تصفح الكمية:89 الكاتب:محرر الموقع نشر الوقت: 2025-07-30 المنشأ:محرر الموقع
عندما تخترق شعاع 275 نانومتر UV-C خلية ميكروبية ، تستهدف طاقتها بدقة قواعد البيريميدين في جزيئات الحمض النووي ، مثل تقطيع الشفرة غير المرئية من خلال سلسلة المواد الوراثية-هذا هو السر النهائي وراء تطهير UV-C. ولكن منذ اللحظة التي يتم فيها قلب المفتاح إلى اللحظة التي يتم فيها إنتاج 'الشفرة الخفيفة ' ، يتكشف تعاون دقيق في العالم المجهري. فكيف بالضبط هذا التحول المذهل يحدث؟ دعنا نتكبير ونلقي نظرة فاحصة على الرحلة الرائعة من الحقن الحالي إلى انبعاثات الضوء الجراثيم.
في قلب LED UV-C LED تقع رقاقة أشباه الموصلات مصنوعة من نيتريد الغاليوم الألومنيوم (Algan) ، وعادة ما تكون على بعد بضعة ملليمترات مربعة فقط. تشكل هيكلها البلوري الأساس لتحويل الطاقة. على عكس LEDs الإضاءة المرئية التقليدية ، تتطلب أطوال موجات UV-C (200-280 نانومتر) فجوة نطاق أوسع بكثير (3.4–6.2 فولت). يحقق Algan ذلك من خلال ضبط محتوى الألومنيوم بدقة - عندما تتجاوز نسبة الألومنيوم 50 ٪ ، تصبح فجوة النطاق واسعة بما يكفي لإصدار مبيد الجراثيم في نطاق 260-280 نانومتر.
تحتوي الرقاقة على هيكل 'Sandwich ': طبقة من النوع N (منطقة إمدادات الإلكترون) ، طبقة نشطة بئر كمية متعددة (MQW) (منطقة انبعاثات الضوء) ، وطبقة من النوع P (منطقة إمداد الثقب). هذه الطبقات الرفيعة نمت ذرة على أساس باستخدام ترسب البخار الكيميائي المعدني العضوي (MOCVD) ، مع كل طبقة فقط بضع سنوات نانومتر ، مما يضمن جودة البلورة على المستوى الذري.
بمجرد أن يتم تشغيل الأقطاب الكهربائية ، فإن الجهد الخارجي يدفع الإلكترونات الحرة من الطبقة من النوع N إلى المنطقة النشطة ، في حين أن الثقوب (الناقلات المشحونة إيجابيا) من طبقة P-type تتحرك في الاتجاه المعاكس ، مما يؤدي إلى تعطيل توازن أشباه الموصلات. يجب أن يتغلب هذا التفاعل الدقيق على فقدان الطاقة الناجم عن مقاومة المواد - أحد الأسباب التي تجعل المصابيح تولد الحرارة أثناء التشغيل.
في بنية MQW ، إعادة تجميع الإلكترونات والثقوب في ذروة كفاءة. تعمل هذه الآبار الكمومية-التي تتكون من طبقات متناوبة من GAN و Algan-مثل غرف التفاعل المضبوطة بدقة. هذه هي عملية التألق الكهربائي.
تحدد كمية الطاقة التي تم إصدارها الطول الموجي للفوتون. بالنسبة لتطبيقات UV-C ، تتوافق الطاقة العالية مع أطوال موجية أقصر-فوتون 275 نانومتر يحمل طاقة كافية لكسر الروابط التساهمية في الحمض النووي الميكروبي. بالمقارنة ، تحتوي مصابيح LED ذات الإضاءة المرئية على خلفات نطاقات أصغر - على سبيل المثال ، تحتوي LEDs الزرقاء ، على وجود فجوة فرقة حوالي 2.6 فولت وينبعثون عند 475 نانومتر تقريبًا.
ليس كل الفوتونات المتولدة من خلال إعادة التركيب الهروب من الشريحة. غالبًا ما يتسبب مؤشر Algan في الانكسار في انعكاس الضوء داخليًا - مثل شعاع محاصر داخل الزجاج. كان لدى UV-C LEDs المبكرة كفاءة استخراج الضوء أقل من 20 ٪ ، مع معظم الطاقة 'محاصرة ' داخل الجهاز.
لقد تغلب المهندسون على هذا بثلاث تقنيات رئيسية:
البنى النانوية السطحية (على سبيل المثال ، النانوية ، الخشنة) تغيير زوايا الانعكاس لإطلاق الضوء المحاصر.
تحل الطبقات الموصلة الشفافة مثل أكسيد القصدير الإنديوم (ITO) محل الأقطاب المعدنية المعتمة ، مما يقلل من انسداد الضوء.
تنبعث تصاميم الرقاقة من جانب الركيزة الياقوت ، وتجنب تظليل الإلكترود.
رفعت هذه التطورات كفاءة استخراج ضوء UV-C LED تجارية إلى أكثر من 30 ٪.
فقط عندما يصل UV-C Light بنجاح إلى هدفه ، تبدأ عملية المبيدات الجراثيم حقًا. تتطابق فوتونات UV-C بين 260-280 نانومتر مع ذروة امتصاص الثيمين والسيتوزين في الحمض النووي. بمجرد امتصاصها ، تشكل جزيئات البيريميدين المجاورة خافتة - تربط عقدة في حبلا الحمض النووي.
هذا الضرر الهيكلي لا رجعة فيه. الكائنات الحية الدقيقة تفقد قدرتها على تكرارها ، مما يجعلها غير نشطة. تشير الدراسات إلى أن جرعة UV-C 275 نانومتر من 30 MJ/CM² يمكن أن تحقق 99.99 ٪ من تعطيل E. coli ، في حين أن الجراثيم الأكثر مقاومة (على سبيل المثال ، Bacillus subtilis ) تتطلب جرعات أعلى من 100 mj/cm².
بالمقارنة مع مصابيح الزئبق التقليدية ، توفر LED UV-C التحكم الدقيق في الطول الموجي (على سبيل المثال ، 275 نانومتر ± 5 نانومتر) ، وتجنب نطاق 200-230 نانومتر أكثر وتركيز الطاقة داخل النطاق الجرثومي الأكثر كفاءة-260-270 نانومتر. وهذا يتيح التطهير المستهدف والفعال.
خلال سلسلة التحويل من الطاقة الكهربائية إلى تأثير مبيد الجراثيم ، لا يمكن تجنب فقدان الطاقة:
مقاومة التلامس الإلكترود: ~ 5-10 ٪
خسائر إعادة التركيب غير الراديوية: ~ 30-40 ٪ (حيث تطلق إعادة التركيب الحرارة بدلاً من الضوء)
خسائر استخراج الضوء: ~ 50-60 ٪
هذا يعني أن مصابيح LED Commercial UV-C الحالية لها كفاءة في حائط من 10 ٪ فقط-15 ٪ ، أقل بكثير من مصابيح LED ذات الضوء المرئي ، والتي تتجاوز 50 ٪.
تكمن الاختراقات الرئيسية لتحسين الكفاءة في تحسين تصميم MQW-تعديل عرض جيد وتكوين الألومنيوم لتقليل العمليات غير الإرادية مثل إعادة التركيب Auger-واعتماد ركائز الياقوت المزخرفة (PSS) لتقليل كثافة العيب. اعتبارًا من عام 2023 ، حقق قادة الصناعة كفاءة على نطاق المختبر بنسبة تصل إلى 20 ٪ ، مما يشير إلى أنه يمكن تحويل المزيد من الطاقة الكهربائية إلى ضوء مبيد للجراثيم في المستقبل.
من الحقن الحالي إلى اضطراب الحمض النووي ، فإن آلية LED UV-C هي اندماج مثالي للفيزياء الكمومية والبيولوجيا الجزيئية. يخضع كل فوتون مبيد للجراثيم في رحلة معقدة تتضمن نقل الناقل ، وإعادة التركيب الكمومي ، واستخراج الضوء. إن فهم هذه العملية لا يساعد فقط في تحسين المعلمات التقنية - مثل ضبط تيارات محركات الأقراص (عادة 20-350 مللي أمبير) لموازنة عمر الإخراج وطول العمر - ولكن أيضًا يوضح المسار للأمام.
مع انخفاض كثافة عيب البلورة Algan من 10⁸/سم مربع إلى 10⁶/سم ² وكفاءة استخراج الضوء تتجاوز 40 ٪ ، وتستعد LED UV-C لإطلاق إمكانات هائلة عبر التعقيم الطبي ، وتنقية الماء ، والحفاظ على الطعام. من خلال التحكم الدقيق على المستوى المجهري ، يمكننا حماية الصحة العامة والسلامة بشكل أفضل على نطاق عالمي.
ابق على اطلاع بأحدث المستجدات لدينا من أخبار، تقنيات، وفعاليات.
