Forskere fra ETH Zürich og Lausanne har gjort generering og overføring av kjemisk, fosforescerende og ikke-fosforescerende lys 10 ganger mer effektiv

Når molekyler av fluorescerende fargestoff "hekker" sammen perfekt, genereres noe helt nytt: en eksitasjonstilstand, fordelt på mange molekyler.
Slike kollektive eksitasjoner kan brukes på ulike måter: for eksempel til organiske solcellepaneler, i sensorer, for ultrarask dataoverføring eller i mikroskopi.
I Sveits har EMPA-forskere, sammen med kolleger fra Federal Institutes of Technology i Zürich og Lausanne, Paul Scherrer Institute og IBM Research Zurich i Rüschlikon, klart å gjøre disse kjemiske lysforsterkerne ti ganger mer effektive enn før.
"Det vi ser i disse tilfellene er en mye raskere energioverføring enn i noen halvleder," begeistrer Jakob Heier.
Fysikeren jobber i Functional Polymers-kabinettet til de sveitsiske føderale laboratoriene for materialvitenskap og teknologi, og oppdagelsen han gjorde sammen med teamet hans kan forårsake en sensasjon innen mange aktivitetsområder, som sensorteknologi, optisk dataoverføring eller produksjon av organiske solceller.
Vi snakker om øyer av fargestoffmolekyler, med en perfekt indre struktur. Blant eksperter kalles slike strukturer J-aggregater. Selv om de har vært kjent i mer enn åtti år, har de nylig tiltrukket seg fornyet forskningsoppmerksomhet.
Dette skyldes den spesielle interne elektroniske levetiden til disse fargeøyene. For å forstå hva Jakob Heier og hans kolleger har funnet, er en kort ekskursjon inn i fargestoffenes verden nyttig.
Hvis et fargestoff skal gløde, må molekylet først aktiveres, også gjennom lys. Optiske blekemidler i vaskemidler absorberer for eksempel UV-lys og sender ut blåaktig (synlig) lys – det er grunnen til at hvite klær lyser så sterkt i det ultrafiolette lyset på en nattklubb.
Lyset som sendes ut har lavere energi enn fotonene som brukes til å aktivere fargestoffet, fordi en del av energien omdannes til vibrasjoner, det vil si varme, i fargestoffet.

I Sveits ble tegn på Alzheimers oppdaget i blodet

Partikler som "antenner" for overføring av energikraft

J-aggregatene studert av den sveitsiske forskeren og Surendra Anantharaman, en doktorgradskandidat ved EMPA, oppfører seg annerledes enn individuelle fargestoffmolekyler.
På disse molekylære øyene er fargestoffmolekylene velordnet og veldig nær hverandre, som fyrstikker i en boks. I denne konstellasjonen "må" ikke fargestoffet lyse, men "kan" overføre energien sin til et nærliggende molekyl.
Sammenlignet med klassiske halvledere laget av silisium er det imidlertid en avgjørende forskjell: i en silisiumhalvleder, som en solcelle, transporteres eksitasjonsenergien via ladningsbærere, for eksempel elektroner, som "hopper" gjennom materialet , slik at snakke.
I J-Aggregates svinger imidlertid elektronene bare frem og tilbake i fargestoffmolekylet og forlater det aldri. I stedet for elektroner sendes det bare oscillasjoner, tilsvarende de som brukes av sende- og mottaksantenner i den makroskopiske verden.
Faktisk kan J-Aggregates "overføre" energi i mye mindre skala, ja, men ekstremt raskt og gjennom hundrevis av molekyler.

Flytende roboter liker... celler for å utforske ekstreme miljøer

Fra 1936 til i dag store tap på grunn av "konstruksjonsfeil" av systemet

Fenomenet J-Aggregates og deres spesielle energioverføring ble oppdaget for første gang tilbake i 1936 av Edwin E. Jelley i USA og Günter Scheibe i Tyskland.
Men til nå har omtrent 95 prosent av den utstrålte energien gått tapt og kunne ikke overføres. Feilen var "konstruksjonsfeilene" til systemet.
I virkeligheten var ikke molekylene så perfekt justert. Og hver gang energipulsen møtte en av disse defektene på sin reise gjennom J-aggregatet, ble energitransporten avbrutt.
En normal molekylær vibrasjon fullførte overføringen, noe varme ble generert, og spillet var over.

En ny prosess vil gjøre bomull flammehemmende og behagelig

Et fargestoff hvor 60 prosent av det innkommende lyset sendes ut på nytt

Teamet tilEMPA, støttet av forskere fraETH Zürich, avEPF fra LausanneAv PSI og avIBM Research Zürich, klarte å utvikle en fargesystem, der inntil 60 prosent lys innkommende er utgitt på nytt.
Dette betyr også at inntil 60 prosent av energien può overføres uten tap: sammenlignet med tidligere fem prosent, er dette en oppdagelse av sensasjonell betydning.
La nøkkelen til suksess det var der perfekt konstruerte øyer av fargestoff, som ble opprettet til slutt emulsjon av vann og heksylamin.
A 'emulsjon det er en blanding av væskedråper i en annen væske: han melk o majones de er emulsjoner som alle kjenner.
Forskerne i Sveitsiske føderale laboratorier for materialvitenskap og teknologi de observerte det ikke noen emulsjon det ville gjøre jobben.
Det måtte være en såkalt bikontinuerlig emulsjon, som betyr at suspenderte dråper nel ekstern væske Det trenger de ikke være fjernt fra hverandre, men det må de ha kombinere til form strukturer som ligner Stripes.
Bare da det aktuelle fargestoffet danne ønsket Feilfrie J-aggregater og kan "sende" den absorberte energien su lange avstander uten tap. Det er hvordan fargestoff molekyler de stiller opp i enbikontinuerlig emulsjon, ligner på fyrstikker i en boks.
Først da er signaloverføringen vellykket.

Fleksible CIGS-solceller: rekordeffektivitet oppnådd!

Før bikontinuerlige emulsjoner var feil regelen

Studien som nå er publisert nevner også, i god tradisjon for vitenskapelig forskning, de mislykkede forsøkene og historien til det vellykkede eksperimentet. Tross alt burde kjemikere og fysikere over hele verden kunne dra nytte av EMPA-teamets ekspertise.
For eksempel var det ikke mulig å krystallisere fargestoffet i form av tynne filmer på en fast overflate. For mange defekter i krystallene ødela ofte overføringen.
Vandige løsninger, der fargestoffet klumper seg til små dråper, fungerer heller ikke. Bare bikontinuerlige emulsjoner fører til signaloverføring, og bare hvis det er individuelle fargestoffmolekyler igjen i væskefasen som kan fylle hullene og lukke hullene i J-aggregatene: med andre ord "reparere" defektene.

Et syntetisk plaster uten sidestykke for å forsegle indre sår

Hvilke bruksområder er konkret tenkelige: celler og sensorer?

Forskerne har sikkert fortsatt en lang vei å gå før det de har oppnådd i en emulsjon kan gjøres teknisk nyttig. Men signaloverføring gjennom fargestoffer kan trenge gjennom mange områder av hverdagen.
For eksempel er det mulig å fange opp svakt infrarødt lys ved hjelp av disse fargestoffene og konvertere det til digitale signaler ved hjelp av kvanteprikker – en velsignelse for sensorteknologi og solceller, som skal gi strøm selv i svært sterkt lys .
På grunn av deres unike egenskaper egner J-Aggregates seg også til applikasjoner i kvantedatamaskiner og optisk dataoverføring.
Til slutt kan aggregatene av fargestoffer som leder signalet bli nyttige i diagnostikk av levende organismer: infrarødt lys, eller termisk stråling, trenger dypt inn i menneskelig vev uten å skade celler.
J Aggregater kan faktisk gjøre denne strålingen synlig og digitalisere den. Dette kan i stor grad lette og forbedre høyoppløselig mikroskopisk avbildning av levende vev, og bidra til kampen mot sykdom.

Det første… biologisk nedbrytbare batteriet er allerede en realitet i Sveits