Düşük yoğunluklu görünür mavi ışık veya daha düşük enerjili fotonlar, yuvarlak bir cam alt tabaka üzerinde oluşturulmuş katı bir film kullanılarak daha yüksek enerjili UV fotonlarına dönüştürülüyor. Kredi: Prof. Yoichi Murakami
Güneş enerjisi, yenilenebilir bir enerji kaynağı olarak giderek daha önemli hale geliyor. Güneş ışığında bulunan 400 nm’den daha kısa dalga boyuna sahip yüksek enerjili UV ışığı, “yapay fotosentez” olarak bilinen bir süreçle yeşil hidrojen veya faydalı hidrokarbonlar üretmek için fotopolimerizasyon ve fotokatalizörleri aktive etmek gibi çeşitli şekillerde kullanılabilir.
UV ışığının virüsleri ve bakterileri fotokatalitik reaksiyonlar yoluyla etkili bir şekilde öldürme yeteneği de bir başka önemli uygulamadır. Bununla birlikte, güneş ışığının yalnızca küçük bir kısmı UV aralığına düşer ve spektrumun büyük bir kısmı bu amaç için kullanılmaz.
Foton üst dönüşümü (UC), bu sorunu çözmenin anahtarı olabilir. Uzun dalga boylu, düşük enerjili fotonların (görünür ışıkta bulunanlar gibi) kısa dalga boylu, yüksek enerjili fotonlara (UV ışığında bulunanlar gibi) “üçlü-üçlü yok olma” adı verilen bir işlemle dönüştürülmesi işlemidir. ” (TTA).
Bu alandaki önceki çalışmalarda, devre dışı bırakılan oksijene maruz kalmayı önlemek için önce solüsyonun oksijeninin giderilmesini ve ardından hava geçirmez bir kapta kapatılmasını gerektiren organik solvent solüsyonları kullanan UV’ye karşı görünür UC rapor edilmiştir. ve bozulmuş TTA tabanlı foton UC örnekleri. Bu malzemeler, yalnızca oksijen varlığında fotostabiliteden yoksun olmakla kalmadı, aynı zamanda güneş ışığı yoğunluğunda gelen ışıkla etkili bir şekilde performans gösteremedi. Bu sorunlar, foton UC’nin pratik uygulamalarında engeller oluşturdu.
Şimdi, Tokyo Tech’te iki bilim adamı—Prof. Yoichi Murakami ve lisansüstü öğrencisi Bay Riku Enomoto, bu sorunlara bir çözüm buldular: UV’ye görünür foton UC’yi zayıf gelen ışık için gerçekleştirebilen ve aynı zamanda daha önce görülmemiş bir süre boyunca fotostabil kalabilen devrim niteliğinde bir katı film. hava. Journal of Materials Chemistry C’de yayınlanan makalelerinde bu çığır açan buluşu anlatıyorlar.
Prof. Murakami, araştırmalarının yeniliğini şöyle açıklıyor: “Buluşumuz, UV ışığı ile etkili bir şekilde yapılan uygulamalar için güneş ışığı ve LED oda ışığı gibi düşük yoğunluklu ışığın görünür kısmının pratik kullanımını sağlayacaktır. Ve hava varlığında bile en az 100 saatin üzerinde olduğu gösterilen fotostabilitesi, araştırabildiğimiz sürece, malzemenin biçimi ne olursa olsun, herhangi bir TTA tabanlı foton UC malzemesinde şimdiye kadar bildirilen en yüksek değerdir.”{4 }
Bu rekor fotostabiliteye ek olarak, bu filmler çok düşük bir uyarım eşiğine (Güneş’in yoğunluğunun yalnızca 0,3 katı) ve %4,3’lük yüksek bir UC kuantum verimine (normalize edilmiş UC emisyon verimliliği %8,6) sahipti — her ikisi de hava—bu malzemeyi türünün tek örneği yapıyor çünkü bu sınıftaki çoğu malzeme havaya maruz kaldığında foton UC yeteneğini kaybediyor.
Araştırmacılar bu malzemeyi hazırlamak için bir hassaslaştırıcıyı (yani, moleküler kromofor) birlikte erittiler. çok daha büyük miktarda bir yok edici (yani, hassaslaştırıcıdan üçlü uyarılmış enerjiyi alan ve daha sonra TTA sürecine neden olan organik molekül) ile daha uzun dalga boylu fotonları emer); hassaslaştırıcı ve yok edici kombinasyonu araştırmacılar tarafından seçildi. Bu iki bileşenli eriyik daha sonra sıcaklık gradyanı kontrollü bir yüzey üzerinde soğutularak UV’ye görünür bir katı hal UC ince filmi oluşturuldu.
Bu yeni teknik -sıcaklık gradyanlı katılaştırma- yüksek düzeyde kontrol edilebilir ve tekrarlanabilirdir , bu da gerçekçi endüstriyel süreçlerle uyumlu olduğu anlamına gelir. Prof. Murakami bize, “Bu çalışmada ilk kez gösterildiği gibi, sıcaklık kontrollü katılaştırmanın, organik çözücüler kullanmadan katı bir alt tabaka üzerinde de gelişmiş foton UC filmleri geliştirmek için sağlam bir temel sağlayabileceğine inanıyoruz.”{ 4}
Son olarak, araştırmacılar, ince filmin UV’ye görünür foton UC’sini göstermek için, aksi takdirde bir reçineyi başarılı bir şekilde iyileştirmek ve katılaştırmak için bunu yalnızca görünür ışıktan oluşan 1-Güneş yoğunluğu simüle edilmiş bir güneş ışığı ile kullandılar. aynı işlem için UV ışığı gerektirir.
Bu çalışma, ilk kez, düşük yoğunluklu görünür ışık fotonlarının UV’ye dönüştürülmesi için gerçekçi bir şekilde kullanılabilen, benzeri görülmemiş fotostabiliteye sahip yeni bir UC katı sınıfı sundu. hava varlığında ışık fotonları. Murakami, “Araştırmamız, yalnızca yeni bir UV ışığı üreten malzeme sınıfının keşfini genişletmekle kalmayacak, aynı zamanda bol miktarda zayıf görünür ışığın faydasını UV ışığı tarafından yönlendirilen uygulamalara doğru önemli ölçüde genişletmeye yardımcı olacaktır” diye sözlerini sonlandırıyor Prof. Murakami.
Referans: Riku Enomoto ve Yoichi Murakami, 20 Aralık 2022, Journal’dan “Güneş altı eşiği ve havada 100 saatin üzerinde fotostabilite ile UV’ye görünür verimli foton üst dönüşümlü organik filmlerin solventsiz sıcaklık gradyanlı eriyik oluşumu” of Materials Chemistry C.
DOI: 10.1039/D2TC04578H
Çalışma, Japonya Bilimi Teşvik Derneği tarafından finanse edilmiştir.