Проведены исследования по хранению энергии в молекулах

Молекулярные фотопереключатели, которые могут преобразовывать и хранить энергию, можно использовать для увеличения эффективности при сборе солнечной энергии. Этим занималась команда исследователей, которая применяла метод квантовых вычислений. В журнале Angewandte Chemie они описали проделанную процедуру, основанную на наборе данных из более 400 тысяч молекул. Они проверили их при поиске оптимальной молекулярной структуры материалов для хранения солнечной энергии.

В настоящее время солнечная энергия используется напрямую для выработки электричества или косвенно, посредством энергии, хранящейся в тепловых резервуарах. Ученые предлагают третий вариант, который включает в себя хранение солнечной энергии в светочувствительных материалах, а затем высвобождение её по мере потребности. Евросоюз поддерживает проект MOST («Молекулярное хранение солнечной тепловой энергии»). В его рамках учёные исследуют молекулы, которые получили название фотопереключателей. Целью проекта MOST является использование солнечной энергии целиком без потерь.

Работой занимались исследовательские группы Курта В. Миккельсена из Копенгагенского университета (Дания) и Каспера Мота-Поульсена из Технического университета Каталонии в Барселоне (Испания). Они изучили фотопереключатели, которые лучше всего подходят для решения озвученных задач. Они изучали молекулы, носящие название бициклические диены. При освещении они переходят в высокоэнергетическое состояние.

Наиболее ярким примером бициклической диеновой системы является норборнадиен квадрициклан. Но есть и большое количество других подобных примеров. Исследователи говорят, что полученное ими химическое пространство включает в себя 466 тысяч бициклических диенов. Они проверили их все на предмет потенциального применения в технологии MOST.

Проверка базы данных такого размера обычно выполняется с использованием машинного обучения. Но в этом случае требуются крупные объёмы обучающих данных, которые основываются на реальных экспериментах. Но такого объёма данных у команды исследователей не было. Поэтому они использовали ранее разработанный алгоритм и новый показатель оценки. Им удалось получить чёткий результат. Все шесть молекул, которые получили высшие оценки, отличались от исходной норборнадиен квадрициклановой системы по своей структуре.

Исследователи сделали вывод, что данное изменение (молекулярного мостика между двумя углеродными кольцами в бициклической части) позволило этим молекулам запасти больше энергии по сравнению с исходным норборнадиеном.

Работа, проведённая учёными, демонстрирует большой потенциал по оптимизации молекул для хранения солнечной энергии. Однако сначала требуется синтезировать и протестировать новые молекулы в реальных условиях. Авторы работы предупреждают, что созданные ими системы получены искусственным путём. При этом нет никакой гарантии, что они растворимы в соответствующих растворителях. И даже нет гарантии, что они будут выполнять фотопереключение с высоким выходом или вообще будут его выполнять.

Команде исследователей удалось создать большой набор обучающих данных для использования в алгоритмах машинного обучения. Этим они облегчили трудный этап исследований перед синтезом, которые будут проводить химики, если они будут заниматься подобными системами в будущем. Авторы работы также говорят, что им удалось получить более крупное хранилище бициклических диенов, чем ранее. Оно, по их мнению, облегчит исследования фотопереключателей для использования в различных сферах. Это сделает легче процесс адаптации молекул к конкретным требованиям.