Η ικανότητα των νανοσωλήνων άνθρακα να μετατρέπουν φως χαμηλής ενέργειας σε φως υψηλής ενέργειας υπόσχεται πολλά για τη βιομηχανία ηλιακής ενέργειας
Σε μια πρωτοποριακή ανακάλυψη, ερευνητές του Κέντρου Προηγμένης Φωτονικής RIKEN στην Ιαπωνία ανακάλυψαν τη συναρπαστική ικανότητα των νανοσωλήνων άνθρακα να εκπέμπουν φως με περισσότερη ενέργεια από όση απορροφούν.
Το φαινόμενο αυτό, γνωστό ως φωτοφωταύγεια μετατροπής προς τα πάνω (UCPL), έρχεται σε αντίθεση με τον καθιερωμένο κανόνα ότι τα υλικά συνήθως εκπέμπουν λιγότερο ενεργητικό φως από αυτό που δέχονται.
Οι συνέπειες αυτού του ευρήματος είναι τεράστιες, φέρνοντας ενδεχομένως επανάσταση σε τομείς όπως η ηλιακή ενέργεια, η βιολογική απεικόνιση και πολλά άλλα.
Ας εμβαθύνουμε στους μηχανισμούς πίσω από αυτή την ανακάλυψη και ας διερευνήσουμε τις πιθανές εφαρμογές της.
Παραδοσιακά, πιστεύαμε ότι η φωτοφωταύγεια μετατροπής προς τα πάνω απαιτούσε ατέλειες στη δομή των νανοσωλήνων άνθρακα για την παγίδευση των εξιτονίων.
Ωστόσο, η ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Yuichiro Kato στο RIKEN παρατήρησε την UCPL να εμφανίζεται ακόμη και σε παρθένους νανοσωλήνες, γεγονός που υποδηλώνει ότι λειτουργεί ένας εγγενής μηχανισμός.
Οι νανοσωλήνες άνθρακα, οι οποίοι είναι εξαιρετικά λεπτές, αχυρένιες δομές που αποτελούνται εξ ολοκλήρου από άνθρακα, εμφανίζουν αυτή τη μοναδική ιδιότητα όταν το υπέρυθρο φως αλληλεπιδρά μαζί τους.
Κατά την επαφή, ένα ηλεκτρόνιο διεγείρεται, σχηματίζοντας ένα εξιτόνιο - έναν συνδυασμό ενός ηλεκτρονίου και της «τρύπας» που αφήνει πίσω του.
Στα συνήθη σενάρια, τα εξιτόνια επιστρέφουν σε χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση, εκπέμποντας λιγότερο ενεργητικό φως.
Ωστόσο, στους νανοσωλήνες άνθρακα, τα εξιτόνια απορροφούν επιπλέον ενέργεια από φωνόνια, τα οποία είναι κβαντικές δονήσεις στο υλικό.
Αυτή η απορρόφηση οδηγεί στο σχηματισμό μιας κατάστασης «σκοτεινού εξιτονίου» και το εξιτόνιο εκπέμπει τελικά φως με μεγαλύτερη ενέργεια από το αρχικό υπέρυθρο φως.
Η παρουσία φωνονίων είναι κρίσιμη- σε θερμότερα περιβάλλοντα, οι αυξημένες δονήσεις παρέχουν περισσότερη ενέργεια, ενισχύοντας σημαντικά το φαινόμενο της μετατροπής προς τα πάνω.
Συνέπειες για την έρευνα στον τομέα της ηλιακής ενέργειας
Η ικανότητα των νανοσωλήνων άνθρακα να μετατρέπουν φως χαμηλής ενέργειας σε φως υψηλής ενέργειας υπόσχεται πολλά για τη βιομηχανία ηλιακής ενέργειας.
Αξιοποιώντας αυτόν τον μηχανισμό, είναι δυνατόν να ενισχυθεί η απόδοση των ηλιακών συλλεκτών με τη μετατροπή του συνήθως σπαταλημένου υπέρυθρου φωτός σε αξιοποιήσιμο ορατό φως.
Αυτή η πρόοδος θα μπορούσε να οδηγήσει σε αποτελεσματικότερη δέσμευση ηλιακής ενέργειας, επηρεάζοντας θετικά τις λύσεις ανανεώσιμων πηγών ενέργειας παγκοσμίως.
www.worldenergynews.gr
Το φαινόμενο αυτό, γνωστό ως φωτοφωταύγεια μετατροπής προς τα πάνω (UCPL), έρχεται σε αντίθεση με τον καθιερωμένο κανόνα ότι τα υλικά συνήθως εκπέμπουν λιγότερο ενεργητικό φως από αυτό που δέχονται.
Οι συνέπειες αυτού του ευρήματος είναι τεράστιες, φέρνοντας ενδεχομένως επανάσταση σε τομείς όπως η ηλιακή ενέργεια, η βιολογική απεικόνιση και πολλά άλλα.
Ας εμβαθύνουμε στους μηχανισμούς πίσω από αυτή την ανακάλυψη και ας διερευνήσουμε τις πιθανές εφαρμογές της.
Παραδοσιακά, πιστεύαμε ότι η φωτοφωταύγεια μετατροπής προς τα πάνω απαιτούσε ατέλειες στη δομή των νανοσωλήνων άνθρακα για την παγίδευση των εξιτονίων.
Ωστόσο, η ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Yuichiro Kato στο RIKEN παρατήρησε την UCPL να εμφανίζεται ακόμη και σε παρθένους νανοσωλήνες, γεγονός που υποδηλώνει ότι λειτουργεί ένας εγγενής μηχανισμός.
Οι νανοσωλήνες άνθρακα, οι οποίοι είναι εξαιρετικά λεπτές, αχυρένιες δομές που αποτελούνται εξ ολοκλήρου από άνθρακα, εμφανίζουν αυτή τη μοναδική ιδιότητα όταν το υπέρυθρο φως αλληλεπιδρά μαζί τους.
Κατά την επαφή, ένα ηλεκτρόνιο διεγείρεται, σχηματίζοντας ένα εξιτόνιο - έναν συνδυασμό ενός ηλεκτρονίου και της «τρύπας» που αφήνει πίσω του.
Στα συνήθη σενάρια, τα εξιτόνια επιστρέφουν σε χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση, εκπέμποντας λιγότερο ενεργητικό φως.
Ωστόσο, στους νανοσωλήνες άνθρακα, τα εξιτόνια απορροφούν επιπλέον ενέργεια από φωνόνια, τα οποία είναι κβαντικές δονήσεις στο υλικό.
Αυτή η απορρόφηση οδηγεί στο σχηματισμό μιας κατάστασης «σκοτεινού εξιτονίου» και το εξιτόνιο εκπέμπει τελικά φως με μεγαλύτερη ενέργεια από το αρχικό υπέρυθρο φως.
Η παρουσία φωνονίων είναι κρίσιμη- σε θερμότερα περιβάλλοντα, οι αυξημένες δονήσεις παρέχουν περισσότερη ενέργεια, ενισχύοντας σημαντικά το φαινόμενο της μετατροπής προς τα πάνω.
Συνέπειες για την έρευνα στον τομέα της ηλιακής ενέργειας
Η ικανότητα των νανοσωλήνων άνθρακα να μετατρέπουν φως χαμηλής ενέργειας σε φως υψηλής ενέργειας υπόσχεται πολλά για τη βιομηχανία ηλιακής ενέργειας.
Αξιοποιώντας αυτόν τον μηχανισμό, είναι δυνατόν να ενισχυθεί η απόδοση των ηλιακών συλλεκτών με τη μετατροπή του συνήθως σπαταλημένου υπέρυθρου φωτός σε αξιοποιήσιμο ορατό φως.
Αυτή η πρόοδος θα μπορούσε να οδηγήσει σε αποτελεσματικότερη δέσμευση ηλιακής ενέργειας, επηρεάζοντας θετικά τις λύσεις ανανεώσιμων πηγών ενέργειας παγκοσμίως.
www.worldenergynews.gr
