Fra le possibili forme di conversione dell'energia solare (in energia termica, elettrica, chimica), la conversione chimica ("fotosintesi artificiale") è certo la più ambiziosa ma anche la più interessante. Molte attuali linee di ricerca nel settore possono essere considerate "biomimetiche", in quanto si ispirano ai sistemi fotosintetici naturali per mutuarne i principali motivi funzionali e trasferirli a livello artificiale. Gli organismi fotosintetici naturali hanno sviluppato distinte subunità funzionali per (i) raccogliere l'energia luminosa (unità "antenna"), (ii) convertirla in energia chimica (unità a "separazione di carica" o "centri di reazione"), e (iii) accumularla come combustibile cineticamente stabile (catalizzatori redox multielettronici). Lo scopo di questo progetto é: (i) progredire nella progettazione, sintesi, e studio fotofisico di unità funzionali artificiali di questo tipo; (ii) integrare queste funzioni in sistemi più complessi, per andare verso veri sistemi fotosintetici artificiali. Da un punto di vista chimico, le unità funzionali sono sistemi supramolecolari, in cui opportuni componenti molecolari (cromofori, luminofori, donatori e accettori di elettroni) sono assemblati per mezzo di legami covalenti e/o di coordinazione. Per funzioni quali la raccolta dell'energia luminosa (effetto antenna) e la separazione di carica fotoindotta, la direzionalità del flusso di energia e di elettroni deve essere programmata per sintesi, con una precisa organizzazione dei componenti nelle dimensioni dello spazio e dei loro livelli energetici. Il fattore temporale è cruciale per raggiungere funzioni efficienti, in quanto le sequenze di eventi elementari (decadimento degli stati eccitati, trasferimento di energia e/o elettroni) devono aver luogo sotto uno stretto controllo cinetico. Anche per lo sviluppo di efficienti catalizzatori multielettronici, è richiesta una opportuna organizzazione spaziale dei centri redox e una accurata calibratura dell'accoppiamento elettronico fra i vari centri (sufficientemente accoppiati da farli lavorare in modo concertato, ma abbastanza indipendenti da avere potenziali redox simili). Infine, se queste specie sono ancorate su superfici (metalliche o di semiconduttori), la superficie può avere due ruoli: come collettore di cariche prodotte fotochimicamente, e come supporto per l'organizzazione di sistemi funzionali. Questo è un progetto ampiamente interdisciplinare, che rende necessaria la collaborazione di unità di ricerca (UR) con competenze, scientifiche e sperimentali, diverse e complementari. Riguardo ai sistemi chimici da utilizzare, le varie unità di ricerca contribuiranno con le loro specifiche competenze: complessi polinucleari e sistemi supramolecolari a struttura dendrimerica (UR Messina; UR Bologna); complessi binucleari in grado di immagazzinare reversibilmente più elettroni (UR Messina); sistemi multiporfirinici ad architettura tridimensionale (UR Trieste); diadi Donatore-Accettore, per trasferimento elettronico e separazione di carica (UR Ferrara), specie molecolari e supramolecolari adsorbite su superfici (UR Catania). In materia di tecniche strumentali, l'UR di Trieste è particolamente attrezzata per la caratterizzazione strutturale per via NMR e diffrattometrica di sistemi supramolecolari complessi, l'UR di Messina per la caratterizzazione elettrochimica, l'UR di Bologna per la caratterizzazione fotofisica, l'UR di Catania per le tecniche di caratterizzazione superficiale, l'UR di Ferrara per l'analisi di specie transienti con spettroscopia veloce e ultraveloce. I risultati attesi sono: (a) conoscenze di base sui processi elementari di trasferimento elettronico e di energia; (b) conoscenze di base sul comportamento di specie eccitate su superfici metalliche e di semiconduttori; (c) nuovi e più efficienti sistemi antenna, sistemi per separazione di carica, e catalizzatori redox multielettronici; (d) esempi dimostrativi di sistemi integrati polifunzionali.
PRIN "Sistemi supramolecolari per la conversione dell'energia luminosa" (Coord. Naz.: F. Scandola) Processi fotoindotti di trasferimento di energia e di elettroni in sistemi supramolecolari per la conversione di energia
SCANDOLA, Franco
2006
Abstract
Fra le possibili forme di conversione dell'energia solare (in energia termica, elettrica, chimica), la conversione chimica ("fotosintesi artificiale") è certo la più ambiziosa ma anche la più interessante. Molte attuali linee di ricerca nel settore possono essere considerate "biomimetiche", in quanto si ispirano ai sistemi fotosintetici naturali per mutuarne i principali motivi funzionali e trasferirli a livello artificiale. Gli organismi fotosintetici naturali hanno sviluppato distinte subunità funzionali per (i) raccogliere l'energia luminosa (unità "antenna"), (ii) convertirla in energia chimica (unità a "separazione di carica" o "centri di reazione"), e (iii) accumularla come combustibile cineticamente stabile (catalizzatori redox multielettronici). Lo scopo di questo progetto é: (i) progredire nella progettazione, sintesi, e studio fotofisico di unità funzionali artificiali di questo tipo; (ii) integrare queste funzioni in sistemi più complessi, per andare verso veri sistemi fotosintetici artificiali. Da un punto di vista chimico, le unità funzionali sono sistemi supramolecolari, in cui opportuni componenti molecolari (cromofori, luminofori, donatori e accettori di elettroni) sono assemblati per mezzo di legami covalenti e/o di coordinazione. Per funzioni quali la raccolta dell'energia luminosa (effetto antenna) e la separazione di carica fotoindotta, la direzionalità del flusso di energia e di elettroni deve essere programmata per sintesi, con una precisa organizzazione dei componenti nelle dimensioni dello spazio e dei loro livelli energetici. Il fattore temporale è cruciale per raggiungere funzioni efficienti, in quanto le sequenze di eventi elementari (decadimento degli stati eccitati, trasferimento di energia e/o elettroni) devono aver luogo sotto uno stretto controllo cinetico. Anche per lo sviluppo di efficienti catalizzatori multielettronici, è richiesta una opportuna organizzazione spaziale dei centri redox e una accurata calibratura dell'accoppiamento elettronico fra i vari centri (sufficientemente accoppiati da farli lavorare in modo concertato, ma abbastanza indipendenti da avere potenziali redox simili). Infine, se queste specie sono ancorate su superfici (metalliche o di semiconduttori), la superficie può avere due ruoli: come collettore di cariche prodotte fotochimicamente, e come supporto per l'organizzazione di sistemi funzionali. Questo è un progetto ampiamente interdisciplinare, che rende necessaria la collaborazione di unità di ricerca (UR) con competenze, scientifiche e sperimentali, diverse e complementari. Riguardo ai sistemi chimici da utilizzare, le varie unità di ricerca contribuiranno con le loro specifiche competenze: complessi polinucleari e sistemi supramolecolari a struttura dendrimerica (UR Messina; UR Bologna); complessi binucleari in grado di immagazzinare reversibilmente più elettroni (UR Messina); sistemi multiporfirinici ad architettura tridimensionale (UR Trieste); diadi Donatore-Accettore, per trasferimento elettronico e separazione di carica (UR Ferrara), specie molecolari e supramolecolari adsorbite su superfici (UR Catania). In materia di tecniche strumentali, l'UR di Trieste è particolamente attrezzata per la caratterizzazione strutturale per via NMR e diffrattometrica di sistemi supramolecolari complessi, l'UR di Messina per la caratterizzazione elettrochimica, l'UR di Bologna per la caratterizzazione fotofisica, l'UR di Catania per le tecniche di caratterizzazione superficiale, l'UR di Ferrara per l'analisi di specie transienti con spettroscopia veloce e ultraveloce. I risultati attesi sono: (a) conoscenze di base sui processi elementari di trasferimento elettronico e di energia; (b) conoscenze di base sul comportamento di specie eccitate su superfici metalliche e di semiconduttori; (c) nuovi e più efficienti sistemi antenna, sistemi per separazione di carica, e catalizzatori redox multielettronici; (d) esempi dimostrativi di sistemi integrati polifunzionali.I documenti in SFERA sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
