为什么塑料在长时间暴露在阳光下会变脆，油漆会褪色？

科学家们早就知道由于太阳光的能量会产生自由基：这些分子因光诱导电离而失去一个电子，并留下一个不成对的电子，使其非常渴望与其他环境中的分子反应。

然而，太阳能中的能量如何以及为何会在材料中长时间储存和释放的具体机制一直缺乏实验证据。

问题在于时间尺度。虽然科学家们可以使用极其精密的光谱仪在飞秒到毫秒的时间尺度上测量有机材料中单个电子的能量水平，但他们对超过几秒钟的时间尺度关注较少——而这些过程可能需要数年时间。

因此，缓慢且渐进的电荷积累在实际应用和理论光学中造成了令人失望的数据空白。但现在，来自 Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) 有机光电学单元的研究人员通过一种新的方法解决了这一挑战，这种新方法能够检测这些微弱信号。

他们的研究成果发表在《科学进展》上。“我们现在可以捕捉到弱电荷积累的确切机制，”教授 Ryota Kabe 解释说，“这有助于我们更好地理解有机材料激发的基本特性，并且允许对弱电荷积累进行更准确的测量——例如在光伏、OLED 和光降解中。”

当一种材料吸收光线并产生自由电荷的过程对于许多领域都很重要。当材料受到足够能量的强紫外线照射，可以直接使分子离子化时，电子可以从其轨道中被弹出。这一过程是光电发射谱学的核心，广泛用于跨学科研究材料性质。

相比之下，单组分材料中的这些高能电离事件与由电子供体和受体材料组成的双组分系统不同，太阳能电池就是一个典型的例子。

在弱可见光的激发下（这种光的能量不足以直接电离），通过结合使用电子供体和受体材料来产生自由电荷。

当光线激发供体分子时，一个电子可以从供体跃迁到受体，在两种材料之间的界面处形成束缚态下的电荷转移，从而生成自由电荷。由于这些自由电荷很快会通过复合而消失，人们一直认为它们只能在几毫秒以内的极短时间内被观测到。

但现在，研究人员发现，源自累积自由电荷的微弱信号可以在更长的时间尺度上被检测到。

这些微弱且缓慢的信号揭示了迄今为止关注较少的轻微电荷生成过程。当单一组分材料吸收能量不足以直接离子化的弱光时，会形成激发态，但由于没有电荷转移，不会产生自由电荷。

然而，在其寿命内如果激发态再吸收一个额外的光子，它可以达到离子化状态。通过多光子离子化形成的自由电荷极为罕见，在仅覆盖飞秒至毫秒时间尺度的传统方法中，这些事件的信号很容易被自身激发态更强的信号所掩盖，使得实验确认变得困难。

为了研究这种缓慢的瞬态衰减，研究人员重新构想了传统的光谱学设置。他们没有像常规做法那样反复用超快激光脉冲照射样品并积累信号以观察常规快速瞬态衰减，而是采用了简单的方法：对样品进行长时间激发，并在单次实验中测量长期时间尺度的响应。

通过扩展时间和强度动态范围，他们得以更长时间地区分激发态信号和自由电荷信号，首次在单一组分有机材料中观察到了此前仅在理论中预测的电荷生成路径。

“我们成功检测到了供体-受体界面以及单组分多光子离子化过程中的电荷载体生成过程，”卡贝教授解释道。 “我们的设置在使用有机材料作为供体受体界面时证明是有效的，产生了非常清晰的信号，而在同一材料单独使用时，则产生了极其微弱的信号。”

他们的测量提供了直接证据，揭示了多光子路径的存在，这为有机光学的基础过程——无论是理论研究还是应用研究——提供了新的见解。

正如Kabe教授总结的那样：“尽管它们的效率远不足以用于光伏或OLED，但有机材料普遍会经历轻微的光离子化事件，通过这些过程积累的电荷可能会导致各种形式的光降解。现在我们终于有了确认这些事件的数据，并且有了进一步研究多种不同有机材料中的弱电荷生成路径的工具。”

勇编撰自论文"通过慢瞬态发射光谱研究有机材料中的电荷积累机制".科学进展.2025相关信息，文中配图若未特别标注出处，均来源于自绘或公开图库。