Leves como uma janela e replicáveis ​​como um jornal, as células solares orgânicas estão surgindo como uma solução viável para a crescente demanda de energia do país.
Pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign são os primeiros a observar uma propriedade biológica chamada quiralidade emergente em polímeros conjugados aquirais, que são usados ​​para projetar células solares flexíveis. Sua descoberta pode ajudar a aumentar a capacidade de carga das células e aumentar o acesso a energia renovável acessível.

A arquitetura espiralada do DNA é reconhecida por muitos como uma hélice. Estruturalmente falando, o DNA e outras moléculas helicoidais são classificadas como quirais:assimétricas de tal forma que a sobreposição em uma imagem espelhada é impossível. O termo tem origem na palavra grega para mão, que também é um exemplo. Imagine uma impressão da mão esquerda em uma folha de papel, seguida por uma impressão da mão direita diretamente no topo. As duas impressões não se alinham perfeitamente; sua mão, como seu DNA, é quiral.

De mãos e pés a carboidratos e proteínas, a quiralidade está distorcida na composição genética dos humanos. Também é abundante na natureza e até aumenta a reação química que impulsiona a fotossíntese.

"A quiralidade é uma propriedade biológica fascinante", disse Ying Diao, professor associado de engenharia química e biomolecular e principal investigador do estudo. "A função de muitas biomoléculas está diretamente ligada à sua quiralidade. Pegue os complexos de proteínas envolvidos na fotossíntese. Quando os elétrons se movem pelas estruturas espiraladas das proteínas, um campo magnético efetivo é gerado que ajuda a separar as cargas ligadas criadas pela luz. podem ser convertidos em bioquímicos de forma mais eficiente."

Na maioria das vezes, os cientistas observaram que as moléculas de estruturas semelhantes tendem a se manter isoladas:as moléculas quirais se reúnem em estruturas quirais (como ácidos nucleicos formando DNA) e as moléculas aquirais se reúnem em estruturas aquirais. Diao e seus colegas observaram algo diferente. Sob as condições certas, os polímeros conjugados aquirais podem sair da norma e se agrupar em estruturas quirais.

O artigo deles aparece em Nature Communications e apresenta novas oportunidades de pesquisa na convergência de biologia e eletrônica. Pela primeira vez, os cientistas podem aplicar a estrutura quiral à miríade de materiais que requerem polímeros conjugados aquirais para funcionar.

Em particular, células solares:painéis solares finos como papel reduzidos ao tamanho de uma tela de computador. Compostas inteiramente de materiais orgânicos, as células flexíveis são transparentes e leves o suficiente para se agarrarem à janela de um quarto. Eles também podem ser fabricados rapidamente com impressão de solução, o processo usado para imprimir jornais.

"As células solares orgânicas podem ser impressas em alta velocidade e baixo custo, usando muito pouca energia. Imagine que um dia as células solares são tão baratas quanto jornais, e você pode dobrar uma e carregá-la na mochila", disse Diao.

Polímeros conjugados são cruciais para o desenvolvimento e design das células.

"Agora que descobrimos o potencial dos polímeros conjugados quirais, podemos aplicar essa propriedade biológica a células solares e outros eletrônicos, aprendendo como a quiralidade aumenta a fotossíntese na natureza. Com células solares orgânicas mais eficientes que podem ser fabricadas tão rapidamente, nós pode gerar gigawatts de energia diariamente para acompanhar o rápido aumento da demanda global de energia", disse Diao.

Mas a energia renovável é apenas um dos muitos campos a se beneficiar da união da quiralidade e dos polímeros conjugados. Diversas aplicações podem incluir produtos de consumo como baterias e relógios inteligentes, computação quântica e sensores de base biológica que podem detectar sinais de doenças no corpo.

"Esse notável surgimento de quiralidade em polímeros conjugados pode abrir novos caminhos de aplicações além das células solares. Imagens sensíveis à polarização, visão de máquina inteligente, catálise seletiva de quiralidade e até mesmo a engenharia de novos metamateriais mecânicos topológicos leves que podem proteger contra choques e minimizar o impacto. Nosso trabalho fornece informações diretas sobre como fazer essas aplicações acontecerem", disse Qian Chen, professor associado de ciência e engenharia de materiais e coautor deste estudo.

Para chegar à sua descoberta, os pesquisadores primeiro combinaram polímeros conjugados aquirais com um solvente. Eles então adicionaram a solução, gota a gota, a uma lâmina de microscópio. À medida que as moléculas do solvente evaporavam, deixando para trás os polímeros, a solução tornava-se cada vez mais concentrada. Logo, os polímeros aquirais comprimidos começaram a se auto-montar para formar estruturas.

A automontagem molecular não é um fenômeno incomum. À medida que a concentração da solução aumentou, no entanto, os pesquisadores observaram que os polímeros aquirais não estavam se reunindo em estruturas aquirais como esperado. Em vez disso, eles estavam formando hélices.

"Através da lente de um microscópio, observamos a forma torcida e a estrutura helicoidal dos polímeros. As instalações do Microscopy Suite de Beckman ajudaram a tornar essa descoberta possível", disse o autor principal e pesquisador de pós-doutorado Kyung Sun Park.

Além disso, os pesquisadores descobriram que a evolução estrutural quiral para aquiral não ocorre em uma única etapa, mas em uma sequência de várias etapas, onde hélices menores se reúnem para formar estruturas quirais cada vez mais complexas.

Simulações avançadas de dinâmica molecular ajudaram os pesquisadores a confirmar as etapas em escala molecular nesta sequência que não podem ser vistas a olho nu.

"A simulação de dinâmica molecular foi fundamental para esta pesquisa. Igualmente importante foi o ambiente colaborativo do Beckman Institute que encorajou a fusão de dinâmica molecular com microscopia e química", disse Diwakar Shukla, professor associado de engenharia química e biomolecular e coautor deste estudo. + Explorar mais

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