Ligeras como un adhesivo para ventanas y replicables como un periódico, las células solares orgánicas se están convirtiendo en una solución viable para la creciente demanda de energía del país.

Investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign son los primeros en observar una propiedad biológica llamada quiralidad que emerge en polímeros conjugados aquirales, que se utilizan para diseñar células solares flexibles. Su descubrimiento podría ayudar a mejorar la capacidad de carga de las celdas y aumentar el acceso a energía renovable asequible.

La arquitectura enrollada del ADN es reconocible para muchos como una hélice. Estructuralmente hablando, el ADN y otras moléculas helicoidales se clasifican como quirales:asimétricas, de modo que la superposición en una imagen especular es imposible. El término se origina con la palabra griega para mano, que también es un ejemplo. Imagine una huella de mano izquierda en una hoja de papel, seguida de una huella de mano derecha directamente en la parte superior. Las dos impresiones no se alinean perfectamente; tu mano, como su ADN, es quiral.

Desde manos y pies hasta carbohidratos y proteínas, la quiralidad se tuerce en la composición genética de los humanos. También es abundante en la naturaleza e incluso mejora la reacción química que impulsa la fotosíntesis.

"La quiralidad es una propiedad biológica fascinante", dijo Ying Diao, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular e investigador principal del estudio. "La función de muchas biomoléculas está directamente relacionada con su quiralidad. Tomemos los complejos de proteínas involucrados en la fotosíntesis. Cuando los electrones se mueven a través de las estructuras en espiral de las proteínas, se genera un campo magnético efectivo que ayuda a separar las cargas unidas creadas por la luz. Esto significa que la luz pueden convertirse en productos bioquímicos de manera más eficiente".

En su mayor parte, los científicos han observado que las moléculas de estructuras similares tienden a mantenerse aisladas:las moléculas quirales se ensamblan en estructuras quirales (como los ácidos nucleicos que forman el ADN) y las moléculas aquirales se ensamblan en estructuras aquirales. Diao y sus colegas observaron algo diferente. En las condiciones adecuadas, los polímeros conjugados aquirales pueden salirse de la norma y ensamblarse en estructuras quirales.

Su artículo aparece en Nature Communications e introduce nuevas oportunidades para la investigación en la convergencia de la biología y la electrónica. Por primera vez, los científicos pueden aplicar la estructura quiral a la miríada de materiales que requieren polímeros conjugados aquirales para funcionar.

En particular, las células solares:paneles solares delgados como el papel reducidos al tamaño de una pantalla de computadora. Compuestas completamente de materiales orgánicos, las celdas flexibles son lo suficientemente transparentes y livianas como para adherirse a la ventana de un dormitorio. También se pueden fabricar rápidamente con la impresión de solución, el proceso que se utiliza para imprimir periódicos.

"Las celdas solares orgánicas se pueden imprimir a alta velocidad y bajo costo, usando muy poca energía. Imagine que un día, las celdas solares sean tan baratas como los periódicos, y pueda doblar una y llevarla en su mochila", dijo Diao.

Los polímeros conjugados son cruciales para el desarrollo y diseño de las células.

"Ahora que hemos desbloqueado el potencial de los polímeros conjugados quirales, podemos aplicar esa propiedad biológica a las células solares y otros dispositivos electrónicos, aprendiendo cómo la quiralidad mejora la fotosíntesis en la naturaleza. Con células solares orgánicas más eficientes que se pueden fabricar tan rápidamente, podemos potencialmente puede generar gigavatios de energía diariamente para ponerse al día con la creciente demanda mundial de energía", dijo Diao.

Pero la energía renovable es solo uno de los muchos campos que se benefician de la unión de la quiralidad y los polímeros conjugados. Diversas aplicaciones pueden incluir productos de consumo como baterías y relojes inteligentes, computación cuántica y sensores biológicos que pueden detectar signos de enfermedades en el cuerpo.

"Este notable surgimiento de quiralidad en polímeros conjugados podría abrir nuevas vías de aplicaciones más allá de las células solares. Imágenes sensibles a la polarización, visión artificial inteligente, catálisis selectiva de quiralidad e incluso la ingeniería de metamateriales mecánicos topológicos novedosos y livianos que pueden proteger contra golpes. y minimizar el impacto. Nuestro trabajo proporciona información directa sobre cómo hacer que estas aplicaciones sucedan", dijo Qian Chen, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales y coautor de este estudio.

Para llegar a su descubrimiento, los investigadores primero combinaron polímeros conjugados aquirales con un solvente. Luego agregaron la solución, gota a gota, a un portaobjetos de microscopio. A medida que las moléculas de solvente se evaporaron, dejando atrás los polímeros, la solución se volvió más y más concentrada. Pronto, los polímeros aquirales comprimidos comenzaron a autoensamblarse para formar estructuras.

El autoensamblaje molecular no es un fenómeno inusual. Sin embargo, a medida que aumentaba la concentración de la solución, los investigadores observaron que los polímeros aquirales no se ensamblaban en estructuras aquirales como se esperaba. En cambio, estaban formando hélices.

"A través de la lente de un microscopio, observamos la forma retorcida y la estructura helicoidal de los polímeros. Las instalaciones de Microscopy Suite de Beckman ayudaron a hacer posible este descubrimiento", dijo el autor principal e investigador postdoctoral Kyung Sun Park.

Además, los investigadores encontraron que la evolución estructural de quiral a aquiral no ocurre en un solo paso, sino en una secuencia de varios pasos donde las hélices más pequeñas se ensamblan para formar estructuras quirales cada vez más complejas.

Las simulaciones de dinámica molecular avanzada ayudaron a los investigadores a confirmar los pasos a escala molecular en esta secuencia que no se pueden ver a simple vista.

"La simulación de dinámica molecular fue fundamental para esta investigación. Igualmente importante fue el entorno de colaboración del Instituto Beckman que alentó la fusión de la dinámica molecular con la microscopía y la química", dijo Diwakar Shukla, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular y coautor de este estudio. + Explora más

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