Lampy bakteriobójcze będą wreszcie bezpieczne dla ludzi. Przełom nastąpił dzięki żarówkom LED

Każdy choć raz w życiu spotkał się z lampą bakteriobójczą emitującą promieniowanie ultrafioletowe, czy to w poczekalni do lekarza, w gabinecie lekarskim czy w aptece. Niezależnie od tego gdzie się z nimi spotkaliśmy, każda z nich miała wspólny mianownik: były oznaczone jako groźne dla człowieka.

Nadzieję na zmianę tego stanu rzeczy dają trzej fizycy z japońskiego instytutu badawczego Riken. Opracowali oni wysoce wydajną diodę LED, która w zabijaniu bakterii i mikrobów jest równie efektywna co tradycyjna lampa bakteriobójcza, lecz w przeciwieństwie do niej jest całkowicie bezpieczna dla ludzi. Japończycy swój wynalazek opisali w czasopiśmie Applied Physics Letters.

Powszechnie znane i wykorzystywane lampy bakteriobójcze mogą być wykonane z energooszczędnych diod LED. Jednak swoje właściwości zawdzięczają emitowaniu światła ultrafioletowego w spektrum, który uszkadza DNA - tak zwane promieniowanie UVC. Dlatego też nie mogą być one włączone w obecności ludzi.

Współcześnie produkowane bakteriobójcze lampy LED są wykonane z aluminium, galu oraz azotu. Poprzez zwiększenie ilości zawartego w lampach aluminium, diody te można zmodyfikować tak, aby długość fali emitowanych przez nie, była w zakresie bezpiecznym dla człowieka. Jednak zmiana trybu pracy na bezpieczny dla człowieka wiąże się z redukcją efektywności urządzenia w zwalczaniu mikrobów.

Fizycy połączyli razem wiele warstw, z których każda zawierała nieco inne proporcje aluminium, a w niektórych warstwach dodali także niewielkie ilości krzemu lub magnezu.

Ten zabieg pozwolił na stworzenie swego rodzaju toru przeszkód dla elektronów, znacznie utrudniając ich przemieszczanie się po materiale i zatrzymując je na dłużej w pewnych obszarach. To z kolei zwiększyło ilość światła emitowanego przez urządzenie i zmniejszyło ilość promieniowania przez nie absorbowanego.

Dzięki wykorzystaniu symulacji komputerowych badaczom udało się stworzyć modele wszystkich możliwych do stworzenia warstw materiału i wybrać najefektywniejsze rozwiązanie zaproponowane przez komputer. A to z kolei pozwoliło im na stworzenie lampy LED, która jest w stanie emitować promieni ultrafioletowych w paśmie bezpiecznym dla człowieka. Jednocześnie skonstruowana przez Japończyków lampa jest dziesięć razy bardziej skuteczna w zabijaniu bakterii w porównaniu do obecnie stosowanych rozwiązań, które są nieszkodliwe dla człowieka.

Światło ultrafioletowe (UV) to rodzaj naturalnie występującego promieniowania elektromagnetycznego, które znajduje się w świetle słonecznym. Promieniowanie ultrafioletowe stanowi około 10 proc. całkowitego światła generowanego przez słońce. UV ma długość fali krótszą niż światło widzialne, ale dłuższą niż promieniowanie rentgenowskie.

Długość fali tego światła waha się od 10 nanometrów do 400 nanometrów i jest podzielona na trzy kategorie: UVA (bliskie), UVB (średnie) i UVC (dalekie). Światło UV o długości fali mniejszej niż 290 nanometrów ma właściwości bakteriobójcze. Atmosfera Ziemi pochłania promieniowanie ultramagnetyczne o długości fali mniejszej niż 290nm, co oznacza, że większość UVC i UVB generowanych przez Słońce jest blokowana przez warstwę ozonową.

Właściwości bakteriobójcze promieniowania UVC zostały odkryte przez Arthura Downesa i Thomasa Blunta, którzy zaobserwowali i w 1877 roku opisali, że wystawienie probówek zawierających roztwór Pasteura na działanie światła słonecznego zapobiega wzrostowi mikroorganizmów w ich wnętrzu, a po wydłużeniu czasu ekspozycji probówki pozostają wolne od bakterii przez kilka miesięcy.

Po potwierdzeniu zdolności oświetlenia UV do zabijania patogenów, następnym krokiem było znalezienie sposobu na odtworzenie długości fali UV, dzięki czemu możliwa byłaby dezynfekcja powierzchni, powietrza i wody. Niels Finsen był pierwszym, który zaczął używać sztucznych źródeł promieniowania ultrafioletowego do leczenia chorób. W tym celu Finsen stworzył elektryczny łuk węglowy, który nazwał swoim imieniem, działający w niebieskim, "chemicznym" spektrum światła. Dokonania Finsena pozwoliły na stworzenie pierwszych komercyjnych lamp bakteriobójczych, działających w zakresie światła ultrafioletowego.

Światło ultrafioletowe zabija komórki poprzez uszkodzenie ich DNA. Ekspozycja na promieniowanie elektromagnetyczne (w tym przypadku światło) o określonej długości fali UV (tu: od 200 do 280 nanometrów) modyfikuje materiał genetyczny mikroorganizmów i niszczy ich zdolność do reprodukcji. Promieniowanie ultrafioletowe wyzwala reakcje w DNA, które prowadzą do wywołania mutacji i/lub śmierci komórki, a także uniemożliwiają jej dalsze rozmnażanie.