黑暗中也能獲取太陽(yáng)能

張長(zhǎng)青/編譯

●太陽(yáng)能領(lǐng)域下一個(gè)大事件可能要轉(zhuǎn)入微觀世界了。研究人員發(fā)現(xiàn)，若能搞定“光電開(kāi)關(guān)”在材料上的突破，使其具備電池功能，就可根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)能量的吸收與釋放。

麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了一種在分子中存儲(chǔ)太陽(yáng)能的方法——利用該方法可以向家庭供暖、供水，或用于烹飪。

值得贊賞的是，分子能永久性的儲(chǔ)存熱量，或無(wú)休止地重復(fù)使用，而且不會(huì)排放溫室氣體。盡管研究人員還有所保守，但他們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中成功演示了被稱(chēng)為光電開(kāi)關(guān)現(xiàn)象的可行性。

麻省理工學(xué)院的研究人員在《自然-化學(xué)》雜志上發(fā)表的論文中敘述道：“被稱(chēng)為光電開(kāi)關(guān)的一些分子可以呈現(xiàn)出兩種不同形狀（它們剛好處在一個(gè)鉸鏈的中間位置上），當(dāng)其暴露在陽(yáng)光下的時(shí)候，這些分子開(kāi)始吸收能量，進(jìn)而從一個(gè)配置狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)形態(tài)，然后會(huì)穩(wěn)定很長(zhǎng)一段時(shí)間。”

如果想要將能量釋放出來(lái)，你只需將分子暴露在少量的光線、熱能或電能下，當(dāng)它們轉(zhuǎn)回到另一種形狀時(shí)便會(huì)發(fā)出熱量。研究人員稱(chēng)：“實(shí)際上，它們的行為就類(lèi)似可供充電的熱電池組，從太陽(yáng)中吸取能量，無(wú)限期地將其存儲(chǔ)起來(lái)，然后根據(jù)需要將能量再釋放出來(lái)。”

研究人員使用了一種具有光電開(kāi)關(guān)效應(yīng)的偶氮苯物質(zhì)，將分子附著在由碳納米管制成的基板上。這項(xiàng)工作具有一定的挑戰(zhàn)性：研究人員要將這些分子緊密地壓實(shí)在一起，才能獲得足夠的能量密度，以期產(chǎn)生可用的熱量（在早期計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)中，由于放置的分子數(shù)量太少，甚至連所需的一半都沒(méi)達(dá)到，試驗(yàn)往往都以失敗告終）。

當(dāng)能量密度達(dá)到預(yù)計(jì)增長(zhǎng)的30%后，情況發(fā)生了逆轉(zhuǎn)。研究人員發(fā)現(xiàn)，問(wèn)題的關(guān)鍵并非是要讓偶氮苯分子壓實(shí)在單個(gè)碳納米管上，而是各個(gè)納米管要緊密地靠在一起。這是因?yàn)榕嫉椒肿訒?huì)在碳納米管上形成“牙齒”鏈，而這些牙齒鏈會(huì)與相鄰的碳納米管發(fā)生咬扣聯(lián)結(jié)。其結(jié)果是，所需能量的存儲(chǔ)是巨大的。

據(jù)研究人員介紹，這意味著具有光電開(kāi)關(guān)效應(yīng)的分子與基質(zhì)的不同組合可以達(dá)到相同的或更大的能量?jī)?chǔ)存能力。

如果這項(xiàng)技術(shù)能夠得以商業(yè)化，分子太陽(yáng)能存儲(chǔ)工作將會(huì)如何展開(kāi)呢?該論文的第一作者蒂摩西·庫(kù)哈爾斯基（Timothy Kucharski）認(rèn)為，最有可能的存儲(chǔ)方式應(yīng)該是液態(tài)形式，因?yàn)檫@便于運(yùn)輸。“也可能通過(guò)改變物料的流動(dòng)性，從儲(chǔ)罐的某個(gè)窗口或透明管道讓液體暴露在太陽(yáng)光下，然后輸送到另一座儲(chǔ)罐。這樣一來(lái)，即使陽(yáng)光不燦爛也無(wú)關(guān)緊要，所儲(chǔ)備的帶電材料能隨時(shí)派上用場(chǎng)。”

庫(kù)哈爾斯基說(shuō)：“對(duì)于那些利用太陽(yáng)能做飯的人來(lái)說(shuō)，他們需要在白天將太陽(yáng)能設(shè)備置于太陽(yáng)的照射下，而我們的這個(gè)應(yīng)用程序則是一個(gè)純粹的重力驅(qū)動(dòng)過(guò)程，材料從一座儲(chǔ)罐流到另一個(gè)儲(chǔ)罐。通過(guò)限制流量便可以保證暴露在太陽(yáng)下的時(shí)間足夠長(zhǎng)，使材料獲得完全充電。做晚飯時(shí)，太陽(yáng)已經(jīng)下山了，而我們可以逆向倒罐，靠重力驅(qū)動(dòng)，讓吸收過(guò)能量的材料產(chǎn)生熱能供我們烹飪之用。”

他補(bǔ)充道：“當(dāng)材料回流到原來(lái)的儲(chǔ)罐時(shí)，它要經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能催化固定膜——這個(gè)固定膜能觸發(fā)能量釋放過(guò)程，進(jìn)而達(dá)到加熱烹飪?cè)O(shè)備表面的目的。”

庫(kù)哈爾斯基表示，他們的研究團(tuán)隊(duì)正在探索其他具有光電開(kāi)關(guān)效應(yīng)的分子和基質(zhì)，目的是設(shè)計(jì)出一個(gè)既能吸收更多太陽(yáng)能量、同時(shí)還能形成規(guī)模的系統(tǒng)。