İnsanlığın sürdürülebilir kalkınması için 2050 yılına kadar
10 TW/s temiz enerji, (başka bir deyişle sera gazı emisyonu olmadan) üretmek zorundadır.
Temiz enerjiyi üretmenin en umut verici yolu güneş ışınlamasını kullanmaktır.
Güneş enerjisi dönüşümü için nanoyapıların üç temel kullanımı vardır: 1)
donör-akseptör (verici-alıcı) supramoleküler montajlar ve kümeler (cluster)
kullanarak yapay fotosentez 2) hidrojenin fotokatalitik üretimi ve 3)
nanoyapılı yarıiletkenlere dayanan güneş pilleri.
Işık enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürmek için yapay bir
fotosistem, doğal olarak üç ana bileşeni içermelidir; fotoanten, reaksiyon sitesi
ve enerji depolama sistemi. Fotanten ışık enerjisini absorplar ve daha sonra
kimyasal reaksiyonların meydana geldiği reaksiyon sitesine (alanına) iletir. Yüksek
bitkilerin ve siyanobakterilerin fotosistemlerinde klorofil molekülleri böyle
bir rol oynar.
Doğal fotosistemlerde, üç bileşenin mekansal, elektronik,
kinetik ve termodinamik parametreleri, maksimum kuantum verimi için optimize
edilmiştir. Yapay fotosistemlerde, en yüksek kuantum verimine ek olarak, ışığın
kimyasal enerjiye mümkün olan en iyi şekilde dönüştürülmesi gerekir. Bu
bileşenlerin her birini tasarlarken iki soruya cevap verilmelidir: 1) hangi
substanslar - kromoforlar, donörler, akseptörler-olacak ve 2) bu malzemeler tek
bir işletim sisteminde nasıl bir araya getirilecektir? Aslında, ‘yapı taşları’nı
seçmek ve onları birbirine bağlamanın bir yolununun bulunması gerekiyor.
Bu problemi çözmenin en kolay yolu yapay photoantenlerdir.
Metaloporfirinler kromofor olarak (tetrapirol metal kompleksleri ve türevleri)
olarak alınır. En popüler olanı, çinko, magnezyum ve platin grubu metallerin
iyonlarına sahip porfirinler ve merkezi metal atomunun eksik olduğu serbest
porfirinlerdir. Porfirinler supramoleküler kimya teknikleri kullanarak, yani
kovalent olmayan etkileşimler yoluyla veya kovalent bağlarla (Şekil) tek bir
fotoentenna birleştirilir. Antenin uzamsal yapısını ve porfirin yan
zincirlerinin kompozisyonunu değiştiren anten üzerinden enerji akışını kontrol
etmek mümkündür.
Yapay fotosentezin şu anki durumu, fotosistemin bireysel
bileşenlerin (fotantenalar, reaksiyon yeri ve enerji depolama sistemi) sentezi
ve bunların nasıl bağlı olduklarıdır. Sorun şu ki bu sistemlerin performansını
iyileştirmek ve doğal avantajlara karşı en büyük avantajlarını korumak için
organizasyon basit olmalıdır.
Bir fotoantene bağlı reaksiyon merkezini tanımlayan supramoleküler
heksad
