Investigadores de la Universidad de Kyushu en Japón, han logrado desarrollar un sistema molecular que hace posible la conversión eficiente de la luz visible ambiental, por ejemplo procedente de la luz solar de baja intensidad o de la iluminación interior, en luz ultravioleta con una eficiencia que duplica los registros anteriores. Este hallazgo puede suponer una importante mejora de rendimiento para aquellos procesos que son impulsados por la luz, cómo la producción de hidrógeno o la purificación de aire. 

El profesor asociado de la facultad de ingeniería de la Universidad de Kyushu, Nobuhiro Yanai, lleva tiempo buscando el desarrollo de nuevas maneras de producir luz ultravioleta para alimentar fotocatalizadores que permiten una variedad de reacciones útiles, desde la producción de hidrógeno para su uso en vehículos de pila de combustibles hasta la purificación de entornos interiores. 

“Aunque se pueden utilizar fuentes de luz dedicadas, como los LED Ultravioletas, para impulsar estas reacciones, consumen energía y aumentan la complejidad. En cambio una solución mucho más elegante es cosechar la luz ambiental interior y solar que ya está a nuestro alrededor”, explica Yanai.

Sin embargo, estas fuentes de luz ambiental generalmente emiten dentro del espectro visible de la luz (región visible de menos energía) y solo una fracción de ella en el ultravioleta, por lo que los investigadores han estado buscando formas de convertir directamente la luz visible con longitudes de onda superior a los 400 nm en luz ultravioleta de mayor energía. 

Si bien se han realizado muchos estudios sobre la conversión de fotones basados en proceso denominado como “triplet-triplet annihilation, un mecanismo de transferencia de energía entre dos moléculas en su estado de triplete, para la producción de luz visible con alta eficiencia, la eficiencia del proceso para pasar de luz visible a ultravioleta, a pesar de su importancia para una gran variedad de aplicaciones solares e interiores, sigue siendo todo un desafío. Hasta hace poco, la eficiencia máxima reportada de la conversión convencional de luz visible a ultravioleta a través de este proceso era de alrededor del 10% y solo se podía lograr con luz visible 1.000 veces más intensa que la luz solar. Los resultados de esta nueva investigación, publicados recientemente en Angewandte Chemie International Edition, muestran como se ha roto este récord al tiempo que han logrado eficientes mucho mejores bajo luz visible débil procedente del sol e iluminación interior de LEDs. 

“Hemos estado tratando mejorar la eficiencia de este proceso durante más de cinco años, pero nos habíamos quedado atascados en torno al 5%. Finalmente pudimos dar un gran salto a través de un nuevo diseño molecular, que nos dio las moléculas adecuadas para conseguir un excelente rendimiento del 20,5%”, relata Yanai. 

Dentro del proceso de aniquilación de tripletes, las moléculas aceptantes emisoras de ultravioleta y el apagado de la emisión ultravioleta generada por las moléculas donantes creadoras de tripletes han sido las dos cuestiones clave que limitan el rendimiento.

Para superar estos problemas, los investigadores desarrollaron una nueva molécula aceptadora, llamada TIPS-naftalina, que tiene una alta eficiencia de aniquilación de tripletes y una energía de triplete lo suficientemente baja como para aceptar fácilmente tripletes de una molécula llamada Ir(C6)2(acac), un donante superior que encontraron anteriormente que no absorbe fuertemente la emisión ultravioleta convertida.

La combinación de TIPS-naftaleno e Ir(C6)2(acac) logró con éxito la mayor eficiencia de conversión de 20,5% bajo luz de alta intensidad. Además, el sistema también logra reducir significativamente la intensidad de la luz de excitación requerida en comparación con los sistemas convencionales, logrando eficiencias de conversión de alrededor del 10% incluso a intensidades similares a las de la luz solar.

«Este sistema puede convertir eficientemente la luz visible de muy baja intensidad en luz ultravioleta. Me sorprendió mucho que pudiéramos obtener luz ultravioleta incluso con los LED que suelo usar en el escritorio de mi oficina», comenta Yanai.

Además de encontrar maneras de seguir mejorando la eficiencia, los investigadores también están explorando cómo lograr que el sistema funcione igual de bien fuera de solución para simplificar aún más su aplicación a una variedad de procesos impulsados por la luz.

Créditos de imágenes: Nobuhiro Yanai, Universidad de Kyushu