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Scoperto materiale solido che “converte” i fotoni della luce visibile in fotoni della luce UV potrebbe cambiare il modo in cui utilizziamo la luce solare
L’importanza dell’energia solare come risorsa energetica rinnovabile è in aumento. La luce solare contiene luce UV ad alta energia con una lunghezza d’onda inferiore a 400 nm, che può essere ampiamente utilizzata, ad esempio, per la fotopolimerizzazione per formare una resina e l’attivazione di fotocatalizzatori per guidare reazioni che generano idrogeno verde o idrocarburi utili (combustibili, zuccheri, olefine , eccetera.). Quest’ultima è spesso chiamata “fotosintesi artificiale”. La reazione fotocatalitica mediante luce UV per uccidere efficacemente virus e batteri è un’altra importante applicazione. Sfortunatamente, solo il 4% circa della luce solare terrestre rientra nella gamma UV nello spettro elettromagnetico. Ciò lascia una grande porzione dello spettro solare non sfruttata per questi scopi.
Photon upconversion (UC) potrebbe essere la chiave per risolvere questo problema. È il processo di conversione di fotoni a lunghezza d’onda lunga e bassa energia (come quelli presenti nella luce visibile ) in fotoni a lunghezza d’onda corta e alta energia (come quelli presenti nella luce UV) attraverso un processo chiamato “annichilazione tripletto-tripletto”. ” (TTA). Il lavoro precedente in questo campo ha riportato UC da visibile a UV utilizzando soluzioni di solventi organici che richiedevano che la soluzione fosse prima deossigenata e poi sigillata in un contenitore ermetico per prevenire l’esposizione all’ossigeno che disattivava e degradava i campioni di UC di fotoni basati su TTA. Questi materiali non solo mancavano di fotostabilità in presenza di ossigeno, ma non riuscivano nemmeno a funzionare efficacemente con luce incidente di intensità solare. Questi problemi hanno presentato ostacoli nelle applicazioni pratiche del fotone UC.
Ora, due scienziati della Tokyo Tech, il prof. Yoichi Murakami e il suo studente laureato Riku Enomoto hanno trovato una soluzione a questi problemi: una pellicola solida rivoluzionaria in grado di eseguire UC di fotoni da visibile a UV per luce incidente debole, pur rimanendo fotostabile per una quantità di tempo senza precedenti nell’aria. Descrivono questa invenzione rivoluzionaria nel loro articolo pubblicato sul Journal of Materials Chemistry C.
Il Prof. Murakami spiega la novità della loro ricerca: “La nostra invenzione consentirà l’utilizzo pratico della parte visibile della luce a bassa intensità, come la luce solare e la luce della stanza a LED, per applicazioni che vengono effettivamente eseguite con la luce UV. E la sua fotostabilità— dimostrato di essere almeno superiore a 100 ore, anche in presenza di aria, è il più alto mai riportato in qualsiasi materiale UC di fotoni basato su TTA, indipendentemente dalla forma del materiale, fintanto che abbiamo potuto rilevare”.
Oltre a questa fotostabilità record, queste pellicole avevano una soglia di eccitazione estremamente bassa (solo 0,3 volte l’intensità del sole) e un’elevata resa quantica UC del 4,3% (efficienza di emissione UC normalizzata dell’8,6%)—entrambi in presenza di aria—rendendo questo materiale unico nel suo genere, poiché la maggior parte dei materiali di questa classe perde la capacità UC dei fotoni se esposta all’aria.
Per preparare questo materiale, i ricercatori hanno fuso insieme un sensibilizzatore (cioè un cromoforo molecolare in grado di assorbire fotoni di lunghezza d’onda maggiore) con una quantità molto maggiore di un annichilatore (cioè una molecola organica che riceveva l’energia eccitata dalla tripletta dal sensibilizzatore e quindi causava il processo TTA); la combinazione del sensibilizzatore e dell’annichilatore è stata selezionata dai ricercatori. Questa fusione bicomponente è stata quindi raffreddata su una superficie a gradiente di temperatura controllata per formare un film sottile UC di fotoni visibili a UV allo stato solido.
Questa nuova tecnica , la solidificazione del gradiente di temperatura, è altamente controllabile e riproducibile, il che significa che è compatibile con processi industriali realistici. Il Prof. Murakami ci dice: “Riteniamo che la solidificazione a temperatura controllata possa fornire una solida base per lo sviluppo di film UC di fotoni avanzati, anche su un substrato solido senza l’utilizzo di solventi organici , come dimostrato per la prima volta da questo lavoro”.
Infine, per dimostrare il fotone da visibile a UV UC del film sottile, i ricercatori lo hanno usato con una luce solare simulata di intensità 1 solare costituita solo da luce visibile per polimerizzare e solidificare con successo una resina che altrimenti richiederebbe la luce UV per il stesso processo.
Questo studio ha presentato, per la prima volta, una nuova classe di solidi UC con una fotostabilità senza precedenti che può essere realisticamente utilizzata per l’upconversion di fotoni di luce visibile a bassa intensità in fotoni di luce UV in presenza di aria.
“La nostra ricerca non solo amplierà l’esplorazione di una nuova classe di materiali che generano luce UV, ma aiuterà anche ad ampliare sostanzialmente l’utilità dell’abbondante luce visibile debole verso applicazioni guidate dalla luce UV”, conclude il prof. Murakami.
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