طور فريق من الباحثين نظاما هجينا جديدا يجمع بين  أشباه الموصلات السيليكونية والمحفزات الجزيئية، قادرا على الاحتفاظ بالإلكترونات عالية الطاقة، المعروفة باسم "الإلكترونات الساخنة"، لمدة أطول تصل إلى 25 ألف مرة مقارنة بالسيليكون التقليدي.

ويمثل هذا التطور خطوة مهمة نحو تحسين كفاءة تحويل ضوء الشمس إلى طاقة ومواد كيميائية مفيدة بدلًا من فقدان الجزء الأكبر منها على شكل حرارة.

النباتات والألواح الشمسية تهدر جزءا كبيرا من الطاقة

أوضح الباحثون أن النباتات، رغم تطورها الطبيعي عبر ملايين السنين، لا تستفيد إلا من جزء محدود من الطاقة الشمسية، إذ يتحول معظم الضوء عالي الطاقة إلى حرارة غير مستخدمة.

كما تواجه الألواح الشمسية التقليدية المشكلة نفسها، حيث تفقد الإلكترونات فائقة الطاقة نشاطها خلال أقل من جزء من تريليون جزء من الثانية، ما يحد من كفاءة إنتاج الكهرباء والطاقة الكيميائية.

لكن فريقا من المختبر الوطني لجبال الروكي الأمريكية تمكن من تطوير طريقة تسمح بالتقاط هذه الطاقة قبل فقدانها.

نظام هجين يجمع السيليكون بالمحفزات الجزيئية

يعتمد الابتكار الجديد على دمج بلورات نانوية من السيليكون مع محفز جزيئي عبر رابط كيميائي خاص يعرف باسم ethylenepyridine.

وساعد هذا الدمج على تكوين حالات إلكترونية هجينة أبقت الإلكترونات في حالة طاقة مرتفعة لمدة وصلت إلى 5 نانوثوانٍ، وهي فترة أطول بنحو 25 ألف مرة من زمن التبريد المعتاد في السيليكون التقليدي.

وقال الباحث ناثان نيل، أحد المشاركين في الدراسة، إن الهدف من العمل هو دفع حدود الاستفادة من الطاقة الشمسية إلى مستويات أعلى.

وأضاف أن النظام الهجين كشف عن مسار جديد يسمح بالحفاظ على نشاط الإلكترونات الناتجة عن الضوء لفترة كافية لاستخدامها في التفاعلات الكيميائية.

مشكلة فقدان الطاقة على شكل حرارة

أشار الباحثون إلى أن أحد أكبر التحديات في أنظمة حصاد الضوء الحالية يتمثل في فقدان الإلكترونات عالية الطاقة نشاطها بسرعة عبر انتقال الطاقة إلى الاهتزازات الجزيئية المحيطة، ما يؤدي إلى تسخين الوسط المحيط بدلا من الاستفادة منها.

وفي الأنظمة الحالية، لا تلتقط الألواح الشمسية سوى نحو 20% من الطاقة الساقطة عليها، بينما تستفيد النباتات من نحو 1% فقط من ضوء الشمس.

ويرى الفريق أن منع هذا الفقد السريع للطاقة قد يسمح باستغلال كميات هائلة من الطاقة الشمسية المهدرة حاليا.

الكيمياء السطحية لعبت الدور الحاسم

أكد العلماء أن مجرد تقريب المحفز الجزيئي من شبه الموصل لا يكفي لتحقيق كفاءة مرتفعة، بل إن نوع الرابط الكيميائي بينهما كان عاملا أساسيا في نجاح التجربة.

وأظهرت النتائج أن الرابط الكيميائي المستخدم أنشأ بيئة إلكترونية فريدة سمحت بانتشار الإلكترونات الساخنة في الوقت نفسه عبر السيليكون والمحفز الجزيئي.

وساعد هذا التوزيع المكاني على استقرار الإلكترونات ومنع فقدانها السريع للطاقة.

تقنيات متقدمة أكدت النتائج

استخدم الباحثون مجموعة من تقنيات التحليل الطيفي والحسابات الميكانيكية الكمية للتحقق من طبيعة التفاعل داخل النظام الهجين.

وأكدت النتائج أن الحالات الإلكترونية المختلطة الناتجة عن الدمج بين السيليكون والمحفزات الجزيئية هي السبب الرئيسي في إطالة عمر الإلكترونات الساخنة.

تطبيقات مستقبلية واعدة

رغم أن تقنيات تحويل ضوء الشمس مباشرة إلى وقود لا تزال في مراحل التطوير، يرى الباحثون أن هذه الدراسة تثبت إمكانية استخدام الإلكترونات الساخنة لتنفيذ تفاعلات كيميائية عالية الطاقة بكفاءة أكبر.

وقد تسمح هذه التقنية مستقبلا بتطوير أنظمة أكثر كفاءة لتحليل الماء وإنتاج الهيدروجين الأخضر، أو تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود هيدروكربوني ومواد كيميائية مفيدة.

كما يمكن استخدامها في تصنيع الأسمدة من النيتروجين الموجود في الغلاف الجوي بطريقة أكثر استدامة.

نُشرت نتائج الدراسة في مجلة Journal of the American Chemical Society العلمية المتخصصة في الكيمياء.