Neues Material verwandelt Sonnenlicht in UV-Licht

Stellen Sie sich vor, Sie gießen zwei Tassen lauwarmes Wasser zusammen und erhalten eine Tasse kochendes Wasser. Im Alltag unmöglich – aber auf Quantenebene ist genau das möglich: Mehrere niederenergetische Lichtteilchen können ihre Energie bündeln und ein einziges, energiereicheres Teilchen erzeugen. Forscher der Kyushu University in Japan haben nun ein festes Material entwickelt, das genau das schafft: Es wandelt sichtbares Sonnenlicht in ultraviolettes (UV) Licht um – und das unter normalen Außenbedingungen.

UV-Licht wird in vielen Bereichen eingesetzt: zur Luftreinigung, zum Aushärten von Harzen im 3D-Druck, für Zahnfüllungen oder Nagelbehandlungen. Doch natürliches Sonnenlicht besteht nur zu etwa sechs Prozent aus UV-Strahlung, und nur ein Teil davon ist technisch nutzbar. Das neue Material, ein organischer Halbleiter namens Dihydroindenoindeneden (DHI), löst ein Problem, an dem Wissenschaftler jahrelang gescheitert sind: Es bringt Moleküle in einem Feststoff so nah zusammen, dass sie Energie übertragen können, ohne sich gegenseitig zu stören.

Der Trick liegt in der molekularen Architektur. Die Forscher hängten sogenannte Alkylketten an die Kohlenstoffatome des DHI-Moleküls – das sind kurze Kohlenstoff-Wasserstoff-Ketten, die wie Abstandshalter wirken. Dadurch bleiben die Moleküle nah genug für den Energietransfer, aber weit genug entfernt, um unerwünschte Wechselwirkungen zu vermeiden. Das Ergebnis: eine feste Substanz, die sichtbares Licht absorbiert und als UV-Licht wieder abgibt – mit einer Effizienz von 1,9 Prozent. Das klingt gering, bedeutet aber: Aus je hundert absorbierten sichtbaren Lichtteilchen entstehen zwei UV-Teilchen. Bisherige Feststoffe schafften das selbst bei viel höherer Lichtintensität nicht.

Die Entwicklung ist das Ergebnis von über 14 Jahren Forschung. Professor Nobuo Kimizuka begann 2012 mit der Arbeit an der Photonen-Aufkonvertierung – einem Prozess, bei dem die Energie mehrerer Lichtteilchen kombiniert wird. Sein Team arbeitete zunächst mit Flüssigkeiten und Gelen, doch feste Materialien blieben eine Herausforderung. Der Durchbruch gelang im Mai 2024, weniger als ein Jahr vor Kimizukas Ruhestand. Die Doktoranden Naoyuki Harada, Hayato Shoyama und Nutnicha Boonmong sowie die Forscher Yoichi Sasaki und Kiichi Mizukami brachten die Arbeit in einer intensiven Schlussphase zu Ende. „Wir haben Professor Kimizuka den Entwurf nur elf Tage vor seinem Abschied übergeben – für uns war das wie ein Herzensgeschenk zum Ruhestand“, sagt Sasaki.

Das Material lässt sich relativ einfach und aus günstigen Ausgangsstoffen herstellen. Die Forscher haben bereits ein Patent angemeldet. Mögliche Anwendungen sind solarbetriebene Katalysatoren für chemische Reaktionen, Luftreinigungssysteme für Innenräume und 3D-Druckverfahren, die mit geringer Lichtintensität auskommen. Statt teurer UV-Lampen könnte künftig die Sonne die nötige Energie liefern – ein Schritt zu nachhaltigeren Technologien.