Probing the interaction between two single molecules: fluorescence resonance energy transfer between a single donor and a single acceptor.

We extend the sensitivity of fluorescence resonance energy transfer (FRET) to the single molecule level by measuring energy transfer between a single donor fluorophore and a single acceptor fluorophore. Near-field scanning optical microscopy (NSOM) is used to obtain simultaneous dual color images and emission spectra from donor and acceptor fluorophores linked by a short DNA molecule. Photodestruction dynamics of the donor or acceptor are used to determine the presence and efficiency of energy transfer. The classical equations used to measure energy transfer on ensembles of fluorophores are modified for single-molecule measurements. In contrast to ensemble measurements, dynamic events on a molecular scale are observable in single pair FRET measurements because they are not canceled out by random averaging. Monitoring conformational changes, such as rotations and distance changes on a nanometer scale, within single biological macromolecules, may be possible with single pair FRET.

Nanomateriais luminescentes de terras raras utilizando complexos de benzenotricarboxilatos como precursores

O material Y2O3:Eu3+ vem sendo usado comercialmente como luminóforo vermelho desde da década de 1960, em uma grande variedade de aplicações devido ao seu elevado rendimento quântico (próximo de 100 %), elevada pureza de cor e boa estabilidade. Portanto, este trabalho propõe um novo método de síntese baseado nos complexos benzenotricarboxilatos (BTC) de terras raras trivalentes (RE3+) dopados com íons Eu3+. O objetivo principal é produzir materiais luminescente RE2O3:Eu3+ a temperatura mais baixa (500 °C) e em escala nanométrica. Os complexos precursores [RE(BTC):Eu3+] e [RE(TLA)·n(H2O):Eu3+], onde RE3+: Y, Gd e Lu; BTC: ácido trimésico (TMA) e ácido trimelítico (TLA) foram calcinados em diferentes temperaturas de 500 a 1000 °C, a fim de obter os materiais luminescentes RE2O3:Eu3+. Os complexos foram caracterizados por análise elementar de carbono e hidrogênio, analise térmica (TG), espectroscopia de absorção no infravermelho (FTIR), difração de raios-X - método do pó (XPD) e microscopia eletrônica de varredura (SEM). Todos os complexos são cristalinos e termo estáveis até 460 °C. Dados de fosforescência dos complexos de Y, Gd e Lu mostram que o nível T1 do aníon BTC3- tem energia acima do nível emissor 5D0 do íon Eu3+, indicando que os ligantes podem atuar como sensibilizadores de energia intramolecular. O estudo das propriedades fotoluminescentes dos complexos dopados foi baseado nos espectros de excitação e emissão e curvas de decaimento de luminescência. Ademais, foram determinados os parâmetros de intensidades experimentais (Ωλ), tempos de vida (τ), taxas de decaimentos radiativo (Arad) e não-radiativo (Anrad). Os materiais luminescentes RE2O3:Eu3+ foram sintetizados de forma bem sucedida por meio do método benzenotricarboxilatos calcinados a 500, 600, 700, 800, 900 e 1000 °C, apresentando alta homogeneidade química e controle de tamanho de cristalito. Os nanomateriais foram caracterizados pelas técnicas de FTIR, XPD SEM e TEM revelando a obtenção dos materiais C-RE2O3:Eu3+ mesmo a 500 °C. Os dados de XPD dos materiais confirmaram um aumento do tamanho dos cristalitos de 5 até 52 nm (equação de Scherrer) de em função da temperatura de calcinação de 500 a 1000 °C, respectivamente, corroborados pelas técnicas de SEM e TEM. Os espectros de emissão de RE2O3:Eu3+ mostram uma banda larga atribuída a transição interconfiguracional de transferência de carga ligante-metal (LMCT) em 260 nm, i.e. O2-(2p)→Eu3+(4f6). Além disso, foram observadas linhas finas de absorção devido as transições intraconfiguracionais 4f do íon európio (7F0,1𔾹LJ; J: 0, 1, 2, 3 e 4), como esperado. As propriedades fotoluminescentes dos luminóforos foram baseadas nos espectros (excitação e emissão) e curvas de decaimento luminescente. Os parâmetros de intensidade experimental, tempos de vida, assim como as taxas de decaimentos radiativos e não radiativos foram calculados. As propriedades fotônicas dos nanomateriais são consistentes com o sítio de baixa simetria C2 ocupado pelo íon Eu3+ no C-RE2O3:Eu3+, produzindo emissão vermelha dominada pela transição hipersensível 5D0𔾻F2 do íon Eu3+ no sitio C2, ao invés do sítio centrossimétrico S6. Além disso, os nanomateriais Y2O3:Eu3+ exibem características espectroscópicas semelhantes e elevados valores de eficiência quântica (η~91 %), compatível com os luminóforos comerciais disponíveis no mercado. Este novo método pode ser utilizado para o desenvolvimento de novos nanomateriais contendo íons terras raras, assim como outros íons metálicos.

Fotofísica de enodionas

Em 1906, Albrecht obteve a primeira enodiona conhecida, ao reagir benzoquinona com ciclopentadieno. A estrutura desta enodiona somente foi elucidada em 1928, por Diels e Alder que, entretanto, perceberam ser possív.el existirem dois diferentes isômeros para o composto em questão: endo e exo. A descoberta, em 1958, da reação de fotocilização deste aduto de Diels-Alder, por Cookson e colaboradores, demonstrou que se tratava do isômero endo e esta reação passou a ser utilizada para se comprovar a configuração endo de vários compostos de estrutura análoga. Porém, apesar de sua importância histórica como método para comprovar a configuração dos adutos de Diels-Alder, os dados disponíveis até hoje são insuficientes para o esclarecimento dos processos subjacentes à fotociclização desses compostos, especialmente porque hoje sabemos que existem adutos de configuração endo que não fotociclizam. Visando aumentar o conhecimento sobre o comportamento destes adutos frente à reação de fotociclização, determinaram-se seus espectros de absorção (na região do UVNisível) e de emissão de luminescência e concluiu-se, com base em nossos resultados e daqueles relatados na literatura, que o fato de não ocorrer a fotociclização de alguns adutos de configuração endo não depende exclusivamente da estabilidade dos estados excitados envolvidos, ainda que essa característica e a natureza destes certamente afete os rendimentos quânticos da reação. Antes, parece-nos que estruturas que permitam deslocalizar um dos elétrons do birradical intermediariamente formado neste processo propiciam a reversão deste intermediário ao reagente, ao invés de se formar o produto de fotociclização. Alem disso, reinvestigamos a reação de fotoisomerização endo → exo do aduto de benzoquinona e ciclopentadieno, por irradiação em etanol/trietil-amina, relatada por Pandey e colaboradores em 1990, tendo verificado que tal isomerização não ocorre nas condições descritas na literatura, obtendo-se, ao invés disso, principalmente o tautômero aromático da enodiona e seu produto de fotociclização. Por outro lado, descobrimos que, deixar em repouso, no escuro, o aduto de benzoquinona e ciclopentadieno em etanol/trietil-amina conduz,a um dímero deste aduto, não descrito previamente.

Produção e caracterização de guias de onda dopados com terras-raras contendo nanopartículas semicondutoras.

O presente trabalho tem como objetivo estudar a produção e caracterização de filmes finos do tipo GeO2-Bi2O3 (BGO) produzidos por sputtering-RF com e sem nanopartículas (NPs) semicondutoras, dopados e codopados com íons de Er3+ ou Er3+/Yb3+ para a produção de amplificadores ópticos. A produção de guias de onda do tipo pedestal baseados nos filmes BGO foi realizada a partir de litografia óptica seguida por processo de corrosão por plasma e deposição física a vapor. A incorporação dos íons de terras-raras (TRs) foi verificada a partir dos espectros de emissão. Análises de espectroscopia e microscopia foram indispensáveis para otimizar os parâmetros dos processos para a construção dos guias de onda. Foi observado aumento significativo da luminescência do Er3+ (região do visível e do infravermelho), em filmes finos codopados com Er3+/Yb3+ na presença de nanopartículas de Si. As perdas por propagação mínimas observadas foram de ~1,75 dB/cm para os guias pedestal em 1068 nm. Para os guias dopados com Er3+ foi observado aumento significativo do ganho na presença de NPs de silício (1,8 dB/cm). O ganho óptico nos guias de onda amplificadores codopados com Er3+/Yb3+ e dopados com Er3+ com e sem NPs de silício também foi medido. Ganho de ~8dB/cm em 1542 nm, sob excitação em 980 nm, foi observado para os guias pedestal codopados com Er3+/Yb3+ (Er = 4,64.1019 átomos/cm3, Yb = 3,60.1020 átomos/cm3) com largura de 80 µm; para os guias codopados com concentração superior de Er3+/Yb3+ (Er = 1,34.1021 átomos/cm3, Yb = 3,90.1021 átomos/cm3) e com NPs de Si, foi observado aumento do ganho óptico de 50% para guia com largura de 100 µm. Os resultados apresentados demonstram que guias de onda baseados em germanatos, com ou sem NPs semicondutoras, são promissores para aplicações em dispositivos fotônicos.

Evidence for energy relaxation via a radiative cascade in surface-passivated PbS quantum dots

Multiple emission peaks have been observed from surface passivated PbS nanocrystals displaying strong quantum confinement. The emission spectra are shown to be strongly dependent on the excited-state parity. We also find that intraband energy relaxation from initial states excited far above the band-edge is nearly three orders of magnitude slower than that found in other nanocrystal quantum dots, providing evidence of inefficient energy relaxation via phonon emission. The initial-state parity dependence of the photoluminescent emission properties suggests that energy relaxation from the higher excited states occurs via a radiative cascade, analogous to energy relaxation in atomic systems. Such radiative cascade emission is possible from ideal zero-dimensional semiconductors, where electronic transitions can be decoupled from phonon modes.

Radiative relaxation in synthetic pheomelanin

We report a detailed photoluminescence study of cysteinyldopa-melanin ( CDM), the synthetic analogue of pheomelanin. Emission spectra are shown to be a far more sensitive probe of CDM's spectroscopic behavior than are absorption spectra. Although CDM and dopa-melanin ( DM, the synthetic analogue of eumelanin) have very similar absorption spectra, we find that they have very different excitation and emission characteristics; CDM has two distinct photoluminescence peaks that do not shift with excitation wavelength. Additionally, our data suggest that the radiative quantum yield of CDM is excitation energy dependent, an unusual property among biomolecules that is indicative of a chemically disordered system. Finally, we find that the radiative quantum yield for CDM is similar to 0.2%, twice that of DM, although still extremely low. This means that 99.8% of the energy absorbed by CDM is dissipated via nonradiative pathways, consistent with its role as a pigmentary photoprotectant.

Optimization of microcavity OLED by varying the thickness of multi-layered mirror

We optimized the emission efficiency from a microcavity OLEDs consisting of widely used organic materials, N,N'-di(naphthalene-1-yl)-N,N'-diphenylbenzidine (NPB) as a hole transport layer and tris (8-hydroxyquinoline) (Alq(3)) as emitting and electron transporting layer. LiF/Al was considered as a cathode, while metallic Ag anode was used. TiO2 and Al2O3 layers were stacked on top of the cathode to alter the properties of the top mirror. The electroluminescence emission spectra, electric field distribution inside the device, carrier density, recombination rate and exciton density were calculated as a function of the position of the emission layer. The results show that for certain TiO2 and Al2O3 layer thicknesses, light output is enhanced as a result of the increase in both the reflectance and transmittance of the top mirror. Once the optimum structure has been determined, the microcavity OLED devices can be fabricated and characterized, and comparisons between experiments and theory can be made.

Effect of anode material and cavity design on the performance of microcavity OLEDs

We report on the effect of the replacement of the conventional ITO anode with the semitransparent metallic material on the performance of microcavity OLEDs. We performed comprehensive simulations of the emission from microcavity OLEDs consisting of widely used organic materials, N,N′-di(naphthalene-1- yl)-N,N′-diphenylbenzidine (NPB) as a hole transport layer and tris (8-hydroxyquinoline) (Alq3) as emitting and electron transporting layer. Silver and LiF/Al were considered as a cathode, while metallic (Au and Ag) anode was used and simulations were performed on devices with both the metallic and conventional ITO anode. The electroluminescence emission spectra, electric field distribution inside the device, carrier density, recombination rate and exciton density were calculated as a function of the position of the emission layer. The results show that the metallic anode enhances light output and that optimum emission from a microcavity OLED is achieved when the position of the recombination region is aligned with the antinode of the standing wave inside the cavity. The microcavity OLED devices with Ag/Ag and Ag/Au mirrors were fabricated and characterized. The experimental results have been compared to the simulations and the influence of the different anode, emission region width and position on the performance of microcavity OLEDs was discussed.

The interaction of fast neutrons with shielding and fusion blanket materials

In the present work the neutron emission spectra from a graphite cube, and from natural uranium, lithium fluoride, graphite, lead and steel slabs bombarded with 14.1 MeV neutrons were measured to test nuclear data and calculational methods for D - T fusion reactor neutronics. The neutron spectra measured were performed by an organic scintillator using a pulse shape discrimination technique based on a charge comparison method to reject the gamma rays counts. A computer programme was used to analyse the experimental data by the differentiation unfolding method. The 14.1 MeV neutron source was obtained from T(d,n)4He reaction by the bombardment of T - Ti target with a deuteron beam of energy 130 KeV. The total neutron yield was monitored by the associated particle method using a silicon surface barrier detector. The numerical calculations were performed using the one-dimensional discrete-ordinate neutron transport code ANISN with the ZZ-FEWG 1/ 31-1F cross section library. A computer programme based on Gaussian smoothing function was used to smooth the calculated data and to match the experimental data. There was general agreement between measured and calculated spectra for the range of materials studied. The ANISN calculations carried out with P3 - S8 calculations together with representation of the slab assemblies by a hollow sphere with no reflection at the internal boundary were adequate to model the experimental data and hence it appears that the cross section set is satisfactory and for the materials tested needs no modification in the range 14.1 MeV to 2 MeV. Also it would be possible to carry out a study on fusion reactor blankets, using cylindrical geometry and including a series of concentric cylindrical shells to represent the torus wall, possible neutron converter and breeder regions, and reflector and shielding regions.

Periodic polymer photonic bandgap structures for on-chip optical cavities

Integrated on-chip optical platforms enable high performance in applications of high-speed all-optical or electro-optical switching, wide-range multi-wavelength on-chip lasing for communication, and lab-on-chip optical sensing. Integrated optical resonators with high quality factor are a fundamental component in these applications. Periodic photonic structures (photonic crystals) exhibit a photonic band gap, which can be used to manipulate photons in a way similar to the control of electrons in semiconductor circuits. This makes it possible to create structures with radically improved optical properties. Compared to silicon, polymers offer a potentially inexpensive material platform with ease of fabrication at low temperatures and a wide range of material properties when doped with nanocrystals and other molecules. In this research work, several polymer periodic photonic structures are proposed and investigated to improve optical confinement and optical sensing. We developed a fast numerical method for calculating the quality factor of a photonic crystal slab (PhCS) cavity. The calculation is implemented via a 2D-FDTD method followed by a post-process for cavity surface energy radiation loss. Computational time is saved and good accuracy is demonstrated compared to other published methods. Also, we proposed a novel concept of slot-PhCS which enhanced the energy density 20 times compared to traditional PhCS. It combines both advantages of the slot waveguide and photonic crystal to localize the high energy density in the low index material. This property could increase the interaction between light and material embedded with nanoparticles like quantum dots for active device development. We also demonstrated a wide range bandgap based on a one dimensional waveguide distributed Bragg reflector with high coupling to optical waveguides enabling it to be easily integrated with other optical components on the chip. A flexible polymer (SU8) grating waveguide is proposed as a force sensor. The proposed sensor can monitor nN range forces through its spectral shift. Finally, quantum dot - doped SU8 polymer structures are demonstrated by optimizing spin coating and UV exposure. Clear patterns with high emission spectra proved the compatibility of the fabrication process for applications in optical amplification and lasing.

Efficient and Selectable Production of Reactive Species Using a Nanosecond Pulsed Discharge in Gas Bubbles in Liquid

A plasma gas bubble-in-liquid method for high production of selectable reactive species using a nanosecond pulse generator has been developed. The gas of choice is fed through a hollow needle in a point-to-plate bubble discharge, enabling improved selection of reactive species. The increased interface reactions, between the gas-plasma and water through bubbles, give higher productivity. H₂O₂ was the predominant species produced using Ar plasma, while predominantly  and NO₂ were generated using air plasma, in good agreement with the observed emission spectra. This method has nearly 100% selectivity for H₂O₂, with seven times higher production, and 92% selectivity for , with nearly twice the production, compared with a plasma above the water.

Energy transfer rates and population inversion investigation of sup(1)Gsub(4) and sup(1)Dsub(2) excited states of Tmsup(3+) in Yb:Tm:Nd:KYsub(3)Fsub(10) crystals

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)