一項突破性研究發現了可改善太陽能儲存的分子光開關。既能轉換能量又能儲存能量的分子光開關可用於提高太陽能收集的效率。研究人員利用量子計算分析了一個大型資料庫，找到了最適合這項技術的分子，標誌著在無排放太陽能利用方面邁出了重要一步。

一個研究小組利用量子計算方法為此找到了一個特別有效率的分子結構。研究小組在《Angewandte Chemie》雜誌上介紹說，他們的研究過程基於一個包含40 多萬個分子的數據集，他們對這些分子進行了篩選，以找到太陽能儲存材料的最佳分子結構。

MOST計畫： 太陽能的新途徑

目前，太陽能要么被直接用於發電，要么被間接地儲存在蓄熱器中。第三種途徑是先將太陽能儲存在感光材料中，然後在需要時釋放出來。歐盟支持的MOST（”分子太陽能熱能儲存”）計畫正在探索諸如光開關之類的分子，它們可以在室溫下吸收和儲存太陽能，從而使完全無排放地利用太陽能成為現實。

哥本哈根大學（丹麥）的Kurt V. Mikkelsen 和巴塞隆納加泰隆尼亞理工大學（西班牙）的Kasper Moth-Poulsen 研究小組對最適合這項任務的光開關進行了仔細研究。他們研究了被稱為雙環二烯的分子，這種分子在光照下會切換到高能量狀態。這種雙環二烯系統最突出的例子是降冰片二烯四環，但也存在大量類似的候選分子。研究人員解釋說：”由此產生的化學空間包括大約466,000 個雙環二烯，我們已經對它們在MOST 技術中的潛在適用性進行了篩選”。

創新的篩選方法和有希望的發現

篩選如此規模的資料庫通常是透過機器學習來完成的，但這需要大量基於真實世界實驗的訓練數據，而團隊並不具備這些數據。利用先前開發的演算法和新穎的評估分數”eta”，對資料庫中的分子進行篩選和評估後得出了一個明確的結果：得分最高的六個分子在結構的關鍵點上都與原始的降冰片二烯四環體係不同。

研究人員的結論是，這種結構變化，即雙環部分兩個碳環之間分子橋的擴大，使新分子比原來的降冰片二烯儲存了更多的能量。

研究人員的這項工作證明了優化太陽能儲存分子的潛力。不過，新分子必須先在實際條件下進行合成和測試。作者提醒說：”即使可以合成製備這些系統，也不能保證它們能溶於相關溶劑，也不能保證它們真的能像我們在eta 中假設的那樣，以高產率或根本不發生光開關。”

影響和未來潛力

儘管如此，研究團隊還是為機器學習演算法開發了一套新的、龐大的訓練資料集，從而縮短了化學家在合成前的艱苦研究步驟。作者設想，這個規模更大的雙環二烯資源庫將在各種應用的光開關研究中大顯身手，有可能使分子更容易滿足特定要求。

參考文獻：Andreas Erbs Hillers-Bendtsen、Jacob Lynge Elholm、Oscar Berlin Obel、Helen Hölzel、Kasper Moth-Poulsen 和Kurt V. Mikkelsen 於2023 年7 月25 日在Angewandte Chemie 國際版上發表的論文：”在雙環二烯的化學空間中尋找分子太陽能熱儲存候選物”。

DOI: 10.1002/anie.202309543

編譯來源：ScitechDaily