Imagine derramar duas xícaras de água morna e, de alguma forma, obter uma xícara de água fervente. Isto não pode acontecer na vida cotidiana, mas no nível quântico algo semelhante é possível. Várias partículas de luz de baixa energia podem combinar sua energia para criar uma única partícula com energia muito maior.
Pesquisadores da Universidade de Kyushu criaram um material molecular de estado sólido capaz de converter a luz solar visível em luz ultravioleta (UV) sob condições normais ao ar livre. Segundo estudo publicado no dia 23 de junho em novo material, a eficácia de aumentar a conversão de fotos é de 1,9%. Comunicações da natureza.
Por que a luz UV é importante
Embora muitas pessoas associem a luz UV a queimaduras solares e danos à pele, ela desempenha um papel importante em muitas tecnologias. A luz UV é usada para purificar o ar, curar resinas em impressão 3D, endurecer géis em obturações dentárias e até mesmo para aplicações como tratamentos de unhas.
Apesar de sua utilidade, a luz UV representa apenas cerca de 6% da luz solar que atinge a superfície da Terra. Mesmo assim, apenas uma fração desta radiação UV é prática para aplicações tecnológicas.
“O que estamos fazendo aqui é ‘soma’ a energia de dois fótons de luz visível para produzir um único fóton ultravioleta. Este é um processo emocionante chamado conversão ascendente de fotos”, explica Yoichi Sasaki, professor associado da Faculdade de Engenharia da Universidade de Kyushu e autor correspondente do estudo.
Conversão de luz visível em ultravioleta
O processo é baseado em um fenômeno conhecido como aniquilação tripleto-tripleto (TTA). Nesta abordagem, uma molécula conhecida como doadora absorve luz visível e entra em um estado tripleto de alta energia. Essa energia é então transferida para uma molécula aceitadora vizinha.
Quando dois estados tripletos colidem, eles se combinam e liberam sua energia como um único fóton UV.
Os cientistas sabem há muito tempo que o TTA funciona eficazmente em líquidos porque as moléculas podem mover-se livremente e interagir facilmente. No entanto, os sistemas líquidos muitas vezes requerem solventes tóxicos e podem evaporar com o tempo, limitando a sua praticidade. Como resultado, os pesquisadores passaram anos procurando uma alternativa confiável de estado sólido.
“Nos sólidos, as moléculas estão compactadas e as nuvens de elétrons π – regiões de alta densidade eletrônica que pairam acima e abaixo de cada plano molecular – podem se sobrepor”, diz Sasaki. “Quando isso acontece, os trigêmeos desaparecem facilmente antes de se encontrarem. As moléculas devem estar próximas o suficiente para transferir energia, mas separadas o suficiente para evitar a extinção dos excitons.”
Uma nova solução de estado sólido
A descoberta da equipe veio graças a um semicondutor orgânico chamado diidroindenoindeneno (DHI).
Os pesquisadores modificaram o DHI anexando cadeias alquílicas aos seus átomos de carbono sp³ – que possuem quatro ligações apontando em direções tridimensionais fixas. Este projeto criou uma lacuna cuidadosamente controlada entre moléculas adjacentes. As moléculas permaneceram próximas o suficiente para transferir energia de forma eficiente, evitando fortes interações eletrônicas que poderiam reduzir o desempenho.
O material resultante exibiu forte luminescência, estados excitados de longa duração e transferência de energia altamente eficiente. Alcançou um rendimento quântico de fluorescência no estado sólido de mais de 60%.
Em combinação com a molécula doadora, o sistema alcançou uma eficiência de conversão de 1,9%.
“Isso significa que para cada cem fótons de luz visível absorvidos, são produzidos cerca de dois fótons UV”, acrescenta Sasaki. “Isso pode parecer baixo, mas só funciona sob luz solar natural. A maioria dos materiais de estado sólido não consegue perceber isso, mesmo com intensidades de luz muito mais altas.”
Potenciais aplicações de luz ultravioleta em células solares
Os pesquisadores solicitaram a patente do material.
Além das características operacionais, o material apresenta vantagens práticas. Pode ser sintetizado com relativa facilidade e feito a partir de materiais iniciais baratos. A equipe prevê que ele poderá eventualmente ser usado em fotocatálise solar, sistemas de purificação de ar interno e tecnologias de impressão 3D de baixa intensidade.
Uma jornada científica de 14 anos
Para os pesquisadores envolvidos, a conquista representa mais que progresso técnico.
Em 2012, Nobuo Kimizuka, agora professor emérito do Centro de Pesquisa de Tecnologia de Emissões Negativas da Universidade de Kyushu, começou a pesquisar o aumento da conversão de fótons por meio da migração de energia tripla em sistemas moleculares automontados. Seu objetivo era criar uma forma de química de sistemas moleculares em que a automontagem pudesse desempenhar funções úteis.
Nos anos seguintes, seu grupo fez progressos constantes usando sistemas à base de soluções e gel. A conversão ascendente eficaz de estado sólido, no entanto, permaneceu indefinida.
A difícil descoberta finalmente ocorreu em maio de 2024, menos de um ano antes da aposentadoria de Kimizuki.
Os meses seguintes foram um esforço intenso para concluir o projeto. Os alunos de pós-graduação Naoyuki Harada, Hayato Shayama e Nutnicho Bunmong trabalharam com Sasaki e o então professor associado Kiichi Mizuki da Faculdade de Engenharia da Universidade de Kyushu para combinar anos de pesquisa em uma publicação final.
“Entregamos o rascunho ao Prof. Kimizuka apenas 11 dias antes de ele deixar o laboratório, o que consideramos um sincero presente de aposentadoria”, observa Sasaki.
“Esta descoberta é o culminar de mais de 14 anos de nossa pesquisa e marca um marco importante no estudo do aprimoramento de fótons e da automontagem molecular”, conclui Kimizuka.
