Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 23 – vyšlo 24. června, ročník 14 (2016)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Nová generace bílého světla na obzoru

Petr Kulhánek

S nostalgií vzpomínám na klasické žárovky, v nichž světlo vydávalo rozžhavené wolframovéWolfram – Wolframium, šedý až stříbřitě bílý, velmi těžký a mimořádně obtížně tavitelný kov. Hlavní uplatnění nalézá jako složka různých slitin, v čisté formě se s ním běžně setkáváme jako s materiálem pro výrobu žárovkových vláken. Wolfram byl objeven roku 1781 švédským chemikem Wilhelmem Scheelem. vlákno. Většina energie se sice přeměnila na teplo, ale emitované světlo mělo spojitě zastoupené nejrůznější vlnové délky a velmi dobře imitovalo přirozený zdroj světla – SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium., a to včetně tepelného záření, které bylo leckdy příjemné. Po éře žárovek se rozmohly různé výbojky, které měly jednu zásadní vadu. Jejich světlo už nemělo zastoupeno celé světelné kontinuum, ale jen některé spektrální čáry. Povrch výbojky je možné pokrýt luminoforemLuminofor – světélkující látka, která po excitaci vyzařuje kvanta energie (fotony) po přechodu z energeticky vyššího stavu do stavu s nižší energií. Například jednotlivé barevné buňky na vnitřní straně stínítka vašeho monitoru., látkou, která změní dopadající vlnovou délku na jinou, vhodnější, ale základní problém zůstává. I zdánlivě bíle zářící výbojka vydává elektromagnetické záření, jenž je směsicí jen několika vlnových délek, což je pro lidský organizmus mírně řečeno nepřirozené.

Slunce, odvěký zdroj světla, kterému lidský organizmus přivykal po miliony let. Na snímku je západ Slunce při expedici Aurora, kterou jsme uskutečnili v roce 2012. Cílem expedice bylo pozorování polárních září. Zdroj: Aldebaran.

LED – Light Emitting Diode, světlo emitující dioda. LED je polovodičová optoelektronická součástka, která emituje nekoherentní monochromatické světlo při průchodu proudu v propustném směru. Emise světla vzniká na základě elektroluminiscence.

Halogenová žárovka – klasická žárovka s wolframovým vláknem, v níž je okolní plyn obohacen o halové prvky (například bróm nebo jód), které umožňují vyšší teplotu vlákna, a tím bělejší světlo.

Luminofor – světélkující látka, která po excitaci vyzařuje kvanta energie (fotony) po přechodu z energeticky vyššího stavu do stavu s nižší energií. Například jednotlivé barevné buňky na vnitřní straně stínítka vašeho monitoru.

Melatonin – hormon produkovaný nadvěskem mozkovým, který umožňuje přirozený spánek. Jeho produkce začíná s úbytkem modré složky světla ve večerních hodinách. Maximální hladina melatoninu v těle je u zdravého jedince mezi druhou a čtvrtou hodinou ranní. Jakékoli světlo s modrou složkou produkci spánkového hormonu zastavuje.

LED osvětlení

V posledním desetiletí došlo k razantnímu nástupu svítících diod, tzv. LEDLED – Light Emitting Diode, světlo emitující dioda. LED je polovodičová optoelektronická součástka, která emituje nekoherentní monochromatické světlo při průchodu proudu v propustném směru. Emise světla vzniká na základě elektroluminiscence. zdrojů. Konverze energie na světlo má vysokou účinnost, ledky jsou mimořádně svítivé, ale jejich základní vadou je opět monochromatičnost, tedy vydávání světla jen v určité vlnové délce. To není nic proti ničemu u výstražných červených ledek nebo zelených kontrolek. Dlouho se nedařil vývoj modré ledky, která by umožnila namixovat imitaci bílého světla z červené, zelené a modré barvy. První LED dioda emitující modrou barvu byla připravena až v roce 1990. Za vývoj modré ledky byla udělena Nobelova cenaNobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2021 činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela. pro rok 2014 (viz AB 33/2014). Modrá ledka se stala oslavovanou a proklínanou zároveň. Poprvé bylo možné vyrábět světelné zdroje, které na první pohled vypadaly bíle. Ve skutečnosti šlo ale o mixáž tří barev ze tří LED zdrojů. Lidský organizmus je zvyklý přes den na modrou barvu oblohy způsobenou Rayleighovým rozptylem (viz AB 25/2012) a z večera na červené tóny způsobené delší dráhou světelných paprsků zapadajícího Slunce. Tento odvěký cyklus se odrazil na biochemických pochodech v lidském organizmu. V přítomnosti modré barvy podáváme výkony hodné stachanovských úderníků a za červeného osvětlení se organizmus připravuje na osvěžující spánek. LED dioda s modrou složkou, která osvětluje místnost před spaním, drasticky narušuje přirozené pochody, zejména tvorbu hormonu melatoninuMelatonin – hormon produkovaný nadvěskem mozkovým, který umožňuje přirozený spánek. Jeho produkce začíná s úbytkem modré složky světla ve večerních hodinách. Maximální hladina melatoninu v těle je u zdravého jedince mezi druhou a čtvrtou hodinou ranní. Jakékoli světlo s modrou složkou produkci spánkového hormonu zastavuje., který je důležitý pro zdravý spánek. Jde o příliš velkou cenu za úsporu energie a povinná náhrada klasických žárovek za LED osvětlení je zavrženíhodným činem podnikatelských lobby. Obzvláště absurdní byla situace, kdy politici pod tlakem jiné sféry podnikatelů připravovali zákon, který by umožnil platbu zohledňující velikost instalovaného jističe před skutečnou spotřebou. Pak by se vyplatilo vrátit k tepelným žárovkám, naše obydlí zkrášlit girlandami s tisíci světel s co největší spotřebou a vyměnit lednice a další spotřebiče za ty nejméně úsporné, jejichž odpadní teplo by alespoň vytápělo místnosti. Absurdnímu zákonu je zdá se konec a poslední výzkumy snad umožní z LED osvětlení vytvořit zdroje světla vhodné i pro lidský organizmus.

Duha ze svítivých diod různých barev. Zdroj Rayennur.

Molekulární luminofor aneb blýská se na lepší časy?

Němečtí odborníci z Marburgské univerzity pod vedením profesorky Stefanie Dehnenové nalezli zajímavé řešení. Jako zdroj elektromagnetického záření použili běžně dostupný levný diodový laser v infračervené oblasti, kterému dali do cesty nově vyvinutý luminofor. Jeho základem je anorganická amorfní sloučenina [(R^delocSn)₄S₆](R^deloc=4–(CH₂=CH)–C₆H₄. Jádrem látky jsou atomy cínuCín – Stannum, patří mezi kovy, které jsou známy lidstvu již od starověku především jako součást slitiny zvané bronz. Má velmi nízký bod tání a je dobře kujný a odolný vůči korozi. Nachází využití při výrobě slitin (bronz, pájky, ložiskový kov), v potravinářství při dlouhodobém uchovávání potravin (pocínování konzerv, cínové fólie) a při výrobě uměleckých předmětů. a sírySíra – Sulphur, je nekovový chemický prvek žluté barvy, hojně zastoupený v přírodě. Tvoří přibližně 0,05 % zemské kůry. Patří do skupiny tzv. chalkogenů. Síra byla známa již v dávnověku, ve starověké Číně sloužila jako jedna ze složek střelného prachu. V chemickém průmyslu se síra používá především pro vulkanizaci kaučuku. Dále je elementární síra základní surovinou pro výrobu kyseliny sírové. Síra je významnou složkou různých prostředků působících proti růstu hub a plísní. Síření sklepů i sudů pro uchovávání vína či piva efektivně brání množení nežádoucích plísní a mikroorganizmů. obklopené uhlovodíkovými strukturami. Písmeno R v chemickém vzorci znamená delokalizovanou uhlovodíkovou skupinu, která se volně pohybuje zbytkem molekulární struktury. Vazby připomínají diamantu podobnou krystalografickou mřížku, ale vzhledem k amorfní struktuře má mřížková konstanta nejrůznější délky a rotační a vibrační stavy nemají žádnou konkrétní frekvenci. Luminofor proto generuje bílé světlo spojitých vlnových délek, jehož spektrum je podobné halogenové žárovceHalogenová žárovka – klasická žárovka s wolframovým vláknem, v níž je okolní plyn obohacen o halové prvky (například bróm nebo jód), které umožňují vyšší teplotu vlákna, a tím bělejší světlo. s wolframovýmWolfram – Wolframium, šedý až stříbřitě bílý, velmi těžký a mimořádně obtížně tavitelný kov. Hlavní uplatnění nalézá jako složka různých slitin, v čisté formě se s ním běžně setkáváme jako s materiálem pro výrobu žárovkových vláken. Wolfram byl objeven roku 1781 švédským chemikem Wilhelmem Scheelem. vláknem o teplotě 2 900 K. Luminofor je stabilní látkou do teploty 300 °C. Tvoří ho bílý prášek složený z nanokrystalů. Bílá barva světlo rozptyluje a snižuje účinnost konverze. Proto by bylo v budoucnu dobré připravit amorfní luminofor podobný sklu. Nový luminofor převede dopadající laserové záření z infračervené oblasti do viditelného spektra, které není čárové. Navíc zůstane zachován směr původního laserového paprsku, což znamená, že nový luminofor bude využitelný nejen pro nové světelné zdroje, ale i pro osvětlení malých ploch například v mikroskopii. Poprvé byl vyvinut luminofor, který je příslibem nových zdrojů světla, jež by mělo vlastnosti klasických tepelných žárovek a přitom nemělo původ v tepelně žhaveném vlákně. Pokud se nová technologie nesetká s nějakými nečekanými problémy (například překážkami kladenými současnými výrobci světel), mohli by se lidé po delší době opět dočkat nového světelného zdroje, který jim zajistí klidný a zdravý spánek.

Nový molekulární luminofor převede infračervené záření na spojité viditelné světlo
a dokonce zachová původní směr paprsku. Zdroj Marburgská univerzita.

Odkazy