Dr. Edvinas Radiunas. Asmeninio archyvo nuotr.

Vilniaus universiteto (VU) Fizikos fakulteto mokslininkų pristatytame tyrime nagrinėjama itin perspektyvi metodika, kaip galima padidinti šviesos energiją. Pasitelkdami organinių puslaidininkių technologijas, VU Fizikos fakulteto Fotonikos ir nanotechnologijų instituto (FNI) mokslininkas dr. Edvinas Radiunas ir jo kolegos L. Naimovičius, dr. P. Baronas, dr. K. Kazlauskas ir kiti atskleidė, kaip akiai nematomų infraraudonųjų spindulių šviesą galima paversti matoma. Unikalaus tyrimo, kuriuo siekta pažaboti šviesos konversijos reiškinį, stebimą organinėse molekulėse, rezultatai pirmą kartą publikuoti prestižiniame žurnale „Advanced Optical Materials“.

Didžiausias iššūkis, su kuriuo susiduriama optoelektronikoje

VU FNI Organinės optoelektronikos tyrimų grupėje dirbantis dr. E. Radiunas kartu su kolegomis sprendžia neeilinį uždavinį – ieško būdų, kaip neįprastai įdarbinti šviesą. Mokslininkai siekia organinės optoelektronikos principus pritaikyti taip, kad šie leistų padidinti šviesos energiją ir taip praplėsti praktinius jos panaudojimo būdus tiek medicinos, tiek energijos gavybos ar net 3D spausdinimo srityse.

Išsikeltas uždavinys sudėtingas, nes gamtoje šviesos energija medžiagose natūraliai mažėja. Nepaisant to, konversijos tyrimai, vykdomi VU FNI mokslininkų (vad. dr. K. Kazlauskas) ir kolegų iš VU Chemijos ir geomokslų fakulteto (vad. prof. E. Orentas), vis labiau artina proveržį.

Savo publikacijoje mokslininkai pristato naujai susintetintą medžiagų klasę, pagrįstą rubreno junginiu, sistemingai modifikuotu nitrilo pakaitais. Šios medžiagos panaudotos kuriant organinius sluoksnius, kurie leido pasiekti rekordinį konversijos iš infraraudonųjų į matomus spindulius efektyvumą.

Fotonų energijos didinimas neorganinėse medžiagose, pavyzdžiui, kristaluose ar kitose netiesinėse terpėse, yra plačiai naudojamas ir sėkmingai taikomas lazerių pramonėje ar mikroskopijoje, tam reikalingi itin brangūs didelės galios impulsiniai lazeriai. Kaip pažymi dr. E. Radiunas, organinės šviesos konversijos sistemos tokios perspektyvios yra būtent todėl, kad fotonų šaltinis čia nėra toks kritiškas.

„Dvikomponentės organinių junginių sistemos gali padidinti fotonų energiją net ir esant buitiniam apšvietimui. Ši savybė atveria daugybę novatoriškų pritaikymo galimybių, kai galingas lazeris dėl savo kainos ir riboto prieinamumo yra nepraktiškas ir nereikalingas“, – aiškina jis.

Kodėl įgyvendinti tikslą – taip sudėtinga?

Kaip teigia dr. E. Radiunas, gebant efektyviai padidinti šviesos energiją pagal savo poreikius, atsirastų daug naujų jos panaudojimo galimybių. Kadangi organiniams šviesą konvertuojantiems sluoksniams veikti pakanka saulės šviesos, jie gali būti integruojami į saulės modulius. Įprastai vienos sandūros moduliai optimaliai išnaudoja tik ribotą šviesos spektro dalį.

Mažos energijos infraraudonosios srities fotonai nėra sugeriami ir todėl yra prarandami. Už saulės elemento esantis konvertuojantis sluoksnis galėtų padidinti nepanaudotų fotonų energiją ir grąžinti juos į modulį, taip būtų padidintas jo našumas. Mokslininkų vizija – savotiškas organinių dažų sluoksnis, kuris padidintų esamų saulės modulių efektyvumą.

„Žinoma, praktinis toks ar panašus optoelektronikos technologijų panaudojimas dar gana toli. Dalis praktinių taikymų reikalauja stabilių kietų medžiagų. Kurti naujus organinius junginius, kurie išlaikytų pageidaujamas savybes būdami kieto būvio, yra itin keblus procesas. Mums gana gerai sekasi dirbti su organinių dažų tirpalais. Kol junginiai yra tirpiklyje, tol viskas gerai, bet tik jį išgarini – ir konversijos efektyvumas krinta. Kartu su kolegomis modeliuojame būdus, kaip išsaugoti pageidaujamas spektroskopines savybes esant kietam būviui“, – dėsto mokslininkas.

Anot pašnekovo, kieto būvio molekulės linkusios arba chaotiškai susidėlioti, arba tvarkingai susipakuoti. Nuspėti, kaip tiksliai tai įvyks, yra labai sudėtinga. Nuo galutinio molekulių išsidėstymo labai priklauso sluoksnio fotofizikinės savybės. Jos gali pakisti visai nepageidaujama linkme.

VU FNI organinių puslaidininkių specialistai gali neblogai numatyti, kokius junginius panaudoti ir kaip iš jų formuoti sluoksnius, pasižyminčius pageidaujamomis spektroskopinėmis savybėmis. Taip pat glaudžiai bendradarbiaujama ir su chemikais, kurie pataria, kur kokį atomą galima pridėti ar „atkabinti“ pakeičiant molekulės struktūrą.

„Taip bedirbant, atėjo mintis, kad čia visai galėtų tikti mūsų srityje gerai žinomas rubreno junginys. Jį panaudotume kaip bazę prikabindami nitrilo pakaitus. Tačiau nitrilo prijungimo galimybių yra labai daug. Savo modeliuose išbandėm dešimtis teorinių variacijų. Po maždaug savaitės kolegos chemikai jau turėjo kelis medžiagų mėginius bandymams. Molekules pradėjau intensyviai tyrinėti ir pastebėjau, kad vienas junginys iš tiesų atrodo gana perspektyviai tiek tirpale, tiek kieto būvio. Kadangi fotonų konversijos srityje turėjome didelį įdirbį ir visą reikalingą technologinę bazę gaminti sluoksnius, po kelių prototipų gamybos pavyko gauti puikius rezultatus. Tiksliau, našumo rodikliai buvo rekordiniai“, – prisimena dr. E. Radiunas.

Rezultatai daug žadantys buvo nuo pat tyrimo pradžios

Dr. E. Radiuno ir jo kolegų tyrimas mokslininkų bendruomenėje nuskambėjo plačiai. Dar prieš oficialiai publikuojant rezultatus įvairiose konferencijose kalbantis apie atliekamą tyrimą buvo girdimas susidomėjimas.

„Idėjų galima turėti daug, bet dažniausiai būtent jų įgyvendinimas yra sunkiausia dalis. Juolab kad idėjos moksle tikrai neatsiranda vakuume. Nitrilo pakaitų įtaka organiniams junginiams gan gerai žinoma. Tačiau turime gabių chemikų, kurie gali juos prijungti būtent ten, kur negali kiti. Tuomet jau mūsų fizikai gautas naujas medžiagas charakterizuoja ir pritaiko. Lūkestis, kad idėja gali pasiteisinti, buvo nuo pat pradžių. Kuo toliau dirbome, tuo tas jausmas stiprėjo. Nuo pirmųjų rezultatų matėme, kad atradome šį tą svarbaus. Tačiau labai norėjome, kad viskas būtų maksimaliai tikslu. Tai užtrunka. Nuo tyrimo pradžios iki straipsnio pasirodymo praėjo maždaug dveji metai“, – pasakoja dr. E. Radiunas.

Šis tyrimas – tai tąsa mokslininko daktaro disertacijos, kurios rašymo metu įgytos žinios ir įkvėpė. Kol kas pašnekovas dar nedrįsta prognozuoti, kur tyrimas jį nuves toliau, bet aišku tai, kad rezultatai įkvepia ir netgi įpareigoja dirbti toliau, o labiausiai jam smalsu greičiau sulaukti reakcijų iš kolegų visame pasaulyje.

„Mūsų senesni tyrimai labai aktyviai cituojami. Tai labai smagu ir įkvepia. Šis tyrimas tam dar kiek per šviežias. Jo atkartojimus pamatysime straipsniuose, kurie pasirodys po kokių metų. Neslėpsiu, labai knieti sulaukti daugiau reakcijų. Tuo labiau kad ir iš kolegų, mums dar atliekant tyrimą, skelbiant pirmuosius rezultatus įvairiose konferencijose, girdėdavom daug raginimų greičiau skelbti straipsnį. Labai nekantru sulaukti visaverčio tyrimo atgarsio“, – teigia dr. E. Radiunas.

Tyrimai, skirti organinių junginių praktinio panaudojimo galimybėms, atliekami įgyvendinant Lietuvos Respublikos švietimo, mokslo ir sporto ministerijos programą „Universitetų ekscelencijos iniciatyva“ pagal sutartį su Lietuvos mokslo taryba (Nr. S-A-UEI-23-6).