Un nuevo material convierte luz solar en luz UV de alta energía

Investigadores de la Universidad de Kyushu lograron crear un nuevo material sólido capaz de convertir la luz solar visible en luz ultravioleta (UV) bajo condiciones normales. Este avance, publicado el 23 de junio en Nature Communications, marca un hito en la búsqueda de soluciones más eficientes para la energía solar.

Importancia de la luz UV

A pesar de que muchas personas asocian la luz UV con quemaduras solares y daños en la piel, esta tiene un papel crucial en diversas tecnologías. Se utiliza para la purificación del aire, el curado de resinas en la impresión 3D, la solidificación de geles en empastes dentales y tratamientos de uñas. Sin embargo, la luz UV representa solo alrededor del 6% de la luz solar que llega a la superficie terrestre, y solo una parte de esa radiación es práctica para aplicaciones tecnológicas.

"Lo que hacemos aquí es 'sumar' la energía de dos fotones de luz visible para crear un fotón de luz ultravioleta. Es un proceso fascinante llamado foto upconversion", explicó Yoichi Sasaki, profesor asociado en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Kyushu y autor correspondiente del estudio.

Transformación de luz visible a UV

El proceso se basa en un fenómeno conocido como aniquilación triplete-triplete (TTA). En este enfoque, una molécula donadora absorbe luz visible y entra en un estado triplete de alta energía, transfiriendo esa energía a una molécula aceptora cercana. Cuando dos estados triplete se encuentran, se combinan y liberan su energía como un único fotón UV.

A pesar de que se sabía que la TTA funcionaba eficazmente en líquidos, donde las moléculas pueden moverse libremente, estos sistemas líquidos a menudo requieren disolventes tóxicos y pueden evaporarse con el tiempo, limitando su practicidad. Por ello, los investigadores habían estado buscando durante años una alternativa sólida confiable.

"En sólidos, las moléculas están empaquetadas de manera compacta, y las nubes de electrones p pueden superponerse. Cuando eso sucede, los tripletes pueden disiparse antes de encontrarse. Las moléculas deben estar lo suficientemente cerca para transferir energía, pero separadas lo suficiente para evitar el apagado de los excitones", agregó Sasaki.

Una solución sólida innovadora

El equipo encontró la solución en un semiconductor orgánico llamado dihidroindenoindenedeno (DHI). Modificaron el DHI al adjuntar cadenas alquilo a sus átomos de carbono sp³, creando un espacio controlado entre las moléculas adyacentes. Esto permitió que las moléculas se mantuvieran lo suficientemente cerca para transferir energía de manera eficiente, evitando al mismo tiempo las interacciones electrónicas fuertes que pueden suprimir el rendimiento.

El material resultante mostró una fuerte luminescencia, estados excitados de larga duración y una transferencia de energía altamente efectiva, alcanzando un rendimiento cuántico de fluorescencia en estado sólido superior al 60%. Cuando se combinó con una molécula donadora, el sistema alcanzó una eficiencia de upconversion del 1.9%.

"Esto significa que se producen aproximadamente dos fotones UV por cada cien fotones de luz visible absorbidos", añadió Sasaki. "Puede sonar bajo, pero funciona únicamente con luz solar natural. La mayoría de los materiales sólidos no logran esto, incluso a intensidades de luz mucho más altas".

Aplicaciones potenciales para luz UV solar

Los investigadores han presentado una solicitud de patente para este material. Además de su rendimiento, ofrece ventajas prácticas, ya que puede sintetizarse relativamente fácil y está hecho de materiales de partida económicos. El equipo considera que podría utilizarse en fotocatálisis impulsadas por energía solar, sistemas de purificación de aire en interiores y tecnologías de impresión 3D de baja intensidad.

Un viaje científico de 14 años

Para los investigadores, este logro representa más que un avance técnico. En 2012, Nobuo Kimizuka, ahora profesor emérito en el Centro de Investigación de Tecnologías de Emisiones Negativas de la Universidad de Kyushu, comenzó a explorar la foto upconversion a través de la migración de energía triplete en sistemas moleculares autoensamblados. Su objetivo era establecer una forma de química de sistemas moleculares en la que el autoensamblaje pudiera realizar funciones útiles.

A lo largo de los años, su grupo avanzó utilizando sistemas basados en soluciones y geles. Sin embargo, lograr una upconversion sólida eficiente había sido complicado. Un gran avance llegó en mayo de 2024, menos de un año antes de la jubilación de Kimizuka.

Los meses siguientes se convirtieron en un intenso esfuerzo para llevar el proyecto a su finalización. Los estudiantes de posgrado Naoyuki Harada, Hayato Shoyama y Nutnicha Boonmong trabajaron junto a Sasaki y el entonces profesor asistente Kiichi Mizukami para consolidar años de investigación en una publicación final.

"Le entregamos el borrador al profesor Kimizuka solo 11 días antes de que dejara el laboratorio, lo que para nosotros fue un regalo de jubilación sincero", comentó Sasaki. "Este descubrimiento es la culminación de más de 14 años de nuestra investigación y marca un hito importante en la foto upconversion y la investigación sobre autoensamblaje molecular", concluyó Kimizuka.

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