Des chercheurs de l'Université du Delaware ont reçu une subvention d'un million de dollars du W.M. Fondation Keck pour explorer une nouvelle idée qui pourrait améliorer les cellules solaires, l'imagerie médicale et même les traitements contre le cancer. Tout simplement, ils veulent changer la couleur de la lumière.

Ils ne bricolent pas avec ce que tu vois par ta fenêtre :pas de jours violets ni de nuits chartreuse, aucune modification des arcs-en-ciel et des couchers de soleil flamboyants. Leur objectif est de transformer des couleurs de lumière à faible consommation d'énergie, comme le rouge, dans des couleurs plus énergétiques, comme le bleu ou le vert.

Changer la couleur de la lumière donnerait un élan considérable à la technologie solaire. Une cellule solaire traditionnelle ne peut absorber la lumière qu'avec une énergie supérieure à un certain seuil. La lumière infrarouge passe de part en part, son énergie inexploitée.

Cependant, si cette lumière à basse énergie pouvait être transformée en lumière à plus haute énergie, une cellule solaire pourrait absorber beaucoup plus de la propreté du soleil, libre, énergie abondante. L'équipe prédit que leur nouvelle approche pourrait augmenter l'efficacité des cellules solaires commerciales de 25 à 30 %.

L'équipe de recherche, basé au Collège d'ingénierie de l'UD, est dirigé par Matthew Doty, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux et directeur associé de l'installation de nanofabrication de l'UD. Les co-investigateurs de Doty incluent Joshua Zide, Diane Sellers et Chris Kloxin, tous dans le Département de science et génie des matériaux; et Emily Day et John Slater, tous deux au Département de génie biomédical.

"Cette prestigieuse subvention d'un million de dollars de la Fondation Keck souligne l'excellence et l'innovation de notre corps professoral de l'Université du Delaware, " dit Nancy Targett, président par intérim de l'Université. "Clairement, l'Université du Delaware poursuit de grandes idées en matière d'énergie renouvelable et de biomédecine susceptibles de profiter au monde. »

"Le plan stratégique Delaware Will Shine de l'Université nous met au défi de penser avec audace alors que nous cherchons des solutions aux problèmes auxquels la société est confrontée, " Domenico Grasso, le prévôt de l'UD, ajoute. « Nous félicitons l'équipe de recherche du Collège d'ingénierie pour ce prix majeur, et nous attendons leurs découvertes avec impatience."

Changer la couleur de la lumière

"Un rayon de lumière contient des millions et des millions d'unités individuelles de lumière appelées photons, " explique le chef de projet Matthew Doty. " L'énergie de chaque photon est directement liée à la couleur de la lumière :un photon de lumière rouge a moins d'énergie qu'un photon de lumière bleue. Vous ne pouvez pas simplement transformer un photon rouge en un photon bleu, mais vous pouvez combiner l'énergie de deux photons rouges ou plus pour faire un photon bleu.

Ce processus, appelé « conversion ascendante de photons, " n'est pas nouveau, dit Doty. Cependant, l'approche de l'équipe UD à ce sujet est.

Ils veulent concevoir un nouveau type de nanostructure semi-conductrice qui agira comme un cliquet. Il absorbera deux photons rouges, l'un après l'autre, pousser un électron dans un état excité lorsqu'il peut émettre un seul photon de haute énergie (bleu).

Ces nanostructures seront si minuscules qu'elles ne pourront être vues qu'une fois agrandies un million de fois sous un microscope électronique à haute puissance.

"Pensez aux électrons de cette structure comme s'ils étaient dans un parc aquatique, " dit Doty. "Le premier photon rouge a juste assez d'énergie pour pousser un électron à mi-hauteur de l'échelle du toboggan. Le deuxième photon rouge le pousse jusqu'au bout. Ensuite, l'électron descend la glissière, libérant toute cette énergie en un seul processus, avec l'émission du photon bleu. L'astuce consiste à s'assurer que l'électron ne glisse pas dans l'échelle avant l'arrivée du deuxième photon. La structure à cliquet à semi-conducteurs est la façon dont nous piégeons l'électron au milieu de l'échelle jusqu'à ce que le deuxième photon arrive pour le pousser jusqu'au bout."

L'équipe UD développera de nouvelles structures semi-conductrices contenant plusieurs couches de matériaux différents, tels que l'arséniure d'aluminium et l'arséniure de gallium-bismuth, chacun seulement quelques nanomètres d'épaisseur. Ce "paysage sur mesure" contrôlera le flux d'électrons dans des états d'énergie potentielle variable, transformer des photons autrefois gaspillés en énergie utile.

L'équipe UD a montré théoriquement que leurs semi-conducteurs pouvaient atteindre une efficacité de conversion ascendante de 86 pour cent, ce qui serait une amélioration considérable par rapport aux 36 % d'efficacité démontrés par les meilleurs matériaux d'aujourd'hui. Quoi de plus, Doty dit, la quantité de lumière absorbée et d'énergie émise par les structures pourrait être personnalisée pour une variété d'applications, des ampoules à la chirurgie guidée par laser.

Comment pouvez-vous même commencer à créer des structures si minuscules qu'elles ne peuvent être vues qu'avec un microscope électronique ? Dans une technique que l'équipe UD utilisera, appelée épitaxie par faisceau moléculaire, les nanostructures seront construites en déposant des couches d'atomes une à une. Chaque structure sera testée pour voir dans quelle mesure elle absorbe et émet de la lumière, et les résultats seront utilisés pour adapter la structure afin d'améliorer les performances.

Les chercheurs développeront également une solution semblable à du lait remplie de millions de nanoparticules individuelles identiques, chacun contenant plusieurs couches de matériaux différents. Les multiples couches de cette structure, comme plusieurs coquilles de bonbons dans un M&M, mettra en œuvre l'idée du cliquet à photons. Grâce à un tel travail, l'équipe envisage une future « peinture » ​​de conversion ascendante qui pourrait être facilement appliquée aux cellules solaires, fenêtres et autres produits commerciaux.

Améliorer les tests médicaux et les traitements

Alors que l'objectif initial du projet de trois ans sera d'améliorer la récupération de l'énergie solaire, l'équipe explorera également les applications biomédicales.

Un certain nombre de tests de diagnostic et de traitements médicaux, allant des tomodensitogrammes et TEP à la chimiothérapie, reposent sur la libération de colorants fluorescents et de médicaments pharmaceutiques. Idéalement, ces charges utiles sont livrées à la fois sur des sites de maladie spécifiques et à des moments spécifiques, mais cela est difficile à contrôler dans la pratique.

L'équipe UD vise à développer une nanoparticule de conversion ascendante qui peut être déclenchée par la lumière pour libérer sa charge utile. L'objectif est d'obtenir la libération contrôlée de thérapies médicamenteuses même en profondeur dans les tissus humains malades tout en réduisant les dommages périphériques aux tissus normaux en minimisant la puissance laser requise.

"C'est à haut risque, recherche à haut rendement, " Dit Doty. " Risque élevé car nous n'avons pas encore de données de preuve de concept. Hautement récompensée car elle a un impact potentiel énorme sur les énergies renouvelables pour la médecine. C'est incroyable de penser que cette même technologie pourrait être utilisée pour récolter plus d'énergie solaire et pour traiter le cancer. Nous sommes ravis de commencer !"