Химики изобрели «жидкий аккумулятор»
Вдохновившись процессами движения и деления клеток, химики-материаловеды синтезировали вещество, которое можно назвать жидким аккумулятором. Это жидкость, которая заряжается от света, превращается в гель и может месяцами хранить энергию, чтобы отдать ее при контакте с кислородом.
Разработчики довольно сдержаны — свое детище они считают только концепцией, хотя и очень многообещающей. И впрямь — одно-единственное вещество, без единого атома металла, может одновременно собирать, запасать и расходовать энергию. Поведение молекулы «поразительно», считает профессор Франк Креспильо из Университета Сан-Паулу.
Материал описан в журнале Chem. Примером для него послужил цитоскелет — постоянно перестраивающаяся сеть белковых нитей внутри клетки, которая позволяет ей двигаться и делиться. Для воспроизведения этой динамики соединили аминонафталиновый ароматический блок, который реагирует на свет, и метилвиологен, способный запасать электроны. Результат получил обозначение ANI-MV²⁺.
Исходно это желтая жидкость. При попадании света ANI-фрагмент молекулы поглощает энергию и передает электроны виологеновой части. Эти перераспределенные электроны по сути играют роль клея — поглощение энергии заставляет молекулы перестраиваться в устойчивые ленточные агрегаты, превращая желтую жидкость в черный гель, в котором электроны остаются в высокоэнергетическом состоянии.
При контакте с кислородом гель разбирается обратно в жидкость, высвобождая электроны. Выделяемая при этом энергия может использоваться для запуска химических реакций, то есть жидкость работает как батарея — и после разряда ее снова можно «зарядить».
«Это как если бы мы поместили свет в бутылку», — сравнивает профессор Сэмюэл Стапп из Северо-Западного университета, руководивший разработкой.
По его словам, искусственные фотосинтетические системы, способные превращать свет в химическую энергию, уже существуют. Например, фотоэлектролитические ячейки с помощью света расщепляют воду на водород и кислород, которые затем можно сжигать как топливо. Однако новинка стала первым материалом, состоящим из одного компонента, который к тому же способен обратимо запасать эту энергию для последующего использования по мере необходимости. Более того, субстанцию можно заряжать не только светом, но и электричеством, химическим топливом и даже рентгеном.
Материал пока на совсем ранней стадии разработки, поэтому изобретатели воздерживаются от далеко идущих прогнозов о его применении. Тем не менее, очевидно, что способность соединения удерживать и высвобождать энергию по требованию может сделать его полезным для систем хранения энергии будущего — например, для питания умных часов или других легких носимых устройств.
Еще одной областью применения может стать мягкая электроника. Поскольку гелевая форма материала обладает свойствами полупроводника, он мог бы стать альтернативой кремнию в тех устройствах, где важна эластичность и отсутствие металлов, например, в некоторых типах медицинских имплантатов или сенсоров.
Как бы то ни было, до практического применения в качестве накопителя энергии пока далеко, предупреждает Креспильо. Чтобы доказать реальную пользу материала, необходимо провести испытания, аналогичные тем, которым сегодня подвергаются перезаряжаемые батареи — оценить выходную мощность и стабильность при многократных циклах зарядки-разрядки.
Но если разработку продолжат, она может ознаменовать долгожданный отход от энергетических технологий прошлого века, в которых безраздельно господствовали металлы и неорганические вещества. «Я в полном восторге от этой работы», — заключает химик.
