Исследователи из Университета Линчёпинга разработали молекулу, которая поглощает энергию солнечного света и сохраняет ее в химических связях. Возможное долгосрочное использование молекулы заключается в эффективном улавливании солнечной энергии и хранении ее для дальнейшего использования.
Земля получает от Солнца во много раз больше энергии, чем мы, люди, можем использовать. Эта энергия поглощается объектами солнечной энергии, но одна из задач солнечной энергии заключается в ее эффективном хранении, чтобы энергия была доступна, когда солнце не светит. Это привело ученых из Университета Линчёпинга к исследованию возможности захвата и хранения солнечной энергии в новой молекуле.
Бо Дурбей и его группа используют передовое компьютерное моделирование химических реакций, которое проводится в Национальном суперкомпьютерном центре NSC в Линчёпинге. Предоставлено: Тор Балхед.
«Наша молекула может 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 факультета физики, химии и биологии Университета Линчёпинга и руководитель исследования.
Бо дурбидж. Предоставлено: Тор Балхед.
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.
Исследования в области теоретической химии включают расширенное моделирование на суперкомпьютерах. Предоставлено: Тор Балхед.
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 суперкомпьютерном центре NSC в Линчёпинге. Расчеты показали, что разработанная исследователями молекула претерпит необходимую химическую реакцию, и что она будет происходить очень быстро, в пределах 200 фемтосекунд. Их коллеги из Исследовательского центра естественных наук в Венгрии смогли построить молекулу и провести эксперименты, которые подтвердили теоретическое предсказание.
Бо дурбидж. Предоставлено: Тор Балхед.
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 устойчива, и это свойство в органической химии обозначается словами, что молекула является «ароматической». 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 Журнал 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 имеет высокую энергию, а затем переходит в молекулу с низкой энергией. Здесь мы поступаем наоборот – молекула с низкой энергией становится молекулой с высокой энергией. Мы ожидали, что это будет сложно, но мы показали, что такая реакция может происходить как быстро, так и эффективно », – говорит Бо Дурбидж.
Теперь исследователи изучат, как накопленная энергия может быть высвобождена из богатой энергией формы молекулы наилучшим образом.
Ссылка: «Фотоиндуцированные изменения ароматичности способствуют электроциклизации дитиенилбензольных переключателей» Басвант Оруганти, Петер Пал Калапос, Варада Бхаргав, Габор Лондон и Бо Дурбедж, 15 июля 2020 г., Журнал Американского химического общества.
DOI: 10.1021 / jacs.0c06327
Исследование получило финансовую поддержку от Фонда Олле Энгквиста, Шведского исследовательского совета, Венгерской академии наук и Национального управления исследований, развития и инноваций Венгрии. Национальный суперкомпьютерный центр НСК щедро предоставил вычислительное время.
Написано Карин Сёдерлунд Лейфлер и переведено на английский Джорджем Фарранцем.
