Imagínese verter dos tazas de agua tibia juntas y terminar con una taza de agua hirviendo. Puede que esto no suceda en la vida cotidiana, pero a nivel cuántico algo similar es posible. Múltiples partículas de luz de baja energía pueden combinar sus energías para formar una sola partícula con mucha mayor energía.
Investigadores de la Universidad de Kyushu han desarrollado un material molecular de estado sólido capaz de convertir la luz solar visible en luz ultravioleta (UV) en condiciones exteriores normales. El nuevo material logra una eficiencia de conversión de fotografías del 1,9%, según un estudio publicado el 23 de junio. comunicación de la naturaleza.
Por qué es importante la luz ultravioleta
Aunque muchas personas asocian la luz ultravioleta con quemaduras solares y daños en la piel, desempeña un papel importante en numerosas tecnologías. La luz ultravioleta se utiliza para aplicaciones como la purificación del aire, el curado de resinas en impresión 3D, el endurecimiento de geles en empastes dentales e incluso tratamientos de uñas.
A pesar de su utilidad, la luz ultravioleta representa sólo el 6% de la luz solar que llega a la superficie terrestre. Sin embargo, sólo una fracción de esa radiación UV es práctica para aplicaciones técnicas.
“Lo que hacemos aquí es ‘sumar’ la energía de dos fotones de luz visible para producir un fotón ultravioleta. Este es un proceso interesante llamado fotoconversión”, explica Yoichi Sasaki, profesor asociado de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Kyushu y autor correspondiente del estudio.
Conversión de luz visible en luz ultravioleta
El proceso se basa en un fenómeno conocido como aniquilación triplete-triplete (TTA). En este método, una molécula conocida como donante absorbe la luz visible y entra en un estado triplete de alta energía. Luego, esa energía se transfiere a una molécula aceptora cercana.
Cuando dos estados tripletes se encuentran, combinan su energía y emiten un único fotón ultravioleta.
Los científicos saben desde hace mucho tiempo que el TTA funciona eficazmente en líquidos porque las moléculas pueden moverse libremente e interactuar fácilmente. Sin embargo, los sistemas líquidos a menudo requieren solventes tóxicos y pueden evaporarse con el tiempo, lo que limita su practicidad. Como resultado, los investigadores han pasado años buscando una alternativa confiable de estado sólido.
“En los sólidos, las moléculas están muy compactas y las nubes de electrones π (regiones de alta densidad electrónica por encima y por debajo de cada plano molecular) pueden superponerse”, dijo Sasaki. “Cuando esto sucede, los tripletes se desacoplan fácilmente antes de encontrarse. Las moléculas deben estar lo suficientemente cerca para transferir energía pero lo suficientemente separadas para evitar que se apaguen las excitaciones”.
Una nueva solución de estado sólido
El avance del equipo provino de un semiconductor orgánico llamado dihidroindenoindenidina (DHI).
Los investigadores modificaron DHI uniendo cadenas de alquilo a sus átomos de carbono sp³, cuyos cuatro enlaces apuntan a direcciones 3D específicas. Este diseño crea un espacio cuidadosamente controlado entre moléculas vecinas. Las moléculas estaban lo suficientemente cerca como para transferir energía de manera eficiente y evitar fuertes interacciones electrónicas que podrían suprimir el rendimiento.
El material resultante exhibe una fuerte luminiscencia, estados excitados duraderos y una transferencia de energía altamente eficiente. Logró un rendimiento cuántico de fluorescencia de estado sólido superior al 60%.
Cuando se combinó con una molécula donante, el sistema alcanzó una eficiencia de conversión ascendente del 1,9%.
“Esto significa que se producen aproximadamente dos fotones ultravioleta por cada cien fotones de luz visible absorbidos”, añade Sasaki. “Puede parecer bajo, pero funciona únicamente con luz solar natural. La mayoría de los materiales de estado sólido no pueden percibirlo ni siquiera con intensidades de luz mucho más altas”.
Posibles aplicaciones de la iluminación UV alimentada por energía solar
Los investigadores han presentado una solicitud de patente para el material.
Además de su rendimiento, el material ofrece beneficios prácticos. Se puede sintetizar con relativa facilidad y se elabora a partir de materiales de partida económicos. El equipo cree que eventualmente podría usarse en fotocatálisis con energía solar, sistemas de purificación de aire interior y tecnología de impresión 3D de baja intensidad.
Un viaje científico de 14 años
Para los investigadores involucrados, el logro representa más que un avance tecnológico.
En 2012, Nobuo Kimizuka, ahora profesor emérito del Centro de Investigación de Tecnologías de Emisiones Negativas de la Universidad de Kyushu, comenzó a explorar la conversión ascendente de fotones mediante la migración de energía triplete en sistemas moleculares autoensamblados. Su objetivo era establecer una forma de química de sistemas moleculares en la que el autoensamblaje pudiera realizar funciones útiles.
En los años siguientes, su grupo avanzó constantemente utilizando sistemas basados en soluciones y en gel. Sin embargo, ha sido difícil lograr una conversión ascendente eficiente de estado sólido.
Un gran avance se produjo en mayo de 2024, menos de un año antes de que Kimizuka se retirara.
Los meses siguientes se convirtieron en un intenso esfuerzo para completar el proyecto. Los estudiantes de posgrado Nayuki Harada, Hayato Shyama y Nutnicha Bunmong trabajaron con Sasaki y el entonces profesor asistente Kiichi Mizukami de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Kyushu para consolidar años de investigación en una publicación final.
“Le entregamos el borrador al profesor Kimizuka sólo 11 días antes de que abandonara el laboratorio, lo que nos pareció un sincero regalo de jubilación”, señala Sasaki.
“Este descubrimiento marca la culminación de más de 14 años de nuestra investigación y un hito importante en el estudio de la conversión de fotones y el autoensamblaje molecular”, concluye Kimizuka.
