Onderzoekers van de Universiteit van Delaware hebben een subsidie ​​van $ 1 miljoen ontvangen van de W.M. Keck Foundation om een ​​nieuw idee te onderzoeken dat zonnecellen kan verbeteren, medische beeldvorming en zelfs kankerbehandelingen. Simpel gezegd, ze willen de kleur van het licht veranderen.

Ze zullen niet sleutelen aan wat je uit je raam ziet:geen paarse dagen of chartreuse nachten, geen bewerkingen voor regenbogen en brandende zonsondergangen. Hun doel is om energiezuinige kleuren van licht te veranderen, zoals rood, in kleuren met hogere energie, zoals blauw of groen.

Het veranderen van de kleur van het licht zou de zonnetechnologie een flinke boost geven. Een traditionele zonnecel kan alleen licht absorberen met energie boven een bepaalde drempel. Infrarood licht gaat er dwars doorheen, zijn energie ongebruikt.

Echter, als dat laagenergetische licht zou kunnen worden omgezet in licht met een hogere energie, een zonnecel zou veel meer van het schone van de zon kunnen absorberen, vrij, overvloedige energie. Het team voorspelt dat hun nieuwe aanpak de efficiëntie van commerciële zonnecellen met 25 tot 30 procent zou kunnen verhogen.

Het onderzoeksteam, gevestigd in UD's College of Engineering, wordt geleid door Matthew Doty, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek en associate director van UD's Nanofabrication Facility. Doty's mede-onderzoekers zijn onder meer Joshua Zide, Diane Sellers en Chris Kloxin, allemaal in de afdeling Materials Science and Engineering; en Emily Day en John Slater, beide bij de faculteit Biomedische Technologie.

"Deze prestigieuze subsidie ​​van $ 1 miljoen van de Keck Foundation onderstreept de uitmuntendheid en innovatie van onze faculteit van de Universiteit van Delaware, " zegt Nancy Targett, waarnemend voorzitter van de universiteit. "Duidelijk, de Universiteit van Delaware streeft grote ideeën na op het gebied van hernieuwbare energie en biogeneeskunde met het potentieel om de wereld ten goede te komen."

"Het strategisch plan Delaware Will Shine van de universiteit daagt ons uit om moedig te denken bij het zoeken naar oplossingen voor problemen waarmee de samenleving wordt geconfronteerd, " Domenico Grasso, UD's provoost, voegt toe. "We feliciteren het onderzoeksteam van het College of Engineering met deze grote prijs, en we kijken uit naar hun bevindingen."

De kleur van het licht veranderen

"Een lichtstraal bevat miljoenen en miljoenen individuele lichteenheden, fotonen genaamd, ", zegt projectleider Matthew Doty. "De energie van elk foton is direct gerelateerd aan de kleur van het licht - een foton van rood licht heeft minder energie dan een foton van blauw licht. Je kunt een rood foton niet zomaar in een blauw veranderen, maar je kunt de energie van twee of meer rode fotonen combineren om één blauw foton te maken."

Dit proces, genaamd "foton-upconversie, " is niet nieuw, zegt Doty. Echter, de benadering van het UD-team is.

Ze willen een nieuw soort halfgeleider-nanostructuur ontwerpen die als een ratel werkt. Het zal twee rode fotonen absorberen, de een na de ander, om een ​​elektron in een aangeslagen toestand te duwen wanneer het een enkel hoogenergetisch (blauw) foton kan uitzenden.

Deze nanostructuren zullen zo klein zijn dat ze alleen kunnen worden bekeken als ze een miljoen keer worden vergroot onder een krachtige elektronenmicroscoop.

"Denk aan de elektronen in deze structuur alsof ze in een waterpark zijn, ' zegt Doty. 'Het eerste rode foton heeft net genoeg energie om een ​​elektron halverwege de ladder van de waterglijbaan te duwen. Het tweede rode foton duwt het de rest van de weg omhoog. Dan gaat het elektron van de glijbaan, het vrijgeven van al die energie in een enkel proces, met de emissie van het blauwe foton. De truc is om ervoor te zorgen dat het elektron niet van de ladder glijdt voordat het tweede foton arriveert. De halfgeleider ratelstructuur is hoe we het elektron in het midden van de ladder vangen totdat het tweede foton arriveert om het de rest van de weg omhoog te duwen."

Het UD-team zal nieuwe halfgeleiderstructuren ontwikkelen die meerdere lagen van verschillende materialen bevatten, zoals aluminiumarsenide en galliumbismutarsenide, elk slechts enkele nanometers dik. Dit "landschap op maat" regelt de stroom van elektronen naar toestanden met variërende potentiële energie, het omzetten van eens verspilde fotonen in bruikbare energie.

Het UD-team heeft theoretisch aangetoond dat hun halfgeleiders een opconversie-efficiëntie van 86 procent kunnen bereiken, wat een enorme verbetering zou zijn ten opzichte van de efficiëntie van 36 procent die wordt aangetoond door de beste materialen van vandaag. Bovendien, Doty zegt, de hoeveelheid licht die door de structuren wordt geabsorbeerd en de energie die wordt uitgestraald, kan worden aangepast voor verschillende toepassingen, van gloeilampen tot lasergeleide chirurgie.

Hoe begin je zelfs met het maken van structuren die zo klein zijn dat ze alleen met een elektronenmicroscoop kunnen worden gezien? In één techniek zal het UD-team gebruiken, moleculaire bundelepitaxie genoemd, nanostructuren zullen worden gebouwd door lagen van atomen één voor één af te zetten. Elke structuur zal worden getest om te zien hoe goed het licht absorbeert en uitstraalt, en de resultaten zullen worden gebruikt om de structuur aan te passen om de prestaties te verbeteren.

De onderzoekers zullen ook een melkachtige oplossing ontwikkelen die gevuld is met miljoenen identieke individuele nanodeeltjes, elk met meerdere lagen van verschillende materialen. De meerdere lagen van deze structuur, zoals meerdere snoepschelpen in een M&M, zal het idee van de fotonratel implementeren. Door dergelijk werk het team stelt zich een toekomstige "verf" voor die opgewaardeerd kan worden die gemakkelijk op zonnecellen kan worden aangebracht, ramen en andere commerciële producten.

Medische tests en behandelingen verbeteren

Hoewel de initiële focus van het driejarige project zal liggen op het verbeteren van het oogsten van zonne-energie, het team zal ook biomedische toepassingen onderzoeken.

Een aantal diagnostische tests en medische behandelingen, variërend van CT- en PET-scans tot chemotherapie, vertrouwen op de afgifte van fluorescerende kleurstoffen en farmaceutische medicijnen. Ideaal, dergelijke ladingen worden zowel op specifieke ziektelocaties als op specifieke tijden afgeleverd, maar dit is in de praktijk moeilijk te controleren.

Het UD-team wil een opconversie-nanodeeltje ontwikkelen dat door licht kan worden getriggerd om zijn nuttige lading vrij te geven. Het doel is om de gecontroleerde afgifte van medicamenteuze therapieën te bereiken, zelfs diep in ziek menselijk weefsel, terwijl de perifere schade aan normaal weefsel wordt verminderd door het vereiste laservermogen te minimaliseren.

"Dit is risicovol, onderzoek met hoge beloning, zegt Doty. "Hoog risico omdat we nog geen proof-of-concept data hebben. Hoge beloning omdat het zo'n enorme potentiële impact heeft op hernieuwbare energie voor medicijnen. Het is verbazingwekkend om te bedenken dat dezelfde technologie kan worden gebruikt om meer zonne-energie te oogsten en om kanker te behandelen. We hebben zin om aan de slag te gaan!"