Forskare vid University of Delaware har fått ett anslag på 1 miljon dollar från W.M. Keck Foundation för att utforska en ny idé som kan förbättra solceller, medicinsk bildbehandling och även cancerbehandlingar. Enkelt uttryckt, de vill ändra färgen på ljuset.

De kommer inte att mixtra med det du ser utanför ditt fönster:inga lila dagar eller chartreuse-nätter, inga redigeringar av regnbågar och flammande solnedgångar. Deras mål är att vända lågenergifärger av ljus, som rött, i färger med högre energi, som blå eller grön.

Att ändra ljusets färg skulle ge soltekniken ett avsevärt lyft. En traditionell solcell kan bara absorbera ljus med energi över en viss tröskel. Infrarött ljus passerar rakt igenom, dess outnyttjade energi.

Dock, om det lågenergiljuset kunde omvandlas till högre energiljus, en solcell kan absorbera mycket mer av solens rena, fri, riklig energi. Teamet förutspår att deras nya tillvägagångssätt kan öka effektiviteten hos kommersiella solceller med 25 till 30 procent.

Forskargruppen, baserad på UD:s College of Engineering, leds av Matthew Doty, docent i materialvetenskap och teknik och biträdande chef för UD:s Nanofabrication Facility. Dotys medutredare inkluderar Joshua Zide, Diane Sellers och Chris Kloxin, alla inom Institutionen för materialvetenskap och teknik; och Emily Day och John Slater, båda vid institutionen för biomedicinsk teknik.

"Detta prestigefyllda anslag på 1 miljon dollar från Keck Foundation understryker excellens och innovation hos vår University of Delaware-fakultet, " säger Nancy Targett, tillförordnad president för universitetet. "Klart, University of Delaware driver stora idéer inom förnybar energi och biomedicin med potential att gynna världen."

"Universitets strategiska plan för Delaware Will Shine utmanar oss att tänka modigt när vi söker lösningar på problem som samhället står inför, " Domenico Grasso, UD:s prost, lägger till. "Vi gratulerar forskargruppen i College of Engineering för denna stora utmärkelse, och vi ser fram emot deras resultat."

Ändra ljusets färg

"En ljusstråle innehåller miljoner och åter miljoner individuella ljusenheter som kallas fotoner, " säger projektledaren Matthew Doty. "Energien hos varje foton är direkt relaterad till ljusets färg – en foton av rött ljus har mindre energi än en foton av blått ljus. Du kan inte bara förvandla en röd foton till en blå, men du kan kombinera energin från två eller flera röda fotoner för att göra en blå foton."

Denna process, kallad "foton uppkonvertering, "är inte nytt, säger Doty. Dock, UD-teamets inställning till det är.

De vill designa en ny typ av halvledarnanostruktur som kommer att fungera som en spärrhake. Det kommer att absorbera två röda fotoner, en efter den andra, att trycka en elektron till ett exciterat tillstånd när den kan sända ut en enda högenergisk (blå) foton.

Dessa nanostrukturer kommer att vara så små att de bara kan ses när de förstoras en miljon gånger under ett kraftfullt elektronmikroskop.

"Tänk på elektronerna i den här strukturen som om de befann sig i en vattenpark, " Doty säger. "Den första röda fotonen har bara tillräckligt med energi för att trycka en elektron halvvägs uppför stegen på vattenrutschbanan. Den andra röda fotonen trycker den hela vägen upp. Sedan går elektronen nerför rutschkanan, frigör all den energin i en enda process, med emissionen av den blå fotonen. Tricket är att se till att elektronen inte glider nerför stegen innan den andra fotonen anländer. Halvledarspärrstrukturen är hur vi fångar elektronen i mitten av stegen tills den andra fotonen kommer för att trycka den hela vägen upp."

UD-teamet kommer att utveckla nya halvledarstrukturer som innehåller flera lager av olika material, såsom aluminiumarsenid och galliumvismutarsenid, var och en endast några nanometer tjock. Detta "skräddarsydda landskap" kommer att kontrollera flödet av elektroner till tillstånd med varierande potentiell energi, att förvandla en gång bortkastade fotoner till användbar energi.

UD-teamet har teoretiskt visat att deras halvledare kan nå en uppkonverteringseffektivitet på 86 procent, vilket skulle vara en enorm förbättring jämfört med de 36 procent verkningsgrad som dagens bästa material visar. Vad mer, Doty säger, mängden ljus som absorberas och energi som emitteras av strukturerna kan anpassas för en mängd olika applikationer, från glödlampor till laserstyrd kirurgi.

Hur börjar man ens göra strukturer så små att de bara kan ses med ett elektronmikroskop? I en teknik kommer UD-teamet att använda, kallas molekylär strålepitaxi, nanostrukturer kommer att byggas genom att deponera lager av atomer en i taget. Varje struktur kommer att testas för att se hur väl den absorberar och avger ljus, och resultaten kommer att användas för att skräddarsy strukturen för att förbättra prestanda.

Forskarna kommer också att utveckla en mjölkliknande lösning fylld med miljontals identiska individuella nanopartiklar, var och en innehåller flera lager av olika material. De många lagren av denna struktur, som flera godisskal i en M&M, kommer att implementera fotonspärr-idén. Genom sådant arbete, teamet föreställer sig en framtida uppkonverterings-"färg" som lätt kan appliceras på solceller, fönster och andra kommersiella produkter.

Förbättra medicinska tester och behandlingar

Medan det initiala fokus för det treåriga projektet kommer att vara på att förbättra solenergiskörd, teamet kommer också att utforska biomedicinska tillämpningar.

Ett antal diagnostiska tester och medicinska behandlingar, allt från CT- och PET-undersökningar till kemoterapi, förlita sig på frisättningen av fluorescerande färgämnen och farmaceutiska läkemedel. Helst sådana nyttolaster levereras både vid specifika sjukdomsplatser och vid specifika tidpunkter, men detta är svårt att kontrollera i praktiken.

UD-teamet syftar till att utveckla en uppkonverteringsnanopartikel som kan triggas av ljus för att frigöra sin nyttolast. Målet är att uppnå kontrollerad frisättning av läkemedelsbehandlingar även djupt inne i sjuk mänsklig vävnad samtidigt som den perifera skadan på normal vävnad minskas genom att minimera den laserkraft som krävs.

"Detta är högrisk, forskning med hög belöning, " säger Doty. "Högrisk eftersom vi ännu inte har proof-of-concept-data. Hög belöning eftersom det har en så stor potentiell inverkan på förnybar energi till medicin. Det är fantastiskt att tänka på att samma teknik skulle kunna användas för att skörda mer solenergi och för att behandla cancer. Vi är glada över att komma igång!"