I ricercatori dell'Università del Delaware hanno ricevuto una sovvenzione di 1 milione di dollari dal W.M. Keck Foundation per esplorare una nuova idea che potrebbe migliorare le celle solari, imaging medico e persino trattamenti contro il cancro. In poche parole, vogliono cambiare il colore della luce.

Non armeggeranno con quello che vedi fuori dalla tua finestra:niente giorni viola o notti chartreuse, nessuna modifica agli arcobaleni e ai tramonti ardenti. Il loro obiettivo è trasformare i colori della luce a bassa energia, come il rosso, in colori ad alta energia, come il blu o il verde.

Cambiare il colore della luce darebbe un notevole impulso alla tecnologia solare. Una cella solare tradizionale può assorbire la luce solo con energia al di sopra di una certa soglia. La luce infrarossa passa proprio attraverso, la sua energia non sfruttata.

Però, se quella luce a bassa energia potesse essere trasformata in luce ad alta energia, una cella solare potrebbe assorbire molto di più del sole pulito, gratuito, energia abbondante. Il team prevede che il loro nuovo approccio potrebbe aumentare l'efficienza delle celle solari commerciali dal 25 al 30 percento.

Il gruppo di ricerca, con sede presso il College of Engineering di UD, è guidato da Matthew Doty, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali e direttore associato della Nanofabrication Facility di UD. I co-investigatori di Doty includono Joshua Zide, Diane Sellers e Chris Kloxin, tutti nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali; ed Emily Day e John Slater, entrambi presso il Dipartimento di Ingegneria Biomedica.

"Questa prestigiosa sovvenzione da 1 milione di dollari della Fondazione Keck sottolinea l'eccellenza e l'innovazione della nostra facoltà dell'Università del Delaware, "dice Nancy Targett, presidente ad interim dell'Università. "Chiaramente, l'Università del Delaware sta perseguendo grandi idee nel campo delle energie rinnovabili e della biomedicina con il potenziale per beneficiare il mondo".

"Il piano strategico del Delaware Will Shine dell'università ci sfida a pensare con coraggio mentre cerchiamo soluzioni ai problemi che la società deve affrontare, "Domenico Grasso, Prevosto di UD, aggiunge. "Ci congratuliamo con il team di ricerca del College of Engineering per questo importante premio, e attendiamo con impazienza i loro risultati".

Cambiare il colore della luce

"Un raggio di luce contiene milioni e milioni di singole unità di luce chiamate fotoni, ", afferma il leader del progetto Matthew Doty. "L'energia di ciascun fotone è direttamente correlata al colore della luce:un fotone di luce rossa ha meno energia di un fotone di luce blu. Non puoi semplicemente trasformare un fotone rosso in uno blu, ma puoi combinare l'energia di due o più fotoni rossi per creare un fotone blu."

Questo processo, chiamato "fotone upconversion, "non è nuovo, dice Doty. Però, l'approccio del team UD ad esso è.

Vogliono progettare un nuovo tipo di nanostruttura a semiconduttore che agirà come un cricchetto. Assorbirà due fotoni rossi, uno dopo l'altro, per spingere un elettrone in uno stato eccitato quando può emettere un singolo fotone (blu) ad alta energia.

Queste nanostrutture saranno così minuscole che potranno essere visualizzate solo se ingrandite un milione di volte sotto un microscopio elettronico ad alta potenza.

"Pensa agli elettroni in questa struttura come se fossero in un parco acquatico, "Dice Doty. "Il primo fotone rosso ha solo energia sufficiente per spingere un elettrone a metà della scala dello scivolo d'acqua. Il secondo fotone rosso lo spinge verso l'alto. Quindi l'elettrone scende lungo la diapositiva, rilasciando tutta quell'energia in un unico processo, con l'emissione del fotone blu. Il trucco è assicurarsi che l'elettrone non scivoli giù dalla scala prima che arrivi il secondo fotone. La struttura a cricchetto a semiconduttore è il modo in cui intrappoliamo l'elettrone nel mezzo della scala finché non arriva il secondo fotone per spingerlo verso l'alto".

Il team UD svilupperà nuove strutture a semiconduttore contenenti più strati di materiali diversi, come l'arseniuro di alluminio e l'arseniuro di bismuto di gallio, ciascuno di pochi nanometri di spessore. Questo "paesaggio su misura" controllerà il flusso di elettroni in stati con energia potenziale variabile, trasformando i fotoni un tempo sprecati in energia utile.

Il team di UD ha dimostrato teoricamente che i loro semiconduttori potrebbero raggiungere un'efficienza di conversione dell'86 percento, il che sarebbe un grande miglioramento rispetto all'efficienza del 36% dimostrata dai migliori materiali di oggi. Cosa c'è di più, Doty dice, la quantità di luce assorbita e di energia emessa dalle strutture potrebbe essere personalizzata per una varietà di applicazioni, dalle lampadine alla chirurgia laser-guidata.

Come si inizia a creare strutture così piccole che possono essere viste solo con un microscopio elettronico? In una tecnica che il team UD utilizzerà, chiamata epitassia a fascio molecolare, le nanostrutture saranno costruite depositando strati di atomi uno alla volta. Ogni struttura sarà testata per vedere come assorbe ed emette luce, ei risultati verranno utilizzati per adattare la struttura al miglioramento delle prestazioni.

I ricercatori svilupperanno anche una soluzione simile al latte riempita con milioni di singole nanoparticelle identiche, ognuno contenente più strati di materiali diversi. I molteplici strati di questa struttura, come più conchiglie di caramelle in un M&M, implementerà l'idea del cricchetto fotonico. Attraverso tale lavoro, il team prevede una futura "vernice" di conversione che potrebbe essere facilmente applicata alle celle solari, finestre e altri prodotti commerciali.

Migliorare i test e i trattamenti medici

Mentre l'obiettivo iniziale del progetto triennale sarà il miglioramento della raccolta di energia solare, il team esplorerà anche le applicazioni biomediche.

Una serie di test diagnostici e trattamenti medici, che vanno dalle scansioni TC e PET alla chemioterapia, fare affidamento sul rilascio di coloranti fluorescenti e farmaci. Idealmente, tali carichi utili sono consegnati sia in siti specifici di malattie che in momenti specifici, ma questo è difficile da controllare in pratica.

Il team UD mira a sviluppare una nanoparticella di conversione che può essere attivata dalla luce per rilasciare il suo carico utile. L'obiettivo è ottenere il rilascio controllato di terapie farmacologiche anche in profondità all'interno del tessuto umano malato, riducendo al contempo il danno periferico al tessuto normale riducendo al minimo la potenza del laser richiesta.

"Questo è ad alto rischio, ricerca ad alto rendimento, " Doty dice. "Alto rischio perché non abbiamo ancora dati proof-of-concept. Alta ricompensa perché ha un enorme impatto potenziale nell'energia rinnovabile per la medicina. È incredibile pensare che questa stessa tecnologia possa essere utilizzata per raccogliere più energia solare e per curare il cancro. Siamo entusiasti di iniziare!"