ФОТОСИНТЕЗ ПРИРОДНЫЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ И ЭНЕРГЕТИКА БУДУЩЕГО Э И

ФОТОСИНТЕЗ: ПРИРОДНЫЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ И ЭНЕРГЕТИКА БУДУЩЕГО Э. И. Зенькевич аккредитованный эксперт научно-технического Российской корпорации нанотехнологий (РОСНАНО) Совета д. ф. -м. н. , профессор, Белорусский национальный технический университет (Минск) Member of Nanomaterial Society Subject Matter Expert of Nine. Sigma Community 1

ФОТОСИНТЕЗ Фотосинтез является единственным процессом на Земле, который идет с накоплением свободной энергии и протекает вопреки закону возрастания энтропии. Природа в ходе эволюции задолго до ученых разработала основные пути формирования структур и механизмы их взаимодействия, которые активно используются в современных нанотехнологиях. 2

Spectrum of the Sun 3

Electromagnetic Spectrum The overall reaction for photosynthesis is as follows: 6 CO 2 + 12 H 2 O in the presence of light and chlorophyll yields C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 + 6 H 2 O 4

Фотосинтез – наиболее эффективный процесс преобразования энергии солнечного света 1771 г. – открытие фотосинтеза Дж. Пристли 1845 г. – Юлиус Роберт Майер: «распространяющиеся в пространстве солнечные лучи «захватываются» и сохраняются для использования в дальнейшем по мере надобности» CO 2 + H 2 O hn [CH 2 O] + O 2 + химическая энергия 5

История вопроса Joseph Priestly, 1733 -1804 English minister, chemist and philosopher discovered during 1771 -1772 that plants can ‘purify’ air that had been injured by burning of a candle or mouse respiration 1771 г. – открытие фотосинтеза Дж. Пристли Priestley J. (1772) Observations on different kinds of air. Phil. Trans. R. Soc. London 62: 147 -264 Лавуазье опроверг теорию флогистона. В 1772 -1777 гг. показал, что все процессы горения и дыхания определяются кислородом. Сам термин“oxygen” был опубликован Лавуазье в 1785 -1786 г. Смысл термина точно соответствует русскому переводу ‘кислород’ – рождающий кислоту. 6

История вопроса 1817 г. - Пьер Жозеф Пелетье и Жозеф Каванту выделили зеленый пигмент хлорофилл (греч. cloz – зеленый; julln –лист). In 1838, a Swedish chemist, Jons Jakob Berzelius proposed that chlorophyll is a mixture of two compounds: a yellow matter “xanthophyll” and a blue-green matter, which Timiriazeff called “chlorophyllin”. 7

История вопроса 1871 – 1875 гг. – К. А. Тимирязев показал, что фотосинтез проходит с наибольшей интенсивностью в тех областях солнечного спектра, где находятся максимумы поглощения хлорофилла. 8

Преобразование солнечной энергии при фотосинтезе Поглощение энергии света Энергия возбуждения Светособирающая антенная система Фотосинтетический реакционный центр Разделение зарядов Перенос электрона и протона Перенос электрона Электрохимическая энергия окислительновосстановительной пары Трансмембранная электрохимическая энергия Тилакоидная мембрана Перенос протона Перенос фосфата NADPH Углеводы АТФ Энергия химических связей «Высокая энергия» пирофосфатной связи АТФсинтетаза 9

10

Фотосинтез и жизнь на Земле 11

Преобразование солнечной энергии при фотосинтезе Mg Хлорофилл Fe Гемоглобин 12

13

Natural Nanosystems: Photosynthesis Leaves Chloroplasts Stack of Thylakoids 14 14

Фотосинтетические пигменты Каротиноиды Хлорофиллы «а» и «б» 15

Absorption Spectra Fluorescence Spectra 16

Взаимодействие света с веществом Что же происходит «там внутри» ? ? ? 17

Natural Nanosystems: Photosynthesis Electron Transfer hu Primary Electron Donor Primary Electron Acceptor e- Energy Transfer Reaction Center Antenna Pigment Molecules PHOTOSYSTEM 18 18 18

19

Светособирающая фотосинтетическая антена 20

LIGHT-HARVESTING ANTENNA COMPLEX BChl LH 2 21

Перенос энергии в антене СОЛНЕЧНЫЙ СВЕТ S 1 S 1 Light Harvesting Antenna Complexes S 0 22 22 22

BASIC PRIMARY PHOTOSYNTHETIC EVENTS 23

Реакционный центр фотосинтеза Reaction Center 24 24

Распределение кофакторов в фотосинтетическом реакционном центре Rb. Sphaeroides и Rps. viridis Mcauley R. T. , Cogdell R. J. et al. // FEBS Letters. - 2000. - V. 467, P. 285 25

Запуск темновых реакций фотосинтеза Electron Transport 26 Proton Pumping Chemoosmos 26

Энергетика и динамика фотосинтеза 27

Nobel Prizers in the Field of Photosynthesis 28

Искусственные молекулярные системы для преобразования солнечной энергии «…Настоящий переворот в энергетике наступит только тогда, когда мы сможем осуществить массовый синтез молекул, аналогичных хлорофиллу или даже более высокого качества. » Ф. Жолио-Кюри «Не копируя природу, но используя некоторые её принципы, мы сможем со временем в гораздо более простом виде осуществить любой химический процесс, который идет в организме. » Академик Н. Н. Семенов 29

Self-Assembly Principles Key-Lock Principle (Lego) Liposomes (Nanobiotechnology) 30 30

ARTIFICIAL ANTENNA COMPLEXES 31

Self-Assembly Principles Zn Zn N N N N + N ·· d. Z 2 Zn r L ·· d. Z 2 Zn r A L Д А 32

Realized Self-Assembly (Examples) Our reults Natural LHC Model LHC (Energy transfer via localized exciton) PET Energy/Electron Transfer Systems 33 Long-Distant Electron Transfer via Superexchange Mechanism (RC in Photosynthesis) 33

Realized Self-Assembly (Examples) AFS, STM d ~ 1 нм 34

Порфириновые нанотрубки для нанофотовольтаики инаносенсорики ПНТ под поляризационным микроскопом DFT – геометрия порфириновой нанотрубки протонированный тример (расчетный угол между осями 5 о) Методами AFM-спектроскопии, микроскопии в поляризованном свете в сочетании с квантовохимическими расчетами установлены особенности структуры и оценены размеры спиралевидных ПНТ: длина сотни нм до ; диаметр – до 25 нм; шаг спирали – 30 нм. Спиралевидная архитектура ПНТ обусловлена непланарными деформациями цвиттерионов порфиринов. Такая структура согласуется с почти копланарной J-агрегацией 14 -16 перекрывающихся порфириновых хромофоров, которая отклоняется от планарности на 21 -24°, обеспечивая оптимизацию электростатических взаимодействий соседних макроциклов. 35

Наноразмерные проводники для наноэлектроники Single molecular Detection by STM Nano Gap Electrodes 2003 -2005 г. г. A. Osuka, T. Matsumoto, T. Ogawa Electric Conductance via a Single Organic Molecule (Japan) 36

Молекулярная память с использованием запасания заряда в порфиновых макроциклах (фирма Zetta. Core) 2005 -2008 г. г. Randy Levine, Ph. D, one of the founders of Zettacore company (USA) 37

Photovoltaics: Solar Cells SEM images of two different zeolite layers at two different magnification A scheme of zeolite crystal containing porphyrin and dye molecules and modified with a stopcock 38

Фотовольтаика: солнечные ячейки I II (c) 39

다 니 합 사 감 40