Вдохновляясь процессами фотосинтеза, исследователи из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы ( جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية) в Саудовской Аравии разработали новый вариант металлоорганических решёток (МОР), благодаря которым солнечные батареи смогут собирать больше энергии.
МОР — это своего рода пористые кристаллы, представляющие собой решётку из металлических вершин, соединённых связующими молекулами на основе углерода. МОР — многофункциональные материалы: исследователи могут легко проектировать и настраивать их свойства, изменяя связующие структуры или узлы. Сейчас они проходят тестирование для использования, например, в качестве катализаторов химических процессов, или для обнаружения в воздухе различных газов, их сепарации и хранения.
Новый МОР, разработанный в НТУ им. Абдаллы, имитирует важный этап передачи энергии в фотосинтезе — естественный процесс, который растения используют для накопления энергии света и преобразования его в химическую энергию.
Эти бледно-жёлтые кристаллы МОР содержат 12 упорядоченных циркониевых кластеров и два различных органических связующих звена: это молекулы бензимидазола и тиадиазола. Связующие не просто имеют одинаковый размер и форму, но, что наиболее важно, их спектры в большой степени совпадают, что является ключевым фактором для эффективной передачи энергии.
В процессе тестирования исследователи воздействовали на МОР ультрафиолетовым светом с длиной волны 315 нанометров. Они обнаружили, что выступающий в качестве связующего звена бензимидазол поглощал свет, а затем быстро излучал энергию с большей длиной волны — в 430 нанометров, соответствующей синему свету. Связующее тиадиазол эффективно поглощал этот синий свет и переизлучал энергию в виде зелёного света с длиной волны в 530 нанометров.
Исследователи контролировали процесс передачи энергии, используя метод, называемый коррелированным по времени подсчётом одиночных фотонов, с помощью которого можно отслеживать излучение света в невероятно короткие промежутки времени. Было показано, что процесс передачи энергии между двумя связующими занимает примерно 100 пикосекунд, или сто триллионных долей секунды.
«Спроектировать и синтезировать такую светособирающую систему, а также наблюдать феномен быстрой передачи энергии непросто»,
«Но благодаря мощной исследовательской инфраструктуре НТУ им. Абдаллы у нас есть одна из лучших в мире установок для определения времени жизни фотолюминесценции в пикосекундной шкале времени»,
С помощью эксперимента исследовательская команда убедилась, что процесс передачи энергии в такой структуре имеет эффективность более 90%. Соответственно, разработанный кристалл является одним самых эффективных МОР в этой сфере на сегодняшний день.
В будущем целенаправленный контроль на молекулярном уровне может проложить путь к разработке высокоэффективных систем искусственного фотосинтеза на основе материалов МОР.
