Китайские ученые впервые добились квантового ограничения без уменьшения размера материала

Схематическая иллюстрация ограничения экситона в COF с циклогексановыми связями. Автор: Группа проф. Доу / Китайская академия наук

Квантовое ограничение — это физический эффект, возникающий при уменьшении размера материала (обычно полупроводника или проводника) до наномасштаба, что ограничивает движение электронов или дырок. Это полезно, так как ограничение электронов в очень малых пространствах делает их энергетические уровни дискретными, а не непрерывными, изменяя электронные и оптические свойства материала.

До сих пор квантовое ограничение достигалось только путем физического уменьшения размеров материалов. Однако китайские исследователи впервые продемонстрировали этот эффект, модулируя радиус экситона (связанной электрон-дырочной квазичастицы) без уменьшения самого материала.

Это достижение, опубликованное в журнале Cell Reports Physical Science, стало первым случаем реализации квантового ограничения без физического уменьшения размеров.

Группа под руководством профессора Доу Синьцуня из Синьцзянского технического института физики и химии Китайской академии наук синтезировала новый ковалентный органический каркас (COF) — кристаллический материал из легких элементов (углерода, водорода, азота или кислорода), который можно настраивать на молекулярном уровне.

Хронология иминовых COF и их фотолюминесцентных свойств. Автор: Группа проф. Доу / Китайская академия наук

Используя новый COF (tDACH), ученые ввели циклогексановые линкеры как «точки разрыва» сопряжения, создавая π-сопряженные домены, которые обеспечивают внутреннее ограничение экситонов на молекулярном уровне. Новый материал продемонстрировал выдающиеся фотолюминесцентные свойства с квантовым выходом 73%, превзойдя все ранее известные иминовые COF.

Анализ показал, что tDACH-COF не имеет дальнего π-сопряжения, эффективно ограничивая диффузию экситонов. Это подтвердило, что квантовое ограничение действительно произошло без уменьшения физического размера материала.

Используя эти уникальные свойства, команда разработала на основе tDACH-COF фотолюминесцентный зонд, способный обнаруживать имитаторы нервно-паралитических веществ на уровне частей на миллиард. Это стало возможным благодаря эффективному тушению люминесценции, вызванному протонированием иминовых групп.

Открытие открывает путь для использования COF в осветительных устройствах, оптоэлектронике и химических сенсорах.

Дополнительная информация: Achieving Quantum Confinement Effect in Covalent Organic Frameworks for High Photoluminescence, Cell Reports Physical Science (2025). DOI: 10.1016/j.xcrp.2025.102721.

Источник: Китайская академия наук