Физико-химические основы конверсии световой энергии в светособирающих фотосинтетических устройствахНИР

Источник финансирования НИР

ФЦП: Федеральная целевая программа, Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в рамках реализации мероприятия № 1.3.2 Проведение научных исследований целевыми аспирантами.

Этапы НИР

# Сроки Название
1 31 марта 2010 г.-21 июля 2010 г. этап I
Результаты этапа: В отчете представлены результаты исследований, выполненных по 1 этапу Государственного контракта № П42 «Наименование проблемы исследования: Физико-химические основы конверсии световой энергии в светособирающих фотосинтетических устройствах» от 31 марта 2010 в рамках мероприятия «Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в рамках реализации мероприятия № 1.3.2 Проведение научных исследований целевыми аспирантами.» Во введении к отчету обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована основная цель и ожидаемый результат. Основная цель – разработка принципов дизайна искусственных фотосистем со свойствами, близкими к природным. Основным ожидаемым результатом работы является разработка моделей, достоверно описывающих процессы переноса энергии в биологический системах и влияние их структурных, электронных и динамических параметров на эффективность и селективность фотохимических преобразований. Основная часть отчета состоит из семи разделов: 1) введение 2) аналитический обзор; 3) выбор обоснованного варианта направления исследований; 4) план проведения теоретических исследований; 5) результаты теоретических исследований. 6) заключение 7) список использованных источников. В аналитическом обзоре рассмотрены последние научные достижения в области разработки искусственных фотосистем. Обзор разбит на 5 разделов. 1) В разделе «Природные фотосинтетические устройства» рассмотрены свойства и основные компоненты природных устройств, обсуждены энергетика и кинетика переноса зарядов, описаны основные стадии превращения световой энергии в химическую. 2) Раздел «Искусственные фотоантенны» посвящен синтетическим светособирающим устройствам. Рассмотрены основные типы таких систем – полимерные и дендримерные, и показано, как архитектура фотоантенн влияет на их свойства. 3) В разделе «Природные реакционные центры» описано их строение, рассмотрены механизмы первичного переноса электрона, отличительные свойства этого процесса и основные теоретические подходы для его описания. 4) В разделе «Искусственные реакционные центры» обобщена информация о синтетических донорно-акцепторных комплексах, в которых происходит перенос электрона, и рассмотрено влияние их строения на характеристики процесса. Дана классификация важнейших акцепторов и доноров электрона: акцепторы – фуллерены, углеродные нанотрубки, наночастицы металлов; доноры – порфирины, поли- и олигомерные π-сопряженные системы, молекулы с изменяющейся конформацией. Рассмотрены важнейшие типы архитектур искусственных реакционных центров (РЦ): а) одностадийные РЦ; б) последовательный перенос по цепи; в) дендримерные структуры. 5) в заключительном разделе аналитического обзора описаны способы соединения отдельных искусственных компонентов фотосинтетических устройств в единую систему и рассмотрены характеристики полученных устройств. На основании аналитического обзора сделан выбор обоснованного варианта направления исследований. При этом учитывался вывод о том, что природные и искусственные фотосистемы обладают рядом общих черт, порождающих определенные трудности при их теоретическом изучении. Для их преодоления необходимо решить следующие задачи: 1. Разработка эффективного метода решения электронной задачи в случае больших систем. 2. Проверка этого метода путем проведения расчетов и сравнения их результатов с результатами ab initio расчетов для систем среднего размера (таких, для которых еще пригодны стандартные методы – до тысячи электронов). 3. Разработка нефеноменологической модели диссипативного переноса энергии на основе более строгого, чем теория Редфилда, варианта квантовой теории диссипации. 4. Проверка этой модели путем проведения расчетов и сравнения их результатов с доступными экспериментальными данными. Что касается реакционных центров, то рамках данного проекта планируется построение модели, описывающей диссипативную динамику в РЦ с учетом его структуры и структуры окружения, апробация этой модели на природных фотосистемах, и последующее ее применение для описания отдельных искусственных реакционных центров. Общий план проведения экспериментальных и теоретических исследований на 2-м этапе построен в соответствии с Госконтрактом и выглядит следующим образом: 2 этап 1. Построение теоретической модели для описания переноса электрона в реакционных центрах фотосинтеза. Тестирование модели на экспериментально изученных природных и искусственных фотосистемах. Программная реализация модели. 2. Построение модели, описывающей диссипативную квантовую динамику переноса энергии в светособирающих антеннах произвольной архитектуры. Тестирование модели на экспериментально изученных природных и искусственных фотосистемах. Программная реализация модели. 3. Объединение моделей из пп. 1 и 2; выявление факторов, определяющих ключевые характеристики искусственных фотоаккумулирующих систем. Выработка рекомендаций по дизайну искусственных фотосистем. 4. Написание научных статей в рецензируемые журналы. 5. Разработка рекомендаций по возможному использованию результатов в реальном секторе экономики. 6. Подготовка итогового отчета.
2 1 января 2011 г.-1 июля 2011 г. этап II
Результаты этапа: В отчете представлены результаты исследований, выполненных по 2 этапу Государственного контракта № П42 «Наименование проблемы исследования: Физико-химические основы конверсии световой энергии в светособирающих фотосинтетических устройствах» от 31 марта 2010 в рамках мероприятия «Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в рамках реализации мероприятия № 1.3.2 Проведение научных исследований целевыми аспирантами» Основная цель данной работы – разработка принципов дизайна искусственных фотосистем со свойствами, близкими к природным. Основным ожидаемым результатом работы являлась разработка моделей, достоверно описывающих процессы переноса энергии в биологический системах и влияние их структурных, электронных и динамических параметров на эффективность и селективность фотохимических преобразований. Основная часть отчета состоит из восьми разделов: 1) введение 2) аннотированная справка 3) моделирование переноса электрона в фотосинтетических комплексах; 4) моделирование переноса электрона в фотосинтетических комплексах; 5) отчет по обобщению и оценке результатов исследований; 6) заключение 7) список использованных литературных источников. 8) приложение. Во введении обсуждается заявленный план работ и фактически выполненные исследования. Во второй главе перечисляются поставленные цели НИР и результаты, которых следует достичь. В третьей главе рассматривается разработанная теоретическая модель переноса электрона в фотосинтетических комплексах, ее реализация, и результаты ее применения к моделированию динамики переноса электрона в реакционных центрах фотоантенны LH2 пурпурных бактерий (как нативных, так и искусственно модифицированных). Четвертая глава посвящена теоретической модели переноса энергии электронного возбуждения в фотосинтетических комплексах, ее реализации, и результатам ее применения к моделированию динамики переноса энергии в комплексе ФМО зеленых бактерий Chlorobium tepidum. В пятой части приведены возможные области применения результатов данной НИР в научных исследованиях и рекомендации по их использованию в реальном секторе экономики. В шестой части подводится итоги НИР, делаются выводы о соответствии достигнутых результатов целям исследования. В приложении к отчету приведена инструкция по использованию программы для моделирования динамики переноса энергии электронного возбуждения: результатов ее работы, организации ввода-вывода, и пользовательских опциях. также приведены примеры файлов данных и управляющих файлов с аргументами командной строки.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".