Tutkimusryhmä Teksasin Austinin ja Kalifornian Riversiden yliopistoista on löytänyt tavan tuottaa energiansiirto piin ja orgaanisten hiilipohjaisten molekyylien välillä. Tämän ansiosta fotonien energiatasoa voidaan nostaa, joka avaa tietä esimerkiksi syöpäsolujen käsittelyyn valon avulla.
Pitkään hypoteesinä pidetyn ilmiön todistaminen on läpimurto, jolla on vaikutuksia informaation tallennukseen kvanttilaskennassa, aurinkoenergian muuntamisessa ja lääketieteellisessä kuvantamisessa. Pii muuntaa tehokkaasti punaiset fotonit sähköksi, mutta siniset fotonit, jotka kuljettavat kaksi kertaa niin paljon energiaa kuin punaiset fotonit, pii hukkaa suurimman osan niiden energiasta lämpönä.
Uusi löytö tarjoaa tutkijoille keinon lisätä piin tehokkuutta parittamalla se hiilipohjaisen materiaalin kanssa. Tekniikka muuttaa siniset fotonit punaisten fotonien pareiksi, joita pii voi käyttää paremmin esimerkiksi aurinkokennoissa.
Kehitetty hybridimateriaali voidaan myös virittää toimimaan taaksepäin, kuten punaisen valon muuntamiseksi siniseksi valoksi. Tällä olisi sovelluksia lääketieteellisiin hoitoihin ja kvanttilaskentaan.
- Orgaaninen molekyyli, jonka olemme parittaneet piin kanssa, on eräänlainen hiilen tuhka, nimeltään antraseeni. Se on pohjimmiltaan nokea, sanoi UT Austinin kemian apulaisprofessori Sean Roberts.
Tutkimuspaperissa kuvataan menetelmää yhdistää kemiallisesti pii antraseenin eli luoda molekylaarinen voimalinja, joka mahdollistaa energian kuljetuksen piin ja tuhkan kaltaisen aineen välillä.
- Voimme nyt hienosäätää tämän materiaalin reagoimaan erilaisille valon aallonpituuksille. Kuvittele, että kvanttilaskentaa varten pystytään säätämään ja optimoimaan materiaalia muuttamaan yksi sininen fotoni kahdeksi punaiseksi fotoniksi tai kaksi punaista fotonia yhdeksi siniseksi. Se on täydellinen informaation tallennukseen, Roberts tarkentaa.
Neljän vuosikymmenen ajan tutkijat ovat olettaneet, että piin yhdistäminen sellaiseen orgaaniseen materiaalityyppiin, joka absorboi paremmin sinistä ja vihreää valoa voisi olla avain parantamaan piin kykyä muuntaa valo sähköksi. Näiden kahden materiaalin kerrostaminen ei kuitenkaan koskaan tuottanut odotettua "spin - triplet eksitoni -siirtoa". Tämä on tietyn tyyppinen energiansiirto hiilipohjaisesta materiaalista piille, joka tarvitaan tämän tavoitteen toteuttamiseksi.
Uusi menetelmä on paitsi nopea ja joustava myös tehokas, sillä se pystyy siirtämään noin 90 prosenttia nanokiteen energiasta molekyyliin. Lisäksi sen avulla voidaan luoda materiaalia, joka absorboi ja emittoi minkä tahansa valon värin.
Nykyiset fotonien ylösmuuntamisen prosessit tukeutuvat myrkyllisiin materiaaleihin. Tällä kertaa käytetään vain myrkyttömiä materiaaleja, mikä avaa oven sovelluksiin ihmislääketieteessä, biokuvantamisessa ja ympäristöystävällisissä tekniikoissa.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 12.12.2019
