Для хранения солнечной энергии исследователи разработали специальную молекулу

Исследователи из Университета Линчёпинга разработали по новой технологии молекулу, которая поглощает энергию солнечного света и сохраняет ее в химических связях. Возможное долгосрочное использование молекулы заключается в эффективном улавливании солнечной энергии и хранении её для дальнейшего использования.

Что натолкнуло ученых на создание новой молекулы

Земля получает от Солнца во много раз больше энергии, чем мы, люди, можем использовать. Эта энергия поглощается окружающими объектами, и одной из задач является её эффективное хранение, чтобы энергия была доступна, даже когда солнце не светит. Это привело ученых из Университета Линчёпинга к исследованию возможности захвата и хранения солнечной энергии в новой, созданной, молекуле.

«Наша молекула способна принимать две разные формы: родительскую форму, которая может поглощать энергию солнечного света, и альтернативную форму, в которой структура родительской формы была изменена и стала намного более энергоемкой, оставаясь при этом стабильной.

Это позволяет эффективно хранить энергию солнечного света в молекуле», - говорит Бо Дурбей, профессор вычислительной физики, химии и биологии Университета Линчёпинга и руководитель исследования. Молекула принадлежит к группе, известной как «молекулярные фотопереключатели».

Они всегда доступны в двух различных формах, изомерах, которые различаются по своей химической структуре. Эти две формы имеют разные свойства, и в случае молекулы, разработанной исследователями LiU, эта разница заключается в содержании энергии. На химические структуры всех фотопереключателей влияет энергия света.

Это означает, что структуру и, следовательно, свойства фотопереключателя можно изменить, осветив его. Одной из возможных областей применения фотопереключателей является молекулярная электроника, в которой две формы молекулы имеют разную электропроводность. Другая область - фотофармакология, в которой одна форма молекулы фармакологически активна и может связываться с определенным целевым белком в организме, а другая форма неактивна.

Как создавалась новая молекула

Обычно в исследованиях сначала проводятся эксперименты, а затем теоретическая работа подтверждает экспериментальные результаты, но в этом случае процедура была обратной. Бо Дурбидж и его группа работают в области теоретической химии и проводят расчеты и моделирование химических реакций.

Это включает в себя расширенное компьютерное моделирование, которое выполняется на суперкомпьютерах в Национальном центре NSC в Линчёпинге. Расчеты показали, что разработанная исследователями молекула подвергнется необходимой химической реакции, которая будет происходить очень быстро, в пределах 200 фемтосекунд.

Их коллеги из Исследовательского центра естественных наук в Венгрии смогли создать молекулу и провести эксперименты, которые подтвердили теоретические сведения. Чтобы сохранить в молекуле большое количество солнечной энергии, исследователи попытались сделать разницу в энергии между двумя изомерами как можно большей.

Исходная форма их молекулы чрезвычайно стабильна, и это свойство в органической химии обозначается как «ароматическая» молекула. Основная молекула состоит из трех колец, каждое из которых является ароматическим. Однако, когда он поглощает свет, ароматичность теряется, так что молекула становится намного более энергоемкой.

Исследователи LiU показывают в своем исследовании, опубликованном в Журнале Американского химического общества, что концепция переключения между ароматическим и неароматическим состояниями молекулы имеет большой потенциал в области молекулярных фотопереключателей.

«Большинство химических реакций начинается в состоянии, когда молекула заряжается, а затем постепенно отдает все, что накопила. Здесь мы поступаем наоборот - молекула с малым зарядом становится молекулой с высоким уровнем заряда. Мы ожидали, что это будет сложно, но мы показали, что такая реакция может происходить быстро и эффективно», - говорит Бо Дурбидж.

Теперь исследователи изучат, как накопленная энергия может быть высвобождена из богатой энергией формы молекулы наилучшим образом. Исследование получило финансовую поддержку от Фонда Олле Энгквиста, Шведского исследовательского совета, Венгерской академии наук и Национального управления исследований, развития и инноваций Венгрии.