Organiska solceller är lätta som ett fönster och kan replikeras som en tidning. De växer fram som en hållbar lösning för landets växande energibehov. Forskare vid Beckman Institute for Advanced Science and Technology vid University of Illinois Urbana-Champaign är de första att observera en biologisk egenskap som kallas kiralitet som dyker upp i akirala konjugerade polymerer, som används för att designa flexibla solceller. Deras upptäckt kan hjälpa till att förbättra cellernas laddningskapacitet och öka tillgången till prisvärd förnybar energi. Kredit:Beckman Institute for Advanced Science and Technology.
Organiska solceller är lätta som ett fönster och kan replikeras som en tidning. De växer fram som en hållbar lösning för landets växande energibehov.
Forskare vid University of Illinois Urbana-Champaign är de första att observera en biologisk egenskap som kallas kiralitet som dyker upp i akirala konjugerade polymerer, som används för att designa flexibla solceller. Deras upptäckt kan hjälpa till att förbättra cellernas laddningskapacitet och öka tillgången till prisvärd förnybar energi.
DNA:s lindade arkitektur känns igen för många som en helix. Strukturellt sett klassificeras DNA och andra spiralformade molekyler som kirala:asymmetriska så att överlagring på en spegelbild är omöjlig. Termen kommer från det grekiska ordet för hand, vilket också är ett exempel. Föreställ dig ett vänsterhandsavtryck på ett pappersark, följt av ett högerhandsavtryck direkt ovanpå. De två utskrifterna är inte snyggt anpassade; din hand, liksom dess DNA, är kiral.
Från händer och fötter till kolhydrater och proteiner, kiralitet vrids in i människans genetiska makeup. Det är också rikligt i naturen och förstärker till och med den kemiska reaktionen som driver fotosyntesen.
"Kiralitet är en fascinerande biologisk egenskap", säger Ying Diao, docent i kemi- och biomolekylär teknik och studiens huvudutredare. "Funktionen hos många biomolekyler är direkt kopplad till deras kiralitet. Ta proteinkomplexen som är involverade i fotosyntesen. När elektroner rör sig genom proteinernas spiralformade strukturer genereras ett effektivt magnetfält som hjälper till att separera bundna laddningar som skapas av ljus. Detta innebär att ljus kan omvandlas till biokemikalier mer effektivt."
För det mesta har forskare observerat att molekyler med liknande strukturer tenderar att hålla sig för sig själva:kirala molekyler samlas till kirala strukturer (som nukleinsyror som bildar DNA), och akirala molekyler sätts ihop till akirala strukturer. Diao och hennes kollegor observerade något annorlunda. Under rätt förhållanden kan akirala konjugerade polymerer avvika från normen och sättas samman till kirala strukturer.
Deras papper visas i Nature Communications och introducerar nya möjligheter för forskning vid konvergensen mellan biologi och elektronik. För första gången kan forskare tillämpa kiral struktur på de otaliga material som kräver akirala konjugerade polymerer för att fungera.
I synnerhet solceller:papperstunna solpaneler nedskalade till storleken på en datorskärm. De flexibla cellerna är helt sammansatta av organiska material och är genomskinliga och lätta nog att hålla fast vid ett sovrumsfönster. De kan också snabbt tillverkas med lösningstryck, den process som används för att trycka tidningar.
"Ekologiska solceller kan skrivas ut med hög hastighet och låg kostnad, med väldigt lite energi. Föreställ dig att en dag är solceller lika billiga som tidningar, och du kan vika ihop en och bära runt den i ryggsäcken", sa Diao.
Konjugerade polymerer är avgörande för cellernas utveckling och design.
"Nu när vi har låst upp potentialen för kirala konjugerade polymerer kan vi tillämpa den biologiska egenskapen på solceller och annan elektronik, och lära oss av hur kiralitet förbättrar fotosyntesen i naturen. Med mer effektiva organiska solceller som kan tillverkas så snabbt, vi kan potentiellt generera gigawatt energi dagligen för att hinna med den snabbt ökande globala energiefterfrågan, säger Diao.
Men förnybar energi är bara ett av många områden att dra nytta av föreningen av kiralitet och konjugerade polymerer. Olika applikationer kan omfatta konsumentprodukter som batterier och smarta klockor, kvantberäkningar och biobaserade sensorer som kan upptäcka tecken på sjukdom i kroppen.
"Denna anmärkningsvärda uppkomsten av kiralitet i konjugerade polymerer kan öppna nya applikationsvägar bortom solceller. Polarisationskänslig bildbehandling, smart maskinseende, kiralitetselektiv katalys och till och med konstruktion av nya, lättviktiga topologiska mekaniska metamaterial som kan skydda stötar och minimera påverkan. Vårt arbete ger direkt insikt i hur man får dessa tillämpningar att hända", säger Qian Chen, docent i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap och medförfattare till denna studie.
För att komma fram till sin upptäckt kombinerade forskarna först akirala konjugerade polymerer med ett lösningsmedel. De tillsatte sedan lösningen, droppe för droppe, till ett objektglas. När lösningsmedelsmolekylerna avdunstade och lämnade polymererna bakom sig, blev lösningen mer och mer koncentrerad. Snart började de komprimerade akirala polymererna självmontera för att bilda strukturer.
Molekylär självmontering är inget ovanligt fenomen. När lösningens koncentration ökade, observerade forskarna att de akirala polymererna inte sattes ihop till akirala strukturer som förväntat. Istället bildade de spiraler.
"Genom linsen i ett mikroskop observerade vi polymerernas vridna form och spiralformade struktur. Faciliteterna i Beckmans Microscopy Suite bidrog till att göra denna upptäckt möjlig", säger huvudförfattaren och postdoktorn Kyung Sun Park.
Vidare fann forskarna att den kirala-till-achirala strukturella utvecklingen inte sker i ett enda steg, utan i en flerstegssekvens där mindre helixar sätts samman för att bilda allt mer komplexa kirala strukturer.
Avancerade simuleringar av molekylär dynamik hjälpte forskarna att bekräfta stegen i molekylär skala i denna sekvens som inte kan ses med blotta ögat.
"Simulering av molekylär dynamik var avgörande för denna forskning. Lika viktig var Beckman-institutets samarbetsmiljö som uppmuntrade sammanslagning av molekylär dynamik med mikroskopi och kemi", säger Diwakar Shukla, docent i kemisk och biomolekylär teknik och medförfattare till denna studie. + Utforska vidare
