Американская компания RTI International экспериментирует с применением в качестве основы для светильника фотолюминесцентных нановолокон (photoluminescent nanofibers — PLN). По мнению её специалистов, это сулит целый ряд выгод: тут и экономия энергии, и защита природы от токсичных отходов.

Не размениваясь на создание единичных светящихся нитей, новаторы из RTI решили извлечь максимум пользы из формирования целого конгломерата (матов) из полимерных нановолокон, организующихся в подобие трёхмерной сети с заданными свойствами.



Полимерные волокна с диаметром 50-500 нанометров (гладкие и с порами) являются исходным сырьём для получения PLN (фото RTI International).

Как гласит пресс-релиз компании, такой массив может играть роль как великолепного отражателя, так и (при соответствующей модификации) излучателя превосходного белого света с тёплым, комфортным для глаз сиянием.

Для такого превращения экспериментаторы из RTI разработали технологию покрытия нановолокон мириадами квантовых точек (Quantum dot — QD) — микроскопических полупроводниковых кристаллов, которые достаточно малы, чтобы в них ярко проявлялись квантово-механические эффекты.

В отличие от макроскопических кусков того же вещества квантовые точки обладают рядом интересных свойств, а в данном случае исследователей интересовала их прекрасная способность к люминесценции, параметры которой легко настраивать, варьируя размер этих самых "точек".



Технология нанесения квантовых точек на массив нановолокон (своего рода войлок с неразличимыми на глаз нитями), разработанная RTI, позволяет создавать различные светящиеся рисунки, а также варьировать степень покрытия квантовыми точками образцов от произвольных крошечных участков материала и до наполнения его по самые края (фото RTI International).

При этом учёные разделили процессы электроспининга (electrospinning), то есть вытягивания волокон из раствора при помощи приложения высокого напряжения и насыщения этих волокон квантовыми точками.

Ранее специалисты уже пробовали получать интегрированный материал сразу, но разбивка на этапы оказалась лучше: QD почти не проникали в толщу каждого волокна, а закреплялись на его внешней поверхности. Это, как показали тесты, увеличило квантовую эффективность фотолюминесцентного материала в 3-4 раза.



Сравнение интенсивности свечения двух матов с квантовыми точками: интегрированными в волокна (вверху) и закрепившимися на поверхности нитей (иллюстрация RTI International).

Сам светильник будущего от RTI представляет собой пластиковый корпус, в котором роль первичного источника лучей играет синий светодиод, работающий на длине волны 450 нм.

На пути этого потока авторы прибора и разместили нановолоконный мат с точно подобранными по размеру, геометрии, составу и взаимному расположению "красными" и "зелёными" PLN, трансформирующими часть проходящего через мат излучения в поток с другими частотами. В результате смешения всех трёх окрашенных компонентов рождается белый свет.



Схема светильника на основе PLN. В конечном варианте сюда должен добавиться отражатель из всё тех же наноматериалов (иллюстрация RTI International).

В одном из опытных образцов новых светильников цветовая температура излучения составила 3850 К (относительно тёплый тон), а индекс цветопередачи (color rendering index) — 92, что является просто отличным показателем.

Вообще же, сообщает компания, параметры волокон и QD можно произвольно варьировать так, что прибор на основе PLN сможет выдавать по заказу проектировщиков едва ли не любой тон в пределах равномерного цветового пространства.



Индекс цветопередачи (относительная величина от 0 до 100) показывает, насколько верно выглядят цвета предметов, освещённых данным источником, по сравнению с теми же предметами, освещёнными "эталоном" – солнечным светом (его индекс и равен 100) (фото RTI International).

Светоотдача PLN-светильника превышает 55 люмен на ватт, уверяют его разработчики. Это сравнимо с серийными светодиодными лампочками и компактными флуоресцентными лампами (CFL). Разные их версии показывают эффективность приблизительно от 35 до 85 люмен на ватт (но в основном где-то в районе 60-70). Только, увы, самый высокий этот параметр – что у светодиодов, что у CFL – достигается у моделей, дающих весьма холодный свет, а вот самые тёплые по оттенку источники – менее эффективные.

Если принять это во внимание, становится ясно, почему исследователи так возятся с квантовыми точками – это попытка совместить более-менее приличный КПД с тёплым спектром, свойственным простым лампам накаливания (их светоотдача, к слову, составляет примерно 11-18 люмен на ватт). Попытка пока чисто лабораторная, но перспективы у неё заманчивые.

Скажем, массовый вариант экономного светильника — CFL — содержит ртуть. Это один из самых неприятных моментов в распространении этих, в общем-то, привлекательных источников света. В устройствах PLN ртути нет – ещё один плюсик в борьбе с соперниками.

Любопытно, что применение наноразмерных волокон для правильного распределения в пространстве флуоресцентного состава напоминает принцип, испытанный в экспериментальной лампочке из ДНК лосося. Схожие мысли рано или поздно приходят в голову инженеров и учёных, бьющихся над решением схожих задач.

Да и принцип коррекции спектра исходного источника света при помощи квантовых точек учёные тоже апробировали давно, а компания Nexxus Lighting такую технологию даже обещала вот-вот вывести в массы. Но пока этого не случилось, исследователи продолжают искать наилучший вариант подобной технологии.

RTI не обещает завалить мир новыми светильниками уже завтра, а лишь ищет возможности для коммерциализации своей разработки. По осторожной оценке компании, PLN-источники света могут появиться в магазинах в течение трёх-пяти лет.

Ну а как всё это работает и что из этого может получиться, вам покажут в деталях Линн Дэвис (Lynn Davis), директор программы наноматериалов RTI, и исследовательница из этой компании Кимберли Джузан (Kimberly Guzan).



19 февраля 2010

membrana