Le molecole organiche che catturano i fotoni e li convertono in elettricità hanno importanti applicazioni per la produzione di energia verde. I complessi che raccolgono la luce hanno bisogno di due semiconduttori, un donatore di elettroni e un accettore. Quanto bene funzionano è misurato dalla loro efficienza quantistica, la velocità con cui i fotoni vengono convertiti in coppie elettrone-lacuna.

L'efficienza quantistica è inferiore a quella ottimale se c'è "auto-estinguenza", dove una molecola eccitata da un fotone in arrivo dona parte della sua energia a una molecola identica non eccitata, producendo due molecole ad uno stato energetico intermedio troppo basso per produrre una coppia elettrone-lacuna. Ma se donatori e accettori di elettroni sono meglio distanziati, l'autoestinguenza è limitata, in modo che l'efficienza quantistica migliori.

In un nuovo giornale in Frontiere della chimica , i ricercatori del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) sintetizzano un nuovo tipo di supramolecola organica che raccoglie la luce basata sul DNA. La doppia elica del DNA funge da impalcatura per organizzare i cromofori (cioè i coloranti fluorescenti) - che funzionano come donatori di elettroni - e "buckyball" - accettori di elettroni - in tre dimensioni per evitare l'auto-estinzione.

"Il DNA è un'attraente impalcatura per la costruzione di supramolecole che raccolgono la luce:la sua struttura elicoidale, distanze fisse tra basi azotate, e l'accoppiamento di basi canonico controllano con precisione la posizione dei cromofori. Qui mostriamo che i buckyball di carbonio, legato a nucleosidi modificati inseriti nell'elica del DNA, migliorare notevolmente l'efficienza quantistica. Mostriamo anche che la struttura 3-D della supramolecola persiste non solo nella fase liquida ma anche nella fase solida, per esempio nelle future celle solari organiche, " dice l'autore principale Dr. Hans-Achim Wagenknecht, Professore di chimica organica al Karlsruhe Institute of Technology (KIT).

Il DNA fornisce una struttura regolare, come perline su una corda elicoidale

come impalcatura, Wagenknecht e colleghi hanno utilizzato DNA a singolo filamento, deossiadenosina (A) e timina (T) filamenti lunghi 20 nucleotidi. Questa lunghezza è stata scelta perché la teoria suggerisce che gli oligonucleotidi di DNA più corti non si assemblano in modo ordinato, mentre quelli più lunghi non sarebbero solubili in acqua. I cromofori erano pirene viola fluorescente e molecole rosso Nilo rosso fluorescente, ciascuno legato in modo non covalente a un singolo nucleoside sintetico uracile (U)-desossiribosio. Ogni nucleoside è stato accoppiato in base allo scaffold del DNA, ma l'ordine dei pirenei e dei rossi del Nilo è stato lasciato al caso durante l'autoassemblaggio.

Per gli accettori di elettroni, Wagenknecht et al. ha testato due forme di "buckyballs"—chiamate anche fullereni—che sono note per avere un'eccellente capacità di "quenching" (accettare gli elettroni). Ogni buckyball era un globo cavo costruito con anelli interconnessi di cinque o sei atomi di carbonio, per un totale di 60 atomi di carbonio per molecola. La prima forma di buckyball testata si lega in modo non specifico al DNA attraverso cariche elettrostatiche. La seconda forma, non precedentemente testata come accettore di elettroni, era legata in modo covalente tramite un estere malonico a due nucleosidi U-desossiribosio fiancheggianti, che gli ha permesso di essere accoppiato in base a un nucleotide A sul DNA.

Alta efficienza quantica, anche in fase solida

I ricercatori hanno confermato sperimentalmente che la struttura 3-D della supramolecola a base di DNA persiste in fase solida:un requisito cruciale per le applicazioni nelle celle solari. A tal fine, hanno testato supramolecole con entrambe le forme di buckyball come strato attivo in una cella solare in miniatura. I costrutti hanno mostrato un'eccellente separazione di carica - la formazione di una lacuna positiva e una carica di elettroni negativa nel cromoforo e la loro accettazione da parte dei buckyball vicini - con entrambe le forme di buckyball, ma soprattutto per la seconda forma. Gli autori lo spiegano dal legame più specifico, attraverso l'accoppiamento di basi canonico, allo scaffold del DNA dalla seconda forma, che dovrebbe risultare in una distanza minore tra buckyball e cromoforo. Ciò significa che la seconda forma è la scelta migliore per l'uso nelle celle solari.

È importante sottolineare che gli autori mostrano anche che la supramolecola DNA-dye-buckyball ha un forte dicroismo circolare, questo è, è molto più reattivo alla luce polarizzata sinistra che alla luce polarizzata destrorsa, grazie alla sua complessa struttura elicoidale 3-D, anche in fase solida.

"Non mi aspetto che presto tutti avranno celle solari con DNA sul tetto. Ma la chiralità del DNA sarà interessante:le celle solari basate sul DNA potrebbero rilevare la luce polarizzata circolarmente in applicazioni specializzate, " conclude Wagenknecht.