1 milyon dolar ödüllü “ışığın rengini” değiştiren araştırma

Delaware Üniversitesi’nin araştırmacıları, yepyeni bir fikri ortaya çıkartmak için W.M Keck Vakfı’ndan 1 milyon dolar destek aldılar.

Araştırmacıların yeni buluşu, güneş hücrelerini, tıbbi görüntülemeyi ve hatta kanser tedavilerini bile geliştirmeyi sağlayabilir. Bu yeni fikri basitçe açıklamak gerekirse: Araştırmacılar ışığın rengini değiştirmek istiyorlar.

Elbette araştırmacılar sizin pencerenizin dışında gördüklerinizi değiştirmeyecekler: Mor günler ya da soluk yeşil geceler olmayacak, gökkuşaklarına ve gün batımlarına herhangi bir kurgu da yapılmayacak. Araştırmacıların amacı, kırmızı gibi, düşük enerjili renklere sahip ışığı, mavi ya da yeşil gibi, yüksek enerjili renklere döndürmek.

Işığın rengini değiştirmek solar teknolojisine hatırı sayılır bir gelişme getirebilir. Geleneksel bir güneş hücresi, sadece belli bir eşiğin üzerinde enerjiye sahip ışığı emebilir. Kızılötesi ışık ise doğruca geçer ve enerjisi kullanılmaz.

Buna rağmen, eğer bu düşü enerjili ışık daha yüksek enerjili bir ışığa dönüşebilirse, güneş hücresi güneşin temiz, bağımsız, bol enerjisinden çok daha fazla emebilir. Araştırma ekibine göre onların bu yeni bakış açısı ticari güneş hücrelerinin verimliliğini %25-%30 arasında artırabilir.

UD Mühendislik Okulu’ndaki araştırma ekibini yöneten Matthew Doty, Madde Bilimi ve Mühendisliği Profesörü ve aynı zamanda UD’nin Nanofabrikasyon Tesisi’nin Yönetici Ortağı. Doty’nin araştırma ekibi arkadaşları arasında Madde Bilimi ve Mühendislik Bölümü’nden Joshua Zide, Diane Sellers, Chris Kloxin, Biyo-Medikal Mühendislik Bölümü’nden Emily Day, John Slater gibi isimler de bulunuyor.

Araştırmayla ilgili üniversite başkanı Nancy Targett şu açıklamalarda bulunuyor: “Bu prestijli bağış Delawer Üniversitesi Fakültesi’nin mükemmelliğini ve yenilikçiliğini vurguluyor. Açık bir şekilde, üniversitemiz yenilenebilir enerji ve biyo-tıp alanında dünyaya fayda sağlayacak potansiyel oluşturan büyük fikirleri kovalıyor”

Işığın rengini değiştirmek
Proje lideri Matthew Doty: “Işınlar, foton adı verilen milyonlarca bireysel üniteden oluşur. Her fotonun enerjisi direkt olarak ışığın rengiyle ilgilidir. Kırmızı ışığın fotonu mavi ışığın fotonundan daha az enerjiye sahiptir. Kırmızı bir fotonu basitçe maviye dönüştüremezsiniz ancak bir tane mavi foton yaratmak için iki ya da daha fazla kırmızı fotonun enerjisini birleştirebilirsiniz. Bu sürece “foton yukarı dönüşümü” denir ve yeni bir olay değildir.” diye konuşuyor. Bu yeni bir olay olmasa da UD ekibinin yaklaşımı oldukça yeni. Ekip, bir mandallı çark gibi çalışacak olan, yeni bir yarı iletken nano-yapı tasarlamak istiyor. Bu yapı, bir elektronu tek bir mavi foton salabilecek uyarılma seviyesine çıkartabilmek için iki kırmızı fotonu bir biri ardına emecek.

Bu nano-yapılar o kadar ufak olacaklar ki yüksek güçlü bir elektron mikroskobu altında milyonlarca kez büyütüldüklerinde ancak görülebilecekler.

Doty sözlerine şöyle devam ediyor: “Bu yapının içinde elektronları, bir su parkının içindelermiş gibi düşünün. İlk kırmızı foton, elektronu su kaydırağının merdiveninin yarısına kadar itebilecek güce sahip. İkinci foton ise onu merdivenin en tepesine kadar çıkartıyor. Daha sonra elektron kaydıraktan aşağı kayıyor ve mavi foton salınımıyla, tek bir seferde tüm enerjisini boşaltıyor. Burada önemli olan ikinci foton ulaşmadan önce elektronun merdivenden aşağıya düşmediğinden emin olmak. Yarı iletken mandallı çark yapısı, kendisini en üst noktaya itecek olan ikinci foton gelene kadar elektronu merdivenin yarısında tutabilmemizi sağlamaya yarıyor”.

UD ekibi, başka materyallerden oluşan, her biri sadece birkaç nanometre kalınlığında çoklu katmanlar içeren, yeni yarı iletken yapılar geliştirecek. Bu özel tasarlanmış yapı, elektronların çeşitli potansiyel enerji seviyelerine nasıl yerleşeceğini kontrol edecek. Böylece önceden boşa harcanan fotonlar faydalı enerjiye dönüşecek.
UD takımı yarı iletkenlerin %86 yukarı dönüşüm etkinliğine ulaşabildiğini teorik olarak gösterdiler. Bu da, bugünün en iyi malzemeleriyle ulaşılan %36 verime göre muazzam bir enerji verimliliği artışı anlamına geliyor. Dahası, Doty’e göre, yapılar tarafından emilen ve yayılan enerji miktarları, lambalardan lazerli ameliyatlara kadar, birçok uygulama için özelleştirilebilir.

Peki bir elektron mikroskobunun altında ancak görülebilen bu kadar küçük yapıları nasıl yaratırsınız? UD takımının kullanacağı tekniklerden birinin adı “moleküler demet epitaksi”. Bu teknikte nano-yapılar, her seferinde tek bir katman olmak üzere atom tabakaları halinde oluşturacaklar. Her yapı ışığı ne kadar iyi emdiği ve yaydığı görülsün diye test edilecek ve sonuçlar performansın artması için yapının uyumlanmasında kullanılacak.

Araştırmacılar aynı zamanda, milyonlarca özdeş bireysel nano-partikül ile dolu, her biri farklı materyallerin çoklu katmanlarını içeren, süt benzeri bir solüsyon geliştirecekler. Bu yapının çoklu katmanları, M&M’in içindeki çoklu şeker kabukları gibi, foton mandalı fikrini tamamlayacak. Araştırma ekibi böyle bir çalışma sonucunda ortaya çıkacak foton yukarı dönüşümü “boyasının” güneş hücrelerinde, pencerelerde ve diğer ticari ürünlerde de kullanılabileceğini öngörüyor.

Tıbbi testleri ve tedavileri geliştirmek
Üç yıllık sürece yayılan projenin öncelikli odağı “güneş enerjisi hasatı”. Ekip ayrıca biyo-medikal aplikasyonlarla ilgili de açıklamalar yapacak.

CT ve PET taramadan kemoterapiye kadar farklı birçok alanda tıbbi tedavi ve tanı testlerinde araştırma sonuçlarının işe yarayabileceği düşünülüyor.

UD ekibi, kendi yükünü boşaltmak için ışık tarafından tetiklenen, dönüşen bir nano-partikül de geliştirmeyi amaçlıyor. Buradaki hedef, ilaç terapilerinde en derin hastalıklı dokularda dahi, ihtiyaç duyulan lazer gücünü azaltarak, normal dokudaki çevresel zararı azaltmak.

Doty sözlerine şöyle devam ediyor: “Bu yüksek riskli ve büyük ödüllü bir araştırma. Risk yüksek çünkü henüz kanıta dayalı bir verimiz yok. Büyük ödüllü çünkü tıpta yenilenebilir enerjide oldukça büyük bir potansiyeli mevcut. Aynı teknolojinin hem daha fazla güneş enerjisi elde etmek için hem de aynı zamanda kanseri tedavi etmek için kullanıldığını düşünmek olağanüstü. Başlamak için sabırsızlanıyoruz!”

Fotoğraf: Evan Krape/Delaware Üniversitesi
Haber kaynağı: http://www.eurekalert.org/pub_releases/2015-07/uod-ctc072315.php