Naturen giver en køreplan til potentielle gennembrud inden for solenergiteknologi

Efterhånden som politiske beslutningstagere i stigende grad vender sig mod videnskab i forhold til globale klimaændringer, en videnskabsmand fra Michigan State University søger mod naturen for at udvikle den næste generation af solenergiteknologi.

MSU Foundation professor James McCusker, Institut for Kemi, mener, at fremtiden for solenergi er rigeligt, skalerbare materialer designet til at efterligne og forbedre de energiomdannelsessystemer, der findes i naturen.

I et banebrydende nyt studie i Natur , McCusker afslører en ny proces, der gør det muligt for molekyler at fortælle videnskabsmænd, hvordan de skal modificeres for bedre at absorbere og omdanne solenergi. Metoden bruger en molekylær egenskab kendt som kvantekohærens, hvor forskellige aspekter af et molekyle er synkrone, som når din bils blinklys blinker i samklang med bilens foran dig. Forskere mener, at kvantekohærens kan spille en rolle i naturlig fotosyntese.

"Vores arbejde er første gang nogen har forsøgt aktivt at bruge information hentet fra kvantekohærens som en guide - en køreplan - for at foreslå, hvad der er de vigtigste aspekter af et molekyles struktur, der bidrager til en given egenskab, " sagde McCusker. "Vi bruger sofistikeret videnskab, der giver naturen mulighed for at lære os, hvad vi skal fokusere på i laboratoriet."

Sollys, selvom der er rigeligt, er en energikilde med lav tæthed. For at indsamle meningsfulde mængder energi har du brug for større mængder plads. Imidlertid, de mest effektive materialer, der bruges i dag til konvertering af solenergi, såsom Ruthenium, er nogle af de sjældneste metaller på jorden. Fremtidens solteknologier skal kunne skaleres op med mere effektive og billigere metoder til energikonvertering.

"Når jeg holder foredrag om energividenskab på grundskoler eller for den brede offentlighed, Jeg siger halvt i spøg, at der er mange blade på træer af en grund, " sagde McCusker. "Nå, der er mange blade af en grund:Lysindfangning er et materialekrævende problem på grund af den (relativt) lave tæthed af energi fra sollys. Naturen løser dette problem ved at producere en masse blade."

Lysabsorberende forbindelser i almindelige syntetiske metoder til kunstig fotosyntese gør brug af exciterede molekylære tilstande produceret efter et molekyle absorberer energi fra sollys. Absorptionen af ​​lysenergi eksisterer længe nok til at blive brugt i kemiske reaktioner, der er afhængige af evnen til at flytte elektroner fra et sted til et andet. En mulig løsning er at finde mere almindeligt tilgængelige materialer, der kan opnå samme resultat.

"Problemet med at skifte (fra sjældne jordmetaller) til noget jordrigt som jern - hvor skalerbarhedsproblemet forsvinder - er, at de processer, der tillader dig at omdanne det absorberede sollys til kemisk energi, er fundamentalt forskellige i disse mere almindeligt tilgængelige materialer, " sagde McCusker. Den ophidsede tilstand frembragt ved at absorbere lysenergi i en jernbaseret forbindelse, for eksempel, henfalder for hurtigt til at muliggøre dens brug på en lignende måde.

Indtast kvantekohærens som guide. Ved at ramme et molekyle med et lysudbrud, der varer mindre end en tiendedel af en trilliontedel af et sekund, McCusker og hans elever kunne observere sammenhængen mellem molekylets exciterede tilstand og dets struktur, giver dem mulighed for at visualisere, hvordan molekylets atomer bevægede sig under omdannelsen af ​​solenergi til kemisk energi.

"Når vi havde et billede af, hvordan denne proces foregik, holdet brugte denne information til syntetisk at modificere molekylet på en sådan måde, at det bremsede processens hastighed, " sagde McCusker. "Dette er et vigtigt mål, der skal nås, hvis disse typer kromoforer - et molekyle, der absorberer særlige bølgelængder af synligt lys og er ansvarlige for et materiales farve - skal finde vej til solenergiteknologier."

"Forskningen viser, at vi kan bruge dette sammenhængsfænomen til at lære os, hvilke slags ting vi muligvis skal inkorporere i molekylstrukturen af ​​en kromofor, der bruger mere jordrige materialer for at gøre os i stand til at bruge den energi, der er lagret i molekylet ved absorption af lys til en bred vifte af energikonverteringsapplikationer."

For McCusker, dette gennembrud vil forhåbentlig fremskynde udviklingen af ​​nye teknologier, "Eliminerer en masse af de forsøg og fejl, der går i videnskabelige bestræbelser ved at fortælle os lige ud af porten, hvilken slags system vi skal designe."

Hvad er det næste? "Hvad med en solcelle baseret på malingsspåner og rust?" sagde McCusker. "Vi er der ikke endnu, men ideen bag denne forskning er at bruge kvantekohærens til at udnytte information, som molekylet allerede besidder, og derefter bruge den information til at ændre spillets regler."

Artiklen, "Udnyttelse af ophidset tilstandssammenhæng til syntetisk kontrol af ultrahurtig dynamik" vises på forsiden af Natur .