À medida que os formuladores de políticas se voltam cada vez mais para a ciência ao abordar a mudança climática global, um cientista da Michigan State University está olhando para a natureza para desenvolver a próxima geração de tecnologia de energia solar.

Professor da Fundação MSU, James McCusker, Departamento de Química, acredita que o futuro da energia solar está em abundância, materiais escaláveis ​​projetados para imitar e melhorar os sistemas de conversão de energia encontrados na natureza.

Em um novo estudo inovador em Natureza , McCusker revela um novo processo que permite que as moléculas digam aos cientistas como devem ser modificadas para melhor absorver e converter a energia solar. O método usa uma propriedade molecular conhecida como coerência quântica, onde diferentes aspectos de uma molécula são síncronos, como quando a seta do seu carro pisca em uníssono com a do carro à sua frente. Os cientistas acreditam que a coerência quântica pode desempenhar um papel na fotossíntese natural.

"Nosso trabalho é a primeira vez que alguém tenta usar ativamente as informações coletadas da coerência quântica como um guia - um roteiro - para sugerir quais são os aspectos mais importantes da estrutura de uma molécula que contribuem para uma determinada propriedade, "McCusker disse." Estamos usando uma ciência sofisticada que fornece os meios para a natureza nos ensinar o que precisamos nos concentrar no laboratório. "

Luz solar, embora abundante, é uma fonte de energia de baixa densidade. Para coletar quantidades significativas de energia, você precisa de uma quantidade maior de espaço. Contudo, os materiais mais eficazes em uso hoje para conversão de energia solar, como o rutênio, são alguns dos metais mais raros da Terra. As futuras tecnologias solares devem ser capazes de crescer com métodos mais eficientes e baratos de conversão de energia.

“Quando dou palestras sobre ciências da energia em escolas de graduação ou para o público em geral, Eu meio que brincando, digo que há muitas folhas nas árvores por uma razão, "McCusker disse." Bem, há muitas folhas por um motivo:A captura de luz é um problema de material intensivo devido à densidade (relativamente) baixa da energia da luz solar. A natureza resolve esse problema produzindo muitas folhas. "

Os compostos que absorvem luz em métodos sintéticos comuns para fotossíntese artificial usam estados moleculares excitados produzidos depois que uma molécula absorve energia da luz solar. A absorção de energia luminosa existe por tempo suficiente para ser usada em reações químicas que dependem da capacidade de mover elétrons de um lugar para outro. Uma solução possível é encontrar materiais mais comumente disponíveis que possam alcançar o mesmo resultado.

"O problema de mudar (de metais raros da Terra) para algo abundante na Terra como o ferro - onde o problema de escalabilidade desaparece - é que os processos que permitem converter a luz solar absorvida em energia química são fundamentalmente diferentes nesses materiais mais amplamente disponíveis, "Disse McCusker. O estado de excitação produzido pela absorção da energia da luz em um composto à base de ferro, por exemplo, decai muito rapidamente para permitir seu uso de maneira semelhante.

Insira a coerência quântica como guia. Ao atingir uma molécula com uma explosão de luz que dura menos de um décimo de um trilionésimo de segundo, McCusker e seus alunos puderam observar a interconexão entre o estado de excitação da molécula e sua estrutura, permitindo-lhes visualizar como os átomos da molécula se moviam durante a conversão da energia solar em química.

"Assim que obtivemos uma imagem de como esse processo ocorreu, a equipe usou essa informação para modificar sinteticamente a molécula de forma a desacelerar a velocidade do processo, "McCusker disse." Esta é uma meta importante que deve ser alcançada se esses tipos de cromóforos - uma molécula que absorve comprimentos de onda específicos da luz visível e são responsáveis ​​pela cor de um material - encontrem seu caminho nas tecnologias de energia solar. "

"A pesquisa demonstra que podemos usar esse fenômeno de coerência para nos ensinar que tipo de coisas podemos precisar incorporar na estrutura molecular de um cromóforo que usa materiais mais abundantes na terra para nos permitir usar a energia armazenada na molécula durante a absorção de luz para uma ampla gama de aplicações de conversão de energia. "

Para McCusker, espera-se que essa descoberta acelere o desenvolvimento de novas tecnologias, "eliminando muitas das tentativas e erros que entram em empreendimentos científicos, dizendo-nos desde o início que tipo de sistema precisamos projetar."

Qual o proximo? "Que tal uma célula solar baseada em lascas de tinta e ferrugem?" Disse McCusker. "Ainda não chegamos lá, mas a ideia por trás dessa pesquisa é usar a coerência quântica para acessar as informações que a molécula já possui e, em seguida, usar essas informações para mudar as regras do jogo. "

O artigo, "Aproveitando a coerência de estado excitado para o controle sintético da dinâmica ultrarrápida" aparece na capa do Natureza .