Functionalized DNA Nanostructures for Energy and Electron Transfer Applications

Research Project, 2015 – 2018

Funktionaliserade DNA nanostrukturer för energi- och elektronöverföringsapplikationer Nanotekniken kommer att revolutionera framtidens material. Detta är ett påstående som hela vetenskapssamhället står bakom - frågan är bara hur? Å ena sidan har vi molekyler som kan fås att självassociera och bygga välordnade strukturer på molekylens egen längdskala. Å andra sidan har vi de makroskopiska materialen vars egenskaper oftast inte är en enkel funktion av de ingående molekylära byggstenarna. Med detta forskningsprojekt vill vi bidra till att brygga den makroskopiska och mikroskopiska världen och specifikt studera hur transport av laddning och excitations energi sker över långa avstånd på molekylens skala. Vi hoppas därigenom bidra till att förbättra molekylära solenergitekniker och utveckla framtidens elektronik baserad på molekylära komponenter. Ett område med mycket stor samhällsrelevans är hur nästa generations elektronik skall byggas. Under ett antal år har miniatyriseringen av mikroelektroniken banat vägen för en fullständig revolution inom informationsteknologin. Dagens teknik är dock baserat på idén att göra elektroniken mindre och mindre genom att etsa kretsar ur traditionella oorganiska halvledarmaterial. Här finns fundamentala fysikaliska begränsningar för hur små kretsar som kommer att kunna produceras, och den gränsen beräknas nås inom en inte allt för avlägsen framtid. Om ytterligare miniatyrisering önskas blir det då nödvändigt att angripa problemet på ett helt nytt sätt. Ett tilltalande sätt att lösa problemet vore att bygga de elektroniska kretsarna från molekylära komponenter, s.k. "bottom-up-approach". För att göra detta möjligt måste elektronledning på molekylär skala kunna kontrolleras och vi måste behärska de designprinciper som skall ligga till grund för de individuella komponenterna: molekylära ledare, isolatorer, transistorer, grindar etc. De senaste åren har intensiv forskning bedrivits inom detta område och vi står inför en revolutionerande utveckling. Ett annat område med kanske ännu större relevans för vårt samhälle är hur vi skall lösa framtidens energiförsörjning. På lång sikt kan endast solen bli den hållbara energikällan och omfattande grundläggande och tillämpad forskning strävar därför efter att finna möjliga vägar att fånga in och lagra solenergi. För att medverka till utvecklingen av molekylär elektronik och molekylära lösningar på energiproblemet bedriver vi forskning som strävar mot att bättre förstå hur elektroner och excitationsenergi på ett kontrollerat sätt kan förflyttas mellan molekyler. Arbetet är inspirerat av hur motsvarande processer sker i biologiska redox-system, som t.ex. i de gröna växternas fotosyntes. För att arrangera ljusinsamlande och redox-aktiva molekyler kommer vi i detta forskningsprojekt att ta hjälp från den nyligen utvecklade DNA-nanoteknologin. DNA används här på ett icke-biologiskt sätt för att effektivt och förutbestämbart positionera molekylära komponenter som ingår i de fotosyntetiska eller molekylärelektroniska komplexen. I detta projekt möter de stora samhällsutmaningarna (solenergi, framtidens elektronik) nyfikenhetsstyrda grundvetenskapliga frågeställningar där vi på ett okonventionellt sätt försöker adressera ännu olösta vetenskapliga problem med hjälp av DNA-nanoteknologi.