Geïnspireerd door de natuur, onderzoekers van het City College of New York (CCNY) kunnen een synthetische strategie demonstreren om bio-geïnspireerde materialen voor het oogsten van zonne-energie te stabiliseren. Hun bevindingen, gepubliceerd in het laatste nummer van Natuurchemie , zou een belangrijke doorbraak kunnen zijn in het functionaliseren van moleculaire assemblages voor toekomstige conversietechnologieën voor zonne-energie.

In bijna elke uithoek van de wereld, ondanks extreme hitte of koude temperatuuromstandigheden, je zult fotosynthetische organismen vinden die ernaar streven zonne-energie op te vangen. Het blootleggen van de geheimen van de natuur over hoe licht zo efficiënt en robuust kan worden geoogst, zou het landschap van duurzame zonne-energietechnologieën kunnen veranderen, vooral in het kielzog van stijgende mondiale temperaturen.

Bij fotosynthese, de eerste stap (dat wil zeggen light-harvesting) betreft de interactie tussen licht en de licht-harvesting antenne, die is samengesteld uit fragiele materialen die bekend staan ​​​​als supramoleculaire assemblages. Van bladgroene planten tot kleine bacteriën, nature ontwierp een tweecomponentensysteem:de supramoleculaire assemblages zijn ingebed in eiwit- of lipide-scaffolds. Het is nog niet duidelijk welke rol deze steiger speelt, maar recent onderzoek suggereert dat de natuur deze geavanceerde eiwitomgevingen mogelijk heeft ontwikkeld om hun fragiele supramoleculaire assemblages te stabiliseren.

"Hoewel we de complexiteit van de eiwitstructuren in fotosynthetische organismen niet kunnen repliceren, we waren in staat om het basisconcept van een beschermende steiger aan te passen om onze antenne voor het oogsten van kunstlicht te stabiliseren, " zei Dr. Kara Ng. Haar co-auteurs zijn onder meer Dorthe M. Eisele en Ilona Kretzschmar, beide professoren aan CCNY, en Seogjoo Jang, professor aan het Queens College.

Zo ver, het vertalen van de ontwerpprincipes van de natuur naar grootschalige fotovoltaïsche toepassingen is niet gelukt.

"De mislukking kan liggen in het ontwerpparadigma van de huidige zonnecelarchitecturen, " zei Eisele. Echter, zij en haar onderzoeksteam, "Het is niet de bedoeling om de reeds bestaande zonnecelontwerpen te verbeteren. Maar we willen leren van de meesterwerken van de natuur om geheel nieuwe architecturen voor het oogsten van zonne-energie te inspireren, " voegde ze eraan toe.

Geïnspireerd door de natuur, de onderzoekers laten zien hoe klein, verknopende moleculen kunnen barrières voor functionalisering van supramoleculaire assemblages overwinnen. Ze ontdekten dat silaanmoleculen zichzelf kunnen assembleren om een ​​in elkaar grijpende, stabiliserende steiger rond een kunstmatige supramoleculaire lichtoogstantenne.

"We hebben aangetoond dat deze intrinsiek onstabiele materialen, kan nu overleven in een apparaat, zelfs door meerdere cycli van verwarming en koeling, " zei Ng. Hun werk biedt proof-of-concept dat een kooi-achtig steigerontwerp supramoleculaire assemblages stabiliseert tegen omgevingsstressoren, zoals extreme temperatuurschommelingen, zonder hun gunstige lichtoogst-eigenschappen te verstoren.