تابش نوری در نانولوله کربنی | کشف پدیده فوتولومینسانس

پژوهشگران مرکز فوتونیک پیشرفته RIKEN در ژاپن برای نخستین بار موفق شدند تابشی از نور با انرژی بالاتر از نور جذب شده را در نانولوله‌های کربنی بدون نقص ساختاری مشاهده کنند. این کشف نویدبخش تحولی چشمگیر در فناوری‌های نوری، تصویربرداری زیستی و انرژی‌های تجدیدپذیر است.

به گزارش ساستینبلیتی تایمز، این پدیده که «تابش فوتولومینسانس بالابرنده» (UCPL) نام دارد، برخلاف قواعد معمول فیزیک نور عمل می‌کند. معمولاً نور خروجی در مواد نوری، انرژی کمتری نسبت به نور ورودی دارد؛ اما نانولوله‌های کربنی که ساختار استوانه‌ای و بسیار نازکی از کربن خالص هستند، وقتی در معرض نور مادون‌قرمز قرار می‌گیرند، فوتون‌هایی با انرژی بیشتر ساطع می‌کنند.

پیش از این تصور می‌شد این پدیده تنها در نانولوله‌هایی با نقص‌های ساختاری رخ دهد، اما یافته‌های جدید نشان می‌دهد حتی نمونه‌های بدون نقص نیز می‌توانند این تابش را تولید کنند. این موضوع نشان‌دهنده سازوکاری ذاتی و بنیادی در این مواد است.

سازوکار تابش بالابرنده به گونه‌ای است که پس از جذب نور مادون‌قرمز، اکسیتون‌هایی (جفت‌های الکترون-حفره) تشکیل می‌شوند و انرژی اضافی از ارتعاشات کوانتومی شبکه‌ای موسوم به فونون‌ها جذب می‌شود. این انرژی بیشتر منجر به ایجاد «اکسیتون‌های تاریک» می‌شود که در نهایت تابش فوتونی با انرژی بالاتر را ایجاد می‌کنند. نکته جالب توجه، افزایش تابش UCPL با بالا رفتن دمای محیط و شدت ارتعاشات فونونی است که می‌تواند در کاربردهای صنعتی موثر باشد.

یکی از مهم‌ترین کاربردهای این پدیده، بهبود کارایی پنل‌های خورشیدی است. تابش فوتون‌های پرانرژی قادر است نور مادون‌قرمز کم‌انرژی را به نور مرئی قابل استفاده تبدیل کند، که می‌تواند به افزایش بهره‌وری انرژی خورشیدی کمک شایانی کند.

علاوه بر این، کاربردهای UCPL در تصویربرداری زیستی نیز نویدبخش روش‌های تشخیص غیرتهاجمی پیشرفته‌تر است. استفاده از نور مادون‌قرمز با نفوذ بالا و ایمنی بیشتر، همراه با تابش نور مرئی، می‌تواند به بهبود تجهیزات پزشکی کمک کند. همچنین این پدیده امکان خنک‌سازی مواد با استفاده از لیزر را فراهم کرده و افق‌های جدیدی در علم مواد و مدیریت حرارتی گشوده است.

این کشف نشان می‌دهد که دیگر نیازی به نقص‌های ساختاری در مواد برای ایجاد تابش بالابرنده نیست و این امر مسیر تولید دستگاه‌های فوتونیکی پاک‌تر، بادوام‌تر و کارآمدتر را هموار می‌سازد.

در مجموع، مشاهده تابش نوری پرانرژی در نانولوله‌های کربنی بدون نقص، نه‌تنها مرزهای علم فوتونیک و نانوفناوری را جابه‌جا کرده بلکه زمینه‌ساز نوآوری‌های گسترده در فناوری‌های انرژی، تصویربرداری و علم مواد خواهد بود.