Учёные из Северо-Западного университета (Northwestern University) создали необычный материал, который одновременно накапливает энергию и меняет свою форму и цвет. В разряженном состоянии это жёлтая жидкость, состоящая из небольших молекулярных агрегатов. При «зарядке» (с помощью света, электричества, химических реагентов или рентгеновского излучения) она превращается в чёрный электропроводящий гидрогель и может хранить энергию в виде электронов до нескольких месяцев.
Когда энергия нужна, материал отдаёт электроны кислороду, образуя активные формы кислорода, которые запускают химические реакции окисления — даже в темноте.
Как устроена «заряжающаяся» жидкость
Система вдохновлена живыми клетками и объединяет в одном материале сразу несколько функций: захват энергии, её хранение, изменение структуры и катализ. При получении электронов молекулы материала начинают взаимодействовать друг с другом через π-π-стэкинг и образование радикальных «пимеров». В результате отдельные глобулы собираются в длинные супрамолекулярные полимерные волокна — и жидкость превращается в гель.
Важная особенность: заряженное состояние материала совпадает с его собранной структурой. Электроны не просто «сидят» в молекулах, как в обычном аккумуляторе, — они стабилизируют новую надмолекулярную организацию геля. В отсутствие кислорода этот заряженный гель может хранить энергию месяцами.
Чтобы «разрядить» материал, достаточно ввести кислород. Кислород забирает накопленные электроны, образуя реакционноспособные кислородсодержащие частицы. Эти частицы затем окисляют органические вещества — то есть энергия выходит не в виде электрического тока, а в виде химической активности.
После отдачи энергии гель снова растворяется в жёлтую жидкость и может быть перезаряжен.
Почему это важно
Обычные системы хранения энергии (батареи, суперконденсаторы) и катализаторы обычно разделены. Здесь же одна и та же мягкая молекулярная платформа одновременно захватывает энергию, сохраняет её в изменённой структуре и позже использует для проведения химических реакций. Это позволяет реализовать концепцию «тёмного фотокатализа»: материал можно зарядить заранее (светом или другим источником), а потом использовать накопленную энергию в темноте.
Потенциальные применения включают очистку воды и воздуха (разложение загрязнителей), стерилизацию поверхностей, проведение окислительных реакций в условиях, где свет недоступен, и создание новых типов «мягких» химических реакторов.
Ограничения и перспективы
Пока система работает в контролируемых лабораторных условиях. Долговременное хранение возможно только при отсутствии кислорода — при контакте с воздухом материал постепенно разряжается. Кроме того, полезная работа пока выражается в химических реакциях, а не в привычном электрическом токе.
Тем не менее исследователи подчёркивают принципиальную новизну подхода: материал не просто хранит энергию, а физически перестраивает себя вокруг накопленных электронов. Это открывает путь к созданию адаптивных, «живых» по своей логике систем хранения и преобразования энергии.
Учёные считают, что в будущем подобные самоорганизующиеся молекулярные системы могут найти применение в экологических технологиях, медицине и химической промышленности.
Работа опубликована в журнале Chem.
