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  • Cambiar el color de la luz

    Un equipo de investigación de la Universidad de Delaware tiene como objetivo cambiar el color de la luz, mediante el desarrollo de nuevas nanoestructuras que actúan como un trinquete, combinando la energía de dos fotones rojos de luz en un solo fotón azul, que tiene mayor energía. Tal avance podría mejorar la eficiencia de las células solares en los tratamientos de quimioterapia. Crédito:Evan Krape / Universidad de Delaware

    Investigadores de la Universidad de Delaware han recibido una subvención de $ 1 millón de W.M. Keck Foundation para explorar una nueva idea que podría mejorar las células solares, imágenes médicas e incluso tratamientos contra el cáncer. Simplemente pon, quieren cambiar el color de la luz.

    No jugarán con lo que ves por la ventana:no hay días morados ni noches chartreuse, sin ediciones de arcoíris y puestas de sol ardientes. Su objetivo es convertir la luz en colores de baja energía, como el rojo, en colores de mayor energía, como azul o verde.

    Cambiar el color de la luz daría un impulso considerable a la tecnología solar. Una celda solar tradicional solo puede absorber luz con energía por encima de un cierto umbral. La luz infrarroja atraviesa su energía sin explotar.

    Sin embargo, si esa luz de baja energía pudiera transformarse en luz de mayor energía, una celda solar podría absorber mucho más de la limpieza del sol, gratis, abundante energía. El equipo predice que su nuevo enfoque podría aumentar la eficiencia de las células solares comerciales entre un 25 y un 30 por ciento.

    El equipo de investigación con sede en la Facultad de Ingeniería de la UD, está dirigido por Matthew Doty, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales y director asociado de Nanofabrication Facility de la UD. Los co-investigadores de Doty incluyen a Joshua Zide, Diane Sellers y Chris Kloxin, todo en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales; y Emily Day y John Slater, ambos en el Departamento de Ingeniería Biomédica.

    "Esta prestigiosa subvención de $ 1 millón de la Fundación Keck subraya la excelencia y la innovación de nuestra facultad de la Universidad de Delaware, "dice Nancy Targett, presidente en funciones de la Universidad. "Claramente, la Universidad de Delaware está persiguiendo grandes ideas en energía renovable y biomedicina con el potencial de beneficiar al mundo ".

    "El plan estratégico Delaware Will Shine de la Universidad nos desafía a pensar con valentía mientras buscamos soluciones a los problemas que enfrenta la sociedad, "Domenico Grasso, Rector de UD, agrega. "Felicitamos al equipo de investigación de la Facultad de Ingeniería por este importante premio, y esperamos sus hallazgos ".

    Cambiar el color de la luz

    "Un rayo de luz contiene millones y millones de unidades individuales de luz llamadas fotones, "dice el líder del proyecto Matthew Doty." La energía de cada fotón está directamente relacionada con el color de la luz:un fotón de luz roja tiene menos energía que un fotón de luz azul. No puedes simplemente convertir un fotón rojo en uno azul, pero puedes combinar la energía de dos o más fotones rojos para formar un fotón azul ".

    Este proceso, llamado "conversión ascendente de fotones, "no es nuevo, Doty dice. Sin embargo, el enfoque del equipo de la UD es.

    Quieren diseñar un nuevo tipo de nanoestructura semiconductora que actuará como un trinquete. Absorberá dos fotones rojos, uno después del otro, empujar un electrón a un estado excitado cuando puede emitir un solo fotón de alta energía (azul).

    Estas nanoestructuras serán tan pequeñas que solo podrán verse cuando se amplíen un millón de veces con un microscopio electrónico de alta potencia.

    "Piense en los electrones de esta estructura como si estuvieran en un parque acuático, "Dice Doty." El primer fotón rojo sólo tiene la energía suficiente para empujar un electrón hasta la mitad de la escalera del tobogán de agua. El segundo fotón rojo lo empuja el resto del camino hacia arriba. Entonces el electrón baja por la diapositiva, liberando toda esa energía en un solo proceso, con la emisión del fotón azul. El truco consiste en asegurarse de que el electrón no se deslice por la escalera antes de que llegue el segundo fotón. La estructura de trinquete del semiconductor es la forma en que atrapamos el electrón en el medio de la escalera hasta que llega el segundo fotón para empujarlo el resto del camino hacia arriba ".

    El equipo de UD desarrollará nuevas estructuras de semiconductores que contienen múltiples capas de diferentes materiales, tales como arseniuro de aluminio y arseniuro de bismuto de galio, cada uno sólo tiene unos pocos nanómetros de espesor. Este "paisaje a medida" controlará el flujo de electrones en estados con energía potencial variable, convirtiendo fotones una vez desperdiciados en energía útil.

    El equipo de UD ha demostrado teóricamente que sus semiconductores podrían alcanzar una eficiencia de conversión ascendente del 86 por ciento, lo que sería una gran mejora con respecto al 36 por ciento de eficiencia demostrada por los mejores materiales de la actualidad. Y lo que es más, Doty dice:la cantidad de luz absorbida y energía emitida por las estructuras podría personalizarse para una variedad de aplicaciones, desde bombillas hasta cirugía guiada por láser.

    ¿Cómo puedes empezar a hacer estructuras tan pequeñas que solo se pueden ver con un microscopio electrónico? En una técnica que utilizará el equipo de UD, llamada epitaxia de haz molecular, Las nanoestructuras se construirán depositando capas de átomos de una en una. Cada estructura se probará para ver qué tan bien absorbe y emite luz, y los resultados se utilizarán para adaptar la estructura a fin de mejorar el rendimiento.

    Los investigadores también desarrollarán una solución similar a la leche llena de millones de nanopartículas individuales idénticas, cada uno contiene múltiples capas de diferentes materiales. Las múltiples capas de esta estructura, como múltiples caramelos en un M&M, implementará la idea del trinquete de fotones. A través de tal trabajo, el equipo prevé una futura "pintura" de conversión ascendente que podría aplicarse fácilmente a las células solares, ventanas y otros productos comerciales.

    Mejorar las pruebas y los tratamientos médicos

    Si bien el enfoque inicial del proyecto de tres años será mejorar la recolección de energía solar, el equipo también explorará aplicaciones biomédicas.

    Varias pruebas de diagnóstico y tratamientos médicos, que van desde tomografías computarizadas y PET hasta quimioterapia, dependen de la liberación de tintes fluorescentes y fármacos. Idealmente, tales cargas útiles se entregan tanto en sitios específicos de enfermedades como en momentos específicos, pero esto es difícil de controlar en la práctica.

    El equipo de UD tiene como objetivo desarrollar una nanopartícula de conversión ascendente que pueda activarse con la luz para liberar su carga útil. El objetivo es lograr la liberación controlada de terapias con medicamentos incluso en las profundidades del tejido humano enfermo mientras se reduce el daño periférico al tejido normal minimizando la potencia láser requerida.

    "Esto es de alto riesgo, investigación de alta recompensa, "Dice Doty." Alto riesgo porque aún no tenemos datos de prueba de concepto. Alta recompensa porque tiene un impacto potencial enorme en las energías renovables para la medicina. Es sorprendente pensar que esta misma tecnología podría usarse para recolectar más energía solar y para tratar el cáncer. ¡Estamos emocionados de empezar! "


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