Органические молекулы, которые захватывают фотоны и преобразуют их в электричество, имеют важные применения для производства зеленой энергии. Для светособирающих комплексов необходимы два полупроводника, донор электронов и акцептор. Насколько хорошо они работают, измеряется их квантовой эффективностью — скоростью, с которой фотоны превращаются в электронно-дырочные пары.
Квантовая эффективность считается ниже оптимальной, если имеет место «самогашение», когда одна молекула, возбужденная входящим фотоном, отдает часть своей энергии идентичной невозбужденной молекуле, в результате чего две молекулы находятся в промежуточном энергетическом состоянии, слишком низком для образования электрона. Но если доноры и акцепторы электронов лучше разнесены, самозатухание ограничено, так что квантовая эффективность улучшается.
«ДНК представляет собой привлекательный каркас для создания светособирающих супрамолекул: ее спиральная структура, фиксированные расстояния между нуклеотидными основаниями и каноническое спаривание оснований точно контролируют положение хромофоров. Здесь мы показываем, что углеродные бакиболлы, связанные с модифицированными нуклеозидами, вставленными в спираль ДНК, значительно повышают квантовую эффективность. Мы также показываем, что трехмерная структура супрамолекулы сохраняется не только в жидкой фазе, но и в твердой фазе, например, в будущих органических солнечных элементах»
доктор Ханс-Ахим Вагенкнехт, профессор органической химии Технологического института Карлсруэ (KIT).
В качестве каркаса ученые использовали одноцепочечную ДНК, дезоксиаденозиновые (А) и тиминовые (Т) цепи длиной 20 нуклеотидов. Эта длина была выбрана потому, что теория предполагает, что более короткие олигонуклеотиды ДНК не будут собираться упорядоченно, а более длинные — нерастворимы в воде. Хромофоры представляли собой флуоресцентные молекулы пирена с фиолетовой флуоресценцией и молекулы нильского красного с красной флуоресценцией, каждая из которых нековалентно связана с одним синтетическим урацил-дезоксирибозным нуклеозидом. Каждый нуклеозид был спарен по основанию с каркасом ДНК, но порядок пиренов и красных нильских цветов был оставлен на волю случая во время самосборки.
Что касается акцепторов электронов, ученые протестировали две формы бакиболов, также называемых фуллеренами, которые, как известно, обладают превосходной способностью к гашению (приему электронов). Каждый бакибол представлял собой полый шар, состоящий из взаимосвязанных колец из пяти или шести атомов углерода, в общей сложности 60 атомов углерода на молекулу. Первая протестированная форма бакибола неспецифически связывается с ДНК посредством электростатических зарядов. Вторая форма — ранее не тестировавшаяся в качестве акцептора электронов — была ковалентно связана через малоновый эфир с двумя фланкирующими нуклеозидами U-дезоксирибозы, что позволило спарить ее по основанию с нуклеотидом A на ДНК.
Исследователи экспериментально подтвердили, что трехмерная структура супрамолекулы на основе ДНК сохраняется в твердой фазе: это важнейшее требование для приложений в солнечных элементах. С этой целью они протестировали супрамолекулы с любой формой букиболов в качестве активного слоя миниатюрного солнечного элемента. Конструкции показали отличное разделение зарядов — образование положительной дырки и отрицательного заряда электрона в хромофоре и их принятие соседними бакиболами — с любой формой бакибола, но особенно для второй формы.
Авторы объясняют это более специфическим связыванием посредством канонического спаривания оснований с каркасом ДНК второй формой, что должно приводить к меньшему расстоянию между бакиболом и хромофором. Это означает, что вторая форма лучше всего подходит для использования в солнечных элементах.
Ученые не ожидают, что скоро у всех будут солнечные элементы с ДНК на крыше. Но интересна хиральность ДНК: солнечные элементы на этой основе могут воспринимать свет с круговой поляризацией в специализированных приложениях.
Читать также:
Физики создали аналог черной дыры и подтвердили теорию Хокинга. К чему это приведет?