单态裂变（SF）是一种过程，其中光吸收导致在色素中从单个单态激子创建两个三重态激子。研究人员发现，引入手性并操控色素的取向和排列可以增强这一过程。他们的研究对能源科学、量子材料、光催化、太阳能和生命科学等领域的进展前景广阔。
在有机分子的领域中，激子由一对粒子组成，包括一个携带负电的电子和其对应的携带正电的孔。这些粒子由于库仑吸引力被保持在一起，使它们能够在分子组装中移动。单态裂变（SF）通过将单态激子转化为两个三重态激子来放大激子。这一转变发生在色素吸收一个光子时，色素是捕获特定光波长的分子。这些色素的对齐和配置对于最大化SF效率至关重要，特别是在具有光学器件巨大潜力的材料中。
迄今为止，大多数SF研究集中在固体样品上，尚未有成功的分子组织设计原则以实现有效的SF。
九州大学的木水信夫教授及其团队成功表明，通过在色素中引入手性（指的是无法与其镜像重叠的分子）并在自组装结构中实现手性排列，可以增强SF。他们的研究成果发表在《先进科学》上，揭示了在由手性π电子色素构成的自组装纳米颗粒中，存在基于SF的三重态激子，而在类似的外消旋纳米颗粒中（由等量的镜像分子组成）并未观察到这一结果。
木水表示：“我们发现了一种通过在自组装结构中实现色素的手性分子取向来增强SF的新方法。”
研究人员探索了由四苯二羧酸的离子对自组装而成的水性纳米颗粒的SF特性，搭配各种手性或非手性胺。他们发现，反离子（与另一个离子具有相反电荷的离子）发挥了关键作用。具体而言，铵分子影响了离子对的分子取向、它们的结构一致性、光谱特性以及四苯色素之间分子间相互作用的强度。因此，反离子在控制色素的排列及其相关的SF过程方面至关重要。
经过对手性胺进行广泛实验后，研究团队取得了令人印象深刻的三重态量子产率133%和速率常数6.99 × 109 s−1。相比之下，具有非手性反离子的纳米颗粒则没有显示出任何SF的迹象。
此外，外消旋离子对通过SF形成了中间相关三重态对状态；然而，在这些三重态对中，三重态-三重态湮灭占主导地位，这阻止了任何自由三重态的形成。
木水乐观地总结道：“我们的发现为SF研究中的分子设计提供了新的视角，并将促进涉及电子自旋的能源科学、量子材料、光催化和生命科学的发展。此外，它鼓励我们继续研究有机介质和薄膜系统中手性分子组装的SF，这对太阳能电池和光催化剂的进步至关重要。”
