液晶、光天线

要点

通过液晶与纳米带的结合，实现了一种模仿光合作用的高效人工光捕获系统。
创造出一系列可捕获整个可见光范围的多环芳烃纳米带染料。
有望提高太阳能电池和人工光合作用等光能转换的效率。

概要

研究小组通过将最小结构单元为呫吨呫吨（PXX）的纳米带与向列相液晶相结合，成功构建出一种覆盖太阳光的整个可见光范围的高效人工光捕获系统。

植物的光合作用是终极的光捕获系统（LHS），其光天线捕获的太阳能可以通过两步能量转移以超过90%的效率传递到反应中心。近年来，模仿这种光合作用的人工LHS备受关注。然而，现有的人工LHS在宽波长范围内吸收太阳光，很难有效地转换和传输能量。

本研究中，研究小组着眼于此前开发的PXX骨架，开发出四种对氧气稳定、且表现出各种吸收和荧光特性的PXX纳米带分子，作为光合作用的色素分子。通过将这些色素分子适当组合并掺杂到向列相液晶中，实现了两步能量转换效率高达70%的高效人工LHS。

本研究为光能转换材料的设计提供了新的视角，有望为未来的应用开发奠定基础。

采用PXX纳米带和向列相液晶的人工LHS

背景

光捕获系统（LHS）是指一种高效捕获、传输和利用光能的机制，其参考了植物的光合作用。在植物的光合作用中，作为光天线的叶绿素等色素分子捕获的光可以通过两步能量转移，以超过90%的效率传递到反应中心。LHS有望应用于太阳能的高效利用、能量转换以及光功能材料的改进，受自然界机制启发的各种人工LHS的研发正在积极进行中。

在人工LHS的开发中，最重要的挑战之一是“尽可能多地收集光，并无损耗地传输其能量”。近年来，由多环芳烃（PAHs）组成的纳米带状分子作为人工LHS的材料而备受关注。这些PAHs纳米带分子不仅能吸收宽范围的可见光，并且由光吸收产生的激子不仅限于分子局部、而是可长距离传输。特别是，引入氧原子的PAHs的一种——呫吨呫吨（PXX）骨架——由于可在相对温和的条件下合成且分子的HOMO-LUMO能隙较小，因此被认为是一种很有前景的染料分子，能够轻松吸收可见光到近红外光。然而，PXX骨架存在HOMO能级高，对氧的稳定性差的问题。此外，在人工LHS中，染料之间有利的能量转移排列也至关重要，需要将染料分子规则排列。作为这种排列方法之一，可以利用分子预先取向的液晶场，但这种方法在人工LHS中的应用实例很少（图1）。

图1. 利用液晶场的光捕获系统的概念图（染料分子规则排列时可获得高光捕获效率） ET：能量转移

研究成果

研究小组此前曾以PXX为基元（最小的结构单元）设计并评估了各种分子的物理性质。在此研究过程中，他们发现早在1942年就有人报道过一种在PXX的拟邻位引入苯甲酰基的酮衍生物。然而，关于这种分子，人们一直未进行结构数据和详细物性评估，其性质多年来也一直是个谜。

因此，研究小组对该分子的性质进行了研究，并基于这些认识，开发了四种将多个在PXX邻位引入苯甲酰衍生物的分子连接起来的新型PXX纳米带分子（化合物8、1、4和6）（图2的结构式）。

图2. 四种化合物（中间的结构式）的PXX纳米带在二氯甲烷溶液中的吸收·荧光光谱（左侧）和循环伏安法（电化学测量，右侧）。

研究小组系统地分析了所开发分子的光学性质和电子结构的变化。增加PXX分子的数量并扩展π骨架，可使PXX纳米带分子的吸收光谱和荧光光谱系统性地向长波长侧转移。特别是在化合物4和6中，近红外区的光吸收以及红外区域的荧光都得到了证实（图2左侧）。

此外，研究小组对每种化合物进行了电化学测量，以评估其HOMO能级。结果表明，随着π骨架的扩展，HOMO能级趋于升高，化合物6的HOMO能级为-5.08eV（图2右侧）。该值处于保持对氧气稳定性的范围内，表明酮基扩展的PXX纳米带是一种有效的分子设计，能够抑制HOMO能级过度升高的同时缩小HOMO-LUMO能隙。这些光学和电子特性满足了基于能量传递构建人工LHS的理想条件。

接下来，研究小组通过组合最多三种这样的分子构建了四种人工LHS（图3a）。该体系的主体采用5CB（液晶分子），形成分子预先排列的向列相液晶，以提高能量转移效率。在向列相液晶中，掺杂的染料分子也倾向于沿同一方向取向，从而实现高效的光能转移。因此，由化合物8/1/4和化合物8/1/6组成的三元体系不仅能吸收整个可见光范围（图3c），还具有优异的荧光共振能量转移（FRET）效率和天线效应（AE）（图3b）。此外，虽然两步能量转移效率未达到光合作用的90%，但仍高达70%。这些结果表明，本研究构建的体系是一种能够高效捕获太阳光并无损耗地传输光能的人工LHS。

图3.（a）人工LHS的模型图、（b）各体系的FRET效率和AE、（c）各体系的吸收·荧光光谱

社会影响

本研究构建的人工LHS通过将液晶的有序结构与氧掺杂型PAHs的高设计自由度相结合，人工实现了自然界的光捕获原理。通过这种方式，创造出一种能够高效捕获整个可见光范围、且其性质可通过分子设计进行调控的人工光天线。这种新型分子天线有望应用于包括太阳能电池、人工光合作用、光催化、数据加密和生物成像在内的众多领域。

未来展望

为进一步提高光捕获效率，需要改善PXX纳米带的取向性。研究小组今后将设计更适合PXX排列的液晶分子，并利用这些分子构建性能更高的人工LHS。

https://www.isct.ac.jp/ja/news/h307iurzbmmf

https://doi.org/10.1002/anie.202523349

（1）资讯定制

对于本文章中提到的技术，有海外相关技术信息（行业资讯、技术报告、专利信息等）扩展搜集需求的，欢迎留言区留言，或联系邮箱【info#aipatent.com（注明“资讯定制”） *发送邮件时请将“#”替换为“@”】了解详情。

（2）征稿启事

应部分读者建议，本公众号现开放投稿，面向企业及科研机构人员征集稿件，可以分享技术信息、学术类论文、科研成果以及研究见解等。

投稿请发送至邮箱：support#aipatent.com（请注明“AIpatent公众号来稿”） *发送邮件时请将“#”替换为“@”

一种仿照自然的高效人工光捕获系统——应用于太阳能电池和人工光合作用