Organische moleculen die fotonen opvangen en omzetten in elektriciteit hebben belangrijke toepassingen voor de productie van groene energie. Lichtoogstcomplexen hebben twee halfgeleiders nodig, een elektronendonor en een acceptor. Hoe goed ze werken, wordt afgemeten aan hun kwantumefficiëntie, de snelheid waarmee fotonen worden omgezet in elektron-gatparen.

Kwantumefficiëntie is lager dan optimaal als er sprake is van "self-quenching", waarbij een molecuul geëxciteerd door een inkomend foton een deel van zijn energie doneert aan een identiek niet-geëxciteerd molecuul, wat twee moleculen oplevert met een tussenliggende energietoestand die te laag is om een ​​elektron-gatpaar te produceren. Maar als elektronendonoren en -acceptoren beter uit elkaar worden geplaatst, zelfdovend is beperkt, zodat de kwantumefficiëntie verbetert.

In een nieuwe krant in Grenzen in de chemie , onderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) synthetiseren een nieuw type organisch lichtoogstend supramolecuul op basis van DNA. De dubbele helix van DNA fungeert als een stellage om chromoforen (d.w.z. fluorescerende kleurstoffen) - die functioneren als elektronendonoren - en "buckyballs" - elektronenacceptoren - in drie dimensies te rangschikken om zelfuitdoving te voorkomen.

"DNA is een aantrekkelijk stellage voor het bouwen van lichtoogstende supramoleculen:de spiraalvormige structuur, vaste afstanden tussen nucleobasen, en canonieke basenparen regelen nauwkeurig de positie van de chromoforen. Hier laten we zien dat carbon buckyballs, gebonden aan gemodificeerde nucleosiden die in de DNA-helix zijn ingebracht, sterk verbeteren de quantum efficiëntie. We laten ook zien dat de 3D-structuur van het supramolecuul niet alleen in de vloeibare fase blijft bestaan, maar ook in de vaste fase, bijvoorbeeld in toekomstige organische zonnecellen, " zegt hoofdauteur Dr. Hans-Achim Wagenknecht, Professor voor organische chemie aan het Karlsruhe Institute of Technology (KIT).

DNA zorgt voor een regelmatige structuur, als kralen aan een spiraalvormig koord

als steiger, Wagenknecht en collega's gebruikten enkelstrengs DNA, deoxyadenosine (A) en thymine (T) strengen 20 nucleotiden lang. Deze lengte werd gekozen omdat de theorie suggereert dat kortere DNA-oligonucleotiden niet ordelijk zouden assembleren, terwijl langere niet oplosbaar zouden zijn in water. De chromoforen waren violet-fluorescerende pyreen en rood-fluorescerende Nijlrode moleculen, elk gebonden niet-covalent aan een enkel synthetisch uracil (U)-deoxyribose nucleoside. Elk nucleoside was basengepaard aan de DNA-steiger, maar de volgorde van pyrenen en Nijlrood werd tijdens de zelfmontage aan het toeval overgelaten.

Voor de elektronenacceptoren geldt Wagenknecht et al. testte twee vormen van "buckyballs" - ook wel fullerenen genoemd - waarvan bekend is dat ze een uitstekend vermogen hebben om te "quenchen" (elektronen accepteren). Elke buckyball was een holle bol opgebouwd uit in elkaar grijpende ringen van vijf of zes koolstofatomen, voor een totaal van 60 koolstoffen per molecuul. De eerste geteste vorm van buckyball bindt niet-specifiek aan het DNA door middel van elektrostatische ladingen. De tweede vorm - niet eerder getest als elektronenacceptor - was covalent gebonden via een malonzuurester aan twee flankerende U-deoxyribose-nucleosiden, waardoor het basenparen kon worden aan een A-nucleotide op het DNA.

Hoge kwantumefficiëntie, ook in vaste fase

De onderzoekers bevestigden experimenteel dat de 3D-structuur van het op DNA gebaseerde supramolecuul in de vaste fase blijft bestaan:een cruciale vereiste voor toepassingen in zonnecellen. Hiertoe, ze testten supramoleculen met beide vormen van buckyballs als de actieve laag in een miniatuurzonnecel. De constructen vertoonden een uitstekende ladingsscheiding - de vorming van een positief gat en negatieve elektronenlading in de chromofoor en hun acceptatie door nabijgelegen buckyballs - met beide vormen van buckyball, maar vooral voor de tweede vorm. De auteurs verklaren dit uit de meer specifieke binding, door middel van canonieke basenparen, naar de DNA-steiger door de tweede vorm, wat zou moeten resulteren in een kleinere afstand tussen buckyball en chromofoor. Dit betekent dat de tweede vorm de betere keuze is voor gebruik in zonnecellen.

belangrijk, de auteurs laten ook zien dat het DNA-kleurstof-buckyball-supramolecuul een sterk circulair dichroïsme heeft, dat is, het is veel reactiever op links- dan op rechtshandig gepolariseerd licht, vanwege de complexe 3D-helixstructuur, zelfs in de vaste fase.

"Ik verwacht niet dat iedereen binnenkort zonnecellen met DNA op hun dak zal hebben. Maar de chiraliteit van DNA zal interessant zijn:op DNA gebaseerde zonnecellen kunnen circulair gepolariseerd licht detecteren in gespecialiseerde toepassingen, ’ besluit Wagenknecht.