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研究人员观察到非手性共轭聚合物中出现的手性结构，这是一种对光合作用很重要的生物学特性。他们的发现将有助于提高太阳能电池设计的灵活性，并促进可再生能源的使用。
如何使有机太阳能电池轻巧得像窗户一样，可复制性如报纸一样，这成为满足国家不断增长的能源需求的解决途径。
University of Illinois Urbana-Champaign的研究人员首次观察到非手性共轭聚合物中出现的一种称为手性的生物特性，这种聚合物用于设计柔性太阳能电池。他们的发现可能有助于提高电池的充电能力，并增加人们获得可再生能源的机会。
许多人都知道DNA的螺旋结构。从结构上讲，DNA和其他螺旋分子被归类为手性分子：这是一种不对称的，不可能叠加到镜像上的结构。这个词源于希腊语中的hand，这也是一个例子。在一张纸上画一个左手印，然后直接在上面画一个右手印。两张照片不能整齐对齐；你的手就像DNA一样，是手性的。
从手和脚到碳水化合物和蛋白质，手性被认为是人类的基因组成。它在自然界中也很丰富，甚至增强了推动光合作用的化学反应。
化学和生物分子工程副教授兼该研究的主要研究者Ying Diao说：“手性是一种迷人的生物学特性。”。“许多生物分子的功能与其手性直接相关。以参与光合作用的蛋白质复合物为例。当电子穿过蛋白质的螺旋结构时，会产生一个有效的磁场，帮助分离光产生的束缚电荷。这意味着光可以更有效地转化为生化物质。”
在很大程度上，科学家已经观察到类似结构的分子倾向于保持自身：手性分子组装成手性结构（如形成DNA的核酸），非手性分子组装成非手性结构。Diao和她的同事观察到了一些不同的情况。在合适的条件下，非手性共轭聚合物可以偏离标准并组成手性结构。
他们的论文发表在《Nature Communication》上，为生物学和电子学的融合带来了新的研究机会。科学家首次将手性结构应用于需要非手性共轭聚合物才能发挥功能的材料。
特别是太阳能电池：缩小到电脑屏幕大小的薄纸般的太阳能电池板。柔性电池完全由有机材料组成，透明且重量足够轻，可以贴在卧室的窗户上。它们还可以通过溶液印刷快速制造，这是一种用于印刷报纸的工艺。
Diao说：“有机太阳能电池可以高速、低成本打印，只需很少的能源。想象有一天，太阳能电池像报纸一样便宜，你可以把它折叠起来放在背包里随身携带。”
共轭聚合物对细胞的发育和设计至关重要。
“现在，我们已经验证了手性共轭聚合物的潜力，我们可以将这种生物特性应用于太阳能电池和其他电子产品，学习手性如何增强自然界中的光合作用。通过快速制造更高效的有机太阳能电池，我们可以每天潜在地产生千兆瓦的能量，以赶上快速增长的全球能源需求。“
但可再生能源只是众多受益于手性和共轭聚合物结合的领域之一。各种各样的应用可能包括消费品，如电池和智能手表、量子计算和能够检测身体疾病迹象的生物传感器。
“共轭聚合物中的手性性质可能会为太阳能电池以外的应用开辟新的途径。偏振敏感成像、智能机器视觉、手性选择性催化，甚至可以设计新型、轻质拓扑机械超材料。”
为了实现他们的发现，研究人员首先将非手性共轭聚合物与溶剂结合。然后，他们将溶液一滴一滴地加入显微镜载玻片中。随着溶剂分子蒸发，留下聚合物，溶液变得越来越浓。很快，被压缩的非手性聚合物开始自组装形成结构。
分子自组装并不是一种罕见的现象。然而，随着溶液浓度的增加，研究人员观察到非手性聚合物并没有像预期的那样组装成非手性结构。相反，它们形成了螺旋。
“通过显微镜镜头，我们观察了聚合物的扭曲形状和螺旋结构。“
此外，研究人员发现，手性到非手性结构的进化并不是在一个步骤中发生的，而是在一个多步骤的序列中，较小的螺旋聚集形成越来越复杂的手性结构。
高级分子动力学模拟帮助研究人员确认了这一序列中肉眼无法看到的分子尺度级的步骤。
图：非手性共轭聚合物多级组合中手性出现的示意图
[1] Kyung Sun Park, Zhengyuan Xue, Bijal B. Patel, Hyosung An, Justin J. Kwok, Prapti Kafle, Qian Chen, Diwakar Shukla, Ying Diao. Chiral emergence in multistep hierarchical assembly of achiral conjugated polymers. Nature Communications, 2022; 13 (1) DOI: 10.1038/s41467-022-30420-6
