Organische Moleküle, die Photonen einfangen und in Elektrizität umwandeln, spielen eine wichtige Rolle
Die Quanteneffizienz wird als niedriger angesehenOptimal, wenn "Selbstlöschung" stattfindet, wenn ein Molekül, das von einem einfallenden Photon angeregt wird, einen Teil seiner Energie an ein identisches nicht angeregtes Molekül abgibt, wodurch sich die beiden Moleküle in einem Zwischenenergiezustand befinden, für den es zu niedrig ist die Bildung eines Elektrons. Wenn jedoch Elektronendonoren und -akzeptoren besser getrennt sind, ist die Selbstdämpfung begrenzt, so dass die Quanteneffizienz verbessert wird.
„DNA stellt eine attraktive darGerüst zur Herstellung lichtsammelnder Supramoleküle: Seine helikale Struktur, die festen Abstände zwischen den Nukleotidbasen und die kanonische Basenpaarung steuern präzise die Position der Chromophore. Hier zeigen wir, dass Kohlenstoff-Buckyballs, die mit modifizierten Nukleosiden verbunden sind, die in eine DNA-Helix eingefügt sind, die Quanteneffizienz deutlich verbessern. Wir zeigen außerdem, dass die dreidimensionale Struktur des Supramoleküls nicht nur in der flüssigen Phase, sondern auch in der festen Phase erhalten bleibt, beispielsweise in zukünftigen organischen Solarzellen.“
Dr. Hans-Achim Wagenknecht, Professor für Organische Chemie am Karlsruher Institut für Technologie (KIT).
Als Rahmen verwendeten WissenschaftlerEinzelstrang-DNA-, Desoxyadenosin (A) - und Thymin (T) -Ketten mit einer Länge von 20 Nukleotiden. Diese Länge wurde gewählt, weil die Theorie besagt, dass sich kürzere DNA-Oligonukleotide nicht in geordneter Weise zusammensetzen und längere in Wasser unlöslich sind. Chromophore waren fluoreszierende Pyrenmoleküle mit violetter Fluoreszenz und Nilrotmoleküle mit roter Fluoreszenz, von denen jedes nicht kovalent an ein synthetisches Uracil-Desoxyribose-Nucleosid gebunden ist. Jedes Nukleosid war mit einem DNA-Gerüst basengepaart, aber die Reihenfolge der Pyren- und Nilrote wurde während der Selbstorganisation dem Zufall überlassen.
Was Elektronenakzeptoren betrifft, Wissenschaftlertesteten zwei Formen von Buckyballs, auch Fullerene genannt, von denen bekannt ist, dass sie hervorragende Löscheigenschaften (Elektronenempfang) aufweisen. Jeder Buckyball war eine hohle Kugel aus ineinandergreifenden Ringen mit fünf oder sechs Kohlenstoffatomen für insgesamt 60 Kohlenstoffatome pro Molekül. Die erste getestete Form von Buckyball bindet unspezifisch durch elektrostatische Aufladung an DNA. Die zweite Form - bisher nicht als Elektronenakzeptor getestet - wurde über Malonether kovalent an zwei flankierende U-Desoxyribose-Nukleoside gebunden, wodurch das Basenpaar mit Nukleotid A auf DNA gebildet werden konnte.
Forscher haben das experimentell bestätigtDie dreidimensionale Struktur eines DNA-basierten Supramoleküls bleibt in der festen Phase erhalten: Dies ist eine entscheidende Voraussetzung für Solarzellenanwendungen. Zu diesem Zweck testeten sie Supramoleküle mit beliebiger Form von Buckyballs als aktive Schicht einer Miniatursolarzelle. Die Entwürfe zeigten eine hervorragende Ladungstrennung – die Bildung einer positiven Loch- und einer negativen Elektronenladung im Chromophor und deren Akzeptanz durch benachbarte Buckyballs – bei jeder Buckyball-Form, insbesondere aber bei der zweiten Form.
Die Autoren erklären dies genauerBindung über kanonische Basenpaarung an das DNA-Rückgrat in der zweiten Form, was zu einem geringeren Abstand zwischen dem Buckyball und dem Chromophor führen sollte. Dies bedeutet, dass die zweite Form am besten für die Verwendung in Solarzellen geeignet ist.
Wissenschaftler erwarten nicht, dass jeder hatSolarzellen mit DNA auf dem Dach. Interessant ist jedoch die Chiralität der DNA: Solarzellen können auf dieser Basis in speziellen Anwendungen Licht mit zirkularer Polarisation wahrnehmen.
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