仿生光合成系统中的介尺度结构和机制研究

Hierarchical assembly, the "bottom-up" self-assembly of molecules and their pre-formed assemblies for complex structures and functions, is the main way to form the multi-scale structures in organisms. This project will establish photosynthesis systems based on biomimetic hierarchical assembly and further explore the mesoscale structure and mechanism of the system for improve the efficiency of solar energy conversion. In this system, the initial units are small-scale and the obtained micro/nano particles are large-scale. The mesocale phenomenon is the impact of pre-formed assemblies on the efficiency of photosynthesis. Firstly, the assembly units, proper peptides and porphyrins, will be designed and applied in construction of various micro/nano particles. Secondly, the photosynthetic efficiency and stability of the particles as photosynthesis system will be characterized. Thirdly, the mesoscale structural model and the energy conversion model of the particles will be established using electronic structure theory, molecular dynamics theory and Monte Carlo method. Finally, the relationship between mesoscale structure and the efficiency of energy conversion will be revealed to achieve the main goal of the project, which is to regulate the efficiency of energy conversion from the initial assembly units. The results of this project will not only provide experimental and theoretical data for mesoscale structures and mechanism of complex self-assembly systems, but also provide useful information for the study of mesoscale structure and controllable regulation of other micro-reaction systems.

分层组装以简单小分子为起始基元，通过“自下而上”的逐级自组装实现复杂的结构和功能，是生物体中多尺度结构的重要形成方式。本项目拟采用仿生的分层组装策略制备具备光合成功能的微纳颗粒，研究它们的介尺度结构和机制，提高太阳能利用效率。在该光合成系统中，小尺度是起始分子，大尺度是组装形成的颗粒，介尺度现象为组装过程中预组装体的结构对光合成效率的影响。设计基于肽和卟啉的可分层组装基元，构建多样化的微纳颗粒；表征所得颗粒作为光合成系统的效率和稳定性；采用电子结构理论、分子动力学模型和蒙特卡罗方法，建立颗粒的介尺度结构模型和能量转换机制介尺度模型；获取介尺度结构与光能转换效率之间的关系，实现从起始分子调控光合成系统的效率。本项目的研究结果将为理解复杂自组装系统中的介尺度结构和机制提供实验和理论依据，并为其他微反应系统中介尺度结构与反应定向调控的研究提供有益探索。

分层组装以简单小分子为起始基元，通过“自下而上”的逐级自组装实现复杂的结构和功能，是生物体中多尺度结构的重要形成方式。本项目受天然光合成系统的启发，发展了超分子分层组装策略，构建了基于肽和卟啉的微纳光合成系统，实现了光催化合成功能分子，研究了其介尺度结构与能量转换机制，建立了微纳光合成系统的介尺度结构模型。在构建的光合成系统中，小尺度是起始分子，大尺度是组装形成的颗粒，介尺度现象为组装过程中预组装体的结构对光合成效率的影响。着重研究了微纳颗粒的逐级自组装制备过程和机理，解析了颗粒中包含的介尺度结构和机制。通过本项目的研究，一方面构建了仿生的介尺度模型，另一方面为推动介尺度科学在太阳能清洁利用研究领域的应用提供了实验与理论基础，并为其他微反应系统中介尺度结构与反应定向调控的研究提供了有益探索。本项目的研究成果发表学术论文30篇，包括Chem. Soc. Rev. 1篇，J. Am. Chem. Soc. 1篇，Angew. Chem. Int. Ed. 3篇，Adv. Mater. 3篇，ACS Nano 3篇。撰写题为“Peptide-Based Supramolecular Chemistry”的著作章节（新加坡Springer Nature出版社）。