Medzinárodný tím vedcov preukázal prielom v dizajne a funkcii nanočastíc, ktoré by mohli zefektívniť solárne panely tým, že konvertujú svetlo, ktoré zvyčajne chýbajú slnečné články na využiteľnú energiu.

Tím, vedený vedcami na Národnom laboratóriu amerického ministerstva energetiky Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), demonštroval, ako nanášanie malých častíc s organickými farbivami významne zvyšuje ich schopnosť zachytiť blízke infračervené svetlo a opätovne vyzdvihnúť svetlo vo viditeľnom svetelnom spektre, ktoré by mohli byť tiež užitočné pre biologické zobrazovanie.

Akonáhle pochopili mechanizmus, ktorý umožňuje, aby farbivá na nanočasticiach fungovali ako antény na zhromažďovanie širokého spektra svetla, úspešne reengineered nanočastice na ďalšie zosilnenie vlastnosti častíc premeny svetla. Ich štúdia bola uverejnená online 23. apríla v prírode Photonics.

"Tieto organické farbivá zachytávajú široké zábery blízkeho infračerveného svetla," povedal Bruce Cohen, vedec z Berkeley Lab's Molecular Foundry, ktorý pomohol viesť štúdium spolu s vedcami Molecular Foundry P. Jamesom Schuckom (teraz na Columbia University) a Emory Chan , Molecular Foundry je výskumné centrum pre nanovedy.

"Keďže blízke infračervené vlnové dĺžky svetla sa často nepoužívajú v slnečných technológiách, ktoré sa zameriavajú na viditeľné svetlo," dodáva Cohen, "a tieto nanočastice citlivé na farbivo účinne premieňajú blízke infračervené svetlo na viditeľné svetlo, zvyšujú možnosť zachytenia dobrého časť solárneho spektra, ktorá sa inak dostane do odpadu a integruje ho do existujúcich solárnych technológií. "

Výskumníci zistili, že farbivo samo o sebe zosilňuje jas 335-násobného svetla a jeho interakcia s nanočasticami zvyšuje jeho účinnosť pri konvertovaní svetla asi o 100-krát.

Cohen, Schuck a Chan pracovali asi desať rokov na navrhovaní, výrobe a štúdiu konvertovaných nanočastíc (UCNP), ktoré boli použité v tejto štúdii. UCNP absorbujú blízke infračervené svetlo a účinne ho premieňajú na viditeľné svetlo, čo je nezvyčajná vlastnosť vďaka kombináciám iónov lantanidových kovov v nanokryštáloch. Štúdia z roku 2012 naznačuje, že farbivá na povrchu UCNP dramaticky zvyšujú vlastnosti premeny svetla častíc, ale tento mechanizmus zostal tajomstvom.

"Bola veľa vzrušenia a potom veľa zmätok," povedal Cohen. "Mali nás to poškriabať."

Hoci sa veľa výskumníkov pokúsilo reprodukovať štúdium v ​​nasledujúcich rokoch, "Málokto by mohol dostať publikovaný postup do práce," dodal Chan. "Zdá sa, že farbivá sa rozkladali takmer okamžite po vystavení svetlu a nikto presne nevedel, ako farby interagujú s povrchom nanočastíc."

Jedinečná kombinácia odborných znalostí a schopností v Molecular Foundry, ktorá zahŕňala teoretickú prácu a zmes experimentov, know-how v oblasti chémie a zdokonalené syntetické techniky, urobila poslednú štúdiu možná, poznamenal. "Je to jeden z tých projektov, ktoré by bolo ťažké robiť kdekoľvek inde."

Experimenty vedené Davidom Garfieldom, UC Berkeley Ph.D. študent a Nicholas Borys, vedecký pracovník projektu Molecular Foundry, ukázali symbiotický efekt medzi farbivom a lantanidovými kovmi v nanočasticiach.

Blízkosť farbív k lantanidom v časticiach zvyšuje prítomnosť stavu farbiva známeho ako "triplet", ktorý potom účinnejšie prenáša svoju energiu na lantanidy. Trojitý stav umožnil účinnejšiu konverziu viacerých infračervených jednotiek svetla, známych ako fotóny, do jednotlivých fotónov viditeľného svetla.

Štúdie ukázali, že zápas pri meraní svetelného vyžarovania farbiva a absorpcie častíc svetla potvrdil prítomnosť tohto trojitého stavu a pomohol informovať vedcov o tom, čo bolo v práci.

"Vrcholy (v emisiách farieb a absorpcii UCNP) sa zhodovali takmer presne," povedal Cohen.

Potom zistili, že zvýšením koncentrácie lantanidových kovov v nanočasticiach z 22% na 52% by mohli zvýšiť tento trojitý účinok na zlepšenie vlastností konvertovania svetla nanočastíc.

"Kovy podporujú farbivá do ich trojitých stavov, čo pomáha vysvetliť účinnosť prenosu energie a nestabilitu farbív, pretože triplety majú tendenciu degraduť vo vzduchu," povedal Cohen.

Nanočastice, ktoré merajú okolo 12 nanometrov alebo milióntiny metrov, by sa mohli potenciálne aplikovať na povrch solárnych článkov, aby im pomohli zachytiť viac svetla na premenu na elektrickú energiu, povedal Schuck.

"Farbivá pôsobia ako molekulárne koncentrátory solárnych koncentrátorov, ktoré zužujú energiu z blízkych infračervených fotónov do nanočastíc," povedal Schuck. Medzitým samotné častice sú vo veľkej miere priehľadné viditeľnému svetlu, takže by umožnili prejsť iné použiteľné svetlo, poznamenal.

Ďalším potenciálnym účelom je zaviesť nanočastice do buniek, ktoré pomôžu označiť bunkové komponenty pre optické mikroskopické štúdie. Môžu byť použité napríklad na zobrazovanie v hlbokých tkanivách alebo v optogenetike - pole, ktoré využíva svetlo na riadenie bunkovej aktivity.

Existuje niekoľko prekážok pre výskumníkov, ktoré by mohli prekonať realizáciu týchto aplikácií, povedal Cohen, pretože sú v súčasnosti nestabilné a boli študované v prostredí s dusíkom, aby sa zabránilo vystaveniu vzduchu.

Viac R a D je potrebné na posúdenie možných ochranných povlakov častíc, ako sú rôzne polyméry, ktoré slúžia na zapuzdrenie častíc. "Máme dokonca lepšie návrhy na mysli a pokračujeme," povedal.

solardayly/