江飞宇Science》把阳光「锁」进分子里！ DNA 启发的太阳能储热技术

现行的太阳能集热器是利用太阳能转化成热水，再贮存进热水桶里。新的材料可能是利用化学能转变集热物质的形态，在催化之后，以热能的形式放出。(图/shutterstock)

太阳能一直是可再生能源的主流，它环保、低碳，而且建设速度快，规模成绩容易展现，所以多数的政府都喜欢它。然而，太阳能始终存在一个根本问题：太阳下山后，光电板便停止运作，必须仰赖额外的储能设备，不仅增加系统复杂度，也提高投资成本。所幸，加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）的化学家们似乎已开发出一种无须额外储能电池的解决方案。

《前瞻》（Futurity）报导，一篇发表于《科学》（Science）期刊的论文中，副教授格蕾丝．韩（Grace Han）与其研究团队详细介绍了一种热感应材料。该材料能在吸收阳光热能后，将能量储存在化学键中，并依需求以热能形式释放。

有趣的是，这种材料并非传统化学物质，而是偏向有机生化领域。它是一种名为「嘧啶酮」（pyrimidone）的改质有机分子，研究团队是从生物 DNA 的某段结构中获得灵感并加以设计的。

研究成员之一、论文第一作者阮（Han Nguyen）博士生表示：「想想光照变色的太阳眼镜。在室内时镜片是透明的，走到阳光下会自动变暗，回到室内又恢复透明。」

他进一步说明：「我们感兴趣的正是这种可逆变化。不同的是，我们不是要改变颜色，而是利用相同原理来储存能量，在需要时释放，并能反复使用这种材料。」

为了合成这种分子，研究团队从 DNA 的结构中找到制备灵感，因为嘧啶酮的结构与 DNA 中某种成分相似，而该成分在紫外线照射下会产生可逆的结构变化。

透过人工合成这种结构，研究人员成功创造出一种能够可逆地储存与释放能量的分子。他们并与加州大学洛杉矶分校（UCLA）的胡克教授（Ken Houk）合作，探讨该分子能长期稳定储能、且多年不衰减的原因。

传统太阳能板是将光能转换为电能，而这套系统则是将光能转换为化学能。这种分子就像一个机械弹簧：在阳光照射下，它会扭曲成高能量、受张力的状态，并维持此状态，直到受到特定触发条件——例如少量热能或催化剂——才会回复原状，并将能量以热能形式释放。

阮表示：「我们通常把它形容为一种可充电的太阳能电池。它能储存阳光，也能反复充放。」

该团队研发的新型分子具有极高的能量密度，可说是「威力十足」。其能量密度超过每公斤 160 万焦耳，约为标准锂离子电池（每公斤约 90 万焦耳）的两倍。

研究团队的另一项关键突破，在于成功将高能量密度转化为实际可用的成果。研究证明，这种材料所释放的热量「足以将水煮沸」，这在过去相关研究领域中相当罕见。

这项技术为多种实际应用开启可能性，从露营时的夜间供暖，到家庭热水供应皆可望受惠。由于这种材料可溶于水，未来或许能将其注入屋顶太阳能集热系统，在白天充能后储存在水箱中，于夜间提供热能。

这项研究获得摩尔发明奖（Moore Inventor Fellowship）的资金支持，目前正朝量产化方向迈进。