Lysenergiens spændende fremtid

I en verden med voksende energibehov, og et globalt krav om at standse kulstofemissioner, en lille 'kvasipartikel' kaldet en exciton kunne give svaret på vores problemer.

Excitoner dannes, når lys absorberes af molekyler eller krystaller. Men de kan også udsende lys, efter at de er skabt elektrisk i ting som lysemitterende dioder (LED'er).

Selvom vi lige er begyndt at forstå deres potentiale, excitoner kan hjælpe os med at udnytte solenergi mere effektivt, og reducere energi- og miljøomkostningerne ved belysning drastisk.

Ved navn og af natur, det er virkelig spændende.

Center of Excellence in Exciton Science er et nyt forskningscenter fra Australian Research Council ledet af University of Melbourne, i samarbejde med andre topuniversiteter og organisationer fra hele Australien. Det tværfaglige team af kemikere, matematikere, fysikere, computerforskere og ingeniører er fokuseret på at manipulere den måde, lysenergi absorberes på, transporteres og transformeres i avancerede molekylære materialer. Og de ønsker, at deres arbejde i sidste ende skal udmønte sig i hverdagen.

Excitoner er ikke nye, de er omkring os hele tiden. Grunden til at vi ser lys og farve, grunden til, at vores tv'er og telefoner lyser, og grunden til, at dyr som ildfluer kan producere lys, er på grund af excitons. Men det nye er, at vi nu forstår og kan manipulere excitoner på molekylært niveau.

"Vi er interesserede i at kontrollere og høste energien, " siger centerdirektør professor Paul Mulvaney. "Så vi høster ikke lyset direkte, men vi høster excitonerne, efterhånden som de dannes."

Professor Ken Ghiggino er fotokemiker og hans fokus er på at karakterisere excitonernes levetid.

"Excitoner varer ikke ret længe, " siger professor Ghiggino.

"Det kan være fra femtosekunder [en kvadrilliontedel af et sekund], op til nanosekunder [et tusinde-milliontedel af et sekund] - men du kan måle den tid. Vi bruger meget korte lysimpulser, og ekstremt hurtige 'kameraer' til at skabe grafer i femtosekunds tidsskalaer. "

Professor Ghiggino siger, at hvert materiale har en unik exciton-signatur, der er karakteriseret ved, hvordan elektronerne bliver ophidsede, hvor lang tid det tager for energien at blive frigivet, og hvad der sker derefter.

"Og lige nu, vi kan ikke forudsige deres adfærd godt."

Kapløbet er i gang for at finde nye materialer med den perfekte blanding af excitonegenskaber. Nye syntetiske materialer er skabt i laboratoriet af forskere som Dr. Wallace Wong ved School of Chemistry og Bio21 Institute ved University of Melbourne, som udvikler højeffektivitet, fleksible solceller. Disse sendes derefter til professor Ghiggino for at blive karakteriseret.

"Vi finder ud af, hvilken slags excitoner der dannes, hvor længe holder de, og hvordan hænger det sammen med materialets struktur, " siger professor Ghiggino.

"Så sender vi den information tilbage til Dr. Wong, og han ændrer strukturen af ​​molekylet i overensstemmelse med det, vi har fundet, og vi gennemgår denne cyklus igen, indtil vi får de optimale egenskaber."

Men sparer energi, og penge, er lige så meget en del af ligningen som at høste energi.

"Vi vil gerne vide, hvordan man bruger sollys bedre, " siger professor Paul Mulvaney.

Hvordan energi er gemt i farver

"Vi ønsker at udvikle nye materialer til solcelleanlæg, at få omkostningerne til solenergi ned. Og vi vil lede efter nye måder at bruge solenergi på, især fleksible solceller, så vi har flere arkitektoniske muligheder for at udnytte disse teknologier, ikke kun den stive tagmodel."

Teknologien kan også spille ind i at reducere vores emissioner.

"Vi ser også på mulighederne for næste generation af LED'er. I øjeblikket de er svære at fremstille i den skala, holdbarhed og kvalitet, som vi har brug for. Men LED'er er den mest effektive form for belysning, vi kender, og hvis vi kunne konvertere alle pærer i Australien til LED'er, så ville vi sandsynligvis nå vores emissionsreduktionsmål, " siger professor Mulvaney.

Årtier undervejs

For hans bachelor-honours-projekt, Professor Mulvaney arbejdede med vedvarende energi. Han forsøgte at bruge solenergi til at lave brint som brændstof. Men det blev meget tydeligt, meget hurtigt var det et område, der ikke kunne forfølges, fordi vores forståelse af materialer bare ikke var god nok.

Tyve år senere, og professor Mulvaney mener, at tiden er inde til at relancere dette forskningsområde, takket være fremskridt inden for nye materialer, især nanoskala materialer.

"Vi måtte vente på, at materialevidenskaben indhentede det, " siger professor Mulvaney.

"Vi forstår de materialer, der danner excitoner meget mere nu, så vi vil tilbage og se på de store problemer såsom vedvarende energi og se, om al den viden, vi har opbygget i løbet af de sidste 20 år, kan hjælpe os med at skabe gennembrud."

Mens professor Mulvaney har masser af ideer til, hvordan vi kan udnytte excitoner, han håber, at nogle af de yngre medlemmer af hans team kan komme med nye ideer, der tager videnskaben i en helt ny retning.

"Interessant nok, omkring 50 procent af Nobelpriserne gives til det arbejde, videnskabsmænd udfører, før de er 35. Så hvis vi ønsker, at Australien skal lave banebrydende videnskab, er vi nødt til at give unge mennesker de nødvendige ressourcer til at gå efter de store drømmemål, og vi er nødt til at give dem en smule frihed til at gøre det, " han siger.

"Jeg tror, ​​at en af ​​skønhederne ved denne ordning og en ting, jeg ser frem til, ser nogle af de skøre ideer blive afprøvet, og forhåbentlig nogle få konverteret til noget vellykket."