研究人员使用超级计算机设计捕捉太阳能的新分子

林肯大学的研究人员已经开发出一种分子，可以从阳光中吸收能量，并将其储存在化学键中。分子的一个可能的长期用途是有效地捕捉太阳能，并将其储存起来供以后消费。

Bo Durbeej和他的团队使用先进的计算机模拟化学反应，这些模拟是在位于Linköping的国家超级计算机中心(NSC)进行的。照片字幕托尔·巴尔克海德地球从太阳获得的能量是我们人类所能利用的能量的许多倍。这些能量被太阳能设施吸收，但太阳能的挑战之一是如何有效地储存它，以便在太阳不照耀的时候可以获得这些能量。这促使林肯大学的科学家们研究在一种新分子中捕获和储存太阳能的可能性。

“我们的分子可以有两种不同的形式：一种是母体形式，可以从阳光中吸收能量；另一种形式是母体形式的结构发生了变化，变得更加富含能量，同时保持稳定。”这使得高效地将阳光中的能量储存在分子中成为可能“，领衔这项研究的林肯大学物理、化学和生物系计算物理学教授Bo Durbeej说。

该分子属于被称为“分子光开关”的一类。它们通常有两种不同的形式，即化学结构不同的异构体。这两种形式具有不同的性质，就刘研究员开发的分子而言，这种差异在于能量含量。所有光电开关的化学结构都受光能的影响。这意味着可以通过照射光开关来改变它的结构，从而改变它的特性。光电开关的一个可能的应用领域是分子电子学，在分子电子学中，两种形式的分子具有不同的电导率。另一个领域是光药学，其中一种形式的分子具有药理活性，可以与体内特定的目标蛋白结合，而另一种形式的分子是不活跃的。

在研究中，通常是先做实验，然后进行理论工作来证实实验结果，但在这种情况下，这一过程是相反的。Bo Durbeej和他的团队从事理论化学工作，并对化学反应进行计算和模拟。这涉及到先进的计算机模拟，这些模拟是在位于林克平的国家超级计算机中心的超级计算机上进行的。计算表明，研究人员开发的分子将经历他们所需的化学反应，而且反应速度极快，不到200飞秒。他们在匈牙利自然科学研究中心的同事随后能够构建这种分子，并进行实验证实了理论预测。

为了在分子中储存大量的太阳能，研究人员试图使两个异构体之间的能量差尽可能大。它们分子的母体非常稳定，这一性质在有机化学中用分子是“芳香的”来表示。碱性分子由三个环组成，每个环都是芳香的。然而，当它吸收光线时，芳香性就会丧失，这样分子就会变得更加富含能量。刘的研究人员在他们的研究中表明，在分子的芳香态和非芳香态之间切换的概念在分子光开关领域具有巨大的潜力，这项研究发表在《美国化学学会杂志》(Journal Of The American Chemical Society)上。

“大多数化学反应都是在分子具有高能的条件下开始的，然后转移到低能量的分子。在这里，我们做相反的事情--一个低能量的分子变成一个高能量的分子。我们预计这将是困难的，但我们已经表明，这样的反应可能会迅速而有效地发生。“Bo Durbeej说。

研究人员现在将研究如何以最好的方式将储存的能量从能量丰富的分子形式中释放出来。

这项研究得到了Olle Engkvist基金会、瑞典研究理事会、匈牙利科学院和匈牙利国家研究、发展和创新办公室的财政支持。国家超级计算机中心(NSC)慷慨地提供了计算时间。本文作者：Baswanth Oruganti、Péter Pál Kalapos、Varada Bhargav、Gábor London和Bo Durbeej，J.Am。是化学。SoC。2020年，142年，32,13941-13953，在线发布，2020年7月15日，doi：10.1021/Jacs.0c06327，由George Farrants翻译。

研究人员的计算机模拟显示了慢动作的化学反应。这就是当分子从阳光中吸收能量并将其化学结构改变为能量更丰富的形式时发生的事情。这个反应发生得非常快，不到200飞秒(一飞秒是0.000,000,000,000,001秒)。