Od světelného doping pro zeleninu až po čištění vody

UV-LEDy jsou odolné – proto jsou ideální pro mobilní čištění vody. (© FBH/schurian.com)

Přibližně 1,8 milionu eur stojí moderní zařízení pro plynné epitaxní růst, které je potřeba pro výrobu UV-LED. (© TU Berlin/P. Gupta)

Speciální UV-LED jsou používány v pěstování zeleniny. Stimuluje rostliny, aby produkovaly zvlášť mnoho cenných sekundárních rostlinných látek. (© Melanie Wiesner-Reinhold, IGZ)

Multirezistentní nemocniční bakterie děsí lékařský svět: Zdá se, že se téměř všude šíří. Především v nemocnicích je stále důležitější kontrola dezinfekce. K tomu se pravidelně odebírají stěry z dezinfikovaných předmětů. Potenciálně přiléhající bakterie jsou následně uvolněny a kultivovány na živném médiu. Pokud na médiu něco roste, i přes čištění byly přítomny bakterie, pokud nic neroste, dezinfekce byla úspěšná. Problém: tato metoda zabere několik hodin nebo dokonce dny. „Čtyři pětiny těchto vzorků jsou bez bakterií – ale které, to je otázka,“ říká prof. Dr. Michael Kneissl, vedoucí odborného oddělení Experimentální nanofyziky a fotoniky na TU Berlín.

„Když se povrch takových vzorků ozáří UV-LED diodami různých vlnových délek, jsou určité biomolekuly v bakteriích stimulovány k záření. Tak lze detekovat potenciální bakteriální zátěž. A nejen to: Mnoho multirezistentních bakterií má charakteristické fluorescenční spektra, takže je možné je v budoucnu přímo takto rozpoznat,“ vysvětluje Michael Kneissl, který je také zástupcem mluvčího konsorcia „Advanced UV for Life“. Konsorcium, které je financováno Spolkovým ministerstvem pro vzdělávání a výzkum (BMBF) s přibližně 45 miliony eur a má již 49 partnerů, testuje v 26 probíhajících projektech inovativní oblasti použití UV-LED. A těch je mnoho. Použité UV-LED diody pocházejí převážně z laboratoří TU Berlín a Ferdinand-Braun-Institutu, které spolupracují již přes deset let v jejich společném laboratoři „GaN Optoelectronics“. V závislosti na vlnové délce jsou možnosti využití UV-LED diod velmi rozmanité a ekonomicky velmi zajímavé: vedle dezinfekce patří medicína, úprava vody, senzorika plynu, litografie nebo aplikace světla při pěstování rostlin mezi možné oblasti použití.

UV-LED pro dezinfekci vody

LED, tedy světelná dioda, je známá jako nástupce žárovky. V podstatě jsou LED polovodičové prvky, které z proudu vyrábějí světlo. V závislosti na použitém polovodičovém materiálu mohou tyto LED emitovat také světlo v neviditelné oblasti, například UV světlo. K tomu se používá slitina hliníku, galia a dusíku. Tyto polovodiče mohou podle typu výroby pokrýt téměř celé ultrafialové spektrum (210 nm – 400 nm).

„Velmi zajímavou aplikací UV-LED je čištění vody,“ říká Michael Kneissl. UV světlo vlnových délek 250 nm – 280 nm má schopnost spojovat sousední nukleotidové báze v DNA. Pokud je voda tímto UV světlem ozařována ve vysoké intenzitě, bakterie v ní obsažené se již nemohou množit a hynou. „Obecně je tato metoda ideální pro oblasti, kde nefunguje dodávka vody, například v katastrofických oblastech,“ vysvětluje Kneissl. Obvykle se pro tento účel používá UV světlo z rtuťových výbojek – s jejich známými nevýhodami: výroba a likvidace jsou náročné, rtuť je jedovatá, jsou citlivé a mají krátkou životnost. Pro použití na takzvaném „point of use“ – tedy přímo před spotřebou, například v rozvojových zemích nebo v katastrofických oblastech – jsou tyto lampy téměř nevhodné. „UV-LED jsou naopak velmi odolné, nejedovaté, spínatelné a jako polovodiče je lze provozovat i na solární nebo bateriový pohon – proto jsou ideální pro mobilní použití,“ dodává Kneissl.

1,8 milionu eur na novou zařízení pro epitaxií v plynných fázích

V oblasti výzkumu a vývoje krátkovlnných UV-LED s dostatečnou účinností a výkonem jsou Michael Kneissl a jeho tým považováni za evropskou špičku. „Abychom tento výzkum dále posunuli, financuje Spolkové ministerstvo pro vzdělávání a výzkum nyní další zařízení za přibližně 1,8 milionu eur pro metalorganickou epitaxií v plynných fázích (MOVPE) na TU Berlín,“ těší se vědec. „Epitaxiové metody slouží k výrobě extrémně tenkých, krystalických vrstev, které jsou potřeba při výrobě polovodičů. Aby bylo možné tyto speciální LED vyrobit, je třeba nanést tisíce definovaných, atomárně tenkých vrstev na nosný materiál. Tato vrstvená struktura nakonec určuje, jak efektivně přemění vstupující proud na UV světlo. Podle požadované vlnové délky se staví různé vrstvy. Nové zařízení umožní výrazně rychlejší a efektivnější výrobu a testování součástek pro UV-LED,“ popisuje Michael Kneissl velmi náročnou výrobu LED. „V naší nedávné publikaci v časopise Nature Photonics ukazujeme, že celková účinnost UV-LED je součinem různých dílčích účinností. Známe jednotlivé parametry a pracujeme na jejich optimalizaci. V laboratoři již dosahujeme podobné účinnosti jako běžné UV lampy,“ dodává fyzik.

Světelné dopingování při pěstování zeleniny

Rozmanité možnosti využití UV-LED také vedly k tomu, že tým Leibnizova institutu pro pěstování zeleniny a okrasných rostlin se intenzivně zabývá zdravou výživou ve formě tzv. funkčního jídla (potravin s obsahem zvlášť prospěšných látek). Pomocí metody, kterou lze označit jako světelné dopingování, je listová zelenina ozařována slabým UV zářením v rozmezí 290 nm až 350 nm. Tato regulovaná UVB záření cíleně stimuluje sekundární metabolismus rostlin. Reakcí syntetizují zvýšené množství určitých sekundárních rostlinných látek, které jsou pro lidi rovněž velmi zdravé. „Leibnizův institut pro pěstování zeleniny a okrasných rostlin a Ferdinand-Braun-Institut spolupracují na vývoji UV-LED modulů, které poskytují optimální UV spektrum pro tento účel. Cílem je plošný zářič, který může být použit ve skleníku k přesnému dávkování a ozáření rostlin s definovanou vlnovou délkou,“ vysvětluje Kneissl.