Исследователи из Университета Кюсю (Kyushu University) разработали первый в мире твёрдотельный материал, способный объединять энергию двух фотонов видимого света в один высокоэнергетический ультрафиолетовый фотон. При этом для работы не нужны мощные лазеры — достаточно обычного дневного солнечного света.
Новый органический полупроводник на основе дигидроинденоиндендена (DHI) показал эффективность конверсии 1,9% в твёрдом состоянии — результат, который ранее удавалось получить только в жидких растворах или при использовании концентрированного лазерного излучения.
Как работает фото-апконверсия
Процесс называется фото-апконверсией через триплет-триплетную аннигиляцию (Triplet-Triplet Annihilation, TTA).
Сначала «донорская» молекула поглощает видимый свет и переходит в возбуждённое триплетное состояние. Затем она передаёт энергию «акцепторной» молекуле. Когда две такие возбуждённые молекулы сталкиваются, они «аннигилируют» — объединяют свою энергию и испускают один фотон с гораздо большей энергией, уже в ультрафиолетовом диапазоне.
Раньше такие системы работали только в жидкостях, часто токсичных и быстро испаряющихся. В твёрдом состоянии молекулы либо располагались слишком близко (их энергетические состояния перекрывались и гасили друг друга), либо слишком далеко, и передача энергии не происходила.
Почему именно этот материал сработал
Команда под руководством доцента Ёити Сасаки (Yoichi Sasaki) и при участии профессора-эмерита Нобуо Кимизуки (Nobuo Kimizuka) решила проблему, добавив к молекулам DHI короткие углеводородные цепочки. Эти цепочки сыграли роль молекулярных «распорок»: они удерживали молекулы на оптимальном расстоянии — достаточно близко для обмена энергией, но достаточно далеко, чтобы не мешать друг другу.
В результате удалось создать стабильную твёрдотельную систему, которая работает при обычном солнечном освещении без концентрации света. Эффективность 1,9% может показаться небольшой, но для данного типа процессов в твёрдом состоянии это серьёзный прорыв.
Где это можно применить
Ультрафиолетовое излучение широко используется в промышленности: для обеззараживания воздуха и воды, отверждения смол в 3D-печати, в стоматологии для быстрого затвердевания пломб. Однако в естественном солнечном спектре полезного УФ очень мало — всего около 6%.
Новый материал открывает возможность создавать солнечные «УФ-генераторы» без электричества и мощных ламп. В перспективе такие плёнки можно будет наносить на внутренние поверхности воздухоочистителей или использовать для экологичной 3D-печати при низкой интенсивности света — достаточно будет обычного дневного солнца.
Материал имеет относительно простую и недорогую синтез, на него уже подана патентная заявка. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
