(PhysOrg.com) -- Onderzoekers creëren een nieuw type zonnecel die is ontworpen om zichzelf te herstellen, zoals natuurlijke fotosynthetische systemen in planten, door gebruik te maken van koolstofnanobuisjes en DNA, een aanpak gericht op het verlengen van de levensduur en het verlagen van de kosten.

"We hebben kunstmatige fotosystemen gemaakt met behulp van optische nanomaterialen om zonne-energie te oogsten die wordt omgezet in elektrische stroom, " zei Jong Hyun Choi, een assistent-professor werktuigbouwkunde aan de Purdue University.

Het ontwerp maakt gebruik van de ongebruikelijke elektrische eigenschappen van structuren die enkelwandige koolstofnanobuizen worden genoemd. ze gebruiken als "moleculaire draden in cellen die licht oogsten, " zei Choi, wiens onderzoeksgroep is gevestigd in de Birck Nanotechnology en Bindley Bioscience-centra in Purdue's Discovery Park.

"Ik denk dat onze aanpak veelbelovend is voor industrialisatie, maar we zijn nog in de fase van fundamenteel onderzoek, " hij zei.

Foto-elektrochemische cellen zetten zonlicht om in elektriciteit en gebruiken een elektrolyt - een vloeistof die elektriciteit geleidt - om elektronen te transporteren en de stroom te creëren. De cellen bevatten lichtabsorberende kleurstoffen, chromoforen genaamd, chlorofyl-achtige moleculen die degraderen door blootstelling aan zonlicht.

"Het kritieke nadeel van conventionele foto-elektrochemische cellen is deze degradatie, ' zei Choi.

De nieuwe technologie overwint dit probleem net zoals de natuur dat doet:door de door licht beschadigde kleurstoffen continu te vervangen door nieuwe.

"Dit soort zelfregeneratie wordt elk uur in planten gedaan, ' zei Choi.

Het nieuwe concept zou een innovatief type foto-elektrochemische cel mogelijk kunnen maken die voor onbepaalde tijd op volle capaciteit blijft werken, zolang er nieuwe chromoforen worden toegevoegd.

De bevindingen werden gedetailleerd in een presentatie in november tijdens het International Mechanical Engineering Congress and Exhibition in Vancouver. Het concept werd ook onthuld in een online artikel op de website van SPIE, een internationale vereniging voor optica en fotonica.

De talk en het artikel zijn geschreven door Choi, promovendi Benjamin A. Baker en Tae-Gon Cha, en niet-gegradueerde studenten M. Dane Sauffer en Yujun Wu.

De koolstofnanobuisjes werken als een platform om DNA-strengen te verankeren. Het DNA is zo ontworpen dat het specifieke sequenties van bouwstenen heeft die nucleotiden worden genoemd, waardoor ze de chromoforen kunnen herkennen en zich eraan kunnen hechten.

"Het DNA herkent de kleurstofmoleculen, en dan assembleert het systeem zichzelf spontaan, " zei Choi

Wanneer de chromoforen klaar zijn om te worden vervangen, ze kunnen worden verwijderd door chemische processen te gebruiken of door nieuwe DNA-strengen met verschillende nucleotidesequenties toe te voegen, het aftrappen van de beschadigde kleurstofmoleculen. Nieuwe chromoforen zouden dan worden toegevoegd.

Twee elementen zijn van cruciaal belang voor de technologie om het zelfherstelmechanisme van de natuur na te bootsen:moleculaire herkenning en thermodynamische metastabiliteit, of het vermogen van het systeem om continu te worden opgelost en weer in elkaar gezet.

Het onderzoek is een uitbreiding van het werk waaraan Choi samenwerkte met onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology en de University of Illinois. Het eerdere werk maakte gebruik van biologische chromoforen uit bacteriën, en bevindingen werden gedetailleerd beschreven in een onderzoekspaper dat in november in het tijdschrift werd gepubliceerd Natuurchemie .

Echter, het gebruik van natuurlijke chromoforen is moeilijk, en ze moeten worden geoogst en geïsoleerd van bacteriën, een proces dat duur zou zijn om op industriële schaal te reproduceren, zei Choi.

"Dus in plaats van biologische chromoforen te gebruiken, we willen synthetische stoffen gebruiken die gemaakt zijn van kleurstoffen die porfyrinen worden genoemd, " hij zei.