Un sistema molecolare di nuova concezione nel tubo di vetro a destra converte in modo efficiente la luce visibile anche dai tipici LED in luce ultravioletta attraverso l'annichilazione di triplette. Sviluppato dai ricercatori dell'Università di Kyushu, il sistema raggiunge un'efficienza di conversione del 20% in condizioni di luce ad alta intensità, raddoppiando i record precedenti, pur essendo relativamente efficiente anche in condizioni di luce debole. Credito:Nobuhiro Yanai, Università di Kyushu
I processi alimentati dalla luce dalla produzione di idrogeno alla purificazione dell'aria potrebbero vedere un aumento delle prestazioni sotto la luce ambientale grazie a un nuovo sistema di materiali in grado di convertire direttamente la luce visibile in luce ultravioletta con un'efficienza che raddoppia i record precedenti.
Sviluppato dai ricercatori dell'Università di Kyushu, il sistema raggiunge un'efficienza di conversione della luce del 20% ad alta intensità e mantiene prestazioni relativamente elevate anche in condizioni di luce debole, rendendolo promettente per sfruttare la luce visibile già intorno a noi per guidare applicazioni che richiedono luce ultravioletta ad alta energia.
Mentre le persone spesso cercano di evitare la luce ultravioletta a causa dei danni che può arrecare alla pelle, Nobuhiro Yanai, professore associato della Facoltà di Ingegneria dell'Università di Kyushu, ha cercato modi per aumentare il numero di questi raggi ad alta energia per alimentare i fotocatalizzatori che consentono una varietà di reazioni utili dalla produzione di idrogeno da utilizzare nei veicoli a celle a combustibile alla purificazione degli ambienti interni.
"Anche se sorgenti luminose dedicate come i LED ultravioletti possono essere utilizzate per guidare queste reazioni, consumano energia e aumentano la complessità, " spiega Yanai. "Invece, una soluzione molto più elegante è raccogliere la luce del sole e la luce ambientale interna che è già tutto intorno a noi."
Però, queste sorgenti di luce ambientale generalmente hanno una grande porzione della loro energia nella regione visibile a bassa energia e solo una frazione di essa nell'ultravioletto, così i ricercatori hanno cercato modi per convertire direttamente la luce visibile con lunghezze d'onda superiori a 400 nm in luce ultravioletta ad energia più elevata.
Per fare questo, il gruppo di ricerca guidato da Yanai e Nobuo Kimizuka si è concentrato su un processo chiamato annientamento tripletta-tripletta. In questo processo, Gli stati energetici chiamati triplette si formano sulle molecole in seguito all'assorbimento della luce visibile. Queste molecole "donatori" poi danno le loro triplette a molecole "accettori" che possono combinare due triplette per creare una singola, stato di energia superiore che viene rilasciato come luce ultravioletta.
Fino a poco tempo fa, l'efficienza massima riportata dell'upconversion convenzionale dalla luce visibile alla luce ultravioletta utilizzando l'annichilazione tripletta-tripletta era di circa il 10% e poteva essere raggiunta solo con la luce visibile 1, 000 volte più intenso della luce solare.
Yanai e il suo gruppo ora riferiscono sul diario Angewandte Chemie Edizione Internazionale che hanno infranto questo record, ottenendo anche efficienze notevolmente migliorate sotto la debole luce visibile del sole e dei LED interni.
"Abbiamo cercato di migliorare l'efficienza di questo processo per più di cinque anni, ma eravamo rimasti bloccati intorno al 5%, " dice Yanai. "Finalmente siamo stati in grado di fare un grande salto attraverso un nuovo design molecolare, che ci ha fornito le molecole giuste per prestazioni eccellenti."
La scarsa efficienza dell'annichilazione di triplette da parte delle molecole accettore che emettono ultravioletti e l'estinzione dell'emissione ultravioletta generata dalle molecole donatrici che creano triplette sono stati due problemi chiave che limitano le prestazioni.
Per superare questi problemi, i ricercatori hanno sviluppato una nuova molecola accettore, denominato TIPS-naftalene, che ha un'elevata efficienza di annientamento tripletta-tripletta e un'energia di tripletta abbastanza bassa da accettare facilmente triplette da una molecola chiamata Ir(C6) 2 (acac), un donatore superiore che hanno scoperto in precedenza che non assorbe fortemente l'emissione ultravioletta convertita.
La combinazione di TIPS-naftalene e Ir(C6) 2 (acac) ha raggiunto con successo la massima efficienza di conversione del 20,5% in condizioni di luce ad alta intensità.
Per di più, il sistema riesce inoltre ad abbassare notevolmente l'intensità della luce di eccitazione richiesta rispetto ai sistemi convenzionali, ottenendo efficienze di conversione di circa il 10% anche a intensità simili a quelle della luce solare.
"Questo sistema è in grado di convertire in modo efficiente la luce visibile a bassissima intensità in luce ultravioletta. Sono rimasto molto sorpreso dal fatto che siamo riusciti a ottenere la luce ultravioletta anche con i LED che di solito uso alla scrivania del mio ufficio, " commenta Yanai.
I ricercatori attribuiscono questa prestazione al legame rigido dei gruppi TIPS al centro naftalene della molecola accettore che aiuta a sopprimere il movimento molecolare interno che porta a perdite di energia e gli stessi gruppi TIPS regolano finemente l'energia della tripletta della molecola mantenendo l'emissione nell'ultravioletto.
Oltre a trovare modi per continuare a migliorare l'efficienza, i ricercatori stanno anche esplorando come ottenere le prestazioni del sistema altrettanto bene dalla soluzione per semplificare ulteriormente la sua applicazione a una varietà di processi guidati dalla luce.
