Recentemente, il gruppo di ricerca di Li Dabing e Sun Xiaojuan dell'Istituto di ottica, meccanica e fisica di Changchun, Accademia cinese delle scienze, e il gruppo di ricerca di Xu Ke del Laboratorio statale di virologia dell'Università di Wuhan hanno effettuato ingegneria dello stress, preparazione dei dispositivi e preparazione del dispositivo di LED ultravioletti profondi epitassiali a base di AlGaN su substrati modello AlN/zaffiro a forte stress di compressione, nonché la ricerca sull'efficienza igienizzante dei virus RNA respiratori umani. Sono stati preparati LED ultravioletti profondi a base di AlGaN con diverse lunghezze d'onda di picco di 256 nm, 265 nm e 278 nm, che hanno avuto un eccellente effetto disinfettante sui virus RNA respiratori umani.
Sfondo:
I virus a RNA respiratori umani, come la SARS-CoV-2 e l'influenza A (IAV), causano una significativa morbilità, mortalità, perdite economiche e malattie pandemiche in tutto il mondo. Pertanto, è necessario sviluppare metodi di disinfezione delle superfici e dell’ambiente più efficienti e ad ampio spettro per ridurre il rischio di trasmissione del virus RNA respiratorio umano.
La luce ultravioletta profonda è un modo efficace per inattivare i virus distruggendone i genomi. Le lampade al mercurio sono comunemente utilizzate per disinfettare i virus, ma presentano gli svantaggi di tossicità, fragilità, ingombro, durata di vita breve e generazione di ozono. Secondo la Convenzione di Minamata, la produzione, l’importazione e l’esportazione di prodotti contenenti mercurio sono vietate a partire dal 2020. C’è urgente bisogno di un prodotto igienizzante efficiente e rispettoso dell’ambiente. I LED UV profondi AlGaN possono essere regolati da 365 nm a 210 nm e rappresentano un'alternativa alla sterilizzazione con lampada al mercurio grazie al loro non inquinamento, alle dimensioni ridotte e al risparmio energetico, come mostrato nella Figura 1.
Gli studi hanno dimostrato che i LED ultravioletti profondi a base di AlGaN possono inattivare efficacemente batteri come Escherichia coli, Staphylococcus aureus e Candida albicans e diversi batteri hanno sensibilità diverse a diverse lunghezze d'onda. La lunghezza d'onda inferiore a 260 nm ha un buon effetto di inattivazione sui batteri. Tuttavia, la ricerca sull'effetto igienizzante dei LED a base di AlGaN su SAR-CoV-2 e IAV si concentra solitamente su 265~365 nm e ha una modalità di sorgente luminosa integrata e una bassa concentrazione di virus. L’inattivazione di SARS-CoV-2 e IAV da parte di LED UV profondi basati su AlGaN più portatili e con lunghezza d’onda più corta deve essere stimata con maggiore precisione.
I LED UV profondi basati su AlGaN sono tipicamente eteroepitassiali su modelli AlN/zaffiro. Negli ultimi due decenni, modelli AlN/zaffiro di alta qualità sono stati ottenuti attraverso una varietà di metodi, tra cui il metodo di ricottura ad alta temperatura è forse l'applicazione industriale più promettente grazie alla sua semplicità, efficienza e stabilità. Tuttavia, i modelli AlN/zaffiro ricotti a caldo ad alta temperatura solitamente presentano forti sollecitazioni di compressione, che possono influenzare in modo significativo la qualità dell'AlGaN superiore.
Da un lato, un forte stress compressivo può indurre il modello di crescita SK, risultando in una struttura ad isola tridimensionale che produce dislocazioni del filo ad alta densità e superfici ruvide. D'altra parte, un forte stress di compressione può causare un effetto di trazione, con conseguente composizione disomogenea e bassa efficienza di drogaggio. Inoltre, è probabile che forti sollecitazioni di compressione degradino il dispositivo durante il processo di produzione. Pertanto, il rilassamento della forte sollecitazione di compressione è necessario per i dispositivi epitassiali sul modello AlN/zaffiro a forte sollecitazione di compressione.
Punti salienti della ricerca:
In risposta ai problemi di cui sopra, il gruppo di ricerca composto da Li Dabing e Sun Xiaojuan dell'Istituto di ottica, meccanica e fisica di Changchun, Accademia cinese delle scienze, e il gruppo di ricerca di Xu Ke del Laboratorio statale di virologia dell'Università di Wuhan, hanno condotto uno studio sullo stress ingegneria, preparazione del dispositivo e preparazione del dispositivo di LED ultravioletti profondi epitassiali a base di AlGaN su substrati modello AlN/zaffiro a forte stress di compressione, nonché la ricerca sull'efficienza dei dispositivi nella sanificazione dei virus RNA respiratori umani.
Si è scoperto che inserendo una struttura a superreticolo tra il substrato di AlN/zaffiro con forte sollecitazione di compressione e lo strato epitassiale di AlGaN, la forte sollecitazione di compressione del substrato sullo strato epitassiale può essere efficacemente alleviata e la densità di dislocazione dello strato epitassiale di AlGaN è ridotto di oltre un ordine di grandezza rispetto al metodo epitassiale diretto e la superficie presenta un appiattimento a livello atomico, che può migliorare significativamente la qualità dell'interfaccia del LED epitassiale.
Sulla base di questo metodo, il gruppo di ricerca ha fabbricato LED ultravioletti profondi basati su AlGaN con diverse lunghezze d'onda di picco di 256 nm, 265 nm e 278 nm, corrispondenti a potenze ottiche di 6,8 mW, 9,6 mW e 12,5 mW a 100 mA.
Allo stesso tempo, il gruppo di ricerca ha studiato l'effetto disinfettante di diverse lunghezze d'onda sui virus RNA respiratori umani SARS-CoV-2, IAV e virus della parainfluenza umana (HPIV) alla stessa densità di potenza ottica (0. 8mW/cm2). I risultati hanno mostrato che i LED a tutte le lunghezze d'onda disinfettano il 100% di SARS-CoV-2 e IAV entro 60 secondi a una concentrazione di virus di 3,8×105 PFU/mL. Tra questi, i LED da 256 nm possono disinfettare il 100% di SARS-CoV-2 e IAV in 10 secondi, mostrando un'efficienza di sanificazione maggiore rispetto ai LED a lunghezza d'onda lunga.
Inoltre, a concentrazioni di virus più elevate e a diverse superfici di attacco dei virus, i LED da 256 nm hanno mostrato anche eccellenti effetti igienizzanti. Questi risultati aiuteranno i LED UV profondi a disinfettare i virus in un modo più portatile, rispettoso dell’ambiente, ad ampio spettro ed efficiente.
Fig.1 Lunghezza d'onda di lavoro e struttura del LED ultravioletto profondo a base di AlGaN e sua applicazione nel campo della sanificazione
Il lavoro si basa sul tema "Inattivazione rapida dei virus respiratori umani a RNA mediante irradiazione ultravioletta profonda da diodi emettitori di luce su un modello AlN/Sapphire ricotto ad alta temperatura". Questo titolo è stato pubblicato in Opto-Electronic Advances, numero 9, 2023 .
