Avanceret røntgenudstyr og kemiske computersimuleringer har givet en gruppe forskere fra DTU mulighed for at skabe en banebrydende ”molekyle film”, der afslører dynamikken mellem molekyler og deres omgivelser. Resultater der ikke mindst er væsentlige i forhold til at kunne forbedre udnyttelsen af solenergi.
Samarbejdet mellem både fysikere og kemikere på DTU har gjort forskerne i stand til at opnå den nye og større indsigt i molekylernes dynamiske effekter. Opdagelsen indeholder et stort potentiale og åbner vejen til fremover at kunne efterligne den naturlige fotokatalyses evne til eksempelvis at lagre energi fra solen eller producere brintbrændstof af vand.
”Vi er med vores eksperimenter nået frem til en erkendelse og forståelse af vekselvirkningen mellem farvestof- og solvent- molekylerne, som ingen før har kendt. Det har kun været muligt, fordi vi både har benyttet os af de mest moderne røntgenstrålefaciliteter ved LCLS på Stanford i USA, kombineret med avanceret databehandling og kemiske beregninger,” forklarer professor Martin Meedom Nielsen, DTU Fysik, der har stået i spidsen for den eksperimentelle del af forskningen. Også samarbejdspartnere fra Stanford, European XFEL i Hamborg, og KAIST i Sydkorea har været inddraget.
Avanceret røntgenstråling og kemiske computersimuleringer
Dynamikken mellem farvestoffer og solventen i fotokatalysen sker fantastisk hurtigt – i løbet af nogle få hundrede femtosekunder. Hundrede femtosekunder eller 0.0000000000001 sekund er den tid, det tager lyset at rejse 0,003 mm, bredden på et menneskehår. Det vil sige, at det kræver meget avanceret udstyr for at kunne følge disse ultrahurtige bevægelser.
Resultaterne af eksperimenterne var dog svære at forstå for forskerne, og først da professor Klaus Braagaard Møller bidrog med kemiske computersimuleringer, lykkedes det.
”Ved hjælp af beregninger kunne vi påvise, at før molekylerne optager lyset, er de bundet til solventmolekylerne med mange forskellige og ikke specifikke vekselvirkninger. Men når først molekylerne har absorberet lyset, ændrer denne vekselvirkning sig til at blive meget specifik ved, at solventmolekylerne roterer 180 grader og hægter sig på den aktive del af fotokatalysen”, forklarer professor Klaus Braagaard Møller, DTU Kemi.
”Det er en af de mest interessante kemiske beregninger, vi nogensinde har foretaget – og den viser, at vi er nået til et præcisions- og kompleksitetsniveau, hvor vi kan begynde at forudsige hvordan et givent fotokatalytisk system vil vekselvirke med dets omgivelser på grund af lysabsorberingen,” fortsætter Klaus Braagaard Møller.
Resultatet har stor betydning for udnyttelse af solenergi
De danske forskere er blandt verdens førende på deres felt. De glæder sig til at bruge den erhvervede forståelse til at få yderligere indsigt i dynamikken mellem molekyler.
”Ved at anvende vores ”smarte” kemi bliver det muligt at gøre udnyttelsen af solenergi meget mere effektiv, end den er i dag. Den store udfordring er at fastholde et højt energiniveau i farvestoffet i så lang tid som muligt, så den kan overføres det elektriske system. Nu har vi taget det første skridt til at vise at vi kan komme til at forstå sådanne processer. Og at det har potentialet til at give en væsentlig forbedring af effektivteten af farvestoffer i solceller og fotokatalysatorer. Næste skridt er at udvide undersøgelserne til at omfatte andre farvestoffer og solventer, som er tættere på anvendelserne i dag,” slutter professor Martin Meedom.
Resultaterne af forskningen er netop offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications. Læs artiklen her!