Светодиодные лампы, по всем признакам, предвещают будущее домашнего освещения. По сравнению со своими более старыми и энергоемкими родственниками - лампами накаливания, светодиодные лампы в несколько раз эффективнее и служат в десятки раз дольше.
Но есть одна загвоздка: Современные светодиодные лампы очень синие. И есть причина, по которой вы или кто-то из ваших знакомых может иметь очки с фильтрацией синего света. Ученые считают, что чрезмерное воздействие синего света подавляет мелатонин и нарушает циркадные ритмы, которые направляют организм ко сну.
Поэтому исследователи работают над созданием более дружелюбных светодиодных ламп. Одна из таких групп преуспела в создании соединения, которое может облегчить проблему синего света. Исследователи считают, что эта работа, опубликованная в марте в журнале ACS Applied Materials and Interfaces, может однажды осветить то, что они называют "ориентированными на человека" лампами.
"Если мы немного поработаем над созданием лампы, ориентированной на человека, - говорит Шрути Харияни, аспирант Хьюстонского университета и один из авторов статьи, - мы сможем избавиться от необходимости покупать эти супердорогие очки".
Светодиод (сокращение от светоизлучающего диода) обычно излучает свет одного цвета. Для создания полного спектра белого света светодиодные лампы используют химические вещества, называемые люминофорами. Когда определенный люминофор возбуждается определенными длинами волн света, он, в свою очередь, излучает свет другого цвета. В большинстве светодиодных ламп используются синие светоизлучающие диоды с тонко настроенным набором люминофоров, которые активируются синим светом и "преобразуют" его в спектр, образующий белый цвет.
Но это оставляет много синего цвета, и по мере того, как мы отказываемся от ламп накаливания в пользу люминесцентных или светодиодных ламп, наше стремление к более энергоэффективному освещению бросает все больше синего света в мир, уже наполненный излучающими синий свет, нарушающими сон телевизорами, мониторами и смартфонами.
"Оказывается, лампы накаливания - это просто светильники, ориентированные на человека", - говорит Джакоа Бргоч, химик из Хьюстонского университета и еще один из авторов исследования. "Мы никогда не рассматривали их с этой точки зрения".
Если вы когда-нибудь думали, что лампы накаливания выглядят тепло и уютно в отличие от строгих и стерильных светодиодных или люминесцентных ламп, то на это есть веские причины. При всех своих недостатках лампы накаливания, которые, нагревая нить до свечения, опираются на ту же физику, что и солнечный свет, довольно хорошо имитируют спектр естественного солнечного света.
Чтобы помочь создать светодиодный свет, который уменьшает синее излучение и лучше соответствует солнечному свету, некоторые лампы с середины 2010-х годов экспериментировали с заменой синего ядра фиолетовым светодиодом, полагаясь на другой состав люминофоров. Это хорошо работает для получения теплых цветов, таких как красный, но для создания по-настоящему естественного света эти лампочки должны излучать и другой конец спектра. К сожалению, исследователям еще предстоит найти эффективный люминофор, который превращает фиолетовый цвет в синий - недостающее звено, которое могло бы помочь фиолетовым светодиодным лампам лучше имитировать полный спектр, который мы получаем от ламп накаливания.
"Существует множество люминофоров, производящих синий цвет, но не так много тех, которые работают с фиолетовыми светодиодами", - говорит Бргоч. "За последние годы работы мы столкнулись с несколькими, но ни один из них не удовлетворял всем требованиям".
В частности, люминофоры должны выдерживать низкие температуры внутри лампочки - около 300 градусов по Фаренгейту, или 150 градусов по Цельсию. И, что очень важно, они должны быть эффективными; не получится, если слишком большая часть света светодиода будет потеряна при изменении его цвета.
В своем стремлении получить синий цвет из фиолетового Харияни и Бргоч обратились к люминофору, содержащему редкоземельный элемент европий. Харияни предсказал, что соединение будет излучать синий цвет при активации ультрафиолетовым светом, который находится за пределами видимого диапазона волн. Но после испытаний выяснилось, что люминофор возбуждается гораздо более широким диапазоном длин волн, граничащим с фиолетовым.
"Мы можем использовать видимый свет для возбуждения этого люминофора, а это довольно редкое явление для синеизлучающих материалов", - говорит Харияни. "Как только я увидел это, я понял, что мы можем использовать это с фиолетовым светодиодом. Мы можем нацелить этот компонент, ориентированный на человека, на его применение".
Фосфоры - не новая технология. В старых телевизорах с катодно-лучевой трубкой они использовались с 1960-х годов. Многие люминофоры - это хорошо изученные звери, с которыми возились годами. Но Харияни говорит, что этот новый люминофор уже сравним со своим стандартным аналогом, даже до того, как исследователи начали настраивать его для более широкого использования. "Это было действительно захватывающе", - говорит она.
Создатели люминофора надеются, что в один прекрасный день его можно будет использовать в домашнем и офисном освещении, но они реалистично оценивают перспективы на будущее. Одно дело - создать это вещество в лаборатории, другое - производить его в больших масштабах. "Как можно перейти от одного грамма к килограмму?" - говорит Бргоч. Это "большое препятствие".
Действительно, сине-светодиодные лампы так распространены, потому что их легче производить массово. Но это не просто дуэль холодных белых сине-светодиодных ламп против более теплых желтых фиолетовых светодиодных ламп. Поскольку солнечный свет меняется в течение дня, сине-белые лампы не являются проблемой для наших циркадных ритмов во второй половине дня.
Брэндон Митчелл, физик из Университета Вест Честера под Филадельфией, который не участвовал в работе над статьей, считает, что лампочки должны отражать это. "Если на улице все еще яркий день, если сейчас 2 часа дня, вам не нужна желтая лампочка, вам нужна белая лампочка", - говорит он. "А если сейчас 7 часов вечера, то вам не нужна белая лампочка, вам нужна желтая".
Существуют светодиодные лампы, которые меняют цвет, но они дороги, и до их повсеместного применения еще далеко. Именно в этом направлении, по мнению Митчелла, и должна развиваться подобная работа. "В этой работе рассматривается идеальный теплый светодиод, - говорит он, - а у нас уже есть хорошие белые".