Légères comme une vitre et reproductibles comme un journal, les cellules solaires organiques apparaissent comme une solution viable pour la demande énergétique croissante du pays.
Des chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign sont les premiers à observer une propriété biologique appelée chiralité émergeant dans les polymères conjugués achiraux, qui sont utilisés pour concevoir des cellules solaires flexibles. Leur découverte pourrait contribuer à améliorer la capacité de charge des cellules et à accroître l’accès à une énergie renouvelable abordable.
L’architecture enroulée de l’ADN est reconnaissable par beaucoup comme une hélice. Structurellement parlant, l’ADN et d’autres molécules hélicoïdales sont classées comme chirales : asymétriques de sorte que la superposition sur une image miroir est impossible. Le terme provient du mot grec pour la main, qui est aussi un exemple. Imaginez une empreinte de la main gauche sur une feuille de papier, suivie d’une empreinte de la main droite directement sur le dessus. Les deux impressions ne s’alignent pas parfaitement ; votre main, comme son ADN, est chirale.
Des mains et des pieds aux glucides et aux protéines, la chiralité est tordue dans la constitution génétique de l’homme. Il est également abondant dans la nature et améliore même la réaction chimique qui entraîne la photosynthèse.
« La chiralité est une propriété biologique fascinante », a déclaré Ying Diao, professeur agrégé de génie chimique et biomoléculaire et chercheur principal de l’étude. « La fonction de nombreuses biomolécules est directement liée à leur chiralité. Prenez les complexes protéiques impliqués dans la photosynthèse. Lorsque les électrons se déplacent à travers les structures en spirale des protéines, un champ magnétique efficace est généré qui aide à séparer les charges liées créées par la lumière. Cela signifie que la lumière peuvent être convertis en produits biochimiques plus efficacement. »
Pour la plupart, les scientifiques ont observé que les molécules de structures similaires ont tendance à rester entre elles : les molécules chirales s’assemblent en structures chirales (comme les acides nucléiques formant l’ADN) et les molécules achirales s’assemblent en structures achirales. Diao et ses collègues ont observé quelque chose de différent. Dans les bonnes conditions, les polymères conjugués achiraux peuvent s’écarter de la norme et s’assembler en structures chirales.
Leur article paraît dans Communication Nature et introduit de nouvelles opportunités de recherche à la convergence de la biologie et de l’électronique. Pour la première fois, les scientifiques peuvent appliquer une structure chirale à la myriade de matériaux qui nécessitent des polymères conjugués achiraux pour fonctionner.
En particulier, les cellules solaires : des panneaux solaires très fins réduits à la taille d’un écran d’ordinateur. Composées entièrement de matériaux organiques, les alvéoles souples sont suffisamment transparentes et légères pour s’accrocher à la fenêtre d’une chambre. Ils peuvent également être fabriqués rapidement avec l’impression en solution, le processus utilisé pour imprimer les journaux.
« Les cellules solaires organiques peuvent être imprimées à grande vitesse et à faible coût, en utilisant très peu d’énergie. Imaginez qu’un jour, les cellules solaires soient aussi bon marché que les journaux, et que vous puissiez en plier une et la transporter dans votre sac à dos », a déclaré Diao.
Capture par microscopie optique à polarisation croisée in situ d’une solution de polymère dans un ménisque en mouvement et en train de sécher, qui a été créé en prenant en sandwich la solution de polymère entre deux lames de verre. La vidéo montre la phase de solution sombre (en haut à gauche) et la mésophase brillante (en bas à droite). Les domaines mésogènes elliptiques émergent de la phase de solution et fusionnent pour former une texture en forme de corde. Crédit : Institut Beckman pour les sciences et technologies avancées.
Les polymères conjugués sont cruciaux pour le développement et la conception des cellules.
« Maintenant que nous avons débloqué le potentiel des polymères conjugués chiraux, nous pouvons appliquer cette propriété biologique aux cellules solaires et autres appareils électroniques, en apprenant comment la chiralité améliore la photosynthèse dans la nature. Avec des cellules solaires organiques plus efficaces qui peuvent être fabriquées si rapidement, nous peut potentiellement générer des gigawatts d’énergie par jour pour rattraper la demande énergétique mondiale qui augmente rapidement », a déclaré Diao.
Mais les énergies renouvelables ne sont qu’un des nombreux domaines à bénéficier de l’union de la chiralité et des polymères conjugués. Diverses applications pourraient inclure des produits de consommation tels que des batteries et des montres intelligentes, l’informatique quantique et des capteurs biosourcés capables de détecter des signes de maladie dans le corps.
« Cette émergence remarquable de la chiralité dans les polymères conjugués pourrait ouvrir de nouvelles voies d’applications au-delà des cellules solaires. et minimiser l’impact. Notre travail fournit un aperçu direct de la façon de concrétiser ces applications », a déclaré Qian Chen, professeur agrégé de science et d’ingénierie des matériaux et co-auteur de cette étude.
Pour arriver à leur découverte, les chercheurs ont d’abord combiné des polymères conjugués achiraux avec un solvant. Ils ont ensuite ajouté la solution, goutte à goutte, sur une lame de microscope. Au fur et à mesure que les molécules de solvant s’évaporaient, laissant derrière elles les polymères, la solution devenait de plus en plus concentrée. Bientôt, les polymères achiraux comprimés ont commencé à s’auto-assembler pour former des structures.
L’auto-assemblage moléculaire n’est pas un phénomène inhabituel. Cependant, à mesure que la concentration de la solution augmentait, les chercheurs ont observé que les polymères achiraux ne s’assemblaient pas en structures achirales comme prévu. Au lieu de cela, ils formaient des hélices.
« À travers la lentille d’un microscope, nous avons observé la forme torsadée et la structure hélicoïdale des polymères. Les installations de la suite de microscopie de Beckman ont contribué à rendre cette découverte possible », a déclaré l’auteur principal et chercheur postdoctoral Kyung Sun Park.
De plus, les chercheurs ont découvert que l’évolution structurelle chirale à achirale ne se produit pas en une seule étape, mais dans une séquence en plusieurs étapes où des hélices plus petites s’assemblent pour former des structures chirales de plus en plus complexes.
Des simulations avancées de dynamique moléculaire ont aidé les chercheurs à confirmer les étapes à l’échelle moléculaire de cette séquence qui ne peuvent pas être vues à l’œil nu.
« La simulation de la dynamique moléculaire a joué un rôle déterminant dans cette recherche. L’environnement collaboratif de l’Institut Beckman qui a encouragé la fusion de la dynamique moléculaire avec la microscopie et la chimie était tout aussi important », a déclaré Diwakar Shukla, professeur agrégé d’ingénierie chimique et biomoléculaire et co-auteur de cette étude.
Kyung Sun Park et al, Émergence chirale dans l’assemblage hiérarchique en plusieurs étapes de polymères conjugués achiraux, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-30420-6