A fénydopingtól a zöldségfélékig és a vízkezelésig

UV-LED-ek strapabíróak – ezért ideálisak a mobil vízkezeléshez. (© FBH/schurian.com)

Körülbelül 1,8 millió euróba kerül egy modern gázfázisú epitaxia berendezés, amely az UV-LED-k gyártásához szükséges. (© TU Berlin/P. Gupta)

Speciális UV-LED-eket használnak a zöldségtermesztésben. Ezek serkentik a növényeket, hogy különösen sok értékes másodlagos növényi anyagot termeljenek. (© Melanie Wiesner-Reinhold, IGZ)

Multirezisztens kórházi baktériumok aggodalomra adnak okot az orvostudomány számára: szinte mindenhol terjednek. Különösen a kórházakban válik egyre fontosabbá a fertőtlenítés ellenőrzése. Ennek részeként rendszeresen mintákat vesznek fertőtlenített tárgyakról. A potenciálisan megtapadt baktériumokat ezután leválasztják, és táptalajon tenyésztik. Ha valami növekszik a táptalajon, akkor a tisztítás ellenére baktériumok voltak jelen, ha nem, akkor a fertőtlenítés sikeres volt. Probléma: ez a módszer több órát vagy akár napokat is igénybe vesz. „Ennek a mintának négyötöde baktériummentes – de melyek azok, ez a kérdés” – mondja Prof. Dr. Michael Kneissl, a Berlin Műszaki Egyetem Kísérleti Nanofizika és Photonik Tanszékének vezetője.

„Ha az ilyen minták felületét UV-LED-ekkel különböző hullámhosszúságokkal megvilágítják, bizonyos biomolekulák a baktériumokban fénylővé válnak. Így kimutatható egy potenciális baktériumterhelés. És nemcsak ez: sok multirezisztens baktériumnak jellemző fluoreszcens spektrumai vannak, így a jövőben ezeket közvetlenül is felismerhetnénk” – magyarázza Michael Kneissl, aki a „Advanced UV for Life” konzorcium helyettes vezetője is. A Szövetségi Oktatási és Kutatási Minisztérium (BMBF) mintegy 45 millió eurós támogatásával 49 partnerből álló konzorcium 26 folyamatban lévő projektben teszteli az UV-LED-ek innovatív alkalmazási területeit. És ezekből sok van. Az alkalmazott UV-LED-ek nagy része a Berlin Műszaki Egyetem és a Ferdinand-Braun Intézet laborjaiból származik, amelyek már több mint egy évtizede működnek közösen a „GaN Optoelectronics” közös laboratóriumban. A hullámhossztól függően az UV-LED-ek alkalmazási lehetőségei rendkívül sokrétűek és gazdaságilag is nagyon érdekesek: a fertőtlenítés mellett az orvostudomány, a vízkezelés, a gázérzékelés, a litográfia vagy a növénykultúrák világítási alkalmazásai is ide tartoznak.

UV-LED-ek vízfertőtlenítéshez

A LED-ek, azaz a fénykibocsátó diódák, a hagyományos izzólámpa utódaként ismertek. Végső soron ezek fénykibocsátó félvezető elemek, amelyek elektromos árammal fényt termelnek. A felhasznált félvezető anyagtól függően ezek az LED-ek a látható tartományon kívüli, például UV-fény kibocsátására is képesek. Ehhez alumínium, gallium és nitrogén ötvözetét alkalmazzák félvezetőként. Ezek a félvezetők a gyártási módtól függően szinte az egész ultraibolya spektrumot (210 nm – 400 nm) lefedhetik.

„Különösen érdekes alkalmazás az UV-LED-ek esetében a vízkezelés” – mondja Michael Kneissl. Az UV-hullámhossz 250 nm – 280 nm tartományban képes a DNS-ben lévő nukleinbázisokat összekötni. Ha a vizet magas intenzitású UV-fénnyel kezelik, a benne lévő baktériumok nem tudnak többé szaporodni, és elpusztulnak. „Alapvetően ez a módszer ideális olyan területeken, ahol nincs működő vízellátás, például katasztrófa sújtotta területeken” – magyarázza Kneissl. Hagyományosan a szükséges UV-fényt higanygőz lámpák állítják elő – ezek ismert hátrányaival: a gyártás és a hulladékkezelés költséges, a higany mérgező, érzékenyek és rövid az élettartamuk. Az úgynevezett „pontszerű alkalmazásnál” – azaz a fogyasztás közvetlen előtti alkalmazásnál, például a harmadik világban vagy katasztrófahelyzetekben – ezek a lámpák alig alkalmasak. „Ezzel szemben az UV-LED-ek nagyon strapabírók, nem mérgezőek, kapcsolhatók, és félvezetőként napelemmel vagy akkumulátorral is működtethetők – ezért ideálisak a mobil alkalmazásokhoz” – mondja Kneissl.

1,8 millió euró új gázfázisú epitaxiális berendezésre

A rövid hullámhosszú UV-LED-ek kutatásában és fejlesztésében Michael Kneissl és csapata európai szinten vezető szerepet tölt be. „Azért, hogy ezt a kutatást tovább folytassuk, a Szövetségi Oktatási és Kutatási Minisztérium most egy további, mintegy 1,8 millió eurós berendezést finanszíroz a fémtartományú gázfázisú epitaxiára (MOVPE) a Berlin Műszaki Egyetemen” – örül a tudós. „Az epitaxiás eljárások a rendkívül vékony, kristályos rétegek gyártására szolgálnak, amelyeket a félvezetőgyártásban használnak. Ahhoz, hogy ezeket az egyedi LED-eket előállítsuk, ezernyi, atomvastagságú réteget kell a hordozóanyagra lerakni. Ez a rétegszerkezet végső soron meghatározza, hogy a bejövő áram milyen hatékonyan alakul át UV-fénnyé a félvezetőben. A kívánt hullámhossztól függően különböző rétegeket építenek fel. Az új berendezés lehetővé teszi, hogy sokkal gyorsabban és hatékonyabban gyártsanak és teszteljenek alkatrészeket UV-LED-ekhez” – írja le Kneissl az ultra összetett gyártási folyamatot. „Legutóbbi publikációnkban a Nature Photonicsban bemutattuk, hogy az UV-LED-k összteljesítményének hatékonysága a különböző részhatékonyságok szorzata. Ismerjük az egyes paramétereket, és azon dolgozunk, hogy ezeket optimalizáljuk. A laborban már elérjük a hagyományos UV-lámpákhoz hasonló hatékonyságot” – mondja a fizikus.

Világítási doping növénytermesztésben

A UV-LED-ek sokféle alkalmazási lehetősége közül az is következett, hogy a Leibniz Növény- és Dísznövénykutató Intézet csapata intenzíven foglalkozik az egészséges táplálkozással, különösen a funkcionális élelmiszerek (egészségüket támogató összetevőkkel gazdagított élelmiszerek) formájában. Egy módszerrel, amit világítási dopingnak nevezhetünk, a leveles zöldségeket gyengén dózisos UV-fénnyel, 290 nm és 350 nm között kezelik. Ez a szabályozó UVB-sugárzás célzottan serkenti a növények szekunder anyagcseréjét. Reagálásként a növények több bizonyos másodlagos növényi anyagot szintetizálnak, amelyek az emberek számára is nagyon egészségesek. „A Leibniz Növény- és Dísznövénykutató Intézet és a Ferdinand-Braun Intézet együtt dolgozik olyan UV-LED modulok fejlesztésén, amelyek ezt az optimális UV-spektrumot biztosítják. A cél egy olyan felületi sugárzó, amelyet üvegházakban lehet alkalmazni, hogy a növényeket pontosan meghatározott hullámhosszon sugározzák” – mondja Kneissl.