Buckyballs op DNA voor het oogsten van licht

Organische moleculen die fotonen vangen en deze omzetten in elektriciteit, hebben belangrijke toepassingen voor het produceren van groene stroom. Licht-oogstcomplexen hebben twee halfgeleiders nodig, een elektronendonor en een acceptor. Hoe goed ze werken, wordt gemeten aan de hand van hun kwantumefficiëntie, de snelheid waarmee fotonen worden omgezet in elektron-gatparen.

Kwantumefficiëntie is lager dan optimaal als er sprake is van ‘zelfdoving’, waarbij één molecuul opgewonden door een binnenkomend foton een deel van zijn energie doneert aan een identiek niet-geëxciteerd molecuul, waardoor twee moleculen in een tussenliggende energietoestand te laag zijn om een ​​elektron te produceren -gaten paar. Maar als elektronendonoren en -acceptoren beter uit elkaar staan, wordt zelfdoving beperkt, waardoor de kwantumefficiëntie verbetert.

In een nieuw artikel in Frontiers in Chemistry, synthetiseren onderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) een nieuw type organisch licht-oogstend supramolecuul op basis van DNA. De dubbele helix van DNA fungeert als een scaffold om chromoforen (dwz fluorescerende kleurstoffen) – die als elektronendonoren functioneren – en “buckyballs” – elektronenacceptoren – in drie dimensies te rangschikken om zelfdoving te voorkomen.

“DNA is een aantrekkelijke basis voor het bouwen van licht-oogstende supramoleculen: de spiraalvormige structuur, vaste afstanden tussen nucleobasen en canonieke basenparing bepalen precies de positie van de chromoforen. Hier laten we zien dat koolstofbokken, gebonden aan gemodificeerde nucleosiden die in de DNA-helix worden ingebracht. , verbeteren de kwantumefficiëntie aanzienlijk. We laten ook zien dat de 3D-structuur van het supramolecuul niet alleen in de vloeistoffase maar ook in de vaste fase blijft bestaan, bijvoorbeeld in toekomstige organische zonnecellen ”, zegt hoofdauteur Dr. Hans-Achim Wagenknecht, Professor voor organische chemie aan het Karlsruhe Institute of Technology (KIT).

DNA zorgt voor een regelmatige structuur, zoals kralen aan een spiraalvormige draad

Als steiger gebruikten Wagenknecht en collega’s enkelstrengs DNA, deoxyadenosine (A) en thymine (T) strengen van 20 nucleotiden lang. Deze lengte werd gekozen omdat de theorie suggereert dat kortere DNA-oligonucleotiden niet ordelijk zouden assembleren, terwijl langere niet in water oplosbaar zouden zijn. De chromoforen waren violet-fluorescerende pyreen- en rood-fluorescerende Nijl-rode moleculen, elk niet-covalent gebonden aan een enkel synthetisch uracil (U) -deoxyribose-nucleoside. Elke nucleoside was basenparen aan de DNA-scaffold, maar de volgorde van pyrenes en nijlrood werd tijdens zelfassemblage aan het toeval overgelaten.

Voor de elektronenacceptoren, Wagenknecht et al. testte twee vormen van “buckyballs” – ook wel fullerenen genoemd – waarvan bekend is dat ze een uitstekend vermogen hebben om te “blussen” (het accepteren van elektronen). Elke buckyball was een holle bol, opgebouwd uit in elkaar grijpende ringen van vijf of zes koolstofatomen, voor een totaal van 60 koolstofatomen per molecuul. De eerste vorm van buckyball die wordt getest, bindt niet-specifiek aan het DNA door middel van elektrostatische ladingen. De tweede vorm – niet eerder getest als elektronenacceptor – werd covalent via een malonzuurester gebonden aan twee flankerende U-deoxyribose-nucleosiden, waardoor het baseparen kon worden gekoppeld aan een A-nucleotide op het DNA.

Hoge kwantumefficiëntie, ook in vaste fase

De onderzoekers bevestigden experimenteel dat de 3D-structuur van het op DNA gebaseerde supramolecuul in vaste fase blijft bestaan: een cruciale vereiste voor toepassingen in zonnecellen. Daartoe testten ze supramoleculen met beide vormen van buckyballs als actieve laag in een miniatuurzonnecel. De constructies lieten een uitstekende ladingsscheiding zien – de vorming van een positief gat en een negatieve elektronenlading in de chromofoor en hun acceptatie door nabijgelegen buckyballs – met beide vormen van buckyball, maar vooral voor de tweede vorm. De auteurs verklaren dit vanuit de meer specifieke binding, via canonieke basenparing, aan de DNA-scaffold door de tweede vorm, wat zou moeten resulteren in een kleinere afstand tussen buckyball en chromofoor. Dit betekent dat de tweede vorm de betere schoen is voor gebruik in zonnecellen.

Belangrijk is dat de auteurs ook laten zien dat het DNA-kleurstof-buckyball-supramolecuul een sterk circulair dichroïsme heeft, dat wil zeggen dat het veel reactiever is op links- dan op rechtshandig gepolariseerd licht, vanwege zijn complexe 3D-helixstructuur – zelfs in de vaste fase.

“Ik verwacht niet dat binnenkort iedereen zonnecellen met DNA op het dak zal hebben. Maar de chiraliteit van DNA zal interessant zijn: DNA-gebaseerde zonnecellen kunnen circulair gepolariseerd licht waarnemen in gespecialiseerde toepassingen”, besluit Wagenknecht.