Ny polymerejendom kan øge tilgængelig solenergi

Økologiske solceller er lette som et vindue, der hænger fast og kan kopieres som en avis.

Forskere ved University of Illinois Urbana-Champaign er de første til at observere en biologisk egenskab kaldet chiralitet, der dukker op i achirale konjugerede polymerer, som bruges til at designe fleksible solceller. Deres opdagelse kan hjælpe med at forbedre cellernes ladekapacitet og øge adgangen til vedvarende energi til en overkommelig pris.

DNA's oprullede arkitektur er genkendelig for mange som en helix. Strukturelt set klassificeres DNA og andre spiralformede molekyler som chirale:asymmetriske, således at overlejring på et spejlbillede er umuligt. Udtrykket stammer fra det græske ord for hånd, som også er et eksempel. Forestil dig et venstrehåndsaftryk på et ark papir, efterfulgt af et højrehåndsaftryk direkte på toppen. De to udskrifter passer ikke pænt ind; din hånd er, ligesom dens DNA, chiral.

Fra hænder og fødder til kulhydrater og proteiner er chiralitet snoet ind i menneskers genetiske sammensætning. Det er også rigeligt i naturen og forstærker endda den kemiske reaktion, der driver fotosyntesen.

"Kiralitet er en fascinerende biologisk egenskab," sagde Ying Diao, en lektor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab og undersøgelsens hovedforsker. "Mange biomolekylers funktion er direkte forbundet med deres chiralitet. Tag proteinkomplekserne involveret i fotosyntesen. Når elektroner bevæger sig gennem proteinernes spiralformede strukturer, genereres et effektivt magnetfelt, der hjælper med at adskille bundne ladninger skabt af lys. Det betyder, at lyset kan omdannes til biokemikalier mere effektivt."

For det meste har videnskabsmænd observeret, at molekyler med lignende strukturer har en tendens til at holde sig for sig selv:chirale molekyler samles i chirale strukturer (som nukleinsyrer, der danner DNA), og achirale molekyler samles til achirale strukturer. Diao og hendes kolleger observerede noget anderledes. Under de rigtige forhold kan akirale konjugerede polymerer afvige fra normen og samles til chirale strukturer.

Deres papir vises i Nature Communications og introducerer nye muligheder for forskning i konvergensen mellem biologi og elektronik. For første gang kan forskere anvende chiral struktur på de utallige materialer, der kræver achirale konjugerede polymerer for at fungere.

Især solceller:papirtynde solpaneler nedskaleret til størrelsen af ​​en computerskærm. De fleksible celler er udelukkende sammensat af organiske materialer og er gennemsigtige og lette nok til at klæbe til et soveværelsesvindue. De kan også hurtigt fremstilles med løsningsprint, den proces, der bruges til at trykke aviser.

"Økologiske solceller kan udskrives med høj hastighed og lave omkostninger ved at bruge meget lidt energi. Forestil dig, at en dag er solceller lige så billige som aviser, og du kan folde en sammen og bære den rundt i din rygsæk," sagde Diao.

Konjugerede polymerer er afgørende for cellernes udvikling og design.

"Nu hvor vi har låst op for potentialet for chirale konjugerede polymerer, kan vi anvende den biologiske egenskab på solceller og anden elektronik og lære af, hvordan chiralitet forbedrer fotosyntesen i naturen. Med mere effektive organiske solceller, der kan fremstilles så hurtigt, kan vi kan potentielt generere gigawatt energi dagligt for at indhente den hastigt stigende globale energiefterspørgsel," sagde Diao.

Men vedvarende energi er blot et af mange områder, der kan drage fordel af foreningen af ​​chiralitet og konjugerede polymerer. Forskellige applikationer kan omfatte forbrugerprodukter som batterier og smarture, kvantecomputere og biobaserede sensorer, der kan registrere tegn på sygdom i kroppen.

"Denne bemærkelsesværdige fremkomst af chiralitet i konjugerede polymerer kan åbne nye muligheder for anvendelser ud over solceller. Polarisationsfølsom billeddannelse, smart maskinsyn, chiralitetsselektiv katalyse og endda konstruktionen af ​​nye, lette topologiske mekaniske metamaterialer, der kan skærme stød og minimere påvirkningen. Vores arbejde giver direkte indsigt i, hvordan man får disse applikationer til at ske," sagde Qian Chen, lektor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab og medforfatter til denne undersøgelse.

For at nå frem til deres opdagelse kombinerede forskerne først achirale konjugerede polymerer med et opløsningsmiddel. De tilsatte derefter opløsningen, dråbe for dråbe, til et objektglas. Efterhånden som opløsningsmiddelmolekylerne fordampede og efterlod polymererne, blev opløsningen mere og mere koncentreret. Snart begyndte de komprimerede akirale polymerer at samle sig selv for at danne strukturer.

Molekylær selvsamling er ikke et usædvanligt fænomen. Efterhånden som opløsningens koncentration steg, observerede forskerne imidlertid, at de achirale polymerer ikke samles til achirale strukturer som forventet. I stedet dannede de helixer.

"Gennem linsen i et mikroskop observerede vi polymerernes snoede form og spiralformede struktur. Faciliteterne i Beckmans Microscopy Suite var med til at gøre denne opdagelse mulig," sagde hovedforfatter og postdoc-forsker Kyung Sun Park.

Yderligere fandt forskerne ud af, at den chiral-til-achirale strukturelle udvikling ikke sker i et enkelt trin, men i en flertrinssekvens, hvor mindre helixer samles for at danne stadig mere komplekse chirale strukturer.

Avancerede simuleringer af molekylær dynamik hjalp forskerne med at bekræfte de molekylære trin i denne sekvens, som ikke kan ses med det blotte øje.

"Simulering af molekylær dynamik var medvirkende til denne forskning. Lige så vigtigt var Beckman-instituttets samarbejdsmiljø, der tilskyndede til at fusionere molekylær dynamik med mikroskopi og kemi," sagde Diwakar Shukla, lektor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab og medforfatter til denne undersøgelse. + Udforsk yderligere

Reaktionskinetik driver chiral nanokrystaldannelse i telluratomer