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Neuartige Materialien verwandeln sichtbares Licht in Infrarotlicht

Durchdringung von lebendem Gewebe und anderen Materialien ohne hochintensive Lichteinwirkung

Melissa Ann Ashley

Milliarden von Molekularlampen, angetrieben von unsichtbaren Infrarot-Photonen, erzeugen sichtbares Licht

18.01.2019: Wissenschaftlern der Columbia University ist es in Zusammenarbeit mit Forschern aus Harvard gelungen, ein chemisches Verfahren zur Umwandlung von sichtbarem Licht in Infrarotenergie zu entwickeln, bei dem harmlose Strahlung in lebendes Gewebe und andere Materialien eindringen kann, ohne die Schäden durch hochintensive Lichteinwirkung zu erleiden.

"Die Ergebnisse sind spannend, weil wir eine Reihe komplexer chemischer Transformationen durchführen konnten, die normalerweise hochenergetisches, sichtbares Licht mit einer nicht-invasiven Infrarot-Lichtquelle erfordern", sagte Tomislav Rovis, Chemieprofessor an der Columbia und Mitautor der Studie. "Man kann sich viele mögliche Anwendungen vorstellen, bei denen Barrieren der Kontrolle der Materie im Wege stehen. So verspricht die Forschung beispielsweise eine Steigerung der Reichweite und Wirksamkeit der photodynamischen Therapie, deren Potenzial zur Behandlung von Krebs noch nicht voll ausgeschöpft ist."

Das Team, zu dem Luis M. Campos, außerordentlicher Professor für Chemie an der Columbia, und Daniel M. Congreve vom Rowland Institute in Harvard gehören, führte eine Reihe von Experimenten mit kleinen Mengen einer neuartigen Verbindung durch, die, wenn sie durch Licht stimuliert wird, den Transfer von Elektronen zwischen Molekülen vermitteln kann, die sonst langsamer oder gar nicht reagieren würden.

Ihr Ansatz, die so genannte Triplett-Fusionsaufwärtsumwandlung, beinhaltet eine Kette von Prozessen, die im Wesentlichen zwei Infrarot-Photonen zu einem einzigen Photon mit sichtbarem Licht verschmelzen. Die meisten Technologien erfassen nur sichtbares Licht, d.h. der Rest des Sonnenspektrums geht verloren. Die Aufwärtsumwandlung der Triplett-Fusion kann niederenergetisches Infrarotlicht gewinnen und in Licht umwandeln, das dann von den Solarmodulen absorbiert wird. Sichtbares Licht wird auch von vielen Oberflächen leicht reflektiert, während Infrarotlicht längere Wellenlängen hat, die in dichte Materialien eindringen können.

"Mit dieser Technologie konnten wir das Infrarotlicht auf die notwendigen, längeren Wellenlängen abstimmen, die es uns ermöglichten, eine Vielzahl von Barrieren wie Papier, Kunststoffformen, Blut und Gewebe nichtinvasiv zu passieren", sagte Campos. Die Forscher pulsierten sogar Licht durch zwei Streifen Speck, die um eine Flasche gewickelt waren.

Wissenschaftler haben lange Zeit versucht, das Problem zu lösen, wie man sichtbares Licht in Haut und Blut eindringen lässt, ohne innere Organe oder gesundes Gewebe zu schädigen. Die Photodynamische Therapie (PDT), die zur Behandlung einiger Krebsarten eingesetzt wird, verwendet ein spezielles Medikament, den so genannten Photosensibilisator, der durch Licht ausgelöst wird, um eine hochreaktive Form von Sauerstoff zu produzieren, die in der Lage ist, das Wachstum von Krebszellen zu töten oder zu hemmen.

Die aktuelle photodynamische Therapie beschränkt sich auf die Behandlung von lokal begrenzten oder oberflächlichen Krebsarten. "Diese neue Technologie könnte die PDT in Bereiche des Körpers bringen, die bisher unzugänglich waren", sagte Rovis.

"Anstatt den ganzen Körper mit einem Medikament zu vergiften, das den Tod bösartiger Zellen und gesunder Zellen verursacht, könnte ein ungiftiges Medikament in Kombination mit Infrarotlicht selektiv die Tumorstelle angreifen und Krebszellen bestrahlen."

Die Technologie könnte weitreichende Auswirkungen haben. Die Infrarotlichttherapie kann bei der Behandlung einer Reihe von Krankheiten und Zuständen eine wichtige Rolle spielen, darunter traumatische Hirnverletzungen, geschädigte Nerven und Rückenmark, Hörverlust sowie Krebs.

Weitere mögliche Anwendungen sind das Fernmanagement der Solarstromproduktion und -speicherung von Chemikalienspeichern, die Medikamentenentwicklung, Sensoren, Lebensmittelsicherheitsmethoden, formbare knochenähnliche Verbundwerkstoffe und die Verarbeitung mikroelektronischer Komponenten.

Derzeit testen die Forscher Photon-Up-Umwandlungstechnologien in weiteren biologischen Systemen. "Dies eröffnet beispiellose Möglichkeiten, die Art und Weise zu verändern, wie Licht mit lebenden Organismen interagiert", sagte Campos. "Tatsächlich verwenden wir gerade Upconversion-Techniken für Tissue Engineering und Drug Delivery."

Originalveröffentlichung:
Benjamin D. Ravetz, Andrew B. Pun, Emily M. Churchill, Daniel N. Congreve, Tomislav Rovis & Luis M. Campos; "Photoredox catalysis using infrared light via triplet fusion upconversion"; Nature; 2019

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