Việc sưởi ấm chiếm gần một nửa nhu cầu năng lượng toàn cầu, và hai phần ba trong số đó được đáp ứng bằng cách đốt nhiên liệu hóa thạch như khí đốt tự nhiên, dầu mỏ và than đá. Năng lượng mặt trời là một giải pháp thay thế khả thi, nhưng trong khi chúng ta đã khá giỏi trong việc lưu trữ điện năng mặt trời trong pin lithium-ion, thì việc lưu trữ nhiệt năng lại chưa thực sự hiệu quả.

Để lưu trữ nhiệt trong nhiều ngày, nhiều tuần hoặc nhiều tháng, bạn cần giữ năng lượng trong các liên kết của phân tử, sau đó phân tử này có thể giải phóng nhiệt khi cần. Phương pháp giải quyết vấn đề hóa học cụ thể này được gọi là lưu trữ năng lượng nhiệt mặt trời phân tử (MOST). Mặc dù đã được coi là xu hướng đầy hứa hẹn trong nhiều thập kỷ, nhưng nó chưa bao giờ thực sự phát triển mạnh.

Trong một bài báo gần đây trên tạp chí Science , một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học California, Santa Barbara và UCLA đã chứng minh một bước đột phá có thể giúp cho việc lưu trữ năng lượng MOST trở nên hiệu quả.

Mối liên hệ DNA

Trước đây, hầu hết các giải pháp lưu trữ năng lượng đều gặp phải vấn đề hiệu suất kém. Các phân tử hoặc không lưu trữ đủ năng lượng, bị phân hủy quá nhanh, hoặc cần các dung môi độc hại khiến chúng không thực tế. Để tìm cách khắc phục những vấn đề này, nhóm nghiên cứu do Han P. Nguyen, một nhà hóa học tại Đại học California, Santa Barbara dẫn đầu, đã lấy cảm hứng từ tổn thương di truyền do cháy nắng gây ra. Ý tưởng là lưu trữ năng lượng bằng một phản ứng tương tự như phản ứng cho phép tia cực tím làm tổn thương DNA.

Khi bạn ở ngoài bãi biển quá lâu, tia cực tím năng lượng cao có thể khiến các bazơ liền kề trong DNA (thymine, chữ T trong mã di truyền) liên kết với nhau. Điều này tạo thành một cấu trúc được gọi là tổn thương (6-4). Khi tổn thương đó tiếp xúc với nhiều tia cực tím hơn nữa, nó sẽ xoắn lại thành một hình dạng kỳ lạ hơn nữa được gọi là đồng phân “Dewar”. Trong sinh học, đây là tin khá xấu, vì đồng phân Dewar gây ra các khúc uốn trong cấu trúc xoắn kép của DNA, làm gián đoạn quá trình sao chép DNA và có thể dẫn đến đột biến hoặc ung thư.

Để chống lại tác động này, quá trình tiến hóa đã tạo ra một loại enzyme cụ thể gọi là photolyase để tìm kiếm (6-4) các tổn thương và đưa chúng trở lại dạng an toàn, ổn định.

Các nhà nghiên cứu nhận ra rằng đồng phân Dewar về cơ bản là một loại pin phân tử. Hiệu ứng bật ngược này chính xác là điều mà nhóm của Nguyen đang tìm kiếm, vì nó giải phóng rất nhiều nhiệt.

Nhiên liệu có thể tái sử dụng

Về nguyên tắc, pin phân tử có khả năng lưu trữ năng lượng cực kỳ tốt. Dầu sưởi, có thể nói là loại pin phân tử phổ biến nhất mà chúng ta sử dụng để sưởi ấm, về cơ bản là năng lượng mặt trời cổ đại được lưu trữ trong các liên kết hóa học. Mật độ năng lượng của nó vào khoảng 40 Megajoule trên mỗi kg. Để dễ hình dung hơn, pin Li-ion thường có mật độ năng lượng dưới 1 MJ/kg. Tuy nhiên, một trong những vấn đề của dầu sưởi là nó chỉ sử dụng được một lần – nó sẽ bị đốt cháy khi bạn sử dụng. Điều mà Nguyen và các đồng nghiệp của cô ấy hướng tới với chất liệu lấy cảm hứng từ DNA của họ về cơ bản là một loại nhiên liệu có thể tái sử dụng.

Để làm được điều đó, các nhà nghiên cứu đã tổng hợp một dẫn xuất của 2-pyrimidone, một chất hóa học có cấu trúc tương tự như thymine được tìm thấy trong DNA. Họ đã thiết kế phân tử này để nó có thể gấp lại thành dạng đồng phân Dewar dưới ánh sáng mặt trời và sau đó mở ra theo yêu cầu. Kết quả là một loại nhiên liệu có thể sạc lại, có khả năng hấp thụ năng lượng khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, giải phóng năng lượng khi cần thiết và trở lại trạng thái "thư giãn" sẵn sàng để được sạc lại.

Các nỗ lực trước đây nhằm phát triển hệ thống MOST đều gặp khó khăn trong việc cạnh tranh với pin Li-ion. Norbornadiene, một trong những ứng cử viên được nghiên cứu kỹ lưỡng nhất, chỉ đạt tối đa khoảng 0,97 MJ/kg. Một ứng cử viên khác, azaborinine, chỉ đạt 0,65 MJ/kg. Chúng có thể thú vị về mặt khoa học, nhưng chúng sẽ không đủ để sưởi ấm ngôi nhà của bạn.

Hệ thống dựa trên pyrimidone của Nguyen đã vượt xa những con số đó. Các nhà nghiên cứu đã đạt được mật độ lưu trữ năng lượng là 1,65 MJ/kg—gần gấp đôi dung lượng của pin Li-ion và cao hơn đáng kể so với bất kỳ vật liệu MOST nào trước đây.

Vòng đôi

Nguyên nhân dẫn đến sự cải thiện đáng kể về hiệu suất này là do điều mà nhóm nghiên cứu gọi là sự căng thẳng tích lũy.

Khi phân tử pyrimidone hấp thụ ánh sáng, nó không chỉ gập lại mà còn xoắn thành một cấu trúc hai vòng hợp nhất, chứa hai vòng bốn cạnh khác nhau: 1,2-dihydroazete và diazetidine. Các vòng bốn cạnh chịu lực căng cấu trúc rất lớn. Bằng cách hợp nhất chúng lại với nhau, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một phân tử rất muốn bật trở lại trạng thái thư giãn ban đầu.

Đạt được mật độ năng lượng cao trên lý thuyết là một chuyện. Biến nó thành hiện thực trong thế giới thực lại là chuyện khác. Một nhược điểm lớn của các hệ thống MOST trước đây là chúng ở dạng rắn, cần phải hòa tan trong các dung môi như toluen hoặc axetonitril để hoạt động. Dung môi là kẻ thù của mật độ năng lượng – ví dụ, bằng cách pha loãng nhiên liệu xuống nồng độ 10%, bạn sẽ làm giảm mật độ năng lượng xuống 90%. Bất kỳ dung môi nào được sử dụng đều đồng nghĩa với việc sử dụng ít nhiên liệu hơn.

Nhóm của Nguyen đã giải quyết vấn đề này bằng cách thiết kế một phiên bản phân tử của họ ở dạng lỏng ở nhiệt độ phòng, do đó không cần dung môi. Điều này đã đơn giản hóa đáng kể các hoạt động, vì nhiên liệu lỏng có thể được bơm qua bộ thu năng lượng mặt trời để sạc và lưu trữ trong bể chứa.

Không giống như nhiều phân tử hữu cơ kỵ nước, hệ thống của Nguyen tương thích với môi trường nước. Điều này có nghĩa là nếu đường ống bị rò rỉ, bạn sẽ không thải ra các chất lỏng độc hại như toluene khắp nhà. Các nhà nghiên cứu thậm chí còn chứng minh rằng phân tử này có thể hoạt động trong nước và năng lượng giải phóng của nó đủ mạnh để làm sôi nước.

Theo bài báo của nhóm nghiên cứu, hệ thống sưởi dựa trên công nghệ MOST sẽ tuần hoàn nhiên liệu có thể sạc lại này qua các tấm pin trên mái nhà để thu ánh sáng mặt trời, sau đó lưu trữ trong bể chứa ở tầng hầm. Nhiên liệu từ bể chứa này sau đó sẽ được bơm đến buồng phản ứng với chất xúc tác axit để kích hoạt quá trình giải phóng năng lượng. Tiếp theo, thông qua bộ trao đổi nhiệt, năng lượng này sẽ làm nóng nước trong hệ thống sưởi trung tâm tiêu chuẩn.

Nhưng có một điều cần lưu ý.

Đang tìm kiếm nguồn rò rỉ

Trở ngại đầu tiên là phổ ánh sáng cung cấp năng lượng cho nhiên liệu của Nguyen. Mặt trời chiếu rọi chúng ta bằng một phổ ánh sáng rộng, từ hồng ngoại đến cực tím. Lý tưởng nhất, một bộ thu năng lượng mặt trời nên sử dụng càng nhiều phổ này càng tốt, nhưng các phân tử pyrimidone chỉ hấp thụ ánh sáng trong phạm vi UV-A và UV-B, khoảng 300-310 nm. Điều đó chỉ chiếm khoảng năm phần trăm tổng phổ mặt trời. Phần lớn năng lượng mặt trời, ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại, đi xuyên qua các phân tử của Nguyen mà không tích điện cho chúng.