Synthesis and characterization of oligo(thiophene carboxamide)s

Die vorliegende Arbeit besteht aus zwei Teilen: Im ersten Teil der Arbeit werden supramolekulare Strukturen betrachtet, die durch unterschiedliche Fällungsbedingungen von Polyethylenoxid-block-oligo-p-benzamid-copolymeren erhalten wurden. Durch tropfenweise Zugabe des gelösten Polymers zu Chloroform, ein für Polyethylenoxid selektives Lösemittel, konnten verschiedenste Aggregate hergestellt werden. Von großen Hohlkugel mit einem Durchmesser von mehreren Mikrometern, bis zu kleinen Stäbchen mit den Abmessungen von zehn Nanometern in der Breite und einigen hundert Nanometern Länge, konnten beobachtet werden.rnDer Hauptteil der Arbeit handelt von der Synthese und Charakterisierung eines neuen, konjugierten Oligomers: Oligothiophencarbonsäureamid. Das hierfür nötige Monomer, eine 2-Aminothiophen-5-carbonsäure konnte mittels Gewald-Synthese, eine multikomponenten Ringschlussreaktion dargestellt werden. Diese Methode erlaubt die Herstellung von vierfach substituierten Thiophenen, wobei 3- und 4-Position meist Alkylketten und Ester sind. Das so hergestellte Material konnte in der stufenweise Synthese von Oligothiophencarbonsäureamiden genutzt werden. Die neuen Oligomere zeigten interessante Absorptions- und Fluoreszenzeigenschaften. In Dichlormethan wurde eine bathochrome Verschiebung der Absorptionsbande in Abhängigkeit der Oligomerlänge beobachtet. Das Pentamer erreichte eine Absorptionsenergie, die der Bande des Polythiophencarbonsäureamids entspricht, was bedeutetet, dass die effektive Konjugationslänge erreicht wurde. Im Gegensatz zu den Messungen in Dichlormethan, zeigten die Oligomere Aggregationstendenzen ab dem Trimer in N,N-Dimethylformamid. Die auftretende Charge-Transfer Bande verschwand mit steigenden Konzentrationen. Eine mögliche hypsochrome Verschiebung dieser Bande, deutet auf eine Bildung von H Aggregaten hin. Fluoreszenz und zeitaufgelöste Fluoreszenzmessungen ergaben die für konjugierte Systeme zu erwartenden Effekte. Die Konjugation entlang des Amids konnte ebenfalls mittels quantenmechanischer Berechnung nachgewiesen werden.

Thin films of polythiophene: Linear and nonlinear optical characterization

Wir haben die linearen und nichtlinearen optischen Eigenschaften von dünnen Schichten und planaren Wellenleitern aus mehreren konjugierten Polymeren (MEH-PPV und P3AT) und Polymeren mit -Elektronen Systemen in der Seitenkette (PVK und PS) untersucht und verglichen. PVK und PS haben relativ kleine Werte des nichtlinearen Brechungsindex n2 bei 532 nm, nämlich (1,2 ± 0,5)10-14 cm2/W und (2,6 ± 0,5) 10-14 cm2/W.rnWir haben die linearen optischen Konstanten von mehreren P3ATs untersucht, insbesondere den Einfluss der Regioregularität und Kettenlänge der Alkylsubstituenten. Wir haben das am besten geeignete Polymere für Wellenleiter Anwendungen identifiziert, welches P3BT-ra genannt ist. Wir haben die linearen optischen Eigenschaften dünner Schichten des P3BT-ra untersucht, die mit Spincoating aus verschiedenen Lösungsmitteln mit unterschiedlichen Siedetemperaturen präparieret wurden. Wir haben festgestellt, dass P3BT-ra Filme aus Toluol-Lösungen die am besten geeigneten Wellenleiter für die intensitätsabhängigen Prismen-Kopplungs Experimente sind, weil diese geringe Wellenleiterdämpfungsverluste bei = 1064 nm haben. rnWir haben die Dispersionen des Wellenleiterdämfungsverlustes gw, des nichtlinearen Brechungsindex n2 und des nichtlinearen Absorptionskoeffizienten 2 von Wellenleitern aus P3BT-ra im Bereich von 700 - 1500 nm gemessen. Wir haben große Werte des nichtlinearen Brechungsindex bis 1,5x10-13 cm2/W bei 1150 nm beobachtet. Wir haben gefunden, dass die Gütenkriterien (“figures of merit“) für rein optische Schalter im Wellenlängebereich 1050 - 1200 nm erfüllt sind. Dieser Bereich entspricht dem niederenergetischen Ausläufer der Zwei-Photonen-Absorption. Die Gütekriterien von P3BT-ra gehören zu den besten der bisher bekannten Werte von konjugierten Polymeren.rnWir haben gefunden, dass P3BT-ra ein vielversprechender Kandidat für integriert-optische Schalter ist, weil es eine gute Kombination aus großer Nichtlinearität dritter Ordnung, geringen Wellenleiterdämpfungverlusten und ausreichender Photostabilität zeigt. rnWir haben einen Vergleich der gemessenen Dispersion von gw, n2 und 2 mit der Theorie durchgeführt. Durch Kurvenanpassung der Dispersion von gw haben wir gefunden, dass Rayleigh-Streuung der dominierende Dämpfungsmechanismus in MEH-PPV und P3BT-ra Wellenleitern ist. Ein quantenmechanischer Ansatz wurde zur Berechnung der nichtlinearen Suszeptibilität dritter Ordnung (3) verwendet, um die gemessenen Spektren von n2 und 2 von P3BT-ra und MEH-PPV zu simulieren. Dies kann erklären, dass sättigbare Absorption und Zwei-Photonen Absorption die hauptsächlichen Effekte sind, welche die Dispersion von n2 und 2 verursachen. rn

Optical interface based on a nanofiber atom-trap

In this thesis, I present the realization of a fiber-optical interface using optically trapped cesium atoms, which is an efficient tool for coupling light and atoms. The basic principle of the presented scheme relies on the trapping of neutral cesium atoms in a two-color evanescent field surrounding a nanofiber. The strong confinement of the fiber guided light, which also protrudes outside the nanofiber, provides strong confinement of the atoms as well as efficient coupling to near-resonant light propagating through the fiber. In chapter 1, the necessary physical and mathematical background describing the propagation of light in an optical fiber is presented. The exact solution of Maxwell’s equations allows us to model fiber-guided light fields which give rise to the trapping potentials and the atom-light coupling in the close vicinity of a nanofiber. Chapter 2 gives the theoretical background of light-atom interaction. A quantum mechanical model of the light-induced shifts of the relevant atomic levels is reviewed, which allows us to quantify the perturbation of the atomic states due to the presence of the trapping light-fields. The experimental realization of the fiber-based atom trap is the focus of chapter 3. Here, I analyze the properties of the fiber-based trap in terms of the confinement of the atoms and the impact of several heating mechanisms. Furthermore, I demonstrate the transportation of the trapped atoms, as a first step towards a deterministic delivery of individual atoms. In chapter 4, I present the successful interfacing of the trapped atomic ensemble and fiber-guided light. Three different approaches are discussed, i.e., those involving the measurement of either near-resonant scattering in absorption or the emission into the guided mode of the nanofiber. In the analysis of the spectroscopic properties of the trapped ensemble we find good agreement with the prediction of theoretical model discussed in chapter 2. In addition, I introduce a non-destructive scheme for the interrogation of the atoms states, which is sensitive to phase shifts of far-detuned fiber-guided light interacting with the trapped atoms. The inherent birefringence in our system, induced by the atoms, changes the state of polarization of the probe light and can be thus detected via a Stokes vector measurement.

Kinetic modeling and experiments on gas uptake and chemical transformation of organic aerosol in the atmosphere

Aerosolpartikel beeinflussen das Klima durch Streuung und Absorption von Strahlung sowie als Nukleations-Kerne für Wolkentröpfchen und Eiskristalle. Darüber hinaus haben Aerosole einen starken Einfluss auf die Luftverschmutzung und die öffentliche Gesundheit. Gas-Partikel-Wechselwirkunge sind wichtige Prozesse, weil sie die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Aerosolen wie Toxizität, Reaktivität, Hygroskopizität und optische Eigenschaften beeinflussen. Durch einen Mangel an experimentellen Daten und universellen Modellformalismen sind jedoch die Mechanismen und die Kinetik der Gasaufnahme und der chemischen Transformation organischer Aerosolpartikel unzureichend erfasst. Sowohl die chemische Transformation als auch die negativen gesundheitlichen Auswirkungen von toxischen und allergenen Aerosolpartikeln, wie Ruß, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und Proteine, sind bislang nicht gut verstanden.rn Kinetische Fluss-Modelle für Aerosoloberflächen- und Partikelbulk-Chemie wurden auf Basis des Pöschl-Rudich-Ammann-Formalismus für Gas-Partikel-Wechselwirkungen entwickelt. Zunächst wurde das kinetische Doppelschicht-Oberflächenmodell K2-SURF entwickelt, welches den Abbau von PAK auf Aerosolpartikeln in Gegenwart von Ozon, Stickstoffdioxid, Wasserdampf, Hydroxyl- und Nitrat-Radikalen beschreibt. Kompetitive Adsorption und chemische Transformation der Oberfläche führen zu einer stark nicht-linearen Abhängigkeit der Ozon-Aufnahme bezüglich Gaszusammensetzung. Unter atmosphärischen Bedingungen reicht die chemische Lebensdauer von PAK von wenigen Minuten auf Ruß, über mehrere Stunden auf organischen und anorganischen Feststoffen bis hin zu Tagen auf flüssigen Partikeln. rn Anschließend wurde das kinetische Mehrschichtenmodell KM-SUB entwickelt um die chemische Transformation organischer Aerosolpartikel zu beschreiben. KM-SUB ist in der Lage, Transportprozesse und chemische Reaktionen an der Oberfläche und im Bulk von Aerosol-partikeln explizit aufzulösen. Es erforder im Gegensatz zu früheren Modellen keine vereinfachenden Annahmen über stationäre Zustände und radiale Durchmischung. In Kombination mit Literaturdaten und neuen experimentellen Ergebnissen wurde KM-SUB eingesetzt, um die Effekte von Grenzflächen- und Bulk-Transportprozessen auf die Ozonolyse und Nitrierung von Protein-Makromolekülen, Ölsäure, und verwandten organischen Ver¬bin-dungen aufzuklären. Die in dieser Studie entwickelten kinetischen Modelle sollen als Basis für die Entwicklung eines detaillierten Mechanismus für Aerosolchemie dienen sowie für das Herleiten von vereinfachten, jedoch realistischen Parametrisierungen für großskalige globale Atmosphären- und Klima-Modelle. rn Die in dieser Studie durchgeführten Experimente und Modellrechnungen liefern Beweise für die Bildung langlebiger reaktiver Sauerstoff-Intermediate (ROI) in der heterogenen Reaktion von Ozon mit Aerosolpartikeln. Die chemische Lebensdauer dieser Zwischenformen beträgt mehr als 100 s, deutlich länger als die Oberflächen-Verweilzeit von molekularem O3 (~10-9 s). Die ROIs erklären scheinbare Diskrepanzen zwischen früheren quantenmechanischen Berechnungen und kinetischen Experimenten. Sie spielen eine Schlüsselrolle in der chemischen Transformation sowie in den negativen Gesundheitseffekten von toxischen und allergenen Feinstaubkomponenten, wie Ruß, PAK und Proteine. ROIs sind vermutlich auch an der Zersetzung von Ozon auf mineralischem Staub und an der Bildung sowie am Wachstum von sekundären organischen Aerosolen beteiligt. Darüber hinaus bilden ROIs eine Verbindung zwischen atmosphärischen und biosphärischen Mehrphasenprozessen (chemische und biologische Alterung).rn Organische Verbindungen können als amorpher Feststoff oder in einem halbfesten Zustand vorliegen, der die Geschwindigkeit von heterogenen Reaktionenen und Mehrphasenprozessen in Aerosolen beeinflusst. Strömungsrohr-Experimente zeigen, dass die Ozonaufnahme und die oxidative Alterung von amorphen Proteinen durch Bulk-Diffusion kinetisch limitiert sind. Die reaktive Gasaufnahme zeigt eine deutliche Zunahme mit zunehmender Luftfeuchte, was durch eine Verringerung der Viskosität zu erklären ist, bedingt durch einen Phasenübergang der amorphen organischen Matrix von einem glasartigen zu einem halbfesten Zustand (feuchtigkeitsinduzierter Phasenübergang). Die chemische Lebensdauer reaktiver Verbindungen in organischen Partikeln kann von Sekunden bis zu Tagen ansteigen, da die Diffusionsrate in der halbfesten Phase bei niedriger Temperatur oder geringer Luftfeuchte um Größenordnungen absinken kann. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen wie halbfeste Phasen die Auswirkung organischeer Aerosole auf Luftqualität, Gesundheit und Klima beeinflussen können. rn

Simulation of Smart Materials

The aim of this thesis is the elucidation of structure-properties relationship of molecular semiconductors for electronic devices. This involves the use of a comprehensive set of simulation techniques, ranging from quantum-mechanical to numerical stochastic methods, and also the development of ad-hoc computational tools. In more detail, the research activity regarded two main topics: the study of electronic properties and structural behaviour of liquid crystalline (LC) materials based on functionalised oligo(p-phenyleneethynylene) (OPE), and the investigation on the electric field effect associated to OFET operation on pentacene thin film stability. In this dissertation, a novel family of substituted OPE liquid crystals with applications in stimuli-responsive materials is presented. In more detail, simulations can not only provide evidence for the characterization of the liquid crystalline phases of different OPEs, but elucidate the role of charge transfer states in donor-acceptor LCs containing an endohedral metallofullerene moiety. Such systems can be regarded as promising candidates for organic photovoltaics. Furthermore, exciton dynamics simulations are performed as a way to obtain additional information about the degree of order in OPE columnar phases. Finally, ab initio and molecular mechanics simulations are used to investigate the influence of an applied electric field on pentacene reactivity and stability. The reaction path of pentacene thermal dimerization in the presence of an external electric field is investigated; the results can be related to the fatigue effect observed in OFETs, that show significant performance degradation even in the absence of external agents. In addition to this, the effect of the gate voltage on a pentacene monolayer are simulated, and the results are then compared to X-ray diffraction measurements performed for the first time on operating OFETs.

Charge transport in organic photovoltaic cells

Die vorliegende Dissertation dient dazu, das Verständnis des Ladungstransportes in organischen Solarzellen zu vertiefen. Mit Hilfe von Computersimulationen wird die Bewegung von Ladungsträgern in organischen Materialien rekonstruiert, und zwar ausgehend von den quantenmechanischen Prozessen auf mikroskopischer Ebene bis hin zur makroskopischen Skala, wo Ladungsträgermobilitäten quantifizierbar werden. Auf Grundlage dieses skalenübergreifenden Ansatzes werden Beziehungen zwischen der chemischen Struktur organischer Moleküle und der makroskopischen Mobilität hergestellt (Struktur-Eigenschafts-Beziehungen), die zu der Optimierung photovoltaischer Wirkungsgrade beitragen. Das Simulationsmodell beinhaltet folgende drei Schlüsselkomponenten. Erstens eine Morphologie, d. h. ein atomistisch aufgelöstes Modell der molekularen Anordnung in dem untersuchten Material. Zweitens ein Hüpfmodell des Ladungstransportes, das Ladungswanderung als eine Abfolge von Ladungstransferreaktionen zwischen einzelnen Molekülen beschreibt. Drittens ein nichtadiabatisches Modell des Ladungstransfers, das Übergangsraten durch drei Parameter ausdrückt: Reorganisationsenergien, Lageenergien und Transferintegrale. Die Ladungstransport-Simulationen richten sich auf die Materialklasse der dicyanovinyl-substituierten Oligothiophene und umfassen Morphologien von Einkristallen, Dünnschichten sowie amorphen/smektischen Mesophasen. Ein allgemeiner Befund ist, dass die molekulare Architektur, bestehend aus einer Akzeptor-Donor-Akzeptor-Sequenz und einem flexiblen Oligomergerüst, eine erhebliche Variation molekularer Dipolmomente und damit der Lageenergien bewirkt. Diese energetische Unordnung ist ungewöhnlich hoch in den Kristallen und umso höher in den Mesophasen. Für die Einkristalle wird beobachtet, dass Kristallstrukturen mit ausgeprägter π-Stapelung und entsprechend großer Transferintegrale zu verhältnismäßig niedrigen Mobilitäten führen. Dieses Verhalten wird zurückgeführt auf die Ausbildung bevorzugter Transportrichtungen, die anfällig für energetische Störungen sind. Für die Dünnschichten bestätigt sich diese Argumentation und liefert ein mikroskopisches Verständnis für experimentelle Mobilitäten. In der Tat korrelieren die Simulationsergebnisse sowohl mit gemessenen Mobilitäten als auch mit photovoltaischen Wirkungsgraden. Für die amorphen/smektischen Systeme steigt die energetische Unordnung mit der Oligomerlänge, sie führt aber auch zu einer unerwarteten Mobilitätsabnahme in dem stärker geordneten smektischen Zustand. Als Ursache dafür erweist sich, dass die smektische Schichtung der räumlichen Korrelation der energetischen Unordnung entgegensteht.

Simulationen zur Exzitonendiffusion in organischen Halbleitern

Die vorliegende Dissertation dient dazu, das Verständnis des Exzitonentransports in organischen Halbleitern, wie sie in Leuchtdioden oder Solarzellen eingesetzt werden, zu vertiefen. Mithilfe von Computersimulationen wurde der Transport von Exzitonen in amorphen und kristallinen organischen Materialien beschrieben, angefangen auf mikroskopischer Ebene, auf der quantenmechanische Prozesse ablaufen, bis hin zur makroskopischen Ebene, auf welcher physikalisch bestimmbare Größen wie der Diffusionskoeffizient extrahierbar werden. Die Modellbildung basiert auf dem inkohärenten elektronischen Energietransfer. In diesem Rahmen wird der Transport des Exzitons als Hüpfprozess aufgefasst, welcher mit kinetischen Monte-Carlo Methoden simuliert wurde. Die notwendigen quantenmechanischen Übergangsraten zwischen den Molekülen wurden anhand der molekularen Struktur fester Phasen berechnet. Die Übergangsraten lassen sich in ein elektronisches Kopplungselement und die Franck-Condon-gewichtete Zustandsdichte aufteilen. Der Fokus dieser Arbeit lag einerseits darauf die Methoden zu evaluieren, die zur Berechnung der Übergangsraten in Frage kommen und andererseits den Hüpftransport zu simulieren und eine atomistische Interpretation der makroskopischen Transporteigenschaften der Exzitonen zu liefern. rnrnVon den drei untersuchten organischen Systemen, diente Aluminium-tris-(8-hydroxychinolin) der umfassenden Prüfung des Verfahrens. Es wurde gezeigt, dass stark vereinfachte Modelle wie die Marcus-Theorie die Übergangsraten und damit das Transportverhalten der Exzitonen oftmals qualitativ korrekt wiedergeben. Die meist deutlich größeren Diffusionskonstanten von Singulett- im Vergleich zu Triplett-Exzitonen haben ihren Ursprung in der längeren Reichweite der Kopplungselemente der Singulett-Exzitonen, wodurch ein stärker verzweigtes Netzwerk gebildet wird. Der Verlauf des zeitabhängigen Diffusionskoeffizienten zeigt subdiffusives Verhalten für kurze Beobachtungszeiten. Für Singulett-Exzitonen wechselt dieses Verhalten meist innerhalb der Lebensdauer des Exzitons in ein normales Diffusionsregime, während Triplett-Exzitonen das normale Regime deutlich langsamer erreichen. Das stärker anomale Verhalten der Triplett-Exzitonen wird auf eine ungleichmäßige Verteilung der Übergangsraten zurückgeführt. Beim Vergleich mit experimentell bestimmten Diffusionskonstanten muss das anomale Verhalten der Exzitonen berücksichtigt werden. Insgesamt stimmten simulierte und experimentelle Diffusionskonstanten für das Testsystem gut überein. Das Modellierungsverfahren sollte sich somit zur Charakterisierung des Exzitonentransports in neuen organischen Halbleitermaterialien eignen.

Molecular dynamics simulations of silicate and borate glasses and melts : structure, diffusion dynamics and vibrational properties

Molecular dynamics simulations of silicate and borate glasses and melts: Structure, diffusion dynamics and vibrational properties. In this work computer simulations of the model glass formers SiO2 and B2O3 are presented, using the techniques of classical molecular dynamics (MD) simulations and quantum mechanical calculations, based on density functional theory (DFT). The latter limits the system size to about 100−200 atoms. SiO2 and B2O3 are the two most important network formers for industrial applications of oxide glasses. Glass samples are generated by means of a quench from the melt with classical MD simulations and a subsequent structural relaxation with DFT forces. In addition, full ab initio quenches are carried out with a significantly faster cooling rate. In principle, the structural properties are in good agreement with experimental results from neutron and X-ray scattering, in all cases. A special focus is on the study of vibrational properties, as they give access to low-temperature thermodynamic properties. The vibrational spectra are calculated by the so-called ”frozen phonon” method. In all cases, the DFT curves show an acceptable agreement with experimental results of inelastic neutron scattering. In case of the model glass former B2O3, a new classical interaction potential is parametrized, based on the liquid trajectory of an ab initio MD simulation at 2300 K. In this course, a structural fitting routine is used. The inclusion of 3-body angular interactions leads to a significantly improved agreement of the liquid properties of the classical MD and ab initio MD simulations. However, the generated glass structures, in all cases, show a significantly lower fraction of 3-membered planar boroxol rings as predicted by experimental results (f=60%-80%). The largest boroxol ring fraction of f=15±5% is observed in the full ab initio quenches from 2300 K. In case of SiO2, the glass structures after the quantum mechanical relaxation are the basis for calculations of the linear thermal expansion coefficient αL(T), employing the quasi-harmonic approximation. The striking observation is a change change of sign of αL(T) going along with a temperature range of negative αL(T) at low temperatures, which is in good agreement with experimental results.

Hydrogen bonding of nucleotide base pairs: Application of the PM3 method

The ability of the pm3 semiempirical quantum mechanical method to reproduce hydrogen bonding in nucleotide base pairs was assessed. Results of pm3 calculations on the nucleotides 2′-deoxyadenosine 5′-monophosphate (pdA), 2′-deoxyguanosine 5′-monophosphate (pdG), 2′-deoxycytidine 5′-monophosphate (pdC), and 2′-deoxythymidine 5′-monophosphate (pdT) and the base pairs pdA–pdT, pdG–pdC, and pdG(syn)–pdC are presented and discussed. The pm3 method is the first of the parameterized nddo quantum mechanical models with any ability to reproduce hydrogen bonding between nucleotide base pairs. Intermolecular hydrogen bond lengths between nucleotides displaying Watson–Crick base pairing are 0.1–0.2 Å less than experimental results. Nucleotide bond distances, bond angles, and torsion angles about the glycosyl bond (χ), the C4′C5′ bond (γ), and the C5′O5′ bond (β) agree with experimental results. There are many possible conformations of nucleotides. pm3 calculations reveal that many of the most stable conformations are stabilized by intramolecular CHO hydrogen bonds. These interactions disrupt the usual sugar puckering. The stacking interactions of a dT–pdA duplex are examined at different levels of gradient optimization. The intramolecular hydrogen bonds found in the nucleotide base pairs disappear in the duplex, as a result of the additional constraints on the phosphate group when part of a DNA backbone. Sugar puckering is reproduced by the pm3 method for the four bases in the dT–pdA duplex. pm3 underestimates the attractive stacking interactions of base pairs in a B-DNA helical conformation. The performance of the pm3 method implemented in SPARTAN is contrasted with that implemented in MOPAC. At present, accurate ab initio calculations are too timeconsuming to be of practical use, and molecular mechanics methods cannot be used to determine quantum mechanical properties such as reaction-path calculations, transition-state structures, and activation energies. The pm3 method should be used with extreme caution for examination of small DNA systems. Future parameterizations of semiempirical methods should incorporate base stacking interactions into the parameterization data set to enhance the ability of these methods.

Computational Study of the Hydration of Sulfuric Acid Dimers: Implications for Acid Dissociation and Aerosol Formation

We have investigated the thermodynamics of sulfuric acid dimer hydration using ab initio quantum mechanical methods. For (H2SO4)2(H2O)n where n = 0−6, we employed high-level ab initio calculations to locate the most stable minima for each cluster size. The results presented herein yield a detailed understanding of the first deprotonation of sulfuric acid as a function of temperature for a system consisting of two sulfuric acid molecules and up to six waters. At 0 K, a cluster of two sulfuric acid molecules and one water remains undissociated. Addition of a second water begins the deprotonation of the first sulfuric acid leading to the di-ionic species (the bisulfate anion HSO4−, the hydronium cation H3O+, an undissociated sulfuric acid molecule, and a water). Upon the addition of a third water molecule, the second sulfuric acid molecule begins to dissociate. For the (H2SO4)2(H2O)3 cluster, the di-ionic cluster is a few kcal mol−1 more stable than the neutral cluster, which is just slightly more stable than the tetra-ionic cluster (two bisulfate anions, two hydronium cations, and one water). With four water molecules, the tetra-ionic cluster, (HSO4−)2(H3O+)2(H2O)2, becomes as favorable as the di-ionic cluster H2SO4(HSO4−)(H3O+)(H2O)3 at 0 K. Increasing the temperature favors the undissociated clusters, and at room temperature we predict that the di-ionic species is slightly more favorable than the neutral cluster once three waters have been added to the cluster. The tetra-ionic species competes with the di-ionic species once five waters have been added to the cluster. The thermodynamics of stepwise hydration of sulfuric acid dimer is similar to that of the monomer; it is favorable up to n = 4−5 at 298 K. A much more thermodynamically favorable pathway forming sulfuric acid dimer hydrates is through the combination of sulfuric acid monomer hydrates, but the low concentration of sulfuric acid relative to water vapor at ambient conditions limits that process.

Conformationally Controlled Electron Delocalization in n-Type Rods: Synthesis, Structure, and Optical, Electrochemical, and Spectroelectrochemical Properties of Dicyanocyclophanes

A series of dicyanobiphenyl-cyclophanes 1-6 with various pi-backbone conformations and characteristic n-type semiconductor properties is presented. Their synthesis, optical, structural, electrochemical, spectroelectrochemical, and packing properties are investigated. The X-ray crystal structures of all n-type rods allow the systematic correlation of structural features with physical properties. In addition, the results are supported by quantum mechanical calculations based on density functional theory. A two-step reduction process is observed for all n-type rods, in which the first step is reversible. The potential gap between the reduction processes depends linearly on the cos(2) value of the torsion angle phi between the pi-systems. Similarly, optical absorption spectroscopy shows that the vertical excitation energy of the conjugation band correlates with the cos(2) value of the torsion angle phi. These correlations demonstrate that the fixed intramolecular torsion angle phi is the dominant factor determining the extent of electron delocalization in these model compounds, and that the angle phi measured in the solid-state structure is a good proxy for the molecular conformation in solution. Spectroelectrochemical investigations demonstrate that conformational rigidity is maintained even in the radical anion form. In particular, the absorption bands corresponding to the SOMO-LUMO+i transitions are shifted bathochromically, whereas the absorption bands corresponding to the HOMO-SOMO transition are shifted hypsochromically with increasing torsion angle phi.

Immobilizing bacteriorhodopsin on a single electron transistor

As awareness of potential human and environmental impacts from toxins has increased, so has the development of innovative sensors. Bacteriorhodopsin (bR) is a light activated proton pump contained in the purple membrane (PM) of the bacteria Halobacterium salinarum. Bacteriorhodopsin is a robust protein which can function in both wet and dry states and can withstand extreme environmental conditions. A single electron transistor(SET) is a nano-scale device that exploits the quantum mechanical properties of electrons to switch on and off. SETs have tremendous potential in practical applications due to their size, ultra low power requirements, and electrometer-like sensitivity. The main goal of this research was to create a bionanohybrid device by integrating bR with a SET device. This was achieved by a multidisciplinary approach. The SET devices were created by a combination of sputtering, photolithography, and focused ion beam machining. The bionanomaterial bacteriorhodopsin was created through oxidative fermentation and a series of transmembrane purification processes. The bR was then integrated with the SET by electrophoretic deposition, creating a bionanohybrid device. The bionanohybrid device was then characterized using a semiconductor parametric analyzer. Characterization demonstrated that the bR modulated the operational characteristics of the SET when bR was activated with light within its absorbance spectrum. To effectively integrate bacteriorhodopsin with microelectromechanical systems (MEMS) and nanoelectromechanical systems (NEMS), it is critical to know the electrical properties of the material and to understand how it will affect the functionality of the device. Tests were performed on dried films of bR to determine if there is a relationship between inductance, capacitance, and resistance (LCR) measurements and orientation, light-on/off, frequency, and time. The results indicated that the LCR measurements of the bR depended on the thickness and area of the film, but not on the orientation, as with other biological materials such as muscle. However, there was a transient LCR response for both oriented and unoriented bR which depended on light intensity. From the impedance measurements an empirical model was suggested for the bionanohybrid device. The empirical model is based on the dominant electrical characteristics of the bR which were the parallel capacitance and resistance. The empirical model suggests that it is possible to integrate bR with a SET without influencing its functional characteristics.

Proteins in silico-modeling and sampling

Proteins are linear chain molecules made out of amino acids. Only when they fold to their native states, they become functional. This dissertation aims to model the solvent (environment) effect and to develop & implement enhanced sampling methods that enable a reliable study of the protein folding problem in silico. We have developed an enhanced solvation model based on the solution to the Poisson-Boltzmann equation in order to describe the solvent effect. Following the quantum mechanical Polarizable Continuum Model (PCM), we decomposed net solvation free energy into three physical terms– Polarization, Dispersion and Cavitation. All the terms were implemented, analyzed and parametrized individually to obtain a high level of accuracy. In order to describe the thermodynamics of proteins, their conformational space needs to be sampled thoroughly. Simulations of proteins are hampered by slow relaxation due to their rugged free-energy landscape, with the barriers between minima being higher than the thermal energy at physiological temperatures. In order to overcome this problem a number of approaches have been proposed of which replica exchange method (REM) is the most popular. In this dissertation we describe a new variant of canonical replica exchange method in the context of molecular dynamic simulation. The advantage of this new method is the easily tunable high acceptance rate for the replica exchange. We call our method Microcanonical Replica Exchange Molecular Dynamic (MREMD). We have described the theoretical frame work, comment on its actual implementation, and its application to Trp-cage mini-protein in implicit solvent. We have been able to correctly predict the folding thermodynamics of this protein using our approach.