Japanische Wissenschaftler finden Weg, gewöhnliches Sonnenlicht in ultraviolette Strahlung umzuwandeln

Japanische Wissenschaftler haben ein neues festes Material entwickelt, das gewöhnliches sichtbares Licht in hochenergetische ultraviolette (UV) Strahlung umwandeln kann. Diese von Forschern der Kyushu-Universität entwickelte Technologie macht den Einsatz giftiger Lösungsmittel überflüssig und stellt einen revolutionären Schritt im Bereich der Photonen-Upconversion dar. Die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichte Entdeckung wird in Zukunft in Bereichen von der Luftreinigung bis hin zu 3D-Drucktechnologien Anwendung finden. Berichtet wird darüber von Ixbt.com Nachrichten berichtet.

Ultraviolette Strahlung besitzt eine wesentlich höhere Energie als sichtbares Licht und ist daher entscheidend für das Aushärten von Polymerharzen, die Desinfektion und verschiedene photochemische Prozesse. Allerdings machen ultraviolette Strahlen nur etwa 6 % des Sonnenlichts aus, das die Erdoberfläche erreicht, und nur ein kleiner Teil davon kann praktisch genutzt werden. Daher war die Technologie zur künstlichen Umwandlung von gewöhnlichem Sonnenlicht in UV-Strahlen eine der Prioritäten der modernen Wissenschaft.

Quantenphysik und Photonenfusion

Die neue Technologie basiert auf dem Phänomen der Photonen-Upconversion. Nach den Gesetzen der Quantenphysik können sich mehrere niederenergetische Photonen zu einem einzigen hochenergetischen Photon vereinen. Wie Yoichi Sasaki, außerordentlicher Professor an der Kyushu-Universität, erklärt, lässt sich dieser Prozess mit zwei Tassen warmem Wasser vergleichen, die zu einer Tasse kochendem Wasser verschmelzen. Die Forscher nutzten einen speziellen molekularen Mechanismus, um diesen komplexen Prozess zu realisieren.

Der Prozess basiert auf einem Mechanismus namens „Triplett-Triplett-Annihilation“. Zunächst gelangt ein lichtabsorbierendes Molekül in einen angeregten Zustand und überträgt diese Energie auf ein benachbartes Molekül. Wenn zwei solcher angeregten Moleküle kollidieren, vereint sich ihre Energie, woraus ein einzelnes ultraviolettes Photon entsteht. Während solche Systeme zuvor nur in Flüssigkeiten effektiv funktionierten, wurde dieses Ergebnis nun auch in Festkörpern erreicht.

Verzicht auf flüssige Lösungsmittel

Bisher benötigten Photonen-Upconversion-Systeme hauptsächlich giftige und leicht flüchtige flüssige Lösungsmittel. Versuche, diese auf feste Materialien zu übertragen, scheiterten: Da die Moleküle zu nah beieinander lagen, erlosch die Energie, bevor die Kollision stattfinden konnte. Japanische Wissenschaftler lösten dieses Problem mithilfe eines organischen Halbleiters namens Dihydroindene (DHI).

Durch das Anfügen spezieller Alkylketten an die DHI-Moleküle gelang es den Wissenschaftlern, den Abstand zwischen den Molekülen präzise zu steuern. Dies gewährleistete eine ausreichende Nähe für den Energietransfer, ohne dass die Energie vorzeitig verloren ging. Das resultierende Material wies eine Effizienz von 1,9 % auf, was bedeutet, dass aus jedem hundert absorbierten Lichtphotonen zwei UV-Photonen entstehen.

Die Autoren der Studie betonen, dass dieser Wert ein sehr hohes Ergebnis für Festkörpermaterialien ist, die unter gewöhnlichem Sonnenlicht arbeiten. Viele bestehende Systeme erreichen selbst unter starkem künstlichem Licht nicht diese Effizienz. Aufgrund der einfachen chemischen Struktur des neuen Materials und der geringen Produktionskosten wurde bereits ein Patent angemeldet.

Diese Entdeckung war das Ergebnis der 14-jährigen wissenschaftlichen Tätigkeit von Professor Nobuo Kimizuka. Der Wissenschaftler ging elf Tage nach Abschluss seines Artikels in den Ruhestand. Seiner Meinung nach wird diese Technologie eine neue Ära bei der Steigerung der Effizienz der Solarenergienutzung und der Einführung umweltfreundlicher chemischer Prozesse einleiten.