Учёные разработали безопасный твёрдый материал для преобразования света в ультрафиолет

Разработка Университета Кюсю позволяет получать высокоэнергетическое УФ-излучение из солнечного света в твёрдом состоянии — это может упростить очистку воздуха, фотохимию и 3D-печать

Исследователи из японского Университета Кюсю создали новый твёрдый материал, который способен преобразовывать обычный видимый свет в высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение без применения токсичных растворителей. Работа, опубликованная в журнале Nature Communications, решает одну из ключевых задач технологии фотонной апконверсии — процесса, который позволяет получать один фотон высокой энергии из нескольких фотонов с меньшей энергией.

Ультрафиолетовое излучение имеет значительно большую энергию по сравнению с видимым светом, что делает его важным для множества технологий — от очистки воздуха и дезинфекции до отверждения полимерных смол в 3D-печати и различных фотохимических процессов. Однако на Землю попадает относительно небольшое количество ультрафиолета — около 6% солнечного излучения, и удаётся использовать лишь незначительную часть этого потока. Поэтому возможность преобразования обычного солнечного света в ультрафиолет рассматривается как многообещающая область исследований.

Основой новой технологии является явление фотонной апконверсии. В отличие от привычного мира, где две чашки тёплой воды не превращаются в одну чашку кипятка, в квантовой физике энергия нескольких частиц света может объединяться. В результате два фотона видимого света могут создать один фотон ультрафиолетового диапазона с более высокой энергией. Как отметил соавтор работы, доцент инженерного факультета Университета Кюсю Ёити Сасаки (Yoichi Sasaki), именно это объединение энергии фотонов и составляет суть новой технологии.

Механизм основан на процессе, известном как триплет-триплетная аннигиляция. Сначала молекула-поглотитель света переходит в специфическое возбужденное состояние, называемое триплетным. Затем эта энергия передаётся соседней молекуле. Когда две такие возбужденные молекулы взаимодействуют, их энергия объединяется, и возникает один фотон с более высокой энергией — в данном случае ультрафиолетовый.

Хотя сам принцип известен учёным уже много лет, его практическое применение долгое время было ограничено. До настоящего времени наиболее эффективные системы функционировали преимущественно в жидкостях, которые могли испаряться и часто требовали использования токсичных растворителей. Попытки перенести процесс в твёрдые материалы сталкивались с другой проблемой: молекулы располагались слишком близко друг к другу, что приводило к быстрому исчезновению возбужденных состояний ещё до того, как они успевали взаимодействовать.

Решением стала разработка на основе органического полупроводника дигидроинденоиндена (DHI). Учёные добавили к его молекулам алкильные цепочки — относительно простые органические фрагменты, которые позволили точно контролировать расстояния между соседними молекулами. В результате им удалось найти баланс: молекулы находятся достаточно близко для передачи энергии, но не настолько, чтобы возбуждённые состояния преждевременно исчезали.

Разработанный материал продемонстрировал эффективность преобразования света на уровне 1,9%. Это означает, что примерно из каждых ста поглощённых фотонов видимого света образуются два ультрафиолетовых фотона. На первый взгляд этот показатель может показаться невысоким, однако, как отмечают авторы, для твёрдых материалов, работающих исключительно с использованием естественного солнечного света, это весьма значительный результат. Многие существующие твердотельные системы не могут достичь таких показателей даже при гораздо более интенсивном искусственном освещении.

Авторы подчеркивают, что новая технология отличается сравнительно простой химической структурой и невысокой стоимостью производства, а на сам материал уже подана заявка на патент. Для профессора Нобуо Кимидзуки (Nobuo Kimizuka), одного из пионеров исследований фотонной апконверсии и почётного профессора Исследовательского центра технологий отрицательных выбросов Университета Кюсю, эта работа стала результатом более чем 14 лет исследований. Учёный завершил свою карьеру всего через 11 дней после завершения работы над статьёй. По его словам, достигнутый результат может стать важной вехой как для технологий преобразования света, так и для исследований молекулярной самоорганизации.