Επιστήμονες του Πανεπιστημίου Kyushu δημιούργησαν ένα νέο υλικό στερεάς κατάστασης που μπορεί να μετατρέψει το ορατό ηλιακό φως σε υπεριώδη (UV) ακτινοβολία, υπό κανονικές συνθήκες εξωτερικού φωτισμού, όπως ανακοίνωσαν σε μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Communications.
Φανταστείτε να αναμιγνύετε δύο ποτήρια χλιαρό νερό και να καταλήγετε με ένα ποτήρι βραστό νερό. Αυτό δεν μπορεί να συμβεί στην καθημερινή ζωή, αλλά σε κβαντικό επίπεδο κάτι παρόμοιο είναι δυνατό. Πολλαπλά σωματίδια φωτός χαμηλής ενέργειας μπορούν να συνδυάσουν την ενέργειά τους για να δημιουργήσουν ένα μόνο σωματίδιο με πολύ υψηλότερη ενέργεια.
Γιατί έχει σημασία το υπεριώδες φως
Αν και πολλοί άνθρωποι συνδέουν την υπεριώδη ακτινοβολία με ηλιακά εγκαύματα και βλάβες στο δέρμα, αυτή διαδραματίζει σημαντικό ρόλο σε πολλές τεχνολογίες. Το UV φως χρησιμοποιείται για τον καθαρισμό του αέρα, τη σκλήρυνση ρητινών στην τρισδιάστατη εκτύπωση, τη σκλήρυνση γέλης σε οδοντιατρικά σφραγίσματα, ακόμα και σε θεραπείες νυχιών.
Παρά τη χρησιμότητά του, το UV φως αντιπροσωπεύει μόνο περίπου το 6% της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της Γης. Και ακόμα κι έτσι, μόνο ένα μέρος αυτής της UV ακτινοβολίας είναι πρακτικά αξιοποιήσιμο για τεχνολογικές εφαρμογές.
«Αυτό που κάνουμε εδώ είναι να "προσθέτουμε" την ενέργεια από δύο φωτόνια ορατού φωτός για να δημιουργήσουμε ένα φωτόνιο υπεριώδους ακτινοβολίας. Είναι μια συναρπαστική διαδικασία που ονομάζεται φωτοαναβάθμιση», εξηγεί ο Yoichi Sasaki, Αναπληρωτής Καθηγητής στη Σχολή Μηχανικών του Πανεπιστημίου Kyushu και αντίστοιχος συγγραφέας της μελέτης.
Μετατροπή του ορατού φωτός σε UV
Η διαδικασία βασίζεται σε ένα φαινόμενο γνωστό ως εξάλειψη τριπλής-τριπλής κατάστασης (triplet-triplet annihilation, TTA). Σε αυτή την προσέγγιση, ένα μόριο που ονομάζεται δότης απορροφά ορατό φως και εισέρχεται σε μια υψηλής ενέργειας τριπλή κατάσταση. Αυτή η ενέργεια μεταφέρεται στη συνέχεια σε ένα γειτονικό μόριο αποδέκτη.
Όταν δύο τριπλές καταστάσεις συναντηθούν, συνδυάζονται και απελευθερώνουν την ενέργειά τους ως ένα μόνο φωτόνιο UV. Οι επιστήμονες γνώριζαν εδώ και καιρό ότι το TTA λειτουργεί αποτελεσματικά σε υγρά, επειδή τα μόρια μπορούν να κινούνται ελεύθερα και να αλληλεπιδρούν εύκολα. Ωστόσο, τα υγρά συστήματα συχνά απαιτούν τοξικούς διαλύτες και μπορεί να εξατμιστούν με τον χρόνο, περιορίζοντας την πρακτικότητά τους.
«Στα στερεά, τα μόρια είναι συσκευασμένα σφιχτά και τα νέφη ηλεκτρονίων π — περιοχές υψηλής ηλεκτρονιακής πυκνότητας πάνω και κάτω από κάθε μοριακό επίπεδο — μπορούν να επικαλύπτονται», λέει ο Sasaki. «Όταν συμβαίνει αυτό, οι τριπλές καταστάσεις διαλύονται εύκολα πριν προλάβουν να συναντηθούν. Τα μόρια πρέπει να είναι αρκετά κοντά για να μεταφερθεί η ενέργεια, αλλά αρκετά διαχωρισμένα για να αποφευχθεί η απόσβεση των εξιτονίων.»
Μια νέα λύση στερεάς κατάστασης
Η ανακάλυψη της ομάδας προήλθε από έναν οργανικό ημιαγωγό που ονομάζεται διυδροϊνδενοϊνδενιδένιο (DHI). Οι ερευνητές τροποποίησαν το DHI προσθέτοντας αλκυλικές αλυσίδες στα sp³ άτομα άνθρακα του — τα οποία έχουν τέσσερις δεσμούς που κατευθύνονται σε σταθερές τρισδιάστατες κατευθύνσεις. Αυτός ο σχεδιασμός δημιούργησε προσεκτικά ελεγχόμενα κενά μεταξύ γειτονικών μορίων.
Το υλικό που προέκυψε παρουσίασε ισχυρό φωταύγεια, μακρόβιες διεγερμένες καταστάσεις και εξαιρετικά αποτελεσματική μεταφορά ενέργειας. Πέτυχε κβαντική απόδοση φθορισμού στερεάς κατάστασης άνω του 60%. Όταν συνδυάστηκε με ένα μόριο δότη, το σύστημα έφτασε σε απόδοση φωτοαναβάθμισης 1,9%.
«Αυτό σημαίνει ότι παράγονται περίπου δύο φωτόνια UV για κάθε εκατό φωτόνια ορατού φωτός που απορροφώνται», προσθέτει ο Sasaki. «Μπορεί να ακούγεται χαμηλό, αλλά λειτουργεί αποκλειστικά με φυσικό ηλιακό φως. Τα περισσότερα υλικά στερεάς κατάστασης δεν μπορούν να το επιτύχουν αυτό ούτε σε πολύ υψηλότερη ένταση φωτός.»
Εφαρμογές για ηλιακά τροφοδοτούμενο UV φως
Οι ερευνητές έχουν ήδη καταθέσει αίτηση διπλώματος ευρεσιτεχνίας για το υλικό. Εκτός από την απόδοσή του, το υλικό προσφέρει πρακτικά πλεονεκτήματα. Μπορεί να συντεθεί σχετικά εύκολα και κατασκευάζεται από φθηνά πρώτα υλικά. Η ομάδα πιστεύει ότι θα μπορούσε τελικά να χρησιμοποιηθεί σε ηλιακά τροφοδοτούμενη φωτοκατάλυση, συστήματα καθαρισμού εσωτερικών χώρων και τεχνολογίες τρισδιάστατης εκτύπωσης χαμηλής έντασης.
Ένα επιστημονικό ταξίδι 14 ετών
Ο Sasaki εργάζεται πάνω σε αυτή την τεχνολογία για 14 χρόνια, από τότε που ήταν μεταπτυχιακός φοιτητής. «Δεν τα παρατάμε ποτέ εύκολα», λέει. «Αλλά αυτό το αποτέλεσμα είναι πραγματικά ανταμοιβή για όλες τις δυσκολίες που περάσαμε. Θέλουμε να συνεχίσουμε να πιέζουμε αυτή την τεχνολογία μέχρι να φτάσει στην πρακτική εφαρμογή.»
Η ανακάλυψη ανοίγει τον δρόμο για καθαρότερες τεχνολογίες καθαρισμού αέρα, ηλιακή χημεία και προηγμένες ιατρικές εφαρμογές αποστείρωσης που τροφοδοτούνται αποκλειστικά από το ηλιακό φως.