Органическая молекула для поглощения и хранения солнечной энергии

Родительская молекула чрезвычайно устойчива, и это свойство в органической химии характерно для «ароматических» молекул. Она состоит из трех колец, каждое из которых обладает ароматической структурой. Однако, когда соединением поглощается свет, его ароматические свойства утрачиваются, и молекула становится намного более энергоемкой

Исследователи из Линчёпингского университета, Швеция, открыли молекулу, способную хранить в своих химических связях поглощенную энергию солнечного излучения. В будущем эту молекулу можно использовать для улавливания и хранения энергии в фотоэлектрических устройствах.

Земля получает от Солнца во много раз больше энергии, чем необходимо людям для личного использования. Эта энергия поглощается фотоэлектрическими системами, которые нуждаются в ее эффективном хранении, так как солнце светит не всегда.

«Открытая молекула может принимать две формы: родительскую, которая может поглощать энергию солнечного излучения, и альтернативную форму, в которой структура родительской молекулы изменяется и становится намного более энергоемкой, оставаясь при этом стабильной».

Молекула принадлежит к группе веществ, известных как «молекулярные фотопереключатели». Они могут находиться в двух различных формах - изомерах, различимых по своей химической структуре. Эти две формы обладают разными свойствами, а в случае рассматриваемой молекулы, эта разница заключается в количестве удерживаемой энергии.

На химические связи всех фотопереключателей влияет энергия света. Это означает, что внутреннюю структуру, а значит и свойства фотопереключателей можно изменять, подвергая их воздействию света.

Одной из возможных областей применения фотопереключателей является молекулярная электроника, в которой две формы одной молекулы имеют разную электропроводность. Другой областью является фотофармакология, в которой одна форма молекулы фармакологически активна и может связываться с конкретным целевым белком в организме, а другая форма - неактивна.

Обычно при проведении исследований, основываясь на результатах экспериментов, происходит работа над теоретическим обоснованием полученных экспериментальных результатов, однако в этом случае процесс происходил иначе. Вначале исследователи провели теоретические расчеты и осуществили моделирование химических реакций.

Расширенное компьютерное моделирование было выполнено на суперкомпьютерах в Национальном суперкомпьютерном центре NSC Линчёпинга. Расчеты показали, что в открытой исследователями молекуле необходимая химическая реакция будет происходить очень быстро, в пределах 200 фемтосекунд.

Их коллеги из Исследовательского центра естественных наук в Венгрии смогли произвести исследуемую молекулу и провести с ней эксперименты, подтвердив теоретическое изыскания.

Чтобы молекула могла хранить большое количество солнечной энергии, исследователи попытались сделать разницу в количестве удерживаемой энергии между двумя изомерами как можно более сильной.

Родительская молекула чрезвычайно устойчива, и это свойство в органической химии характерно для «ароматических» молекул. Она состоит из трех колец, каждое из которых обладает ароматической структурой. Однако, когда соединением поглощается свет, его ароматические свойства утрачиваются, и молекула становится намного более энергоемкой.

«Большинство химических реакций начинается тогда, когда молекула имеет высокоэнергетическое состояние, а затем переходит в низкоэнергетическое. Здесь используется другая схема - молекула с низкой энергией приобретает высокоэнергетическую форму».

Связанная статья журнала ACS: https://doi.org/10.1021/jacs.0c06327

Источник: Linköping University