Polska badaczka pracuje nad „sztucznym liściem”. Czy materiały kwantowe mogą zmienić przyszłość czystej energii?
Czy światło słoneczne można przekształcić bezpośrednio w czyste paliwo, tak jak w naturze? Międzynarodowy projekt badawczy prowadzony przez dr Priti Sharmę w Instytucie Katalizy i Chemii Powierzchni im. Jerzego Habera Polskiej Akademii Nauk ma na celu właśnie to. Dzięki połączeniu materiałów kwantowych z nanostrukturami plazmonicznymi projekt ten może na nowo zdefiniować sposób produkcji wodoru i paliw słonecznych, oferując potencjalny przełom w globalnej transformacji energetycznej.
Badania są prowadzone w ramach prestiżowego programu POLONEZ BIS, współfinansowanego przez Narodowe Centrum Nauki (NCN) oraz unijny program „Horyzont” w ramach działań Marie Skłodowska-Curie.
Inspirowane naturą, zaprojektowane w skali atomowej
U podstaw wizji prac dr Sharmy leży idea sztucznego liścia – systemu naśladującego fotosyntezę poprzez wykorzystanie światła słonecznego do przekształcania wody i dwutlenku węgla w energię użytkową.
„Natura rozwiązała problem konwersji energii słonecznej już miliardy lat temu” – wyjaśnia dr Sharma. „Naszym zadaniem jest przełożenie tych zasad na materiały inżynieryjne, które działają wydajnie, zrównoważenie i na dużą skalę”.
Aby to osiągnąć, jej zespół projektuje materiały plazmoniczne i kwantowo ograniczone, zdolne do manipulowania światłem i ładunkiem na poziomie atomowym. Materiały te wykorzystują zjawiska występujące wyłącznie w skali atomowej, gdzie fizyka klasyczna ustępuje miejsca fizyce kwantowej.
Kiedy światło staje się narzędziem chemicznym
Jednym z kluczowych mechanizmów badanych w ramach projektu jest plazmonika – zbiorowe drgania elektronów wywołane oddziaływaniem światła z metalowymi nanostrukturami. Proces ten generuje tzw. gorące elektrony, czyli nośniki ładunku o wysokiej energii, które mogą wywoływać reakcje chemiczne znacznie wydajniej niż konwencjonalne fotokatalizatory.
Dr Sharma łączy te efekty plazmoniczne z jednoatomowymi i bimetalicznymi centrami katalitycznymi, osadzonymi na zaawansowanych nośnikach, takich jak azotek tytanu (TiN) i ultrananoszkie C3N4.
Dzięki niezwykle precyzyjnemu rozproszeniu pojedynczych atomów metalu zespół osiąga efekt kwantowego uwięzienia, w którym elektrony zajmują dyskretne poziomy energii zamiast ciągłych pasm.
„ Obserwujemy, że C₃N₄ i plazmoniczny TiN pozwalają nam odtworzyć sposób, w jaki światło słoneczne rozkłada się w zakresie widzialnym i podczerwonym” – mówi dr Sharma. „TiN skutecznie wychwytuje podczerwoną część widma słonecznego, podczas gdy C₃N₄ wspiera stany ładunku ograniczone kwantowo. Razem rozszerzają one zbieranie światła poza zakres widzialny i umożliwiają precyzyjną kontrolę nad reaktywnością fotochemiczną. Ten poziom kontroli pozwala nam dostosowywać reaktywność w sposób, który wcześniej był po prostu niemożliwy”.
Od podstaw fizyki do praktycznych zastosowań
Znaczenie tych badań wykracza daleko poza laboratoryjną ciekawość. Systemy sztucznej fotosyntezy mogłyby umożliwić:
• ekologiczną produkcję wodoru,
• przetwarzanie CO₂ na paliwa lub substancje chemiczne,
• zdecentralizowane magazynowanie energii słonecznej,
• oraz zmniejszenie zależności od paliw kopalnych.
W przeciwieństwie do tradycyjnych ogniw fotowoltaicznych, które generują wyłącznie energię elektryczną, systemy sztucznych liści mają na celu magazynowanie energii słonecznej bezpośrednio w wiązaniach chemicznych, co ułatwia jej transport i wykorzystanie.
Jednym z głównych wyzwań jest jednak przełożenie delikatnych efektów kwantowych na wytrzymałe, skalowalne materiały.
„Zjawiska kwantowe są potężne, ale delikatne” – zauważa dr Sharma. „Naszym wyzwaniem jest zintegrowanie ich z materiałami, które funkcjonują w rzeczywistym świetle słonecznym, rzeczywistych temperaturach i rzeczywistych warunkach pracy”.
Precyzja atomowa jako przełomowe osiągnięcie
Jednym z najważniejszych osiągnięć projektu jest udana stabilizacja ponad 110 pojedynczych atomowych centrów katalitycznych na specjalnie dostosowanych nośnikach – co stanowi bezprecedensowy poziom rozproszenia atomowego.
To przełomowe odkrycie pokazuje, w jaki sposób inżynieria w skali atomowej może radykalnie zwiększyć wydajność katalityczną przy jednoczesnym zminimalizowaniu zużycia materiałów – co jest istotnym czynnikiem z punktu widzenia zrównoważonego rozwoju i kosztów.
Badania te przyczyniają się również do rozwoju ukierunkowanego na uzyskanie patentów, mających na celu praktyczne zastosowania heterozłączy plazmonicznych i katalizatorów o atomowej precyzji w technologiach czystej energii.
Europejska wizja zrównoważonej energii
Praca dr Sharmy stanowi doskonały przykład realizacji celów programu POLONEZ BIS: wspierania doskonałości naukowej, wzmacniania roli Polski w europejskich badaniach naukowych oraz podejmowania globalnych wyzwań społecznych poprzez naukę podstawową.
„Projekt ten łączy fizykę, chemię, materiałoznawstwo i inżynierię” – mówi. „Tylko przekraczając granice między dyscyplinami, możemy opracować technologie zdolne do przekształcenia naszych systemów energetycznych”.
Patrząc w przyszłość, dr Sharma dostrzega ogromny potencjał w fotokatalizatorach opracowanych w oparciu o inżynierię kwantową, platformach konwersji energii plazmonicznej oraz zintegrowanych systemach przetwarzania energii słonecznej na paliwo.
Jej długoterminowa wizja jest ambitna, ale jasna:
stworzenie architektur sztucznych liści, które łączą pozyskiwanie światła, kwantową kontrolę ładunku i selektywność katalityczną w jeden wydajny system oparty na kwantach.
Moim długoterminowym celem jest opracowanie systemów inspirowanych sztucznymi liśćmi, które łączą plazmoniczne pozyskiwanie światła, kwantową kontrolę ładunku i selektywność katalityczną w jedną wydajną architekturę.
Jaką radę dałaby Pani początkującym naukowcom?
Nie bójcie się przekraczać granic między dyscyplinami. Niektóre z najbardziej przełomowych odkryć powstają właśnie na styku różnych dziedzin. Niezbędna jest wytrwałość – zwłaszcza podczas pracy nad ambitnymi, ryzykownymi pomysłami. A co najważniejsze, zawsze łączcie swoje badania podstawowe z szerszym celem społecznym; nadaje to waszej pracy sens i kierunek.
Krótka biografia
Dr Priti Sharma, MRSC
Dr Priti Sharma jest naukowcem zajmującym się materiałami, specjalizującym się w materiałach plazmonicznych, kwantowych i fotokatalitycznych do zastosowań w zrównoważonej energetyce. Obecnie jest adiunktem w Instytucie Katalizy i Chemii Powierzchni im. Jerzego Habera Polskiej Akademii Nauk. Jej badania koncentrują się na katalizie jednoatomowej, inżynierii gorących elektronów, wytwarzaniu wodoru i transformacji CO₂, a jej długoterminową wizją jest opracowanie systemów sztucznych liści do produkcji paliwa słonecznego. Jest członkiem Królewskiego Towarzystwa Chemicznego (MRSC).