加州大学圣塔芭芭拉分校的科学家研制出一种非凡的新材料，其运作方式如同“可充电太阳能电池”，能将阳光储存在微小分子中，并在随后——甚至在日落很长一段时间后——将其以热能形式释放。受DNA和光致变色太阳镜中可逆变化的启发，该系统能够捕获太阳能，且无需依赖笨重的电池或电网。这种分子可将能量储存数年，且每千克蕴含的能量高于锂离子电池。
加州大学圣塔芭芭拉分校的研究人员认为，他们可能找到了一种答案，既无需依赖大型电池系统，也不必依赖电网。副教授Grace Han及其研究团队在《科学》期刊上撰文，描述了一种能够吸收阳光、将能量存储在化学键中、并在需要时以热量形式释放的新材料。该材料基于一种名为嘧啶酮的改性有机分子，代表了分子太阳能热能存储（MOST）技术向前迈出的新一步。
“这一概念是可重复使用且可回收的，”Han小组的博士生、该研究的第一作者Han Nguyen说。
“想想光致变色太阳镜。当你在室内时，它们只是透明的镜片。走到阳光下，它们会自动变暗。回到室内，镜片又会变回透明，”Nguyen继续说道，“这种可逆变化正是我们感兴趣的。只是我们不想改变颜色，而是想利用同样的原理来存储能量，在需要时释放，然后反复使用该材料。”
受DNA启发的太阳能存储
科学家在设计该分子时从一个意想不到的来源获得了灵感：DNA。嘧啶酮结构类似于DNA中天然存在的一种成分，该成分在暴露于紫外线时会发生可逆的形状变化。
利用该结构的合成版本，团队设计了一种能够反复存储和释放能量的分子。为了更好地理解为什么该分子在长时间保持能量时仍能保持稳定，研究人员与加州大学洛杉矶分校杰出研究教授Ken Houk合作。计算建模有助于解释该材料如何能够在数年内保持存储的能量而无明显损失。
“我们优先考虑轻量、紧凑的分子设计，”Nguyen说，“在这个项目中，我们去掉了所有不需要的东西。任何不必要的部分都被移除，以使分子尽可能紧凑。”
一种可重复使用的“太阳电池”
与直接将阳光转化为电能的标准太阳能电池板不同，该系统以化学方式存储能量。该分子的行为有点像被压缩的弹簧。吸收阳光后，它会转变为一种受力的高能形式，并保持该状态直到被激活。
当暴露于触发条件——如少量热量或催化剂——时，分子会迅速恢复到其原始形态，并以热量的形式释放存储的能量。
“我们通常将其描述为可充电的太阳能电池，”Nguyen说，“它存储阳光，并且可以充电。”
该分子还具有令人印象深刻的能量密度。据研究人员称，它每千克存储的能量超过1.6兆焦耳。相比之下，传统的锂离子电池每千克存储约0.9兆焦耳的能量。这种新材料也优于早期的光能存储开关。
新材料可利用存储的阳光烧开水
该团队的一个关键里程碑是将分子的高能量存储能力转化为实际演示。在实验中，研究人员表明该材料可以释放足够的热量，在环境条件下将水煮沸，这在该研究领域一直难以实现。
“烧开水是一个能源密集型过程，”Nguyen说，“我们要能在环境条件下把水烧开，这是一项巨大的成就。”
这项技术最终可能支持各种实际应用，包括露营用的离网供暖系统或家庭水加热应用。由于该材料可溶于水，研究人员表示，未来它或许可以在白天通过屋顶太阳能集热器循环，然后储存在水箱中，在夜间释放热量。
“使用太阳能电池板，你需要额外的电池系统来存储能量，”Han实验室的博士生、共同作者Benjamin Baker说，“而利用分子太阳能热能存储，材料本身就能够存储来自阳光的能量。”
该项目获得了摩尔发明家奖学金的支持，Han于2025年获得该奖项，以推动这些“可充电太阳电池”的开发。