El método de un profesor de la Universidad de Rice para "convertir" la luz podría hacer que las células solares sean más eficientes y que las nanopartículas dirigidas a enfermedades sean más efectivas.

Experimentos dirigidos por Gururaj Naik, un profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática, metales plasmónicos combinados y pozos cuánticos semiconductores para aumentar la frecuencia de la luz, cambiando su color.

En un prototipo a nanoescala que Naik desarrolló como investigador postdoctoral en la Universidad de Stanford, Los pilones de diseño personalizado que fueron golpeados por la luz verde produjeron un resplandor azul de mayor energía. "Estoy tomando fotones de baja energía y convirtiéndolos en fotones de alta energía, " él dijo.

La conversión ascendente eficiente de la luz podría permitir que las células solares conviertan la luz solar infrarroja que de otro modo se desperdicia en electricidad o ayudar a las nanopartículas activadas por la luz a tratar las células enfermas. Dijo Naik.

El trabajo aparece en la American Chemical Society Nano letras .

La magia ocurre dentro de diminutos pilones que miden unos 100 nanómetros de diámetro. Cuando se excita con una longitud de onda de luz específica, motas de oro en las puntas de los pilones convierten la energía luminosa en plasmones, ondas de energía que chapotean rítmicamente a través de la superficie dorada como ondas en un estanque. Los plasmones son de corta duración, y cuando se descomponen, entregan su energía de una de dos maneras; emiten un fotón de luz o producen calor transfiriendo su energía a un solo electrón, un electrón "caliente".

El trabajo de Naik en Stanford se inspiró en el innovador trabajo de los profesores Naomi Halas y Peter Nordlander en el Laboratorio de Nanopotónica de Rice. que había demostrado que los materiales plasmónicos excitantes también excitaban "portadores calientes" - electrones y huecos - en su interior. (Los huecos de electrones son las vacantes creadas cuando un electrón se excita a un estado superior, dando a su átomo una carga positiva.)

"La plasmónica es realmente excelente para exprimir la luz en la nanoescala, "dijo Naik, que se unió a la facultad de Rice hace un año. "Pero eso siempre tiene el costo de algo. Halas y Nordlander demostraron que se pueden extraer las pérdidas ópticas en forma de electricidad. Mi idea era devolverlas a su forma óptica".

Diseñó pilones usando capas alternas de nitruro de galio y nitruro de galio indio que fueron rematadas con una fina capa de oro y rodeadas de plata. En lugar de dejar que los transportadores calientes se escapen, La estrategia de Naik era dirigir tanto los electrones calientes como los agujeros calientes hacia las bases de nitruro de galio y nitruro de galio indio que sirven como pozos cuánticos atrapadores de electrones. Estos pozos tienen una banda prohibida inherente que secuestra electrones y agujeros hasta que se recombinan con la energía suficiente para saltar la brecha y liberar fotones a una frecuencia más alta.

Convertidores ascendentes actuales utilizados en comunicaciones en chip, terapia fotodinámica, la seguridad y el almacenamiento de datos tienen eficiencias en el rango del 5 al 10 por ciento, Dijo Naik. La teoría cuántica ofrece una eficiencia máxima del 50 por ciento ("porque estamos absorbiendo dos fotones para emitir uno") pero, él dijo, El 25 por ciento es una meta práctica para su método.

Naik señaló que sus dispositivos se pueden ajustar cambiando el tamaño y la forma de las partículas y el grosor de las capas. "Los convertidores ascendentes basados ​​en lantánidos y moléculas orgánicas emiten y absorben luz a frecuencias establecidas porque están fijados por niveles de energía atómica o molecular, ", dijo." Podemos diseñar pozos cuánticos y sintonizar sus bandgaps para emitir fotones en el rango de frecuencia que queremos y de manera similar diseñar nanoestructuras metálicas para absorber en diferentes frecuencias. Eso significa que podemos diseñar la absorción y la emisión casi de forma independiente, que no era posible antes ".

Naik construyó y probó un prototipo de prueba de concepto del conjunto de pilones mientras trabajaba en el laboratorio de Stanford de Jennifer Dionne después de ser coautor de un artículo teórico con ella que preparó el escenario para los experimentos.

"Es un dispositivo de estado sólido, Naik dijo sobre el prototipo:"El siguiente paso es hacer partículas independientes recubriendo puntos cuánticos con metal en el tamaño y la forma adecuados".

Estos se muestran prometedores como agentes de contraste médico o vehículos de administración de fármacos, él dijo. "La luz infrarroja penetra más profundamente en los tejidos, y la luz azul pueden provocar las reacciones necesarias para la administración de medicamentos, ", Dijo Naik." La gente usa convertidores ascendentes con drogas, entregarlos a la parte deseada del cuerpo, y hacer brillar luz infrarroja desde el exterior para administrar y activar la droga ".

Las partículas también harían una tinta invisible media, él dijo. "Se puede escribir con un convertidor ascendente y nadie lo sabría hasta que se ilumina con infrarrojos de alta intensidad y se convierte en luz visible".