I takt med att beslutsfattare i allt högre grad vänder sig till vetenskap för att hantera globala klimatförändringar, en forskare från Michigan State University ser till naturen för att utveckla nästa generations solenergiteknik.

MSU Foundation professor James McCusker, Institutionen för kemi, anser att framtiden för solenergi finns i överflöd, skalbara material utformade för att efterlikna och förbättra de energiomvandlingssystem som finns i naturen.

I en banbrytande ny studie i Natur , McCusker avslöjar en ny process som gör det möjligt för molekyler att berätta för forskare hur de bör modifieras för att bättre absorbera och omvandla solenergi. Metoden använder en molekylär egenskap som kallas kvantkoherens där olika aspekter av en molekyl är synkrona, som när din bils blinkers blinkar i samklang med bilens framför dig. Forskare tror att kvantkoherens kan spela en roll i naturlig fotosyntes.

"Vårt arbete är första gången någon har försökt aktivt använda information hämtad från kvantkoherens som en guide - en färdplan - för att föreslå vilka som är de viktigaste aspekterna av en molekyls struktur som bidrar till en given egenskap, "Sade McCusker. "Vi använder sofistikerad vetenskap som ger naturen möjlighet att lära oss vad vi behöver fokusera på i labbet."

Solljus, även om det är rikligt, är en energikälla med låg densitet. För att samla in meningsfulla mängder energi behöver du större mängder utrymme. Dock, de mest effektiva materialen som används idag för solenergiomvandling, som Ruthenium, är några av de mest sällsynta metallerna på jorden. Framtida solteknik måste kunna skalas upp med effektivare och billigare metoder för energiomvandling.

"När jag håller föredrag om energivetenskap på grundskolor eller för allmänheten, Jag säger halvt på skämt att det finns många löv på träd av en anledning, " sa McCusker. "Tja, det finns många löv av en anledning:Ljusfångning är ett materialintensivt problem på grund av den (relativt) låga densiteten av energi från solljus. Naturen löser detta problem genom att producera mycket löv."

Ljusabsorberande föreningar i vanliga syntetiska metoder för artificiell fotosyntes använder sig av exciterade molekylära tillstånd som produceras efter att en molekyl absorberar energi från solljus. Absorptionen av ljusenergi existerar tillräckligt länge för att användas i kemiska reaktioner som är beroende av förmågan att flytta elektroner från en plats till en annan. En möjlig lösning är att hitta mer allmänt tillgängliga material som kan uppnå samma resultat.

"Problemet med att byta (från sällsynta jordartsmetaller) till något som innehåller mycket jord som järn - där skalbarhetsproblemet försvinner - är att de processer som gör att du kan omvandla det absorberade solljuset till kemisk energi är fundamentalt olika i dessa mer allmänt tillgängliga material, ", sa McCusker. Det exciterade tillstånd som produceras genom att absorbera ljusenergi i en järnbaserad förening, till exempel, sönderfaller för snabbt för att kunna användas på liknande sätt.

Ange kvantkoherens som vägledning. Genom att träffa en molekyl med en ljusskur som varar mindre än en tiondel av en biljondels sekund, McCusker och hans elever kunde observera kopplingen mellan molekylens exciterade tillstånd och dess struktur, så att de kan visualisera hur molekylens atomer rörde sig under omvandlingen av solenergi till kemisk energi.

"När vi hade en bild av hur denna process gick till, teamet använde den informationen för att syntetiskt modifiera molekylen på ett sådant sätt att processen sakta ner, "Sa McCusker. "Detta är ett viktigt mål som måste uppnås om dessa typer av kromoforer - en molekyl som absorberar speciella våglängder av synligt ljus och är ansvariga för ett material färg - ska hitta sin väg in i solenergiteknik."

"Forskningen visar att vi kan använda detta koherensfenomen för att lära oss vilka slags saker vi kan behöva införliva i molekylstrukturen hos en kromofor som använder mer jordnära material för att göra det möjligt för oss att använda energin som lagras i molekylen vid absorption av ljus för ett brett utbud av energiomvandlingstillämpningar."

För McCusker, detta genombrott kommer förhoppningsvis att påskynda utvecklingen av ny teknik, "att eliminera mycket av trial and error som går in i vetenskapliga ansträngningar genom att tala om för oss direkt från porten vilken typ av system vi behöver designa."

Vad härnäst? "Vad sägs om en solcell baserad på färgspån och rost?" sa McCusker. "Vi är inte där än, men tanken bakom denna forskning är att använda kvantkoherens för att utnyttja information som molekylen redan har och sedan använda den informationen för att ändra spelets regler."

Artikeln, "Utnyttja sammanhållning i upphetsat tillstånd för syntetisk kontroll av ultrasnabb dynamik" visas på omslaget till Natur .