Fontosak a fotonokat felfogó és elektromossággá alakító szerves molekulák
A kvantumhatékonyságot alacsonyabbnak tekintikakkor optimális, ha „önkioltás” történik, amikor egy bejövő foton által gerjesztett molekula energiájának egy részét azonos, nem gerjesztett molekulának adja, amelynek eredményeként a két molekula köztes energiaállapotban van, egy elektron képződése. De ha az elektrondonorok és akceptorok jobban el vannak választva, az öncsillapítás korlátozott, így a kvantumhatékonyság javul.
„A DNS vonzóállvány a fénygyűjtő szupramolekulák létrehozásához: spirális szerkezete, a nukleotidbázisok közötti rögzített távolságok és a kanonikus bázispárosítás pontosan szabályozza a kromoforok helyzetét. Itt megmutatjuk, hogy a DNS-hélixbe beillesztett módosított nukleozidokhoz kapcsolt szénbuckyballok jelentősen javítják a kvantumhatékonyságot. Azt is megmutatjuk, hogy a szupramolekula háromdimenziós szerkezete nem csak a folyékony fázisban, hanem a szilárd fázisban is konzervált, például a jövőbeni szerves napelemekben."
Dr. Hans-Achim Wagenknecht, a Karlsruhei Technológiai Intézet (KIT) szerves kémia professzora.
Keretként a tudósok használtákegyszálú DNS, dezoxi-adenozin (A) és timin (T) 20 nukleotid hosszú. Ezt a hosszúságot azért választották, mert az elmélet azt sugallja, hogy a rövidebb DNS-oligonukleotidok nem fognak rendesen összeállni, a hosszabbak pedig vízben nem oldódnak. A kromoforok ibolya fluoreszcenciájú fluoreszcens pirénmolekulák és vörös fluoreszcenciájú Nílus-vörös molekulák voltak, amelyek mindegyike nem kovalensen kötődik egy szintetikus uracil-dezoxiribóz-nukleozidhoz. Minden nukleozidot bázissal párosítottak egy DNS gerinccel, de a pirén és a Nílus vörösjeinek sorrendjét a véletlenre bízták az öngyülekezés során.
Ami az elektron-akceptorokat, a tudósokat illetia buckyballs két formáját tesztelte, más néven fullerének, amelyekről ismert, hogy kiváló csillapító (elektronvételi) tulajdonságokkal rendelkeznek. Mindegyik buckyball üreges labda volt, öt vagy hat szénatomot tartalmazó, egymással összekapcsolódó gyűrűkből, molekulánként összesen 60 szénatomból. Az első tesztelt buckyball forma nem-specifikusan kötődik a DNS-hez elektrosztatikus töltések révén. A második formát - amelyet előzőleg nem vizsgáltak elektron-akceptorként - a malon-éteren keresztül két kimenő U-dezoxiribóz-nukleoziddal kovalensen kapcsoltak, ami lehetővé tette, hogy a DNS-ben lévő A nukleotiddal bázisson álljon.
A kutatók ezt kísérletileg is megerősítettékA DNS-alapú szupramolekula háromdimenziós szerkezete megmarad a szilárd fázisban: ez kritikus követelmény a napelemes alkalmazásoknál. Ebből a célból egy miniatűr napelem aktív rétegeként tesztelték a szupramolekulákat tetszőleges formájú golyócskákkal. A tervek kiváló töltésszétválasztást mutattak – pozitív lyuk és negatív elektrontöltés kialakulása a kromoforban, és ezek elfogadása a szomszédos buckyballok által – bármilyen buckyball alakkal, de különösen a második alakkal.
A szerzők ezt konkrétabban magyarázzákkanonikus bázispárosítás útján kötődik a második forma DNS gerincéhez, amelynek kisebb távolságra kell vezetnie a buckyball és a kromofor között. Ez azt jelenti, hogy a második forma a legalkalmasabb a napelemekben történő felhasználásra.
A tudósok nem számítanak mindenkirenapelemek DNS-sel a tetőn. De a DNS kiralitása érdekes: a napelemek ezen az alapon speciális alkalmazásokban körkörös polarizációval képesek érzékelni a fényt.
Olvassa el még:
A fizikusok létrehozták a fekete lyuk analógját, és megerősítették Hawking elméletét. Hova vezet?
A tudósok felfedezték a sebességkorlátozást a kvantumvilágban.
Abortusz és tudomány: mi lesz a gyerekekkel, akik szülni fognak.