Průlom v laserové technologii

První boranový laser na světě vyvinuli v Ústavu anorganické chemie AV ČR!

Vědci z Ústavu anorganické chemie AV ČR pod vedením dr. Michaela G. S. Londesborougha ve spolupráci s kolegy ze Španělské národní rady pro výzkum vyvinuli nový typ laseru na čistě anorganické bázi. Sloučenina boru a vodíku z roztoku vyzařuje modré světlo a může se stát základem nových moderních laserů, které by byly ekologičtější i ekonomičtější. Borany přitom vědci použili k získání laserového světla vůbec poprvé v historii. Výsledky výzkumu publikoval prestižní odborný časopis Nature Communications.

Vědecký tým pod vedením dr. Michaela G. S. Londesborougha z Ústavu anorganické chemie Akademie věd České republiky a dr. Luise Cerdána ze Španělské národní rady pro výzkum (CSIC) objevil nový typ laseru na bázi čistě anorganického materiálu (tj. zcela bez atomů uhlíku) – sloučeniny boru a vodíku –, který z roztoku vyzařuje modré laserové světlo. Tato práce, publikovaná v časopise Nature Communications, ukazuje, jak tento nový materiál vyzařuje modré světlo, které se vyznačuje vysokou účinností a odolností vůči degradaci a jehož spektrum je využitelné mimo jiné ve spektroskopii i při zpracování materiálů.

První laser byl vyvinut v roce 1960. Dnes, o 55 let později, stále hledáme nové materiály, které vyzařují účinné, regulovatelné a stabilní modré laserové světlo, které by zároveň také představovalo nízké náklady a jednoduchý způsob výroby a zpracování. „V současnosti existuje mnoho komerčních materiálů, které se blíží těmto požadavkům, avšak mají jisté praktické nevýhody. V naší studii představujeme roztok, který má potenciál tyto nevýhody překonat,“ vysvětluje Inmaculada García-Morenová, výzkumná pracovnice z Ústavu fyzikální chemie Rocasolano, CSIC.

Nová uplatnění známé sloučeniny

Ačkoli se nejedná o zcela nový materiál, hydridy boru, tj. borany, byly použity pro získání laserového světla vůbec poprvé v historii. Konkrétně se vědci zaměřili na roztoky anti-B₁₈H₂₂. „Borany mají trojrozměrnou klecovitou molekulární architekturu s vysoce delokalizovanými elektronovými strukturami,“ uvádí dr. Michael Londesborough, specialista na borany z ÚACH. „Struktura anti-B₁₈H₂₂ připomíná rozseknutý kopací míč, přičemž obě poloviny jsou spojeny molekulárními orbitaly.“  Ze všech dosud známých laserových materiálů, tj. organických barviv, kvantových teček, halogenidových perovskitů, jsou borany s ohledem na strukturu a vlastnosti nejpodobnější organickým barvivům, která vyzařují laserové světlo účinným a regulovatelným způsobem (vysoká energie s regulovatelnou barvou), avšak snadno podléhají degradaci, což vyžaduje častou výměnu laserového média.

Nový boranový laserový materiál vykazuje výrazně větší odolnost vůči degradaci v porovnání s mnohými moderními komerčně dostupnými modrými barvivovými lasery. Díky této vysoké odolnosti vůči degradaci se snižuje frekvence výměny kapalného média, což následně vede ke snížení nákladů, provozních rizik i environmentálních dopadů v důsledku manipulace s rozpouštědly, která jsou mnohdy toxická a hořlavá.

„V současné době pracuje náš vědecký tým na syntéze nových boranů, které vyzařují světlo o jiných vlnových délkách (barvách),“ dodává dr. Michael Londesborough. Tím by se otevřely dveře dalším možným aplikacím například v dermatologii (odstraňování tetování, jizev a akné, léčba cévních poranění apod.). Výborná rozpustnost anti-B₁₈H₂₂ v organických prostředích navíc umožňuje začlenění tohoto materiálu do polystyrenových polymerových matric, aniž by došlo ke ztrátě fluorescenčních vlastností. Výsledné polymerové nanokompozitní materiály na bázi anti-B₁₈H₂₂ vykazují zajímavé optické vlastnosti a mají potenciál pro využití jako koherentní světelné zdroje v optoelektronice, spektroskopii, v detekčních zařízeních a jako chromofory v luminiscenčních solárních koncentrátorech. 

„Stále je před námi mnoho práce, než budou tyto sloučeniny dostupné komerčně, ale vědecký význam tohoto objevu představuje zásadní milník ve vývoji laserů, neboť k odhalení nové skupiny laserových materiálů nedochází často,“ uzavírá dr. Luis Cerdán, výzkumný pracovník z Ústavu fyzikální chemie Rocasolano, CSIC. Dr. Michael Londesborough z ÚACH dodává: „Tímto objevem jsme opravdu nadšeni. Borany s jejich jedinečnými molekulárními strukturami a vysokou fotostabilitou představují nový a dříve nevyužitý zdroj pro laserové technologie.“

Kontakt: Michael Londesborough, Ph.D., e-mail: michaell@iic.cas.cz, telefon: 266173117

Luis Cerdán, Jakub Braborec, Inmaculada García-Moreno, Angel Costela, and Michael G. S. Londesborough. A borane laser. Nature Communications. DOI: 10.1038/ncomms6958