激发态的动力学对于理解分子的荧光特征至关重要，这影响了它们在各种技术中的应用。来自信州大学的最新研究探讨了分子结构和几何形状对聚集诱导发光（AIE）分子光发射的影响。研究表明，分子形状的改变会在液态和固态中改变发射行为。这些发现对于推动有机发光二极管和生物成像等技术的发展至关重要，为材料开发和能量交互方面的创新铺平道路。
分子发光现象，尤其是荧光，已经吸引了研究人员超过一个世纪，并且改变了成像、传感和显示技术等领域。最近的突破强调了聚集诱导发光（AIE），这是一种独特的效应，当分子处于固态或聚集态时，其发光效率提高。理解这种现象的基础反应动力学对于理解分子内部的结构变化至关重要。
在最近的一项研究中，日本研究人员深入探讨了α-取代的二苯甲烷硼二氟化物（BF₂DBM）复合物，以发现分子形状和限制的激发态动力学如何影响AIE。“之前，AIE现象主要通过理论量子化学计算进行描述。然而，在我们的研究中，我们首次利用两种光谱方法对这一现象进行了阐明，”信州大学科学与技术研究生院化学系博士生主笔作者藤本祐史表示。该研究与大阪大学和青山学院大学合作，结果发表于2024年11月17日《美国化学会杂志》第146卷第47期。
AIE是一种迷人的现象，违反了许多材料中观测到的典型猝灭行为。一般来说，当分子聚集时，它们往往会因为猝灭效应而失去发光特性。相反，某些表现出AIE效应的分子在受限条件下会发光，而不是褪色。在固态中，这些分子的运动性受到限制，从而增强了其发光能力，并减少了通过其他机制的能量损失。这种行为可以用限制性锥交点（RACI）模型来解释，它展示了分子结构的变化如何影响其光发射能力。研究人员在合成的BF₂DBM衍生物中展示了这一效应，特别是α-甲基取代的衍生物2aBF₂和2amBF₂。“我们使用稳态UV-visible和荧光光谱等先进技术，以及时间分辨的可见光和红外光谱，分析了这些分子在固态和液态中的AIE效应，以跟踪分子的光发射随时间的变化，”来自大阪大学的知名研究人员宫坂宏志教授解释道。
第一个分子2aBF₂在溶液和固态中均表现出强烈的荧光，而第二个分子2amBF₂在溶液中荧光减弱，但在固态中发出的光显著更亮。共同作者、来自青山学院大学的坂本晃教授阐明道：“光谱学就像是来自分子的交流。在这里，分子的构型至关重要。在溶液中，2amBF₂呈现弯曲形状，导致能量通过非辐射过程损失，从而导致荧光降低。在固态中，这种弯曲受限，迫使分子维持一种稳定的结构，有效发光。”该研究还指出，在溶液中，2amBF₂分子在短短一万亿分之一秒内发生快速变化，出现弯曲，导致能量损失和荧光降低。
这些发现对于未来有机发光二极管（OLED）和生物成像技术的发展具有重要的潜力。正如共同作者伊藤冬树教授所言：“研究激发态动力学对于改善发光材料的特性至关重要，有助于推动OLED应用和生物成像的发展。”这一观点强调了理解分子在激发态下的行为对于提高这些前沿技术的性能和有效性的重要性。通过运用先进的光谱学和计算方法，这项研究阐明了分子与能量的相互作用，丰富了我们对荧光及其实际应用的理解。
