Les molécules organiques qui capturent les photons et les convertissent en électricité ont des applications importantes pour la production d'énergie verte. Les complexes de récolte de lumière ont besoin de deux semi-conducteurs, un donneur d'électrons et un accepteur. Leur efficacité quantique se mesure à leur efficacité, la vitesse à laquelle les photons sont convertis en paires électron-trou.

L'efficacité quantique est inférieure à l'optimum s'il y a "auto-extinction", où une molécule excitée par un photon entrant donne une partie de son énergie à une molécule identique non excitée, produisant deux molécules à un état d'énergie intermédiaire trop faible pour produire une paire électron-trou. Mais si les donneurs et les accepteurs d'électrons sont mieux espacés, l'auto-extinction est limitée, afin que l'efficacité quantique s'améliore.

Dans un nouveau papier en Frontières en chimie , des chercheurs du Karlsruhe Institute of Technology (KIT) synthétisent un nouveau type de supramolécule organique de récolte de lumière basée sur l'ADN. La double hélice de l'ADN agit comme un échafaudage pour organiser les chromophores (c'est-à-dire les colorants fluorescents) - qui fonctionnent comme des donneurs d'électrons - et des "buckyballs" - des accepteurs d'électrons - en trois dimensions pour éviter l'auto-extinction.

« L'ADN est un échafaudage attractif pour la construction de supramolécules photorécoltantes :sa structure hélicoïdale, distances fixes entre les bases nucléiques, et l'appariement canonique des bases contrôle avec précision la position des chromophores. Ici, nous montrons que les buckyballs de carbone, lié à des nucléosides modifiés insérés dans l'hélice d'ADN, améliorer considérablement l'efficacité quantique. Nous montrons également que la structure 3-D de la supramolécule persiste non seulement en phase liquide mais aussi en phase solide, par exemple dans les futures cellules solaires organiques, " déclare l'auteur principal, le Dr Hans-Achim Wagenknecht, Professeur de chimie organique au Karlsruhe Institute of Technology (KIT).

L'ADN fournit une structure régulière, comme des perles sur un fil hélicoïdal

Comme échafaudage, Wagenknecht et ses collègues ont utilisé de l'ADN simple brin, brins désoxyadénosine (A) et thymine (T) de 20 nucléotides de long. Cette longueur a été choisie parce que la théorie suggère que des oligonucléotides d'ADN plus courts ne s'assembleraient pas de manière ordonnée, tandis que les plus longs ne seraient pas solubles dans l'eau. Les chromophores étaient des molécules de pyrène violet-fluorescent et rouge-fluorescent du Nil rouge, chacun lié de manière non covalente à un seul nucléoside synthétique d'uracile (U)-désoxyribose. Chaque nucléoside a été apparié à l'échafaudage d'ADN, mais l'ordre des pyrènes et des rouges du Nil a été laissé au hasard lors de l'auto-assemblage.

Pour les accepteurs d'électrons, Wagenknecht et al. testé deux formes de « buckyballs » – également appelées fullerènes – qui sont connues pour avoir une excellente capacité de « trempage » (accepter des électrons). Chaque buckyball était un globe creux construit à partir d'anneaux imbriqués de cinq ou six atomes de carbone, pour un total de 60 carbones par molécule. La première forme de buckyball testée se lie de manière non spécifique à l'ADN par le biais de charges électrostatiques. La deuxième forme, non testée auparavant comme accepteur d'électrons, était liée de manière covalente via un ester malonique à deux nucléosides U-désoxyribose flanquants, ce qui lui a permis d'être apparié à un nucléotide A sur l'ADN.

Haute efficacité quantique, y compris en phase solide

Les chercheurs ont confirmé expérimentalement que la structure 3-D de la supramolécule à base d'ADN persiste en phase solide :une exigence cruciale pour les applications dans les cellules solaires. À cette fin, ils ont testé des supramolécules avec l'une ou l'autre forme de buckyballs comme couche active dans une cellule solaire miniature. Les constructions ont montré une excellente séparation de charge - la formation d'un trou positif et d'une charge électronique négative dans le chromophore et leur acceptation par les buckyballs à proximité - avec l'une ou l'autre forme de buckyball, mais surtout pour la deuxième forme. Les auteurs expliquent cela à partir de la liaison plus spécifique, par appariement de bases canonique, à l'échafaudage d'ADN par la deuxième forme, ce qui devrait entraîner une plus petite distance entre le buckyball et le chromophore. Cela signifie que la deuxième forme est le meilleur choix pour une utilisation dans les cellules solaires.

Surtout, les auteurs montrent également que la supramolécule ADN-colorant-buckyball présente un fort dichroïsme circulaire, C'est, il est beaucoup plus réactif à la lumière polarisée à gauche qu'à la lumière polarisée à droite, en raison de sa structure hélicoïdale 3-D complexe, même en phase solide.

"Je ne m'attends pas à ce que tout le monde ait bientôt des cellules solaires avec de l'ADN sur son toit. Mais la chiralité de l'ADN sera intéressante :les cellules solaires à base d'ADN pourraient détecter la lumière polarisée circulairement dans des applications spécialisées, " conclut Wagenknecht.