UV-valon kerääminen auringonvalosta

Kaksi kupillista lämmintä vettä ei tee yhtä kupillista kiehuvaa vettä. Mutta kvanttimaailmassa useat matalaenergiset fotonit voivat yhdistyä ja tuottaa yhden, korkeaenergisen fotonin.

Kyushun yliopiston tutkimusryhmä on kehittänyt kiinteän olomuodon molekyylimateriaalin, joka "päivittää" näkyvän valon ultraviolettivaloksi (UV) tavallisessa ulkoauringonvalossa ja saavuttaa 1,9 prosentin konversiotehokkuuden.

UV-valo on välttämätöntä monilla aloilla, kuten ilmanpuhdistuksessa ja hartsin kovettamisessa 3D-tulostuksessa, aina geelin kovettamiseen hammaspaikoissa ja kynsien koristelussa. Tärkeydestään huolimatta UV-säteily muodostaa vain noin 6 % maan pinnalle saapuvasta auringonvalosta, ja vain murto-osa tästä on käytännössä hyödynnettävissä.

”Tässä me ’laskemme yhteen’ kahden näkyvän valon fotonin energian ja muodostamme yhden ultraviolettifotonin. Se on kiehtova prosessi, jota kutsutaan fotonin ylöspäin muuntamiseksi”, selittää Yoichi Sasaki , Kyushun yliopiston teknillisen tiedekunnan apulaisprofessori ja tutkimuksen vastaava kirjoittaja.

Yksi mekanismi, joka mahdollistaa tällaisen ylöspäin suuntautuvan muuntamisen, on tripletti-tripletti-annihilaatio (TTA). TTA toimii hyvin nesteissä, joissa molekyylit liikkuvat vapaasti ja tripletit törmäävät helposti. Mutta nämä järjestelmät käyttävät usein myrkyllisiä liuottimia ja voivat haihtua, mikä rajoittaa niiden käytännön käyttöä. Siksi tiedemiehet ovat jo pitkään etsineet kiinteitä vaihtoehtoja.

”Kiinteissä aineissa molekyylit ovat tiiviisti pakkautuneet, ja π-elektronipilvet – molekyylitason ylä- ja alapuolella leijuvat suuren elektronitiheyden alueet – voivat olla päällekkäin”, Sasaki sanoo. ”Kun näin tapahtuu, tripletit haihtuvat helposti ennen kuin ne edes kohtaavat. Molekyylien on oltava riittävän lähellä toisiaan, jotta energia siirtyy, mutta riittävän erillään, jotta eksitonien sammuminen estyy.”

Tutkimusryhmä löysi vastauksen tähän orgaanisesta puolijohteesta nimeltä dihydroindenoindeeni (DHI). Kiinnittämällä alkyyliketjuja DHI:n sp³-hiiliatomeihin – joissa on neljä kiinteään kolmiulotteiseen suuntaan osoittavaa sidosta – tutkijat loivat tarkasti kontrolloituja rakoja naapurimolekyylien välille, pitäen ne riittävän lähellä energiansiirtoa varten ilman ei-toivottua voimakasta sähköistä vuorovaikutusta.

Materiaalille on haettu patenttia. Tehokkuuden lisäksi se tarjoaa etuja tosielämän käytössä, kuten suoraviivaisen synteesin ja edulliset lähtöaineet.

Tiimi näkee potentiaalisia sovelluksia aurinkoenergialla toimivassa fotokatalyysissä, sisäilman puhdistuksessa ja matalan intensiteetin 3D-tulostuksessa.

Aiheesta aiemmin:

Tehokkaita röntgensäteitä ja ultraviolettivaloa

Viritettäviä valovasteita ja pintoja