Новая органическая супрамолекула на основе ДНК умеет собирать свет

Исследователи из Технологического института Карлсруэ (KIT) синтезировали новый тип органической светособирающей супрамолекулы на основе ДНК. Двойная спираль ДНК действует как каркас для организации хромофоров (то есть флуоресцентных красителей), которые действуют как доноры электронов, и бакиболов — акцепторов электронов — в трех измерениях, чтобы избежать самотушения.

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?

Ученые обнаружили предел скорости в квантовом мире.

Аборты и наука: что будет с детьми, которых родят.

Подписывайтесь
на наши каналы в Telegram

«Хайтек»новостионлайн

«Хайтек»Dailyновости 3 раза в день

Первая полоса
Юпитер оказался не таким, как считали ученые: открытие опровергает гипотезу о гиганте
Космос
Физики придумали, как найти новые измерения в пространстве
Наука
Посмотрите на первое фото кометы C/2024 G3 в России: она прилетает раз в 160 000 лет
Космос
Ученые нашли необычные частицы: их поведение невозможно объяснить обычной физикой
Наука
Байден запретит поставки ИИ-чипов в Россию: что ответила NVIDIA
Новости
300 млрд киловатт-часов: Китай строит крупнейшую в мире гидроэлектростанцию
Новости
Парниковые газы предложили хранить в стенах домов для борьбы с изменением климата
Наука
Ученые разгадали тайну, как древние птерозавры поднялись в воздух
Наука
Эксперимент показал, что фотоны света могут вести себя как частицы темной материи
Наука
ИИ создал крупнейшую базу данных фотографий северного сияния
Наука
Молекулы РНК превратили в «фонарики», чтобы отслеживать их работу в клетке
Наука
Европейский зонд показал северный полюс Меркурия в рекордных деталях
Космос
Посмотрите, как изменится внешний вид людей через 30 лет  
Наука
Посмотрите на первые фото Tesla Model Y без камуфляжа  
Новости
«Тостер» для смартфона обновляет зарядку гаджета за секунды
Новости
Гаджет, который научился читать мысли человека, показали на CES 2025
Новости
Эта камера будет снимать на Луне: Nikon представила прототип на CES 2025  
Новости
Ярчайший гамма-всплеск в истории связали с теорией струн и темной материей  
Новости
Наука в фокусе: кто и зачем делает научно-популярные видеоблоги в России
Кейсы
Telegram раскрыл данные о 2000 пользователях в после ареста Дурова
Новости