طوَّر الباحِثون جُزيء يمتص الطاقة من ضوء الشمس ويخزنها في روابط كيميائية. من الاستخدامات طويلةَ المدى للجزيء التقاط الطاقة الشمسية بكفاءة وتخزينها للاستهلاك لاحقًا.
نُشرت الدراسة التي أجراها باحثون في جامعة لينشوبينغ بالسويد في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية JACS. سيقوم الفريق الآن بدراسة كيفية إطلاق الطاقة المخزنة من الشكل الغني بالطاقة للجزيء بأفضل طريقة.
تستقبل الأرض طاقة من الشمس أكثر بكثير مما يمكن أن نستخدمهُ نحن البشر. يتم امتصاص هذه الطاقة من خلال مرافق الطاقة الشمسية، ولكن أحد تحديات الطاقة الشمسية هو تخزينها بكفاءة، بحيث تكون الطاقة متاحة عندما لا تكون الشمس مشرقة. أدى ذلك إلى قيام العلماء في جامعة لينشوبنج بالتحقيق في إمكانية التقاط وتخزين الطاقة الشمسية في جزيء جديد.
"يمكن للجزيء أن يتخذ شكلين مختلفين: الشكل الأصلي الذي يمكنه امتصاص الطاقة من ضوء الشمس، والشكل البديل الذي تغير فيه هيكل الشكل الأصلي وأصبح غنيًا بالطاقة، مع الحفاظ على استقراره. وهذا يجعله من الممكن تخزين الطاقة في ضوء الشمس في الجزيء بكفاءة." بو دوربيج، أستاذ الفيزياء الحاسوبية في قسم الفيزياء والكيمياء والبيولوجيا في جامعة لينشوبنج، ورئيس الدراسة.ينتمي الجزيء إلى مجموعة تعرف باسم "المحولات الضوئية الجزيئية". تتوفر دائمًا في شكلين مختلفين، أيزومرات، تختلف في تركيبتها الكيميائية. كلا الشكلين لهما خصائص مختلفة، وفي حالة الجزيء الذي طوره الباحثون، يكون هذا الاختلاف في محتوى الطاقة. تتأثر التركيبات الكيميائية لجميع المحولات الضوئية بالطاقة الضوئية. هذا يعني أنه يمكن تغيير هيكل المحول الضوئي، وبالتالي خصائصه، من خلال إلقاء الضوء عليه. أحد المجالات الممكنة لتطبيق المحولات الضوئية هو الإلكترونيات الجزيئية، حيث يكون لشكلي الجزيء موصلات كهربائية مختلفة. مجال آخر هو علم الأدوية الضوئية، حيث يكون أحد أشكال الجزيء نشطًا دوائيًا ويمكن أن يرتبط ببروتين مستهدف محدد في الجسم، بينما يكون الشكل الآخر غير نشط.
من الشائع في البحث أن يتم إجراء التجارب أولاً ثم يؤكد العمل النظري لاحقًا النتائج التجريبية، ولكن في هذه الحالة تم عكس الإجراء. يعمل بو دوربيج وفريقه في الكيمياء النظرية، ويقومون بإجراء الحسابات والمحاكاة للتفاعلات الكيميائية. يتضمن ذلك عمليات محاكاة حاسوبية متقدمة، يتم إجراؤها على أجهزة الكمبيوتر العملاقة في المركز الوطني للحواسيب الفائقة (NSC) في لينشوبينغ. أظهرت الحسابات أن الجزيء الذي طوره الباحثون سيخضع للتفاعل الكيميائي المطلوب وأنه سيحدث بسرعة كبيرة في غضون 200 فمتوثانية. تمكن زملاؤهم في مركز أبحاث العلوم الطبيعية في المجر بعد ذلك من بناء الجزيء وإجراء التجارب التي أكدت التنبؤ النظري.
من أجل تخزين كميات كبيرة من الطاقة الشمسية في الجزيء، حاول الباحثون جعل فرق الطاقة بين الأيزومرين كبيرًا قدر الإمكان. الشكل الأصلي لجزيئهم مستقر للغاية، وهي خاصية يشار إليها في الكيمياء العضوية بالقول أن الجزيء "عطري". يتكون الجزيء الأساسي من ثلاث حلقات، كل منها عطري.
وعندما يمتص الضوء، تفقد العطرية بحيث يصبح الجزيء أكثر ثراءً بالطاقة. أظهر الباحثون في دراستهم، التي نُشرت في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية، أن مفهوم التبديل بين الحالات العطرية وغير العطرية للجزيء له إمكانات كبيرة في مجال المحولات الضوئية الجزيئية.
"تبدأ معظم التفاعلات الكيميائية في حالة يكون فيها للجزيء طاقة عالية ثم ينتقل لاحقًا إلى آخر ذا طاقة منخفضة. وهنا، نقوم بالعكس - يصبح الجزيء الذي لديه طاقة منخفضة واحدًا ذا طاقة عالية. نتوقع أن يكون هذا هو صعب ، لكننا أظهرنا أنه من الممكن لمثل هذا التفاعل أن يحدث بسرعة وكفاءة." بو دوربيج