研究表明吸收光的手性分子自组装可促进单重态裂变过程

在有机分子中，激子是电子(负电荷)和空穴(正电荷)的粒子结合对。它们通过库仑引力结合在一起，可以在分子组合内移动。单重态裂变 (SF) 是激子被放大的过程，从单重态激子产生两个三重态激子。

这是由于单个光粒子或光子在称为发色团(吸收特定波长光的分子)的分子中的吸收所致。控制发色团的分子取向和排列对于在光学设备应用方面具有巨大潜力的材料中实现高 SF 效率至关重要。

到目前为止，对SF 的研究已经在固体样品中进行，但对于高效 SF 所需的分子组织尚无全面的设计指南。

目前，九州大学的君塚伸夫教授和他的同事成功证明，可以通过将手性(不能叠加在镜像上的分子)引入发色团并在自组装分子结构中实现手性分子取向来促进SF。

研究小组在《先进科学》杂志上发表了论文，展示了含有手性π电子发色团的自组装水性纳米粒子中的基于SF的三重态激子，这种现象在类似的外消旋纳米粒子(等量互为镜像的分子混合物)中是观察不到的。

Kimizuka 表示：“我们发现了一种通过实现自组装结构中发色团的手性分子取向来增强 SF 的新方法。”

研究人员研究了水性纳米粒子的 SF 特性，这些纳米粒子由四苯并二羧酸和各种手性或非手性胺的离子对自组装而成。他们确定了反离子(溶液中电荷与另一种离子相反的离子)的关键作用，特别是铵分子。

反离子影响离子对分子的取向、结构规律、光谱性质以及四苯并菲发色团之间的分子间耦合强度。因此，反离子在控制发色团的排列和相关的 SF 过程中起着关键作用。

通过对手性胺进行大量实验，该团队实现了 133% 的三线态量子产率和 6.99 × 10 9 s −1的速率常数。相反，他们观察到具有非手性反离子的纳米粒子不表现出 SF。

外消旋离子对也通过SF产生了中间关联的三重态对状态。然而，三重态对中三重态-三重态湮没占主导地位;因此，没有观察到解离成自由三重态的现象。

Kimizuka 总结道：“我们的研究为 SF 研究中分子设计提供了一个新颖的框架，并将为涉及电子自旋的能源科学、量子材料、光催化和生命科学的应用铺平道路。此外，它还激励我们继续探索有机介质和薄膜系统中手性分子组装中的 SF，这对于太阳能电池和光催化剂中的应用至关重要。”