Światło zamiast rtęci. Naukowcy z PAN pracują nad nową metodą dezynfekcji

W szpitalach, laboratoriach czy oczyszczalniach wody bakterie i wirusy zabija się światłem. W lampach do dezynfekcji znajduje się jednak rtęć. Naukowcy z Instytutu Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN we Wrocławiu mają pomysł, jak ją wyeliminować 

Promieniowanie ultrafioletowe ma kilka zakresów. UVA i UVB kojarzymy ze słońcem i opalaniem. Znacznie silniejsze UVC nie dociera do powierzchni Ziemi, ponieważ zatrzymuje je warstwa ozonowa. Właśnie to promieniowanie wykorzystuje się w urządzeniach do dezynfekcji – uszkadza materiał genetyczny komórek, przez co drobnoustroje tracą zdolność do namnażania się i giną.

W większości takich urządzeń promieniowanie UVC wytwarzają lampy rtęciowe. W ich wnętrzu znajduje się niewielka ilość par rtęci, które po pobudzeniu prądem emitują promieniowanie ultrafioletowe o długości fali użytecznej do dezynfekcji. Problemem jest jednak toksyczność rtęci. Dlatego coraz więcej państw stopniowo wycofuje takie rozwiązania i poszukuje technologii pozwalających wytwarzać UVC bez użycia tego metalu.

Na rynku pojawiły się już diody UVC. W przeciwieństwie do lamp rtęciowych nie zawierają metali ciężkich, są mniejsze, szybciej się włączają i łatwiej je integrować z różnymi urządzeniami. Na razie jednak są to rozwiązania drogie i mniej wydajne niż tradycyjne źródła UVC.

Naukowcy z wrocławskiego Instytutu Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN (INTiBS) proponują inne rozwiązanie – wykorzystanie kryształów z dodatkiem prazeodymu. W odpowiednich warunkach pierwiastek ten może emitować światło o energii wystarczającej do dezynfekcji. Kluczowe jest tu zjawisko zwane konwersją energii w górę. W uproszczeniu polega ono na tym, że dwa impulsy światła o niższej energii mogą zostać połączone i w efekcie powstaje jeden impuls o energii wyższej.

– Konwertujemy dwa fotony o niższej energii, niejako sumując ich energię. Wówczas materiał emituje jeden foton, ale o znacznie większej energii – wyjaśnia Patrycja Zdeb-Stańczykowska, doktorantka z INTiBS. W praktyce oznacza to, że materiał oświetlony niebieskim światłem, na przykład z popularnej diody LED, może zacząć emitować promieniowanie UVC. Jeśli taki mechanizm okaże się wystarczająco wydajny, źródła UVC nie będą musiały zawierać metali ciężkich. Wystarczy światło, które już dziś jest łatwo dostępne i tanie.

Zespół jest na razie na etapie badań podstawowych. Naukowcy sprawdzają, jak zmienia się emisja w zależności od składu materiału i warunków oświetlenia. Testują także wzbudzenie światłem zbliżonym do naturalnego. – Byliśmy w stanie zaobserwować emisję promieniowania UVC pod wpływem symulatora słonecznego – mówi Zdeb-Stańczykowska. To ważny sygnał, bo pokazuje, że zjawisko nie ogranicza się wyłącznie do precyzyjnych warunków laboratoryjnych.

W trakcie badań jedna z próbek zawierała domieszkę innego materiału. Zamiast ją odrzucić, zespół  INTiBS dokładnie ją przeanalizował i okazało się, że materiał ma bardzo dobre właściwości konwersji światła widzialnego na UV. – W badaniach materiałowych takie sytuacje nie należą do rzadkości, ale wymagają uważności i gotowości do zmiany planu – twierdzi doktorantka. Kolejnym krokiem będą testy biologiczne. Dopiero wtedy będzie można ocenić, czy obiecujące właściwości fizyczne przekładają się na realny efekt.

Jeśli tak się stanie, przyszłe systemy dezynfekcji mogą być nie tylko skuteczne, lecz także bezpieczniejsze dla środowiska. Oznaczałoby to podwójną korzyść: ochronę przed bakteriami i wirusami oraz ograniczenie użycia toksycznych substancji, które dziś są częścią tej technologii.

• aktualności
• Nauki ścisłe i nauki o Ziemi
• Nauki techniczne
• Polska Akademia Nauk
• popularyzacja