Buckyballs på DNA til høst af lys

Organiske molekyler, der fanger fotoner og omdanner disse til elektricitet, har vigtige anvendelser til at producere grøn energi. Lys-høstende komplekser har brug for to halvledere, en elektrondonor og en acceptor. Hvor godt de fungerer måles ved deres kvanteeffektivitet, den hastighed, hvormed fotoner omdannes til elektron-hul-par.

Kvanteeffektiviteten er lavere end optimal, hvis der er "selvslukning", hvor et molekyle exciteret af en indkommende foton donerer noget af sin energi til et identisk ikke-exciteret molekyle, giver to molekyler ved en mellemenergitilstand for lav til at producere et elektron-hul-par. Men hvis elektrondonorer og -acceptorer er bedre fordelt, selvslukning er begrænset, så kvanteeffektiviteten forbedres.

I et nyt blad i Grænser i kemi , forskere fra Karlsruhe Institute of Technology (KIT) syntetiserer en ny type organisk lys-høstende supramolekyle baseret på DNA. Den dobbelte helix af DNA fungerer som et stillads til at arrangere kromoforer (dvs. fluorescerende farvestoffer) - som fungerer som elektrondonorer - og "buckyballs" - elektronacceptorer - i tre dimensioner for at undgå selvslukning.

"DNA er et attraktivt stillads til at bygge lys-høstende supramolekyler:dets spiralformede struktur, faste afstande mellem nukleobaser, og kanonisk baseparring kontrollerer præcist kromoforernes position. Her viser vi, at carbon buckyballs, bundet til modificerede nukleosider indsat i DNA-helixen, forbedre kvanteeffektiviteten betydeligt. Vi viser også, at supramolekylets 3D-struktur ikke kun eksisterer i den flydende fase, men også i den faste fase, for eksempel i fremtidens organiske solceller, " siger hovedforfatter Dr. Hans-Achim Wagenknecht, Professor i organisk kemi ved Karlsruhe Institute of Technology (KIT).

DNA giver regelmæssig struktur, som perler på en spiralformet snor

Som stillads, Wagenknecht og kolleger brugte enkeltstrenget DNA, deoxyadenosin (A) og thymin (T) tråde 20 nukleotider lange. Denne længde blev valgt, fordi teorien antyder, at kortere DNA-oligonukleotider ikke ville samle sig ordentligt, mens længere dem ikke ville være opløselige i vand. Kromoforerne var violet-fluorescerende pyren og rød-fluorescerende Nile-røde molekyler, hver bundet ikke-kovalent til et enkelt syntetisk uracil (U)-deoxyribose-nukleosid. Hvert nukleosid blev baseparret til DNA-stilladset, men rækkefølgen af ​​pyrener og nilrøde blev overladt til tilfældighederne under selvsamlingen.

For elektronacceptorerne, Wagenknecht et al. testet to former for "buckyballs" - også kaldet fullerener - som er kendt for at have en fremragende evne til at "slukke" (acceptere elektroner). Hver buckyball var en hul globus bygget af sammenlåsende ringe med fem eller seks kulstofatomer, for i alt 60 kulstof pr. molekyle. Den første testede form for buckyball binder sig uspecifikt til DNA'et gennem elektrostatiske ladninger. Den anden form - ikke tidligere testet som en elektronacceptor - var kovalent bundet via en malonester til to flankerende U-deoxyribose-nukleosider, hvilket tillod det at blive baseparret med et A-nukleotid på DNA'et.

Høj kvanteeffektivitet, herunder i fast fase

Forskerne bekræftede eksperimentelt, at 3D-strukturen af ​​det DNA-baserede supramolekyle fortsætter i fast fase:et afgørende krav til anvendelse i solceller. Til denne ende, de testede supramolekyler med begge former for buckyballs som det aktive lag i en miniature solcelle. Konstruktionerne viste fremragende ladningsadskillelse - dannelsen af ​​et positivt hul og negativ elektronladning i kromoforen og deres accept af nærliggende buckyballs - med begge former for buckyball, men især for den anden form. Forfatterne forklarer dette ud fra den mere specifikke binding, gennem kanonisk baseparring, til DNA-stilladset ved den anden form, hvilket skulle resultere i en mindre afstand mellem buckyball og kromofor. Det betyder, at den anden form er den bedste skole til brug i solceller.

Vigtigt, forfatterne viser også, at DNA-farvestof-buckyball supramolekylet har stærk cirkulær dikroisme, det er, det er meget mere reaktivt på venstre- end på højrehåndet polariseret lys, på grund af dens komplekse 3-D spiralformede struktur - selv i den faste fase.

"Jeg forventer ikke, at alle snart vil have solceller med DNA på deres tag. Men DNA's chiralitet vil være interessant:DNA-baserede solceller kan måske fornemme cirkulært polariseret lys i specialiserede applikationer, " slutter Wagenknecht.