大自然为太阳能技术的潜在突破提供了路线图

随着决策者在应对全球气候变化方面越来越多地转向科学，密歇根州立大学的一位科学家正在寻求自然界来开发下一代太阳能技术。

詹姆斯·麦卡斯克MSU基金会教授，化学系，认为太阳能的未来能源设计，模拟和谎言在丰富的，可伸缩的材料，在提高了能量转换系统在自然界中发现。

在《自然》杂志的一项开创性的新研究中，麦库斯克揭示了一种新的过程，该过程使分子能够告诉科学家如何对其进行修饰以更好地吸收和转化太阳能。该方法使用一种称为量子相干性的分子特性，其中分子的各个方面是同步的，例如当您的汽车的转向信号灯与您前面的汽车的信号灯同步闪烁时。科学家认为，量子相干性可能在自然光合作用中起作用。

McCusker说：“我们的工作是任何人第一次尝试将从量子相干中收集到的信息作为指南(路线图)来提出分子结构最重要的方面是什么，这些方面对给定特性有贡献。”“我们正在使用复杂的科学，为自然界提供手段，向我们传授我们在实验室中需要关注的内容。”

阳光虽然丰富，却是一种低密度的能源。要收集有意义的能量，您需要更大的空间。但是，当今用于太阳能转换的最有效材料，例如钌，是地球上一些最稀有的金属。未来的太阳能技术必须能够通过更高效，更便宜的能量转换方法进行扩展。

麦库斯克说：“当我在大学或普通大众中谈论能源科学时，我半开玩笑地说树木上有很多树叶。”“好吧，有很多树叶是有原因的：由于来自阳光的能量密度相对较低，光捕获是一个材料密集型的问题。大自然通过产生很多树叶解决了这个问题。”

用于人工光合作用的常用合成方法中的光吸收化合物利用分子吸收太阳光能量后产生的激发分子态。光能的吸收存在时间足够长，可用于依赖于将电子从一个位置移动到另一个位置的能力的化学反应。一种可能的解决方案是找到可以实现相同结果的更通用的材料。

“从(稀土金属)切换到像铁这样富含地球的东西(可扩展性问题消失了)的问题是，在这些更广泛使用的材料中，允许您将吸收的阳光转化为化学能的过程根本不同，麦库斯克说。例如，通过吸收铁基化合物中的光能而产生的激发态衰减太快而无法以类似方式使用。

输入量子相干性作为指导。通过用不到一万亿分之一秒的十分之一的光脉冲击中一个分子，麦库斯克和他的学生可以观察到该分子的激发态与其结构之间的相互联系，从而使他们可以直观地看到该分子的原子如何运动。在太阳能转化为化学能的过程中。

McCusker说：“一旦我们了解了该过程如何发生，该团队便利用该信息对分子进行了合成修饰，从而减慢了该过程的速度。”“如果这些类型的发色团(一种吸收特定波长的可见光并负责材料颜色的分子)要找到进入太阳能技术的途径，那么这是必须实现的重要目标。”

“研究表明，我们可以利用这种相干现象来告诉我们，可能需要将哪些种类的东西整合到发色团的分子结构中，而发色团使用了地球上更多的材料，从而使我们能够利用吸收时分子中存储的能量的光用于各种能量转换应用。”

对于McCusker而言，这一突破将有望加速新技术的开发，“通过告诉我们马上要设计什么样的系统，消除了科学尝试中的许多反复试验”。

接下来是什么?“基于油漆碎片和锈蚀的太阳能电池怎么样?”麦库斯克说。“我们还不存在，但是这项研究背后的想法是利用量子相干性来利用分子已经拥有的信息，然后利用这些信息来改变游戏规则。”

文章“利用激发态相干性对超快动力学进行综合控制”出现在《自然》杂志的封面上。

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