"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
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
75415,75

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.

Vastutav täitja (1)

IsikKraadTöökoht ja ametCVOsalemise periood
Arvi FreibergdoktorikraadEST / ENG01.01.2007−31.12.2010

Põhitäitjad (7)

IsikKraadTöökoht ja ametCVOsalemise periood
Aleksandr EllerveedoktorikraadteadurEST / ENG01.01.2007−31.07.2008
Liina Kangurdoktorikraaderakorraline teadurEST / ENG01.01.2007−31.12.2010
Kristjan LeigerdoktorikraadteadurEST / ENG01.01.2007−31.12.2010
Mihkel PajusaludoktorikraadEST / ENG01.09.2008−31.12.2010
Margus RätsepdoktorikraadvanemteadurEST / ENG01.01.2007−31.12.2010
Kõu TimpmanndoktorikraadvanemteadurEST / ENG01.01.2007−31.12.2010
Dmitri TroškovEST / ENG01.01.2007−30.06.2008
Publikatsioonid
Publikatsioonid
Rätsep, M.; Cai, Z.-L; Reimers, J.; Freiberg, A. (2011). Demonstration and interpretation of significant asymmetry in the low-resolution and high-resolution Qy fluorescence and absorption spectra of bacteriochlorophyll a. Journal of Chemical Physics, 134 (2), 024506.10.1063/1.3518685.
Renge, Indrek; Rätsep, Margus; Freiberg, Arvi (2011). Intermolecular repulsive–dispersive potentials explain properties of impurity spectra in soft solids. Journal of Luminescence, 131 (2), 262−265.10.1016/j.jlumin.2010.10.008.
Sener, M.; Strümpher, J.; Timney, J.; Freiberg, A.; Hunter, N.; Schulten, K. (2010). Photosynthetic vesicle architecture and constraints on efficient energy harvesting. Biophysical Journal, 99 (1), 67−75.
Freiberg, A.; Timpmann, K.; Trinkunas, G. (2010). Spectral fine-tuning in excitonically coupled cyclic photosynthetic antennas. Chemical Physics Letters, 500, 111−115.10.1016/j.cplett.2010.09.084.
Freiberg, A.; Rätsep, M.; Timpmann, K.; Trinkunas, G. (2009). Excitonic polarons in quasi-one-dimensional LH1 and LH2 bacteriochlorophyll a antenna aggregates from photosynthetic bacteria: A wavelength-dependent selective spectroscopy study. Chemical Physics, 357, 102−112.10.1016/j.chemphys.2008.10.043.
Rätsep, M.; Linnanto, J.; Freiberg, A. (2009). Mirror symmetry and vibrational structure in optical spectra of chlorophyll a. Journal of Chemical Physics, 130 (19), 194501.10.1063/1.3125183.
Pieper, J.; Rätsep, M.; Irrgang, K.-D.; Freiberg, A. (2009). Pigment-Pigment and Pigment-Protein Interactions in Monomeric Light-Harvesting Complex II of Green Plants Studied by Spectral Hole Burning and Fluorescence Line Narrowing. The Journal of Physical Chemistry B, 113 (31), 10870−10880.
Rätsep, M.; Pajusalu, M.; Freiberg, A. (2009). Wavelength-dependent electron–phonon coupling in impurity glasses. Chemical Physics Letters, 1−4.10.1016/j.cplett.2009.07.094.
Rätsep, M.; Pieper, J.; Irrgang, K.-D.; Freiberg, A. (2008). Excitation Wavelength-Dependent Electron-Phonon and Electron-Vibrational Coupling in the CP29 Antenna Complex of Green Plants. The Journal of Physical Chemistry B, 112, 110−118.
Ellervee, A.; Freiberg, A. (2008). Formation of bacteriochlorophyll a coordination states under external high-pressure. Chemical Physics Letters, 450, 386−390.
Kangur, L.; Timpmann, K.; Freiberg, A. (2008). Stability of Integral Membrane Proteins under High Hydrostatic Pressure: The LH2 and LH3 Antenna Pigment−Protein Complexes from Photosynthetic Bacteria. The Journal of Physical Chemistry B, 112 (26), 7948−7955.10.1021/jp801943w.
Leiger, K.; Freiberg, A.; Dahlbom, M.; Hush, N.; Reimers, J. (2007). Pressure-induced spectral changes for the special-pair radical cation of the bacterial photosynthetic reaction center. Journal of Chemical Physics, 126 (21), 215102−215115.
Freiberg, Arvi; Trinkunas, Gediminas (2009). Unraveling the Hidden Nature of Antenna Excitations. In: Laisk, Agu; Nedbal, Ladislav; Govindjee (Ed.). Photosynthesis in silico: Understanding Complexity from Molecules to Ecosystems (55−82).. The Netherlands: Springer. (Advances in Photosynthesis and Respiration).
Kangur, L; Leiger, K; Freiberg, A (2008). Evidence for high-pressure-induced rupture of hydrogen bonds in LH2 photosynthetic antenna pigment-protein complexes. Journal of Physics: Conference Series , 121, 112004.10.1088/1742-6596/121/11/112004.
Juhendamised
Juhendamised
Mihkel Pajusalu, magistrikraad, 2010, (juh) Arvi Freiberg; Margus Rätsep, Fotosünteetiliste antennide eksitontsooni temperatuursõltuvus, Tartu Ülikool, Loodus- ja tehnoloogiateaduskond, Tartu Ülikooli Füüsika Instituut.