Στερεό υλικό μετατρέπει το ηλιακό φως σε υπεριώδη ακτινοβολία

Σύνοψη

• Ερευνητές του Πανεπιστημίου Kyushu ανέπτυξαν μια μέθοδο παραγωγής υπεριώδους (UV) ακτινοβολίας μέσω ενός νέου στερεού οργανικού ημιαγωγού.
• Το υλικό αξιοποιεί την τεχνική «photo upconversion», αθροίζοντας την ενέργεια δύο φωτονίων ορατού ηλιακού φωτός για να δημιουργήσει ένα φωτόνιο UV, χωρίς την ανάγκη εξωτερικής πηγής ενέργειας.
• Σε αντίθεση με παλαιότερες προσπάθειες που περιελάμβαναν τοξικά υγρά, ο νέος ημιαγωγός (DHI) επιτρέπει την αποτελεσματική μεταφορά ενέργειας σε στερεά μορφή ελέγχοντας απόλυτα τα μοριακά κενά.
• Το σύστημα καταγράφει κβαντική απόδοση φθορισμού άνω του 60% και μετατροπή ορατού φωτός σε UV της τάξης του 1.9%, νούμερο κομβικό για εφαρμογές υπό φυσικό φως.
• Η τεχνολογία ανοίγει τον δρόμο για παθητικό καθαρισμό αέρα, ταχύτερο πολυμερισμό ρητινών (3D printing) και προηγμένες οδοντιατρικές εφαρμογές, παρουσιάζοντας τεράστιο ενδιαφέρον για χώρες με υψηλή ηλιοφάνεια όπως η Ελλάδα.

Η υπεριώδης ακτινοβολία (UV) αποτελεί τον ακρογωνιαίο λίθο για αμέτρητες βιομηχανικές και ιατρικές εφαρμογές σήμερα, από τον πολυμερισμό υλικών στην τρισδιάστατη εκτύπωση και την οδοντιατρική, μέχρι τη φωτοκατάλυση και τον καθαρισμό του αέρα ή του νερού. Παρά τη χρησιμότητά της, η υπεριώδης ακτινοβολία αντιπροσωπεύει μόλις το 6% του ηλιακού φάσματος που φτάνει στην επιφάνεια της Γης. Ως αποτέλεσμα, η βιομηχανία βασίζεται αποκλειστικά σε ενεργοβόρους λαμπτήρες υδραργύρου ή συστοιχίες UV LED, λύσεις που απαιτούν συνεχή κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Μια νέα ανακάλυψη από το Πανεπιστήμιο Kyushu έρχεται να αναδιαμορφώσει αυτή τη συνθήκη, παρουσιάζοντας το πρώτο αποδοτικό στερεό υλικό που μπορεί να αναβαθμίσει παθητικά το συνηθισμένο ηλιακό φως σε UV.

Πώς λειτουργεί η διαδικασία photo upconversion

Η διαδικασία «photo upconversion» μετατρέπει το ορατό φως χαμηλής ενέργειας σε υπεριώδη ακτινοβολία υψηλής ενέργειας. Στην πράξη, το υλικό απορροφά δύο φωτόνια ορατού φωτός και αθροίζει την ενέργειά τους για να απελευθερώσει ένα μόνο, ισχυρότερο φωτόνιο UV, αξιοποιώντας τον κβαντικό μηχανισμό της εξουδετέρωσης τριπλής κατάστασης (TTA) κάτω από συνθήκες φυσικού ηλιακού φωτισμού.

Για να κατανοήσουμε τον μηχανισμό εξουδετέρωσης τριπλής κατάστασης (Triplet-Triplet Annihilation - TTA), πρέπει να εμβαθύνουμε στη συμπεριφορά των μορίων υπό την επίδραση του φωτός. Ένα μόριο-δότη (donor) απορροφά το ορατό φως. Τα ηλεκτρόνιά του διεγείρονται σε μια ενεργειακά ανώτερη «τριπλή» κατάσταση. Η ενέργεια αυτή μεταφέρεται σε ένα γειτονικό μόριο-αποδέκτη (acceptor). Όταν δύο τέτοιες διεγερμένες τριπλές καταστάσεις διασταυρωθούν, ενώνονται. Το αποτέλεσμα της «εξουδετέρωσής» τους είναι η στιγμιαία απελευθέρωση όλης της συσσωρευμένης ενέργειας με τη μορφή ενός ισχυρότερου φωτονίου UV.

Ιστορικά, το φαινόμενο TTA μελετάται εντατικά εδώ και δεκαετίες. Ωστόσο, η εφαρμογή του περιοριζόταν κυρίως σε υγρά μέσα όπου τα μόρια κινούνται ελεύθερα, επιτρέποντας στις τριπλές καταστάσεις να συναντώνται εύκολα. Το πρόβλημα των υγρών συστημάτων έγκειται στην τοξικότητα των διαλυτών, την τάση τους να εξατμίζονται και τη δυσκολία ενσωμάτωσής τους σε συμπαγείς, καταναλωτικές ή βιομηχανικές διατάξεις. Η μετάβαση της μεθόδου σε στερεά μορφή αποτελούσε μια διαρκή τεχνολογική πρόκληση, την οποία κλήθηκε να επιλύσει η ιαπωνική ερευνητική ομάδα.

Ο ρόλος του οργανικού ημιαγωγού DHI

Στα στερεά υλικά, η ασφυκτική εγγύτητα των μορίων προκαλεί την εξουδετέρωση της ενέργειας πριν επιτευχθεί η εκπομπή του φωτονίου UV, καθώς τα νέφη των π-ηλεκτρονίων αλληλοεπικαλύπτονται υπερβολικά. Η λύση δόθηκε με τη χρήση του οργανικού ημιαγωγού DHI, ο οποίος τροποποιήθηκε δομικά μέσω της προσθήκης αλκυλικών αλυσίδων στα sp3 άτομα άνθρακα, διασφαλίζοντας την ακριβή απόσταση μεταξύ των μορίων ώστε η μεταφορά ενέργειας να παραμένει απρόσκοπτη.

Ο αναπληρωτής καθηγητής Yoichi Sasaki και η ερευνητική του ομάδα εφάρμοσαν μια μηχανική προσέγγιση σε μοριακό επίπεδο. Τα sp3 άτομα άνθρακα διαθέτουν τέσσερις δεσμούς που κατευθύνονται σε σταθερές θέσεις στον τρισδιάστατο χώρο. Προσαρτώντας εκεί τις αλκυλικές αλυσίδες, δημιούργησαν αυτό που οι χημικοί ονομάζουν «στερική προστασία», καθώς οι αλυσίδες αυτές λειτουργούν ως φυσικοί διαχωριστές, κρατούν τα γειτονικά μόρια αρκετά κοντά ώστε να επιτρέπεται η ροή της ενέργειας, αλλά ταυτόχρονα αρκετά μακριά ώστε να αποτρέπεται η επικαλυπτική αδρανοποίηση των εξιτονίων. Το αποτέλεσμα είναι ένα υλικό που παρουσιάζει εκπληκτική σταθερότητα και ισχυρή φωταύγεια, ξεπερνώντας τα δομικά προβλήματα όλων των προηγούμενων οργανικών κρυστάλλων.

Απόδοση και τεχνικά χαρακτηριστικά της ανακάλυψης

Μετρήσεις έδειξαν ότι το νέο μοριακό υλικό καταγράφει κβαντική απόδοση φθορισμού άνω του 60% στη στερεά του κατάσταση. Σε συνδυασμό με ένα κατάλληλο μόριο-δότη, το σύστημα πετυχαίνει απόδοση μετατροπής της τάξης του 1.9%, δημιουργώντας πρακτικά δύο φωτόνια UV για κάθε εκατό φωτόνια ορατού φωτός που προσπίπτουν στην επιφάνειά του.

Το ποσοστό του 1.9% ενδέχεται να ακούγεται μικρό, εντούτοις για τον τομέα των στερεών υλικών παθητικής φωτομετατροπής πρόκειται για ένα ασύλληπτο επίτευγμα. Τα περισσότερα στερεά υλικά αδυνατούν να καταγράψουν τέτοιες επιδόσεις ακόμη και κάτω από υπερβολικά συμπυκνωμένο φως εργαστηρίου (με τη χρήση πανίσχυρων laser). Το υλικό του Πανεπιστημίου Kyushu επιτυγχάνει αυτά τα νούμερα λειτουργώντας αποκλειστικά υπό την ένταση του φυσικού, καθημερινού ηλιακού φωτός, εδραιώνοντας τη βιωσιμότητα της τεχνολογίας για άμεση εμπορική εκμετάλλευση. Επιπλέον, το κόστος παραγωγής αναμένεται να είναι χαμηλό, καθώς απαιτεί εύκολη διαδικασία σύνθεσης με ιδιαίτερα φθηνές πρώτες ύλες, επιτρέποντας τη μαζική βιομηχανική παραγωγή χωρίς την ανάγκη σπάνιων γαιών.