Лазерный мир

Ультрафиолетовый свет практически невидим человеческому глазу, но незаменим в промышленности: он обеззараживает воздух, мгновенно полимеризует смолы в 3D-принтерах, отверждает стоматологические пломбы. Проблема в том, что на долю УФ-излучения приходится лишь около 6% солнечного света, достигающего поверхности Земли, — и эффективно собирать даже эту долю не удавалось. Команда из Университета Кюсю (Фукуока, Япония) преодолела этот барьер, создав материал, который буквально «складывает» фотоны видимого света, чтобы получить один более энергичный ультрафиолетовый квант. Статья опубликована в Nature Communications.

Физика «апконверсии»: сложить два кванта в один

Процесс, лежащий в основе открытия, называется апконверсией фотонов — фотохимической реакцией, в которой два кванта с меньшей энергией объединяются в один квант с большей. Это выглядит как нарушение здравого смысла: обычно свет поглощается и тускнеет, а не становится более ярким.

Конкретный механизм — триплет-триплетная аннигиляция. Молекула-«донор» поглощает фотон видимого света и переходит в возбуждённое триплетное состояние. Затем передаёт эту энергию молекуле-«акцептору». Когда два возбуждённых акцептора сталкиваются, они «аннигилируют» свои возбуждения, выпуская единственный фотон — но более высокой энергии, уже в ультрафиолетовом диапазоне.

До сих пор этот процесс работал лишь в растворах или гелях и требовал мощных лазеров высокой интенсивности. В условиях обычного дневного освещения он был практически нереализуем.

Почему твёрдотельный — это прорыв

Команда профессора Нобуо Кимидзуки и ассистент-профессора Йоити Сасаки работала над этой задачей с 2012 года. Прорыв пришёл в мае 2024 года: исследователям удалось создать твёрдотельный молекулярный материал на основе стерически защищённых пи-электронных систем — молекул специальной архитектуры, которые самоорганизуются в плёнку с нужными свойствами.

В твёрдом состоянии молекулы расположены так близко, что передача энергии между ними происходит эффективно — но достаточно разупорядочены, чтобы не гасить сигнал. КПД преобразования в твёрдотельной системе составил 1,9%. Это звучит скромно, но для физики материалов это огромный шаг: прежде ни один твёрдый материал не мог выполнять апконверсию при естественном, неконцентрированном солнечном свете.

Применения: от очистки воздуха до 3D-печати

Потенциальная область применения:

— УФ-стерилизация воздуха в помещениях без специальных UV-ламп — Экологически чистая 3D-печать с отверждением смол без энергоёмкого облучателя — Фотокатализ в солнечных системах очистки воды — Быстрое отверждение стоматологических материалов от естественного освещения

Команда уже подала патент на материал, отмечая простой и недорогой синтез. «Это открытие — результат более 14 лет наших исследований и важный рубеж в фотонике», — говорит профессор Кимидзука.

Источник: https://pronedra.ru/sunlight-to-uv-energy-breakthrough-822233.html