Znajdź zawartość

Przechowywanie energii słonecznej w postaci chemicznej ma tę przewagę nad przechowywaniem jej w elektrycznych akumulatorach, że energię taką można zachować na długi czas. Niestety, taki sposób ma też i wady - związki chemiczne przydatne do przechowywania energii ulegają degradacji po zaledwie kilku cyklach ładowania/rozładowywania. Te, które nie degradują, zawierają ruten - rzadki i drogi pierwiastek. W 1996 roku udało się znaleźć molekułę - fulwalen dirutenu - która pod wpływem światła słonecznego przełącza się w jeden stan i umożliwia kontrolowane przełączanie do stanu pierwotnego połączone z uwalnianiem energii. W ubiegłym roku profesor Jeffrey Grossman wraz ze swoim zespołem z MIT-u odkryli szczegóły działania fulwalenu dirutenu, co dawało nadzieję na znalezienie zastępnika dla tej drogiej molekuły. Teraz doktor Alexie Kolpak we współpracy z Grossmanem znaleźli odpowiednią strukturę. Połączyli oni węglowe nanorurki z azobenzenem. W efekcie uzyskali molekułę, której właściwości nie są obecne w obu jej związkach składowych. Jest ona nie tylko tańsza od fulwalenu dirutenu, ale charakteryzuje się również około 10 000 razy większą gęstością energetyczną. Jej zdolność do przechowywania energii jest porównywalna z możliwościami baterii litowo-jonowych. Doktor Kolpak mówi, że proces wytwarzania nowych molekuł pozwala kontrolować zachodzące interakcje, zwiększać ich gęstość energetyczną, wydłużać czas przechowywania energi i - co najważniejsze - wszystkie te elementy można kontrolować niezależnie od siebie. Grossman zauważa, że olbrzymią zaletą termochemicznej metody przechowywania energii jest fakt, że to samo medium wyłapuje energię i ją przechowuje. Cały mechanizm jest zatem prosty, tani, wydajny i wytrzymały. Ma on też wady. W takiej prostej formie nadaje się tylko do przechowywania energii cieplnej. Jeśli potrzebujemy energii elektrycznej, musimy ją wytworzyć z tego ciepła. Profesor Grossman zauważa też, że koncepcja, na podstawie której stworzono funkcjonalne nanorurki z azobenzenem jest ogólnym pomysłem, który może zostać wykorzystany także w przypadku innych materiałów. Podstawowe cechy, jakimi musi charakteryzować się materiał używany do termochemicznego przechowywania energii to możliwość przełączania się w stabilne stany pod wpływem ciepła oraz istnienie odkrytego przez Grossmana w ubiegłym roku etapu przejściowego, rodzaju bariery energetycznej pomiędzy oboma stabilnymi stanami. Bariera musi być też odpowiednia do potrzeb. Jeśli będzie zbyt słaba, molekuła może samodzielnie przełączać się pomiędzy stanami, uwalniając energię wtedy, gdy nie będzie ona potrzebna. Zbyt mocna bariera spowoduje zaś, że pozyskanie energii na żądanie będzie trudne. Zespół Grossmana i Kolpak szuka teraz kolejnych materiałów, z których można będzie tworzyć molekuły służące do termochemicznego przechowywania energii.

Powstał pierwszy molekularny silnik, którego efekty pracy można wykorzystać w praktyce. Dotychczas tego typu urządzenia były jedynie ciekawostkami, gdyż nie istniało żadne połączenie pomiędzy nimi a światem zewnętrznym. Tymczasem Martin McCullagh, Ignacio Franco, Mark A. Ratner i George C. Schatz z Northwestern University wykorzystali molekułę DNA do zamiany światła w pracę mechaniczną. Wyniki swoich badań opublikowali w Journal of the American Chemical Society. Wspomniana molekuła to fragment DNA o strukturze spinki do włosów, w skład której wchodzą dwie pary zasad guanina-cytozyna połączone azobenzenem. Końcówka jednej pary zasad jest przytwierdzona do podłoża, a końcówka drugiej - do dźwigni mikroskopu sił atomowych. To właśnie mikroskop służy za interfejs łączący molekularny silnik ze światem zewnętrznym. Urządzenie działa dzięki temu, że azobenzen pod wpływem światła przechodzi izomeryzację, zmieniając się pomiędzy izomerami trans i cis. Jest ona związana ze zmianą kształtu azobenzenu, co prowadzi do poruszania się całego silnika. Proces jest odwracalny, można więc przeprowadzać go wielokrotnie. Naukowcy wiedzą, w jaki sposób uzyskać pracę netto z całego systemu. Najpierw molekułę znajdującą się w trybie cis rozciągają za pomocą końcówki mikroskopu sił atomowych, następnie światło zmienia izomer cis w bardziej sztywny izomer trans. Teraz izomer trans jest ściskany do oryginalnej wielkości silnika, po czym drugie źródło światła zmienia strukturę w izomer cis. Jako, że molekuła jest bardziej sztywna podczas jej ściskania niż rozciągania, uzyskujemy pracę netto. Energia włożona w rozciągnięcie jest bowiem mniejsza, niż energia uzyskana ze ściśnięcia. Całość działa dzięki indukowanym światłem zmianom w molekule z DNA i azobenzenu. Ze względu na konstrukcję, integralną częścią silnika jest mikroskop sił atomowych. Praca musi być wykonana na molekule i dźwigni podczas rozciągania, a energia jest pozyskiwana w czasie ściskania. Jeśli molekuła jest sztywniejsza w czasie ściskania, uzyskujemy energię netto - mówi Schatz. Naukowcy oszacowali pozyskaną energię na maksymalnie 3,4 kcal/mol przy maksymalnej wydajności 2,4%. Można to porównać z 7,3 kcal/mol pozyskiwanej z hydrolizy ATP, która jest głównym źródłem energii dla procesów biologicznych. Pozyskaliśmy obiecującą ilość energii, ale prawdziwym celem tych badań jest poszukiwanie nowych sposobów na jej konwersję. Zaproponowany przez nas silnik to punkt wyjścia do dalszych usprawnień. Pozwoli nam on ocenić możliwości maszyn zbudowanych z pojedynczej molekuły. To z kolei jest bardzo ważnym krokiem w kierunku zmiany takich maszyn z naukowej ciekawostki w źródło energii dla procesów odbywających się w nanoskali - dodaje Schatz.

Profesor Tomiki Ikeda i jego zespół z politechniki w Tokio stworzyli pierwszy prosty silnik napędzany bezpośrednio energią słoneczną. W przeciwieństwie do dotychczas produkowanych silników tego typu, nie mamy tutaj do czynienia z zamianą energii słonecznej na elektryczną, a następnie na mechaniczną. Silnik Ikedy zamienia bezpośrednio energię słońca w energię mechaniczną. Nowy mechanizm korzysta z elastomeru, który rozszerza się i kurczy pod wpływem światła. Swoje prace Ikeda rozpoczął w 2003 roku, gdy zauważył, że materiał zawierający azobenzen kurczy się po oświetleniu światłem ultrafioletowym i powraca do swojego pierwotnego kształtu pod wpływem światła widzialnego. Przez kilka lat profesor wraz z zespołem dopracowywali właściwości materiału i starali się wymyślić sposób na jego użycie w praktyce. W swoim prototypowym silniku naukowcy wykorzystali polietylen, który pokryli cienką warstwą elastomeru, tworząc pasek o grubości 0,08 milimetra. Za jego pomocą połączyli dwa kółka o średnicy 10 i 3 milimetrów. Następnie przy mniejszym kółku oświetlali pasek światłem ulatrafioletowym, a przy większym - widzialnym. Pasek napędził koła. Większe z nich poruszało się z maksymalną prędkością 1 obrotu na minutę. Japończycy mówią, że ich pasek charakteryzuje się 4-krotnie większą siłą elastyczną niż ludzkie mięśnie i pozostaje ona nie zmieniona nawet, gdy jest rozciągany co 7 sekund przez 30 godzin. Przyznają, że obecnie materiał nie zamienia efektywnie światła słonecznego w energię. Jednak można go ulepszyć. Ikeda ma nadzieję, że w przyszłości podobna technologia będzie napędzała samochody i inne maszyny.

W Japonii powstały najmniejsze na świecie urządzenie tnące. Molekularnej wielkości nożyczki są sterowane za pomocą światła. Badacze zapowiadają, że będą przydadzą się one przy "operacjach” na genach, białkach i innych cząstkach. Długość nożyczek wynosi zaledwie 3 nanometry, czyli 3 milionowe części milimetra. Są więc 100-krotnie mniejsze niż długość fali światła ultrafioletowego. Co ciekawe, nożyczki, podobnie jak ich większy odpowiednik, składają się z trzpienia, rączki i ostrzy. Nanometrowe nożyczki stworzono z grup fenylowych, a więc składają się z węgla i wodoru. Rolę trzpienia odgrywa molekuła ferrocenu (C5H5FeC5H5). Ma ona budowę podobną do kanapki: atom żelaza znajduje się pomiędzy dwoma równoległymi pierścieniami C5H5. Pierścienie te swobodnie się obracają wokół atomu żelaza. Rola rączki nożyczek przypadła grupie fenylenowej, którą naukowcy połączyli z azobenzenem (C6H6-N=N-C6H6), molekułą, która reaguje na światło. Azobenzen, po oświetleniu światłem widzialnym, rozszerza się, pociąga za sobą rączkę i nożyczki się zamykają. W reakcji na światło ultrafioletowe kurczy się, otwierając ostrza nożyczek. To pierwsze zastosowanie, w którym jedne molekuły w sposób mechaniczny sterują innymi w odpowiedzi na impulsy świetlne – mówi Takuzo Aida, szef zespołu badawczego. To ważny krok na drodze do stworzenia molekularnych robotów – dodaje. Obecnie naukowcy pracują nad większą wersją swoich nożyczek, które, pracując w bliskiej podczerwieni, umożliwiałby przeprowadzanie zdalnych operacji wewnątrz ludzkiego ciała.