Eine Gruppe von Wissenschaftlern und Ingenieuren, zu der auch Forscher der University of Texas in Austin gehören, hat eine neue Klasse von Materialien entwickelt, die Licht niedriger Energie absorbieren und in Licht höherer Energie umwandeln können. Das neue Material besteht aus ultrakleinen Silizium-Nanopartikeln und organischen Molekülen, die eng mit denen verwandt sind, die in OLED-Fernsehern verwendet werden. Dieser neue Verbundstoff bewegt Elektronen effizient zwischen seinen organischen und anorganischen Komponenten und bietet Anwendungen für effizientere Solarmodule, genauere medizinische Bildgebung und bessere Nachtsichtbrillen.
Das Material wird in einem neuen Artikel in beschrieben Naturchemie.
„Dieser Prozess eröffnet uns eine völlig neue Möglichkeit, Materialien zu entwerfen“, sagte Sean Roberts, außerordentlicher Professor für Chemie an der UT Austin. „Es ermöglicht uns, zwei extrem unterschiedliche Substanzen, Silizium und organische Moleküle, so stark zu verbinden, dass nicht nur eine Mischung entsteht, sondern ein völlig neues Hybridmaterial mit Eigenschaften, die sich von denen der beiden Komponenten völlig unterscheiden.“
Verbundwerkstoffe bestehen aus zwei oder mehr Komponenten, die in Kombination einzigartige Eigenschaften annehmen. Beispielsweise finden Verbundwerkstoffe aus Kohlenstofffasern und Harzen Verwendung als Leichtbaumaterialien für Flugzeugflügel, Rennwagen und viele Sportprodukte. In dem von Roberts mitverfassten Artikel werden die anorganischen und organischen Komponenten kombiniert, um eine einzigartige Wechselwirkung mit Licht zu zeigen.
Zu diesen Eigenschaften gehört die Fähigkeit, langwellige Photonen – die Art, die im roten Licht vorkommt, das sich gut durch Gewebe, Nebel und Flüssigkeiten ausbreitet – in kurzwellige blaue oder ultraviolette Photonen umzuwandeln, die normalerweise erzeugt werden Sensoren funktionieren oder erzeugen eine Vielzahl chemischer Reaktionen. Dies bedeutet, dass sich das Material für so unterschiedliche neue Technologien wie Bioimaging, lichtbasierten 3D-Druck und Lichtsensoren als nützlich erweisen könnte, mit denen selbstfahrende Autos durch Nebel fahren können.
„Dieses Konzept könnte in der Lage sein, Systeme zu schaffen, die im nahen Infrarot sehen können“, sagte Roberts. „Das kann für autonome Fahrzeuge, Sensoren und Nachtsichtsysteme nützlich sein.“
Die Verwendung von Licht mit geringer Energie und dessen Umwandlung in eine höhere Energie kann möglicherweise auch dazu beitragen, die Effizienz von Solarzellen zu steigern, indem es ihnen ermöglicht, Licht im nahen Infrarotbereich einzufangen, das sie normalerweise durchdringen würde. Wenn die Technologie optimiert wird, könnte die Erfassung von energiearmem Licht die Größe von Solarmodulen um 30 % reduzieren.
Mitglieder des Forschungsteams, zu dem Wissenschaftler der University of California Riverside, der University of Colorado Boulder und der University of Utah gehören, arbeiten seit mehreren Jahren an einer solchen Lichtumwandlung. In einer früheren Arbeit beschrieben sie die erfolgreiche Verbindung von Anthracen, einem organischen Molekül, das blaues Licht emittieren kann, mit Silizium, einem Material, das in Solarmodulen und vielen Halbleitern verwendet wird. Um die Wechselwirkung zwischen diesen Materialien zu verstärken, entwickelte das Team eine neue Methode zum Schmieden elektrisch leitender Brücken zwischen Anthracen- und Silizium-Nanokristallen. Die daraus resultierende starke chemische Bindung erhöht die Geschwindigkeit, mit der die beiden Moleküle Energie austauschen können, und verdoppelt damit nahezu die Effizienz bei der Umwandlung von Licht niedrigerer Energie in Licht höherer Energie im Vergleich zum vorherigen Durchbruch des Teams.
Die Forschung wurde von der National Science Foundation, der Welch Foundation, der WM Keck Foundation und dem Air Force Office of Scientific Research finanziert.
Kefu Wang und Ming Lee Tang von der University of Utah, R. Peyton Cline und Joel D. Eaves von der University of Colorado Boulder, Joseph Schwan und Lorenzo Mangolini von der University of California Riverside sowie Jacob M. Strain von der UT Austin trugen ebenfalls maßgeblich zur Forschung bei .
