• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Buckyballs på DNA för att skörda ljus

    Kredit:CC0 Public Domain

    Organiska molekyler som fångar fotoner och omvandlar dessa till elektricitet har viktiga tillämpningar för att producera grön energi. Ljusskördande komplex behöver två halvledare, en elektrondonator och en acceptor. Hur väl de fungerar mäts av deras kvanteffektivitet, hastigheten med vilken fotoner omvandlas till elektron-hålpar.

    Kvanteffektiviteten är lägre än optimal om det finns "självsläckning", där en molekyl exciterad av en inkommande foton donerar en del av sin energi till en identisk icke-exciterad molekyl, ger två molekyler vid ett mellanenergitillstånd för lågt för att producera ett elektron-hål-par. Men om elektrondonatorer och -acceptorer är bättre åtskilda, självsläckning är begränsad, så att kvanteffektiviteten förbättras.

    I en ny tidning i Gränser i kemi , forskare från Karlsruhe Institute of Technology (KIT) syntetiserar en ny typ av organisk ljusskördande supramolekyl baserad på DNA. Den dubbla helixen av DNA fungerar som en ställning för att ordna kromoforer (dvs fluorescerande färgämnen) - som fungerar som elektrondonatorer - och "buckyballs" - elektronacceptorer - i tre dimensioner för att undvika självsläckning.

    "DNA är en attraktiv ställning för att bygga ljusskördande supramolekyler:dess spiralformade struktur, fasta avstånd mellan nukleobaser, och kanonisk basparning kontrollerar exakt positionen för kromoforerna. Här visar vi att kol buckyballs, bundna till modifierade nukleosider insatta i DNA-spiralen, förbättra kvanteffektiviteten avsevärt. Vi visar också att supramolekylens 3D-struktur kvarstår inte bara i flytande fas utan även i fast fas, till exempel i framtida organiska solceller, " säger huvudförfattaren Dr. Hans-Achim Wagenknecht, Professor i organisk kemi vid Karlsruhes tekniska högskola (KIT).

    DNA ger regelbunden struktur, som pärlor på ett spiralformat snöre

    Som ställning, Wagenknecht och kollegor använde enkelsträngat DNA, deoxyadenosin (A) och tymin (T) strängar 20 nukleotider långa. Denna längd valdes eftersom teorin tyder på att kortare DNA-oligonukleotider inte skulle samlas på rätt sätt, medan längre sådana inte skulle vara lösliga i vatten. Kromoforerna var violettfluorescerande pyren och rödfluorescerande nilröda molekyler, var och en bunden icke-kovalent till en enda syntetisk uracil (U)-deoxiribosnukleosid. Varje nukleosid var basparad till DNA-ställningen, men ordningen av pyrener och nilröda lämnades åt slumpen under självmontering.

    För elektronacceptorerna, Wagenknecht et al. testade två former av "buckyballs" - även kallade fullerener - som är kända för att ha en utmärkt förmåga att "släcka" (ta emot elektroner). Varje buckyball var en ihålig glob byggd av sammankopplade ringar med fem eller sex kolatomer, för totalt 60 kol per molekyl. Den första formen av buckyball som testades binder ospecifikt till DNA:t genom elektrostatiska laddningar. Den andra formen – som inte tidigare testats som elektronacceptor – var kovalent bunden via en malonester till två flankerande U-deoxiribosnukleosider, vilket gjorde att den kunde basparas med en A-nukleotid på DNA:t.

    Hög kvanteffektivitet, inklusive i fast fas

    Forskarna bekräftade experimentellt att 3D-strukturen av den DNA-baserade supramolekylen kvarstår i fast fas:ett avgörande krav för tillämpningar i solceller. För detta ändamål, de testade supramolekyler med endera formen av buckyballs som det aktiva lagret i en miniatyrsolcell. Konstruktionerna visade utmärkt laddningsseparation - bildandet av ett positivt hål och negativ elektronladdning i kromoforen och deras acceptans av närliggande buckyballs - med endera formen av buckyball, men speciellt för den andra formen. Författarna förklarar detta från den mer specifika bindningen, genom kanonisk basparning, till DNA-ställningen med den andra formen, vilket borde resultera i ett mindre avstånd mellan buckyball och kromofor. Detta innebär att den andra formen är den bästa skolan för användning i solceller.

    Viktigt, författarna visar också att supramolekylen DNA-dye-buckyball har stark cirkulär dikroism, det är, det är mycket mer reaktivt mot vänster- än för högerhänt polariserat ljus, på grund av dess komplexa 3-D spiralformade struktur – även i fast fas.

    "Jag förväntar mig inte att alla kommer att ha solceller med DNA på sitt tak snart. Men kiraliteten hos DNA kommer att vara intressant:DNA-baserade solceller kan känna av cirkulärt polariserat ljus i specialiserade tillämpningar, avslutar Wagenknecht.


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com