Leicht wie eine Fensterfolie und vervielfältigbar wie eine Zeitung, entwickeln sich organische Solarzellen zu einer praktikablen Lösung für den wachsenden Energiebedarf der Nation.
Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign haben als erste eine biologische Eigenschaft namens Chiralität beobachtet, die in achiralen konjugierten Polymeren auftritt, die zum Design flexibler Solarzellen verwendet werden. Ihre Entdeckung könnte dazu beitragen, die Ladekapazität der Zellen zu verbessern und den Zugang zu erschwinglicher erneuerbarer Energie zu verbessern.
Die gewundene Architektur der DNA ist für viele als Helix erkennbar. Strukturell werden DNA und andere helikale Moleküle als chiral klassifiziert: asymmetrisch, sodass eine Überlagerung mit einem Spiegelbild unmöglich ist. Der Begriff stammt vom griechischen Wort für Hand, was auch ein Beispiel ist. Stellen Sie sich einen linken Handabdruck auf einem Blatt Papier vor, gefolgt von einem rechten Handabdruck direkt darüber. Die beiden Drucke sind nicht sauber ausgerichtet; Ihre Hand ist wie ihre DNA chiral.
Von Händen und Füßen bis hin zu Kohlenhydraten und Proteinen ist die Chiralität in das Erbgut des Menschen verdreht. Es ist auch in der Natur reichlich vorhanden und verstärkt sogar die chemische Reaktion, die die Photosynthese antreibt.
„Chiralität ist eine faszinierende biologische Eigenschaft“, sagte Ying Diao, außerordentliche Professorin für Chemie- und Biomolekulartechnik und Hauptforscherin der Studie. „Die Funktion vieler Biomoleküle ist direkt mit ihrer Chiralität verbunden. Nehmen Sie die Proteinkomplexe, die an der Photosynthese beteiligt sind. Wenn sich Elektronen durch die spiralförmigen Strukturen der Proteine bewegen, wird ein effektives Magnetfeld erzeugt, das hilft, durch Licht erzeugte gebundene Ladungen zu trennen. Das bedeutet, dass Licht effizienter in Biochemikalien umgewandelt werden können.“
Wissenschaftler haben größtenteils beobachtet, dass Moleküle mit ähnlichen Strukturen dazu neigen, für sich zu bleiben: Chirale Moleküle fügen sich zu chiralen Strukturen zusammen (wie Nukleinsäuren, die DNA bilden), und achirale Moleküle fügen sich zu achiralen Strukturen zusammen. Diao und ihre Kollegen beobachteten etwas anderes. Unter den richtigen Bedingungen können achirale konjugierte Polymere von der Norm abweichen und sich zu chiralen Strukturen zusammenlagern.
Ihr Papier erscheint in Naturkommunikation und führt neue Möglichkeiten für die Forschung an der Konvergenz von Biologie und Elektronik ein. Zum ersten Mal können Wissenschaftler eine chirale Struktur auf die unzähligen Materialien anwenden, die achirale konjugierte Polymere benötigen, um zu funktionieren.
Insbesondere Solarzellen: hauchdünne Solarmodule, die auf die Größe eines Computerbildschirms verkleinert werden. Die flexiblen Zellen bestehen vollständig aus organischen Materialien, sind transparent und leicht genug, um an einem Schlafzimmerfenster zu haften. Sie lassen sich auch schnell mit Lösungsdruck herstellen, dem Verfahren, das zum Drucken von Zeitungen verwendet wird.
„Organische Solarzellen können mit hoher Geschwindigkeit und niedrigen Kosten gedruckt werden, wobei sehr wenig Energie verbraucht wird. Stellen Sie sich vor, dass Solarzellen eines Tages so billig wie Zeitungen sind und Sie sie zusammenfalten und in Ihrem Rucksack herumtragen könnten“, sagte Diao.
Kreuzpolarisierte optische In-situ-Aufnahme einer Polymerlösung in einem sich bewegenden, trocknenden Meniskus, der durch Einbetten der Polymerlösung zwischen zwei Objektträger aus Glas erzeugt wurde. Das Video zeigt die dunkle Lösungsphase (oben links) und die helle Mesophase (unten rechts). Die elliptischen mesogenen Domänen treten aus der Lösungsphase hervor und koaleszieren, um eine seilartige Textur zu bilden. Bildnachweis: Das Beckman Institute for Advanced Science and Technology.
Konjugierte Polymere sind entscheidend für die Entwicklung und das Design der Zellen.
„Jetzt, da wir das Potenzial für chirale konjugierte Polymere erschlossen haben, können wir diese biologische Eigenschaft auf Solarzellen und andere Elektronik anwenden und daraus lernen, wie Chiralität die Photosynthese in der Natur verbessert. Mit effizienteren organischen Solarzellen, die so schnell hergestellt werden können, können wir möglicherweise täglich Gigawatt Energie erzeugen, um den schnell steigenden globalen Energiebedarf zu decken“, sagte Diao.
Aber erneuerbare Energien sind nur eines von vielen Feldern, die von der Vereinigung von Chiralität und konjugierten Polymeren profitieren. Zu den vielfältigen Anwendungen könnten Verbraucherprodukte wie Batterien und Smartwatches, Quantencomputer und biobasierte Sensoren gehören, die Anzeichen von Krankheiten im Körper erkennen können.
„Dieses bemerkenswerte Auftreten von Chiralität in konjugierten Polymeren könnte neue Wege für Anwendungen jenseits von Solarzellen eröffnen. Polarisationsempfindliche Bildgebung, intelligentes maschinelles Sehen, chiralitätsselektive Katalyse und sogar die Entwicklung neuartiger, leichter topologischer mechanischer Metamaterialien, die Stöße abschirmen können und Minimierung der Auswirkungen. Unsere Arbeit bietet einen direkten Einblick, wie diese Anwendungen realisiert werden können“, sagte Qian Chen, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften und -technik und Mitautor dieser Studie.
Für ihre Entdeckung kombinierten die Forscher zunächst achirale konjugierte Polymere mit einem Lösungsmittel. Anschließend gaben sie die Lösung tropfenweise auf einen Objektträger. Als die Lösungsmittelmoleküle verdampften und die Polymere zurückließen, wurde die Lösung immer konzentrierter. Bald begannen die komprimierten achiralen Polymere, sich selbst zu Strukturen zusammenzufügen.
Molekulare Selbstorganisation ist kein ungewöhnliches Phänomen. Als die Konzentration der Lösung zunahm, beobachteten die Forscher jedoch, dass sich die achiralen Polymere nicht wie erwartet zu achiralen Strukturen zusammensetzten. Stattdessen bildeten sie Spiralen.
„Durch die Linse eines Mikroskops beobachteten wir die verdrehte Form und helikale Struktur der Polymere. Die Einrichtungen in Beckmans Microscopy Suite haben dazu beigetragen, diese Entdeckung zu ermöglichen“, sagte Hauptautor und Postdoktorand Kyung Sun Park.
Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, dass die Entwicklung der Struktur von chiral zu achiral nicht in einem einzigen Schritt erfolgt, sondern in einer mehrstufigen Sequenz, in der sich kleinere Helices zu immer komplexeren chiralen Strukturen zusammenfügen.
Fortschrittliche Molekulardynamiksimulationen halfen den Forschern, die Schritte im molekularen Maßstab in dieser Sequenz zu bestätigen, die mit bloßem Auge nicht zu sehen sind.
„Die Molekulardynamiksimulation war für diese Forschung von entscheidender Bedeutung. Ebenso wichtig war das kollaborative Umfeld des Beckman Institute, das die Verschmelzung von Molekulardynamik mit Mikroskopie und Chemie förderte“, sagte Diwakar Shukla, außerordentlicher Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik und Mitautor dieser Studie.
Kyung Sun Park et al., Chirale Emergenz beim mehrstufigen hierarchischen Aufbau achiraler konjugierter Polymere, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-30420-6