能发光和操控光的材料是太阳能、先进成像系统这类技术的核心。但就算是一些研究得很透的材料，还是有些基本特性说不清。莱斯大学的研究人员最近破解了一个长期谜团，涉及一种常用的有机半导体。他们发现，微小的结构缺陷实际上还能改善这些材料的性能。

一项发表在《美国化学学会期刊》上的研究里，团队研究了9,10-双(苯乙炔基)蒽（BPEA），这是一个研究光能在材料里怎么传递的模型系统。多年来，科学家们观察到BPEA中异常的光学行为，具体说，就是出现两种不同的吸收和发射信号，这和现有理论对不上。

"这是领域里一个由来已久的谜题，"莱斯大学化学系的博士生、该研究的合著者科莱特·沙利文说。"一旦我们把实验结果和理论对应起来，就发现这两个信号其实来自完全不同的过程。"

为了理解这一行为，研究人员将光谱实验与先进模拟相结合。他们的研究结果表明，该材料不同寻常的光吸收源于两种激发态之间的相互作用——激子（在材料中传递能量）和电荷转移态（电子在分子间转移）。

但最让人意外的是该材料的发光特性。

研究团队发现，较低能量的光并非完全来自晶体本身，而是来自微小的结构缺陷——即分子形成X形对的不规则区域。这些缺陷充当能量局域化位点（即“陷阱态”），其行为与材料其他部分不同。

“这些缺陷不仅仅是瑕疵，它们实际上为能量流动创造了新的通道，把看似是缺陷的地方变成了理想的特性，”莱斯大学化学副教授兼莱斯先进材料研究所成员莉娅·尼恩豪斯说道。

由博士后科学家雅库布·索瓦领导的理论研究表明，这些缺陷位点不但不会降低性能，反而增强了叫做三重态-三重态湮灭的过程，使材料能够将低能量光转换为高能量光。同时，它们抑制了原本会降低效率的竞争性的能量通道。

最终的结果是，这种材料中的缺陷反而能改善能量的转换和发射方式。

这些发现挑战了材料科学中长期以来的一个假设，即缺陷本质上是有害的。相反，它们表明，精心控制这些瑕疵可能成为一种强大的设计策略。

“我们的工作表明，材料缺陷实际上可以提升性能，为材料工程指明了一个方向，”莱斯大学自然科学荣誉教授彼得·J·罗斯基说。“通过理解分子结构、无序性和电子相互作用如何协同工作，我们可以开始设计这样的材料——不仅接受这些效应，还主动利用它们来控制能量的流动。”

这一见解有助于研究人员为太阳能、光电子学和光传感技术等应用设计更高效的材料。通过有意调控分子的堆积方式以及缺陷形成的位置，科学家或许能够制造出比以往任何时候都更高效地转换和控制光的材料。

了解更多： Jakub K. Sowa 等人，《9,10-双(苯乙炔基)蒽中双发射的有趣案例》，《美国化学会志》，2026年。DOI：10.1021/jacs.6c03064

来源：莱斯大学