Una molecola in grado di immagazzinare l’energia solare

La Terra riceve dal Sole molta più energia di quella possiamo usare. Essa viene assorbita dagli impianti di energia solare, ma una delle sfide dei giorni nostri è immagazzinarla in modo efficiente, in modo che sia disponibile quando il sole non splende. Ciò ha portato gli scienziati dell’Università di Linköping a studiare la possibilità di catturare e immagazzinare l’energia solare in una nuova molecola.

“La nostra molecola può assumere due diverse forme: una forma genitore in grado di assorbire energia dalla luce solare e una forma alternativa in cui la struttura principale è stata modificata ed è diventata molto più ricca di energia, pur rimanendo stabile. Questo rende possibile immagazzinare l’energia della luce solare nella molecola in modo efficiente“, afferma Bo Durbeej, professore di fisica computazionale presso il Dipartimento di Fisica, Chimica e Biologia dell’Università di Linköping.

Le due forme hanno proprietà diverse e, nel caso della molecola sviluppata dai ricercatori LiU, questa differenza sta nel contenuto energetico. Le strutture chimiche sono influenzate dall’energia della luce; ciò significa che la struttura, e quindi le proprietà, possono essere modificate illuminandole. Un’altra area è la fotofarmacologia, in cui una forma della molecola è farmacologicamente attiva e può legarsi a una specifica proteina bersaglio nel corpo, mentre l’altra forma è inattiva.

È comune nella ricerca che gli esperimenti vengano fatti prima e che il lavoro teorico successivamente confermi i risultati sperimentali, ma in questo caso la procedura è stata invertita. Bo Durbeej e il suo gruppo lavorano in chimica teorica e conducono calcoli e simulazioni di reazioni chimiche. Ciò comporta simulazioni avanzate che vengono eseguite su supercomputer presso il National Supercomputer Center, NSC, a Linköping.

I calcoli hanno mostrato che la molecola sviluppata dai ricercatori avrebbe subito la reazione chimica richiesta e che sarebbe avvenuta in modo estremamente rapido, entro 200 femtosecondi (1=10-15 secondi). I loro colleghi del Centro di ricerca per le scienze naturali in Ungheria sono stati quindi in grado di costruire la molecola ed eseguire esperimenti che hanno confermato la previsione teorica.

Al fine di immagazzinare grandi quantità di energia solare nella molecola, i ricercatori hanno tentato di rendere la differenza energetica tra i due isomeri più grande possibile. La forma madre della molecola è estremamente stabile, una proprietà che all’interno della chimica organica è nota come “aromatica”. La molecola di base è composta da tre anelli, ciascuno dei quali è aromatico. Quando assorbe la luce, tuttavia, perde l’aromaticità, tanto che la molecola diventa molto più ricca di energia. I ricercatori di LiU mostrano nel loro studio, pubblicato sul Journal of the American Chemical Society, che il concetto di commutazione tra stati aromatici e non aromatici di una molecola ha un grande potenziale nel campo dei fotoswitch molecolari.

“La maggior parte delle reazioni chimiche inizia in una condizione in cui una molecola ha un’energia elevata e successivamente passa a una con un’energia bassa. Qui, facciamo il contrario: una molecola che ha un’energia bassa diventa una molecola con un’energia alta. Ci aspetteremmo che questo sia difficile, ma abbiamo dimostrato che è possibile che una tale reazione avvenga in modo rapido ed efficiente”, afferma Bo Durbeej.

Ora, i ricercatori esamineranno come l’energia immagazzinata possa essere rilasciata nel modo migliore dalla forma ricca di energia della molecola.

Bibliografia: Baswanth Oruganti et al, Photoinduced Changes in Aromaticity Facilitate Electrocyclization of Dithienylbenzene Switches, Journal of the American Chemical Society (2020).