Фотохимия изучает какие обстоятельства и законы природы приводят к замечательному превращению солнечных лучей в пищу и тепло.
Свет состоит из фотонов, а фотоны в то же время являются квантами энергии и могут нести биты информации. Большинство процессов с взаимодействием света с веществом (в общем смысле это “фотохимические процессы”), связаны с преобладающей ролью фотонов в переносе энергии или информации. Живыми примерами этой двуликой природы света являются два наиболее важных фотохимических процесса, происходящих в биологическом мире: фотосинтез и зрение.
Наука фотохимия изучает химические эффекты света и в настоящее время является хорошо зарекомендовавшей себя и развитой областью исследований.
Прогресс в фотохимии, наряду с прогрессом в химическом синтезе, привел к тому, что можно создать искусственные фотохимические молекулярные устройства, способные использовать свет в качестве источника энергии (для поддержания энергозатратных функций) или в качестве входного сигнала (для обработки и/или хранения). Сейчас существует много проектов для преобразования световой энергии в химическую или электрическую.
Извлекая уроки из фотосинтеза
Фотосинтез — это основной процесс, посредством которого под действием солнечного света живые организмы преобразуют обильные низкоэнергетические субстраты в ценные химические вещества с высоким содержанием свободной энергии (биологическое топливо). При фотосинтезе зеленых растений реакцией является превращение воды и углекислого газа в кислород и углеводы.
Это, безусловно, самый важный процесс для жизни на нашей планете. С чисто биологической точки зрения процесс представляет собой непрерывную поставку двух абсолютно необходимых товаров: атмосферного кислорода и органического материала, который поддерживает пищевую цепочку.
Формула жизни
С другой стороны, фотосинтез также очень важен для человеческой цивилизации, поскольку он ответственен за накопление огромного количества ископаемого топлива. Реакция является высокоэндоэргонической (в результате противоположной реакции “горения” может быть получено до 114 ккал/моль и может быть получена только благодаря энергии поступающих фотонов. Фотосинтетические системы присутствуют в основном в зеленых растениях, но также и в других организмах , таких как водоросли и бактерии.
Понимание естественного фотосинтеза является одним из самых выдающихся достижений современной химии, о чем свидетельствует присуждение нескольких Нобелевских премий в области химии в рамках этой области исследований.
- В 1961 году американский биохимик Мелвин Кэлвин получил Нобелевскую премию за раскрытие сложного цикла (известного как цикл Кэлвина) который в зеленых растениях использует энергию, запасенную в первичных продуктах процесса фотосинтеза для обеспечения превращения углекислого газа в углеводы.
- В 1978 году английский биохимик Питер Митчелл получил Нобелевскую премию за “хемиосмотическую теорию”, которая объясняет синтез АТФ (органическое соединение обеспечивающее энергией организмы) с точки зрения градиента протонов, создаваемых в результате фотохимического окисления воды и ферментов.
- В 1988 году немецкие биохимики Йохан Дейзенхофер, Роберт Хубер и Хартмут Мишель получили Нобелевскую премию за кристаллизацию и определение рентгеновской структуры центра реакции фотосинтезирующих бактерий.
Среди прочего выдающиеся аспекты их открытия — точные знания о пространственном расположении активных молекулярных компонентов преобразования энергии. Открытия представляли собой настоящий прорыв в области фотохимии, открывая возможность детального понимания механизма разделения зарядов с точки зрения кинетики различных стадий переноса энергии в виде электронов.
- Теоретическая основа для понимания процессов переноса электронов была заложена американским химиком Рудольфом А. Маркус в конце шестидесятых. Однако для достижения окончательного экспериментального подтверждения и общего признания теории Маркуса пришлось подождать годы до появлением быстрых и сверхбыстрых кинетических методов изучения реакций, протекающих за пико- (10-12) и фемто- (10-15) секунд. В частности, в настоящее время признано, что основная причина необычайной эффективности разделения зарядов, происходящих при естественном фотосинтезе, заключается в том факте, что различные стадии рекомбинации зарядов относятся к так называемому кинетическому режиму Маркуса, как реакция переноса электронов в растворителях. Важность этой теоретической модели как инструмента для прогнозирования и рационализации скоростей переноса электронов была признана с присуждением Рудольфу Маркусу Нобелевской премии 1992 года в области «Химия«.
Значение преобразования солнечной энергии
Преобразование солнечной энергии в более полезные источники энергии является одной из центральных проблем современной химии. С практической точки зрения, это затрагивает суть энергетической проблемы столь актуальной для нашего будущего с точки зрения возможностей поддержания развития и цивилизации.
С научной точки зрения фотохимия это увлекательный предмет, лежащий на стыке многих важных дисциплин, таких как химический синтез, кинетика, спектроскопия, электрохимия, биохимия и материаловедение.
Эффективный подход к достижению этой амбициозной цели сопряжен с пониманием фундаментальных механизмов естественных систем преобразования энергии и с использованием передовых синтетических методов, новых материалов и передовых экспериментальных технологий при разработке искусственных систем. Исследования в этом направлении активно ведутся во многих лабораториях по всему миру, и в различных направлениях достигнут значительный прогресс.
В то время как преобразование солнечной энергии в топливо (“искусственный фотосинтез”) все еще следует рассматривать как долгосрочную перспективную цель: преобразование энергии в электрическую с помощью фотоэлектрохимических элементов на основе полупроводников быстро достигло стадии практического применения.
