Organiska molekyler som fångar fotoner och omvandlar dem till elektricitet är viktiga
Kvanteffektivitet anses vara lägreoptimalt om "självsläckande" sker, när en molekyl, upphetsad av en inkommande foton, ger upp en del av sin energi till en identisk oexciterad molekyl, vilket resulterar i att de två molekylerna är i ett mellanliggande energitillstånd, för lågt för bildandet av en elektron. Men om elektrondonatorer och acceptorer är bättre separerade är självdämpning begränsad, så kvanteffektiviteten förbättras.
"DNA representerar en attraktivställning för att skapa ljusskördande supramolekyler: dess spiralformade struktur, fasta avstånd mellan nukleotidbaser och kanonisk basparning kontrollerar exakt positionen för kromoforer. Här visar vi att kol-buckyballs kopplade till modifierade nukleosider som infogats i en DNA-spiral avsevärt förbättrar kvanteffektiviteten. Vi visar också att supramolekylens tredimensionella struktur bevaras inte bara i flytande fas, utan även i fast fas, till exempel i framtida organiska solceller."
Dr Hans-Achim Wagenknecht, professor i organisk kemi vid Karlsruhe Institute of Technology (KIT).
Som ett ramverk använde forskareenkelsträngat DNA, deoxyadenosin (A) och tyminkedjor (T) 20 nukleotider långa. Denna längd valdes eftersom teorin antyder att kortare DNA-oligonukleotider inte kommer att monteras ordnat och längre är olösliga i vatten. Kromoforer var fluorescerande pyrenmolekyler med violett fluorescens och Nilröda molekyler med röd fluorescens, som var och en är icke-kovalent bunden till en syntetisk uracil-deoxiribosnukleosid. Varje nukleosid basparades med en DNA-byggnadsställning, men ordningen på pyren och Nil-röda lämnades till slumpen under självmontering.
När det gäller elektronacceptorer, forskaretestade två former av buckyballs, även kallade fullerener, som är kända för att ha utmärkta släckningsegenskaper (elektronmottagning). Varje buckyball var en ihålig boll gjord av sammankopplade ringar med fem eller sex kolatomer för totalt 60 kolatomer per molekyl. Den första formen av testad buckyball binder icke-specifikt till DNA genom elektrostatiska laddningar. Den andra formen - som inte tidigare testats som elektronacceptor - var kovalent kopplad via maloneter till två flankerande U-deoxiribosnukleosider, vilket gjorde det möjligt att basera par med nukleotid A på DNA.
Forskare har experimentellt bekräftat detDen tredimensionella strukturen hos en DNA-baserad supramolekyl bibehålls i den fasta fasen: detta är ett kritiskt krav för solcellstillämpningar. För detta ändamål testade de supramolekyler med valfri form av buckyballs som det aktiva lagret av en miniatyrsolcell. Designen visade utmärkt laddningsseparation - bildandet av ett positivt hål och en negativ elektronladdning i kromoforen och deras acceptans av intilliggande buckyballs - med vilken buckyballform som helst, men speciellt för den andra formen.
Författarna förklarar detta mer specifiktbindning via kanonisk basparning till DNA-ryggraden i den andra formen, vilket skulle resultera i ett mindre avstånd mellan buckyball och kromoforen. Detta innebär att den andra formen är bäst lämpad för användning i solceller.
Forskare förväntar sig inte att alla ska ha detsolceller med DNA på taket. Men DNA-kiraliteten är intressant: solceller på denna grund kan uppfatta ljus med cirkulär polarisering i specialapplikationer.
Läs också:
Fysiker har skapat en analog av ett svart hål och bekräftat Hawkings teori. Vart leder det?
Forskare har upptäckt hastighetsgränsen i kvantvärlden.
Abort och vetenskap: vad kommer att hända med barnen som kommer att föda.