อนุภาคนาโนประกอบตัวเองเพื่อเก็บเกี่ยวพลังงานแสงอาทิตย์

โลกได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์มากกว่าที่มนุษย์เราจะใช้ได้หลายเท่า พลังงานนี้ถูกดูดซับโดยสิ่งอำนวยความสะดวกด้านพลังงานแสงอาทิตย์ แต่หนึ่งในความท้าทายของพลังงานแสงอาทิตย์คือการจัดเก็บอย่างมีประสิทธิภาพ เช่น พลังงานจะพร้อมใช้งานเมื่อดวงอาทิตย์ไม่ส่องแสง สิ่งนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยลินเชอปิงตรวจสอบความเป็นไปได้ในการจับและกักเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ไว้ในโมเลกุลใหม่ "โมเลกุลของเราสามารถอยู่ในรูปแบบที่แตกต่างกันได้สองรูปแบบ: รูปแบบต้นกำเนิดที่สามารถดูดซับพลังงานจากแสงอาทิตย์ และรูปแบบทางเลือกซึ่งโครงสร้างของรูปแบบต้นกำเนิดมีการเปลี่ยนแปลงและมีพลังงานมากขึ้นในขณะที่ยังคงความเสถียร สิ่งนี้ทำให้มัน เป็นไปได้ที่จะกักเก็บพลังงานในแสงแดดไว้ในโมเลกุลได้อย่างมีประสิทธิภาพ" Bo Durbeej ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์การคำนวณในภาควิชาฟิสิกส์ เคมี และชีววิทยาแห่งมหาวิทยาลัยลินเชอปิงและผู้นำของการศึกษากล่าว โมเลกุลอยู่ในกลุ่มที่เรียกว่า "โฟโตสวิตช์ระดับโมเลกุล" ไอโซเมอร์เหล่านี้มีอยู่สองรูปแบบที่แตกต่างกันซึ่งมีโครงสร้างทางเคมีต่างกัน ทั้งสองรูปแบบมีคุณสมบัติต่างกัน และในกรณีของโมเลกุลที่นักวิจัยของ LiU พัฒนาขึ้น ความแตกต่างนี้อยู่ที่ปริมาณพลังงาน โครงสร้างทางเคมีของโฟโต้สวิตช์ทั้งหมดได้รับอิทธิพลจากพลังงานแสง ซึ่งหมายความว่าโครงสร้างและคุณสมบัติของโฟโต้สวิตช์สามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการให้แสงสว่าง ขอบเขตการใช้งานที่เป็นไปได้อย่างหนึ่งสำหรับโฟโตสวิตช์คืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ระดับโมเลกุล พลังงานแสงอาทิตย์ ซึ่งโมเลกุลทั้งสองรูปแบบมีการนำไฟฟ้าต่างกัน อีกด้านหนึ่งคือโฟโตเภสัชวิทยา ซึ่งรูปแบบหนึ่งของโมเลกุลมีฤทธิ์ทางเภสัชวิทยาและสามารถจับกับโปรตีนเป้าหมายที่เฉพาะเจาะจงในร่างกายได้ ในขณะที่อีกรูปแบบหนึ่งไม่ได้ใช้งาน เป็นเรื่องปกติในการวิจัยที่การทดลองจะเสร็จสิ้นก่อนและงานทางทฤษฎีจะยืนยันผลการทดลองในภายหลัง แต่ในกรณีนี้ขั้นตอนจะกลับกัน Bo Durbeej และกลุ่มของเขาทำงานในวิชาเคมีเชิงทฤษฎี และดำเนินการคำนวณและจำลองปฏิกิริยาเคมี สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ขั้นสูง ซึ่งดำเนินการบนซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ National Supercomputer Centre, NSC ในเมืองลินเชอปิง การคำนวณแสดงให้เห็นว่าโมเลกุลที่นักวิจัยพัฒนาขึ้นจะต้องผ่านปฏิกิริยาเคมีที่พวกเขาต้องการ และจะเกิดขึ้นเร็วมากภายใน 200 เฟมโตวินาที เพื่อนร่วมงานของพวกเขาที่ศูนย์วิจัยวิทยาศาสตร์ธรรมชาติในฮังการีสามารถสร้างโมเลกุลและทำการทดลองที่ยืนยันการทำนายทางทฤษฎีได้ เพื่อกักเก็บพลังงานแสงอาทิตย์จำนวนมากไว้ในโมเลกุล นักวิจัยได้พยายามสร้างความแตกต่างของพลังงานระหว่างไอโซเมอร์ทั้งสองให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ รูปแบบต้นกำเนิดของโมเลกุลมีความเสถียรอย่างยิ่ง ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่ภายในเคมีอินทรีย์แสดงโดยบอกว่าโมเลกุลนั้น "มีกลิ่นหอม" โมเลกุลพื้นฐานประกอบด้วยวงแหวนสามวงซึ่งแต่ละวงมีกลิ่นหอม อย่างไรก็ตาม เมื่อดูดซับแสง ความหอมจะสูญเสียไป ทำให้โมเลกุลมีพลังงานมากขึ้น นักวิจัยของ LiU แสดงในการศึกษาของพวกเขาซึ่งตีพิมพ์ในวารสารสมาคมเคมีอเมริกันว่าแนวคิดของการสลับระหว่างสถานะอะโรมาติกและไม่ใช่อะโรมาติกของโมเลกุลมีศักยภาพที่สำคัญในด้านของโฟโตสวิตช์ระดับโมเลกุล "ปฏิกิริยาเคมีส่วนใหญ่เริ่มต้นในสภาวะที่โมเลกุลมีพลังงานสูงและต่อมาผ่านไปยังโมเลกุลที่มีพลังงานต่ำ เราทำตรงกันข้าม โมเลกุลที่มีพลังงานต่ำจะกลายเป็นโมเลกุลที่มีพลังงานสูง เราคาดว่าสิ่งนี้จะเกิดขึ้น ยาก แต่เราได้แสดงให้เห็นว่าเป็นไปได้ที่ปฏิกิริยาดังกล่าวจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ" Bo Durbeej กล่าว ตอนนี้นักวิจัยจะตรวจสอบว่าพลังงานที่เก็บไว้สามารถถูกปลดปล่อยออกมาจากรูปแบบที่อุดมด้วยพลังงานของโมเลกุลด้วยวิธีที่ดีที่สุดได้อย่างไร