Разработана молекула для хранения солнечной энергии

Исследователи из Линчёпингского университета в Швеции разработали молекулу, способную поглощать энергию солнечного света и хранить ее в химических связях. Возможное будущее применение этой молекулы заключается в эффективном улавливании и хранении солнечной энергии для дальнейшего использования. Текущие результаты исследования опубликованы в журнале Американского химического общества (Journal of the American Chemical Society, JACS).

Земля получает от Солнца намного больше энергии, чем человечество способно потребить. Энергия поглощается солнечными электростанциями, но одной из проблем является эффективное хранение накопленной энергии, чтобы обеспечить доступность этой энергии в темное время суток. Эта проблема сподвигла ученых Линчёпингского университета исследовать возможность поглощения и хранения энергии в новой молекуле.

«Наша молекула может принять две разные формы: основная форма, которая способна поглощать солнечную энергию, и альтернативная форма, в которой структура основной формы изменяется и обогащается энергией, оставаясь при этом стабильной. Это дает возможность эффективно хранить энергию солнечного света в молекуле», — заявляет Бо Дурбей, профессор вычислительной физики департамента физики, химии и биологии в Линчёпингском университете, руководитель исследования.

Эта молекула относится к группе так называемых «молекулярных фотопереключателей». Они всегда существуют в двух разных формах, изомерах, различающихся химическим строением. Две формы имеют разные свойства, и в случае молекулы, разработанной исследователями Линчёпингского университета, разница в свойствах – это содержание энергии. Химическая структура всех фотопереключателей может изменяться под действием световой энергии. Это означает, что структура, а, значит, и свойства фотопереключателей могут изменяться под действием света. Одна из возможных областей применения фотопереключателей – молекулярная электроника, в которой две формы молекулы имеют разную электропроводимость. Другой возможной сферой применения является фотофармакология, в которой одна форма молекулы фармакологически активна и может привязаться к специальному целевому белку в теле, а другая форма неактивна.

Исследования обычно проводятся в следующем порядке: сначала совершается эксперимент, а последующая теоретическая работа подтверждает результаты эксперимента, но в этом случае порядок оказался обратным. Бо Дурбей и его группа работают в теоретической химии, занимаясь расчетами и симуляциями химических реакций. Подобные исследования включают сложные компьютерные симуляции, выполняемые на суперкомпьютерах Национального центра суперкомпьютеров (National Supercomputer Centre, NSC) в Линчёпинге. Расчеты показали, что молекула, разработанная исследователями, вступит в требуемую химическую реакцию, и что эта реакция будет протекать экстремально быстро, в течение 200 фемтосекунд. Их коллеги в Исследовательском центре естественных наук в Венгрии затем смогли синтезировать молекулу и провести эксперименты, подтвердившие теоретические предположения.

Для того, чтобы хранить большие объемы солнечной энергии в молекуле, исследователи попробовали сделать разницу в энергетических уровнях максимально высокой. Основная форма их молекулы чрезвычайно стабильна, свойство, которое в органической химии обозначается формулировкой «ароматическая молекула». Базовая молекула состоит из трех колец, каждое из которых является ароматическим. Когда она поглощает свет, ароматичность теряется, а молекула становится энергетически обогащенной. Исследователи Линчёпингского университета показывают в своей работе, опубликованной в журнале Американского химического общества, что идея «переключения» между ароматическим и неароматическим состояниями молекулы обладает высоким потенциалом в области молекулярных фотопереключателей.

«Большинство химических реакций начинаются при условии того, что у молекулы много энергии, и эта молекула впоследствии превращается в другую, с более низким уровнем энергии. Здесь мы делаем прямо противоположное – молекула с низким уровнем энергии становится молекулой с высоким уровнем энергии. Мы предполагали, что это будет сложно, но мы показали, что такая реакция может протекать быстро и эффективно», — говорит Бо Дурбей.

Исследователи теперь занимаются вопросом того, как накопленная энергия может быть извлечена из высокоэнергетической форму молекулы наиболее эффективным способом.

ООО "Авентин"

ИНН 7801396710, КПП 770501001,
ОКПО 79703710, ОГРН 1057813267258
Адрес: 115093, Москва, ул. Люсиновская, д. 36, стр. 1
Телефон: +7 (499) 705-14-84, E-Mail: info@aventine.ru