Синтетичні кільця імітують енергетичні системи рослин з молекулярною точністю

Новий прорив в альтернативній енергетиці: Створення штучних молекул, що імітують фотосинтез у рослин

Чи замислювалися ви колись, як рослини так майстерно перетворюють сонячне світло на енергію? Їх секрет криється у міжтканинних кільцях пігментів, які організовано надзвичайно точно. Ось вже десятиліттями вчених надихає ця здатність, і нарешті дослідники з Osaka Metropolitan University зуміли відтворити цю архітектуру за допомогою синтетичних молекул. Вони створили молекули, що самозбираються в стопи кілець, що можуть переносити енергію і заряд, імітуючи процеси фотосинтезу.

Фотосинтетичні організми ефективно поглинають сонячне світло завдяки кілець пігментів. Ці кільця демонструють так зване тороїдальне зв’язування – безперервний рух енергії та заряду. Відтворення цього феномена може змінити спосіб проектування сонячних батарей, але досі штучні аналоги обмежувалися лише окремими молекулами.

“Штучні версії тороїдального зв’язування були обмежені кожною окремою молекулою,” пояснив Daisuke Sakamaki, доцент факультету наук університету і провідний автор дослідження.

Щоб подолати цю проблему, команда розробила структуру з багатьох молекул, використовуючи фталоціаніни – площинні ароматичні сполуки, які широко використовуються в барвниках та фотовольтаїці. Кожна молекула має вісім вертикальних стрижнів, що сприяють перенесенню електронів. Ці молекули самозбираються в сітчасті пари, утворюючи щільно упаковене кільце з 16 шарів. Це дозволяє молекулярним площинам бути близько одна до одної, що, у свою чергу, сприяє ефективному перенесенню енергії та зарядів навколо кільця, як у природних системах збору світла.

Структурну цілісність кільця було підтверджено за допомогою рентгенівської кристалографії, а спектроскопічні та теоретичні аналізи довели наявність активної циркуляції енергії та заряду в зарядженому та збудженому станах.

“Це перше чітке свідчення міжмолекулярного тороїдального зв’язування,” стверджує Sakamaki. “Це не лише підтверджує, що заряд і енергія можуть циркулювати в таких структурах, але й переосмислює наше використання фталоціанінів – матеріалів, що мають більше сторічної історії.”

Цей прорив підкреслює, як прості молекулярні компоненти, керовані самозбиранням, можуть відтворювати складні енергетичні механізми природи. Дослідження може привести до інноваційних застосувань у генерації енергії та оптоелектроніці.

“Наш план – розширити підхід на різні типи молекул, прагнучи створити ширший спектр зв’язаних систем для майбутніх енергетичних та оптоелектронних застосувань,” прокоментував Sakamaki.