"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF7002
ETF7002 "SPEKTRAALSE PEENTIMMIMISE VIISE ISEORGANISEERUVATES MOLEKULAARKOMPLEKSIDES JA VALGUSMUUNDURITES (1.01.2007−31.12.2010)", Arvi Freiberg, Tartu Ülikool, Loodus- ja tehnoloogiateaduskond, Tartu Ülikooli Füüsika Instituut, Tartu Ülikool, Loodus- ja tehnoloogiateaduskond, Tartu Ülikooli Füüsika Instituut, Tartu Ülikool, Loodus- ja tehnoloogiateaduskond.
ETF7002
SPEKTRAALSE PEENTIMMIMISE VIISE ISEORGANISEERUVATES MOLEKULAARKOMPLEKSIDES JA VALGUSMUUNDURITES
SPECTRAL FINE-TUNING MECHANISMS IN SELF-ORGANIZED MOLECULAR COMPLEXES AND LIGHT-ENERGY CONVERSION SYSTEMS
1.01.2007
31.12.2010
Teadus- ja arendusprojekt
Eesti Teadusfondi uurimistoetus
ValdkondAlamvaldkondCERCS erialaFrascati Manual’i erialaProtsent
4. Loodusteadused ja tehnika4.10. FüüsikaP180 Metroloogia, instrumentatsioon1.2. Füüsikateadused (astronoomia ja kosmoseteadus, füüsika ja teised seotud teadused)100,0
PerioodSumma
01.01.2007−31.12.2007288 000,00 EEK (18 406,55 EUR)
01.01.2008−31.12.2008288 000,00 EEK (18 406,55 EUR)
01.01.2009−31.12.2009276 480,00 EEK (17 670,29 EUR)
01.01.2010−31.12.2010276 480,00 EEK (17 670,29 EUR)
72 153,68 EUR

Orgaaniliste kütuste nappus ja nende põletamisega seostatav kliima soojenemine sunnib kiirendama nn puhaste energiaallikate otsinguid. Enim loodetakse seejuures päikeseenergia tõhusamale rakendamisele. Seoses sellega on viimasel ajal suurt tähelepanu pälvinud mitmesugused fotosünteesi jäljendavad valgusenergia muundesüsteemid. Kahjuks ei küüni nende tõhusus siiani fotosünteesile ligilähedalegi. Põhjuseks on meie seni veel üsna ebamäärased teadmised iseorganiseeruvate molekulaarkomplekside spektraalseid omadusi ja dünaamikat määravatest asjaoludest. Just neid aspekte käesolevas projektis selgitataksegi, rõhuasetusega antenni ja laengu ülekande ühikute vahelisele energiasiirdele. Viimane on kogu pika protsessidejada kõige vähem mõistetud etapp, olles samas energiaülekande efektiivsuse seisukohalt üks olulisemaid. Eelmises grandis me leidsime eksiton-polarone ja autolokaliseeritud eksitone teatud fotosünteetiliste bakterite ja taimede antennides madalatel temperatuuridel. Nende ergastuste vahendusel toimuv energialevi on laiade kiirgusspektrite ja soodsa punanihke tõttu tõhusam kui eksitonülekanne. Me eeldame, et piisavalt tugeva elektron-võnkeinteraktsiooni korral võivad eksiton polaronid positiivselt mõjutada ka toatemperatuuril aset leidvaid valgushaarde ja leviprotsesse. Meie teiseks põhieelduseks on, et iseorganiseeruvates antennides tekivad polaronseisundid vastastikmõjude tõttu pigmendimolekulide vaheliste võnkumistega, mitte maatriksi foononitega või molekulisiseste lokaalsete võnkumistega. Nende hüpoteeside kontrollimiseks ja projekti eesmärkide täitmiseks rakendatakse laia valikut kaasaegseid ajalise ning spektraalse kõrglahutusega spektroskoopiatehnikaid kombinatsioonis kõrgrõhu metoodikaga. Võimalusel täiendatakse katseandmeid asjakohaste teoreetiliste üldistustega ja kvantkeemiliste või molekulaar-mehhaaniliste arvutustega. Võtmesõnu: Iseorganiseeruvad molekulaarkompleksid, elektron-foononinteraktsioon, eksiton-polaronid, energia- ja elektronsiirded, valgusenergia konversioon, fotosüntees.
The looming shortage of oil and gas as well as threats of climate change call for further escalation of research and development of clean energy sources, the most prominent candidate being the solar power. Significant effort has recently been directed towards designing and constructing artificial light-energy converters that mimic natural photosynthesis. However, only moderate light-energy conversion efficiency has been achieved as yet. A much better understanding than is currently available of the factors that govern the spectra and dynamics of self-aggregated molecules is, therefore, required. The emphasis of this project is on the coupling between the antenna and charge transfer units, the most critical yet least understood energy transfer stage. We hypothesize that the formation of excitonic polarons and self-trapped excitons discovered by us at low temperatures in certain photosynthetic units might also be a practical strategy for enhancement of light harnessing for the light-energy conversion systems functioning at ambient temperature. We also assume that inter-molecular phonon modes, as contrasted to intramolecular vibrations and matrix phonons, are mainly responsible for the remarkable broadening and shift of the polaronic bands observed, the two factors, which promote energy transfer efficiency in native photosynthetic units. A complex of modern high spectral and time resolution optical spectroscopy techniques combined with external high-pressure methodology will be used to reach the goals of the project. Whenever relevant, the experimental insights will be linked to theoretical fundamentals and to quantum chemical/molecular mechanics simulations. Keywords: Self-organized molecular complexes, electron-phonon coupling, excitonic polarons, energy and electron transfer, light-energy conversion, photosynthesis.