Photon upconversion
فوٹون اپ کنورژن (یو سی) ایک ایسا عمل ہے جس میں دو یا زیادہ فوٹونوں کا ترتیب وار جذب محرک طول موج سے کم طول موج پر روشنی کے اخراج کا باعث بنتا ہے۔ یہ ایک اینٹی اسٹاک قسم کا اخراج ہے۔ ایک مثال اورکت روشنی کو مرئی روشنی میں تبدیل کرنا ہے۔ اپ کنورژن متعدد مختلف میکانزم کے ذریعے نامیاتی اور غیر نامیاتی دونوں مواد میں ہو سکتا ہے۔ نامیاتی مالیکیول جو ٹرپلٹ ٹرپلٹ اناہیلیشن کے ذریعے فوٹون اپ کنورژن حاصل کر سکتے ہیں وہ عام طور پر پولی سائیکلک ارومیٹک ہائیڈرو کاربن (پی اے ایچ) ہوتے ہیں۔ فوٹون اپ کنورژن کے قابل غیر نامیاتی مواد میں اکثر ڈی-بلاک یا ایف-بلاک عناصر کے آئن ہوتے ہیں۔ ان آئنوں کی مثالیں Ln3 +، Ti2 +، Ni2 +، Mo3 +، Re4 +، Os4 + وغیرہ ہیں۔ غیر نامیاتی مادوں میں فوٹون اپ کنورژن کے لیے تین بنیادی طریقہ کار ہیں اور نامیاتی مادوں میں کم از کم دو الگ الگ طریقہ کار ہیں۔ غیر نامیاتی مادوں میں فوٹون اپ کنورژن انرجی ٹرانسفر اپ کنورژن (ای ٹی یو)، ایکسائٹیڈ اسٹیٹ جذب (ای ایس اے) اور فوٹون ایولانچ (پی اے) کے ذریعے ہوتا ہے۔ اس طرح کے عمل کا مشاہدہ بہت مختلف سائز اور ڈھانچوں والے مواد میں کیا جا سکتا ہے، بشمول نظری ریشے، بلک کرسٹل یا نینو پارٹیکلز، جب تک کہ ان میں اوپر بیان کردہ کوئی بھی فعال آئن موجود ہو۔ نامیاتی مالیکیول حساس ٹرپلٹ ٹرپلٹ اناہیلیشن (ایس ٹی ٹی اے) اور انرجی پولنگ کے ذریعے فوٹون کو تبدیل کر سکتے ہیں۔ اپ کنورژن کو دو فوٹون جذب اور دوسری ہارمونک نسل سے ممتاز کیا جانا چاہیے۔ ان دونوں جسمانی عملوں کا نتیجہ فوٹون اپ کنورژن (محرک سے کم طول موج کے فوٹونوں کا اخراج) سے ملتا جلتا ہے لیکن اس کے پیچھے کا طریقہ کار مختلف ہے۔ ایک ابتدائی تجویز (ایک سالڈ اسٹیٹ آئی آر کوانٹم کاؤنٹر) 1959 میں نیکولاس بلومبرگن نے پیش کی تھی اور اس عمل کا مشاہدہ پہلی بار 1966 میں فرانکوئس اوزل نے کیا تھا۔ تھرمل اپ کنورژن میکانزم بھی ممکن ہے۔ یہ طریقہ کار اپ کنورٹر میں کم توانائی والے فوٹونوں کے جذب پر مبنی ہے، جو زیادہ توانائی والے فوٹونوں کو گرم کرتا ہے اور دوبارہ خارج کرتا ہے۔ اس عمل کو بہتر بنانے کے لیے، اپ کنورٹر کی نظری حالتوں کی کثافت کو تعدد اور کونیی طور پر انتخابی اخراج کی خصوصیات فراہم کرنے کے لیے احتیاط سے تیار کیا جا سکتا ہے۔ مثال کے طور پر، ایک پلانر تھرمل اپ کنورٹنگ پلیٹ فارم میں سامنے کی سطح ہو سکتی ہے جو ایک تنگ کونیی رینج کے اندر کم توانائی والے فوٹونوں کے واقعے کو جذب کرتی ہے، اور پیچھے کی سطح جو مؤثر طریقے سے صرف اعلی توانائی والے فوٹونوں کو خارج کرتی ہے۔ ان سطح کی خصوصیات کو فوٹونک کرسٹل کے ڈیزائن کے ذریعے محسوس کیا جا سکتا ہے، اور تھرموفوٹو وولٹیکس اور غیر فعال تابکاری کولنگ پر نظریات اور تجربات کا مظاہرہ کیا گیا ہے۔ بہترین معیار کے تحت، اپ کنورٹر متعارف کروا کر شمسی تابکاری سے بجلی میں توانائی کے تبادلے کی کارکردگی AM1.5D سپیکٹرم کا استعمال کرتے ہوئے 73 فیصد تک جا سکتی ہے اور سنگل جنکشن سیل کے لیے سورج کو بلیک باڈی کے ذریعہ کے طور پر 6,000 K پر 76 فیصد سمجھا جا سکتا ہے۔ سینسیٹائزڈ ٹرپلٹ ٹرپلٹ انیہیلیشن (ایس ٹی ٹی اے) پر مبنی فوٹون اپ کنورژن ایک دو سالماتی عمل ہے جو توانائی کی منتقلی کے متعدد مراحل کے ذریعے، دو کم فریکوئنسی والے فوٹونوں کو اعلی فریکوئنسی والے ایک فوٹون میں مؤثر طریقے سے جوڑتا ہے۔ ٹی ٹی اے نظام ایک جذب کرنے والی نوع، حساسیت، اور ایک اخراج کرنے والی نوع، ایمیٹر (یا انیہیلیٹر) پر مشتمل ہوتا ہے۔ اخراج عام طور پر بڑے سنگل-ٹرپلٹ توانائی کی تقسیم کے ساتھ پولی ایرومیٹک کروموفورس ہوتے ہیں، جیسے کہ اینتھراسین اور اس کے مشتقات۔ حساس ٹرپلٹ ٹرپلٹ کے خاتمے کا پہلا قدم حساسیت کے ذریعہ کم توانائی والے فوٹون کا جذب ہے۔ اس کے بعد سینسیٹائزر انٹر سسٹم کراسنگ (آئی ایس سی) کے بعد اپنی پہلی ٹرپلٹ پرجوش حالت (3 سین *) کو آباد کرتا ہے۔ حساسیت پر محرک توانائی پھر ڈیکسٹر ٹائپ ٹرپلٹ انرجی ٹرانسفر (ٹی ای ٹی) کے ذریعے گراؤنڈ اسٹیٹ ایمیٹر میں منتقل ہوتی ہے، جس سے ٹرپلٹ پرجوش ایمیٹر (3 ای ایم *) پیدا ہوتا ہے۔ دو ٹرپلٹ پرجوش اخراج کنندگان پھر توانائی کی منتقلی کے دوسرے عمل میں تعامل کرتے ہیں، جسے ٹرپلٹ ٹرپلٹ انیہیلیشن (ٹی ٹی اے) کہا جاتا ہے۔ ٹی ٹی اے پر ٹرپلٹ توانائیاں مربوط ہو جاتی ہیں جس سے ایک اخراج کنندہ اپنی پرجوش سنگل حالت (1 ای ایم *) میں اور دوسرا اخراج کنندہ اپنی زمینی حالت میں رہ جاتا ہے۔ سنگل کی پرجوش حالت سے اخراج کنندہ فوٹون کے اخراج کے ذریعے زمینی حالت میں واپس آتا ہے۔ اس طرح دو کم توانائی والے فوٹون زیادہ توانائی والے ایک فوٹون میں تبدیل ہو جاتے ہیں۔ یہ اصول فوٹون توانائی کو عارضی طور پر ذخیرہ کرنے کے لیے طویل عرصے تک رہنے والی تین گنا حالتوں پر انحصار کرتا ہے۔ چونکہ سالماتی آکسیجن مؤثر طریقے سے ٹرپلٹ حالتوں کو بجھاتا ہے اس لیے یہ ضروری ہے کہ نمونوں کو مؤثر طریقے سے کام کرنے کے لیے اچھی طرح سے ڈیگاس کیا جائے یا ان کیپسول کیا جائے۔ حساس ٹرپلٹ ٹرپلٹ اناہیلیشن کے ذریعے فوٹون اپ کنورژن میں کم جوش و خروش کی شدت پر بھی موثر ہونے کا فائدہ ہے جو اسے شمسی سیل کی استعداد کو بڑھانے کے لیے سورج کی روشنی کو تبدیل کرنے کے لیے ممکنہ طور پر مفید بناتا ہے۔ اپ کنورٹنگ نینو پارٹیکلز اگرچہ فوٹون اپ کنورژن کا سب سے پہلے بلک کرسٹل اور آپٹیکل فائبر میں مطالعہ کیا گیا تھا، لیکن یہ نینو میٹریلز کی ترقی کے ساتھ بہتر طور پر مشہور ہوا۔ یہ بہت سے طریقوں کی وجہ سے ہوا جس میں فوٹون اپ کنورژن خصوصیات کے ساتھ نینو اسٹرکچرز کا اطلاق کیا جا سکتا ہے۔ مواد کی اس نئی کلاس کو وسیع پیمانے پر اپ کنورٹنگ نینو پارٹیکلز یا یو سی این پیز کہا جا سکتا ہے۔ لینتھانائڈ ڈوپڈ نینو پارٹیکلز لینتھانائڈ ڈوپڈ نینو پارٹیکلز 1990 کی دہائی کے آخر میں نینو ٹیکنالوجی پر بڑھتی ہوئی توجہ کی وجہ سے ابھرے۔ اگرچہ ان کی نظری تبدیلیاں بنیادی طور پر بلک میٹریل سے ملتی جلتی ہیں، لیکن سطح کی ترمیم کے قابل نینو اسٹرکچر کے نتیجے میں بہتر یا نئی خصوصیات پیدا ہوتی ہیں۔ اس کے علاوہ، ذرات کے چھوٹے سائز حیاتیاتی ایپلی کیشنز کے لیے مالیکیولر فلوروفورز کے متبادل کے طور پر ان کے استعمال کی اجازت دیتے ہیں۔ ان کی منفرد نظری خصوصیات، جیسے کہ بڑی اسٹوکس شفٹ اور پلک جھپکنے کی کمی نے انہیں سنگل مالیکیول ٹریکنگ اور ڈیپ ٹشو امیجنگ سمیت چیلنجنگ کاموں میں روایتی لومینسینٹ تحقیقات کا مقابلہ کرنے کے قابل بنایا ہے۔ بائیو امیجنگ کے معاملے میں، جیسا کہ لینتھانائڈ ڈوپڈ نینو پارٹیکلز کو قریب اورکت روشنی سے پرجوش کیا جا سکتا ہے، وہ حیاتیاتی نمونوں کے آٹو فلوریسنس کو کم کر سکتے ہیں اور اس طرح تصویر کے برعکس کو بہتر بنا سکتے ہیں۔ لینتھانائڈ ڈوپڈ نینو پارٹیکلز ایک شفاف مواد کے نینو کرسٹل ہوتے ہیں (زیادہ تر فلورائڈز NaYF4، NaGdF4، LiYF4، YF3، CaF2 یا آکسائڈز جیسے Gd2O3) لینتھانائڈ آئنوں کے ساتھ ڈوپڈ ہوتے ہیں۔ فوٹون اپ کنورژن میں استعمال ہونے والے سب سے عام لینتھانائڈ آئن جوڑے ایربیئم-یٹربیئم (ایر 3 +، وائی بی 3 +) یا تھولیم-یٹربیئم (ٹی ایم 3 +، وائی بی 3 +) ہیں۔ اس طرح کے امتزاج میں یٹربیئم آئنوں کو اینٹینا کے طور پر شامل کیا جاتا ہے، تاکہ تقریبا 980 این ایم پر روشنی کو جذب کیا جا سکے اور اسے اپ کنورٹر آئن میں منتقل کیا جا سکے۔ اگر یہ آئن ایربیئم ہے، تو ایک خاص سبز اور سرخ اخراج کا مشاہدہ کیا جاتا ہے، جبکہ جب اپ کنورٹر آئن تھولیم ہوتا ہے، تو اخراج میں قریب بالائے بنفشی، نیلی اور سرخ روشنی شامل ہوتی ہے۔ ان نینو میٹریلز کے امید افزا پہلوؤں کے باوجود، ایک فوری کام جو مادے کے کیمسٹوں کا مقابلہ کرتا ہے وہ ٹیون ایبل اخراج کے ساتھ نینو پارٹیکلز کی ترکیب میں مضمر ہے، جو ملٹی پلیکسڈ امیجنگ اور سینسنگ میں استعمال کے لیے ضروری ہے۔ ایک دوبارہ پیدا کرنے کے قابل، اعلی پیداوار والے مصنوعی راستے کی ترقی جس سے نایاب ارتھ ہالائڈ نینو پارٹیکلز کی کنٹرول شدہ نشوونما کی اجازت ملتی ہے، نے بہت سے مختلف بائیو ایپلی کیشنز میں اپ کنورژن نینو پارٹیکلز کی ترقی اور تجارتی کاری کو قابل بنایا ہے۔ اس سمت میں حالیہ پیش رفت میں ساختی نینو کرسٹل کرسٹل کی ترکیب شامل ہے، جیسے کہ کور/شیل ڈھانچے والے ذرات، جو انٹرفیسیل انرجی ٹرانسفر (آئی ای ٹی) کے ذریعے اپ کنورژن کی اجازت دیتے ہیں۔ سیمی کنڈکٹر نینو پارٹیکلز سیمی کنڈکٹر نینو پارٹیکلز یا کوانٹم ڈاٹس کو اکثر دو فوٹون جذب میکانزم کے بعد محرک سے کم طول موج کی روشنی خارج کرنے کا مظاہرہ کیا گیا ہے، نہ کہ فوٹون اپ کنورژن۔ تاہم، حال ہی میں سیمی کنڈکٹر نینو پارٹیکلز، جیسے کہ سی ڈی ایس ای، پی بی ایس اور پی بی ایس ای کے استعمال کو مالیکیولر ایمیٹرز کے ساتھ مل کر سینسیٹائزر کے طور پر ٹرپلٹ ٹرپلٹ اینہیلیشن کے ذریعے فوٹون اپ کنورژن کے لیے ایک نئی حکمت عملی کے طور پر دکھایا گیا ہے۔ ان کا استعمال 980 این ایم اورکت روشنی کو 600 این ایم مرئی روشنی میں تبدیل کرنے کے لیے کیا گیا ہے ؛ سبز روشنی کو نیلی روشنی میں ؛ اور نیلی روشنی کو بالائے بنفشی میں تبدیل کرنے کے لیے۔ یہ تکنیک بہت زیادہ تبدیلی کی صلاحیت سے فائدہ اٹھاتی ہے۔ خاص طور پر، ان مواد کو سورج کی روشنی کے اورکت علاقے کو بجلی میں پکڑنے اور فوٹو وولٹک شمسی خلیوں کی کارکردگی کو بڑھانے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ ویو میں تفریق کینسر بائیو امیجنگ کے لیے اپ کنورژن نینو کیپسول ٹیومر کی خرابی کی ابتدائی تشخیص کینسر کے بروقت علاج کے لیے اہم ہے جس کا مقصد مطلوبہ طبی نتائج فراہم کرنا ہے۔ روایتی فلوروسینس پر مبنی امیجنگ کو بدقسمتی سے ٹشو کے کم دخول اور پس منظر آٹو فلوروسینس جیسے چیلنجوں کا سامنا کرنا پڑتا ہے۔ اپ کنورژن (یو سی) پر مبنی بائیو امیجنگ ان حدود پر قابو پا سکتی ہے کیونکہ ان کا جوش کم تعدد پر ہوتا ہے اور اخراج زیادہ تعدد پر ہوتا ہے۔ Kwon et al. ملٹی فنکشنل سلیکا پر مبنی نینو کیپسول تیار کیے گئے، جن کی ترکیب دو الگ الگ ٹرپلٹ ٹرپلٹ اناہیلیشن یو سی کروموفور جوڑوں کو شامل کرنے کے لیے کی گئی۔ ہر نینو کیپسول سرخ روشنی کے جوش و خروش کے بعد مختلف رنگوں، نیلے یا سبز رنگ کا اخراج کرتا ہے۔ ان نینو کیپسول کو بالترتیب چھاتی یا بڑی آنت کے کینسر کے خلیوں کو منتخب طور پر نشانہ بنانے کے لیے اینٹی باڈیز یا پیپٹائڈز کے ساتھ مزید جوڑ دیا گیا۔ ان وٹرو اور ان ویوو دونوں تجرباتی نتائج نے سنگل ویو لینتھ ایکسائٹیشن سے کینسر سے متعلق مخصوص اور تفریقی رنگ کی امیجنگ کا مظاہرہ کیا اور ساتھ ہی بہتر پارگمیتا اور برقرار رکھنے کے اثر کی وجہ سے ٹارگٹڈ ٹیومر سائٹس پر اس سے کہیں زیادہ جمع ہونے کا مظاہرہ کیا۔ یہ نقطہ نظر مختلف ٹیومر مخصوص، رنگین کوڈنگ کے منظرناموں کے لیے مختلف قسم کے کروموفور جوڑوں کی میزبانی کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے اور مختلف قسم کے ٹیومر مائیکرو انوائرمنٹ کے اندر کینسر کی اقسام کی وسیع رینج کی تشخیص کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ خود بخود پیرامیٹرک ڈاؤن کنورژن حوالہ جات لائٹ کوانٹم آپٹکس بھی دیکھیں۔