ساخت مولکول جدیدی برای ذخیره انرژی خورشیدی در پیوندهای شیمیایی
زمین نسبت‌به چیزی که ما انسان‌ها می‌توانیم از آن استفاده کنیم، انرژی بسیار بیشتری از خورشید دریافت می‌کند. این انرژی به‌وسیله‌ی تاسیسات انرژی خورشیدی جذب می‌شوند؛ اما یکی از چالش‌های انرژی خورشیدی، ذخیره‌ی کردن کارآمد آن است به‌طوری که بتوان از انرژی ذخیره‌شده در مواقعی که خورشید نمی‌تابد، استفاده کرد. این مسئله، دانشمندان دانشگاه لینشوپینگ سوئد را برآن داشت تا امکان گرفتن و ذخیره‌ی انرژی خورشیدی را در مولکولی جدید مورد بررسی قرار دهند. بو دوربیج، استاد فیزیک محاسباتی گروه فیزیک، شیمی و زیست‌شناسی دانشگاه لینشوپینگ و سرپرست مطالعه می‌گوید: «مولکول ما می‌تواند دو شکل مختلف به خود بگیرد: یک شکل والدی (اصلی) که می‌تواند انرژی حاصل از خورشید را جذب کند و شکل دیگری که در آن ساختار والدی تغییر کرده و در حین پایداری، بسیار پرانرژی‌تر می‌شود. این امر ذخیره‌کردن کارآمد انرژی موجود در نور خورشید را در یک مولکول مقدور می‌سازد.»
مولکول مذکور به گروهی از دستگاه‌های مولکولی تعلق دارد که کلیدهای نوری مولکولی نامیده می‌شوند. این مولکول‌ها همیشه به دو فرم مختلف یا ایزومر وجود دارند که ازنظر ساختار شیمیایی با هم متفاوت هستند. این دو فرم خصوصیات متفاوتی دارند و درمورد مولکولی که به‌وسیله‌ی پژوهشگران دانشگاه لینشوپینگ توسعه داده شده است، تفاوت در محتوای انرژی آن‌ها است.
ساختارهای شیمیایی تمام کلیدهای نوری تحت‌تأثیر انرژی نور قرار می‌گیرد. این بدان معنا است که ساختار و بنابراین ویژگی‌های کلید نوری را می‌توان با تاباندن نور بر آن تغییر داد. یکی از زمینه‌های ممکن برای کاربرد کلیدهای نوری در الکترونیک مولکولی است که در آن دو فرم مولکول رسانایی الکتریکی مختلفی دارند. زمینه‌ی دیگر در فوتوفارماکولوژی است که در آن یک فرم از مولکول ازنظر دارویی فعال است و می‌تواند به پروتئین هدف خاصی در بدن متصل شود درحالی‌که شکل دیگر آن غیرفعال است.
در پژوهش‌ها معمول است که ابتدا آزمایش‌ها انجام شود و سپس مطالعات تئوریکی نتایج آزمایشی را تأیید کنند اما در پژوهش جدید، این رویه معکوس شد. بو دوربیج و گروهش در زمینه‌ی شیمی تئوری کار می‌کنند و محاسبات و شبیه‌سازی‌های واکنش‌های شیمیایی را انجام می‌دهند. این کار شامل شبیه‌سازی‌های کامپیوتری پیشرفته است که با استفاده از سوپرکامپیوترها انجام می‌شود.
محاسبات نشان داد مولکولی که پژوهشگران آن را توسعه داده‌اند، تحت واکنش موردنظر قرار می‌گیرد و سرعت واکنش بسیار زیاد بوده و طی ۲۰۰ فمتوثانیه رخ می‌دهد (یک فمتوثانیه برابر یک میلیون میلیاردم ثانیه است). سپس پژوهشگرانی از مرکز پژوهشی علوم طبیعی در مجارستان توانستند مولکول را بسازند و آزمایش‌هایی را انجام دهند که پیش‌بینی تئوریکی را تأیید کرد.
پژوهشگران به‌منظور ذخیره‌ی مقادیر زیادی انرژی خورشیدی در مولکول تلاش کرده‌اند تا اختلاف انرژی میان دو ایزومر را به حداکثر برسانند. شکل والدی مولکول بسیار پایدار است. در شیمی آلی برای توصیف این خاصیت گفته می‌شود مولکول آروماتیک است. مولکول اولیه از سه حلقه تشکیل شده است که هرکدام از آن‌ها آروماتیک هستند. اگرچه با جذب نور، خاصیت آروماتیکی از دست می‌رود؛ به‌طوری که مولکول بسیار پر انرژی‌تر می‌شود.
پژوهشگران در مطالعه‌ی خود که در مجله‌ی Journal of the American Chemical Society منتشر شد، نشان می‌دهند که مفهوم جابه‌جایی میان حالت‌های آروماتیک و غیرآروماتیک مولکول‌ها دارای پتانسیل بزرگی در زمینه‌ی کلیدهای نوری مولکولی است. بو دوربیج می‌گوید: «بیشتر واکنش‌های شیمیایی در شرایطی شروع می‌شوند که در آن‌ها یک مولکول انرژی بالایی دارد و سپس به مولکولی با انرژی پایین‌تر تبدیل می‌شود. ما در اینجا برعکس عمل می‌کنیم. مولکولی که دارای انرژی پایینی است به مولکولی با انرژی بالا مبدل می‌شود. انتظار داشتیم که این کار دشوار باشد، اما نشان داده‌ایم که انجام سریع و کارآمد چنین واکنشی ممکن است.»
پژوهشگران در ادامه به بررسی این موضوع می‌پردازند که چگونه انرژی ذخیره‌شده می‌تواند به بهترین نحو از شکل پرانرژی مولکول آزاد شود.
نظرات