Повышение защиты от УФ-излучения в светодиодных технологиях с помощью углеродных точек: исследование синтеза и применения 3&4A-CD.
1. Введение
Светодиоды (LED) произвели революцию в технологии освещения благодаря своим преимуществам, таким как компактные размеры, низкое энергопотребление и мгновенное включение. Однако, несмотря на их эффективность, существует потенциальный риск, связанный с утечкой ультрафиолетового (УФ) света из светодиодов. УФ-излучение, особенно длительное воздействие, может вызывать различные проблемы со здоровьем, включая пигментацию кожи, фотостарение и другие вредные последствия. Для смягчения этого очевидно наличие надежного материала, поглощающего УФ-излучение. Углеродные точки (CD) стали многообещающим решением благодаря своим уникальным оптическим свойствам, многофункциональным группам и исключительной стабильности. В данной статье рассматриваются синтез и применение углеродных точек, в частности, инновационные 3&4A-CD, которые демонстрируют исключительную эффективность поглощения УФ-излучения, что делает их подходящими для предотвращения утечки УФ-излучения из светодиодов.
2. Светодиодная технология и риски утечки УФ-излучения
Светодиоды, широко используемые в повседневной жизни, обладают многочисленными преимуществами, такими как энергоэффективность, долговечность и возможность регулировки яркости. Однако они также излучают небольшое количество ультрафиолетового света. Хотя большинство светодиодов предназначены для излучения видимого света, часть излучаемого спектра может попадать в УФ-диапазон, особенно в устройствах, генерирующих белый свет посредством преобразования люминофора.
Основная проблема, связанная с проникновением УФ-излучения, заключается в его долгосрочном воздействии на здоровье. Известно, что УФ-лучи, особенно в диапазонах UVA (320–400 нм) и UVB (290–320 нм), проникают в кожу, вызывая немедленные и долгосрочные повреждения. Длительное воздействие может привести к пигментации кожи, ускоренному старению кожи, а в некоторых случаях — к повышению риска рака кожи. Учитывая эти опасности, крайне важно разработать материалы, которые могут эффективно блокировать УФ-излучение, пропуская при этом видимый свет, сохраняя функциональность светодиода.
Светодиодная технология с углеродными точками
3. Углеродные точки (CD) в качестве поглотителя УФ-излучения.
Углеродные точки (УТ) — это класс флуоресцентных наноматериалов, привлекших внимание благодаря широкому спектру своих свойств, таких как сильное поглощение УФ-излучения, химическая стабильность, низкая токсичность и регулируемая флуоресценция. УТ характеризуются малым размером (обычно менее 10 нм) и наличием функциональных групп, позволяющих взаимодействовать с широким кругом материалов.
Уникальные свойства компакт-дисков делают их идеальными кандидатами для применения в системах поглощения УФ-излучения. Компакт-диски могут быть сконструированы таким образом, чтобы поглощать свет в широком спектре, особенно в УФ-диапазоне, что делает их идеальным решением для устранения утечки УФ-излучения в светодиодах. Кроме того, компакт-диски экологичны, экономичны и просты в производстве, что делает их жизнеспособным решением для промышленного применения.
4. Синтез А-CD: одностадийный гидротермальный метод.
В данном исследовании А-углеродные точки были синтезированы с использованием одностадийного процесса гидротермальной карбонизации. Гидротермальная карбонизация — широко используемый метод получения углеродных точек благодаря своей простоте, низкому энергопотреблению и возможности регулирования свойств получаемых углеродных точек. Путем регулирования исходных материалов и условий реакции были получены углеродные точки с широким диапазоном поглощения (200–500 нм), что делает их пригодными для поглощения УФ-излучения как в UVA, так и в UVB диапазонах.
Гидротермальный метод позволяет не только получать углеродные наночастицы с превосходными абсорбционными свойствами, но и обеспечивает стабильность материала. А-углеродные наночастицы обладают высокой химической и термической стабильностью, что имеет решающее значение для длительного применения в условиях, где воздействие тепла, света и изменяющегося уровня pH может привести к деградации других материалов.
5. Разработка 3 и 4A-CD: оптимизация поглощения УФ-излучения.
Для улучшения свойств поглощения УФ-излучения углеродными точками были получены углеродные точки 3&4A-CD с использованием двух различных подходов: смешивания углеродных точек и смешивания исходных материалов. Оба метода позволили получить углеродные точки со средним и эффективным поглощением в диапазонах UVA и UVB. Оптимизированные углеродные точки 3&4A-CD продемонстрировали превосходные возможности поглощения УФ-излучения, эффективно поглощая свет во всем УФ-спектре.
Эффективность 3&4A-CDs была дополнительно протестирована в различных условиях, включая эксперименты по ускоренному старению и изменения pH. После 180 часов ускоренного старения интенсивность поглощения УФ-излучения 3&4A-CDs оставалась выше 97% и 99%, без существенного изменения длины волны излучения. Это свидетельствует о стабильности и долговечности материала, что делает его пригодным для длительного использования в светодиодных приложениях, где постоянное воздействие УФ-излучения является проблемой.
6. Синтез пленок 3&4A-CDs@CMC для повышения защиты от УФ-излучения.
Опираясь на успех 3&4A-CDs, следующим шагом стало внедрение этих углеродных точек в матрицу из карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) для образования пленок 3&4A-CDs@CMC. Матрица КМЦ выступает в качестве поддерживающей среды, обеспечивая механическую стабильность и позволяя углеродным точкам сохранять свои УФ-поглощающие свойства. Полученные пленки 3&4A-CDs@CMC продемонстрировали исключительную эффективность поглощения УФ-излучения.
7. Применение в светодиодных технологиях
Основное применение пленок 3&4A-CDs@CMC — предотвращение проникновения УФ-излучения из светодиодов. Нанесение этих пленок на поверхность светодиодов позволяет блокировать вредные УФ-лучи, пропуская при этом видимый свет. Это гарантирует сохранение яркости и эффективности светодиодов без ущерба для безопасности. Чрезвычайно высокая эффективность поглощения УФ-излучения пленкой 0,45 мас.% 3&4A-CDs@CMC в сочетании с ее стабильностью делает ее идеальным решением для предотвращения проникновения УФ-излучения как в помещениях, так и на открытом воздухе при использовании светодиодов.
Помимо применения в светодиодах, стабильность и эффективность пленок 3&4A-CDs@CMC открывают возможности для их использования в других областях, где необходима защита от УФ-излучения. Это включает покрытия для электронных дисплеев, медицинских приборов и другого оборудования, которое может подвергаться воздействию УФ-излучения.
8. Воздействие на окружающую среду и экономическая эффективность.
Одним из главных преимуществ циклодекстринов, особенно 3- и 4A-циклодекстринов, является простота и экономичность процесса синтеза. Одностадийный метод гидротермальной карбонизации, используемый для получения A-циклодекстринов, является одновременно недорогим и экологически чистым, требуя минимального количества энергии и образуя мало отходов. Кроме того, сырье, используемое в синтезе 3- и 4A-циклодекстринов, легкодоступно и недорого, что делает процесс масштабируемым для промышленного применения.
Экологичность углеродных наночастиц в сочетании с их превосходными характеристиками делает их привлекательной альтернативой традиционным УФ-поглощающим материалам, которые могут быть токсичными, дорогими или неэффективными. Использование КМЦ в качестве поддерживающей матрицы дополнительно повышает экологичность продукта, поскольку КМЦ является биоразлагаемым и нетоксичным материалом.
9. Заключение
Разработка пленок 3&4A-CD и 3&4A-CD@CMC представляет собой значительный шаг вперед в области защиты светодиодов от УФ-излучения. Эти материалы обладают превосходной эффективностью поглощения УФ-излучения, стабильностью и долговечностью, что делает их идеальными для предотвращения утечки УФ-излучения без ущерба для производительности светодиодов. Простой, недорогой и экологически чистый процесс синтеза еще больше повышает их привлекательность для промышленного применения. По мере дальнейшего развития светодиодных технологий, использование 3&4A-CD будет играть решающую роль в обеспечении безопасности и эффективности систем освещения в широком спектре применений.
