Японские ученые нашли способ превращать обычный солнечный свет в ультрафиолетовое излучение

Японские ученые разработали новый твердый материал, способный преобразовывать обычный видимый свет в высокоэнергетическое ультрафиолетовое (УФ) излучение. Технология, созданная исследователями из Университета Кюсю, устраняет необходимость в использовании токсичных растворителей и считается революционным шагом в области фотонного апконверсии. Это открытие, опубликованное в журнале Натуре Коммуникатионс, в будущем может найти широкое применение в самых разных сферах — от очистки воздуха до технологий 3Д-печати. Об этом сообщает Иксбт.ком сообщает сообщается.

Ультрафиолетовое излучение обладает значительно более высокой энергией, чем видимый свет, что крайне важно для отверждения полимерных смол, дезинфекции и различных фотохимических процессов. Однако лишь 6% солнечного света, достигающего поверхности Земли, составляет ультрафиолет, и лишь малая его часть может быть использована на практике. Поэтому технология искусственного преобразования обычного солнечного света в УФ-лучи остается одним из приоритетных направлений современной науки.

Квантовая физика и слияние фотонов

В основе новой технологии лежит явление фотонной апконверсии. Согласно законам квантовой физики, несколько низкоэнергетических фотонов могут объединиться, образовав один высокоэнергетический фотон. Доцент Университета Кюсю Йоити Сасаки объясняет, что этот процесс можно сравнить с объединением двух чашек теплой воды, которые превращаются в одну чашку кипятка. Для реализации этого сложного процесса исследователи использовали специальный молекулярный механизм.

Процесс основан на механизме, называемом «триплет-триплетной аннигиляцией». Сначала молекула, поглощающая свет, переходит в возбужденное состояние и передает эту энергию соседней молекуле. Когда две такие возбужденные молекулы сталкиваются, их энергия объединяется, в результате чего излучается один ультрафиолетовый фотон. Если раньше такие системы эффективно работали только в жидкостях, то теперь этого результата удалось достичь и в твердых телах.

Отказ от жидких растворителей

Ранее системы фотонной апконверсии требовали использования токсичных и быстроиспаряющихся жидких растворителей. Попытки перенести их в твердые материалы заканчивались неудачей: из-за слишком близкого расположения молекул энергия гасла, не успев привести к столкновению. Японские ученые решили эту проблему с помощью органического полупроводника, называемого дигидроинденоином (ДХИ).

Прикрепив к молекулам ДХИ специальные алкильные цепи, ученые смогли точно контролировать расстояние между молекулами. Это обеспечило достаточную близость для передачи энергии, но предотвратило ее преждевременную потерю. Созданный материал показал эффективность 1,9%, что означает, что на каждые сто поглощенных фотонов видимого света образуются два УФ-фотона.

По словам авторов исследования, этот показатель является очень высоким результатом для твердых материалов, работающих под обычным солнечным светом. Многие существующие системы не достигают такой эффективности даже под мощным искусственным освещением. Поскольку химическая структура нового материала проста, а затраты на производство низки, на него уже подана заявка на патент.

Это открытие стало итогом 14-летней научной деятельности профессора Нобуо Кимидзука. Ученый вышел на пенсию спустя 11 дней после завершения своей статьи. По его мнению, эта технология откроет новую эру в повышении эффективности использования солнечной энергии и внедрении экологически чистых химических процессов.