FRET增强并五苯衍生物单线态裂变：仿生光捕获策略提升太阳能转换效率

《Advanced Optical Materials》：FRET-Enhanced Singlet Fission in Pentacene Derivatives

本文揭示了F?rster共振能量转移（FRET）在并五苯衍生物单线态裂变（SF）中的关键作用，通过模拟生物光捕获系统的能量传递机制，实现了分子间激发能的高效定向传输。研究发现SF速率与分子间距呈R?6依赖关系，证实FRET是SF的限速步骤。该工作为设计新型SF材料提供了仿生学优化方向，有望突破太阳能转换的量子效率瓶颈。

　　

Abstract

太阳能的高量子效率转换是能源技术领域的核心挑战。受生物光捕获系统启发，本研究探索了单线态裂变（SF）敏化剂作为多激子生成中心，通过F?rster共振能量转移（FRET）实现周围分子向反应中心的能量汇集。研究采用结构迥异但光学性质相似的两种并五苯衍生物——稳定性增强的Gel?nder并五苯（G-Pen）和经典TIPS-并五苯（TIPS-Pen），通过瞬态吸收光谱揭示了二元苝/聚甲基丙烯酸甲酯薄膜中SF速率与分子间距R的R^?6依赖关系，符合FRET的典型特征。优化FRET参数（如光谱重叠积分J、发射量子产率θ_em）可显著提升SF效率，为仿生光捕获材料设计提供新范式。

1 Introduction

非辐射激发能转移（EET）是生物光捕获系统实现近单位量子效率的关键。本研究首次提出将FRET机制应用于单线态裂变体系，通过理论公式推导表明：电子耦合（V_el）包含库仑耦合（V_coul）和短程耦合（V_short），其中FRET速率（k_FRET）与R^?6成正比，而Dexter能量转移速率（k_DT）随距离呈指数衰减。SF过程（S₁+S₀?^x[T₁T₁]→2×T₁）的双分子特性要求分子间精确排列，但在非晶薄膜中仍观察到皮秒级快速SF，暗示存在辅助性能量传递机制。G-Pen分子通过芳基侧链封装并五苯骨架，在保持溶解性的同时显著提升稳定性，为光谱研究提供理想模型。

2 Results and Discussion

吸收光谱显示G-Pen在四氢呋喃溶液和PMMA共混膜中光谱特征基本一致，表明分子间相互作用较弱。瞬态吸收动力学揭示：在稀溶液中主导的系间窜越（ISC）过程（τ_S1≈5 ns）在薄膜中被加速两个数量级（48±2 ps），并伴随¹TT态的高效生成（200%三线态量子产率）。浓度依赖实验发现SF表观速率常数（k_exp）与分子平均间距（R_avg）满足k_exp=k_FRET+(τ_S1)^-1的FRET模型，而非基于分子扩散的线性关系。通过计算FRET半径（R₀^calc(G-Pen)=2.83 nm, R₀^calc(TIPS-Pen)=4.42 nm）与实验值（R₀^exp分别为2.88±0.14 nm和4.52±0.25 nm）高度吻合，证实FRET是SF的前置限速步骤。TIPS-Pen更快的SF动力学归因于其更高的荧光量子产率（44% vs 8%）和光谱重叠积分（J=2.24×10¹⁵ vs 0.80×10¹⁵ mol^?1 L cm^?1 nm⁴）。G-Pen长达50 μs的三线态寿命（TIPS-Pen为10 μs）更利于激子提取，为构建"光捕获天线-SF反应中心"二元体系奠定基础。

3 Conclusion

本研究阐明FRET在固态SF材料中扮演能量传递通道的关键角色，突破传统SF对分子紧密堆积的依赖。通过调控给体-受体光谱匹配度、取向因子（κ）及介质折射率（n）等FRET参数，可构建仿生级联能量传递系统。该发现为开发新型SF光敏材料提供理论依据，推动太阳能转换技术向生物启发的高效路径发展。

Acknowledgements

感谢德国科学基金会（DFG）通过SFB 1249项目（B01/B04/B09/A01）的资助。