加利福尼亚大学，河滨分校和德克萨斯大学奥斯汀分校的材料科学家证明，使用精心设计的结构，可以实现光子上转换，即光能的发射高于激发材料的光。 硅纳米晶体和特殊的有机分子。

       这一成就发表在《自然化学》上，使科学家们距离开发针对癌症的微创光动力疗法更近了一步。这一进展还可能催生用于太阳能转换，量子信息和近红外驱动的光催化的新技术。

       高能光，例如紫外线激光，可以形成能够攻击癌组织的自由基。然而，紫外线不能深入到组织中以在靠近肿瘤部位的位置产生治疗自由基。另一方面，近红外光可穿透得很深，但没有足够的能量产生自由基。

       虽然光子上转换可以克服此限制，但上转换的材料效率低或基于有毒材料。硅因无毒而闻名，但直到现在，研究人员仍无法证明硅纳米晶体可以上转换光子，从而使这种有前途的癌症治疗变得遥不可及。

       加州大学河滨分校材料科学博士生潘霞领导的一个小组通过仔细研究硅纳米晶体的表面化学来解决这个问题。该小组学习了如何将有助于将分子结合在一起的配体与纳米颗粒连接，该纳米颗粒是专门设计用于将能量从纳米晶体转移到周围分子的。

       然后，团队将激光照射到溶液中。他们发现具有适当表面配体的硅纳米晶体可以迅速将能量转移到周围分子的三重态。然后，称为三重态-三重态三元融合的过程将低能激发转换为高能激发，从而导致以比原始被纳米粒子吸收的光子更短的波长或更高的能量发射光子。

       夏说：“我们用蒽官能化了硅纳米晶体。然后，我们激发了硅纳米晶体，发现能量从纳米晶体通过蒽分子被有效地转移到溶液中的二苯基蒽。” “这意味着我们得到了更高能量的光。”

      “要将低能光子转变为高能光子，您需要使用三重态，需要使用量子约束的纳米粒子，并且需要将纳米粒子和有机分子非常紧密地保持在一起。这就是获得三重态的方式结合能量以获得高能光子。”合著者，加州大学河滨分校化学副教授，夏的论文顾问唐明（Ming Lee Tang）说。 Tang的实验室开创了如何将共轭有机分子连接到硅纳米颗粒的方法。

      机械工程学副教授洛伦佐·曼戈利尼（Lorenzo Mangolini）说：“这项工作非常基础。” “新颖性实际上是如何使这种结构的两个部分-有机分子和量子约束的硅纳米晶体-协同工作。我们是第一个将两者真正结合在一起的人。”

       德克萨斯大学奥斯汀分校化学助理教授肖恩·罗伯茨（Sean Roberts）的合著者使用超快激光研究了这种混合结构中能量的传递方式，并确定了该过程的惊人速度和效率。

       罗伯茨说：“面临的挑战是将成对的激发电子从这些有机材料中转移到硅中。这不能仅仅通过在另一个的顶部沉积一个就完成。” “需要在硅和这种材料之间建立一种新型的化学界面，以使它们进行电子通信。”

       该发现还可以改善光催化作用，该光催化作用利用光来驱动化学反应。

       唐说：“光催化剂通常只在紫外光或紫光下工作，因此这是从其余太阳光谱中产生光催化剂的一种方式。”

       环境可持续的以硅为中心的方法也与量子信息科学和单线裂变驱动的太阳能电池有关。