Fotokatalytisk Metalmolekyle - FNU - Klaus B Møller

DTU-forskere filmer molekyler for at udnytte solenergi bedre

tirsdag 17 jun 14
|
af Charlotte Malassé

Kontakt

Klaus Braagaard Møller
Professor
DTU Kemi
45 25 24 61

Kontakt

Martin Meedom Nielsen
Professor
DTU Fysik
45 25 32 26

DTU Kemis dagbog fra SACLA

72 timer i japansk røntgenlaseranlæg - 
Læs dagbogen

Internationale forskningsfaciliteter

Nye internationale neutron- og fri-elektron-røntgenlaser(XFEL)-anlæg står færdige i de kommende år:
E-XFEL, Hamburg (2015)
MAX IV, Lund (2016)
ESS, Lund (2020).

Forskere fra DTU Fysik og DTU Kemi er blandt verdens dygtigste, når det drejer sig om at analysere energioverførsel i materialer. En ny bevilling fra Det Frie Forskningsråd på 6,5 mio. kr. skal bruges til at filme elektroners og atomers ultrahurtige bevægelser, når der flyder energi ind i og gennem et materiale. Resultaterne skal bruges til udvikle endnu bedre modeller for atomernes opførsel. Disse modeller er helt centrale for udviklingen af billigere solceller og fotokatalysatorer og dermed en bedre udnyttelse af solenergi.

Af Anne Hansen og Charlotte Malassé

På blot 1½ time bliver Jorden ramt af nok solenergi til at dække verdens samlede energiforbrug i et år! Men en forudsætning for at udnytte denne enorme mængde energi er, at vi udvikler billigere og mere effektive og systemer til at høste solens lys - fx solceller og fotokatalytiske systemer.

- De fleste af de systemer, man bruger i dag, er afhængige af at bruge sjældne og dyre grundstoffer, som f.eks. ruthenium, mens det ikke lader sig gøre at bruge jern som ellers ligner ruthenium meget kemisk. Med vores metoder vil vi have mulighed for at forstå rutheniums funktionalitet i detaljer, og hvorfor der er sådan en forskel på ruthenium og jern. Det vil forhåbentlig bidrage til at kunne lave nye typer fotoaktive molekyler, som består af billigere grundstoffer, forklarer professor Martin Meedom fra DTU Fysik.

Samarbejde mellem DTU Fysik og DTU Kemi
Martin Meedom og hans medansøger lektor Klaus B. Møller fra DTU Kemi har netop modtaget en bevilling på 6.459.653 kr. fra Det Frie Forskningsråd | Natur og Univers (FNU). Med de to forskere i spidsen skal den kommende 4-årige projektperiode bruges til at forfine beskrivelsen af de processer, der sker, når et materiale rammes af lys og dermed ændrer energitilstand.  Forskerne vil undersøge, hvordan atomer og molekyler bevæger sig, når deres elektronskyer ændrer sig, idet de udsættes for lys. Ved at måle på atomernes bevægelser, kombineret med teori og avancerede beregninger, kan de opnå ny indsigt i, hvad der sker i materialerne, mens energi flyder igennem dem.

- Vi vil udvikle et oversættelsesapparat mellem de data, vi optager, og billeder med atomar opløsning i både tid og rum, der kan visualisere molekylers strukturelle dynamik under kemiske reaktioner i samme øjeblik, som de finder sted. Lykkes det, vil det give et hidtil uset indblik ind i kemiens verden, og resultaterne kan lede til helt nye metoder til at optimere kemiske reaktioners forløb, fortæller Klaus B. Møller, og Martin Meedom fortsætter:

- I dette projekt gør vi klar til at flytte fokus fra rene modelsystemer til systemer, som er direkte relevante for fotokatalyse og solceller. Vores mål er at skabe viden, der kan bruges til at designe billigere materialer til fotokatalysatorer og til effektive solceller.

Adgang til eksklusive og kostbare forskningsfaciliteter
Når atomerne bevæger sig, foregår det med en tidsopløsning, der skal måles i femtosekunder, dvs. 0,0000000000000001 sekunder. Den slags ultrahurtige bevægelser kan forskerne kun måle ved at benytte nogle af verdens kraftigste fri-elektron-røntgenlasere (XFEL), nemlig LCLS ved Stanford, USA og SACLA i Japan. Disse faciliteter står dog ikke bare til fri afbenyttelse for hvem som helst, og adgang foregår i benhård konkurrence med nogle af verdens bedste forskningsgrupper.

Dertil kommer, at udstyr i den klasse, som skal bruges ved XFELs, er udenfor rækkevidde af selv den største bevilling, som FNU giver. En times brug koster op imod 100.000 kr. og blot et enkelt eksperiment løber derfor let op i 5-10 mio. kr. Men takket være den høje kvalitet af deres forskning har DTU-forskerne opnået at få adgang til de eftertragtede faciliteter på LCLS og SACLA ganske gratis.

- Jeg tror, at det, som gør os til noget særligt, er, at vi er kommet langt med at udvikle meget stærke metoder til at håndtere store datamængder og til at forstå og modellere, hvordan røntgensignalerne fra de fotoaktiverede molekyler skal forstås, og hvordan denne forståelse kan omsættes til en model for, hvad der sker i molekylerne. Samtidig er vi med i et stærkt internationalt samarbejde med grupper fra XFEL i Hamborg, fra Stanford, Budapest og Lund. Det er helt afgørende, da XFEL-eksperimenter stiller store krav, fortæller Martin Meedom, der netop er på vej hjem fra et eksperiment ved SACLA, hvor 25 forskere fra syv forskellige institutioner fra tre kontinenter deltog.

Bevillingen fra FNU skal derfor bruges på forskere, der skal udvikle nye metoder til håndtering og modellering af røntgendata. Indtil nu har DTU Fysik og DTU Kemi mest arbejdet med modelsystemer, da det kun er inden for de sidste fire år, at man overhovedet har kunnet lave den slags eksperimenter.

- Hvis vi lykkes med dette projekt, er vi klar til at tage det næste, afgørende skridt væk fra kun at kunne studere modelsystemer frem mod at kunne anvende vores metoder til at undersøge molekylære systemer, som ligner dem man vil anvende i rigtige fotokatalysatorer eller solceller, slutter Martin Meedom.

DTU Kemi - FNU - Klaus B Møller
Mekanisme for indfangning af sollys og energitransport gennem et fotokatalytisk modelsystem, som er baseret på foreløbige eksperimenter udført ved XFEL-anlægget SACLA.