Hunt for Solar Technology Mengidentifikasi Molekul Semikonduktor Organik Terbaik-Namun


Oleh Jeff Tollefson dari majalah Nature Peneliti AS telah menggunakan pemodelan komputer untuk mengidentifikasi molekul organik dengan sifat listrik yang berguna - pembuktian konsep untuk suatu pendekatan yang dapat segera menghasilkan senyawa baru untuk memanen energi matahari dalam sel fotovoltaik

Oleh Jeff Tollefson dari majalah Nature

Peneliti AS telah menggunakan pemodelan komputer untuk mengidentifikasi molekul organik dengan sifat listrik yang berguna - pembuktian konsep untuk suatu pendekatan yang dapat segera menghasilkan senyawa baru untuk memanen energi matahari dalam sel fotovoltaik.

Alán Aspuru-Guzik, seorang ahli kimia teoritis di Universitas Harvard di Cambridge, Massachusetts, dan rekan-rekannya, menggunakan model komputasi untuk menyaring keluarga molekul organik dan mengidentifikasi mereka yang mungkin merupakan semikonduktor terbaik. Tim menyampaikan temuan tersebut kepada para peneliti di Universitas Stanford di California, yang kini telah mensintesis molekul dan mengkonfirmasi sifat-sifatnya.

Hasilnya menggembirakan bagi Aspuru-Guzik, yang, bekerja sama dengan raksasa komputer IBM, menggunakan alat komputasi yang sama untuk menyaring sekitar 3, 5 juta molekul organik dalam pencarian generasi baru sel surya yang fleksibel dan ringan. Timnya berencana untuk menerbitkan struktur 1.000 molekul dengan sifat terhitung paling berguna, dalam upaya untuk membantu ahli kimia bangku fokus pada struktur terbaik untuk disintesis.

Proyek, yang telah berjalan selama lebih dari dua tahun, mempekerjakan beberapa metode yang sama yang digunakan oleh perusahaan obat. "Begitulah cara orang-orang farmasi melakukannya: para ahli teori memberikan peringkat kepada para eksperimentalis, " kata Aspuru-Guzik. "Kami berusaha menghemat waktu percobaan."

Dari teori ke realitas

Molekul terbaru adalah salah satu semikonduktor organik terbaik yang belum ditemukan, dalam hal kemampuannya untuk mengangkut muatan listrik. Studi ini dipublikasikan di Nature Communications hari ini.

"Ini pekerjaan yang indah, " kata Thuc-Quyen Nguyen, seorang ahli kimia di University of California, Santa Barbara. Kimiawan biasanya berfokus pada senyawa individu atau keluarga tetapi skrining sistematis dapat menghemat waktu dan mengungkapkan peluang baru, katanya. "Itu hal baru dari pendekatan itu."

Aspuru-Guzik memulai proses penyaringan dengan mengidentifikasi semikonduktor organik yang diketahui dengan sifat-sifat yang diinginkan. Dia kemudian merancang beberapa turunan yang mungkin dari senyawa itu, dan menggunakan model mekanika kuantum dan molekuler untuk memprediksi sifat mereka. Timnya melewati struktur kandidat terbaik bersama Zhenan Bao, seorang ahli kimia sintetis di Stanford, dan rekan-rekannya, yang menghabiskan enam bulan membuat bahan kimia dan kemudian mengujinya dalam sebuah transistor eksperimental.

Tim Bao terkejut ketika mengetahui bahwa molekul tersebut melakukan muatan listrik antara tiga dan empat kali lebih baik dari yang diperkirakan. Ini menunjukkan betapa sulitnya memprediksi sifat-sifat molekul secara akurat, tetapi menegaskan bahwa model-model itu baik dalam menentukan peringkat molekul berdasarkan kinerja relatifnya, kata Bao.

Ketika eksperimentalis mensintesis molekul-molekul yang dirancang secara teoritis di masa depan, data mereka akan membantu para ahli teori untuk meningkatkan model mereka sendiri. "Ini akan menjadi proses berulang, " katanya. "Mudah-mudahan teorinya akan menjadi lebih baik dan prediksi akan tepat sasaran di masa depan."

Skrining surya

Dalam pencariannya untuk sel surya, dijuluki Proyek Energi Bersih, Aspuru-Guzik menyaring molekul untuk sejumlah properti yang terlibat dalam mengubah sinar matahari menjadi energi listrik. Tujuannya adalah untuk menyediakan bahan-bahan yang memungkinkan sel-sel fotovoltaik organik mengubah lebih dari 10% energi matahari yang menghantamnya menjadi listrik, dibandingkan dengan sekitar 9% untuk bahan terbaik saat ini.

Tujuan itu masih lebih rendah daripada rasio konversi yang dicapai oleh sel-sel modern yang terbuat dari silikon, tetapi fotovoltaik organik akan lebih murah dan dapat digunakan dalam kain, plastik, dan bahkan tinta dan cat. Sel fotovoltaik organik komersial dapat menekan pasar dalam beberapa tahun. Beberapa percaya murahnya dan fleksibilitas mereka akan membuat mereka sangat berguna di negara berkembang.

Tim Harvard menjalankan perhitungan mekanika kuantumnya melalui World Community Grid IBM, yang memanfaatkan waktu idle di komputer pribadi sukarelawan. Sejauh ini, inisiatif tersebut telah memeriksa 2, 3 juta molekul, dan akan mencapai angka 3, 5 juta tahun depan.

Itu mungkin adalah set perhitungan kuantum terbesar yang pernah dilakukan dalam kimia, kata Aspuru-Guzik. Timnya juga menjalankan perhitungannya sendiri, melihat sifat struktural dan kimia yang sederhana.

Skrining sudah mulai mengungkapkan beberapa senyawa baru yang berpotensi menarik dan keluarga struktural, termasuk berbagai molekul yang mengandung selenium. Tim berencana untuk menerbitkan 1.000 kandidat teratas dalam beberapa bulan ke depan.

Aspuru-Guzik yakin bahwa daftar itu akan membuahkan hasil. "Jika aku salah, " tambahnya, "ini kepalaku ada di talenan."

Artikel ini direproduksi dengan izin dari majalah Nature . Artikel ini pertama kali diterbitkan pada 16 Agustus 2011.

Berita Terbaru

Apakah Gunung Berapi atau Manusia Lebih Keras di Atmosfer?Kepala Greenpeace Baru Bersiap untuk Mengambil BatubaraWorld Shatters Heat Records pada 2016Membuat Sketsa Permulaan Kehidupan, Satu Sel SekaligusMenjelaskan Pengalaman Tip-of-the-LidahBagaimana Kepiting Menemukan Jalan Pulang100 Hari Pertama ObamaKecurangan Kematian DNA: Bagaimana Perbaikan Extremophile Hancur Kromosom