Легкие, как окно, и воспроизводимые, как газета, органические солнечные батареи становятся жизнеспособным решением для удовлетворения растущего спроса на энергию в стране.

Исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне первыми обнаружили биологическое свойство, называемое хиральностью, проявляющееся в ахиральных сопряженных полимерах, которые используются для разработки гибких солнечных элементов . Их открытие может помочь увеличить емкость заряда элементов и расширить доступ к доступным возобновляемым источникам энергии.

Спиральная архитектура ДНК многим известна как спираль. Структурно говоря, ДНК и другие спиральные молекулы классифицируются как хиральные: асимметричные, так что наложение на зеркальное изображение невозможно. Термин происходит от греческого слова «рука», что также является примером. Представьте себе отпечаток левой руки на листе бумаги, а затем прямо сверху отпечаток правой руки. Два отпечатка не совпадают точно; ваша рука, как и ее ДНК, хиральна.

От рук и ног до углеводов и белков, хиральность вплетена в генетическую структуру человека. Его также много в природе, и он даже усиливает химическую реакцию, управляющую фотосинтезом.

«Хиральность — это увлекательное биологическое свойство», — сказал Ин Дяо, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии и главный исследователь исследования. «Функция многих биомолекул напрямую связана с их хиральностью. Возьмем белковые комплексы, участвующие в фотосинтезе. Когда электроны проходят через спиралевидные структуры белков, создается эффективное магнитное поле, которое помогает разделять связанные заряды, созданные светом. Это означает, что свет могут быть преобразованы в биохимические вещества более эффективно».

По большей части ученые наблюдали, что молекулы с одинаковой структурой склонны держаться особняком: хиральные молекулы собираются в хиральные структуры (подобно нуклеиновым кислотам, образующим ДНК), а ахиральные молекулы собираются в ахиральные структуры. Диао и ее коллеги наблюдали нечто иное. При правильных условиях ахиральные сопряженные полимеры могут отклоняться от нормы и собираться в хиральные структуры.

Их статья опубликована в Nature Communications и открывает новые возможности для исследований на стыке биологии и электроники. Впервые ученые могут применить хиральную структуру к множеству материалов, для работы которых требуются ахиральные сопряженные полимеры.

В частности, солнечные элементы: солнечные панели толщиной с бумагу, уменьшенные до размеров экрана компьютера. Состоящие полностью из органических материалов, гибкие ячейки прозрачны и достаточно легки, чтобы цепляться за окно спальни. Их также можно быстро изготовить с помощью печати раствором, которая используется для печати газет.

«Органические солнечные элементы можно печатать с высокой скоростью и низкой стоимостью, используя очень мало энергии. Представьте, что однажды солнечные элементы будут такими же дешевыми, как газеты, и вы сможете сложить один из них и носить с собой в рюкзаке», — сказал Дяо.

Конъюгированные полимеры имеют решающее значение для развития и дизайна клеток.

«Теперь, когда мы раскрыли потенциал хиральных сопряженных полимеров, мы можем применить это биологическое свойство к солнечным элементам и другой электронике, изучая, как хиральность усиливает фотосинтез в природе. С более эффективными органическими солнечными элементами , которые можно производить так быстро, мы потенциально может генерировать гигаватт энергии ежедневно, чтобы удовлетворить быстро растущий мировой спрос на энергию », — сказал Дяо.

Но возобновляемая энергетика — лишь одна из многих областей, в которых можно извлечь выгоду из союза хиральности и сопряженных полимеров. Разнообразные приложения могут включать потребительские товары, такие как аккумуляторы и умные часы, квантовые вычисления и биологические датчики, которые могут обнаруживать признаки заболеваний в организме.

«Это замечательное появление хиральности в сопряженных полимерах может открыть новые возможности применения помимо солнечных элементов . Чувствительная к поляризации визуализация, интеллектуальное машинное зрение, хирально-селективный катализ и даже разработка новых, легких топологических механических метаматериалов, которые могут защищать от ударов. и свести к минимуму воздействие. Наша работа дает прямое представление о том, как реализовать эти приложения», — сказал Цянь Чен, доцент кафедры материаловедения и инженерии и соавтор этого исследования.

Чтобы прийти к своему открытию, исследователи сначала объединили ахиральные сопряженные полимеры с растворителем. Затем они добавляли раствор по капле на предметное стекло микроскопа. По мере того как молекулы растворителя испарялись, оставляя после себя полимеры, раствор становился все более и более концентрированным. Вскоре сжатые ахиральные полимеры начали самосборку в структуры.

Молекулярная самосборка не является необычным явлением. Однако по мере увеличения концентрации раствора исследователи заметили, что ахиральные полимеры не собирались в ахиральные структуры, как ожидалось. Вместо этого они образовывали спирали.

«Через линзу микроскопа мы наблюдали скрученную форму и спиральную структуру полимеров. Возможности набора для микроскопии Бекмана помогли сделать это открытие возможным», — сказал ведущий автор и научный сотрудник Кьюнг Сун Парк (Kyung Sun Park).

Кроме того, исследователи обнаружили, что структурная эволюция от хиральной к ахиральной происходит не в один этап, а в многоэтапной последовательности, когда меньшие спирали собираются, образуя все более сложные хиральные структуры.

Усовершенствованное моделирование молекулярной динамики помогло исследователям подтвердить этапы молекулярного масштаба в этой последовательности, которые нельзя увидеть невооруженным глазом.

«Моделирование молекулярной динамики сыграло важную роль в этом исследовании. Не менее важной была совместная среда Института Бекмана, которая поощряла слияние молекулярной динамики с микроскопией и химией», — сказал Дивакар Шукла, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии и соавтор этого исследования.