Физики нашли способ сделать мощные ультрафиолетовые светодиоды, которые, по их мнению, производители могут включить в легкие устройства для уничтожения патогенных микроорганизмов, таких как новый коронавирус.

Недавно обнаруженный материал, который проводит электричество и прозрачен для ультрафиолета, может найти применение в портативных устройствах для убийства SARS-CoV-2. Это вирус, который вызывает COVID-19.

Международная группа физиков, возглавляемая Университетом штата Пенсильвания (Penn State) в Филадельфии, считает, что производители могут использовать ультрафиолетовые светодиоды, изготовленные из нового материала, в лампы, которые легче, дешевле и эффективнее, чем ультрафиолетовые лампы, которые в настоящее время используются для дезинфекции. ,

Идея использования ультрафиолета для уничтожения микробов возникла как минимум с 1877 года, когда британские химики Артур Даунс и Томас Блант опубликовали в журнале Nature статью о том, что солнечный свет подавляет рост бактерий.

Некоторые люди надеются, что увеличение количества солнечного света в летние месяцы в Европе и Соединенных Штатах замедлит распространение нового коронавируса.

Тем не менее, в недавней статье в The Lancet Microbe микробиологи отмечают, что к тому времени, когда солнечный свет достигает земли, он уже не содержит более короткие волны ультрафиолетового света, которые разрушают генетический материал вирусов.

Будущий основной продукт в операционных?

Ультрафиолетовые системы, которые используют медицинские работники для дезинфекции таких областей, как операционные залы больниц, используют эти более короткие волны. Известные как UVC, они находятся в диапазоне 200–280 нанометров.

Исследования, проведенные в 2016 году, показали, что UVC очень эффективен при дезактивации коронавирусов, тесно связанных с SARS-CoV-2.

Для доставки достаточных доз источниками ультрафиолета в этих системах обычно являются ртутьсодержащие лампы. Однако они дороги и громоздки и потребляют много энергии.

Светодиоды, излучающие ультрафиолетовое излучение, могли бы стать дешевой, легкой и энергоэффективной альтернативой, но современные версии недостаточно мощны, чтобы нанести сокрушительный удар по вирусам.

Их выходная мощность ограничена необходимостью для светодиодов использовать электроды, прозрачные для длин волн света, который они излучают. В настоящее время лучший доступный материал, который является прозрачным для УФ-излучения на нужных длинах волн, является плохим проводником электричества.

«Вы должны обеспечить достаточную дозу ультрафиолетового света, чтобы убить все вирусы», — говорит старший автор исследования Роман Энгель-Герберт, доцент кафедры материаловедения, физики и химии в Penn State.

«Это означает, что вам нужен высокоэффективный ультрафиолетовый светодиод, излучающий ультрафиолетовый свет высокой интенсивности, который в настоящее время ограничен используемым прозрачным электродным материалом».

Чтобы разработать светодиодные экраны компьютеров, смартфоны, планшеты и лампочки, ученым пришлось разработать материалы, которые не только хорошо ведут себя, но и прозрачны для видимого света.

Во всяком случае, задача оказалась еще более серьезной для ученых, пытающихся разработать более качественные проводники, прозрачные для УФ-излучения на более коротких длинах волн.

«Просто не существует хорошего выбора материала для материала, прозрачного для УФ-излучения», — говорит соавтор исследования Джозеф Рот, кандидат наук в области материаловедения и инженерии в штате Пенсильвания.

Свет на коррелированные металлы

Исследователи из штата Пенсильвания в сотрудничестве с учеными-материаловедами из Университета Миннесоты в Миннеаполисе предсказали, что новый класс прозрачных проводников, называемых коррелированными металлами, мог бы соответствовать требованиям.

Они предположили, что коррелированный металл, изготовленный из ниобата стронция, будет прозрачным для UVC и хорошим проводником.

С помощью коллег из Токийского университета в Японии и Университета Тохоку в Сендае, также в Японии, которые делают тонкие пленки ниобата стронция, исследователи впервые подтвердили свою эффективность в качестве УФ-прозрачных проводников.

Следующим шагом было проверить, могут ли они наносить пленки на интегральные схемы, используя стандартную промышленную технику. Это будет важно для того, чтобы дешево и в промышленном масштабе внедрить новый материал в ультрафиолетовые светодиоды.

«Мы сразу же попытались вырастить эти пленки, используя стандартную технику выращивания пленки, широко распространенную в промышленности, которая называется распыление. Мы были успешны».

— Джозеф Рот

Потенциал и ограничения

Ученые провели свои исследования до начала пандемии COVID-19. Первоначально они предполагали устройства для таких применений, как обеззараживание воды, но быстро увидели их потенциал в условиях нынешнего кризиса.

Теперь они видят, что светодиодные технологии с УФ-излучением являются потенциальным способом дезактивации нового коронавируса в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Исследователи говорят, что люди могут использовать портативные устройства для дезинфекции общественных мест, таких как театры, спортивные арены, метро, ​​автобусы и самолеты.

Хотя потенциал нового материала впечатляет, важно подчеркнуть, что исследование все еще находится на начальной стадии.

Разработка и тестирование возможных дезинфекционных устройств с ультрафиолетовыми светодиодами займет много времени.

Одним из важных ограничений портативного устройства было бы обеспечение того, чтобы оно могло доставлять достаточно устойчивые высокие дозы ультрафиолета для дезактивации вируса.

Для сравнения, чтобы гарантировать, что он может уничтожить 99,9% частиц коронавируса, вышеупомянутая УФ-система для дезинфекции операционных залов должна была облучать поверхности в течение не менее 5 минут.