Lichtgewicht als een raamsticker en repliceerbaar als een krant, organische zonnecellen komen naar voren als een haalbare oplossing voor de groeiende vraag naar energie van het land.

Onderzoekers van de University of Illinois Urbana-Champaign zijn de eersten die een biologische eigenschap, chiraliteit genaamd, hebben waargenomen in achirale geconjugeerde polymeren, die worden gebruikt om flexibele zonnecellen te ontwerpen. Hun ontdekking zou kunnen helpen de laadcapaciteit van de cellen te vergroten en de toegang tot betaalbare hernieuwbare energie te vergroten.

De opgerolde architectuur van DNA is voor velen herkenbaar als een helix. Structureel gezien worden DNA en andere spiraalvormige moleculen geclassificeerd als chiraal:asymmetrisch zodat superpositie op een spiegelbeeld onmogelijk is. De term is afkomstig van het Griekse woord voor hand, wat ook een voorbeeld is. Stel je een linkerhandafdruk voor op een vel papier, gevolgd door een rechterhandafdruk direct bovenop. De twee prints zijn niet netjes uitgelijnd; je hand is, net als zijn DNA, chiraal.

Van handen en voeten tot koolhydraten en eiwitten, chiraliteit is verdraaid in de genetische samenstelling van de mens. Het is ook overvloedig aanwezig in de natuur en versterkt zelfs de chemische reactie die de fotosynthese stimuleert.

"Chiraliteit is een fascinerende biologische eigenschap", zegt Ying Diao, universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire engineering en hoofdonderzoeker van het onderzoek. "De functie van veel biomoleculen is direct gekoppeld aan hun chiraliteit. Neem de eiwitcomplexen die betrokken zijn bij fotosynthese. Wanneer elektronen door de spiraalvormige structuren van de eiwitten bewegen, wordt een effectief magnetisch veld gegenereerd dat helpt bij het scheiden van gebonden ladingen die door licht worden gecreëerd. Dit betekent dat licht kunnen efficiënter worden omgezet in biochemicaliën."

Voor het grootste deel hebben wetenschappers waargenomen dat moleculen met vergelijkbare structuren de neiging hebben om zichzelf te houden:chirale moleculen assembleren tot chirale structuren (zoals nucleïnezuren die DNA vormen), en achirale moleculen assembleren tot achirale structuren. Diao en haar collega's zagen iets anders. Onder de juiste omstandigheden kunnen achirale geconjugeerde polymeren afwijken van de norm en samensmelten tot chirale structuren.

Hun artikel verschijnt in Nature Communications en introduceert nieuwe mogelijkheden voor onderzoek op de convergentie van biologie en elektronica. Voor het eerst kunnen wetenschappers een chirale structuur toepassen op de talloze materialen die achirale geconjugeerde polymeren nodig hebben om te functioneren.

Met name zonnecellen:flinterdunne zonnepanelen verkleind tot het formaat van een computerscherm. De flexibele cellen zijn volledig samengesteld uit organische materialen en zijn transparant en licht genoeg om aan een slaapkamerraam te hangen. Ze zijn ook snel te produceren met solution printing, het proces dat wordt gebruikt om kranten af ​​te drukken.

"Organische zonnecellen kunnen met hoge snelheid en lage kosten worden geprint, met heel weinig energie. Stel je voor dat zonnecellen op een dag zo goedkoop zijn als kranten, en je zou er een kunnen opvouwen en in je rugzak kunnen dragen," zei Diao.

Geconjugeerde polymeren zijn cruciaal voor de ontwikkeling en het ontwerp van de cellen.

"Nu we het potentieel voor chirale geconjugeerde polymeren hebben ontgrendeld, kunnen we die biologische eigenschap toepassen op zonnecellen en andere elektronica, lerend van hoe chiraliteit de fotosynthese in de natuur verbetert. Met efficiëntere organische zonnecellen die zo snel kunnen worden vervaardigd, kunnen we kan mogelijk dagelijks gigawatt aan energie genereren om de snel toenemende wereldwijde vraag naar energie in te halen," zei Diao.

Maar hernieuwbare energie is slechts een van de vele gebieden die kunnen profiteren van de combinatie van chiraliteit en geconjugeerde polymeren. Diverse toepassingen zijn onder meer consumentenproducten zoals batterijen en slimme horloges, kwantumcomputers en biogebaseerde sensoren die tekenen van ziekte in het lichaam kunnen detecteren.

"Deze opmerkelijke opkomst van chiraliteit in geconjugeerde polymeren zou nieuwe wegen voor toepassingen buiten zonnecellen kunnen openen. Polarisatiegevoelige beeldvorming, slimme machinevisie, chiraliteit-selectieve katalyse en zelfs de engineering van nieuwe, lichtgewicht topologische mechanische metamaterialen die schokken kunnen afschermen en de impact te minimaliseren. Ons werk biedt direct inzicht in hoe deze toepassingen mogelijk kunnen worden gemaakt", zegt Qian Chen, universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering en co-auteur van dit onderzoek.

Om tot hun ontdekking te komen, combineerden de onderzoekers eerst achirale geconjugeerde polymeren met een oplosmiddel. Vervolgens voegden ze de oplossing druppel voor druppel toe aan een microscoopglaasje. Naarmate de oplosmiddelmoleculen verdampten en de polymeren achterbleven, werd de oplossing steeds geconcentreerder. Al snel begonnen de gecomprimeerde achirale polymeren zichzelf te assembleren om structuren te vormen.

Moleculaire zelfassemblage is geen ongewoon fenomeen. Naarmate de concentratie van de oplossing toenam, merkten de onderzoekers echter op dat de achirale polymeren zich niet zoals verwacht in achirale structuren assembleerden. In plaats daarvan vormden ze helixen.

"Door de lens van een microscoop hebben we de gedraaide vorm en spiraalvormige structuur van de polymeren waargenomen. De faciliteiten in Beckman's Microscopy Suite hebben deze ontdekking mogelijk gemaakt", zegt hoofdauteur en postdoctoraal onderzoeker Kyung Sun Park.

Verder ontdekten de onderzoekers dat de chirale naar achirale structurele evolutie niet in een enkele stap plaatsvindt, maar in een meerstapssequentie waarbij kleinere helixen samenkomen om steeds complexere chirale structuren te vormen.

Geavanceerde moleculaire dynamica-simulaties hielpen de onderzoekers om de stappen op moleculaire schaal in deze reeks te bevestigen die niet met het blote oog kunnen worden gezien.

"Moleculaire dynamische simulatie speelde een belangrijke rol in dit onderzoek. Even belangrijk was de samenwerkingsomgeving van het Beckman Institute die het samenvoegen van moleculaire dynamica met microscopie en chemie aanmoedigde", zegt Diwakar Shukla, universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire engineering en co-auteur van deze studie. + Verder verkennen

Reactiekinetiek stimuleert de vorming van chirale nanokristallen in telluriumatomen