Исследователи из Технологического института Карлсруэ (KIT) синтезировали новый тип органической светособирающей супрамолекулы на основе ДНК. Двойная спираль ДНК действует как каркас для организации хромофоров (то есть флуоресцентных красителей), которые действуют как доноры электронов, и бакиболов — акцепторов электронов — в трех измерениях, чтобы избежать самотушения.

Органические молекулы, которые захватывают фотоны и преобразуют их в электричество, имеют важные применения для производства зеленой энергии. Для светособирающих комплексов необходимы два полупроводника, донор электронов и акцептор. Насколько хорошо они работают, измеряется их квантовой эффективностью — скоростью, с которой фотоны превращаются в электронно-дырочные пары.

Квантовая эффективность считается ниже оптимальной, если имеет место «самогашение», когда одна молекула, возбужденная входящим фотоном, отдает часть своей энергии идентичной невозбужденной молекуле, в результате чего две молекулы находятся в промежуточном энергетическом состоянии, слишком низком для образования электрона. Но если доноры и акцепторы электронов лучше разнесены, самозатухание ограничено, так что квантовая эффективность улучшается.

«ДНК представляет собой привлекательный каркас для создания светособирающих супрамолекул: ее спиральная структура, фиксированные расстояния между нуклеотидными основаниями и каноническое спаривание оснований точно контролируют положение хромофоров. Здесь мы показываем, что углеродные бакиболлы, связанные с модифицированными нуклеозидами, вставленными в спираль ДНК, значительно повышают квантовую эффективность. Мы также показываем, что трехмерная структура супрамолекулы сохраняется не только в жидкой фазе, но и в твердой фазе, например, в будущих органических солнечных элементах», – доктор Ханс-Ахим Вагенкнехт, профессор органической химии Технологического института Карлсруэ (KIT).

В качестве каркаса ученые использовали одноцепочечную ДНК, дезоксиаденозиновые (А) и тиминовые (Т) цепи длиной 20 нуклеотидов. Эта длина была выбрана потому, что теория предполагает, что более короткие олигонуклеотиды ДНК не будут собираться упорядоченно, а более длинные — нерастворимы в воде. Хромофоры представляли собой флуоресцентные молекулы пирена с фиолетовой флуоресценцией и молекулы нильского красного с красной флуоресценцией, каждая из которых нековалентно связана с одним синтетическим урацил-дезоксирибозным нуклеозидом. Каждый нуклеозид был спарен по основанию с каркасом ДНК, но порядок пиренов и красных нильских цветов был оставлен на волю случая во время самосборки.

Что касается акцепторов электронов, ученые протестировали две формы бакиболов, также называемых фуллеренами, которые, как известно, обладают превосходной способностью к гашению (приему электронов). Каждый бакибол представлял собой полый шар, состоящий из взаимосвязанных колец из пяти или шести атомов углерода, в общей сложности 60 атомов углерода на молекулу. Первая протестированная форма бакибола неспецифически связывается с ДНК посредством электростатических зарядов. Вторая форма — ранее не тестировавшаяся в качестве акцептора электронов — была ковалентно связана через малоновый эфир с двумя фланкирующими нуклеозидами U-дезоксирибозы, что позволило спарить ее по основанию с нуклеотидом A на ДНК.

Исследователи экспериментально подтвердили, что трехмерная структура супрамолекулы на основе ДНК сохраняется в твердой фазе: это важнейшее требование для приложений в солнечных элементах. С этой целью они протестировали супрамолекулы с любой формой букиболов в качестве активного слоя миниатюрного солнечного элемента. Конструкции показали отличное разделение зарядов — образование положительной дырки и отрицательного заряда электрона в хромофоре и их принятие соседними бакиболами — с любой формой бакибола, но особенно для второй формы.

Авторы объясняют это более специфическим связыванием посредством канонического спаривания оснований с каркасом ДНК второй формой, что должно приводить к меньшему расстоянию между бакиболом и хромофором. Это означает, что вторая форма лучше всего подходит для использования в солнечных элементах.

Ученые не ожидают, что скоро у всех будут солнечные элементы с ДНК на крыше. Но интересна хиральность ДНК: солнечные элементы на этой основе могут воспринимать свет с круговой поляризацией в специализированных приложениях.