Forskarnas molekyl lagrar solenergi

LiU-forskare har utvecklat en molekyl som absorberar energi från solljus och lagrar energin i de kemiska bindningarna i molekylen. Tanken är att molekylen på sikt ska kunna användas till att effektivt fånga in och lagra solenergi för senare bruk.

Foto Thor Balkhed

Det kommer många gånger mer energi till jorden från solen än vad vi människor använder. Vi tar tillvara på denna energi med solenergianläggningar, men en av utmaningarna med solenergi är att kunna lagra den på ett effektivt sätt, så att energin finns tillgänglig även när solen inte skiner. Detta är anledningen till att forskare vid Linköpings universitet undersöker möjligheterna att fånga in och lagra solenergi i en ny molekyl. Foto Thor Balkhed

– Vår molekyl kan ha två olika former: en grundform som kan ta upp energi från solljus, och när den gör det ändrar molekylen struktur till en form som är mycket mer energirik men ändå stabil. På så sätt är det möjligt att lagra energin från solljuset i den här molekylen på ett effektivt sätt, säger Bo Durbeej, professor i beräkningsfysik vid Institutionen för fysik, kemi och biologi (IFM), som har lett studien som har publicerats i Journal of the American Chemical Society, JACS.

Molekylen tillhör en grupp som kallas molekylära fotoswitchar. Fotoswitchar finns alltid i två olika former, så kallade isomerer, som skiljer sig åt i den kemiska strukturen. De båda formerna har också olika egenskaper, exempelvis olika energitillstånd, som är fallet med LiU-forskarnas molekyl. Gemensamt för alla fotoswitchar är att deras kemiska struktur påverkas av energin i ljus. Genom att belysa fotoswitchen kan man därmed ändra dess struktur och egenskaper. Möjliga användningsområden för olika typer av fotoswitchar är exempelvis molekylär elektronik, där molekylens båda former har olika bra elektrisk ledningsförmåga. Ett annat område är fotofarmakologi, där den ena formen av molkylen är farmakologiskt aktiv och kan binda till ett specifikt målprotein i kroppen, medan den andra formen är inaktiv. Foto Thor Balkhed

Inom forskning är det vanligt att experimenten görs först och teorin därefter bekräftar experimenten, men i den aktuella studien var det tvärtom. Bo Durbeej och hans medarbetare forskar inom teoretisk kemi och gör beräkningar och simuleringar av hur kemiska reaktioner sker. Det rör sig om avancerade datorsimuleringar, som görs på superdatorerna vid Nationellt superdatorcentrum, NSC, i Linköping, där forskarna simulerar hur den kemiska reaktionen sker över tid. Genom beräkningar kom LiU-forskarna fram till att deras molekyl och den kemiska reaktionen borde fungera och ske väldigt snabbt, inom 200 femtosekunder. Därefter kunde deras forskarkollegor vid Research Centre for Natural Sciences i Ungern framställa molekylen och med olika experiment bekräfta att teorin fungerade i verkligheten.

För att kunna lagra mycket solenergi i molekylen har forskarna strävat efter att energiskillnaden mellan de båda isomererna ska vara så stor som möjligt. Den normala formen av deras molekyl är väldigt stabil, en egenskap som inom organisk kemi benämns som att molekylen är aromatisk. Grundmolekylen består av tre ringar, och varje ring är aromatisk. När den absorberar ljus försvinner dock aromaticiteten, så att molekylen blir mycket mer energirik. I studien visar LiU-forskarna att konceptet att växla mellan aromatiskt och icke-aromatiskt tillstånd i en molekyl har stor potential inom området molekylära fotoswitchar.

– I de flesta kemiska reaktioner går man från ett tillstånd där en molekyl har hög energi till ett tillstånd med låg energi. Här går vi tvärtom från att en molekyl har låg energi till att den har hög energi. Detta borde rimligen vara svårt, men vi har visat att det är möjligt att få en sådan reaktion att ske både snabbt och effektivt, säger Bo Durbeej.

Forskarna går nu vidare med att ta reda på hur den lagrade energin på bästa sätt kan frigöras från den energirika formen av molekylen.

Forskningen har finansierats med stöd av Olle Engkvists Stiftelse, Vetenskapsrådet, the Hungarian Academy of Sciences, och the National Research, Development and Innovation Office, Hungary, samt med anslag av beräkningstid vid Nationellt superdatorcentrum, NSC.

Artikeln: Photoinduced Changes in Aromaticity Facilitate Electrocyclization of Dithienylbenzene Switches”, Baswanth Oruganti, Péter Pál Kalapos, Varada Bhargav, Gábor London och Bo Durbeej, J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 32, 13941–13953, publicerad online 15 juli 2020, doi: 10.1021/jacs.0c06327

Reaktion i slow motion

Forskarnas datorsimulering visar den kemiska reaktionen i slow motion. Så här går det till när molekylen absorberar energi från solljus och ändrar kemisk struktur till den mer energirika formen. I verkligheten sker reaktionen extremt snabbt, inom 200 femtosekunder (en femtosekund är 0,000 000 000 000 001 sekunder). 

Kontakt
Visa/dölj innehåll

Mer forskning inom teoretisk kemi
Visa/dölj innehåll

Kemiforskning vid LiU
Visa/dölj innehåll

Senaste nytt från LiU
Visa/dölj innehåll