Imagine despejar duas xícaras de água morna e terminar com uma xícara de água fervente. Isso pode não acontecer na vida cotidiana, mas no nível quântico algo semelhante é possível. Múltiplas partículas de luz de baixa energia podem combinar suas energias para formar uma única partícula com energia muito mais alta.
Pesquisadores da Universidade de Kyushu desenvolveram agora um material molecular de estado sólido capaz de converter a luz solar visível em luz ultravioleta (UV) sob condições normais ao ar livre. O novo material atinge uma eficiência de conversão fotográfica de 1,9%, segundo estudo publicado em 23 de junho. Comunicação da natureza.
Por que a luz UV é importante
Embora muitas pessoas associem a luz UV a queimaduras solares e danos à pele, ela desempenha um papel importante em inúmeras tecnologias. A luz UV é usada para aplicações como purificação de ar, cura de resina em impressão 3D, endurecimento de gel em obturações dentárias e até mesmo tratamentos de unhas.
Apesar da sua utilidade, a luz UV representa apenas 6% da luz solar que atinge a superfície da Terra. Contudo, apenas uma fração dessa radiação UV é prática para aplicações técnicas.
“O que fazemos aqui é ‘somar’ a energia de dois fótons de luz visível para produzir um fóton ultravioleta. Este é um processo interessante chamado conversão ascendente de fotos, “explica Yoichi Sasaki, professor associado da Faculdade de Engenharia da Universidade de Kyushu e autor correspondente do estudo.
Convertendo luz visível em luz UV
O processo depende de um fenômeno conhecido como aniquilação tripleto-tripleto (TTA). Neste método, uma molécula conhecida como doadora absorve luz visível e entra em um estado tripleto de alta energia. Essa energia é então transferida para uma molécula aceitadora próxima.
Quando dois estados trigêmeos se encontram, eles combinam sua energia e emitem um único fóton UV.
Os cientistas sabem há muito tempo que o TTA funciona eficazmente em líquidos porque as moléculas podem mover-se livremente e interagir facilmente. No entanto, os sistemas líquidos muitas vezes requerem solventes tóxicos e podem evaporar com o tempo, limitando a sua praticidade. Como resultado, os pesquisadores passaram anos procurando uma alternativa confiável de estado sólido.
“Nos sólidos, as moléculas estão compactadas e as nuvens de elétrons π – regiões de alta densidade eletrônica acima e abaixo de cada plano molecular – podem se sobrepor”, disse Sasaki. “Quando isso acontece, os trigêmeos são facilmente desacoplados antes de se encontrarem. As moléculas devem estar próximas o suficiente para transferir energia, mas separadas o suficiente para evitar a extinção das excitações.”
Uma nova solução de estado sólido
A descoberta da equipe veio de um semicondutor orgânico chamado diidroindenoindenidina (DHI).
Os pesquisadores modificaram o DHI anexando cadeias alquílicas aos seus átomos de carbono sp³ – cujas quatro ligações apontam para direções 3D específicas. Este design cria um espaçamento cuidadosamente controlado entre moléculas vizinhas. As moléculas estavam próximas o suficiente para transferir energia de forma eficiente, evitando fortes interações eletrônicas que poderiam suprimir o desempenho.
O material resultante exibiu forte luminescência, estados excitados duradouros e transferência de energia altamente eficiente. Alcançou um rendimento quântico de fluorescência no estado sólido de mais de 60%.
Quando emparelhado com uma molécula doadora, o sistema atingiu uma eficiência de conversão ascendente de 1,9%.
“Isso significa que aproximadamente dois fótons UV são produzidos para cada cem fótons de luz visível absorvidos”, acrescenta Sasaki. “Pode parecer baixo, mas funciona apenas sob luz solar natural. A maioria dos materiais de estado sólido não consegue percebê-lo, mesmo em intensidades de luz muito mais altas.”
Aplicações potenciais para iluminação UV alimentada por energia solar
Os pesquisadores registraram um pedido de patente para o material.
Além do desempenho, o material oferece benefícios práticos. Pode ser sintetizado com relativa facilidade e é feito a partir de materiais iniciais baratos. A equipe acredita que ele poderia eventualmente ser usado em fotocatálise movida a energia solar, sistemas de purificação de ar interno e tecnologia de impressão 3D de baixa intensidade.
Uma jornada científica de 14 anos
Para os pesquisadores envolvidos, a conquista representa mais do que um avanço tecnológico.
Em 2012, Nobuo Kimizuka, agora professor emérito do Centro de Pesquisa para Tecnologias de Emissões Negativas da Universidade de Kyushu, começou a explorar a conversão ascendente de fótons por meio da migração de energia tripla em sistemas moleculares automontados. Seu objetivo era estabelecer uma forma de química de sistemas moleculares em que a automontagem pudesse desempenhar funções úteis.
Nos anos seguintes, seu grupo fez progressos constantes usando sistemas baseados em soluções e em gel. A conversão ascendente eficiente de estado sólido, entretanto, tem sido difícil de alcançar.
Um grande avanço ocorreu em maio de 2024, menos de um ano antes de Kimizuka se aposentar.
Os meses seguintes se transformaram em um intenso esforço para concluir o projeto. Os alunos de pós-graduação Nayuki Harada, Hayato Shyama e Nutnicha Bunmong trabalharam com Sasaki e o então professor assistente Kiichi Mizukami da Faculdade de Engenharia da Universidade de Kyushu para consolidar anos de pesquisa em uma publicação final.
“Entregamos o rascunho ao professor Kimizuka apenas 11 dias antes de ele deixar o laboratório, o que pareceu um sincero presente de aposentadoria para nós”, observa Sasaki.
“Esta descoberta marca o culminar de mais de 14 anos de nossa pesquisa e um marco importante no estudo da conversão de fótons e da automontagem molecular”, conclui Kimizuka.
