Vector self-pulsing in erbium-doped fiber lasers

Insight into instabilities of fiber laser regimes leading to complex self-pulsing operations is an opportunity to unlock the high power and dynamic operation tunability of lasers. Though many models have been suggested, there is no complete covering of self-pulsing complexity observed experimentally. Here, I further generalized our previous vector model of erbium-doped fiber laser and, for the first time, to the best of my knowledge, map tunability of complex vector self-pulsing on Poincare sphere (limit cycles and double scroll polarization attractors) for laser parameters, e.g., power, ellipticity of the pump wave, and in-cavity birefringence. Analysis validated by extensive numerical simulations demonstrates good correspondence to the experimental results on complex self-pulsing regimes obtained by many authors during the last 20 years.

Kohärente transiente und effiziente Endzustandskontrolle in Atomen und Molekülen

Es ist ein lang gehegter Traum in der Chemie, den Ablauf einer chemischen Reaktion zu kontrollieren und das Aufbrechen und Bilden chemischer Bindungen zu steuern. Diesem Ziel verschreibt sich auch das Forschungsgebiet der Femtochemie. Hier werden Femtosekunden Laserpulse eingesetzt um auf dem Quantenlevel molekulare Dynamiken auf ihren intrinsischen Zeitskalen zu kontrollieren und das System selektiv und effizient von einem Anfangs- in einen Zielzustand zu überführen. Der Wunsch, mit geformten Femtosekunden Laserpulsen Kontrolle über transiente Dynamiken und finale Populationen auszuüben, zu beobachten und zu verstehen, bildet auch die Motivation für diese Arbeit. Hierzu wurden mit Hilfe der Photoelektronenspektroskopie Untersuchungen zur Wechselwirkung atomarer und molekularer Prototypsysteme mit intensiven, geformten Femtosekunden Laserpulsen durchgeführt. Die Verwendung von Modelsystemen ermöglicht es, grundlegende Mechanismen der kohärenten Kontrolle in intensiven Laserfeldern zu analysieren, ohne dass sie durch komplexe Wechselwirkungen verschleiert werden. Zunächst wurde die Wechselwirkung von Kaliumatomen mit gechirpten Femtosekunden Laserpulsen untersucht. In den Experimenten wurden sowohl transiente Dynamiken als auch die Endbesetzungen der elektronischen Zustände abgebildet. In den folgenden Experimenten wurde das Quantenkontrollszenario SPODS auf die gekoppelte Elektronen-Kern-Dynamik in Molekülen übertragen. Die Kontrolle basiert auf der Erzeugung und Manipulation von Ladungsoszillationen durch Pulssequenzen. Der letzte Teil widmet sich der Entwicklung adiabatischer Kontrollmechanismen in Molekülen. Bei den Experimenten wurden gechirpte Airypulse eingesetzt um robuste Starkfeldanregung in molekularen Systemen zu induzieren. In Zukunft wird die Erforschung immer komplexerer Moleküle im Rahmen der transienten Kontrolle im Fokus stehen. Dabei werden nicht nur die effiziente Besetzung gebundener Zustände von Interesse sein, sondern auch die gezielte Dissoziation in spezifische Fragmente, photoinduzierte Isomerisierungsreaktionen oder die Kontrolle über transiente Dynamiken, die Einfluss auf andere molekulare Eigenschaften haben. Vor dem Hintergrund dieses übergeordneten Wunsches, photochemische Reaktionen immer komplexerer Moleküle, bis hin zu großen, biologisch relevanten Molekülen, zu kontrollieren, ist es umso wichtiger, die zugrundeliegenden Anregungsmechanismen in einfachen Systemen nachzuvollziehen. In den hier präsentierten Experimenten wurde gezeigt, wie die simultane Beobachtung der bekleideten und der stationären Zustände in atomaren Systemen zu einem umfassenden Bild der lichtinduzierte Dynamiken führen kann. Die gewonnenen Erkenntnisse können auf die Steuerung gekoppelter Dynamiken übertragen werden, durch die Kontrolle auch in molekularen Systemen möglich wird.

Transfert ultrarapide d’électron et transfert modéré d’énergie au sein d’assemblages supramoléculaires de colorants et d’un cluster de palladium

Résumé : Les transferts d’électrons photo-induits et d’énergie jouent un rôle primordial dans un grand nombre de processus photochimiques et photobiologiques, comme la respiration ou la photosynthèse. Une très grande quantité de systèmes à liaisons covalentes ont été conçus pour copier ces processus de transferts. Cependant, les progrès sont, en grande partie, limités par les difficultés rencontrées dans la synthèse de nouveaux couples de types donneurs-accepteurs. Récemment, des espèces utilisant des liaisons non-covalentes, comme les liaisons hydrogènes, les interactions [pi]-[pi], les liaisons de coordination métal-ligands ou encore les interactions électrostatiques sont le centre d’un nouvel intérêt du fait qu’ils soient plus faciles à synthétiser et à gérer pour obtenir des comportements de transferts d’électrons ou d’énergie plus flexibles et sélectifs. C’est dans cette optique que le travail de cette thèse a été mené, i.e. de concevoir des composés auto-assemblés avec des porphyrines et un cluster de palladium pour l’étude des transferts d’électrons photo-induits et d’énergie. Cette thèse se divise en quatre parties principales. Dans la première section, le chapitre 3, deux colorants porphyriniques, soit le 5-(4-carboxylphényl)-10, 15, 20-tristolyl(porphyrinato)zinc(II) (MCP, avec Na+ comme contre-ion) et 5, 15-bis(4-carboxylphényl)-15, 20-bistolyl(porphyrinato)zinc(II) (DCP, avec Na+ comme contre-ion) ont été utilisés comme donneurs d’électrons, et le [Pd3(dppm)3(CO)]2+ ([Pd32+], dppm = (Ph2P)2CH2, PF6‾ est le contre-ion) a été choisi comme accepteur d’électrons. La structure de l’assemblage [Pd32+]•••porphyrine a été élucidée par l’optimisation des géométries à l’aide de calculs DFT. La spectroscopie d’absorption transitoire (TAS) montre la vitesse de transferts d’électrons la plus rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection) jamais enregistrée pour ce type de système (porphyrine-accepteur auto-assemblés). Généralement, ces processus sont de l’ordre de l’échelle de la ps-ns. Cette vitesse est comparable aux plus rapides transferts d’électrons rapportés dans le cas de systèmes covalents de type porphyrine-accepteur rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection). Ce transfert d’électrons ultra-rapide (ket > 1.2 × 1013 s-1) se produit à l’état énergétique S1 des colorants dans une structure liée directement par des interactions ioniques, ce qui indique qu’il n’est pas nécessaire d’avoir de forts liens ou une géométrie courbée entre le donneur et l’accepteur. Dans une deuxième section, au chapitre 4, nous avons étudié en profondeur l’effet de l’utilisation de porphyrines à systèmes π-étendus sur le comportement des transferts d’électrons. Le colorant 9, 18, 27, 36-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPBP, avec Na+ comme contre-ion) a été sélectionné comme candidat, et le 5, 10, 15, 20-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)porphyrineatozinc(II) (TCPP, avec Na+ comme contre-ion) a aussi été utilisé à des fins de comparaisons. TCPBP et TCPP ont, tous deux, été utilisés comme donneurs d’électrons pour fabriquer des assemblages supramoléculaires avec le cluster [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Les calculs DFT ont été réalisés pour expliquer les structures de ces assemblages. Dans les conditions expérimentales, ces assemblages sont composés principalement d’une porphyrine avec 4 équivalents de clusters. Ces systèmes ont aussi été investigués par des mesures de quenching (perte de luminescence), par électrochimie et par d’autres techniques. Les transferts d’électrons (< 85 fs; temps inférieurs à la limite de détection) étaient aussi observés, de façon similaire aux assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les résultats nous indiquent que la modification de la structure de la porphyrine vers la tétrabenzoporphyrine ne semble pas influencer le comportement des cinétiques de transferts d’électrons (aller ou retour). Dans la troisième section, le chapitre 5, nous avons synthétisé la porphyrine hautement [pi]-conjuguée: 9, 18, 27, 36-tétra-(4-carboxyphényléthynyl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPEBP, avec Na+ comme contre-ion) par des fonctionnalisations en positions meso- et β, β-, qui présente un déplacement vers le rouge de la bande de Soret et des bandes Q. TCPEBP était utilisé comme donneur d’électrons pour fabriquer des motifs supramoléculaires avec le [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Des expériences en parallèle ont été menées en utilisant la 5, 10, 15, 20-tétra-(4-carboxyphényl)éthynylporphyrinatozinc(II) (TCPEP, avec Na+ comme contre-ion). Des calculs DFT et TDDFT ont été réalisés pour de nouveau déterminer de façon théorique les structures de ces systèmes. Les constantes d’association pour les assemblages TCPEBP•••[Pd32+]x sont les plus élevées parmi tous les assemblages entre des porphyrines et le cluster de palladium rencontrés dans la littérature. La TAS a montré, encore une fois, des processus de transferts d’électrons dans des échelles de l’ordre de 75-110 fs. Cependant, les transferts de retour d’électrons sont aussi très rapides (< 1 ps), ce qui est un obstacle potentiel pour des applications en cellules solaires à pigment photosensible (DSSCs). Dans la quatrième section, le chapitre 6, les transferts d’énergie triplets (TET) ont été étudiés pour les assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les analyses spectrales des états transitoires dans l’échelle de temps de la ns-[mu]s démontrent de façon évidente les TETs; ceux-ci présentent des transferts d’énergie lents et/ou des vitesses moyennes pour des transferts d’énergie T1-T1 (3dye*•••[Pd32+] → dye•••3[Pd32+]*) opérant à travers exclusivement le mécanisme de Förster avec des valeurs de kET autour de ~ 1 × 105 s-1 selon les mesures d’absorption transitoires à 298 K. Des forces motrices non-favorables rendent ces types de processus non-opérants ou très lents dans les états T1. L’état T1 de [Pd32+] (~8190 cm-1) a été qualitativement déterminé par DFT et par la mise en évidence de l’émission S0 ← Tn retardée à 680-700 nm provenant de l’annihilation T1-T1, ce qui fait que ce cluster peut potentiellement agir comme un donneur à partir de ses états Tn, et accepteur à partir de T1 à l’intérieur de ces assemblages. Des pertes d’intensités de types statiques pour la phosphorescence dans le proche-IR sont observées à 785 nm. Ce travail démontre une efficacité modérée des colorants à base de porphyrines pour être impliquée dans des TETs avec des fragments organométalliques, et ce, même attachées grâce à des interactions ioniques. En conclusion, les assemblages ioniques à base de porphyrines et de clusters de palladium présentent des propriétés de transferts d’électrons S1 ultra-rapides, et des transferts d’énergie T1 de vitesses modérées, ce qui est utile pour de possibles applications comme outils optoélectroniques. D’autres études, plus en profondeur, sont présentement en progrès.

Controlled surface nanotopography and oxygen plasma treatment of PEEK to improve cellular response

Poly(aryl-ether-ether-ketone) (PEEK) is a semi crystalline polymer which exhibits properties that make it an attractive choice for use as an implant material. It displays natural radiolucency, and MRI compatibility, as well as good chemical and sterilization resistance, both of which make it of particular interest in orthopaedic implants. However, PEEK has demonstrated poor cellular adhesion both in vitro and in vivo. This is problematic as implant surfaces that do not develop a layer of adhesive cells are at risk of undergoing fibrous encapsulation, which in turn leads to lack of a strong interface between the implant device and the patient tissue, which can in turn lead to failure of the implant and revision surgery . As incorporating nanotopography into a polymer surface has been demonstrated to be able to direct the differentiation behaviour of stem cells, a possible solution to PEEKs underlying issues with poor cellular response would be to incorporate specific nanoscale topography into the material surface through injection moulding, and then analysing if this is a viable method for addressing PEEKs issues with cellular response. In addition to nanoscale topography, the experimental PEEK surfaces were treated with oxygen plasma to address the underlying cytophobicity of the material. As this type of treatment has been documented to be capable of etching the PEEK surface, experiments were carried out to quantify the effect of this treatment, both on the ability of cells to adhere to the PEEK surface, as well as the effect it has upon the nanotopography present at the PEEK surface. The results demonstrated that there were a range of plasma treatments which would significantly improve the ability of cells to adhere to the PEEK surface without causing unacceptable damage to the nanotopography. Three different types of cells with osteogenic capacity were tested with the PEEK surfaces to gauge the ability of the topography to alter their behaviour: SAOS-2, osteoprogenitors and 271+ MSCs. Due to PEEKs material properties (it is non transparent, exhibits birefringence and is strongly autofluorescent) a number of histological techniques were used to investigate a number of different stages that take place in osteogenesis. The different cell types did display slightly different responses to the topographies. The SAOS-2 cells cultured on surfaces that had been plasma treated for 2 minutes at 200W had statistically significantly higher levels of von Kossa staining on the NSQ surface compared to the planar surface, and the same experiment employing alizarin red staining, showed a statistically significantly lower level of staining on the SQ surface compared to the planar surface. Using primary osteoprogenitor cells designed to look into if whether or not the presence of nanotopography effected the osteogenic response of these cells, we saw a lack of statistically significant difference produced by the surfaces investigated. By utilising HRP based immunostaining, we were able to investigate, in a quantitative fashion, the production of the two osteogenic markers osteopontin and osteocalcin by cells. When stained for osteocalcin, the SQ nanotopography had total percentage of the surface with stained material, average area and average perimeter all statistically significantly lower than the planar surface. For the cells that were stained for osteopontin, the SQ nanotopgraphy had a total percentage of the surface with stained material, average area and average perimeter all highly statistically significantly lower than those of the planar surface. Additionally, for this marker the NSQ nanotopography had average areas and average perimeters that were highly significantly higher than those of the planar surface. There were no significant differences for any of the values investigated for the 271+ MSC’s When plasma treatment was varied, the SAOS-2 cells demonstrated an overall trend i.e. increasing the energy of plasma treatment in turn leads to an increase in the overall percentage of staining. A similar experiment employing stem cells isolated from human bone marrow instead of SAOS-2 cells showed that for polycarbonate surfaces , used as a control, mineralization is statistically significantly higher on the NSQ nanopattern compared to the planar surface, whereas on the PEEK surfaces we observe the opposite trend i.e. the NSQ nanotopography having a statistically significantly lower amount of mineralization compared to the planar surface at the 200W 2min and 30W 1min plasma treatments. The standout trend from the PEEK results in this experiment was that the statistically significant differences on the PEEK substrates were clustered around the lower energy plasma treatments, which could suggest that the plasma treatment disrupted a function of the nanotopograhy which is why, as the energy increases, there are less statistically significant differences between the NSQ nanotopography and the Planar surface This thesis documents the response of a number of different types of cells to specific nanoscale topographies incorporated into the PEEK surface which had been treated with oxygen plasma. It outlines the development of a number of histological methods which measure different aspects of osteogenesis, and were selected to both work with PEEK, and produce quantitative results through the use of Cell Profiler. The methods that have been employed in this body of work would be of interest to other researchers working with this material, as well as those working with similarly autofluorescent materials.

BODIPY-Porphyrazin-Hybride als panchromatische Lichtsammelsysteme für farbstoffsensibilisierte Solarzellen

In farbstoffsensibilisierten Solarzellen (DSSC) spielen Chromophore, die als Lichtsammel- und Energie-/Elektronentransfersysteme fungieren, eine zentrale Rolle. Phthalocyanine mit ihren intensiven Absorptionsbanden um 400 nm und 700 nm besitzen großes Potential für die effektive Sensibilisierung von Solarzellen. Trotz ihrer vielversprechenden physikochemischen Eigenschaften und intensiver Bemühungen erreichen Phthalocyanin-sensibilisierte Solarzellen nicht die Effizienzen, die bisher mit anderen Chromophorklassen erzielt werden konnten. In der vorliegenden Dissertation wurde die Entwicklung effizienter Lichtsammelsysteme für DSSC auf der Basis von Aza-substituierten Phthalocyaninen, sogenannten Pyrazinoporphyrazinen, verfolgt. Ein besonderer Fokus lag dabei auf einer Verbesserung der Absorptionseigenschaften der Chromophore im Bereich ihrer intrinsischen Absorptionslücke zwischen den Maxima um 400 nm und 700 nm. Um diese optische Lücke zu schließen wurden komplementär absorbierende BODIPY-Farbstoffe kovalent an synthetisch maßgeschneiderte Porphyrazine gebunden. Insgesamt wurden sechs neue Porphyrazin-Sensibilisatoren synthetisiert und photophysikalisch sowie elektrochemisch charakterisiert. Alle in dieser Arbeit untersuchten Porphyrazine tragen sterisch anspruchsvolle Tri(p-tolyl)propinyl-Gruppen um Agglomerationen zu vermeiden. Darüber hinaus wurden die Porphyrazine peripher entweder mit Hydroxy- oder Carboxygruppen als Bindungsstellen für oxidische Materialien ausgestattet sowie mit sechs BODIPY-Auxiliarfarbstoffen funktionalisiert, deren Substitutionsmuster variiert wurden. Zur Darstellung der komplexen Porphyrazine wurde eine Syntheseroute erarbeitet, die statistische Cyclisierungen unterschiedlicher Dinitril-Vorstufen beinhaltete und es ermöglichte, funktionelle Gruppen erst am vorgeformten Makrocyclus einzuführen. Die photophysikalische Untersuchung der hochfunktionalisierten Farbstoffe erfolgte über UV/Vis- und Fluoreszenzspektroskopie. Im Fall der BODIPY-Porphyrazin-Hybride schließt die zusätzliche Absorptionsbande der peripheren BODIPY-Einheiten die intrinsische Absorptionslücke der Porphyrazine. Die Hybride zeigen somit eine breite Absorption über den gesamten sichtbaren Spektralbereich mit hohen Extinktionskoeffizienten von ca. 4·10^5 M^−1cm^−1. Mittels Fluoreszenz- und Anregungsspektren wurde ein photoinduzierter Energie-transfer von den BODIPY-Einheiten auf den Porphyrazinkern nachgewiesen. Das elektrochemische Verhalten der BODIPY- und Porphyrazin-Verbindungen wurde mittels Cyclo- und Square-Wave-Voltammetrie untersucht. Die Effizienzen der Lichtenergieumwandlung wurden mit Hilfe von selbst-hergestellten und standardisierten farbstoffsensibilisierten Solarzellen bewertet. Alle Solarzellen zeigten eine messbare Photoaktivität unter Bestrahlung. Die Wirkungsgrade der Zellen lagen jedoch alle unter 1 %. Generell führten die Carboxyl-funktionalisierten Porphyrazine zu besseren Wirkungsgraden als die analogen, mit der tripodalen Ankergruppe ausgestatteten Derivate. Die mit Hilfe von Adsorptionsisothermen ermittelten Bindungskonstanten der Adsorption der Farbstoffe auf der TiO2-Oberfläche zeigten, dass beide Hafteinheiten eine feste Verankerung der Chromophore auf den TiO2-Elektroden ermöglichten. Insgesamt wirkte sich die Präsenz der peripheren BODIPY-Farbstoffe positiv auf die Wirkungsgrade der Solarzellen aus, jedoch nur in geringem Maß. Dieses Ergebnis wurde hauptsächlich auf die geringe Energiedifferenz zwischen der Leitungsbandkante des TiO2 und den LUMO-Energieniveaus der Chromophore zurückgeführt. Zusätzlich scheinen konkurrierende Prozesse wie die direkte Photoelektroneninjektion von den BODIPY-Einheiten in das TiO2 eine wichtige Rolle zu spielen. Neben der Anwendung in DSSC wurde die Wechselwirkung der Porphyrazine mit Graphen untersucht. Hierzu wurden A3B-Porphyrazine mit Pyrenyl-Seitenketten ausgestattet, die eine nicht-kovalente Verankerung des Chromophors auf Graphen ermöglichen. UV/Vis- und Fluoreszenzmessungen gaben u.a. erste Hinweise auf eine elektronische Kommunikation zwischen den beiden Hybridpartnern.

Modelling UV response of biomolecules: from electronic structure to ab-initio dynamics.

The interaction of organic chromophores with light initiates ultrafast processes in the timescale of femtoseconds. An atomistic understanding of the mechanism driving such photoinduced reactions opens up the door to exploit them for our benefit. This thesis studies the interactions of ultraviolet light with the DNA/RNA molecules and the amino-acid tryptophan. Using some of the most accurate electronic structure methods and sophisticated environmental modelling, the works documented herein enable quantitative comparisons with cutting-edge experimental data. The relaxation pathways undertaken by the excited molecule are revealed through static and dynamical investigations of the excited-state potential energy surface. The profound role played by the dynamic response of the environment to guide the excitation in these timescales is addressed thoroughly.

Non-standard signatures from Cosmic Microwave Background polarisation

In this Thesis we focus on non-standard signatures from CMB polarisation, which might hint at the existence of new phenomena beyond the standard models for Cosmology and Particle physics. With the Planck ESA mission, CMB temperature anisotropies have been observed at the cosmic variance limit, but polarisation remains to be further investigated. CMB polarisation data are important not only because they contribute to provide tighter constraints of cosmological parameters but also because they allow the investigation of physical processes that would be precluded if just the CMB temperature maps were considered. We take polarisation data into account to assess the statistical significance of the anomalies currently observed only in the CMB temperature map and to constrain the Cosmic Birefringence (CB) effect, which is expected in parity-violating extensions of the standard electromagnetism. In particular, we propose a new one-dimensional estimator for the lack of power anomaly capable of taking both temperature and polarisation into account jointly. With the aim of studying the anisotropic CB we develop and perform two different and complementary methods able to evaluate the power spectrum of the CB. Finally, by employing these estimators and methodologies on Planck data we provide new constraints beyond what already known in literature. The measure of CMB polarisation represents a technological challenge and to make accurate estimates, one has to keep an exquisite control of the systematic effects. In order to investigate the impact of spurious signal in forthcoming CMB polarisation experiments, we study the interplay between half-wave plates (HWP) non-idealities and the beams. Our analysis suggests that certain HWP configurations, depending on the complexity of Galactic foregrounds and the beam models, significantly impacts the B-mode reconstruction fidelity and could limit the capabilities of next-generation CMB experiments. We provide also a first study of the impact of non-ideal HWPs on CB.

Investigation of organic semiconductor/water interfaces for optobioelectronic devices

The thesis investigates the potential of photoactive organic semiconductors as a new class of materials for developing bioelectronic devices that can convert light into biological signals. The materials can be either small molecules or polymers. When these materials interact with aqueous biological fluids, they give rise to various electrochemical phenomena, including photofaradaic or photocapacitive processes, depending on whether photogenerated charges participate in redox processes or accumulate at an interface. The thesis starts by studying the behavior of the H2Pc/PTCDI molecular p/n thin-film heterojunction in contact with aqueous electrolyte. An equivalent circuit model is developed, explaining the measurements and predicting behavior in wireless mode. A systematic study on p-type polymeric thin-films is presented, comparing rr-P3HT with two low bandgap conjugated polymers: PBDB-T and PTB7. The results demonstrate that PTB7 has superior photocurrent performance due to more effective electron-transfer onto acceptor states in solution. Furthermore, the thesis addresses the issue of photovoltage generation for wireless photoelectrodes. An analytical model based on photoactivated charge-transfer across the organic-semiconductor/water interface is developed, explaining the large photovoltages observed for polymeric p-type semiconductor electrodes in water. Then, flash-precipitated nanoparticles made of the same three photoactive polymers are investigated, assessing the influence of fabrication parameters on the stability, structure, and energetics of the nanoparticles. Photocathodic current generation and consequent positive charge accumulation is also investigated. Additionally, newly developed porous P3HT thin-films are tested, showing that porosity increases both the photocurrent and the semiconductor/water interfacial capacity. Finally, the thesis demonstrates the biocompatibility of the materials in in-vitro experiments and shows safe levels of photoinduced intracellular ROS production with p-type polymeric thin-films and nanoparticles. The findings highlight the potential of photoactive organic semiconductors in the development of optobioelectronic devices, demonstrating their ability to convert light into biological signals and interface with biological fluids.

Diazene photoswitches in artificial molecular machines and light-effected materials

The research developed in this thesis focused on the spectroscopic and photochemical characterization of molecular diazene photoswitches, both as individual species and as functional components of mechanically interlocked molecules, molecular-based materials and artificial molecular machines and motors. Among the plethora of photochromes reported so far, azobenzene is the most versatile photoswitch due to its reproducible and well-established photochemical properties. Part I of this thesis work focuses on the characterization of light-responsive supramolecular systems based on azobenzene: a photochemically-driven rotary motor, a light-responsive supramolecular polymeric material and a supramolecular system capable of photoinduced entantiodiscrimination. Despite the wide success of azobenzene photoswitches, the tunability of their photochemical properties as a function of the diversified substitution pattern on its aryl ring presents intrinsic limitations. To overcome this issue, in the last decade heteroaryl azoswitches (i.e., azobenzene having heterocyclic rings in place of one or both phenyl groups) have attracted a great deal of attention. Hence, Part II of this thesis work treats the photochemical characterization of two different families of azoheteroarenes embedding imidazolium and thienyl functionalities in their structures. Their potential implementation in water-soluble artificial molecular machines and light-effected semiconductor materials is also assessed.

Modeling Ultrafast Spectroscopy of the NADH Dimer: From UV-VIS to X-rays

Ultrafast pump-probe spectroscopy is a conceptually simple and versatile tool for resolving photoinduced dynamics in molecular systems. Due to the fast development of new experimental setups, such as synchrotron light sources and X-ray free electron lasers (XFEL), new spectral windows are becoming accessible. On the one hand, these sources have enabled scientist to access faster and faster time scales and to reach unprecedent insights into dynamical properties of matter. On the other hand, the complementarity of well-developed and novel techniques allows to study the same physical process from different points of views, integrating the advantages and overcoming the limitations of each approach. In this context, it is highly desirable to reach a clear understanding of which type of spectroscopy is more suited to capture a certain facade of a given photo-induced process, that is, to establish a correlation between the process to be unraveled and the technique to be used. In this thesis, I will show how computational spectroscopy can be a tool to establish such a correlation. I will study a specific process, which is the ultrafast energy transfer in the nicotinamide adenine dinucleotide dimer (NADH). This process will be observed in different spectral windows (from UV-VIS to X-rays), accessing the ability of different spectroscopic techniques to unravel the system evolution by means of state-of-the-art theoretical models and methodologies. The comparison of different spectroscopic simulations will demonstrate their complementarity, eventually allowing to identify the type of spectroscopy that is best suited to resolve the ultrafast energy transfer.