Φανταστείτε να ρίχνετε δύο φλιτζάνια ζεστό νερό μαζί και να τελειώνετε με ένα φλιτζάνι βραστό νερό. Αυτό μπορεί να μην συμβαίνει στην καθημερινή ζωή, αλλά σε κβαντικό επίπεδο, κάτι παρόμοιο είναι δυνατό. Πολλαπλά σωματίδια φωτός χαμηλής ενέργειας μπορούν να συνδυάσουν τις ενέργειές τους για να σχηματίσουν ένα μόνο σωματίδιο με πολύ υψηλότερη ενέργεια.
Ερευνητές του Πανεπιστημίου Kyushu έχουν τώρα αναπτύξει ένα μοριακό υλικό στερεάς κατάστασης ικανό να μετατρέπει το ορατό ηλιακό φως σε υπεριώδες φως (UV) υπό κανονικές εξωτερικές συνθήκες. Το νέο υλικό επιτυγχάνει απόδοση μετατροπής φωτογραφιών 1,9%, σύμφωνα με μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στις 23 Ιουνίου Επικοινωνία με τη φύση.
Γιατί το υπεριώδες φως έχει σημασία
Αν και πολλοί άνθρωποι συνδέουν το υπεριώδες φως με ηλιακά εγκαύματα και βλάβες στο δέρμα, παίζει σημαντικό ρόλο σε πολλές τεχνολογίες. Η υπεριώδης ακτινοβολία χρησιμοποιείται για εφαρμογές όπως ο καθαρισμός του αέρα, η σκλήρυνση με ρητίνη στην τρισδιάστατη εκτύπωση, η σκλήρυνση με gel σε οδοντικά σφραγίσματα και ακόμη και οι θεραπείες νυχιών.
Παρά τη χρησιμότητά του, το υπεριώδες φως αντιπροσωπεύει μόνο το 6% του ηλιακού φωτός που φτάνει στην επιφάνεια της Γης. Ωστόσο, μόνο ένα κλάσμα αυτής της υπεριώδους ακτινοβολίας είναι πρακτικό για τεχνικές εφαρμογές.
“Αυτό που κάνουμε εδώ είναι να “προσθέσουμε μαζί” την ενέργεια από δύο φωτόνια ορατού φωτός για να παράγουμε ένα υπεριώδες φωτόνιο. Αυτή είναι μια ενδιαφέρουσα διαδικασία που ονομάζεται μετατροπή φωτογραφίας”, εξηγεί ο Yoichi Sasaki, αναπληρωτής καθηγητής στη Σχολή Μηχανικών στο Πανεπιστήμιο Kyushu και αντίστοιχος συγγραφέας της μελέτης.
Μετατροπή ορατού φωτός σε υπεριώδη ακτινοβολία
Η διαδικασία βασίζεται σε ένα φαινόμενο γνωστό ως εκμηδένιση τριπλής-τριπλής (TTA). Σε αυτή τη μέθοδο, ένα μόριο γνωστό ως δότης απορροφά το ορατό φως και εισέρχεται σε κατάσταση τριπλής υψηλής ενέργειας. Αυτή η ενέργεια στη συνέχεια μεταφέρεται σε ένα κοντινό μόριο δέκτη.
Όταν δύο τριπλές καταστάσεις συναντούν η μία την άλλη, συνδυάζουν την ενέργειά τους και εκπέμπουν ένα μόνο φωτόνιο UV.
Οι επιστήμονες γνώριζαν από καιρό ότι το TTA λειτουργεί αποτελεσματικά σε υγρά, επειδή τα μόρια μπορούν να κινούνται ελεύθερα και να αλληλεπιδρούν εύκολα. Ωστόσο, τα υγρά συστήματα απαιτούν συχνά τοξικούς διαλύτες και μπορούν να εξατμιστούν με την πάροδο του χρόνου, περιορίζοντας την πρακτικότητά τους. Ως αποτέλεσμα, οι ερευνητές ξόδεψαν χρόνια αναζητώντας μια αξιόπιστη εναλλακτική λύση στερεάς κατάστασης.
“Στα στερεά, τα μόρια είναι σφιχτά συσκευασμένα και τα νέφη ηλεκτρονίων π – περιοχές υψηλής πυκνότητας ηλεκτρονίων πάνω και κάτω από κάθε μοριακό επίπεδο – μπορούν να επικαλύπτονται”, είπε ο Sasaki. “Όταν συμβαίνει αυτό, τα τρίδυμα αποσυνδέονται εύκολα πριν συναντηθούν. Τα μόρια πρέπει να είναι αρκετά κοντά για να μεταφέρουν ενέργεια αλλά αρκετά χωρισμένα ώστε να αποτρέπεται η κατάσβεση των διεγέρσεων.”
Μια νέα λύση στερεάς κατάστασης
Η ανακάλυψη της ομάδας προήλθε από έναν οργανικό ημιαγωγό που ονομάζεται διυδροϊδενενοϊνδενιδίνη (DHI).
Οι ερευνητές τροποποίησαν το DHI συνδέοντας αλυσίδες αλκυλίου στα sp³ άτομα άνθρακα του — οι τέσσερις δεσμοί των οποίων δείχνουν συγκεκριμένες τρισδιάστατες κατευθύνσεις. Αυτός ο σχεδιασμός δημιουργεί προσεκτικά ελεγχόμενη απόσταση μεταξύ γειτονικών μορίων. Τα μόρια ήταν αρκετά κοντά για να μεταφέρουν ενέργεια αποτελεσματικά για να αποφευχθούν ισχυρές ηλεκτρονικές αλληλεπιδράσεις που θα μπορούσαν να καταστείλουν την απόδοση.
Το υλικό που προέκυψε εμφάνισε ισχυρή φωταύγεια, μακράς διάρκειας διεγερμένες καταστάσεις και εξαιρετικά αποδοτική μεταφορά ενέργειας. Πέτυχε κβαντική απόδοση φθορισμού στερεάς κατάστασης πάνω από 60%.
Όταν συνδυάστηκε με ένα μόριο δότη, το σύστημα έφτασε σε απόδοση μετατροπής 1,9%.
«Αυτό σημαίνει ότι παράγονται περίπου δύο φωτόνια υπεριώδους ακτινοβολίας για κάθε εκατό φωτόνια ορατού φωτός που απορροφώνται», προσθέτει ο Sasaki. “Μπορεί να ακούγεται χαμηλό, αλλά λειτουργεί μόνο στο φυσικό φως του ήλιου. Τα περισσότερα υλικά στερεάς κατάστασης δεν μπορούν να το αντιληφθούν ακόμη και σε πολύ υψηλότερες εντάσεις φωτός.”
Πιθανές εφαρμογές για φωτισμό UV με ηλιακή ενέργεια
Οι ερευνητές έχουν καταθέσει αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για το υλικό.
Εκτός από την απόδοσή του, το υλικό προσφέρει πρακτικά οφέλη. Μπορεί να συντεθεί σχετικά εύκολα και είναι κατασκευασμένο από φθηνές πρώτες ύλες. Η ομάδα πιστεύει ότι θα μπορούσε τελικά να χρησιμοποιηθεί σε φωτοκατάλυση με ηλιακή ενέργεια, συστήματα καθαρισμού αέρα εσωτερικού χώρου και τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης χαμηλής έντασης.
Ένα επιστημονικό ταξίδι 14 ετών
Για τους ερευνητές που συμμετέχουν, το επίτευγμα αντιπροσωπεύει κάτι περισσότερο από μια τεχνολογική ανακάλυψη.
Το 2012, ο Nobuo Kimizuka, τώρα ομότιμος καθηγητής στο Ερευνητικό Κέντρο Τεχνολογιών Αρνητικής Εκπομπής του Πανεπιστημίου Kyushu, άρχισε να διερευνά την αναμετατροπή φωτονίων μέσω μετανάστευσης ενέργειας τριπλής σε αυτοσυναρμολογούμενα μοριακά συστήματα. Στόχος του ήταν να δημιουργήσει μια μορφή χημείας μοριακών συστημάτων στην οποία η αυτοσυναρμολόγηση θα μπορούσε να εκτελέσει χρήσιμες λειτουργίες.
Τα επόμενα χρόνια, η ομάδα του σημείωσε σταθερή πρόοδο χρησιμοποιώντας συστήματα που βασίζονται σε λύσεις και με βάση το gel. Ωστόσο, η αποτελεσματική μετατροπή στερεάς κατάστασης ήταν δύσκολο να επιτευχθεί.
Μια μεγάλη ανακάλυψη έγινε τον Μάιο του 2024, λιγότερο από ένα χρόνο πριν ο Kimizuka συνταξιοδοτηθεί.
Οι επόμενοι μήνες μετατράπηκαν σε μια έντονη ώθηση για την ολοκλήρωση του έργου. Οι μεταπτυχιακοί φοιτητές Nayuki Harada, Hayato Shyama και Nutnicha Bunmong συνεργάστηκαν με τον Sasaki και τον τότε επίκουρο καθηγητή Kiichi Mizukami της Σχολής Μηχανικών του Πανεπιστημίου Kyushu για να ενοποιήσουν την πολυετή έρευνα σε μια τελική δημοσίευση.
«Παραδώσαμε το προσχέδιο στον καθηγητή Kimizuka μόλις 11 ημέρες πριν φύγει από το εργαστήριο, κάτι που φαινόταν σαν ένα ειλικρινές δώρο συνταξιοδότησης για εμάς», σημειώνει ο Sasaki.
«Αυτή η ανακάλυψη σηματοδοτεί το αποκορύφωμα της έρευνάς μας για περισσότερα από 14 χρόνια και ένα σημαντικό ορόσημο στη μελέτη της μετατροπής φωτονίων και της μοριακής αυτοσυναρμολόγησης», καταλήγει ο Kimizuka.
