Poiché i responsabili delle politiche si rivolgono sempre più alla scienza nell'affrontare il cambiamento climatico globale, uno scienziato della Michigan State University sta guardando alla natura per sviluppare la prossima generazione di tecnologia per l'energia solare.

Professore della Fondazione MSU James McCusker, Dipartimento di Chimica, ritiene che il futuro dell'energia solare risieda in abbondanti, materiali scalabili progettati per imitare e migliorare i sistemi di conversione dell'energia presenti in natura.

In un nuovo rivoluzionario studio in Natura , McCusker rivela un nuovo processo che consente alle molecole di dire agli scienziati come dovrebbero essere modificate per assorbire e convertire meglio l'energia solare. Il metodo utilizza una proprietà molecolare nota come coerenza quantistica in cui diversi aspetti di una molecola sono sincroni, come quando l'indicatore di direzione della tua auto lampeggia all'unisono con quello dell'auto che ti precede. Gli scienziati ritengono che la coerenza quantistica possa svolgere un ruolo nella fotosintesi naturale.

"Il nostro lavoro è la prima volta che qualcuno ha provato a utilizzare attivamente le informazioni raccolte dalla coerenza quantistica come guida, una tabella di marcia, per suggerire quali sono gli aspetti più importanti della struttura di una molecola che contribuiscono a una data proprietà, "Ha detto McCusker. "Stiamo usando una scienza sofisticata che fornisce i mezzi alla natura per insegnarci ciò su cui dobbiamo concentrarci in laboratorio".

Luce del sole, anche se abbondante, è una fonte di energia a bassa densità. Per raccogliere quantità significative di energia hai bisogno di maggiori quantità di spazio. Però, i materiali più efficaci oggi in uso per la conversione dell'energia solare, come Rutenio, sono alcuni dei metalli più rari sulla Terra. Le future tecnologie solari devono essere in grado di espandersi con metodi di conversione dell'energia più efficienti ed economici.

"Quando tengo discorsi sulla scienza dell'energia alle scuole universitarie o al pubblico in generale, Dico scherzando che ci sono molte foglie sugli alberi per un motivo, " disse McCusker. "Beh, ci sono molte foglie per un motivo:la cattura della luce è un problema ad alta intensità di materiale a causa della (relativamente) bassa densità di energia dalla luce solare. La natura risolve questo problema producendo molte foglie".

I composti che assorbono la luce nei comuni metodi sintetici per la fotosintesi artificiale fanno uso di stati molecolari eccitati prodotti dopo che una molecola assorbe energia dalla luce solare. L'assorbimento dell'energia luminosa esiste abbastanza a lungo da essere utilizzato nelle reazioni chimiche che si basano sulla capacità di spostare gli elettroni da un luogo all'altro. Una possibile soluzione è trovare materiali più comunemente disponibili che possano ottenere lo stesso risultato.

"Il problema con il passaggio (dai metalli delle terre rare) a qualcosa di abbondante sulla Terra come il ferro, dove il problema della scalabilità scompare, è che i processi che consentono di convertire la luce solare assorbita in energia chimica sono fondamentalmente diversi in questi materiali più ampiamente disponibili, " disse McCusker. Lo stato eccitato prodotto assorbendo energia luminosa in un composto a base di ferro, Per esempio, decade troppo rapidamente per consentirne l'uso in modo simile.

Inserisci la coerenza quantistica come guida. Colpendo una molecola con un'esplosione di luce che dura meno di un decimo di un trilionesimo di secondo, McCusker e i suoi studenti hanno potuto osservare l'interconnessione tra lo stato eccitato della molecola e la sua struttura, permettendo loro di visualizzare come si muovevano gli atomi della molecola durante la conversione dell'energia solare in energia chimica.

"Una volta che abbiamo avuto un'immagine di come si è verificato questo processo, il team ha utilizzato tali informazioni per modificare sinteticamente la molecola in modo tale da rallentare la velocità del processo, "Ha detto McCusker. "Questo è un obiettivo importante che deve essere raggiunto se questi tipi di cromofori, una molecola che assorbe particolari lunghezze d'onda della luce visibile e sono responsabili del colore di un materiale, devono trovare la loro strada nelle tecnologie dell'energia solare".

"La ricerca dimostra che possiamo usare questo fenomeno di coerenza per insegnarci che tipo di cose potremmo aver bisogno di incorporare nella struttura molecolare di un cromoforo che utilizza più materiali abbondanti in terra per consentirci di utilizzare l'energia immagazzinata nella molecola al momento dell'assorbimento. di luce per un'ampia gamma di applicazioni di conversione dell'energia."

Per McCusker, si spera che questa svolta acceleri lo sviluppo di nuove tecnologie, "eliminando gran parte delle prove e degli errori che vanno negli sforzi scientifici dicendoci fin dall'inizio che tipo di sistema dobbiamo progettare".

E dopo? "Che ne dici di una cella solare basata su schegge di vernice e ruggine?" ha detto McCusker. "Non ci siamo ancora, ma l'idea alla base di questa ricerca è quella di utilizzare la coerenza quantistica per attingere alle informazioni che la molecola già possiede e quindi utilizzare tali informazioni per cambiare le regole del gioco".

L'articolo, "Sfruttando la coerenza dello stato eccitato per il controllo sintetico della dinamica ultraveloce" appare sulla copertina di Natura .