隨著決策者在應(yīng)對全球氣候變化方面越來越多地轉(zhuǎn)向科學(xué)，密歇根州立大學(xué)的一位科學(xué)家正在尋求自然界來開發(fā)下一代太陽能技術(shù)。

詹姆斯·麥卡斯克MSU基金會教授，化學(xué)系，認(rèn)為太陽能的未來能源設(shè)計，模擬和謊言在豐富的，可伸縮的材料，在提高了能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在自然界中發(fā)現(xiàn)。

在《自然》雜志的一項(xiàng)開創(chuàng)性的新研究中，麥庫斯克揭示了一種新的過程，該過程使分子能夠告訴科學(xué)家如何對其進(jìn)行修飾以更好地吸收和轉(zhuǎn)化太陽能。該方法使用一種稱為量子相干性的分子特性，其中分子的各個方面是同步的，例如當(dāng)您的汽車的轉(zhuǎn)向信號燈與您前面的汽車的信號燈同步閃爍時。科學(xué)家認(rèn)為，量子相干性可能在自然光合作用中起作用。

McCusker說：“我們的工作是任何人第一次嘗試將從量子相干中收集到的信息作為指南(路線圖)來提出分子結(jié)構(gòu)最重要的方面是什么，這些方面對給定特性有貢獻(xiàn)。”“我們正在使用復(fù)雜的科學(xué)，為自然界提供手段，向我們傳授我們在實(shí)驗(yàn)室中需要關(guān)注的內(nèi)容。”

陽光雖然豐富，卻是一種低密度的能源。要收集有意義的能量，您需要更大的空間。但是，當(dāng)今用于太陽能轉(zhuǎn)換的最有效材料，例如釕，是地球上一些最稀有的金屬。未來的太陽能技術(shù)必須能夠通過更高效，更便宜的能量轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行擴(kuò)展。

麥庫斯克說：“當(dāng)我在大學(xué)或普通大眾中談?wù)撃茉纯茖W(xué)時，我半開玩笑地說樹木上有很多樹葉。”“好吧，有很多樹葉是有原因的：由于來自陽光的能量密度相對較低，光捕獲是一個材料密集型的問題。大自然通過產(chǎn)生很多樹葉解決了這個問題。”

用于人工光合作用的常用合成方法中的光吸收化合物利用分子吸收太陽光能量后產(chǎn)生的激發(fā)分子態(tài)。光能的吸收存在時間足夠長，可用于依賴于將電子從一個位置移動到另一個位置的能力的化學(xué)反應(yīng)。一種可能的解決方案是找到可以實(shí)現(xiàn)相同結(jié)果的更通用的材料。

“從(稀土金屬)切換到像鐵這樣富含地球的東西(可擴(kuò)展性問題消失了)的問題是，在這些更廣泛使用的材料中，允許您將吸收的陽光轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程根本不同，麥庫斯克說。例如，通過吸收鐵基化合物中的光能而產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)衰減太快而無法以類似方式使用。

輸入量子相干性作為指導(dǎo)。通過用不到一萬億分之一秒的十分之一的光脈沖擊中一個分子，麥庫斯克和他的學(xué)生可以觀察到該分子的激發(fā)態(tài)與其結(jié)構(gòu)之間的相互聯(lián)系，從而使他們可以直觀地看到該分子的原子如何運(yùn)動。在太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程中。

McCusker說：“一旦我們了解了該過程如何發(fā)生，該團(tuán)隊便利用該信息對分子進(jìn)行了合成修飾，從而減慢了該過程的速度。”“如果這些類型的發(fā)色團(tuán)(一種吸收特定波長的可見光并負(fù)責(zé)材料顏色的分子)要找到進(jìn)入太陽能技術(shù)的途徑，那么這是必須實(shí)現(xiàn)的重要目標(biāo)。”

“研究表明，我們可以利用這種相干現(xiàn)象來告訴我們，可能需要將哪些種類的東西整合到發(fā)色團(tuán)的分子結(jié)構(gòu)中，而發(fā)色團(tuán)使用了地球上更多的材料，從而使我們能夠利用吸收時分子中存儲的能量的光用于各種能量轉(zhuǎn)換應(yīng)用。”

對于McCusker而言，這一突破將有望加速新技術(shù)的開發(fā)，“通過告訴我們馬上要設(shè)計什么樣的系統(tǒng)，消除了科學(xué)嘗試中的許多反復(fù)試驗(yàn)”。

接下來是什么?“基于油漆碎片和銹蝕的太陽能電池怎么樣?”麥庫斯克說。“我們還不存在，但是這項(xiàng)研究背后的想法是利用量子相干性來利用分子已經(jīng)擁有的信息，然后利用這些信息來改變游戲規(guī)則。”

文章“利用激發(fā)態(tài)相干性對超快動力學(xué)進(jìn)行綜合控制”出現(xiàn)在《自然》雜志的封面上。