Azulen. Błękit słonecznej rewolucji
Jednym z głównych wyzwań inżynieryjnych ery odnawialnych źródeł energii jest znalezienie sposobów na zwiększenie wydajności paneli słonecznych. W badaniach przeprowadzonych przez Instytut Chemii Organicznej i Biochemii (IOCB) w Pradze zbadano interesujące właściwości związku chemicznego o nazwie azulen, znanego z tego, że emituje niebieskie światło, łamiąc przy tym, jak się wydaje, jedną ze znanych nam, zasad fotochemii. To ta anomalia właśnie sprawia, że azulen jest taki ciekawy.
Poznanie bowiem mechanizmu, za pomocą którego cząsteczki takie jak azulen przekształcają energię w procesie fluorescencji, może pomóc w poszukiwaniach rozwiązań, które pozwoliłyby na bardziej wydajne przekształcanie fotonów słonecznych w użyteczną energię elektryczną w ogniwach fotowoltaicznych.
Antyaromatyczny i nieszczęśliwy
Kiedy Charles Fritts zbudował pierwsze ogniwo słoneczne w 1883 roku, pokrywając selen złotem, osiągnęło ono wydajność poniżej jednego procenta. Oznacza to, że ze wszystkich fotonów, docierających do układu zbudowanego przez Frittsa, zaledwie jedna setna była przekształcana w energię elektryczną.
W ciągu kolejnych 140 lat poczyniliśmy znaczne postępy. Najbardziej obecnie wydajne ogniwo słoneczne na świecie, skonstruowane przez amerykańskie Narodowe Laboratorium Energii Odnawialnej w 2020 roku, konwertuje 47,1 proc. energii słonecznej na moc użyteczną. To już prawie połowa, jednak wciąż druga połowa jest niewykorzystana, nie wspominając tym, że te panele fotowoltaiczne, których miliony jest zainstalowanych na świecie, mają rzeczywistą sprawność znacząco mniejszą niż rekordowa konstrukcja. W rzeczywistości średnia jest bliższa jednej trzeciej rekordu.
Azulen jest związkiem organicznym, izomerem naftalenu. Naftalen jest bezbarwny, podczas gdy azulen jest ciemnoniebieski. Nazwa związku pochodzi od jego koloru. „Azul” po hiszpańsku znaczy „niebieski”. Dwa terpenoidy, vetivazulen (4,8-dimetylo-2-izopropialazulen) i guaiazulen (1,4-dimetylo-7-izopropialazulen), które charakteryzują się szkieletem azulenowym, występują w naturze jako składniki pigmentów w grzybach (1), oleju z drewna guaiac i w niektórych bezkręgowcach morskich.
Zdjęcie: https://commons.wikimedia.org
Azulen ma długą historię, sięgającą XV wieku. Był uzyskiwany w wyniku destylacji rumianku z parą wodną. Został odkryty w krwawniku i piołunie. Nazwę swoją uzyskał w 1863 roku dzięki Septimusowi Piesse. Jednak do lat 70. XX wieku uczeni nie za bardzo rozumieli, dlaczego jest „azul”, czyli niebieski. Niedawne odkrycia dodały mu jeszcze tajemniczości. Okazało się bowiem, że zachowania fotochemiczne jego cząsteczek sprzeczne są z tzw. regułą Kashy (nazwaną tak na cześć amerykańskiego badacza Michaela Kashy). Reguła ta wyjaśnia, w jaki sposób cząsteczki emitują światło w różnych stanach wzbudzonych.
Niedawno naukowcy z Instytutu Chemii Organicznej i Biochemii (IOCB) w Pradze starali się wyjaśnić, dlaczego azulen narusza to dobrze ugruntowane prawo chemii, a wyniki ich badań zostały opublikowane w czasopiśmie „American Chemical Society”.
„Opiera się to na aromatyczności i antyaromatyczności tej cząsteczki w różnych stanach wzbudzonych”, wyjaśnia główny autor pracy, Tomáš Slanina, w komunikacie prasowym. „Możemy myśleć o aromatyczności jako o rodzaju wewnętrznej stabilizacji cząsteczki. Gdy cząsteczka jest aromatyczna, jest szczęśliwa i stabilna. Kiedy jest antyaromatyczna, stara się w jakiś sposób uciec od tego stanu”.
W przypadku azulenu cząsteczka jest aromatyczna, czyli stabilna, w stanie podstawowym. Antyaromatyczna jest w pierwszym stanie wzbudzonym. Ponieważ azulen za wszelką cenę uciec z tego „nieszczęśliwego” stanu, spada do stanu wzbudzonego drugiego poziomu w ciągu kilku pikosekund (pikosekunda to 0,000000000001 sekundy). Dzieje się to tak szybko, że cząsteczka nie zdąża nawet wyemitować światła. Azulen w tym stanie wzbudzonym drugiego poziomu jest aromatyczny przez nanosekundę, co według naszej miary, jest nadal niewiarygodnie krótkim czasem, ale to w zupełności wystarcza, by cząsteczka wyemitowała foton o wysokiej energii, czyli światło we fluorescencji. Dlatego energia tego stanu wzbudzonego nie jest w żaden sposób tracona i jest całkowicie przekształcana w wysokoenergetyczny foton. Zjawisko to, zachodzące ze stanu górnego wzbudzenia, to jest właśnie naruszenie reguły Kashy.
Zespół Slaniny w swoich wynikach podpowiada możliwe rozwiązanie problemów, o których mowa na początku artykułu. Może stanowić bowiem sposób na to, by energia fotonów przechwycona przez cząsteczkę nie była tracona i mogła być dalej wykorzystywana (np. do przenoszenia energii między cząsteczkami lub do separacji ładunków w ogniwach słonecznych). Celem jest stworzenie cząsteczek, które zarządzają energią świetlną maksymalnie efektywnie. Dodatkowo, naukowcy pokazują w wielu przypadkach, że właściwość azulenu jest możliwa do przeniesienia. Można ją dołączyć do struktury dowolnej cząsteczki aromatycznej, dzięki czemu ta uzyskuje właściwości azulenu.
Mirosław Usidus
