Zvykli jsme si používat elektroniku, která tak radikálně změnila způsob lidského života, že si to do důsledků ani nelze uvědomit. Snad se člověk musí vžít od představy, že se stal obětí náhody a se skupinou lidí vyzbrojených jenom holýma rukama se ocitl kdesi velmi daleko od civilizace, na čistě hypotetickém místě, které ač neobydlené, nabízí vše k přežití. Jenom je to nutné ulovit, nasbírat, zpracovat, nějak přetvořit, postavit... V čem byste třeba dali vařit vodu? Jak byste ulovili nějaké zvíře? Asi bychom začali zkoumáním kamenů a hledáním, který z nich má dostatečnou tvrdost a kryptokrystalickou strukturu umožňující ostrý hladký lom.
Teď ale hledíte na monitor počítače, vedle vás možná voní šálek kávy. Na „lov“ se jezdí do supermarketu. Autem. Zní to sice jako kritika, po níž by měla následovat výzva “návratu k přírodě” (samozřejmě s mnohými civilizačními vymoženostmi, které vyrobí nějak někdo, kdo do té přírody již nepatří), ale opak je pravdou. Je to obdiv a virtuální poděkování bezpočtu slavných i bezejmenných, kteří dokázali přispět k technickému pokroku. Jako samozřejmost nám dnes připadá, že dohlédneme do raného vesmíru, víme, jak vypadá naše planeta a dovídáme se, co se právě děje na opačném konci zeměkoule. A to ani nemusíme vstát z postele.
S největší pravděpodobností máte před sebou počítač s LCD obrazovkou, jejíž důležitým prvkem ovládajícím průchod světla jsou tekuté krystaly – liquid crystals (LC). LCD je úžasné zařízení. Následující skvělé video, stejně jako celou sadu dalších, vytvořil Bill Hammack („engineerguy”) z University of Urbana – Illinois, vám umožní v průběhu několika minut alespoň zhruba pochopit fungování této tenké, lehké, energeticky nenáročné obrazovky. Volbu českých titulků umožňuje malá ikona „CC“ pod videem. Při prohlížení nezapomeňte na možnost na chvíli rychlý tok informací zastavit, nebo vrátit se o několik vteřin zpátky.
Stručná rekapitulace: V pozadí LCD je sada svítících diod (LED), jejichž bílé světlo několik vrstev se speciálními optickými vlastnostmi rovnoměrně rozptýlí po celé ploše obrazovky. Pak následuje první polarizační vrstva, jež z podsvícení propouští jenom fotony kmitající v jednom směru. Ty pak druhým vrchním, o pravý úhel otočeným polarizátorem projdou, jenom když tekuté krystaly v mezivrstvě stočí rovinu jejich kmitů. Neovlivněné světlo vrchní polarizační vrstva nepropustí. Pak následuje clona umožňující vytváření barevného obrazu složením různého poměru červené, zelené a modré. Samozřejmě, že vše – množství světla procházejícího jednotlivými barevnými „subpixely“ i zobrazování plynulého toku informací (řádkování) - řídí do vrstev zabudovaná elektronika.
Obraz v LCD tedy vzniká i tím, že značnou část, v průměru až tři čtvrtiny světla z podsvícení, první nebo druhá polarizační vrstva pohltí a dál nepropustí. Na vrchní polarizátor navíc dopadá i světlo zvenčí. I jeho energie zůstává nevyužita. Nejsou to zcela zanedbatelné ztráty - podsvícení spotřebuje 80 až 90 % elektřiny odebírané LCD obrazovkou. Dalo by se to alespoň částečně změnit, aniž bychom konstrukci monitoru zkomplikovali? Kdyby se energie pohlcených fotonů dala proměnit na elektrické napětí a tak alespoň její část vrátit zpět “do hry”, projevilo by se to na výdrži baterií u notebooků nebo chytrých telefonů. Od nich často požadujeme, aby mimo dosahu elektrické sítě vydržely co nejdéle.
S elegantním nápadem přišel trojlístek Rui Zhu, Ankit Kumar a Yang Yang z Katedry materiálového výzkumu a strojírenství Kalifornské university v Los Angeles, známé pod zkratkou UCLA. Tito koumáci zajímavým způsobem spojili do jedné vrstvy polarizátor s fotovoltaickým panelem a toto řešení, které má zatím daleko do praktické realizace, představili v časopise Advanced Materials. Jedna folie by tak mohla selektovat světlo se správnou polarizací i proměňovat v elektrický proud alespoň část energie z nevyužitých pohlcených fotonů. Ty z podsvícení by měl v kompetenci spodní polarizátor, ty z vnějšího, na obrazovku dopadajícího světla zas vrchní polarizátor, který by pak mohl jako fotovoltaický článek sloužit i když zařízení nepracuje a dobíjet tak baterii.
Jak to funguje?
Moderní elektronika je stále více závislá na „organice“, čímž se zdaleka nemyslí jen látky produkované živými organismy, ale všechny uhlovodíky a z nich odvozené sloučeniny. To, co z chemického hlediska nabízí uhlík, dalo vzniknout rozsáhlému samostatnému odvětví výzkumu, vývoje a průmyslu. I tekuté krystaly jsou molekuly některých uhlovodíků, které za jistých podmínek představují zvláštní fázi na rozhraní pevného krystalického skupenství a kapaliny se zajímavými, zvenčí regulovatelnými optickými vlastnostmi. Také řešení kalifornských inženýrů se zakládá na již známých a využívaných vlastnostech dvou uhlovodíků - poly(3-hexylthiofenu), známého pod zkratkou P3HT a fenyl-C 61–metyl esteru kyseliny máselné, označovaného jako PC60BM (strukturní vzorce – viz obrázek vpravo). Aby získali vrstvu s potřebnými polarizačními schopnostmi, vědci folii z P3HT za teploty 150 °C hladili sametovou tkaninou. Tímto invenčním postupem dosáhli jednosměrné rovnoběžné uspořádání polymerových řetězců a optické vlastnosti uhlovodíku pak zajistily, že folií procházelo jenom lineárně polarizované světlo.
| Když objektiv fotoaparátu opatřený polarizačním filtrem hledí přes P3HT folii s usměrněnými řetězci molekul polymeru, její pootočení o 90 ° odhalí polarizační vlastnosti. Kredit: Rui Zhu et al. Advanced Materials 2011 |
Takže vytvořili nový, i když zatím ne zcela dokonalý typ polarizátoru. Jenže P3HT je zároveň polovodičový materiál, již nějakou dobu používaný jako donor (dárce) elektronů v organických fotovoltaických článcích, které mohou být tím pádem ohebné a lze je na libovolný podklad doslova tepelně tisknout. V nich akceptorem (příjemcem) elektronů bývá zmíněný fullerenový butyrát PC60BM, takže Kaliforňané obohatili již předtím získané poznatky o způsob, jak vytvořit polarizující fotovoltaickou kvazidvojvrstvu. Na strukturu jednosměrně uhlazených molekul P3HT nanesli fullerenový uhlovodík (PC60BM), jehož molekuly částečně impregnovaly svůj podklad a tak se obě vrstvičky propojily v jednu, která si ve směru tloušťky zachovala svojí heterogenitu. Optické vlastnosti původní P3HT folie se nanesením tenounkého filmu PC60BM nezměnily. Zobrazení celé struktury, kterou autoři nazývají polarizující organickou fotovoltaikou, a výsledky jejích testů nabízí odborný článek dostupný zde.
Tomu, koho více zajímají fotovoltaické vlastnosti polovodičového polymeru P3HT:PC60BM, je určen článek, v němž se uvádí, že tento organický materiál je sto proměňovat jisté vlnové délky s účinností 5 %. U svých prvních prototypů fotovoltaických polarizátorů autoři uvádějí 2,62 % jako maximální dosaženou účinnost. Není to moc, ale jde o začátek cesty, která s velkou pravděpodobností povede dál. S nadějí, že na jejím konci nalezneme něco, co bychom mohli označit za převratnou technologii. Možná bude využívat jiné, efektivnější materiály, ale bude rozvinutím původního dobrého nápadu.
Diskuze:
Asi tak
Radim Dvořák,2011-09-05 05:31:08
Budoucnost je v přímé tvorbě obrazu světlem miniaturních LED. Zatím zakrýváme tekutými krystaly s filtračním RGB matrixem bílé světlo z pozadí, ať už je emitováno zářivkami či LED. Výsledkem je více či méně omezený barevný prostor, nerovnoměrně osvětlené pozadí a černá, která je šedá.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
