Neues Material transformiert Licht und schafft neue Möglichkeiten für Sensoren

"Dieser Prozess gibt uns eine völlig neue Möglichkeit, Materialien zu entwickeln"

22.06.2023 - USA

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 mit geringer Energie absorbieren und in Licht mit 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 verschiebt effizient Elektronen zwischen seinen organischen und anorganischen Komponenten, was Anwendungen für effizientere Solarzellen, genauere medizinische Bildgebung und bessere Nachtsichtbrillen ermöglicht. Das Material wird in einem neuen Artikel in Nature Chemistry beschrieben.

"Dieser Prozess gibt uns eine völlig neue Möglichkeit, Materialien zu entwickeln", sagt Sean Roberts, außerordentlicher Professor für Chemie an der UT Austin. "Es ermöglicht uns, zwei extrem unterschiedliche Substanzen - Silizium und organische Moleküle - zu nehmen und sie stark genug zu verbinden, um nicht nur eine Mischung, sondern ein völlig neues Hybridmaterial mit Eigenschaften zu schaffen, die sich von denen der beiden Komponenten völlig unterscheiden."

Verbundwerkstoffe bestehen aus zwei oder mehr Komponenten, die in Kombination einzigartige Eigenschaften annehmen. Beispielsweise werden Verbundwerkstoffe aus Kohlenstofffasern und Harzen als leichte Materialien für Flugzeugtragflächen, Rennwagen und viele Sportprodukte verwendet. In der von Roberts mitverfassten Arbeit werden die anorganischen und organischen Komponenten so kombiniert, dass sie eine einzigartige Wechselwirkung mit Licht zeigen.

Zu diesen Eigenschaften gehört die Fähigkeit, langwellige Photonen - wie sie in rotem Licht vorkommen, das gut durch Gewebe, Nebel und Flüssigkeiten dringt - in kurzwellige blaue oder ultraviolette Photonen umzuwandeln, die normalerweise Sensoren zum Funktionieren bringen oder eine breite Palette chemischer Reaktionen auslösen. Das bedeutet, dass sich das Material als nützlich für neue Technologien erweisen könnte, die so vielfältig sind wie Bioimaging, lichtbasierter 3D-Druck und Lichtsensoren, die selbstfahrenden Autos helfen, durch Nebel zu fahren.

"Mit diesem Konzept lassen sich möglicherweise Systeme entwickeln, die im nahen Infrarotbereich sehen können", so Roberts. "Das kann für autonome Fahrzeuge, Sensoren und Nachtsichtsysteme nützlich sein."

Durch die Umwandlung von Licht mit geringer Energie in Licht mit höherer Energie kann auch die Effizienz von Solarzellen gesteigert werden, da sie Nahinfrarotlicht einfangen können, das normalerweise durch sie hindurchgeht. Wenn die Technologie optimiert ist, könnte das Einfangen von energiearmem Licht die Größe von Solarzellen um 30 % verringern.

Die Mitglieder des Forschungsteams, dem Wissenschaftler der University of California Riverside, der University of Colorado Boulder und der University of Utah angehören, arbeiten bereits seit mehreren Jahren an dieser Art der Lichtumwandlung. In einer früheren Veröffentlichung beschrieben sie die erfolgreiche Verbindung von Anthracen, einem organischen Molekül, das blaues Licht aussenden kann, mit Silizium, einem Material, das in Solarzellen und vielen Halbleitern verwendet wird. Um die Wechselwirkung zwischen diesen Materialien zu verstärken, entwickelte das Team eine neue Methode zur Herstellung 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, wodurch sich die Effizienz bei der Umwandlung von Licht mit niedrigerer Energie in Licht mit höherer Energie im Vergleich zum vorherigen Durchbruch des Teams fast verdoppelt.

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Originalveröffentlichung

Wang, K., Cline, R.P., Schwan, J. et al. Efficient photon upconversion enabled by strong coupling between silicon quantum dots and anthracene. Nat. Chem. (2023)

https://www.chemie.de/news/1180871/neues-material-transformiert-licht-und-schafft-neue-moeglichkeiten-fuer-sensoren.html

Originalveröffentlichung

Wang, K., Cline, R.P., Schwan, J. et al. Efficient photon upconversion enabled by strong coupling between silicon quantum dots and anthracene. Nat. Chem. (2023)

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