Forskare vid Linköpings universitet, Sverige, har utvecklat en molekyl som absorberar energi från solljus och lagrar den i kemiska bindningar. En möjlig långvarig användning av molekylen är att effektivt fånga upp solenergi och lagra den för senare konsumtion. De aktuella resultaten har publicerats i Journal of the American Chemical Society (JACS) .

Jorden får många gånger mer energi från solen än vad vi människor kan använda. Denna energi absorberas av solenergianläggningar, men en av utmaningarna med solenergi är att lagra den effektivt, så att energin finns tillgänglig när solen inte skiner. Det fick forskare vid Linköpings universitet att undersöka möjligheten att fånga och lagra solenergi i en ny molekyl.

"Vår molekyl kan anta två olika former:en moderform som kan absorbera energi från solljus, och en alternativ form där strukturen på föräldraformen har förändrats och blivit mycket mer energirik, samtidigt som den förblir stabil. Detta gör det möjligt att effektivt lagra energin i solljus i molekylen, säger Bo Durbeej, professor i beräkningsfysik vid institutionen för fysik, Kemi och biologi vid Linköpings universitet, och ledare för studien.

Molekylen tillhör en grupp som kallas "molekylära fotoomkopplare". Dessa finns alltid i två olika former, isomerer, som skiljer sig åt i sin kemiska struktur. De två formerna har olika egenskaper, och i fallet med molekylen utvecklad av LiU-forskare, denna skillnad är i energiinnehållet. De kemiska strukturerna hos alla fotoomkopplare påverkas av ljusenergi. Det betyder att strukturen, och därmed fastigheterna, för en fotoswitch kan ändras genom att lysa upp den. Ett möjligt användningsområde för fotoswitchar är molekylär elektronik, där de två formerna av molekylen har olika elektrisk ledningsförmåga. Ett annat område är fotofarmakologi, där en form av molekylen är farmakologiskt aktiv och kan binda till ett specifikt målprotein i kroppen, medan den andra formen är inaktiv.

Det är vanligt i forskning att experiment görs först och teoretiskt arbete bekräftar sedan experimentresultaten, men i detta fall var proceduren omvänd. Bo Durbeej och hans grupp arbetar med teoretisk kemi, och genomföra beräkningar och simuleringar av kemiska reaktioner. Detta innebär avancerade datorsimuleringar, som utförs på superdatorer vid National Supercomputer Centre, NSC, i Linköping. Beräkningarna visade att molekylen som forskarna hade utvecklat skulle genomgå den kemiska reaktion de krävde, och att det skulle ske extremt snabbt, inom 200 femtosekunder. Deras kollegor vid forskningscentret för naturvetenskap i Ungern kunde sedan bygga molekylen, och utföra experiment som bekräftade den teoretiska förutsägelsen.

För att lagra stora mängder solenergi i molekylen, forskarna har försökt göra energiskillnaden mellan de två isomererna så stor som möjligt. Moderformen för deras molekyl är extremt stabil, en egenskap som inom organisk kemi betecknas med att molekylen är "aromatisk". Grundmolekylen består av tre ringar, var och en är aromatisk. När den absorberar ljus, dock, aromaticiteten går förlorad, så att molekylen blir mycket mer energirik. LiU-forskarna visar i sin studie, publiceras i Journal of the American Chemical Society , att konceptet att växla mellan aromatiska och icke-aromatiska tillstånd hos en molekyl har en stor potential inom området molekylära fotoomkopplare.

"De flesta kemiska reaktioner startar i ett tillstånd där en molekyl har hög energi och sedan övergår till en med låg energi. Här, vi gör tvärtom – en molekyl som har låg energi blir en med hög energi. Vi förväntar oss att detta blir svårt, men vi har visat att det är möjligt för en sådan reaktion att ske både snabbt och effektivt, säger Bo Durbeej.

Forskarna ska nu undersöka hur den lagrade energin kan frigöras från den energirika formen av molekylen på bästa sätt.