I en värld med växande energibehov, och ett globalt imperativ för att stoppa koldioxidutsläppen, en liten ”kvasipartikel” som kallas exciton kan ge svaret på våra problem.

Excitoner bildas när ljus absorberas av molekyler eller kristaller. Men de kan också avge ljus, efter att de skapats elektriskt i saker som ljusdioder (lysdioder).

Även om vi bara börjar förstå deras potential, excitoner kan hjälpa oss att utnyttja solenergi mer effektivt, och drastiskt minska energi- och miljökostnaderna för belysning.

Med namn och natur, det är verkligen spännande.

The Center of Excellence in Exciton Science är ett nytt forskningscenter för Australian Research Council som leds av University of Melbourne, i samarbete med andra toppuniversitet och organisationer från hela Australien. Det tvärvetenskapliga teamet av kemister, matematiker, fysiker, datavetare och ingenjörer fokuserar på att manipulera hur ljusenergi absorberas, transporteras och transformeras i avancerade molekylära material. Och de vill att deras arbete i slutändan ska omsättas i vardagen.

Excitons är inte nya, de finns runt oss hela tiden. Anledningen till att vi ser ljus och färg, anledningen till att våra TV -apparater och telefoner tänds, och anledningen till att djur som eldflugor kan producera ljus, är på grund av excitoner. Men det som är nytt är att vi nu förstår och kan manipulera excitoner på molekylär nivå.

"Vi är intresserade av att kontrollera och skörda energin, "säger centerdirektören professor Paul Mulvaney." Så vi skördar inte ljuset direkt, men vi skördar excitonerna när de bildas. "

Professor Ken Ghiggino är fotokemist och fokuserar på att karakterisera excitonernas livstid.

"Excitons varar inte särskilt länge, säger professor Ghiggino.

"Det kan vara från femtosekunder [en kvadriljondel av en sekund], upp till nanosekunder [en tusen -milondels sekund] - men du kan mäta den tiden. Vi använder mycket korta ljuspulser, och extremt snabba "kameror" för att skapa grafer i femtosekunders tidsskalor. "

Professor Ghiggino säger att varje material har en unik excitonsignatur, som kännetecknas av hur elektronerna blir upphetsade, hur lång tid det tar innan energin släpps ut, och vad som händer efter det.

"Och just nu, vi kan inte förutsäga deras beteende bra. "

Loppet går vidare för att hitta nya material med den perfekta blandningen av excitonegenskaper. Nya syntetiska material skapas i laboratoriet av forskare som Dr Wallace Wong vid School of Chemistry och Bio21 Institute vid University of Melbourne, som utvecklar högeffektivitet, flexibla solceller. Dessa skickas sedan till professor Ghiggino för att karakteriseras.

"Vi får reda på vilken typ av excitoner som bildas, hur länge de håller på, och hur är det relaterat till materialets struktur, säger professor Ghiggino.

"Sedan matar vi den informationen tillbaka till Dr Wong och han ändrar molekylens struktur enligt vad vi har hittat, och vi går igenom denna cykel igen tills vi får de optimala egenskaperna. "

Men spara energi, och pengar, är lika mycket en del av ekvationen som att skörda energi.

"Vi vill veta hur man använder solljus bättre, "säger professor Paul Mulvaney.

Hur energi döljs i färger

"Vi vill utveckla nya material för solceller, att sänka kostnaden för solenergi. Och vi vill leta efter nya sätt att använda solenergi, i synnerhet flexibla solceller, så vi har fler arkitektoniska möjligheter att utnyttja denna teknik, inte bara den stela takmodellen. "

Tekniken kan också spela in för att minska våra utsläpp.

"Vi tittar också på möjligheterna för nästa generations lysdioder. För närvarande, de är svåra att tillverka i skala, hållbarhet och kvalitet som vi behöver. Men lysdioder är den mest effektiva formen av belysning som vi känner till och om vi skulle kunna omvandla alla glödlampor i Australien till lysdioder, då skulle vi förmodligen uppfylla våra utsläppsminskningsmål, säger professor Mulvaney.

Decennier på gång

För hans grundutbildningsprojekt, Professor Mulvaney arbetade med förnybar energi. Han försökte använda solenergi för att göra väte som bränsle. Men det blev väldigt tydligt, mycket snabbt det var ett område som inte kunde eftersträvas eftersom vår förståelse av material bara inte var tillräckligt bra.

Tjugo år senare, och professor Mulvaney anser att det är dags att återuppta detta forskningsområde, tack vare framsteg när det gäller nya material, särskilt nanoskala material.

"Vi fick vänta på att materialvetenskapen skulle komma ikapp, säger professor Mulvaney.

"Vi förstår de material som bildar excitoner mycket mer nu, så vi vill gå tillbaka och titta på de stora problemen som förnybar energi och se om all den kunskap som vi har byggt upp under de senaste 20 åren kan hjälpa oss att göra genombrott. "

Medan professor Mulvaney har gott om idéer för hur vi kan utnyttja excitoner, han hoppas att några av de yngre i hans team kan komma med nya idéer som tar vetenskapen i en helt ny riktning.

"Intressant, cirka 50 procent av Nobelpriserna ges till det arbete forskare gör innan de är 35. Så om vi vill att Australien ska göra genombrottsvetenskap måste vi ge unga människor de resurser som behövs för att nå de stora drömmålen, och vi måste ge dem lite frihet att göra det, " han säger.

"Jag tror att en av det vackra i det här schemat och en sak jag ser fram emot, ser att några av de galna idéerna prövas och förhoppningsvis några omvandlas till något lyckat. "