Ogniwa fotowoltaiczne będą jeszcze lepsze. Połączono struktury chiralne z achiralnymi

Dzięki naukowcom z Beckman Institute wkrótce mogą powstać elastyczne ogniwa fotowoltaiczne o niespotykanej dotąd wydajności i cenie. Wszystko dzięki podglądaniu przyrody, a dokładniej: procesu fotosyntezy.
Ogniwa słoneczne będą jeszcze lepsze – to przełom, na który czekaliśmy?
Ogniwa słoneczne będą jeszcze lepsze – to przełom, na który czekaliśmy?

Ogniwa fotowoltaiczne lekkie i cienkie jak naklejka już wkrótce mogą być realne dzięki osiągnięciom naukowców z University of Illinois Urbana-Champaign. Uczeni zaobserwowali biologiczną właściwość zwaną chiralnością, która pojawia się w tzw. achiralnych polimerach sprzężonych, wykorzystywanych do projektowania elastycznych ogniw fotowoltaicznych. Szczegóły opisano w Nature Communications.

Podglądanie helisy

Chiralność to cecha cząsteczek chemicznych (np. helisy DNA) przejawiająca się w tym, że cząsteczka wyjściowa i jej odbicie lustrzane nie są identyczne i nie można ich nałożyć na siebie na drodze translacji i obrotu w przestrzeni. Chiralność jest zakorzeniona w przyrodzie – zjawisko to determinuje także fotosyntezę.

Chiralność to fascynująca właściwość biologiczna. Funkcja wielu biomolekuł jest bezpośrednio związana z ich chiralnością. Weźmy na przykład kompleksy białkowe biorące udział w fotosyntezie. Kiedy elektrony poruszają się w spiralnych strukturach białek, wytwarza się efektywne pole magnetyczne, które pomaga rozdzielić ładunki związane powstałe w wyniku działania światła. Oznacza to, że światło może być bardziej efektywnie przekształcane w związki biochemiczne.prof. Ying Diao, główny autor badania

Naukowcy zaobserwowali, że cząsteczki o podobnych strukturach mają tendencję do grupowania się: cząsteczki chiralne łączą się w struktury chiralne (jak kwasy nukleinowe), a cząsteczki achiralne łączą się w struktury achiralne. Zespół prof. Diao zaobserwował, że w odpowiednich warunkach achiralne polimery mogą odbiegać od normy i łączyć się w struktury chiralne.

Organiczne ogniwa słoneczne można drukować z dużą szybkością i niskim kosztem, zużywając przy tym bardzo mało energii. Wyobraź sobie, że pewnego dnia ogniwa słoneczne będą tak tanie jak gazety, a my będziemy mogli je złożyć i nosić w plecaku. Teraz, gdy udało nam się odkryć potencjał chiralnych polimerów sprzężonych, możemy wykorzystać tę biologiczną właściwość w ogniwach słonecznych i innych urządzeniach elektronicznych, ucząc się na przykładzie tego, jak chiralność wspomaga fotosyntezę w przyrodzie. Dzięki bardziej wydajnym organicznym ogniwom słonecznym, które mogą być produkowane tak szybko, możemy potencjalnie wytwarzać gigawaty energii dziennie, aby nadążyć za szybko rosnącym globalnym zapotrzebowaniem na energię.prof. Ying Diao

Energia odnawialna to tylko jedna z wielu dziedzin, które mogą skorzystać z połączenia chiralności i polimerów sprzężonych. Różnorodne zastosowania mogą obejmować produkty konsumenckie, takie jak baterie i inteligentne zegarki, obliczenia kwantowe oraz czujniki biologiczne, które mogą wykrywać oznaki chorób w organizmie.

Czytaj też: Ulepszono perowskitowe ogniwa słoneczne. To rozwiąże ich największy problem

Naukowcy połączyli achiralne polimery sprzężone z rozpuszczalnikiem. Następnie dodawali roztwór, kropla po kropli, na szkiełko mikroskopowe. W miarę jak cząsteczki rozpuszczalnika wyparowywały, pozostawiając polimery, roztwór stawał się coraz bardziej stężony. Wkrótce ściśnięte achiralne polimery zaczęły się samoczynnie łączyć, tworząc struktury. Zaawansowane symulacje dynamiki molekularnej pomogły badaczom potwierdzić etapy tej sekwencji w skali molekularnej.

Symulacja dynamiki molekularnej odegrała kluczową rolę w tych badaniach. Równie ważne było środowisko współpracy w Instytucie Beckmana, które zachęcało do łączenia dynamiki molekularnej z mikroskopią i chemią.prof. Diwakar Shukla, współautor badania