材料科学和电子学领域的研究依赖于分子或原子的创新排列来开发具有传统材料所没有的独特性能的材料。在材料科学和有机电子学领域中，排列成薄层的二维π电子系统组件正变得越来越重要。
它们独特的排列允许特定的电子和物理特性，使它们成为太阳能电池和柔性显示器等应用的理想选择。然而，创建这样的组件是具有挑战性的，因为它通常需要对每种类型的分子进行特殊的设计和技术。
在2024年9月13日发表在《科学进展》上的一项研究中，东京科学研究所的Tomoya Fukui助理教授和Takanori Fukushima教授与庆应义塾大学的Taku Hasobe教授合作，提出了一种使用超分子支架的简化方法。
这些支架作为分子模板，允许将各种分子组装成二维结构，而不需要为每个组件定制设置。
研究人员使用1,8,13取代的三足三甲烯作为超分子支架。基于三脚架的三叶草基超分子支架可以组装成二维六边形图案，可以沿着一维堆叠，形成“2D + 1D”结构。这些层之间的空间可以容纳其他分子。在他们早期的工作中，研究小组在这些层中加入了球形富勒烯(C60)分子。
在他们最新的研究中，他们证明了这种支架也可以通过将五苯和蒽的发色团夹在两个三苯单元之间来组织平面的苊发色团，形成两个不同的二维自组装结构。
选择烯是因为它们具有单线态裂变(SF)的潜力。在这个过程中，单个高能光子被转换成两个低能量的三重态激子，这有望通过增加载流子来提高太阳能电池的效率。
福井博士指出，要在固态中实现有效的单线态裂变，必须满足两个条件:“亚烯发色团需要彼此靠近放置，以提供足够的电子耦合。其次，需要设计发色团周围的环境，使它们能够经历构象变化，以防止三联体重组。”
在以五苯为基础的组装中，发色团的有效重叠使单线态裂变发生，产生一对三联体的量子产率高达88%，产生两个自由三联体的量子产率高达130%。然而，基于蒽的组件没有表现出单线态裂变，可能是由于发色团之间的电子耦合较弱。
福岛教授解释说:“五苯的发色团，其尺寸大于三苯骨架的直径，有有效的重叠导致SF，而这种发色团之间的重叠在蒽类似物的组装中不会发生。”
这种组件可以集成到梳状电极中，为设备应用铺平了道路。
Hasobe教授说:“这证明了基于三烯的超分子支架在设计功能性pi-电子分子组件方面的实用性。”
该支架的适应性设计为构建不同分子的2D组件提供了一个多功能平台，为超分子化学、材料科学和有机电子学的进步铺平了道路。
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