Научное светило. Найден новый материал для сверхконверсии фотонов солнечного света

Значение солнечной энергии в качестве возобновляемого энергетического ресурса постоянно растет.

Солнечный спектр содержит высокоэнергетический ультрафиолетовый свет с длиной волны короче 400 нм, который может широко использоваться, например, для фотополимеризации с образованием смолы и активации фотокатализаторов для запуска реакций, которые генерируют зеленый водород или полезные углеводороды (топливо, сахара, олефины и т.д.). Этот способ часто называют искусственным фотосинтезом.

Еще одним важным применением считается фотокаталитическая реакция под действием ультрафиолетового света для эффективного уничтожения вирусов и бактерий. К сожалению, только около 4% земного солнечного света попадает в ультрафиолетовый диапазон электромагнитного спектра, в то время как большая часть солнечного света остается незадействованной.

Фотонная сверхконверсия (UC) может стать ключом к решению данной проблемы. Речь идет о процессе преобразования длинноволновых низкоэнергетических фотонов (таких как фотоны видимого света) в коротковолновые высокоэнергетические фотоны (такие как фотоны ультрафиолетового света) путем триплет-триплетной аннигиляциеи (ТТА).

В предыдущих работах в этой области сообщалось о фотоэлектрическом преобразовании видимого света в ультрафиолетовый с использованием растворов органических растворителей, причем раствор сначала был дезоксигенирован, а затем запечатан в герметичный контейнер для предотвращения воздействия кислорода, который деактивирует и разрушает образцы фотонной сверхконверсии на основе ТТА.

Такие материалы не только не обладали фотостабильностью в присутствии кислорода, но и не могли эффективно работать при падающем свете с интенсивностью солнечного излучения. Эти проблемы препятствовали практическому применению фотонной сверхконверсии.

Однако двое ученых из Токийского технологического института — профессор Йоичи Мураками и его аспирант Рику Эномото — нашли решение всех этих проблем: принципиально новая твердая пленка, которая может обеспечивать фотонную сверхконверсию от видимого до ультрафиолетового света при слабом падающем свете, оставаясь фотостабильной в течение беспрецедентно долгого времени на воздухе. Они описали это прорывное изобретение в своей статье, опубликованной в журнале Journal of Materials Chemistry C.

Профессор Мураками объясняет новизну своего исследования.

Наше изобретение позволит на практике использовать видимую часть низкоинтенсивного света, такого как солнечный свет и светодиодный комнатный свет, для решения задач, которые эффективно решаются с помощью ультрафиолетового света.

А его фотостабильность, продемонстрированная, по крайней мере, в течение более чем 100 часов, даже в присутствии воздуха, является самой высокой из когда-либо зарегистрированных для любого материала фотонной сверхконверсии на основе триплет-триплетной аннигиляции, независимо от формы.

Помимо рекордной фотостабильности эти пленки обладали ультранизким порогом возбуждения (всего 0,3-кратная солнечная интенсивность) и высоким квантовым выходом сверхконверсии 4,3% (обычная эффективность излучения сверхконверсии 8,6%), и все это в присутствии воздуха, что делает данный материал единственным в своем роде, поскольку большинство материалов этого класса на воздухе теряют свою способность к фотонной сверхконверсии.

Чтобы приготовить этот материал, исследователи сплавили вместе сенсибилизатор (т.е. молекулярный хромофор, способный поглощать фотоны с большей длиной волны) с гораздо большим количеством аннигилятора (т.е. органической молекулы, которая получала энергию триплетного возбуждения от сенсибилизатора и затем вызывала процесс ТТА). Затем этот двухкомпонентный расплав охлаждался на поверхности с контролируемым градиентом температуры для формирования твердотельной тонкой пленки сверхконверсии фотонов видимого и ультрафиолетового диапазона.

Эта новая технология — градиентное затвердевание при температуре — является высококонтролируемой и воспроизводимой, что означает, что она совместима с реальными промышленными процессами. Профессор Мураками говорит:

Мы считаем, что затвердевание под контролем температуры может стать прочной основой для разработки передовых пленок фотонной сверхконверсии, которые также могут быть получены на твердой подложке без использования органических растворителей, что впервые продемонстрировано в данной работе.

Наконец, чтобы показать фотонную сверхконверсию тонкой пленки в видимом и ультрафиолетовом диапазоне, исследователи применили ее с имитацией солнечного света однократной интенсивности, состоящего только из видимого света, для успешного отверждения и застывания смолы. В противном случае для того же процесса потребовался бы ультрафиолетовый свет.

Данное исследование впервые представило новый класс сверхконверсионных твердых веществ с беспрецедентной фотостабильностью, которые реально могут использоваться для сверхконверсии фотонов видимого света низкой интенсивности в фотоны ультрафиолетового света прямо на воздухе.

Наше исследование не только расширит возможности изучения нового класса материалов, генерирующих УФ-свет, но и поможет существенно улучшить применение обильного слабого видимого света в тех областях, где используется ультрафиолетовый свет, — заключает профессор Мураками.

30.01.2023


Подписаться в Telegram



Хайтек

Ученые МИСИС выяснили, как сделать суперконденсаторы ещё круче
Ученые МИСИС выяснили, как сделать суперконденсаторы ещё круче

Исследователи из университета МИСИС усове...

Science Advances: Ученые научились предсказывать водородное охрупчивание
Science Advances: Ученые научились предсказывать водородное охрупчивание

При выборе материала для инфраструктурных...

В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ
В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ

Образовательное пространство Технологическое м...

Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм
Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм

Магнитные материалы традиционно классифицируют...

Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу
Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу

Сильно взаимодействующие системы играют важную...

В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом

С помощью большой языковой модели инженеры Мас...

Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах

Исследовательская группа, работающая в UN...

Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий

Когда речь заходит о сверхпроводящих куби...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

В России предложили новую классификацию камней в почках по структуре и составу
В России предложили новую классификацию камней в почках по структуре и составу
ACS Nano: Благодаря 3D-печати ученые впервые увидели, как светятся наноструктуры
ACS Nano: Благодаря 3D-печати ученые впервые увидели, как светятся наноструктуры
Ученые МИСИС выяснили, как сделать суперконденсаторы ещё круче
Ученые МИСИС выяснили, как сделать суперконденсаторы ещё круче
Исследование МГПУ объясняет, как справиться с одиночеством в мегаполисе
Исследование МГПУ объясняет, как справиться с одиночеством в мегаполисе
Как музыка влияет на эмоции дошкольников: открытие психологов МГУ
Как музыка влияет на эмоции дошкольников: открытие психологов МГУ
Студент из Владивостока придумал товарные ценники на основе электронных чернил
Студент из Владивостока придумал товарные ценники на основе электронных чернил
Microgravity: Полет на Марс может не состояться из-за просроченных лекарств
Microgravity: Полет на Марс может не состояться из-за просроченных лекарств
Археологи СФУ нашли артефакты первых русских поселенцев Красноярска
Археологи СФУ нашли артефакты первых русских поселенцев Красноярска
Горные деревья спасаются от потепления, сползая и поднимаясь по склонам
Горные деревья спасаются от потепления, сползая и поднимаясь по склонам
Transportation Research: Выбросы абразива от поездов вызывают беспокойство
Transportation Research: Выбросы абразива от поездов вызывают беспокойство
Ученые из СПбГУТ отправились в научную экспедицию в Арктику
Ученые из СПбГУТ отправились в научную экспедицию в Арктику
Казанские ученые заявили, что адаптивность молочного скота важнее генетики
Казанские ученые заявили, что адаптивность молочного скота важнее генетики
Звездный магнетизм может указывать на потенциальную обитаемость экзопланеты
Звездный магнетизм может указывать на потенциальную обитаемость экзопланеты
IEEE Access: Актуатор в реабилитационных перчатках восстановит движение пальцев
IEEE Access: Актуатор в реабилитационных перчатках восстановит движение пальцев
Scientific Reports: Экологичное лечение спасает яйца кальмаров от паразита
Scientific Reports: Экологичное лечение спасает яйца кальмаров от паразита

Новости компаний, релизы

Конференция по актуальным проблемам водоподготовки
Ученые ТПУ в составе международной коллаборации выяснили, что смертность от болезней сердца в мире снизилась на 35% за после...
ПМЭФ-2024: СПбГУ представил систему контроля на основе искусственного интеллекта
ИТ: тренды индустрии и рынка труда
Медики СПбГУ создали линию мышей для разработки новых методов лечения слепоты у человека