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研究人员开发出分子来储存太阳能

瑞典林雪平大学的研究人员开发了一种分子,该分子吸收来自阳光的能量并将其存储在化学键中。该分子可能的长期使用是有效地捕获太阳能并将其存储起来以备后用。目前的结果已经发表在《美国化学学会杂志》(JACS)上。

地球从太阳接收的能量是人类无法使用的许多倍。该能量被太阳能设施吸收,但是太阳能的挑战之一是有效地存储它,以使得在太阳不发光时可利用该能量。这促使林雪平大学的科学家们研究了捕获和储存新分子中的太阳能的可能性。

“我们的分子可以采取两种不同的形式:一种可以从阳光中吸收能量的母体形式,以及一种替代形式,在这种替代形式中,母体形式的结构发生了变化,并且能量更加丰富,同时保持稳定。有可能将能量有效地存储在分子中的阳光中。”林雪平大学物理,化学和生物学系计算物理学教授,研究负责人Bo Durbeej说。

该分子属于称为“分子光开关”的组。它们总是以两种不同的形式(异构体)提供,它们的化学结构不同。两种形式具有不同的性质,就LiU研究人员开发的分子而言,这种差异在于能量含量。所有光电开关的化学结构均受光能影响。这意味着可以通过对光敏开关进行照明来更改其结构,从而改变其性能。光电开关的一种可能的应用领域是分子电子学,其中分子的两种形式具有不同的电导率。另一个领域是光药理学,其中一种形式的分子具有药理活性,可以与体内特定的靶蛋白结合,而另一种形式则无活性。

在研究中,通常先进行实验,然后再通过理论工作确认实验结果,但这种情况是相反的。Bo Durbeej及其小组从事理论化学工作,并进行化学反应的计算和模拟。这涉及高级计算机模拟,这些模拟在林雪平国家安全局国家超级计算机中心的超级计算机上执行。计算结果表明,研究人员开发的分子将发生所需的化学反应,并且将在200飞秒内快速发生。然后,他们在匈牙利自然科学研究中心的同事能够构建该分子,并进行实验以证实理论预测。

为了在分子中存储大量太阳能,研究人员试图使两种异构体之间的能量差尽可能大。它们分子的母体形式极其稳定,这种特性在有机化学中可以通过说分子是“芳香族”来表示。基本分子由三个环组成,每个环都是芳族的。但是,当它吸收光时,芳香性就会丧失,从而使分子变得更加富能量。LiU研究人员在发表于《美国化学学会杂志》上的研究中表明,在分子的芳族和非芳族状态之间切换的概念在分子光开关领域具有重大潜力。

“大多数化学反应始于分子具有高能量的状态,然后传递给低能量的分子。在这里,我们做相反的事情—低能量的分子变为具有高能量的分子。我们希望这很难,但我们已经表明,这样的反应有可能迅速有效地发生。” Bo Durbeej说。

现在,研究人员将研究如何以最佳方式从分子的能量丰富形式释放存储的能量。

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