Superdator designade molekyl som lagrar solenergi

2020-09-03 06:00  

Vid Linköpings universitet har forskare använt datorsimuleringar för att designa en molekyl som kan absorbera och lagra energi från solljus. Den kunde sedan syntetiseras i laboratoriet.

Forskarnas nya molekyl kan ha två olika former – dels en grundform som kan ta upp energi från solljus. Men när den gör det så ändrar molekylen struktur till en form som är mycket mer energirik men ändå stabil. Därmed kan den effektivt lagra energin från solljus.

– Grejen med molekylen är att den absorberar solljus i sina kemiska bindningar, och den energin kan man sedan utvinna som värme. I framtiden skulle man kunna tänka sig att molekylen används för att värma upp byggnader på natten när solen inte skiner. Man skulle kunna föreställa sig att man har molekylen i lösningsform i en liten tank på taket som absorberar solljus. Sedan kan man frigöra energin i en katalytisk reaktor, säger Bo Durbeej, professor i beräkningsfysik vid institutionen för fysik, kemi och biologi på Linköpings universitet, till Ny Teknik.

Han ledde studien som har publicerats i Journal of the American Chemical Society. Molekylen tillhör gruppen molekylära fotoswitchar, som har gemensamt att deras kemiska struktur och egenskaper påverkas av energin i ljus.

Tänkte annorlunda

Bo Durbeej konstaterar dock att teamets genombrott inte är den solfångande molekylen i sig utan hur den designades. Vanligtvis brukar man först experimentera och sedan köra datorsimuleringar för att bekräfta och förfina resultaten.

Läs mer: Ny teknik kan lagra solenergi i 18 år

Här började forskarna inom teoretisk kemi i stället med en förutsägelse. Sedan gjordes avancerade datorsimuleringar av hur den kemiska reaktionen sker över tid på superdatorerna vid Nationellt superdatorcentrum i Linköping.

– Vi har bara hållit på med det här i omkring ett år, och det finns andra forskargrupper som har jobbat längre och kommit längre, exempelvis på Chalmers. Där har man till och med har jobbat mot tekniska lösningar på basis av andra molekyler. Men det som är coolt med vårt arbete är att det har utgått från datorsimuleringar. När vi sedan hade designat molekylen genom datorsimuleringar så fick våra kollegor i Ungern syntetisera den. Och det visade sig fungera, och att molekylen på ett effektivt sätt skulle kunna fånga solenergin. Det säger en hel del om potentialen av datorsimuleringar, säger han.

Det var forskarkollegor vid Research Centre for Natural Sciences i Ungern som framställde molekylen och sedan bekräftade att teorin fungerar i verkligheten. I de flesta kemiska reaktioner går molekylen från ett tillstånd med hög energi till ett tillstånd med låg energi – här är förhållandet tvärtom.

Fotoswitchar finns alltid i två olika former, så kallade isomerer, som skiljer sig åt i den kemiska strukturen. De båda formerna har också olika egenskaper. Det kan exempelvis vara olika energitillstånd, vilket är fallet med Linköpingsforskarnas molekyl. För att maximera energilagringen har de strävat efter att energiskillnaden mellan de två isomererna ska vara så stor som möjligt.

”Nästa steg är att optimera”

Den normala formen av Linköpings molekyl är väldigt stabil, en egenskap som inom organisk kemi benämns som att molekylen är aromatisk. Grundmolekylen består av tre ringar, och varje ring är aromatisk. Men när den absorberar ljus så försvinner aromaticiteten, och då blir molekylen mycket mer energirik men trots det fortfarande stabil – om än något mindre stabil än den första formen.

Beräkningar pekade mot att den kemiska reaktionen borde ske väldigt snabbt, inom 200 femtosekunder. I studien visar forskarna att konceptet att växla mellan aromatiskt och icke-aromatiskt tillstånd i en molekyl har stor potential inom området molekylära fotoswitchar.

– Nästa steg är att optimera molekylen och titta på hur man kan utvinna energin ur den. Jag tror inte att vi kommer att se praktiska lösningar nästa år men kanske om tio år – men det är bara spekulationer. Det kommer inte att vara exakt den här molekylen utan det måste i så fall till en förbättring. Men det är en startpunkt för vårt arbete. Och vi har visat att den skulle kunna användas för att lagra energi i framtiden, säger Bo Durbeej.

John Edgren

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt