Zwykłe światło jako ultrafiolet? Brzmi dziwnie, ale to prawda

Japońscy naukowcy opracowali materiał, który potrafi zebrać energię z dwóch fotonów światła widzialnego i wypuścić jeden foton ultrafioletu. I to nie w jakimś agresywnym laserze czy dziwnym płynie, tylko w ciele stałym działającym przy natężeniu zwykłego światła słonecznego.

Wszystko to na pierwszy rzut oka brzmi trochę jak językowa sztuczka. Światło widzialne ma przecież mniej energii niż ultrafiolet, więc jak miałoby się w niego zamienić? Sekret tkwi w zjawisku zwanym konwersją w górę. Materiał nie wzmacnia pojedynczego fotonu. Zamiast tego zbiera energię z kilku słabszych porcji światła i oddaje ją jako jedną, silniejszą.

W przypadku opisanym przez badaczy z Uniwersytetu Kiusiu chodzi o światło niebieskie o długości fali około 445 nm, które zostaje przekształcone w emisję ultrafioletową w okolicach 370 nm. Im krótsza długość fali, tym większa energia fotonu. Właśnie dlatego ultrafiolet potrafi uruchamiać reakcje chemiczne, których zwykłe światło widzialne nie ruszy albo zrobi to bardzo nieefektywnie.

Pamiętajmy, że UV jest używany wszędzie tam, gdzie światło ma nie tylko świecić, ale też coś robić: utwardzać żywice, uruchamiać fotokatalizę, pomagać w oczyszczaniu powietrza, inicjować reakcje chemiczne, sterylizować albo pracować w materiałach światłoczułych. Nowe badanie dotyka podobnego rdzenia problemu, bo zastanawia się nad tym, co da się zrobić, gdy światło zaczyna być reagentem, a nie tylko oświetleniem.

Słońce dostarcza Ziemi ogrom energii, ale nie w takiej formie, jakiej potrzebują wszystkie technologie. Duża część docierającego promieniowania to światło widzialne i podczerwień. Ultrafiolet stanowi tylko niewielki wycinek, a użyteczny zakres UV jest jeszcze węższy. W publikacji badacze przypominają, że zakres 300-400 nm to około 3 proc. energii światła słonecznego.

Właśnie dlatego tak kusi, żeby nie czekać na naturalny ultrafiolet, tylko spróbować wytwarzać go z tego, czego mamy pod dostatkiem. To trochę jak poszerzenie palety światła słonecznego: zamiast polegać wyłącznie na rzadkim składniku, próbujemy zrobić go z tego bardziej dostępnego.

Bardzo podobny sposób myślenia pojawia się w badaniach nad pozyskiwaniem energii ze światła. W tekście Fotowoltaika z nowym rekordem. Kierunek pokazały nam bakterie Bogdan opisywał system zbierania światła inspirowany naturą i oparty na precyzyjnym ułożeniu barwników. Tu również kluczowa okazuje się architektura cząsteczek. Nie wystarczy mieć dobre molekuły. Trzeba jeszcze ustawić je tak, żeby energia mogła wędrować właściwą drogą.

Mechanizm stojący za takim podbijaniem energii światła, czyli anihilacja tryplet-tryplet, został opisany już w latach 60. XX wieku. Wtedy badano opóźnioną fluorescencję anty-Stokesowską, a więc emisję fotonów o wyższej energii niż światło użyte do pobudzenia materiału. Sama praktyczna konwersja światła widzialnego do ultrafioletu przez TTA stała się jednak osobnym, dużo później intensywnie rozwijanym kierunkiem badań.

Problem polegał na tym, że dobrze działało głównie w cieczach. Cząsteczki mogły się swobodnie poruszać, spotykać i przekazywać sobie energię. Tyle że taki układ jest kłopotliwy w prawdziwym urządzeniu: rozpuszczalniki mogą być toksyczne, lotne, nietrwałe i niewygodne do zamknięcia w stabilnym materiale.

Ciało stałe na pierwszy rzut oka wydaje się idealne. Można zrobić folię, warstwę, kryształ, element urządzenia. Tylko że w ciałach stałych molekuły siedzą blisko siebie, a ich chmury elektronowe zaczynają się za mocno nakładać. Wtedy energia, zamiast pożytecznie przejść dalej, potrafi po prostu zgasnąć. W chemii i fizyce materiałów taki problem nazywa się wygaszaniem. Dla użytkownika oznacza to, że materiał się napracował, ale światła UV prawie nie ma.

Zespół z Uniwersytetu Kiusiu rozwiązał to przez bardzo precyzyjne rozsunięcie cząsteczek. Użyto organicznego półprzewodnika z rodziny DHI i dołączono do niego łańcuchy alkilowe. Te działają trochę jak dystanse na poziomie molekularnym. Cząsteczki są wystarczająco blisko, żeby przekazywać energię, ale nie tak blisko, żeby się wzajemnie dusić.

Nowy materiał osiągnął sprawność konwersji widzialnego światła do UV na poziomie 1,9 proc. Brzmi niby skromnie. Oznacza to mniej więcej dwa fotony ultrafioletowe na każde 100 pochłoniętych fotonów światła widzialnego. Nikt rozsądny nie będzie więc twierdził, że zastąpi to wszystkie lampy UV.

Tyle że tak naprawdę najważniejszy jest tu inny parametr. Materiał działa przy niskim natężeniu światła, porównywalnym ze światłem słonecznym. To robi różnicę, bo wiele wcześniejszych układów potrzebowało mocniejszego źródła albo wygodniejszych warunków laboratoryjnych. Tu mowa o ciele stałym, które ma niski próg wzbudzenia i radzi sobie bez płynnego nośnika.

Badacze osiągnęli też wysoką wydajność fluorescencji w ciele stałym, przekraczającą 60 proc. To właśnie ten element pokazuje, że materiał nie tylko łapie światło, ale potrafi utrzymać wzbudzone stany wystarczająco długo, aby doszło do właściwego spotkania energii. W tym mechanizmie dwa wzbudzone stany trypletowe spotykają się i zamieniają w jeden stan o wyższej energii, który emituje foton UV.

Najbardziej oczywiste zastosowania są tam, gdzie UV dziś jest potrzebny, ale niewygodny. Fotokataliza słoneczna mogłaby wykorzystywać większą część widma Słońca do reakcji chemicznych. Oczyszczanie powietrza mogłoby działać przy łagodniejszym świetle. Druk 3D i utwardzanie żywic mogłyby w przyszłości korzystać z układów, które nie wymagają tak intensywnego, bezpośredniego UV.

Nie oznacza to, że za chwilę na dachach pojawią się panele robiące ultrafiolet, a lampy UV znikną z gabinetów i drukarni. To nadal etap materiałowy, a nie gotowy produkt z półki. Trzeba sprawdzić trwałość, skalowanie produkcji, cenę, stabilność w rzeczywistym środowisku, bezpieczeństwo i to, czy w konkretnych zastosowaniach 1,9 proc. wystarczy.

Przeczytaj także:

Jednak tutaj już sama droga jest niezwykle ciekawa. Nie walczymy tu o kolejną minimalną poprawkę w klasycznym źródle światła. Chodzi o zmianę widma dostępnej energii. Jeśli materiał potrafi przekierować światło z obszaru, którego mamy dużo, do obszaru, którego potrzebują reakcje chemiczne, to dostajemy nowy rodzaj pośrednika między Słońcem a technologią.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI