納米粒子最新突破：能捕捉到太陽能轉化的不可見光

一個由科學家組成的國際團隊已經在納米粒子的設計和功能上取得了突破性進展，它可以使太陽能電池板通過將通常被太陽能電池所忽略的光轉換成可用的能量，從而提高太陽能電池板的效率。科學家領導的研究小組,在美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)，演示了如何使用有機染料塗料微粒捕獲能力大大增強了它們的近紅外光,重發射可見光光譜的光,也可以用於生物成像。一旦了解了能夠使納米顆粒上的染料作為天線來收集廣泛的光的機制，成功地重新設計了納米粒子，從而進一步放大了粒子的光轉換特性，研究發表在4月23日的《自然光子學》網站上。

在納米晶體中，一個鉺原子(紅色)通過一個被稱為「向上轉換」的過程發出可見光，這可能會導致改進的太陽能電池的發展，從而捕捉到以前錯過的太陽能。科學家們發現，用染料(藍色和紫色的分子)在粒子上塗上顏色可以大大增強這種光轉換性能。圖片：Lawrence Berkeley National Laboratory

伯克利實驗室的分子研究人員布魯斯·科恩(Bruce Cohen)說：這些有機染料捕獲了大片的近紅外光，他幫助領導了這項研究，與分子研究科學家P. James Schuck(現在在哥倫比亞大學)和埃默里·陳(Emory Chan)一起主持這項研究。分子鑄造廠是一個納米科學研究中心。自近紅外波長的光通常是未使用的太陽能技術，專註於可見光，這些塗料納米粒子有效近紅外光轉換成可見光,他們提高捕獲的可能性好太陽光譜的一部分，否則就浪費了，並將它集成到現有太陽能技術。研究人員發現，這種染料本身可以放大約33,000倍的反射光的亮度，它與納米粒子的相互作用使光的轉換效率提高了約100倍。

Cohen, Schuck，和Chan已經工作了大約10年的時間來設計，製造和研究在本研究中使用的up轉化納米粒子(UCNPs)。UCNPs吸收近紅外光，並有效地將其轉化為可見光，這是一種不同尋常的特性，因為納米晶體中的鑭系金屬離子結合在一起。2012年的一項研究表明，在UCNPs表面上的染料能顯著增強粒子的光轉換特性，但其機理仍然是個謎。當時人們非常興奮，也有很多困惑。儘管許多研究人員在接下來的幾年裡試圖重現這一研究成果，但很少有人能將出版的程序付諸實踐」，在光照射下，染料幾乎立即降解，沒有人確切知道染料是如何與納米顆粒表面相互作用的。

分子鑄造廠獨特的專業技能和能力，包括理論研究和實驗、化學知識和完善的合成技術，使最新的研究成為可能。這是一個在其他任何地方都很難做的項目。由加州大學伯克利分校的博士生大衛·加菲爾德(David Garfield)和分子代工科學家尼古拉斯·鮑里斯(Nicholas Borys)所做的實驗表明，染料和鑭系金屬在納米顆粒中存在共生效應。染料在微粒中的接近性增強了染料的存在，被稱為「三重態」，然後將其能量更有效地傳遞給鑭系元素。這種三重態允許更有效地將光的多個紅外單位轉換成可見光的單個光子。

研究表明，在染料的光發射和粒子的光吸收測量中，一根火柴可以確認這種三聯態的存在，並幫助科學家了解工作的情況。(染料發射和UCNP吸收)的峰值幾乎完全匹配。然後發現，通過增迦納米顆粒中鑭系金屬的濃度，從22%到52%，可以增加這種三重效應，以改善納米顆粒的光轉換性能。這些金屬促進了染料的三重態，這有助於解釋能量轉移的效率和染料的不穩定性，因為三胞胎會在空氣中降解。Schuck說，納米粒子的直徑大約為12納米，或者是十億分之一米，可能會被應用到太陽能電池的表面，以幫助它們捕獲更多的光來轉化為電能。

染料作為分子尺度的太陽能聚光器，將近紅外光子的能量注入納米粒子。與此同時，粒子本身在可見光下基本上是透明的，所以它們會允許其他可用的光通過。另一個潛在的用途是將納米顆粒引入細胞中，以幫助標籤細胞成分用於光學顯微鏡研究。例如它們可以用於深層組織成像，也可以用於光遺傳學——一個利用光來控制細胞活動的領域。科恩說，研究人員需要克服一些障礙才能實現這些應用，因為它們目前不穩定，在氮環境中被研究，以避免暴露在空氣中。需要更多的研發來評估粒子的可能的保護塗層，比如不同的聚合物來封裝這些粒子，有更好的設計思路。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻：自然光子學｜來自：勞倫斯伯克利國家實驗室

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