In de NRC van 22 mei 2025 wordt een artikel gewijd aan een uitvinding die voor mensen onzichtbaar licht omzet in zichtbaar licht. Het artikel begint met: “Mensen zien maar een beperkt deel van het lichtspectrum. Een contactlens met nanodeeltjes rekt de grens een beetje op.”
a) Zoek op welk deel van het elektromagnetische spectrum voor mensen zichtbaar is.
Het zichtbare deel van het elektromagnetische spectrum voor mensen ligt ongeveer tussen de: 📘400 nm (violet) → 📕700 nm (rood). Golflengtes korter dan 400 nm vallen in het ultraviolet (UV), en golflengtes langer dan 700 nm vallen in het infrarood (IR). Beide zijn onzichtbaar voor het menselijk oog. Zie BINAS tabel 19.
b) Bedenk een reden waarom het meer voor de hand ligt om het ‘oprekken’ van het zichtbare deel naar het infrarood (IR) te onderzoeken dan naar het ultraviolet (UV)?
Het licht meer voor de hand dat de zichtbare grens naar het infrarood wordt opgerekt dan naar het ultraviolet. Korte golflengtes (UV) kunnen namelijk schadelijk zijn voor het oog. Denk aan het verbranden van de huid in de zon. Lange golflengtes in het nabije infrarood (IR) zijn minder schadelijk. Het is dus beter mogelijkheden te zoeken om het infrarood deel van het spectrum te gebruiken voor het omzetten in zichtbare golflengtes.
Het artikel zegt: “De nanodeeltjes, die verwerkt zijn in zachte contactlenzen, bestaan uit een gouddeeltje omhuld met een laagje materiaal waarin stoffen zitten die gevoelig zijn voor licht. Ze absorberen infraroodlicht en zetten dat om in golflengtes die wel zichtbaar zijn voor mensen. Het gaat om het infraroodlicht met golflengtes tussen 800 en 1.600 nanometer, het zogenoemde nabije-infrarood.”
c) Leg uit wat er kan gebeuren in de atomen van de nanodeeltjes als deze licht absorberen.
We nemen aan dat het volgende gebeurt. Als een nanodeeltje een foton absorbeert,
- wordt de energie van het foton overgedragen aan een elektron;
- gaat het elektron naar een hoger energieniveau;
- valt het elektron weer terug, waarbij energie vrijkomt als zichtbaar licht.
We lezen verder: “Er zijn drie verschillende soorten nanodeeltjes, zo gemaakt dat ze specifieke infrarood-golflengtes omzetten in specifieke golflengtes zichtbaar licht. De drie soorten nanodeeltjes absorberen golflengtes van 808, 980 en 1.532 nanometer en zenden zichtbaar licht uit van 540 (groen), 450 (blauw) en 650 nanometer(rood). Oftewel: er is kleureninformatie waar te nemen.”. De contactlenzen zijn niet geschikt om warmte te zien. Warmtebeelden worden gemaakt op basis van infraroodstraling in het midden- en ver-infraroodbereik (golflengtes van 3.000 nanometer en groter)”.
De energie van een foton in het nabije infrarood (808 nm) is kleiner van die van een foton in het zichtbare deel van het spectrum (540 nm).
d) Bereken de energie (in eV) van een foton met een golflengte van 808 nm en de energie van een uitgezonden foton met een golflengte van 540 nm (groen).
Voor een foton van 808 nm geldt:
$E_f=\frac{hc}{\lambda}\rightarrow E_f=\frac{6,626\cdot 10^{-34}\cdot 3,00\cdot 10^8}{808\cdot 10^{-9}}=2,46\cdot 10^{-19}~\mathrm{J}$
Zet om naar elektronvolt (1 eV = 1,602 . 10-19 J):
$E_f=\frac{2,46\cdot 10^{-19}}{1,602\cdot 10^{-19}}=1,54~\mathrm{eV}$
Op dezelfde manier vind je voor het foton van 540 nm een energie van 2,30 eV.
Het verschijnsel dat er een foton met meer energie wordt uitgezonden heet ‘upconversie’. Het lijkt in strijd met de wet van behoud van energie.
e) Zoek op internet naar het verschijnsel ‘upconversie’ en de mogelijke verklaringen voor het feit dat een infrarood foton met minder energie wordt geabsorbeerd en dat er een foton met meer energie vrijkomt.
Mogelijke verklaringen voor ‘upconversie’:
- Meerdere fotonen worden snel achter elkaar geabsorbeerd: een enkel foton van lage energie (lange golflengte, bijvoorbeeld infrarood) is niet genoeg om een elektron naar een hoog energieniveau te brengen. Maar als twee (of meer) van zulke fotonen kort na elkaar worden geabsorbeerd door hetzelfde nanodeeltje, kan hun gezamenlijke energie wél een elektron optillen naar een hoger niveau.
- Energie wordt opgestapeld. De "tussenliggende" energietoestanden zijn relatief stabiel, zodat het systeem de tijd krijgt om meerdere fotonen te absorberen. Dit komt vaak voor bij materialen met echte kwantumenergieniveaus die goed "passen" bij deze foton-energieën.
Over de mogelijke toepassingen zegt het artikel:
“Mensen die de infraroodcontactlenzen droegen konden morsecode-achtige lichtsignalen nauwkeurig detecteren en de richting van binnenkomend infraroodlicht waarnemen. Als lichtbron zijn leds gebruikt. Dat is fel licht, bij zwakker licht werken de contactlenzen minder goed.”.
f) Bedenk meer toepassingen van deze contactlenzen.
De onderzoekers zien allerlei toepassingen voor zich, waaronder het coderen en verzenden van informatie voor beveiligingsdoeleinden, beter zicht bij slechte omstandigheden (bijvoorbeeld bij mist) of als er veel stof in de lucht is en integratie in slimme apparaten voor reddingsacties en noodsituaties.
