Ændring af lysets farve

Forskere ved University of Delaware har modtaget et tilskud på 1 million dollar fra W.M. Keck Foundation for at udforske en ny idé, der kan forbedre solceller, medicinsk billeddannelse og endda kræftbehandling. Kort fortalt, de ønsker at ændre lysets farve.

De vil ikke pille med det, du ser ud af dit vindue:ingen lilla dage eller chartreuse nætter, ingen redigeringer af regnbuer og brændende solnedgange. Deres mål er at dreje lysenergifarver med lys, såsom rød, til farver med højere energi, som blå eller grøn.

Ændring af lysets farve ville give solteknologi et betydeligt løft. En traditionel solcelle kan kun absorbere lys med energi over en bestemt tærskel. Infrarødt lys passerer lige igennem, dens energi uudnyttet.

Imidlertid, hvis det lavenergilys kunne omdannes til lys med højere energi, en solcelle kunne absorbere meget mere af solens rene, gratis, rigelig energi. Teamet forudser, at deres nye tilgang kan øge effektiviteten af ​​kommercielle solceller med 25 til 30 procent.

Forskergruppen, baseret på UD's College of Engineering, ledes af Matthew Doty, lektor i materialevidenskab og teknik og lektor i UD's Nanofabrication Facility. Dotys medforskere omfatter Joshua Zide, Diane Sellers og Chris Kloxin, alle i Institut for Materialevidenskab og Teknik; og Emily Day og John Slater, begge på Institut for Biomedicinsk Teknik.

"Denne prestigefyldte bevilling på $ 1 million fra Keck Foundation understreger ekspertisen og innovationen fra vores University of Delaware fakultet, "siger Nancy Targett, fungerende formand for universitetet. "Klart, University of Delaware forfølger store ideer inden for vedvarende energi og biomedicin med potentiale til gavn for verden. "

"Universitetets Delaware Will Shine strategiske plan udfordrer os til at tænke modigt, når vi søger løsninger på problemer, samfundet står over for, "Domenico Grasso, UD's provost, tilføjer. "Vi lykønsker forskerteamet i Engineering College med denne store pris, og vi ser frem til deres resultater. "

Ændring af lysets farve

"En lysstråle indeholder millioner og millioner af individuelle lysenheder kaldet fotoner, "siger projektleder Matthew Doty." Energien af ​​hver foton er direkte relateret til lysets farve - en foton af rødt lys har mindre energi end en foton af blåt lys. Du kan ikke bare gøre en rød foton til en blå, men du kan kombinere energien fra to eller flere røde fotoner til at lave en blå foton. "

Denne proces, kaldet "fotonopkonvertering, "er ikke nyt, Siger Doty. Imidlertid, UD -holdets tilgang til det er.

De vil designe en ny form for halvleder -nanostruktur, der vil fungere som en skralde. Det vil absorbere to røde fotoner, den ene efter den anden, at skubbe en elektron i en ophidset tilstand, når den kan udsende en enkelt høj-energi (blå) foton.

Disse nanostrukturer vil være så teeny, at de kun kan ses, når de forstørres en million gange under et kraftfuldt elektronmikroskop.

"Tænk på elektronerne i denne struktur, som om de var i et vandland, "Siger Doty." Den første røde foton har kun energi nok til at skubbe en elektron halvvejs op ad stigen på vandrutschebanen. Den anden røde foton skubber den resten af ​​vejen op. Derefter går elektronen ned af diaset, frigive al den energi i en enkelt proces, med emission af den blå foton. Tricket er at sikre, at elektronen ikke glider ned af stigen, før den anden foton kommer. Halvleder -skraldestrukturen er, hvordan vi fanger elektronen i midten af ​​stigen, indtil den anden foton kommer for at skubbe den resten af ​​vejen op. "

UD -teamet vil udvikle nye halvlederstrukturer, der indeholder flere lag af forskellige materialer, såsom aluminiumarsenid og galliumvismutarsenid, hver kun få nanometer tyk. Dette "skræddersyede landskab" vil kontrollere strømmen af ​​elektroner til tilstande med varierende potentiel energi, forvandle engang spildte fotoner til nyttig energi.

UD -teamet har teoretisk vist, at deres halvledere kunne nå en opkonverteringseffektivitet på 86 procent, hvilket ville være en kæmpe forbedring i forhold til den 36 procent effektivitet, der demonstreres af nutidens bedste materialer. Hvad mere er, Doty siger, mængden af ​​absorberet lys og energi, der udsendes af strukturerne, kan tilpasses til en række forskellige anvendelser, fra pærer til laserstyret kirurgi.

Hvordan begynder du overhovedet at lave strukturer så små, at de kun kan ses med et elektronmikroskop? I en teknik vil UD -teamet bruge, kaldet molekylær stråle epitaxy, nanostrukturer vil blive bygget ved at deponere lag af atomer et ad gangen. Hver struktur testes for at se, hvor godt den absorberer og udsender lys, og resultaterne vil blive brugt til at skræddersy strukturen til at forbedre ydeevnen.

Forskerne vil også udvikle en mælkelignende løsning fyldt med millioner af identiske individuelle nanopartikler, hver indeholder flere lag af forskellige materialer. De flere lag i denne struktur, som flere slikskaller i en M&M, vil implementere idéen om fotonskralde. Gennem sådan arbejde, teamet forestiller sig en fremtidig opkonvertering "maling", der let kan påføres solceller, vinduer og andre kommercielle produkter.

Forbedring af medicinske tests og behandlinger

Mens det første fokus på det treårige projekt vil være på forbedring af høsten fra solenergi, teamet vil også undersøge biomedicinske applikationer.

En række diagnostiske tests og medicinske behandlinger, lige fra CT- og PET -scanninger til kemoterapi, stole på frigivelse af fluorescerende farvestoffer og farmaceutiske lægemidler. Ideelt set, sådanne nyttelaster leveres både på bestemte sygdomssteder og på bestemte tidspunkter, men det er svært at kontrollere i praksis.

UD -teamet har til formål at udvikle en opkonvertering nanopartikel, der kan udløses af lys for at frigive sin nyttelast. Målet er at opnå den kontrollerede frigivelse af lægemiddelterapier, selv dybt inde i sygt menneskeligt væv, samtidig med at den perifere skade på normalt væv reduceres ved at minimere den krævede lasereffekt.

"Dette er højrisiko, forskning med høj belønning, "Siger Doty." Høj risiko, fordi vi endnu ikke har bevis-på-konceptdata. Høj belønning, fordi det har en så stor potentiel indvirkning på vedvarende energi til medicin. Det er fantastisk at tænke på, at den samme teknologi kunne bruges til at høste mere solenergi og til behandling af kræft. Vi glæder os til at komme i gang! "