Melhor que espelho: Nanotubos de carbono emitem mais luz do que recebem

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/03/2025

Luz infravermelha (raio laranja) atinge um nanotubo de carbono, e o nanotubo emite luz com maior energia (raio roxo).
[Imagem: RIKEN Center for Advanced Photonics]

Reflete mais do que recebe

Os nanotubos de carbono reemitem luz que é mais energética do que a luz que você dispara sobre eles.

Esta descoberta pode ter amplas aplicações, da captura de imagens e outras tecnologias fotônicas à captura de energia solar fotovoltaica.

O processo envolvido chama-se fotoluminescência, e seu modo convencional é conhecido em algumas tintas especiais, que brilham quando iluminadas: Quando você dispara sobre elas uma luz de alta energia (luz ultravioleta), elas retribuem emitindo luz de menor energia (luz visível).

Mas, surpreendentemente, os nanotubos apresentam o efeito oposto: Eles recebem uma luz e reemitem luz de energia mais alta. Esse fenômeno curioso é chamado de fotoluminescência de conversão ascendente.

Este comportamento dos nanotubos poderá aumentar a eficiência das células solares, por exemplo, convertendo luz de baixa energia em comprimentos de onda de energia mais alta, adequados para gerar eletricidade.

Daichi Kozawa e seus colegas do Instituto Riken, no Japão, também planejam estudar a possibilidade de resfriar um nanotubo usando luz laser: Como ele reemitirá luz de energia mais alta, ele irá resfriar, e essa remoção de energia térmica tem potencial de aplicação tanto na refrigeração de nano e micro-dispositivos, quanto na colheita de energia.

O ganho de intensidade na luz (direita) terá amplos usos tecnológicos.
[Imagem: Daichi Kozawa et al. - 10.1103/PhysRevB.110.155418]

Fotoluminescência com conversão ascendente

Na fotoluminescência regular, a luz atinge um material e chuta um elétron para um nível de energia mais alto, deixando para trás uma lacuna, uma carga positiva. Inicialmente, o par elétron-lacuna se mantém unido em um estado conhecido como éxciton. Mas, eventualmente, o elétron e a lacuna se recombinam, liberando um fóton, ou seja, emitindo luz.

Na fotoluminescência normal, o éxciton perde energia para o material e, portanto, a luz emitida carrega menos energia do que a luz que entra. Na fotoluminescência com conversão ascendente, no entanto, o éxciton recebe um aumento de energia do material ao interagir com vibrações da sua cadeia atômica, conhecidas como fônons.

Previsões teóricas anteriores sugeriram que a fotoluminescência com conversão ascendente pode acontecer em nanotubos de carbono de parede única se os éxcitons forem temporariamente presos por defeitos na estrutura do nanotubo.

Mas os pesquisadores descobriram que a fotoluminescência com conversão ascendente ocorre com alta eficiência mesmo em nanotubos sem defeitos, indicando a existência de um mecanismo alternativo. De fato, eles descobriram que, quando um elétron é excitado pela luz, ele recebe um aumento de energia simultâneo de um fônon, formando um estado de "éxciton escuro". Depois de perder um pouco de energia, o éxciton finalmente emite luz com mais energia do que o laser de entrada.

Aumentar a temperatura também aumenta o efeito. "Os fônons são mais abundantes em temperaturas mais altas, aumentando a probabilidade de transições mediadas por fônons," disse o professor Yuichiro Kato.

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