Od światłodopingu dla warzyw po uzdatnianie wody

UV-LEDs są wytrzymałe – dlatego idealnie nadają się do mobilnego oczyszczania wody. (© FBH/schurian.com)

Około 1,8 miliona euro kosztuje nowoczesny system epitaksji w fazie gazowej, który jest potrzebny do produkcji diod UV-LED. (© TU Berlin/P. Gupta)

Specjalne diody UV-LED są stosowane w uprawie warzyw. Stymulują rośliny, szczególnie do produkcji dużej ilości cennych związków drugorzędowych. (© Melanie Wiesner-Reinhold, IGZ)

Multiresistente szpitalne patogeny niepokoją świat medyczny: wydają się rozprzestrzeniać niemal wszędzie. Szczególnie w szpitalach coraz ważniejsza staje się kontrola dezynfekcji. W tym celu regularnie pobiera się wymazy z dezynfekowanych przedmiotów. Potencjalnie obecne bakterie są następnie usuwane i hodowane na podłożu odżywczym. Jeśli coś wyrośnie na podłożu, mimo dezynfekcji bakterie były obecne; jeśli nic nie wyrośnie, dezynfekcja się powiodła. Problem polega na tym, że ta metoda zajmuje kilka godzin, a nawet dni. „Cztery piąte tych próbek jest wolnych od drobnoustrojów – ale które, to jest pytanie”, mówi prof. dr Michael Kneissl, kierownik Zakładu Eksperymentalnej Nanofizyki i Optoelektroniki na TU Berlin.

„Gdy powierzchnia takich próbek jest naświetlana różnymi długościami fal UV-LED, niektóre biomolekuły w bakteriach zostają pobudzone do świecenia. W ten sposób można wykryć potencjalne zanieczyszczenie bakteriami. I nie tylko to: wiele wieloopornych bakterii ma charakterystyczne spektra fluorescencyjne, dzięki czemu w przyszłości można je od razu rozpoznać jako takie”, wyjaśnia Michael Kneissl, który jest również zastępczym rzecznikiem konsorcjum „Advanced UV for Life”. Konsorcjum, wyposażone przez Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań (BMBF) w około 45 milionów euro, składa się z 49 partnerów i testuje w 26 trwających projektach innowacyjne zastosowania UV-LED. I jest ich wiele. Używane w tym celu UV-LED pochodzą głównie z laboratoriów TU Berlin i Instytutu Ferdinanda Brauna, które od ponad dekady współpracują w ramach joint lab „GaN Optoelectronics”. W zależności od długości fali, możliwości zastosowania UV-LED są niezwykle różnorodne i bardzo interesujące ekonomicznie: oprócz dezynfekcji, do potencjalnych obszarów zastosowania należą medycyna, oczyszczanie wody, sensorystyka gazów, litografia czy aplikacje świetlne w uprawie roślin.

UV-LED do dezynfekcji wody

LED, czyli diody elektroluminescencyjne, znane są jako następcy żarówek. Ostatecznie są to półprzewodnikowe elementy emitujące światło, które wytwarzają światło z prądu. W zależności od użytego materiału półprzewodnikowego, te diody mogą emitować również światło niewidzialne, na przykład UV. Do tego celu używa się stopu aluminium, galu i azotu jako materiału półprzewodnikowego. Te półprzewodniki mogą, w zależności od metody produkcji, obejmować niemal cały ultrafioletowy zakres spektralny (210 nm – 400 nm).

„Jednym z szczególnie interesujących zastosowań UV-LED jest oczyszczanie wody”, mówi Michael Kneissl. UV o długościach fal 250 nm – 280 nm ma właściwość tworzenia wiązań między nukleotydami w DNA. Jeśli woda jest naświetlana tym promieniowaniem UV o wysokiej intensywności, bakterie w niej zawarte nie będą mogły się rozmnażać i zginą. „Zasadniczo ta metoda jest idealna dla regionów, gdzie nie ma funkcjonującej infrastruktury wodociągowej, na przykład w obszarach dotkniętych katastrofami”, wyjaśnia Michael Kneissl. Tradycyjnie, do tego celu używa się lamp rtęciowych, które mają znane wady: produkcja i utylizacja są skomplikowane, rtęć jest toksyczna, lampy są wrażliwe i mają ograniczoną żywotność. Do zastosowań bezpośrednio przed konsumpcją, czyli tzw. point of use – na przykład w krajach trzeciego świata czy w obszarach dotkniętych katastrofami – te lampy są mało odpowiednie. „UV-LED są natomiast bardzo wytrzymałe, nietoksyczne, można je włączać i wyłączać, a jako półprzewodniki można je zasilać energią słoneczną lub bateriami – dlatego są idealne do zastosowań mobilnych”, dodaje Michael Kneissl.

1,8 miliona euro na nową instalację epitaksji faz gazowych

W zakresie badań i rozwoju krótkofalowych UV-LED o wystarczającej wydajności i mocy, Michael Kneissl i jego zespół są w Europie wiodący. „Aby dalej rozwijać te badania, Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań finansuje teraz dodatkową, wartą około 1,8 miliona euro, instalację do epitaksji faz gazowych metodą metalurgiczną (MOVPE) na TU Berlin”, cieszy się naukowiec. „Procesy epitaksji służą do produkcji niezwykle cienkich, krystalicznych warstw, które są potrzebne w produkcji półprzewodników. Aby wyprodukować te specjalne diody, konieczne jest nanoszenie tysięcy zdefiniowanych, atomowo cienkich warstw na podłoże. Struktura tych warstw ostatecznie decyduje o tym, jak skutecznie prąd wprowadzony do półprzewodnika zostanie zamieniony na światło UV. W zależności od pożądanej długości fali, buduje się różne warstwy. Nowa instalacja umożliwi znacznie szybsze i bardziej efektywne wytwarzanie i testowanie elementów do UV-LED”, opisuje Michael Kneissl bardzo skomplikowany proces produkcji diod. „W naszej najnowszej publikacji w Nature Photonics pokazujemy, że ogólna wydajność UV-LED jest iloczynem różnych częściowych wydajności. Znamy poszczególne parametry i pracujemy nad ich optymalizacją. W laboratorium osiągamy już podobną wydajność jak tradycyjne lampy UV”, dodaje fizyk.

Lampy do oświetlenia roślin metodą light doping

Różnorodne możliwości zastosowania UV-LED doprowadziły między innymi do tego, że zespół Leibniz-Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau intensywnie zajmuje się zdrowym odżywianiem w formie tzw. funkcjonalnej żywności (żywności o szczególnych właściwościach zdrowotnych). Za pomocą metody, którą można opisać jako light doping, liściowe warzywa są naświetlane słabym, dawkowanym UV o długościach fal od 290 nm do 350 nm. Ta regulowana ekspozycja UVB stymuluje układ wtórny metabolizm roślin. W odpowiedzi rośliny syntetyzują zwiększone ilości określonych związków wtórnych, które są uważane za bardzo zdrowe dla ludzi. „Leibniz-Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau i Ferdinand-Braun-Institut współpracują nad opracowaniem modułów UV-LED, które dostarczą optymalne spektrum UV do tego celu. Celem jest płaszczyznowy promiennik, który można stosować w szklarniach, aby precyzyjnie naświetlać rośliny określoną długością fali”, wyjaśnia Michael Kneissl.