Bayangkan menuangkan dua cangkir air hangat dan mendapatkan secangkir air mendidih. Hal ini tidak dapat terjadi dalam kehidupan sehari-hari, tetapi pada tingkat kuantum hal serupa mungkin terjadi. Beberapa partikel cahaya berenergi rendah dapat menggabungkan energinya untuk menghasilkan satu partikel dengan energi yang jauh lebih tinggi.
Para peneliti di Universitas Kyushu telah menciptakan bahan molekul padat yang mampu mengubah sinar matahari tampak menjadi sinar ultraviolet (UV) dalam kondisi luar ruangan normal. Materi baru ini mencapai efisiensi konversi foto sebesar 1,9%, menurut sebuah penelitian yang diterbitkan pada 23 Juni Komunikasi alami.
Mengapa sinar UV itu penting
Meskipun banyak orang mengasosiasikan sinar UV dengan sengatan matahari dan kerusakan kulit, sinar UV memainkan peran penting dalam banyak teknologi. Sinar UV digunakan untuk memurnikan udara, menyembuhkan resin dalam pencetakan 3D, menyembuhkan gel pada tambalan gigi dan bahkan untuk aplikasi seperti perawatan kuku.
Meski bermanfaat, sinar UV hanya menyumbang sekitar 6% dari sinar matahari yang mencapai permukaan bumi. Meski begitu, hanya sebagian dari radiasi UV yang berguna untuk aplikasi teknologi.
“Apa yang kami lakukan di sini adalah ‘menjumlahkan’ energi dua foton cahaya tampak untuk membentuk foton ultraviolet. Ini adalah proses menarik yang disebut fotokonversi,” kata Yoichi Sasaki, profesor di Fakultas Teknik Universitas Kyushu dan penulis studi tersebut.
Mengubah cahaya tampak menjadi sinar UV
Prosesnya bergantung pada fenomena yang dikenal sebagai pemusnahan triplet-triplet (TTA). Dalam pendekatan ini, molekul yang dikenal sebagai donor menyerap cahaya tampak dan memasuki keadaan triplet berenergi tinggi. Energi ini kemudian ditransfer ke molekul akseptor terdekat.
Ketika dua keadaan triplet bertemu, mereka menggabungkan dan melepaskan energinya dalam bentuk foton UV tunggal.
Para ilmuwan telah lama mengetahui bahwa TTA bekerja efektif dalam cairan karena molekulnya dapat bergerak bebas dan berinteraksi dengan mudah. Namun, sistem cair sering kali memerlukan pelarut beracun dan dapat menguap seiring waktu, sehingga membatasi kepraktisannya. Hasilnya, para peneliti telah menghabiskan waktu bertahun-tahun mencari alternatif bahan padat yang dapat diandalkan.
“Dalam padatan, molekul-molekulnya tersusun rapat, dan awan elektron π – wilayah dengan kerapatan elektron tinggi yang melayang di atas dan di bawah setiap bidang molekul – dapat tumpang tindih,” jelas Sasaki. “Ketika ini terjadi, kembar tiga dengan mudah padam bahkan sebelum mereka bertemu. Molekul-molekul tersebut harus cukup dekat agar energi dapat ditransfer, namun cukup terpisah untuk mencegah pemadaman eksiton.”
Solusi semikonduktor baru
Terobosan tim datang dari semikonduktor organik yang disebut dihydroindenoindenodene (DHI).
Para peneliti memodifikasi DHI dengan menempelkan rantai alkil ke atom karbon sp³, yang memiliki empat ikatan yang menunjuk pada arah 3D tetap. Desain ini menciptakan jarak yang dikontrol dengan cermat antara molekul-molekul tetangga. Molekul-molekulnya tetap cukup dekat untuk mentransfer energi secara efisien sambil menghindari interaksi elektronik kuat yang dapat merusak kinerja.
Bahan yang dihasilkan menunjukkan pendaran yang kuat, keadaan tereksitasi yang berumur panjang, dan transfer energi yang sangat efisien. Ini mencapai hasil kuantum fluoresensi solid-state di atas 60%.
Ketika dikombinasikan dengan molekul donor, sistem mencapai efisiensi konversi sebesar 1,9%.
“Ini berarti sekitar dua foton UV dihasilkan untuk setiap seratus foton cahaya tampak yang diserap,” tambah Sasaki. “Ini mungkin tampak redup, tetapi ini hanya berfungsi dengan sinar matahari alami. Kebanyakan material padat tidak dapat mencapai hal ini, bahkan pada intensitas cahaya yang jauh lebih tinggi.”
Potensi penerapan sinar UV bertenaga surya
Para peneliti telah mengajukan permohonan paten untuk bahan ini.
Selain performanya, material ini juga menawarkan keunggulan praktis. Ini dapat disintesis dengan relatif mudah dan dibuat dari bahan mentah yang murah. Tim yakin teknologi ini berpotensi digunakan dalam fotokatalisis surya, sistem pemurnian udara dalam ruangan, dan teknologi pencetakan 3D intensitas rendah.
Perjalanan ilmiah selama 14 tahun
Bagi para peneliti yang terlibat, pencapaian ini mewakili lebih dari sekedar kemajuan teknis.
Pada tahun 2012, Nobuo Kimizuka, yang sekarang menjadi profesor emeritus di Pusat Penelitian Teknologi Emisi Negatif di Universitas Kyushu, mulai mengeksplorasi konversi foton melalui migrasi tiga kali lipat energi dalam sistem molekuler yang dirakit sendiri. Tujuannya adalah untuk membangun suatu bentuk kimia sistem molekuler di mana perakitan mandiri dapat menjalankan fungsi yang berguna.
Selama beberapa tahun berikutnya, kelompoknya membuat kemajuan yang stabil dalam menggunakan sistem berbasis larutan dan gel. Namun, konversi solid-state yang efisien masih sulit dicapai.
Sebuah terobosan besar akhirnya terjadi pada Mei 2024, kurang dari setahun sebelum pensiunnya Kimizuka.
Bulan-bulan berikutnya sangat intens untuk menyelesaikan proyek tersebut. Mahasiswa pascasarjana Naoyuki Harada, Hayato Shoyama dan Nutnicha Boonmong bekerja bersama Sasaki dan Asisten Profesor Kiichi Mizukami dari Fakultas Teknik Universitas Kyushu untuk menggabungkan penelitian bertahun-tahun menjadi publikasi akhir.
“Kami menyerahkan proyek ini kepada Profesor Kimizuka hanya 11 hari sebelum dia meninggalkan laboratorium, yang bagi kami seperti hadiah pensiun yang tulus,” kata Sasaki.
“Penemuan ini adalah puncak dari penelitian selama lebih dari 14 tahun dan menandai tonggak penting dalam penelitian tentang peningkatan konversi foton dan perakitan molekuler,” Kimizuka menyimpulkan.
