分子三重态在光催化有机合成，光动力学疗法，太阳能转换，氧气传感和光子上转换等过程中都起到重要的作用。分子通过系间穿越（intersystem crossing, ISC）的方式产生三重态是最常见的情况，但是由于系间穿越过程涉及到电子自旋翻转，因此速率通常较低（~108 s-1）。在这个时间尺度上，内转换、荧光发射等激发态弛豫方式通常会和系间穿越相竞争进而影响分子三重态产生的效率。

由于系间穿越过程满足角动量守恒定律，因此通过轨道角动量的变化可以促进自旋角动量变化，有利于实现自旋翻转，提高系间穿越的效率。分子内电荷转移态的电荷重组过程可以实现轨道角动量的巨大变化，因此将电荷转移态引入到系间穿越过程作为中间态可以显著提高三线态生成效率，这种方法被称为自旋-轨道电荷转移系间穿越（spin-orbit charge transfer ISC, SOCT-ISC）。

 陈缙泉研究员课题组首次利用螺共轭体系发展了SOCT-ISC的新材料，并探究了该体系中电荷转移态在系间穿越过程中的关键作用。与已有的SOCT-ISC材料相比，螺共轭体系内电子给体/受体两部分结构通过螺原子相连接，最大程度上拉近了给体/受体之间的距离。如图1所示，在整个分子激发态弛豫过程中，给体和受体又始终保持严格垂直，一方面使得荧光共振能量转移受到抑制；另一方使得电荷复合过程中，可以最大程度产生轨道角动量改变，从而促进自旋翻转和系间穿越。

通过精确调控分子内电荷转移态的能级，实验中发现系间穿越速率可以高达~1011 s-1，并且通过改变取代基和溶剂极性速率可以实现三个数量级的变化（108-1011 s-1）。系间穿越的速率可以用Fermi’s Golden Rule很好的描述，证明电荷转移态在SOCT-ISC过程中起到举足轻重的作用。在低极性的环己烷溶剂中，三重态量子产率可以高达82%，这项工作提供了一种新型纯有机分子三重态敏化剂的设计思路。该工作充分体现了物理与化学学科的交叉，其中螺共轭分子的化学合成由华东理工大学杨有军教授完成，论文发表于《德国应用化学》[AngewandteChemie International Edition 59, 22179 (2020)]。

图1.(a)螺共轭分子结构；(b)分子内激发态动力学弛豫模型；(c)三线态分子生成速率和ΔG之间的关系，ΔG为电荷转移态和三线态之间能量差；(d)分子内自旋翻转过程模型。