Твёрдый материал, который "преобразует" фотоны видимого света в фотоны ультрафиолетового, может изменить то, как мы используем солнечный свет.
Важность солнечной энергии как возобновляемого энергетического ресурса возрастает. Солнечный свет содержит высокоэнергетический ультрафиолетовый свет с длиной волны короче 400 нм, который может широко использоваться, например, для фотополимеризации с образованием смолы и активации фотокатализаторов для запуска реакций, которые генерируют зелёный водород или полезные углеводороды (топливо, сахара, олефины и т.д.). Последний из них часто называют "искусственным фотосинтезом". Фотокаталитическая реакция под действием ультрафиолетового излучения для эффективного уничтожения вирусов и бактерий является ещё одним важным применением. К сожалению, только около 4% земного солнечного света попадает в ультрафиолетовый диапазон электромагнитного спектра. Это оставляет большую часть солнечного спектра неиспользованной для этих целей.
Преобразование фотонов с повышением (ПФП) может стать ключом к решению этой проблемы. Это процесс преобразования длинноволновых фотонов с низкой энергией (например, тех, которые присутствуют в видимом свете) к коротковолновым фотонам высокой энергии (например, присутствующим в ультрафиолетовом свете) с помощью процесса, называемого "триплет-триплетная аннигиляция" (TTA). В предыдущих работах в этой области сообщалось о ПФП в диапазоне от видимого до ультрафиолетового излучения с использованием растворов органических растворителей, которые требовали сначала деоксигенирования раствора, а затем герметизации в изолированном контейнере для предотвращения воздействия кислорода, который дезактивировал и разрушал образцы фотонного ПФП на основе TTA. Этим материалам не только не хватало фотостабильности в присутствии кислорода, но и не удавалось эффективно работать с падающим солнечным светом высокой интенсивности. Эти проблемы представляли собой препятствия на пути практического применения фотона ПФП.
Теперь два учёных из Токийского технологического института — проф. Йоичи Мураками и его аспирант Рику Эномото предложили решение этих проблем — революционную сплошную плёнку, которая может пропускать фотоны от видимого до ультрафиолетового излучения при слабом падающем свете, оставаясь при этом фотостабильной в течение беспрецедентно долгого времени на воздухе. Они описывают это прорывное изобретение в своей статье , опубликованной в журнале Materials Chemistry C.
Проф. Мураками объясняет новизну своего исследования: "Наше изобретение позволит практически использовать видимую часть света низкой интенсивности, такого как солнечный свет и светодиодное освещение в помещении, для приложений, которые эффективно выполняются с помощью ультрафиолетового излучения. А его фотостабильность, которая, как было продемонстрировано, составляет по крайней мере более 100 часов даже в присутствии воздуха, является самой высокой из когда—либо зарегистрированных для любого материала фотона ПФП на основе TTA, независимо от формы этого материала, за всё время, что мы могли исследовать ".
В дополнение к этой рекордной фотостабильности, эти плёнки имели сверхнизкий порог возбуждения (всего в 0,3 раза выше интенсивности солнца) и высокий квантовый выход ПФП— 4,3% (нормированная эффективность излучения ПФП — 8,6%) - оба в присутствии воздуха - что делает этот материал уникальным в своём роде, поскольку большинство материалов представители этого класса теряют способность поглощать фотоны при воздействии воздуха.
Чтобы получить этот материал, исследователи расплавили сенсибилизатор (т. е. молекулярный хромофор, который может поглощать фотоны с большей длиной волны) с гораздо большим количеством аннигилятора (т. е. органической молекулы, которая получала возбуждённую триплетом энергию от сенсибилизатора, а затем вызывала процесс TTA); комбинация сенсибилизатора и аннигилятора была выбрана исследователями. Затем этот двухкомпонентный расплав охлаждали над поверхностью с регулируемым градиентом температуры, образуя твёрдотельную тонкую пленку ПФП с фотонами в диапазоне от видимого до ультрафиолетового излучения.
Этот новый метод— отверждение в градиенте температуры — обладает высокой управляемостью и воспроизводимостью - это означает, что он совместим с реалистичными промышленными процессами. Проф. Мураками говорит: "Мы считаем, что терморегулируемое отверждение может обеспечить прочную основу для разработки усовершенствованных фотонных ПФП-пленок, в том числе на твёрдой подложке без использования органических растворителей, что впервые продемонстрировано в этой работе".
Наконец, чтобы продемонстрировать ПФП фотоны от видимого до ультрафиолетового излучения тонкой плёнки, исследователи использовали её с имитацией солнечного света интенсивностью в одно солнце, состоящего только из видимого света, для успешного отверждения смолы, для которой в противном случае потребовался бы ультрафиолетовый свет для того же процесса.
В этом исследовании впервые был представлен новый класс твёрдых ПФП-материалов с беспрецедентной фотостабильностью, которые могут быть реально использованы для преобразования фотонов видимого света низкой интенсивности в фотоны ультрафиолетового света в присутствии воздуха.
"Наше исследование не только расширит исследование нового класса материалов, генерирующих ультрафиолетовое излучение, но также поможет существенно расширить возможности использования обильного слабого видимого света в приложениях, которые управляются ультрафиолетовым излучением", - заключает профессор. Мураками.