Onderzoekers van de Universiteit van Linköping, Zweden, hebben een molecuul ontwikkeld dat energie uit zonlicht absorbeert en opslaat in chemische bindingen. Een mogelijk langdurig gebruik van het molecuul is om zonne-energie efficiënt op te vangen en op te slaan voor later gebruik. De huidige resultaten zijn gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society (JACS) .

De aarde ontvangt vele malen meer energie van de zon dan wij mensen kunnen gebruiken. Deze energie wordt geabsorbeerd door zonne-energie installaties, maar een van de uitdagingen van zonne-energie is om het efficiënt op te slaan, zodat de energie beschikbaar is als de zon niet schijnt. Dit bracht wetenschappers van de Universiteit van Linköping ertoe om de mogelijkheid te onderzoeken om zonne-energie op te vangen en op te slaan in een nieuw molecuul.

"Ons molecuul kan twee verschillende vormen aannemen:een oudervorm die energie uit zonlicht kan absorberen, en een alternatieve vorm waarin de structuur van de oudervorm is veranderd en veel energierijker is geworden, terwijl je stabiel blijft. Dit maakt het mogelijk om de energie in het zonlicht efficiënt op te slaan in het molecuul, " zegt Bo Durbeej, hoogleraar computationele fysica aan het departement Natuurkunde, Scheikunde en Biologie aan de Universiteit van Linköping, en leider van de studie.

Het molecuul behoort tot een groep die bekend staat als 'moleculaire fotoschakelaars'. Deze zijn altijd beschikbaar in twee verschillende vormen, isomeren, die verschillen in hun chemische structuur. De twee vormen hebben verschillende eigenschappen, en in het geval van het molecuul ontwikkeld door LiU-onderzoekers, dit verschil zit in de energie-inhoud. De chemische structuren van alle fotoschakelaars worden beïnvloed door lichtenergie. Dit betekent dat de structuur, en daarmee de eigenschappen, van een fotoschakelaar kan worden gewijzigd door deze te verlichten. Een mogelijk toepassingsgebied voor fotoschakelaars is moleculaire elektronica, waarin de twee vormen van het molecuul verschillende elektrische geleidbaarheid hebben. Een ander gebied is fotofarmacologie, waarbij één vorm van het molecuul farmacologisch actief is en kan binden aan een specifiek doeleiwit in het lichaam, terwijl de andere vorm inactief is.

Het is gebruikelijk in onderzoek dat eerst experimenten worden gedaan en theoretisch werk vervolgens de experimentele resultaten bevestigt, maar in dit geval werd de procedure omgekeerd. Bo Durbeej en zijn groepswerk in theoretische scheikunde, en voer berekeningen en simulaties uit van chemische reacties. Het gaat om geavanceerde computersimulaties, die worden uitgevoerd op supercomputers in het Nationaal Supercomputer Centrum, NSC, in Linköping. De berekeningen toonden aan dat het molecuul dat de onderzoekers hadden ontwikkeld de chemische reactie zou ondergaan die ze nodig hadden, en dat het extreem snel zou gaan, binnen 200 femtoseconden. Hun collega's van het Onderzoekscentrum voor Natuurwetenschappen in Hongarije waren toen in staat om het molecuul te bouwen, en voer experimenten uit die de theoretische voorspelling bevestigden.

Om grote hoeveelheden zonne-energie in het molecuul op te slaan, de onderzoekers hebben geprobeerd het energieverschil tussen de twee isomeren zo groot mogelijk te maken. De oudervorm van hun molecuul is extreem stabiel, een eigenschap die binnen de organische chemie wordt aangeduid door te zeggen dat het molecuul 'aromatisch' is. Het basismolecuul bestaat uit drie ringen, die elk aromatisch zijn. Als het licht absorbeert, echter, het aroma gaat verloren, zodat het molecuul veel energierijker wordt. De LiU-onderzoekers laten in hun onderzoek zien, gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society , dat het concept van het schakelen tussen aromatische en niet-aromatische toestanden van een molecuul een groot potentieel heeft op het gebied van moleculaire fotoschakelaars.

"De meeste chemische reacties beginnen in een toestand waarin een molecuul hoge energie heeft en vervolgens overgaat naar een met een lage energie. Hier, wij doen het tegenovergestelde:een molecuul met een lage energie wordt één met een hoge energie. We zouden verwachten dat dit moeilijk zal zijn, maar we hebben aangetoond dat een dergelijke reactie zowel snel als efficiënt kan plaatsvinden, " zegt Bo Durbeej.

De onderzoekers gaan nu onderzoeken hoe de opgeslagen energie het beste uit de energierijke vorm van het molecuul kan worden vrijgemaakt.