ماده جامد کیوشو نور خورشید را به فرابنفش تبدیل می کند

نور وقتی مولکول‌ها با هدفی دقیق کنار هم چیده می‌شوند، رفتارهای غیرمنتظره‌ای نشان می‌دهد. یک گروه پژوهشی در دانشگاه کیوشو ماده‌ای جامد ساخته است که نور مرئی معمولی خورشید را، در شدت طبیعی تابش آفتاب، به فوتون‌های فرابنفش تبدیل می‌کند. این جادو نیست؛ مهندسی مولکولی است که سرانجام یک ترفند سرسخت کوانتومی را بیرون از محلول‌های مایع مهار کرده است.

ماده جامد جدید دانشگاه کیوشو نور مرئی را در شدت نور خورشید به فرابنفش پرانرژی تبدیل می‌کند. پژوهشگران با اتصال زنجیره‌های آلکیل به اتم‌های کربن sp3 یک مولکول آلی، فاصله‌هایی کاملا کنترل‌شده میان مولکول‌های مجاور ایجاد کرده‌اند. این فاصله‌گذاری انتقال کارآمد انرژی تریپلت را ممکن می‌سازد و در حالت جامد به بازده کوانتومی بالاتر از ۶۰ درصد می‌رسد. این سامانه در ترکیب با یک مولکول دهنده، به بازده ۱.۹ درصدی در تبدیل نور مرئی به فرابنفش دست یافته است. 

چگونه دو فوتون به یک فوتون پرانرژی‌تر تبدیل می‌شوند

دستاورد این گروه بر فرایندی کوانتومی به نام آپ‌کانورژن از راه نابودی تریپلت-تریپلت استوار است. می‌توان دو فوتون مرئی کم‌انرژی را مانند دو سهم کوچک در نظر گرفت که وقتی از مسیر یک جفت مولکول هدایت می‌شوند، انرژی خود را روی هم می‌گذارند و یک فوتون واحد در ناحیه فرابنفش می‌سازند. این فوتون فرابنفش از هر یک از فوتون‌های اولیه انرژی بیشتری دارد. بنابراین با یک جابه‌جایی انرژی به سطح بالاتر روبه‌رو هستیم، نه تقویت به معنای کلاسیک آن.

در عمل، یک مولکول دهنده نور مرئی را جذب می‌کند و به حالت برانگیخته تریپلت می‌رسد. سپس این انرژی به یک مولکول پذیرنده منتقل می‌شود. وقتی دو تریپلت پذیرنده به هم می‌رسند، می‌توانند با هم ترکیب شوند و یک فوتون پرانرژی‌تر منتشر کنند. این مسیر در مایعات به‌خوبی عمل می‌کند، زیرا حرکت مولکولی تریپلت‌ها را به هم نزدیک می‌سازد. اما جامدات یک شمشیر دولبه‌اند: نزدیکی مولکولی به انتقال انرژی کمک می‌کند، اما هم‌پوشانی الکترونیکی بیش از حد، حالت‌های برانگیخته را پیش از آنکه فرصت برخورد داشته باشند از بین می‌برد.

طراحی فاصله با دقت مولکولی

گروه کیوشو برای حل این تناقض از یک داربست نیمه‌رسانای آلی به نام دی‌هیدروایندنوایندنیدن استفاده کرد که به اختصار دی‌اچ‌آی نامیده می‌شود. پژوهشگران به جای آنکه اجازه دهند مولکول‌ها مانند یک بلور مستقیما با هم تماس پیدا کنند، زنجیره‌های آلکیل را به جایگاه‌های کربنی sp3 در دی‌اچ‌آی پیوند زدند. این زنجیره‌ها مانند ضربه‌گیرهای بسیار کوچک مولکولی عمل می‌کنند. آن‌ها فاصله‌ای بهینه ایجاد می‌کنند که در آن اکسیتون‌ها می‌توانند مهاجرت کنند، اما بر اثر هم‌پوشانی شدید الکترون‌های پی خاموش نمی‌شوند.

نتیجه، یک فیلم جامد است که حالت‌های تریپلت با عمر طولانی را حفظ می‌کند و زیر تابش، درخشندگی بالایی نشان می‌دهد. در آزمون‌های فوتوفیزیکی، این ماده در حالت جامد به بازده کوانتومی فلورسانس بیش از ۶۰ درصد رسید. هنگامی که با یک دهنده مناسب جفت شد، کل دستگاه در معرض نور واقعی خورشید در فضای باز، بازده ۱.۹ درصدی تبدیل نور مرئی به فرابنفش را ثبت کرد. برای درک بهتر این عدد می‌توان گفت در برابر هر صد فوتون مرئی جذب‌شده توسط دهنده، تقریبا دو فوتون فرابنفش تولید می‌شود. این مقدار شاید اندک به نظر برسد، اما بیشتر سامانه‌های جامد پیشین حتی زیر شدت‌های نوری بسیار بالاتر نیز آپ‌کانورژن معناداری نشان نمی‌دادند.

راهبرد زیربنایی این کار به شکلی هوشمندانه عمل‌گرایانه است. مولکول‌ها باید آن‌قدر نزدیک باشند که انرژی را به یکدیگر بسپارند، اما آن‌قدر از هم فاصله داشته باشند که از اتلاف زودهنگام جلوگیری شود. زنجیره‌های آلکیل همین تعادل را فراهم می‌کنند. افزودن آن‌ها از نظر شیمیایی ساده و کم‌هزینه است؛ نکته‌ای که هنگام فکر کردن به گسترش فناوری از میز آزمایشگاه به دستگاه‌های کاربردی اهمیت زیادی دارد.

کاربردهایی که می‌توانند در یک روز آفتابی کار کنند

چرا تولید فرابنفش از نور خورشید مهم است؟ نور فرابنفش موتور بسیاری از فرایندهاست: واکنش‌های فوتوکاتالیستی را پیش می‌برد، هوا و سطوح را ضدعفونی می‌کند، رزین‌های مورد استفاده در چاپ سه‌بعدی را عمل‌آوری می‌کند و برخی مواد دندان‌پزشکی و صنعتی را سخت می‌سازد. پنل‌های خورشیدی و ال‌ای‌دی‌ها نور مرئی را با بازده بالا تولید می‌کنند، اما تبدیل این بخش فراوان از نور به فرابنفش قابل استفاده در شدت کم، مدت‌ها گلوگاه فناوری‌های غیرمتمرکز و خورشیدمحور بوده است.

ماده ساخته‌شده در کیوشو چند مسیر احتمالی را پیش رو می‌گذارد. می‌توان فوتوکاتالیز کم‌شدت و خورشیدی را برای تصفیه آب در مناطق دورافتاده تصور کرد. یا دستگاه‌های فشرده‌ای را در نظر گرفت که با نور محیط، بدون نیاز به لامپ‌های ولتاژ بالا، فرابنفش لازم برای تصفیه هوا را تولید می‌کنند. در ساخت افزایشی، عمل‌آوری با کمک نور خورشید می‌تواند مصرف انرژی را کاهش دهد یا چاپگرهای قابل حمل تازه‌ای را ممکن کند که در فضای باز یا زیر نور غیرمستقیم داخل ساختمان کار می‌کنند.

از نظر عملی، این گروه هم‌اکنون درخواست ثبت اختراع را ارائه کرده است. این شیمی بر مواد اولیه در دسترس و سنتز سرراست تکیه دارد؛ عاملی که در مقایسه با مواد عجیب یا پرهزینه، فاصله میان اثبات مفهوم و ساخت نمونه اولیه را کوتاه‌تر می‌کند.

این پروژه چگونه در طول یک مسیر علمی رشد کرد

این پیشرفت یک‌شبه به دست نیامده است. این کار بر بیش از یک دهه پژوهش به رهبری نوبوئو کیمیزوکا و همکارانش بنا شده است؛ پژوهش‌هایی که آپ‌کانورژن فوتونی و سامانه‌های مولکولی خودآرا را بررسی می‌کردند. موفقیت‌های اولیه در مایعات و ژل‌ها فیزیک اصلی را نشان دادند، اما چالش حالت جامد همچنان حل‌نشده باقی مانده بود. در مه ۲۰۲۴، تلاشی متمرکز از سوی دانشجویان تحصیلات تکمیلی، نائویوکی هارادا، هایاتو شویاما، نوتنیچا بونمونگ و دیگران، همراه با کی‌ایچی میزوکامی که در آن زمان استادیار بود و یویچی ساساکی، دانشیار، این رشته‌ها را به هم رساند. گروه نتایج خود را اندکی پیش از بازنشستگی پروفسور کیمیزوکا به او ارائه کرد؛ نقطه عطفی که اعضای گروه آن را هم پایان‌بندی علمی و هم جمع‌بندی شایسته یک مسیر پژوهشی توصیف می‌کنند.

دیدگاه کارشناس

دکتر لورا چن، دانشمند مواد که در یک آزمایشگاه ملی روی کاتالیز خورشیدمحور مطالعه می‌کند، می‌گوید: «این یک گام مهم به سوی آپ‌کانورژن فوتونی عملی است. استفاده هوشمندانه از فاصله‌سازهای آلکیلی برای تنظیم برهم‌کنش‌های بین‌مولکولی، ساده اما قدرتمند است. برای کاربردهای پایین‌دستی، چالش اصلی این خواهد بود که این فیلم‌ها بدون کاهش عمر حالت‌های برانگیخته در دستگاه‌ها ادغام شوند. با این حال، بازده گزارش‌شده زیر نور طبیعی خورشید قابل توجه است و هدفی قابل کار برای مهندسان فراهم می‌کند.»

چالش‌ها هنوز کجا باقی مانده‌اند

پیش از آنکه این شیمی به محصول تبدیل شود، پرسش‌هایی باقی است. بازده ۱.۹ درصدی گزارش‌شده برای آپ‌کانورژن زیر نور خورشید در فضای باز اندازه‌گیری شده است؛ عملکرد در سطح دستگاه، داخل ماژول‌ها یا راکتورهای یکپارچه ممکن است متفاوت باشد. پایداری بلندمدت در برابر شرایط واقعی آب‌وهوایی، تنش مکانیکی و تابش طولانی‌مدت باید آزموده شود. همچنین امکان بهینه‌سازی جفت‌های دهنده-پذیرنده، ضخامت فیلم و راهبردهای کپسوله‌سازی برای محافظت در برابر اکسیژن و رطوبت وجود دارد، زیرا این عوامل می‌توانند حالت‌های تریپلت را خاموش کنند.

از دیدگاه سامانه‌ای، پژوهشگران باید موازنه‌ها را ارزیابی کنند: چه مقدار از نور مرئی باید برای تولید فرابنفش منحرف شود و چه مقدار برای کارکردهای دیگر باقی بماند، و آیا رویکردهای هیبریدی، یعنی ترکیب توان فتوولتائیک با آپ‌کانورژن موضعی، برای برخی وظایف بازده کلی بهتری ارائه می‌دهند یا نه.

جمع‌بندی

راهبرد مولکولی دانشگاه کیوشو قابلیتی را احیا می‌کند که مدت‌ها به مایعات محدود بود: تبدیل نور مرئی خورشید به نور فرابنفش در یک فیلم جامد کاربردی. این گروه با مهندسی فاصله‌گذاری در مقیاس نانو به کمک زنجیره‌های آلکیل، میان انتقال انرژی و حفاظت از اکسیتون تعادل برقرار کرد و زیر نور واقعی خورشید، آپ‌کانورژن قابل اندازه‌گیری به دست آورد. این کار پاسخ نهایی نیست، اما قواعد بازی را تغییر می‌دهد. اکنون مهندسان و شیمی‌دانان می‌توانند دستگاه‌هایی طراحی کنند که در مکان‌هایی که منابع متعارف فرابنفش کارآمد یا عملی نیستند، از نور خورشید برای شیمی و تولید مبتنی بر فرابنفش بهره بگیرند.