العلماء يحولون ضوء الشمس العادي إلى ضوء فوق بنفسجي في اختراق كبير للطاقة

لقد حصل ضوء الشمس على ترقية للتو: طور العلماء مادة تحول ضوء الشمس العادي إلى ضوء فوق بنفسجي، مما يفتح إمكانيات جديدة لتقنيات الطاقة الشمسية.

تخيل أنك تصب كوبين من الماء الدافئ معًا وتتوقع الحصول على كوب واحد من الماء المغلي. وهذا أمر مستحيل في الحياة اليومية، ولكن يمكن أن يحدث شيء مماثل في العالم الكمي. هناك، يمكن لجسيمين من الضوء منخفضي الطاقة، يُعرفان بالفوتونات، أن يجمعا طاقتهما لتكوين جسيم واحد الفوتون مع طاقة أعلى بكثير.

طور الباحثون في جامعة كيوشو الآن مادة جزيئية صلبة يمكنها تحويل ضوء الشمس المرئي العادي إلى ضوء فوق بنفسجي. حققت المادة كفاءة تحويل تصل إلى 1.9% تحت ضوء الشمس الطبيعي الخارجي. ونشرت النتائج التي توصلوا إليها في اتصالات الطبيعة في 23 يونيو.

تحويل ضوء الشمس المرئي إلى ضوء الأشعة فوق البنفسجية

على الرغم من أن معظم الناس يحاولون تجنب التعرض للأشعة فوق البنفسجية خلال فصل الصيف، إلا أن الضوء فوق البنفسجي يلعب دورًا أساسيًا في العديد من التقنيات. يتم استخدامه لتنقية الهواء، وعلاج الراتنجات في الطباعة ثلاثية الأبعاد، والمواد الهلامية المتصلبة في حشوات الأسنان ومنتجات الأظافر. ومع ذلك، يشكل الضوء فوق البنفسجي حوالي 6% فقط من ضوء الشمس الذي يصل إلى سطح الأرض، وجزء فقط من هذه الكمية الصغيرة مفيد للتطبيقات العملية.

يوضح يويتشي ساساكي، الأستاذ المساعد في كلية الهندسة بجامعة كيوشو والمؤلف المقابل للدراسة: “ما نقوم به هنا هو “جمع” الطاقة من فوتونين ضوئيين مرئيين لتكوين فوتون واحد فوق البنفسجي. إنها عملية رائعة تسمى تحويل الصورة”.

إحدى الطرق لتحقيق تحويل الصورة هي من خلال عملية تسمى الإبادة الثلاثية الثلاثية (TTA). في هذه العملية، يمتص الجزيء “المانح” الضوء المرئي وينقل إلكتروناته إلى حالة ثلاثية عالية الطاقة. يتم بعد ذلك نقل هذه الطاقة إلى جزيء “مستقبل” قريب. عندما تجتمع حالتان ثلاثيتان، فإنهما تجمعان طاقتهما وتطلقانها على شكل فوتون واحد للأشعة فوق البنفسجية.

يعمل هذا النهج بشكل جيد في السوائل لأن الجزيئات يمكن أن تتحرك بحرية، مما يسمح للحالات الثلاثية بالالتقاء بسهولة أكبر. ومع ذلك، غالبًا ما تتطلب الأنظمة السائلة مذيبات سامة ويمكن أن تتبخر، مما يجعلها أقل عملية للتطبيقات في العالم الحقيقي. لسنوات عديدة، بحث الباحثون عن بديل فعال للحالة الصلبة.

تصميم مادة أفضل للحالة الصلبة

يقول ساساكي: “في المواد الصلبة، تكون الجزيئات متراصة بإحكام، ويمكن أن تتداخل السحب الإلكترونية π – وهي مناطق ذات كثافة إلكترونية عالية تحوم فوق وتحت كل مستوى جزيئي -“. “عندما يحدث ذلك، فإن التوائم الثلاثة تتلاشى بسهولة قبل أن تلتقي. يجب أن تكون الجزيئات قريبة بما يكفي لنقل الطاقة ولكن منفصلة بما يكفي لمنع إخماد الإكسيتونات”.

للتغلب على هذه المشكلة، لجأ الباحثون إلى شبه موصل عضوي يُسمى ثنائي هيدروإنديندينيدين (DHI). لقد ربطوا سلاسل الألكيل بـ DHI’s sp³ ذرات الكربون، التي لها أربع روابط تشير إلى اتجاهات ثابتة ثلاثية الأبعاد. أنشأ هذا التصميم تباعدًا يتم التحكم فيه بعناية بين الجزيئات المتجاورة، مما يبقيها قريبة بدرجة كافية لنقل الطاقة مع منع التفاعلات الإلكترونية القوية التي تقلل الكفاءة.

أنتجت المادة الناتجة انبعاث ضوء ساطع، وحافظت على حالات إثارة طويلة الأمد، ونقلت الطاقة بكفاءة. كما أنها حققت عائدًا كميًا مضانًا للحالة الصلبة يزيد عن 60٪. عند إقرانها بجزيء متبرع، تصل كفاءة تحويل الصورة إلى 1.9%.

ويضيف ساساكي: “هذا يعني أنه يتم إنتاج فوتونين للأشعة فوق البنفسجية تقريبًا لكل مائة فوتون من الضوء المرئي يتم امتصاصه”. “قد يبدو منخفضا، لكنه يعمل على ضوء الشمس الطبيعي وحده. معظم المواد الصلبة لا تستطيع تحقيق ذلك حتى في ظل كثافة ضوء أعلى بكثير.”

الاستخدامات المحتملة للأشعة فوق البنفسجية التي تعمل بأشعة الشمس

وقد قدم الفريق طلب براءة اختراع للمادة الجديدة. بالإضافة إلى أدائها، فإن إنتاج المادة بسيط نسبيًا وتعتمد على مواد أولية غير مكلفة. ويعتقد الباحثون أنه يمكن استخدامه في نهاية المطاف في التحفيز الضوئي الذي يعمل بالطاقة الشمسية، وتنقية الهواء الداخلي، والطباعة ثلاثية الأبعاد منخفضة الكثافة.

اختراق أكثر من عقد من الزمن في طور التكوين

بالنسبة للباحثين، يمثل المشروع أكثر من مجرد إنجاز علمي.

في عام 2012، بدأ نوبو كيميزوكا، وهو الآن أستاذ فخري في مركز أبحاث تقنيات الانبعاثات السلبية بجامعة كيوشو، العمل الرائد على تحويل الفوتون من خلال هجرة الطاقة الثلاثية في التجميعات الذاتية. كان هدفه هو تطوير الأنظمة الجزيئية التي يؤدي فيها التجميع الذاتي وظائف مفيدة. على مر السنين، أحرز فريقه تقدمًا كبيرًا باستخدام المحاليل والمواد الهلامية، لكن إنشاء نظام الحالة الصلبة الفعال ظل تحديًا لم يتم حله.

تغير ذلك في مايو 2024، أي قبل أقل من عام من تقاعد كيميزوكا.

انضم طلاب الدراسات العليا ناويوكي هارادا، وهاياتو شوياما، ونوتنيتشا بونمونج، جنبًا إلى جنب مع الأستاذ المساعد كيتشي ميزوكامي من كلية الهندسة بجامعة كيوشو، إلى ساساكي في جهد مكثف لجمع سنوات من البحث معًا.

يقول ساساكي: “لقد سلمنا المسودة إلى البروفيسور كيميزوكا قبل 11 يومًا فقط من مغادرته المختبر، الأمر الذي بدا لنا بمثابة هدية تقاعد صادقة”.

يخلص كيميزوكا إلى أن “هذا الاكتشاف هو تتويج لأكثر من 14 عامًا من أبحاثنا ويمثل علامة فارقة في أبحاث تحويل الفوتون والتجميع الذاتي الجزيئي”.

المرجع: “أنظمة إلكترون π محمية بشكل مجسم لتحويل فوتون الحالة الصلبة بكفاءة” بقلم ناويوكي هارادا، وهاياتو شوياما، ونوتنيتشا بونمونج، وكييتشي ميزوكامي، ويويا واتانابي، وبي تشاو، وماساهيرو إيهارا، ويويتشي ساساكي، ونوبو كيميزوكا، 23 يونيو 2026، اتصالات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41467-026-73898-0

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.