Eine neue, umweltfreundliche Möglichkeit, blaues Licht in hohes Licht umzuwandeln

Von der Kyushu-Universität, 16. Februar 2023

UVB-Strahlung wird heute vielfältig eingesetzt, für die Herstellung sind jedoch ineffiziente und giftige Quellen erforderlich. In einer Zusammenarbeit zwischen der Kyushu-Universität und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz wurde ein System entwickelt, bei dem blaues LED-Licht in UVB-Licht umgewandelt wird. Darüber hinaus verwendet das System ausschließlich organische Materialien und öffnet so die Tür für eine nachhaltigere und umweltfreundlichere Methode zur Erzeugung von UVB-Licht. Bildnachweis: Kyushu-Universität

Ein internationales Team aus Japan und Deutschland hat ein System entwickelt, das blaues LED-Licht in energiereiches Ultraviolett-B-Licht (UVB) umwandelt.

Das neue System, das nicht auf giftige und ineffiziente Materialien angewiesen ist, die traditionell für die UVB-Produktion verwendet werden, bietet eine nachhaltigere und umweltfreundlichere Lösung für UVB-Anwendungen. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht.

Es ist schwer, die Diskussion über ultraviolettes Licht zu vermeiden – insbesondere im Sommer. Diese von der Sonne erzeugten energiereichen Strahlen liegen außerhalb des sichtbaren Lichtspektrums und sind eine bekannte Ursache für Sonnenbräune und Sonnenbrand. UV-Licht wird je nach Wellenlänge in drei Typen unterteilt: A, B und C. UVA enthält das langwellige UV-Licht, das die Erdoberfläche erreicht, während kürzerwelliges UVB und UVC größtenteils von der Ozonschicht absorbiert wird.

Nonetheless, scientists have found that artificially produced UVB and UVC are useful in applications such as disinfection. UVB specifically has been applied in processes including photochemical reactions, detoxification of pollutants, and wastewater treatment. It is even used in the medical field in treatments for skin disorders such as eczemaEczema, also known as atopic dermatitis, is a chronic or recurrent inflammatory skin disease. Symptoms include itchy skin; dry cracked or scaly skin, and red or brownish patches of skin." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Ekzeme und Vitiligo.

Für die Erzeugung von UVB sind derzeit jedoch Quellen wie Quecksilberlampen erforderlich, die bei unsachgemäßer Entsorgung ineffizient und giftig sind.

One way around this is to generate UVB by ‘upconverting’ the light produced by LEDs. Upconversion is a method in which a material absorbs two photons of light of lower energy and combines their energy to emit one photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Photon von Licht höherer Energie. Die Methode erfolgt üblicherweise unter Verwendung einer Reihe organischer Materialien.

Im Laufe der Jahre haben zwei Forschungsteams in Japan und Deutschland unter der Leitung von Nobuhiro Yanai von der Graduate School of Engineering der Kyushu University und Christoph Kerzig von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz an der Evaluierung verschiedener Verbindungen für die Hochkonvertierung von blauem Licht von LEDs in UV gearbeitet Licht.

„Die Wellenlänge des blauen LED-Lichts kommt im sichtbaren Lichtspektrum dem UV-Licht am nächsten. Es ist uns gelungen, längerwelliges blaues LED-Licht in kürzerwelliges UVA-Licht umzuwandeln. Daher bestand unser nächster Schritt darin, Verbindungen zu finden, die blaues LED-Licht in UVB umwandeln können“, erklärt Yanai. „Mit unseren Kollegen in Mainz haben wir Kandidatenmoleküle konstruiert und mit der Untersuchung ihrer Eigenschaften begonnen.“

Die Zusammenarbeit war gelinde gesagt ein voller Erfolg. Sie konnten nicht nur Moleküle entwickeln, die blaues LED-Licht in UVB umwandeln, sondern sie konnten auch den Einsatz von Schwermetallen vermeiden, die traditionell in solchen Prozessen verwendet werden.

„Unsere Untersuchungen zeigen Hinweise auf eine bisher nicht gemeldete Aufwärtskonvertierung von Blau zu UVB, die auch einen Weg für eine sicherere und nachhaltigere Produktion von UVB darstellt“, schließt Yanai. „Dieses erste Upconversion-System basiert jedoch auf Flüssigkeiten und beruht auf mehreren bimolekularen Reaktionen, die seine Stabilität und Langzeitnutzung beeinträchtigen. Darüber hinaus liegt die aktuelle Umwandlungsrate bei etwa 1 %, unser nächstes Ziel ist natürlich die Steigerung der Effizienz bei gleichzeitiger Entwicklung wiederverwendbarer Materialien für vielseitige Anwendungen.“

Referenz: „Blue-to-UVB Upconversion, Solvent Sensitization and Challenging Bond Activation Enabled by a Benzene-Based Annihilator“ von Till JB Zähringer, Julian A. Moghtader, Maria-Sophie Bertrams, Dr. Bibhisan Roy, Masanori Uji, Prof. Dr . Nobuhiro Yanai und Prof. Dr. Christoph Kerzig, 18. November 2022, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002/ange.202215340

Die Studie wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, der Deutschen Bundesstiftung Umwelt und der Japan Society for the Promotion of Science gefördert.