Учёные из японского Университета Кюсю разработали новый твёрдый материал, способный преобразовывать обычный видимый свет в высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение без использования токсичных растворителей. Работа, опубликованная в журнале Nature Communications, решает одну из главных проблем технологии фотонной апконверсии — процесса, который позволяет получать один фотон высокой энергии из нескольких фотонов с меньшей энергией.
Ультрафиолетовое излучение обладает значительно большей энергией, чем видимый свет, что делает его важным для множества технологий — от очистки воздуха и обеззараживания до отверждения полимерных смол в 3D-печати и различных фотохимических процессов. Однако на поверхность Земли попадает относительно мало ультрафиолета — около 6% солнечного излучения, причём использовать удаётся лишь небольшую часть этого потока. Поэтому возможность преобразовывать обычный солнечный свет в ультрафиолет рассматривается как перспективное направление исследований.
В основе новой технологии лежит 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 способны породить один фотон ультрафиолетового диапазона с более высокой энергией. По словам соавтора работы, доцента инженерного факультета Университета Кюсю Ёити Сасаки (Yoichi Sasaki), именно это объединение энергии фотонов и является ключом к новой технологии.
Механизм основан на процессе, называемом триплет-триплетной аннигиляцией. Сначала молекула-поглотитель света переходит в особое возбуждённое состояние, называемое триплетным. Затем эта энергия передаётся соседней молекуле. Когда две такие возбуждённые 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 сих пор наиболее эффективные системы работали 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, из-за чего возбуждённые состояния быстро исчезали ещё до того, как успевали взаимодействовать.
Решением стала разработка на основе органического полупроводника дигидроинденоиндена (DHI). Учёные присоединили к его молекулам алкильные цепочки — относительно простые органические фрагменты, которые позволили точно контролировать расстояния между соседними молекулами. В результате удалось найти баланс: молекулы расположены достаточно близко для передачи энергии, но не настолько, чтобы возбуждённые состояния преждевременно гасились.
Полученный 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 показатель может показаться невысоким, однако, как отмечают авторы, для твёрдых материалов, работающих исключительно за счёт естественного солнечного света, это весьма значительный результат. Многие существующие твердотельные системы не способны достичь подобных показателей даже при гораздо более интенсивном искусственном освещении.
Авторы подчёркивают, что новая технология отличается сравнительно простой химической структурой и невысокой стоимостью производства, а на сам материал уже подана патентная заявка. 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 итогом более чем 14 лет исследований. Учёный завершил карьеру всего через 11 дней после окончания работы над статьёй. По его словам, полученный результат может стать важной вехой как для технологий преобразования света, так и для исследований молекулярной самоорганизации.