به دام اندازی انرژی خورشید در مولکولی مصنوعی

تیمی از پژوهشگران امریکایی، راهی دیگر برای بهره‌گیری از انرژی خورشید یافتند. آن‌ها مولکولی مصنوعی ساختند که می‌تواند فرایند فوتوسنتز را تقلید کند، فرایندی که گیاهان از آن برای مهار کردن انرژی خورشید استفاده می‌کنند. فوتون‌ها، یا ذرات نور، سبب می‌شوند که این مولکول مصنوعی بار الکتریکی کسب کند، آن‌گاه می‌توان این بار را برای ذخیره شدن یا تغذیه شدن به مداری الکتریکی، به کار برد.
هنگامی که یک فوتون در هر نقطه‌ای از طول مولکول به آن برخورد کند مولکول را برانگیخته می‌کند و یک الکترون را به حالت انرژی بالاتر می‌راند. این الکترون از یکی از ساختارهای حلقوی در مرکز مولکول می‌آید. ساختارهای حلقوی مولکول را حلقه‌های پورفیرین می‌نامند. وقتی که الکترون به مدار بالاتر می‌رود در حالتی است که تمایل دارد انرژی افزوده‌اش را آزاد کند و در پایین‌ترین تراز انرژی قرار گیرد. در حالت عادی، الکترون باید به جای اولش بازگردد. اما ساختمان این مولکول به گونه‌ای طراحی و ساخته شده است که الکترون در راه رسیدن به حداقل انرژی، به نقطه‌ی آغاز حرکتش باز نمی‌گردد. الکترونِ برانگیخته به حالت انرژی پایین‌تر در اتم مجاورش می‌رود یا به عبارت دیگر «می‌پرد». الکترون به پرش‌های متوالی به حالت‌های انرژی پایین‌تر بر روی اتم‌های دیگر ادامه می‌دهد و پیوسته از محل شروع واکنش دورتر می‌شود. در این پرش‌های متوالی، الکترون به انتهای مولکول بلند می‌رود، به طوری که سرانجام یک انتهای مولکول دارای بار الکتریکی منفی (الکترون اضافی) و انتهای دیگر آن دارای بار الکتریکی مثبت (کمبود الکترون) می‌شود. در این فرایند «جدا سازی بار»، در حدود نیمی از انرژی فوتون به صورت انرژی پتانسیل شیمیایی ذخیره می‌شود. گیاهان و بعضی از باکتری‌ها، از واکنش جداسازی بار برای به جریان انداختن مراحل شیمیایی فوتوسنتز استفاده می‌کنند.
دانشمندان، پیش از این نیز مولکول‌های مشابهی ساخته بودند که به همین اندازه می‌توانستند انرژی نور را جذب کنند، اما در آن مولکول‌ها بارهای الکتریکی در دو انتهای مولکول تنها برای مدت تقریباً سی‌صد نانو ثانیه (نانو=9-10) از یک‌دیگر جدا باقی می‌مانند و سپس مولکول، انرژی ذخیره شده را به صورت نور یا گرما پس می‌دهد. اما در مولکول مورد بحث، بارهای الکتریکی به مدت پنجاه و پنج میکروثانیه (میکرو=6-10) جدا از یک‌دیگر می‌مانند که این زمان برای گردآوری بارها توسط ماده‌ای رسانا (مثلاً سیم برق) یا مواد شیمیایی کافی است.
این مولکول مصنوعی از گروه‌های شیمیایی به نام پورفیرین، کاروتنوئید، و کینون ساخته شده است، که مانند همان گروه‌هایی هستند که در گیاهان و باکتری‌ها وجود دارند و از آن‌ها برای جمع‌ آوری نور استفاده می‌کنند. تنها تفاوت مولکول‌های طبیعی و مصنوعی، تفاوت در پیکربندی این گروه‌های شیمیایی است. اگر دو انتهای باردار مولکول مصنوعی، به وسیله‌ی غشا از یک‌دیگر جدا شوند، به طوری که بارها نتوانند از یک طرف غشا به طرف دیگر حرکت کنند و جا به جا شوند، می‌توان از بارهای جمع شده در دو انتهای مولکول برای پیش راندن واکنش‌های شیمیایی استفاده کرد که انرژی موجود را برای استفاده‌ی بعدی ذخیره می‌کنند، شبیه به همان روشی که انرژی در باتری ذخیره می‌شود. به صورتی دیگر، می‌توان مولکول‌ها را در فیلمی نازک قرار داد که دو انتهای آن دارای اتصال‌ها و سیم‌های الکتریکی است. در این صورت، جداسازی بار در مولکول می‌تواند جریانی الکتریکی برقرار کند.
در آینده احتمالاً از چنین مولکول‌هایی در تکنولوژی الکترونیک مولکولی نیز استفاده خواهد شد. پژوهشگران دیگری نیز تلاش دارند تا با استفاده از مولکول‌های منفرد، مدارهای الکترونیکی بسازند. این مولکول‌های مصنوعی، به عنوان باتری‌های خورشیدی نیز قابل استفاده‌اند.
منبع: راسخون