In een wereld van groeiende energiebehoeften, en een wereldwijde noodzaak om de CO2-uitstoot een halt toe te roepen, een klein 'quasideeltje', een exciton genaamd, zou het antwoord op onze problemen kunnen bieden.

Excitonen worden gevormd wanneer licht wordt geabsorbeerd door moleculen of kristallen. Maar ze kunnen ook licht uitstralen, nadat ze elektrisch zijn gemaakt in zaken als light-emitting diodes (LED's).

Hoewel we hun potentieel net beginnen te begrijpen, excitonen kunnen ons helpen zonne-energie efficiënter te benutten, en de energie- en milieukosten van verlichting drastisch te verlagen.

Van naam en van nature, het is echt spannend.

Het Centre of Excellence in Exciton Science is een nieuw onderzoekscentrum van de Australian Research Council onder leiding van de Universiteit van Melbourne, in samenwerking met andere topuniversiteiten en organisaties uit heel Australië. Het multidisciplinaire team van chemici, wiskundigen, natuurkundigen, computerwetenschappers en ingenieurs zijn gefocust op het manipuleren van de manier waarop lichtenergie wordt geabsorbeerd, getransporteerd en omgezet in geavanceerde moleculaire materialen. En ze willen dat hun werk zich uiteindelijk vertaalt in het dagelijks leven.

Opwindingen zijn niet nieuw, ze zijn de hele tijd om ons heen. De reden waarom we licht en kleur zien, de reden waarom onze tv's en telefoons oplichten, en de reden waarom dieren zoals vuurvliegjes licht kunnen produceren, komt door excitonen. Maar wat nieuw is, is dat we excitonen nu begrijpen en kunnen manipuleren op moleculair niveau.

"We zijn geïnteresseerd in het beheersen en oogsten van de energie, " zegt centrumdirecteur professor Paul Mulvaney. "Dus we oogsten niet direct het licht, maar we oogsten de excitonen zoals ze worden gevormd."

Professor Ken Ghiggino is een fotochemicus en zijn focus ligt op het karakteriseren van de levensduur van de excitonen.

"Excitaties duren niet lang, " zegt professor Ghiggino.

"Het kan van femtoseconden [een quadriljoenste van een seconde] zijn, tot nanoseconden [een duizend-miljoenste van een seconde] - maar je kunt die tijd meten. We gebruiken zeer korte lichtpulsen, en extreem snelle 'camera's' om grafieken te maken in femtoseconde tijdschalen. "

Professor Ghiggino zegt dat elk materiaal een unieke exciton-signatuur heeft, dat wordt gekenmerkt door hoe de elektronen opgewonden raken, hoe lang het duurt voordat de energie vrijkomt, en wat er daarna gebeurt.

"En nu, we kunnen hun gedrag niet goed voorspellen."

De race is begonnen om nieuwe materialen te vinden met de perfecte mix van exciton-eigenschappen. Nieuwe synthetische materialen worden in het laboratorium gemaakt door onderzoekers zoals Dr. Wallace Wong van de School of Chemistry en het Bio21 Institute van de Universiteit van Melbourne, die een hoog rendement ontwikkelt, flexibele zonnecellen. Deze worden vervolgens naar professor Ghiggino gestuurd om te worden gekarakteriseerd.

"We ontdekken wat voor soort excitonen worden gevormd, hoe lang ze duren, en hoe is het gerelateerd aan de structuur van het materiaal, " zegt professor Ghiggino.

"Dan geven we die informatie terug aan Dr. Wong en hij verandert de structuur van het molecuul volgens wat we hebben gevonden, en we doorlopen deze cyclus opnieuw totdat we de optimale eigenschappen hebben."

Maar energie besparen, en geld, is net zo goed een onderdeel van de vergelijking als het oogsten van energie.

"We willen weten hoe we zonlicht beter kunnen gebruiken, " zegt professor Paul Mulvaney.

Hoe energie verborgen zit in kleuren

"We willen nieuwe materialen voor fotovoltaïsche energie ontwikkelen, om de kosten van zonne-energie omlaag te brengen. En we willen zoeken naar nieuwe manieren om zonne-energie te gebruiken, in het bijzonder flexibele zonnecellen, dus we hebben meer architecturale mogelijkheden om deze technologieën te benutten, niet alleen het model met starre daken."

De technologie kan ook bijdragen aan het verminderen van onze uitstoot.

"Ook kijken we naar de mogelijkheden voor de volgende generatie LED's. Op dit moment ze zijn moeilijk te vervaardigen op de schaal, duurzaamheid en kwaliteit die we nodig hebben. Maar LED's zijn de meest efficiënte vorm van verlichting die we kennen en als we alle gloeilampen in Australië zouden kunnen omzetten in LED's, dan zouden we waarschijnlijk onze emissiereductiedoelstellingen halen, ’ zegt professor Mulvaney.

Decennia in de maak

Voor zijn bachelor honoursproject, Professor Mulvaney werkte aan hernieuwbare energiebronnen. Hij probeerde zonne-energie te gebruiken om waterstof als brandstof te maken. Maar het werd heel duidelijk heel snel was dat een gebied dat niet kon worden nagestreefd omdat ons begrip van materialen gewoon niet goed genoeg was.

Twintig jaar later, en professor Mulvaney is van mening dat de tijd is gekomen om dit onderzoeksgebied nieuw leven in te blazen, dankzij de vooruitgang op het gebied van nieuwe materialen, met name materialen op nanoschaal.

"We moesten wachten tot de materiaalwetenschap haar inhaalde, ’ zegt professor Mulvaney.

"We begrijpen nu veel meer de materialen die excitonen vormen, dus we willen teruggaan en kijken naar die grote problemen zoals hernieuwbare energie en kijken of al die kennis die we in de afgelopen 20 jaar hebben opgebouwd ons kan helpen om doorbraken te maken."

Hoewel professor Mulvaney genoeg ideeën heeft over hoe we excitonen kunnen exploiteren, hij hoopt dat enkele van de jongere leden van zijn team met nieuwe ideeën kunnen komen die de wetenschap een geheel nieuwe richting inslaan.

"Interessant, ongeveer 50 procent van de Nobelprijzen wordt gegeven aan het werk dat wetenschappers doen voordat ze 35 zijn. Dus als we willen dat Australië baanbrekende wetenschap doet, moeten we jonge mensen de middelen geven die nodig zijn om die grote droomdoelen te bereiken, en we moeten ze een beetje vrijheid geven om dat te doen, " hij zegt.

"Ik denk dat een van de schoonheden van dit plan en iets waar ik naar uitkijk, ziet een aantal van de gekke ideeën die worden uitgeprobeerd en hopelijk worden er een paar omgezet in iets succesvols."