Güneş Işığının Gizli Gücü: Sıradan Işığı UV Işığına Çeviren Akılalmaz Enerji Sıçraması
Güneş ışığı yeni bir seviyeye ulaştı: Bilim insanları, sıradan güneş ışığını UV ışığına dönüştüren bir malzeme geliştirdi ve güneş enerjili teknolojiler için yeni olanaklar açtı.
İki bardak ılık suyu bir araya döküp bir bardak kaynar su elde etmeyi beklediğinizi hayal edin. Bu günlük hayatta imkansızdır, ancak kuantum dünyasında benzer bir şey olabilir. Orada, foton olarak bilinen iki düşük enerjili ışık parçacığı, enerjilerini birleştirerek çok daha yüksek enerjili tek bir foton oluşturabilir.
Kyushu Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, sıradan görünür güneş ışığını ultraviyole (UV) ışığına dönüştürebilen katı hal moleküler bir malzeme geliştirdi. Malzeme, doğal dış mekan güneş ışığı altında %1,9’luk bir dönüşüm verimliliğine ulaştı. Bulguları 23 Haziran’da Nature Communications’da yayınlandı.
Görünür Güneş Işığını UV Işığına Dönüştürme
Çoğu insan yaz aylarında UV ışınlarına maruz kalmaktan kaçınmaya çalışsa da, ultraviyole ışık birçok teknolojide önemli bir rol oynar. Hava temizleme, 3D baskıda reçinelerin sertleştirilmesi ve diş dolgularında ve tırnak ürünlerinde jellerin sertleştirilmesi için kullanılır. Yine de, UV ışığı Dünya yüzeyine ulaşan güneş ışığının yalnızca yaklaşık %6’sını oluşturur ve bu küçük miktarın sadece bir kısmı pratik uygulamalar için kullanışlıdır.
“Burada yaptığımız şey, iki görünür ışık fotonunun enerjisini bir araya getirerek tek bir ultraviyole foton oluşturmaktır. Bu, foto-yükseltme adı verilen büyüleyici bir süreçtir,” diye açıklıyor Kyushu Üniversitesi Mühendislik Fakültesi’nde Doçent ve çalışmanın baş yazarı Yoichi Sasaki.
Foto-yükseltmeyi sağlamanın bir yolu, üçlü-üçlü yok olma (TTA) adı verilen bir süreçtir. Bu süreçte, bir “verici” molekül görünür ışığı emer ve elektronlarını yüksek enerjili bir üçlü duruma taşır. Bu enerji daha sonra yakındaki bir “alıcı” moleküle aktarılır. İki üçlü durum bir araya geldiğinde, enerjilerini birleştirir ve tek bir UV fotonu olarak serbest bırakırlar.
Bu yaklaşım sıvılarda iyi çalışır çünkü moleküller serbestçe hareket edebilir ve üçlü durumların daha kolay bir araya gelmesini sağlar. Ancak sıvı sistemler genellikle zehirli çözücüler gerektirir ve buharlaşabilirler, bu da onları gerçek dünya uygulamaları için daha az pratik hale getirir. Araştırmacılar yıllardır etkili bir katı hal alternatifi arıyorlar.
Daha İyi Bir Katı Hal Malzemesi Tasarlamak
“Katılarda, moleküller sıkıca paketlenmiştir ve her moleküler düzlemin üstünde ve altında bulunan yüksek elektron yoğunluğuna sahip bölgeler olan π elektron bulutları üst üste gelebilir,” diyor Sasaki. “Bu olduğunda, üçlüler hiç karşılaşmadan kolayca söner. Moleküller, enerjinin aktarılması için yeterince yakın, ancak eksitonların sönmesini önlemek için yeterince ayrı olmalıdır.”
Bu sorunun üstesinden gelmek için araştırmacılar, dihidroindenoindenedene (DHI) adı verilen organik bir yarı iletkene yöneldiler. DHI’nin sp3 karbon atomlarına, sabit 3 boyutlu yönlerde dört bağa sahip alkil zincirleri bağladılar. Bu tasarım, komşu moleküller arasında dikkatlice kontrol edilen bir mesafe oluşturarak, enerjinin aktarılması için yeterince yakın kalmalarını sağlarken, verimliliği azaltan güçlü elektronik etkileşimleri de önledi.
Sonuç olarak elde edilen malzeme, parlak ışık yayılımı üretti, uzun ömürlü uyarılmış durumları korudu ve enerjiyi verimli bir şekilde aktardı. Ayrıca %60’ın üzerinde katı hal floresans kuantum verimi elde etti. Bir verici molekülle eşleştirildiğinde, %1,9’luk bir fotoyükseltme verimliliğine ulaştı.
“Bu, emilen her yüz görünür ışık fotonu için yaklaşık iki UV fotonunun üretildiği anlamına geliyor,” diye ekliyor Sasaki. “Düşük gibi gelebilir, ancak sadece doğal güneş ışığıyla çalışıyor. Çoğu katı hal malzemesi, çok daha yüksek ışık yoğunluğunda bile bunu başaramaz.”
Güneş Işığıyla Çalışan UV Işığının Potansiyel Kullanım Alanları
Ekip, yeni malzeme için patent başvurusunda bulundu. Performansının yanı sıra, malzeme nispeten basit bir şekilde üretiliyor ve ucuz başlangıç malzemelerine dayanıyor. Araştırmacılar, bunun sonunda güneş enerjisiyle çalışan fotokataliz, iç mekan hava arıtma ve düşük yoğunluklu 3D baskı için kullanılabileceğine inanıyor.
On Yıldan Fazla Süren Bir Atılım
Araştırmacılar için proje, bilimsel bir başarıdan daha fazlasını temsil ediyor.
2012 yılında, şu anda Kyushu Üniversitesi Negatif Emisyon Teknolojileri Araştırma Merkezi’nde Emekli Profesör olan Nobuo Kimizuka, kendi kendine birleşen yapılarda üçlü enerji göçü yoluyla foton yukarı dönüşümü üzerine öncü çalışmalara başladı. Amacı, kendi kendine birleşmenin faydalı işlevler gerçekleştirdiği moleküler sistemler geliştirmekti. Yıllar içinde ekibi, çözeltiler ve jeller kullanarak önemli ilerleme kaydetti, ancak verimli bir katı hal sistemi oluşturmak çözülmemiş bir sorun olarak kaldı.
Bu durum, Kimizuka’nın emekli olmasından bir yıldan az bir süre önce, Mayıs 2024’te değişti.
Lisansüstü öğrencileri Naoyuki Harada, Hayato Shoyama ve Nutnicha Boonmong, o zamanki Kyushu Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Yardımcı Doçenti Kiichi Mizukami ile birlikte, yıllarca süren araştırmaları bir araya getirmek için yoğun bir çabaya girdiler.
Sasaki, “Taslağı Profesör Kimizuka’ya laboratuvardan ayrılmasından sadece 11 gün önce teslim ettik, bu da bizim için yürekten bir emeklilik hediyesi gibiydi,” diye belirtiyor.
Kimizuka, “Bu keşif, 14 yılı aşkın süredir yürüttüğümüz araştırmaların doruk noktasıdır ve foton yukarı dönüşümü ve moleküler kendi kendine birleşme araştırmalarında önemli bir dönüm noktasıdır,” diyerek sözlerini tamamladı.
Kaynak: https://scitechdaily.com
Ultraviyole Işık Yıldızlararası Bir Sırrı mı Açığa Çıkardı? 3I/ATLAS Neyi Gizliyor?