Στον κβαντικό κόσμο, πολλαπλά φωτόνια χαμηλής ενέργειας μπορούν να συνδυαστούν για να παράγουν ένα μοναδικό φωτόνιο υψηλότερης ενέργειας.
Μια ερευνητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο Κιούσου ανέπτυξε ένα μοριακό υλικό στερεάς κατάστασης το οποίο «αναβαθμίζει» το ορατό φως σε υπεριώδες (UV) υπό κανονικό ηλιακό φως, επιτυγχάνοντας απόδοση μετατροπής 1.9%. Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Communications.
Το έντονο υπεριώδες φως είναι κάτι που οι περισσότεροι άνθρωποι αποφεύγουν το καλοκαίρι, ωστόσο είναι απαραίτητο σε τομείς που εκτείνονται από τον καθαρισμό του αέρα και τη σκλήρυνση ρητινών στην τρισδιάστατη εκτύπωση (3D printing) μέχρι τη σκλήρυνση τζελ σε οδοντιατρικά σφραγίσματα. Παρά τη σημασία του, το υπεριώδες φως αντιπροσωπεύει μόνο το 6% περίπου του ηλιακού φωτός που φτάνει στην επιφάνεια της Γης, με ένα μικρό μόνο μέρος αυτού να είναι πρακτικά αξιοποιήσιμο.
«Αυτό που κάνουμε εδώ είναι να “προσθέτουμε” την ενέργεια δύο φωτονίων ορατού φωτός για να δημιουργήσουμε ένα φωτόνιο υπεριώδους ακτινοβολίας. Πρόκειται για μια συναρπαστική διαδικασία που ονομάζεται άνω μετατροπή φωτονίων (photon upconversion)», εξηγεί ο Γιοίτσι Σασάκι, αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Μηχανικής του Πανεπιστημίου Κιούσου και κύριος συγγραφέας της μελέτης.
Πώς τα μόρια παράγουν υπεριώδες φως
Ένας μηχανισμός που επιτρέπει αυτή την άνω μετατροπή είναι η εκμηδένιση τριπλέτας – τριπλέτας (Triplet – Triplet Annihilation – TTA). Ένα μοριο – δότης απορροφά το ορατό φως και διεγείρει τα ηλεκτρόνιά του σε μια κατάσταση τριπλέτας υψηλής ενέργειας, την οποία στη συνέχεια μεταφέρει σε ένα γειτονικό μοριο – αποδέκτη. Όταν δύο τέτοιες καταστάσεις τριπλέτας συναντώνται, εξουδετερώνουν η μία την άλλη, απελευθερώνοντας τη συνδυασμένη ενέργειά τους ως φωτόνιο UV.
Η διαδικασία TTA λειτουργεί αποτελεσματικά στα υγρά, όπου τα μόρια κινούνται ελεύθερα και συγκρούονται εύκολα. Ωστόσο, αυτά τα συστήματα συχνά βασίζονται σε τοξικούς διαλύτες και παρουσιάζουν τάσεις εξάτμισης, περιορίζοντας την πρακτική τους χρήση. Για τον λόγο αυτό, οι επιστήμονες αναζητούσαν επί σειρά ετών εναλλακτικές λύσεις σε στερεά κατάσταση.
«Στα στερεά σώματα, τα μόρια είναι πυκνά συσκευασμένα και τα νέφη των π – ηλεκτρονίων – περιοχές υψηλής ηλεκτρονικής πυκνότητας που αιωρούνται πάνω και κάτω από κάθε μοριακό επίπεδο – μπορούν να επικαλύπτονται», αναφέρει ο Σασάκι. «Όταν συμβαίνει αυτό, οι καταστάσεις τριπλέτας σβήνουν εύκολα πριν προλάβουν να συναντηθούν. Τα μόρια πρέπει να βρίσκονται αρκετά κοντά για να μεταφερθεί η ενέργεια, αλλά και αρκετά διαχωρισμένα ώστε να αποφεύγεται η απόσβεση των εξιτονίων».
Ένα μοριακό κενό που λειτουργεί αποτελεσματικά
Η ομάδα βρήκε την απάντηση σε έναν οργανικό ημιαγωγό που ονομάζεται διυδροϊνδενοϊνδενίδιο (DHI). Προσδένοντας αλκυλικές αλυσίδες στα sp3 άτομα άνθρακα του DHI – τα οποία διαθέτουν τέσσερις δεσμούς προσανατολισμένους σε σταθερές τρισδιάστατες κατευθύνσεις – οι ερευνητές δημιούργησαν επακριβώς ελεγχόμενα κενά ανάμεσα στα γειτονικά μόρια, διατηρώντας τα αρκετά κοντά για τη μεταφορά ενέργειας χωρίς ανεπιθύμητες ισχυρές ηλεκτρονικές αλληλεπιδράσεις.
Το βελτιστοποιημένο υλικό παρουσιάζει ισχυρή εκπομπή φωτός, διεγερμένες καταστάσεις μεγάλης διάρκειας ζωής και αποδοτική μεταφορά ενέργειας, επιτυγχάνοντας κβαντική απόδοση φθορισμού στερεάς κατάστασης άνω του 60%. Με την προσθήκη ενός μορίου – δότη, το σύστημα αγγίζει απόδοση άνω μετατροπής 1.9%.
«Αυτό σημαίνει ότι παράγονται περίπου δύο φωτόνια UV για κάθε εκατό φωτόνια ορατού φωτός που απορροφώνται», προσθέτει ο Σασάκι. «Μπορεί να ακούγεται χαμηλό, αλλά λειτουργεί αποκλειστικά με το φυσικό ηλιακό φως. Τα περισσότερα υλικά στερεάς κατάστασης δεν μπορούν να το επιτύχουν αυτό, ακόμη και υπό πολύ υψηλότερη ένταση φωτός».
Για το υλικό έχει ήδη κατατεθεί αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας. Πέρα από την αποδοτικότητα, προσφέρει πλεονεκτήματα για πραγματικές εφαρμογές, καθώς χαρακτηρίζεται από απλή σύνθεση και χαμηλό κόστος πρώτων υλών. Η ομάδα διακρίνει πιθανές εφαρμογές στην ηλιακή φωτοκατάλυση, στον εσωτερικό καθαρισμό του αέρα και στις τρισδιάστατες εκτυπώσεις χαμηλής έντασης.
Ένα δώρο συνταξιοδότησης από το εργαστήριο
Για την ερευνητική ομάδα, η εργασία αυτή έχει και προσωπική σημασία.
Το 2012, ο Νομπούο Κιμιζούκα, τώρα ομότιμος καθηγητής στο Κέντρο Ερευνών για Τεχνολογίες Αρνητικών Εκπομπών του Πανεπιστημίου Κιούσου, πρωτοστάτησε στην έρευνα για την άνω μετατροπή φωτονίων μέσω μετανάστευσης ενέργειας τριπλέτας σε αυτοοργανούμενες δομές. Στόχος του ήταν να καθιερώσει μια χημεία μοριακών συστημάτων όπου η αυτοοργάνωση επιτελεί χρήσιμες λειτουργίες.
Η ομάδα του σημείωσε σταθερή πρόοδο σε συστήματα διαλυμάτων και γέλης (gel), ωστόσο η ανάπτυξη αποδοτικών συστημάτων στερεάς κατάστασης παρέμενε πρόκληση. Η σημαντική ανακάλυψη ήρθε τελικά τον Μάιο του 2024, λιγότερο από έναν χρόνο πριν από τη συνταξιοδότηση του Κιμιζούκα.
Ακολούθησε μια εντατική προσπάθεια, καθοδηγούμενη τόσο από τους κοινούς δεσμούς και την ευγνωμοσύνη όσο και από την επιστήμη. Οι μεταπτυχιακοί φοιτητές Ναογιούκι Χαράντα, Χαγιάτο Σογιάμα και Νουτνίτσα Μπούνμονγκ, μαζί με τον τότε επίκουρο καθηγητή Κιίτσι Μιζουκάμι, εργάστηκαν μαζί με τον Σασάκι για να συμπτύξουν χρόνια έρευνας σε ένα τελικό αποτέλεσμα.
«Παραδώσαμε το προσχέδιο στον καθηγητή Κιμιζούκα μόλις 11 ημέρες πριν αποχωρήσει από το εργαστήριο, κάτι που για εμάς λειτούργησε ως ένα εγκάρδιο δώρο συνταξιοδότησης», σημειώνει ο Σασάκι.
«Αυτή η ανακάλυψη αποτελεί το αποκορύφωμα πάνω από 14 ετών έρευνας και σηματοδοτεί ένα σημαντικό ορόσημο στην έρευνα της άνω μετατροπής φωτονίων και της μοριακής αυτοοργάνωσης», καταλήγει ο Κιμιζούκα.
