Organische moleculen die fotonen vangen en omzetten in elektriciteit zijn belangrijk
Kwantumefficiëntie wordt als lager beschouwdoptimaal als 'zelfdovend' plaatsvindt, wanneer één molecuul, aangeslagen door een inkomend foton, een deel van zijn energie afgeeft aan een identiek niet-aangeslagen molecuul, waardoor de twee moleculen zich in een tussenliggende energietoestand bevinden, te laag voor de vorming van een elektron. Maar als de elektronendonoren en -acceptoren beter van elkaar zijn gescheiden, wordt zelfdemping beperkt, waardoor de kwantumefficiëntie wordt verbeterd.
"DNA vertegenwoordigt een aantrekkelijkscaffold voor het creëren van licht-oogstende supramoleculen: de spiraalvormige structuur, vaste afstanden tussen nucleotidebasen en canonieke basenparing bepalen nauwkeurig de positie van chromoforen. Hier laten we zien dat koolstofbuckyballs gekoppeld aan gemodificeerde nucleosiden ingevoegd in een DNA-helix de kwantumefficiëntie aanzienlijk verbeteren. We laten ook zien dat de driedimensionale structuur van het supramolecuul niet alleen in de vloeibare fase behouden blijft, maar ook in de vaste fase, bijvoorbeeld in toekomstige organische zonnecellen."
Dr. Hans-Achim Wagenknecht, hoogleraar organische chemie aan het Karlsruhe Institute of Technology (KIT).
Als raamwerk gebruikten wetenschappersenkelstrengs DNA, deoxyadenosine (A) en thymine (T) ketens 20 nucleotiden lang. Deze lengte is gekozen omdat de theorie suggereert dat kortere DNA-oligonucleotiden niet op een ordelijke manier zullen worden geassembleerd, en langere zijn onoplosbaar in water. De chromoforen waren fluorescerende pyreenmoleculen met violette fluorescentie en Nijlrode moleculen met rode fluorescentie, die elk niet-covalent gebonden zijn aan één synthetisch uracil-deoxyribose-nucleoside. Elke nucleoside was basenparen met een DNA-ruggengraat, maar de volgorde van pyreen- en Nijlrood werd tijdens zelfassemblage aan het toeval overgelaten.
Wat betreft elektronenacceptoren, wetenschapperstestte twee vormen van buckyballs, ook wel fullerenen genoemd, waarvan bekend is dat ze uitstekende uitdovende (elektronenontvangst) eigenschappen hebben. Elke buckyball was een holle bal gemaakt van in elkaar grijpende ringen van vijf of zes koolstofatomen voor een totaal van 60 koolstofatomen per molecuul. De eerste geteste vorm van buckyball bindt niet-specifiek aan DNA door middel van elektrostatische ladingen. De tweede vorm - niet eerder getest als elektronenacceptor - werd via malonzuurether covalent gekoppeld aan twee flankerende U-deoxyribose-nucleosiden, waardoor het een basenpaar kon maken met nucleotide A op DNA.
Исследователи экспериментально подтвердили, что De driedimensionale structuur van een op DNA gebaseerd supramolecuul blijft in de vaste fase behouden: dit is een cruciale vereiste voor zonneceltoepassingen. Daartoe testten ze supramoleculen met buckyballs in elke vorm als de actieve laag van een miniatuurzonnecel. De ontwerpen lieten een uitstekende ladingsscheiding zien - de vorming van een positief gat en een negatieve elektronenlading in de chromofoor en de acceptatie ervan door naburige buckyballs - bij elke buckyball-vorm, maar vooral voor de tweede vorm.
De auteurs verklaren dit door meer specifiekbinding via canonieke basenparing aan de DNA-ruggengraat van de tweede vorm, wat zou moeten leiden tot een kleinere afstand tussen de buckyball en de chromofoor. Dit betekent dat de tweede vorm het meest geschikt is voor toepassing in zonnecellen.
Wetenschappers verwachten niet dat iedereen dat heeftzonnecellen met DNA op het dak. Maar de chiraliteit van DNA is interessant: zonnecellen op deze basis kunnen licht met circulaire polarisatie waarnemen in gespecialiseerde toepassingen.
Lees ook:
Natuurkundigen hebben een analoog van een zwart gat gemaakt en de theorie van Hawking bevestigd. Waar leidt het toe?
Wetenschappers hebben de snelheidslimiet in de kwantumwereld ontdekt.
Abortus en wetenschap: wat gebeurt er met de kinderen die zullen bevallen.