Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Linkoping της Σουηδίας, έχουν αναπτύξει ένα μόριο που απορροφά ενέργεια από το ηλιακό φως και την αποθηκεύει σε χημικούς δεσμούς. Μια πιθανή μακροχρόνια χρήση του μορίου είναι η αποτελεσματική δέσμευση της ηλιακής ενέργειας και η αποθήκευσή της για μελλοντική κατανάλωση. Τα τρέχοντα αποτελέσματα έχουν δημοσιευτεί στο περιοδικό της Αμερικανικής Χημικής Εταιρείας, JACS.
Η Γη δέχεται πολλές φορές περισσότερη ενέργεια από τον ήλιο από ό, τι εμείς οι άνθρωποι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε. Αυτή η ενέργεια απορροφάται από εγκαταστάσεις ηλιακής ενέργειας, αλλά μία από τις προκλήσεις της ηλιακής ενέργειας είναι να την αποθηκεύει αποτελεσματικά, έτσι ώστε η ενέργεια να είναι διαθέσιμη όταν ο ήλιος δεν λάμπει. Αυτό οδήγησε τους επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο Linkoping να διερευνήσουν τη δυνατότητα σύλληψης και αποθήκευσης της ηλιακής ενέργειας σε ένα νέο μόριο.
GG «Το μόριό μας μπορεί να έχει δύο διαφορετικές μορφές: μια γονική μορφή που μπορεί να απορροφήσει ενέργεια από το ηλιακό φως και μια εναλλακτική μορφή στην οποία η δομή της γονικής μορφής έχει αλλάξει και γίνεται πολύ πιο πλούσια σε ενέργεια, ενώ παραμένει σταθερή.
Αυτό καθιστά δυνατή την αποτελεσματική αποθήκευση της ενέργειας στο φως του ήλιου στο μόριο&», λέει ο Bo Durbeej, καθηγητής υπολογιστικής φυσικής στο Τμήμα Φυσικής, Χημείας και Βιολογίας στο Πανεπιστήμιο Linkoping και επικεφαλής της μελέτης.
Το μόριο ανήκει σε μια ομάδα γνωστή ως&«μοριακές φωτοδιακόπτες GG». Αυτά είναι πάντα διαθέσιμα σε δύο διαφορετικές μορφές, ισομερή, που διαφέρουν στις χημικές τους δομές. Οι δύο μορφές έχουν διαφορετικές ιδιότητες και στην περίπτωση του μορίου που αναπτύχθηκε από τους ερευνητές της LiU, αυτή η διαφορά είναι στο ενεργειακό περιεχόμενο. Οι χημικές δομές όλων των φωτογράφων επηρεάζονται από την ελαφριά ενέργεια.
Αυτό σημαίνει ότι η δομή, και επομένως οι ιδιότητες, ενός φωτοδιακόπτη μπορούν να αλλάξουν φωτίζοντάς την. Ένας πιθανός τομέας εφαρμογής για φωτοδιακόπτες είναι τα μοριακά ηλεκτρονικά, στα οποία οι δύο μορφές του μορίου έχουν διαφορετικές ηλεκτρικές αγωγιμότητα. Μια άλλη περιοχή είναι η φωτοφαρμακολογία, στην οποία μία μορφή του μορίου είναι φαρμακολογικά δραστική και μπορεί να δεσμευτεί με μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη στόχο στο σώμα, ενώ η άλλη μορφή είναι ανενεργή.
Είναι σύνηθες στην έρευνα ότι τα πειράματα γίνονται πρώτα και η θεωρητική εργασία επιβεβαιώνει στη συνέχεια τα πειραματικά αποτελέσματα, αλλά σε αυτήν την περίπτωση η διαδικασία αντιστράφηκε. Ο Bo Durbeej και η ομάδα του εργάζονται στη θεωρητική χημεία και διεξάγουν υπολογισμούς και προσομοιώσεις χημικών αντιδράσεων.
Αυτό περιλαμβάνει προηγμένες προσομοιώσεις υπολογιστών, οι οποίες εκτελούνται σε υπερυπολογιστές στο National Supercomputer Center, NSC, στο Linkoping. Οι υπολογισμοί έδειξαν ότι το μόριο που ανέπτυξαν οι ερευνητές θα υποστεί τη χημική αντίδραση που απαιτούν και ότι θα πραγματοποιηθεί εξαιρετικά γρήγορα, εντός 200 femtoseconds. Οι συνάδελφοί τους στο Κέντρο Ερευνών για τις Φυσικές Επιστήμες στην Ουγγαρία κατάφεραν τότε να δημιουργήσουν το μόριο και να πραγματοποιήσουν πειράματα που επιβεβαίωσαν τη θεωρητική πρόβλεψη.
Προκειμένου να αποθηκεύσουν μεγάλες ποσότητες ηλιακής ενέργειας στο μόριο, οι ερευνητές προσπάθησαν να κάνουν τη διαφορά ενέργειας μεταξύ των δύο ισομερών όσο το δυνατόν μεγαλύτερη. Η μητρική μορφή του μορίου τους είναι εξαιρετικά σταθερή, μια ιδιότητα που εντός της οργανικής χημείας δηλώνεται λέγοντας ότι το μόριο είναι&«αρωματικό GG».
Το βασικό μόριο αποτελείται από τρεις δακτυλίους, καθένας από τους οποίους είναι αρωματικός. Όταν απορροφά το φως, ωστόσο, η αρωματικότητα χάνεται, έτσι ώστε το μόριο να γίνεται πολύ πιο πλούσιο σε ενέργεια. Οι ερευνητές της LiU δείχνουν στη μελέτη τους, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό της Αμερικανικής Χημικής Εταιρείας, ότι η έννοια της εναλλαγής μεταξύ αρωματικών και μη αρωματικών καταστάσεων ενός μορίου έχει σημαντικές δυνατότητες στον τομέα των μοριακών φωτοδιακοπτών.
GG «Οι περισσότερες χημικές αντιδράσεις ξεκινούν σε μια κατάσταση όπου ένα μόριο έχει υψηλή ενέργεια και στη συνέχεια περνά σε ένα με χαμηλή ενέργεια. Εδώ, κάνουμε το αντίθετο - ένα μόριο που έχει χαμηλή ενέργεια γίνεται ένα με υψηλή ενέργεια. Θα περιμέναμε αυτό να είναι δύσκολο, αλλά έχουμε δείξει ότι είναι πιθανό μια τέτοια αντίδραση να πραγματοποιηθεί τόσο γρήγορα όσο και αποτελεσματικά&», λέει ο Bo Durbeej.
Οι ερευνητές θα εξετάσουν τώρα πώς μπορεί να απελευθερωθεί η αποθηκευμένη ενέργεια από την πλούσια σε ενέργεια μορφή του μορίου με τον καλύτερο τρόπο.
