Тұрақты энергетикаға қадам: ҚазҰУ ғалымдарының органикалық материалдар негізіндегі жаңа технологияларды дамытуы

Қазіргі таңда әлемдік қауымдастық алдында тұрған ең өзекті мәселелердің бірі – энергияға деген сұраныстың қарқынды өсуі және соған байланысты экологиялық қауіптердің күшеюі. Жаһандық экономиканың дамуы энергия ресурстарын, әсіресе қазба отындарын, кең көлемде пайдалануды талап етуде. Алайда мұндай ресурстардың шектеулілігі мен олардың қоршаған ортаға тигізетін кері әсері адамзатты баламалы, экологиялық таза энергия көздерін іздеуге итермелеуде.

Осы тұрғыда жаңартылатын энергия көздері, соның ішінде күн энергиясы, болашақтың негізгі бағыттарының бірі ретінде қарастырылады. Дегенмен, күн энергиясының тиімділігі көптеген факторларға, атап айтқанда, тәуліктің уақыты мен ауа райы жағдайларына тәуелді. Бұл өз кезегінде энергияны тиімді сақтау және түрлендіру технологияларын дамытуды талап етеді.

Осы бағыттағы ғылыми ізденістер аясында әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университетінің (ҚазҰУ) ғалымдары жаңа буындағы органикалық материалдарды зерттеу бойынша кешенді жобаны жүзеге асыруда. Аталған зерттеу жұмысы заманауи ғылымның бірнеше саласын – органикалық химияны, материалтануды және энергетиканы – тоғыстыра отырып, энергияны сақтау мен түрлендірудің тиімді әдістерін әзірлеуге бағытталған.

Жобаның негізгі мақсаты – металсыз органикалық қосылыстардың жаңа түрлерін синтездеу, олардың физика-химиялық қасиеттерін жан-жақты зерттеу және оларды энергия сақтау құрылғылары мен күн батареяларында қолдану мүмкіндіктерін бағалау. Бұл қосылыстар бір мезгілде екі маңызды функцияны атқара алады: энергия жинақтаушы материал ретінде қызмет ету және күн сәулесін электр энергиясына түрлендіретін бояғыш заттар ретінде қолданылу.

Зерттеу барысында ерекше назар π-конъюгацияланған жүйелері бар молекулаларға аударылады. Мұндай құрылымдар электрондардың тиімді қозғалуын қамтамасыз етіп, материалдардың электрөткізгіштік қасиеттерін арттырады. Сонымен қатар, бұл қосылыстардың молекулалық құрылымын өзгерту арқылы олардың қасиеттерін нақты мақсаттарға бейімдеуге болады.

ҚазҰУ зерттеушілері синтездейтін қосылыстардың құрамына антрацен, трифениламин, тиенотиофен және тетратиеноацен сияқты құрылымдық элементтер кіреді. Бұл компоненттер өздерінің ерекше электрондық және электрохимиялық қасиеттерімен ерекшеленеді. Мысалы, антрацен негізіндегі жүйелер жарықты тиімді сіңіріп, энергияны химиялық байланыстар түрінде сақтай алады. Ал трифениламин жоғары тотығу-тотықсыздану белсенділігімен танымал, бұл оны органикалық электроникада кеңінен қолдануға мүмкіндік береді.

Тиенотиофен және тетратиеноацен туындылары жоғары термиялық тұрақтылық пен заряд тасымалдау қабілетіне ие. Бұл қасиеттер оларды суперконденсаторлар мен органикалық күн батареялары үшін перспективалы материалдарға айналдырады.

Жобаның ғылыми жаңалығы – жаңа функционалды органикалық молекулаларды құрастыру арқылы олардың энергетикалық тиімділігін арттыруға бағытталған тәсілдерді ұсынуында. Бұған дейінгі зерттеулерде мұндай материалдар белгілі бір талаптарға толық жауап бере алмаған, атап айтқанда, олардың тұрақтылығы төмен немесе энергия түрлендіру тиімділігі жеткіліксіз болған.

Осыған байланысты зерттеу барысында келесі негізгі міндеттер қойылған:
 – жоғары тиімді π-донор және акцептор қасиеттері бар жаңа органикалық қосылыстарды синтездеу;
 – алынған материалдарды күн батареяларында бояғыш ретінде қолдану мүмкіндігін зерттеу;
 – олардың электрохимиялық қасиеттерін жан-жақты талдау және энергия сақтау құрылғыларында қолдану әлеуетін бағалау.

Зерттеу жұмыстары заманауи зертханалық құрал-жабдықтармен жабдықталған ғылыми орталарда жүргізілуде. Синтез процестері Сузуки–Мияура кросс-байланысу реакциялары сияқты тиімді әдістерді қолдану арқылы жүзеге асырылады. Ал алынған қосылыстардың құрылымы мен қасиеттері ядролық магниттік резонанс (ЯМР), инфрақызыл спектроскопия (FTIR), ультракүлгін-көрінетін спектроскопия (UV-Vis) және басқа да аналитикалық әдістер арқылы анықталады.

Сонымен қатар, зерттеулер нәтижелері теориялық модельдермен, атап айтқанда тығыздық функционалы теориясымен (DFT), салыстырылады. Бұл молекулалардың HOMO және LUMO деңгейлерін түсінуге және олардың энергия түрлендіру процестеріндегі рөлін тереңірек талдауға мүмкіндік береді.

Жобаның практикалық маңыздылығы да жоғары. Синтезделген материалдарды қолдану арқылы күн батареяларының тиімділігін арттыру және олардың өндіріс құнын төмендету көзделуде. Бұл әсіресе шалғай аймақтар үшін маңызды, себебі мұндай технологиялар жергілікті жаңартылатын энергия көздерін пайдалануға мүмкіндік береді.

Сонымен қатар, органикалық материалдар негізіндегі энергия сақтау жүйелері дәстүрлі металл негізіндегі құрылғыларға қарағанда экологиялық тұрғыдан қауіпсіз және жеңіл болады. Олар уытты емес, қайта өңдеуге бейім және өндіріс кезінде аз энергия талап етеді.

ҚазҰУ ғалымдары жүргізіп отырған бұл зерттеу Қазақстанның ғылыми әлеуетін арттыруға және жаһандық энергетикалық мәселелерді шешуге бағытталған маңызды қадамдардың бірі болып табылады. Жоба нәтижелері халықаралық ғылыми журналдарда жарияланып, әлемдік ғылыми қауымдастыққа ұсынылады деп күтілуде.

Жалпы алғанда, бұл зерттеу тұрақты даму қағидаттарына толық сәйкес келеді және болашақта энергияны тиімді пайдалану мен қоршаған ортаны қорғауға бағытталған инновациялық шешімдерді ұсынуға мүмкіндік береді.

Осылайша, органикалық материалдар негізіндегі жаңа технологияларды дамыту – тек ғылыми ізденіс қана емес, сонымен қатар адамзаттың энергетикалық қауіпсіздігін қамтамасыз ету жолындағы маңызды стратегиялық бағыт болып табылады.