Rośnie znaczenie energii słonecznej jako odnawialnego źródła energii. Światło słoneczne zawiera wysokoenergetyczne światło UV o długości fali krótszej niż 400 nm, które może być szeroko stosowane np. itp.). Ta ostatnia jest często nazywana „sztuczną fotosyntezą”. Innym ważnym zastosowaniem jest reakcja fotokatalityczna za pomocą światła UV w celu skutecznego zabijania wirusów i bakterii. Niestety tylko około 4% ziemskiego światła słonecznego mieści się w zakresie UV w widmie elektromagnetycznym. To pozostawia dużą część widma światła słonecznego niewykorzystaną do tych celów.

Konwersja fotonów (UC) może być kluczem do rozwiązania tego problemu. Jest to proces przekształcania fotonów o dużej długości fali i niskiej energii (takich jak te obecne w świetle widzialnym) w fotony o krótkiej długości fali i wysokiej energii (takie jak te obecne w świetle UV) w procesie zwanym anihilacją tryplet-tryplet ” (TAK). Wcześniejsze prace w tej dziedzinie donosiły o widzialnym w UV UC przy użyciu roztworów rozpuszczalników organicznych, które wymagały najpierw odtlenienia roztworu, a następnie uszczelnienia w hermetycznym pojemniku, aby zapobiec ekspozycji na tlen, który dezaktywował i zdegradował próbki UC fotonów na bazie TTA. Materiały te nie tylko nie były fotostabilne w obecności tlenu, ale także nie radziły sobie skutecznie z padającym światłem o dużym natężeniu światła słonecznego. Kwestie te stanowiły przeszkody w praktycznych zastosowaniach fotonu UC.

Teraz dwóch naukowców z Tokyo Tech — prof. Yoichi Murakami i jego doktorant Riku Enomoto wymyślili rozwiązanie tych problemów – rewolucyjną litą błonę, która może wykonać UC fotonu widzialnego w UV dla słabego padającego światła, pozostając jednocześnie fotostabilna w powietrzu przez niespotykany dotąd czas. Opisują ten przełomowy wynalazek w swoim artykule opublikowanym w czasopiśmie The Dziennik Chemii Materiałowej C.

Prof. Murakami wyjaśnia nowatorstwo swoich badań: „Nasz wynalazek umożliwi praktyczne wykorzystanie widzialnej części światła o niskim natężeniu, takiego jak światło słoneczne i oświetlenie LED w pomieszczeniach, do zastosowań, które są skutecznie realizowane za pomocą światła UV. A jego fotostabilność — wykazano, że wynosi co najmniej ponad 100 godzin, nawet w obecności powietrza – jest to najwyższy wynik, jaki kiedykolwiek odnotowano w jakimkolwiek materiale fotonowym UC opartym na TTA, niezależnie od formy materiału, o ile mogliśmy badać.

Oprócz tej rekordowej fotostabilności, filmy te miały bardzo niski próg wzbudzenia (tylko 0,3x intensywność słońca) i wysoką wydajność kwantową UC na poziomie 4,3% (znormalizowana wydajność emisji UC na poziomie 8,6%) – oba w obecności powietrza – czyniąc to materiał jedyny w swoim rodzaju, ponieważ większość materiałów tej klasy traci zdolność fotonów UC pod wpływem powietrza.

Aby przygotować ten materiał, naukowcy stopili razem sensybilizator (tj. chromofor molekularny, który może absorbować fotony o większej długości fali) ze znacznie większą ilością anihilatora (tj. cząsteczki organicznej, która otrzymała trypletową energię wzbudzoną od sensybilizatora, a następnie spowodowała proces TTA); naukowcy wybrali kombinację sensybilizatora i anihilatora. Ten dwuskładnikowy stop został następnie schłodzony na powierzchni o kontrolowanym gradiencie temperatury, aby utworzyć cienką warstwę UC fotonu w stanie stałym widzialnym dla UV.

Ta nowatorska technika — krzepnięcie w gradiencie temperatury — jest wysoce kontrolowalna i powtarzalna, co oznacza, że ​​jest kompatybilna z realistycznymi procesami przemysłowymi. Prof. Murakami mówi nam: „Wierzymy, że krzepnięcie kontrolowane temperaturą może zapewnić solidną podstawę do opracowania zaawansowanych filmów fotonowych UC, również na stałym podłożu bez użycia rozpuszczalników organicznych, co po raz pierwszy wykazano w tej pracy”.

Wreszcie, aby zademonstrować UC fotonu widzialnego do UV cienkiej warstwy, naukowcy wykorzystali ją z symulowanym światłem słonecznym o natężeniu 1 słońca składającym się wyłącznie ze światła widzialnego, aby skutecznie utwardzić i zestalić żywicę, która w przeciwnym razie wymagałaby światła UV do ten sam proces.

W badaniu tym po raz pierwszy zaprezentowano nową klasę ciał stałych UC o niespotykanej fotostabilności, które można realistycznie wykorzystać do konwersji w górę fotonów światła widzialnego o niskim natężeniu na fotony światła UV w obecności powietrza.

„Nasze badania nie tylko rozszerzą eksplorację nowej klasy materiałów generujących promieniowanie UV, ale także pomogą w znacznym rozszerzeniu użyteczności obfitego słabego światła widzialnego w kierunku zastosowań napędzanych światłem UV” – podsumowuje prof. Murakami.