Leggeri come una finestra e replicabili come un giornale, i pannelli solari organici stanno emergendo come una soluzione praticabile per la crescente domanda di energia della nazione. I ricercatori del Beckman Institute for Advanced Science and Technology dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign sono i primi a osservare una proprietà biologica chiamata chiralità che emerge nei polimeri coniugati achirali, che vengono utilizzati per progettare celle solari flessibili. La loro scoperta potrebbe aiutare a migliorare la capacità di carica delle celle e aumentare l'accesso a energie rinnovabili a prezzi accessibili. Credito:The Beckman Institute for Advanced Science and Technology.
Leggere come una finestra e replicabili come un giornale, le celle solari organiche stanno emergendo come una soluzione praticabile per la crescente domanda di energia della nazione.
I ricercatori dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign sono i primi a osservare una proprietà biologica chiamata chiralità che emerge nei polimeri coniugati achirali, che vengono utilizzati per progettare celle solari flessibili. La loro scoperta potrebbe aiutare a migliorare la capacità di carica delle celle e aumentare l'accesso a energie rinnovabili a prezzi accessibili.
L'architettura a spirale del DNA è riconoscibile da molti come un'elica. Dal punto di vista strutturale, il DNA e le altre molecole elicoidali sono classificate come chirali:asimmetriche tali da rendere impossibile la sovrapposizione su un'immagine speculare. Il termine ha origine dalla parola greca per mano, che è anche un esempio. Immagina un'impronta della mano sinistra su un foglio di carta, seguita da un'impronta della mano destra direttamente sopra. Le due stampe non si allineano perfettamente; la tua mano, come il suo DNA, è chirale.
Dalle mani e dai piedi ai carboidrati e alle proteine, la chiralità è distorta nel patrimonio genetico degli esseri umani. È anche abbondante in natura e migliora persino la reazione chimica che guida la fotosintesi.
"La chiralità è una proprietà biologica affascinante", ha affermato Ying Diao, professore associato di ingegneria chimica e biomolecolare e ricercatore principale dello studio. "La funzione di molte biomolecole è direttamente collegata alla loro chiralità. Prendi i complessi proteici coinvolti nella fotosintesi. Quando gli elettroni si muovono attraverso le strutture a spirale delle proteine, viene generato un campo magnetico efficace che aiuta a separare le cariche legate create dalla luce. Ciò significa che la luce possono essere convertiti in prodotti biochimici in modo più efficiente."
Per la maggior parte, gli scienziati hanno osservato che le molecole di strutture simili tendono a tenersi per se stesse:le molecole chirali si assemblano in strutture chirali (come gli acidi nucleici che formano il DNA) e le molecole achirali si assemblano in strutture achirali. Diao e i suoi colleghi hanno osservato qualcosa di diverso. Nelle giuste condizioni, i polimeri coniugati achirali possono discostarsi dalla norma e assemblarsi in strutture chirali.
Il loro articolo appare in Nature Communications e introduce nuove opportunità di ricerca sulla convergenza di biologia ed elettronica. Per la prima volta, gli scienziati possono applicare la struttura chirale alla miriade di materiali che richiedono polimeri coniugati achirali per funzionare.
In particolare, le celle solari:pannelli solari sottilissimi ridotti alle dimensioni dello schermo di un computer. Composte interamente da materiali organici, le celle flessibili sono abbastanza trasparenti e leggere da poter essere attaccate alla finestra di una camera da letto. Sono inoltre realizzabili rapidamente con la stampa di soluzioni, il processo utilizzato per stampare i giornali.
"Le celle solari organiche possono essere stampate ad alta velocità ea basso costo, utilizzando pochissima energia. Immagina che un giorno le celle solari siano economiche come i giornali e potresti piegarne una e portarla in giro nello zaino", ha detto Diao.
I polimeri coniugati sono fondamentali per lo sviluppo e la progettazione delle cellule.
"Ora che abbiamo sbloccato il potenziale per i polimeri coniugati chirali, possiamo applicare quella proprietà biologica alle celle solari e ad altri dispositivi elettronici, imparando da come la chiralità migliora la fotosintesi in natura. Con celle solari organiche più efficienti che possono essere prodotte così rapidamente, abbiamo può potenzialmente generare gigawatt di energia ogni giorno per stare al passo con la domanda globale di energia in rapido aumento", ha affermato Diao.
Ma l'energia rinnovabile è solo uno dei tanti campi che beneficiano dell'unione di chiralità e polimeri coniugati. Diverse applicazioni potrebbero includere prodotti di consumo come batterie e orologi intelligenti, informatica quantistica e sensori biologici in grado di rilevare i segni di malattie nel corpo.
"Questo straordinario emergere della chiralità nei polimeri coniugati potrebbe aprire nuove strade di applicazioni oltre le celle solari. Imaging sensibile alla polarizzazione, visione artificiale intelligente, catalisi chiralità selettiva e persino l'ingegneria di nuovi metamateriali meccanici topologici leggeri in grado di schermare gli urti e ridurre al minimo l'impatto. Il nostro lavoro fornisce informazioni dirette su come realizzare queste applicazioni", ha affermato Qian Chen, professore associato di scienza dei materiali e ingegneria e coautore di questo studio.
Per arrivare alla loro scoperta, i ricercatori hanno prima combinato polimeri coniugati achirali con un solvente. Hanno quindi aggiunto la soluzione, goccia a goccia, a un vetrino da microscopio. Quando le molecole di solvente evaporavano, lasciando dietro di sé i polimeri, la soluzione diventava sempre più concentrata. Ben presto, i polimeri achirali compressi iniziarono ad autoassemblarsi per formare strutture.
L'autoassemblaggio molecolare non è un fenomeno insolito. Con l'aumento della concentrazione della soluzione, tuttavia, i ricercatori hanno osservato che i polimeri achirali non si stavano assemblando nelle strutture achirali come previsto. Invece, stavano formando delle eliche.
"Attraverso la lente di un microscopio, abbiamo osservato la forma contorta e la struttura elicoidale dei polimeri. Le strutture della suite di microscopia di Beckman hanno contribuito a rendere possibile questa scoperta", ha affermato Kyung Sun Park, autore principale e ricercatore post-dottorato.
Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che l'evoluzione strutturale da chirale ad achirale non si verifica in un unico passaggio, ma in una sequenza a più passaggi in cui eliche più piccole si assemblano per formare strutture chirali sempre più complesse.
Simulazioni avanzate di dinamica molecolare hanno aiutato i ricercatori a confermare i passaggi su scala molecolare in questa sequenza che non possono essere visti ad occhio nudo.
"La simulazione della dinamica molecolare è stata determinante per questa ricerca. Altrettanto importante è stato l'ambiente collaborativo del Beckman Institute che ha incoraggiato la fusione della dinamica molecolare con la microscopia e la chimica", ha affermato Diwakar Shukla, professore associato di ingegneria chimica e biomolecolare e coautore di questo studio. + Esplora ulteriormente
