Nu beleidsmakers zich bij het aanpakken van de wereldwijde klimaatverandering steeds meer tot de wetenschap wenden, een wetenschapper van de Michigan State University kijkt naar de natuur om de volgende generatie zonne-energietechnologie te ontwikkelen.

MSU Stichting Professor James McCusker, Afdeling Chemie, gelooft dat de toekomst van zonne-energie in overvloedige, schaalbare materialen die zijn ontworpen om de energieconversiesystemen in de natuur na te bootsen en te verbeteren.

In een baanbrekende nieuwe studie in Natuur , McCusker onthult een nieuw proces waarmee moleculen wetenschappers kunnen vertellen hoe ze moeten worden aangepast om zonne-energie beter te absorberen en om te zetten. De methode maakt gebruik van een moleculaire eigenschap die bekend staat als kwantumcoherentie, waarbij verschillende aspecten van een molecuul synchroon zijn, zoals wanneer de richtingaanwijzer van uw auto tegelijk knippert met die van de auto voor u. Wetenschappers denken dat kwantumcoherentie een rol kan spelen bij natuurlijke fotosynthese.

"Ons werk is de eerste keer dat iemand heeft geprobeerd om informatie die is verkregen uit kwantumcoherentie actief te gebruiken als een gids - een routekaart - om te suggereren wat de belangrijkste aspecten zijn van de structuur van een molecuul die bijdragen aan een bepaalde eigenschap, " zei McCusker. "We gebruiken geavanceerde wetenschap die de natuur de middelen biedt om ons te leren waar we ons op moeten concentreren in het laboratorium."

Zonlicht, hoewel overvloedig, is een energiebron met een lage dichtheid. Om zinvolle hoeveelheden energie te verzamelen, heb je grotere hoeveelheden ruimte nodig. Echter, de meest effectieve materialen die tegenwoordig worden gebruikt voor de omzetting van zonne-energie, zoals ruthenium, behoren tot de zeldzaamste metalen op aarde. Toekomstige zonnetechnologieën moeten kunnen opschalen met efficiëntere en goedkopere methoden van energieconversie.

"Als ik lezingen geef over energiewetenschap op niet-gegradueerde scholen of voor het grote publiek, Ik zeg half voor de grap dat er niet voor niets veel bladeren aan bomen zijn, "Zei McCusker. "Nou, er zijn niet voor niets veel bladeren:Lichtopname is een materiaalintensief probleem vanwege de (relatief) lage dichtheid van energie uit zonlicht. De natuur lost dit probleem op door veel bladeren te produceren."

Lichtabsorberende verbindingen in gebruikelijke synthetische methoden voor kunstmatige fotosynthese maken gebruik van geëxciteerde moleculaire toestanden die worden geproduceerd nadat een molecuul energie uit zonlicht heeft geabsorbeerd. De absorptie van lichtenergie bestaat lang genoeg om te worden gebruikt in chemische reacties die afhankelijk zijn van het vermogen om elektronen van de ene plaats naar de andere te verplaatsen. Een mogelijke oplossing is om meer algemeen beschikbare materialen te vinden die hetzelfde resultaat kunnen bereiken.

"Het probleem met het overschakelen (van zeldzame aardmetalen) naar iets aardsrijks zoals ijzer - waar het schaalbaarheidsprobleem verdwijnt - is dat de processen waarmee je het geabsorbeerde zonlicht kunt omzetten in chemische energie fundamenteel anders zijn in deze meer algemeen beschikbare materialen, " McCusker zei. De aangeslagen toestand die wordt geproduceerd door lichtenergie te absorberen in een op ijzer gebaseerde verbinding, bijvoorbeeld, vervalt te snel om het gebruik ervan op een vergelijkbare manier mogelijk te maken.

Voer kwantumcoherentie in als de gids. Door een molecuul te raken met een lichtflits die minder dan een tiende van een biljoenste van een seconde duurt, McCusker en zijn studenten konden de onderlinge verbinding tussen de aangeslagen toestand van het molecuul en zijn structuur observeren, waardoor ze konden visualiseren hoe de atomen van het molecuul bewogen tijdens de omzetting van zonne-energie naar chemische energie.

"Toen we eenmaal een beeld hadden van hoe dit proces plaatsvond, het team gebruikte die informatie om het molecuul synthetisch te modificeren op zo'n manier dat het de snelheid van het proces vertraagt, "Zei McCusker. "Dit is een belangrijk doel dat moet worden bereikt als dit soort chromoforen - een molecuul dat bepaalde golflengten van zichtbaar licht absorbeert en verantwoordelijk is voor de kleur van een materiaal - hun weg vinden naar zonne-energietechnologieën."

"Het onderzoek toont aan dat we dit coherentieverschijnsel kunnen gebruiken om ons te leren wat voor soort dingen we misschien moeten opnemen in de moleculaire structuur van een chromofoor die meer aarde-overvloedige materialen gebruikt om ons in staat te stellen de energie te gebruiken die in het molecuul is opgeslagen bij absorptie van licht voor een breed scala aan energieconversietoepassingen."

Voor McCusker, deze doorbraak zal hopelijk de ontwikkeling van nieuwe technologieën versnellen, "het elimineren van veel van het vallen en opstaan ​​​​dat in wetenschappelijke inspanningen komt kijken door ons direct uit de poort te vertellen wat voor soort systeem we moeten ontwerpen."

Wat nu? "Wat dacht je van een zonnecel op basis van verfschilfers en roest?" zei Mc Cusker. "We zijn er nog niet, maar het idee achter dit onderzoek is om kwantumcoherentie te gebruiken om informatie aan te boren die het molecuul al bezit en die informatie vervolgens te gebruiken om de spelregels te veranderen."

Het artikel, "Gebruikmaken van samenhang in aangeslagen toestand voor synthetische controle van ultrasnelle dynamiek" staat op de omslag van Natuur .