Yeni Polimer Özelliği Erişilebilir Güneş Enerjisini Artırabilir
Fotoğraf : Bir pencere süsü kadar hafif ve bir gazete kadar tekrarlanabilir olan organik güneş pilleri, ülkenin artan enerji talebi için uygun bir çözüm olarak ortaya çıkıyor. İllinois Urbana-Champaign Üniversitesi’ndeki Beckman İleri Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’ndeki araştırmacılar, esnek güneş pilleri tasarlamak için kullanılan akiral konjuge polimerlerde ortaya çıkan kiralite adı verilen biyolojik bir özelliği gözlemleyen ilk kişiler oldu. Onların keşfi, hücrelerin şarj kapasitesini artırmaya ve uygun fiyatlı yenilenebilir enerjiye erişimi artırmaya yardımcı olabilir. Kredi: Beckman İleri Bilim ve Teknoloji Enstitüsü.
Bir pencere süsü kadar hafif ve bir gazete kadar tekrarlanabilir olan organik güneş pilleri, ülkenin artan enerji talebi için uygun bir çözüm olarak ortaya çıkıyor.
İllinois Üniversitesi Urbana-Champaign’deki araştırmacılar, esnek güneş pilleri tasarlamak için kullanılan akiral konjuge polimerlerde ortaya çıkan kiralite adı verilen biyolojik bir özelliği gözlemleyen ilk kişilerdir. Onların keşfi, hücrelerin şarj kapasitesini artırmaya ve uygun fiyatlı yenilenebilir enerjiye erişimi artırmaya yardımcı olabilir.
DNA’nın sarmal mimarisi birçok kişi tarafından bir sarmal olarak tanınabilir. Yapısal olarak konuşursak, DNA ve diğer sarmal moleküller kiral olarak sınıflandırılır: asimetrik, öyle ki ayna görüntüsü üzerine bindirme imkansız. Terim, aynı zamanda bir örnek olan Yunanca el kelimesinden kaynaklanmaktadır. Bir yaprak kağıda bir sol el izi ve ardından doğrudan üstte bir sağ el izi hayal edin. İki baskı düzgün bir şekilde hizalanmıyor; eliniz, DNA’sı gibi kiraldir.
DNA’nın sarmal mimarisi, birçok kişi tarafından bir helis olarak tanınabilir. Yapısal olarak konuşulan DNA ve diğer helisel moleküller, spiral olarak sınıflandırılır: Asimetrik, ayna görüntüsü üzerine üst üste bindirilmesi imkansızdır. Bu terim, Yunanca’da el kelimesinden kaynaklanmaktadır. Sol el çıktısını bir kağıda, ardından da sağ el çıktısını doğrudan üstte olacak şekilde fotoğrafla. İki baskı düzgün bir şekilde hizalanmaz; eliniz DNA’sı gibi, sarmal bir baskıdır.
El ve ayaklardan karbonhidratlara ve proteinlere kadar kiralite, insanların genetik yapısında bükülür. Ayrıca doğada bol miktarda bulunur ve hatta fotosentezi yönlendiren kimyasal reaksiyonu geliştirir.
Kimya ve biyomoleküler mühendislik doçenti ve çalışmanın baş araştırmacısı Ying Diao, “Kiralite büyüleyici bir biyolojik özelliktir” dedi. “Birçok biyomolekülün işlevi doğrudan kiraliteleriyle bağlantılıdır. Fotosentezde yer alan protein komplekslerini alın. Elektronlar proteinlerin sarmal yapılarında hareket ettiklerinde, ışığın oluşturduğu bağlı yükleri ayırmaya yardımcı olan etkili bir manyetik alan üretilir. Bu, ışığın biyokimyasallara daha verimli bir şekilde dönüştürülebilir olması anlamına gelir.”
Çoğu zaman, bilim insanları, benzer yapılara sahip moleküllerin kendilerini saklama eğiliminde olduklarını gözlemlediler: kiral moleküller, kiral yapılar (DNA’yı oluşturan nükleik asitler gibi) halinde birleşir ve akiral moleküller, akiral yapılar halinde birleşir. Diao ve meslektaşları farklı bir şey gözlemledi. Doğru koşullar altında, akiral konjuge polimerler normdan ayrılabilir ve kiral yapılar halinde birleşebilir.
Makaleleri Nature Communications’da yer almakta ve biyoloji ile elektroniğin yakınsaması konusunda araştırma için yeni fırsatlar sunmaktadır. Bilim insanları ilk kez, işlev görmesi için akiral konjuge polimerlere ihtiyaç duyan sayısız malzemeye kiral yapı uygulayabiliyorlar.
Özellikle, güneş pilleri: bir bilgisayar ekranının boyutuna küçültülmüş kağıt inceliğinde güneş panelleri. Tamamen organik malzemelerden oluşan esnek hücreler, bir yatak odası penceresine yapışacak kadar şeffaf ve hafiftir. Ayrıca gazeteleri basmak için kullanılan süreç olan baskı çözümleri ile hızla üretilebilirler.
Diao, “Organik güneş pilleri çok az enerji kullanarak yüksek hızda ve düşük maliyetle basılabilir. Bir gün güneş pillerinin gazeteler kadar ucuz olduğunu ve bir tanesini katlayıp sırt çantanızda taşıyabileceğinizi hayal edin,” dedi.
Fotoğraf – 1 : Polimer çözeltisinin iki cam slayt arasına sıkıştırılmasıyla oluşturulan hareketli, kuruyan bir menisküste bir polimer çözeltisinin yerinde çapraz polarize optik mikroskopi ile yakalanması. Video, karanlık çözelti fazını (sol üst) ve parlak mezofazı (sağ alt) gösterir. Eliptik mezojenik alanlar, çözüm aşamasından ortaya çıkar ve ip benzeri bir doku oluşturmak için birleşir. Kredi: Beckman İleri Bilim ve Teknoloji Enstitüsü.
Konjuge polimerler, hücrelerin gelişimi ve tasarımı için çok önemlidir.
“Artık kiral konjuge polimerlerin potansiyelini açığa çıkardığımıza göre, kiralitenin doğada fotosentezi nasıl geliştirdiğini öğrenerek bu biyolojik özelliği güneş pillerine ve diğer elektroniklere uygulayabiliriz. Bu kadar hızlı üretilebilen daha verimli organik güneş pilleri ile, Diao, hızla artan küresel enerji talebini karşılamak için potansiyel olarak günlük gigawatt enerji üretebilir” dedi.
Ancak yenilenebilir enerji, kiralite ve konjuge polimerlerin birleşiminden yararlanılacak birçok alandan sadece biridir. Çeşitli uygulamalar, piller ve akıllı saatler, kuantum hesaplama ve vücuttaki hastalık belirtilerini tespit edebilen biyo-tabanlı sensörler gibi tüketici ürünlerini içerebilir.
“Konjuge polimerlerde kiralitenin bu olağanüstü ortaya çıkışı, güneş pillerinin ötesinde yeni uygulama alanları açabilir. Polarizasyona duyarlı görüntüleme, akıllı makine görüşü, kiralite seçici kataliz ve hatta şoku koruyabilen yeni, hafif ağırlıklı topolojik mekanik metamalzemelerin mühendisliği. Malzeme bilimi ve mühendisliği doçenti ve bu çalışmanın yazarlarından biri olan Qian Chen, “Çalışmamız bu uygulamaların nasıl gerçekleştirileceği konusunda doğrudan fikir veriyor” dedi.
Araştırmacılar, keşiflerine ulaşmak için önce akiral konjuge polimerleri bir çözücü ile birleştirdiler. Daha sonra çözeltiyi damla damla bir mikroskop lamına eklediler. Çözücü molekülleri polimerleri geride bırakarak buharlaştıkça, çözelti giderek daha konsantre hale geldi. Kısa süre sonra, sıkıştırılmış akiral polimerler yapılar oluşturmak için kendi kendine bir araya gelmeye başladı.
Moleküler kendi kendine toplanma olağandışı bir fenomen değildir. Bununla birlikte, çözeltinin konsantrasyonu arttıkça, araştırmacılar, akiral polimerlerin beklendiği gibi akiral yapılara birleşmediğini gözlemlediler. Bunun yerine sarmallar oluşturuyorlardı.
Baş yazar ve doktora sonrası araştırmacı Kyung Sun Park, “Bir mikroskobun merceğinden polimerlerin bükülmüş şeklini ve sarmal yapısını gözlemledik. Beckman Enstitüsü Mikroskopi Suiti tesisleri bu keşfi mümkün kıldı” dedi.
Ayrıca araştırmacılar, kiralden akiral yapısal evrimin tek bir adımda değil, daha küçük sarmalların giderek daha karmaşık kiral yapılar oluşturmak üzere bir araya geldiği çok aşamalı bir dizide gerçekleştiğini buldular.
Gelişmiş moleküler dinamik simülasyonları, araştırmacıların bu dizideki çıplak gözle görülemeyen moleküler ölçekli adımları doğrulamasına yardımcı oldu.
“Moleküler dinamikler simülasyonu bu araştırmaya aracılık ediyordu. Aynı derecede önemli olan Beckman Enstitüsü’nün moleküler dinamikleri mikroskopla ve kimyayla birleştirmeyi teşvik eden işbirliği ortamıydı,” dedi.
Kaynak : phys.org