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  • Buckyballs en ADN para recolectar luz

    Crédito:CC0 Public Domain

    Las moléculas orgánicas que capturan fotones y los convierten en electricidad tienen aplicaciones importantes para producir energía verde. Los complejos de captación de luz necesitan dos semiconductores, un donante y un aceptor de electrones. Qué tan bien funcionan se mide por su eficiencia cuántica, la velocidad a la que los fotones se convierten en pares de electrones y huecos.

    La eficiencia cuántica es inferior a la óptima si hay "autoapagamiento", donde una molécula excitada por un fotón entrante dona parte de su energía a una molécula idéntica no excitada, produciendo dos moléculas en un estado de energía intermedio demasiado bajo para producir un par electrón-hueco. Pero si los donantes y aceptores de electrones están mejor espaciados, el auto-enfriamiento es limitado, para que mejore la eficiencia cuántica.

    En un nuevo documento en Fronteras de la química , Investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) sintetizan un nuevo tipo de supramolécula orgánica recolectora de luz basada en ADN. La doble hélice de ADN actúa como un andamio para organizar cromóforos (es decir, tintes fluorescentes), que funcionan como donantes de electrones, y "buckyballs", aceptores de electrones, en tres dimensiones para evitar que se apaguen por sí solos.

    "El ADN es un andamio atractivo para construir supramoléculas recolectoras de luz:su estructura helicoidal, distancias fijas entre nucleobases, y el emparejamiento de bases canónicas controlan con precisión la posición de los cromóforos. Aquí mostramos que las buckyballs de carbono, unido a nucleósidos modificados insertados en la hélice de ADN, mejorar en gran medida la eficiencia cuántica. También mostramos que la estructura tridimensional de la supramolécula persiste no solo en la fase líquida sino también en la fase sólida, por ejemplo, en futuras células solares orgánicas, "dice el autor principal, el Dr. Hans-Achim Wagenknecht, Profesor de Química Orgánica en el Instituto Tecnológico de Karlsruhe (KIT).

    El ADN proporciona una estructura regular, como cuentas en una cuerda helicoidal

    Como andamio Wagenknecht y sus colegas utilizaron ADN monocatenario, deoxiadenosina (A) y timina (T) hebras de 20 nucleótidos de largo. Se eligió esta longitud porque la teoría sugiere que los oligonucleótidos de ADN más cortos no se ensamblarían ordenadamente, mientras que los más largos no serían solubles en agua. Los cromóforos eran moléculas de pireno violeta fluorescente y rojo Nilo fluorescente rojo, cada uno se unía de forma no covalente a un único nucleósido sintético de uracilo (U) -desoxirribosa. Cada nucleósido se emparejó en base al andamio de ADN, pero el orden de los pirenos y los rojos del Nilo se dejó al azar durante el autoensamblaje.

    Para los aceptores de electrones, Wagenknecht y col. probaron dos formas de "buckyballs", también llamadas fullerenos, que se sabe que tienen una excelente capacidad para "apagar" (aceptar electrones). Cada buckyball era un globo hueco construido a partir de anillos entrelazados de cinco o seis átomos de carbono, para un total de 60 carbonos por molécula. La primera forma de buckyball probada se une de manera inespecífica al ADN a través de cargas electrostáticas. La segunda forma, que no se probó previamente como aceptor de electrones, se unió covalentemente a través de un éster malónico a dos nucleósidos de U-desoxirribosa flanqueantes, lo que permitió emparejarlo con un nucleótido A en el ADN.

    Alta eficiencia cuántica, incluso en fase sólida

    Los investigadores confirmaron experimentalmente que la estructura tridimensional de la supramolécula basada en ADN persiste en fase sólida:un requisito crucial para aplicaciones en células solares. Para tal fin, probaron supramoléculas con cualquiera de las formas de buckyballs como capa activa en una célula solar en miniatura. Las construcciones mostraron una excelente separación de carga, la formación de un agujero positivo y una carga electrónica negativa en el cromóforo y su aceptación por las buckybolas cercanas, con cualquier forma de buckybola, pero especialmente para la segunda forma. Los autores explican esto desde el enlace más específico, a través del emparejamiento de bases canónico, al andamio de ADN por la segunda forma, lo que debería resultar en una menor distancia entre buckyball y cromóforo. Esto significa que la segunda forma es la mejor escuela para su uso en células solares.

    En tono rimbombante, los autores también muestran que la supramolécula de ADN-tinte-buckyball tiene un fuerte dicroísmo circular, es decir, es mucho más reactivo a la luz polarizada izquierda que a la derecha, debido a su compleja estructura helicoidal tridimensional, incluso en la fase sólida.

    "No espero que todo el mundo tenga pronto células solares con ADN en el techo. Pero la quiralidad del ADN será interesante:las células solares basadas en ADN podrían detectar la luz polarizada circularmente en aplicaciones especializadas". "concluye Wagenknecht.


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