材料科學和電子學領域的研究依賴于分子或原子的創(chuàng)新排列來開發(fā)具有傳統(tǒng)材料所沒有的獨特性能的材料。在材料科學和有機電子學領域中，排列成薄層的二維π電子系統(tǒng)組件正變得越來越重要。

它們獨特的排列允許特定的電子和物理特性，使它們成為太陽能電池和柔性顯示器等應用的理想選擇。然而，創(chuàng)建這樣的組件是具有挑戰(zhàn)性的，因為它通常需要對每種類型的分子進行特殊的設計和技術。

在2024年9月13日發(fā)表在《科學進展》上的一項研究中，東京科學研究所的Tomoya Fukui助理教授和Takanori Fukushima教授與慶應義塾大學的Taku Hasobe教授合作，提出了一種使用超分子支架的簡化方法。

這些支架作為分子模板，允許將各種分子組裝成二維結構，而不需要為每個組件定制設置。

研究人員使用1,8,13取代的三足三甲烯作為超分子支架。基于三腳架的三葉草基超分子支架可以組裝成二維六邊形圖案，可以沿著一維堆疊，形成“2D + 1D”結構。這些層之間的空間可以容納其他分子。在他們早期的工作中，研究小組在這些層中加入了球形富勒烯(C60)分子。

在他們最新的研究中，他們證明了這種支架也可以通過將五苯和蒽的發(fā)色團夾在兩個三苯單元之間來組織平面的苊發(fā)色團，形成兩個不同的二維自組裝結構。

選擇烯是因為它們具有單線態(tài)裂變(SF)的潛力。在這個過程中，單個高能光子被轉換成兩個低能量的三重態(tài)激子，這有望通過增加載流子來提高太陽能電池的效率。

福井博士指出，要在固態(tài)中實現(xiàn)有效的單線態(tài)裂變，必須滿足兩個條件:“亞烯發(fā)色團需要彼此靠近放置，以提供足夠的電子耦合。其次，需要設計發(fā)色團周圍的環(huán)境，使它們能夠經(jīng)歷構象變化，以防止三聯(lián)體重組。”

在以五苯為基礎的組裝中，發(fā)色團的有效重疊使單線態(tài)裂變發(fā)生，產(chǎn)生一對三聯(lián)體的量子產(chǎn)率高達88%，產(chǎn)生兩個自由三聯(lián)體的量子產(chǎn)率高達130%。然而，基于蒽的組件沒有表現(xiàn)出單線態(tài)裂變，可能是由于發(fā)色團之間的電子耦合較弱。

福島教授解釋說:“五苯的發(fā)色團，其尺寸大于三苯骨架的直徑，有有效的重疊導致SF，而這種發(fā)色團之間的重疊在蒽類似物的組裝中不會發(fā)生?！?/p>

這種組件可以集成到梳狀電極中，為設備應用鋪平了道路。

Hasobe教授說:“這證明了基于三烯的超分子支架在設計功能性pi-電子分子組件方面的實用性?！?/p>

該支架的適應性設計為構建不同分子的2D組件提供了一個多功能平臺，為超分子化學、材料科學和有機電子學的進步鋪平了道路。