Raziskovalci na Linkoping University, Švedska, so razvili molekulo, ki absorbira energijo iz sončne svetlobe in jo hrani v kemičnih vezi. Možna dolgoročna uporaba molekule je učinkovito zajemanje sončne energije in shranjevanje za poznejšo porabo. Trenutni rezultati so bili objavljeni v Journal of American Chemical Society, JACS.
Zemlja od sonca prejema veliko več energije, kot jo ljudje lahko uporabimo. To energijo absorbirajo naprave za sončno energijo, vendar je eden od izzivov sončne energije, da jo učinkovito shranimo, tako da je energija na voljo, ko sonce ne sije. To je privedlo znanstvenike na Univerzi Linkoping, da razišče možnost zajemanja in shranjevanja sončne energije v novi molekuli.
"Naša molekula ima lahko dve različni obliki: starševsko obliko, ki lahko absorbira energijo iz sončne svetlobe, in alternativno obliko, v kateri je bila struktura matične oblike spremenjena in postala veliko bolj energetsko bogata, medtem ko ostane stabilna.
To omogoča učinkovito shranjevanje energije v sončni svetlobi v molekuli," pravi Bo Durbeej, profesor računalniške fizike na Oddelku za fiziko, kemijo in biologijo na Univerzi Linkoping in vodja študije.
Molekula spada v skupino, znano kot "molekularna fotoklapena stikala". Ti so vedno na voljo v dveh različnih oblikah, izomeri, ki se razlikujejo v svojih kemijskih struktur. Obe obliki imate različne lastnosti, in v primeru molekule, ki so jih razvili raziskovalci LiU, ta razlika je v energijski vsebnosti. Na kemijske strukture vseh photoswitches vpliva svetlobna energija.
To pomeni, da se struktura in s tem lastnosti photoswitch lahko spremeni s svetlečo. Eno od možnih področjih uporabe za photoswitches je molekularna elektronika, v kateri dveh oblik molekule imajo različne električne prevodnosti. Drugo področje je fotofarmakologija, v kateri je ena oblika molekule farmakološko aktivna in se lahko veže na specifično ciljno beljakovino v telesu, druga oblika pa je neaktivna.
To je običajno v raziskavah, da se poskusi opravijo prvi in teoretično delo nato potrjuje eksperimentalne rezultate, vendar v tem primeru je bil postopek obrnjen. Bo Durbeej in njegova skupina dela v teoretični kemiji ter izvajata izračune in simulacije kemijskih reakcij.
To vključuje napredne računalniške simulacije, ki se izvajajo na superračunalnikih v Nacionalnem superračunalnišču NSC, v Linkopingu. Izračuni so pokazali, da bi molekula, ki so jo razvili raziskovalci, prestala kemijsko reakcijo, ki so jo potrebovali, in da bo potekala zelo hitro, v 200 femtosekundah. Njihovi kolegi v Raziskovalnem centru za naravoslovje na Madžarskem so nato lahko zgradili molekulo in izvajali poskuse, ki so potrdili teoretično napoved.
Da bi shranili velike količine sončne energije v molekuli, so raziskovalci poskušali narediti energijsko razliko med dvema izomeroma čim večje. Matična oblika njihove molekule je zelo stabilna, lastnost, ki je v organski kemiji označena z besedami, da je molekula "aromatična".
Osnovna molekula je sestavljena iz treh obročev, od katerih je vsak aromatičen. Ko absorbira svetlobo, pa je aromaticity izgubljena, tako da molekula postane veliko bolj energetsko bogata. Raziskovalci LiU kažejo v svoji študiji, objavljeni v Journal of American Chemical Society, da je koncept preklapljanje med aromatičnih in ne-aromatičnih stanj molekule ima velik potencial na področju molekularnih photoswitches.
"Večina kemijskih reakcij se začne v stanju, ko ima molekula visoko energijo in nato prehaja v eno z nizko energijo. Tukaj naredimo nasprotno - molekula, ki ima nizko energijo postane ena z visoko energijo. Pričakujemo, da bo to težko, vendar smo pokazali, da je mogoče, da se tak odziv bo zgodil tako hitro kot učinkovito," pravi Bo Durbeej.
Raziskovalci bodo zdaj preučili, kako se lahko shranjena energija sprosti iz energetsko bogate oblike molekule na najboljši način.
