Towards the nanomechanical actuation and controlled assembly of nanomaterials using charge-transfer reactions in electroactive self-assembled monolayers

Les microcantileviers fonctionnalisés offrent une plateforme idéale pour la nano- et micro-mécanique et pour le développement de (bio-) capteurs tres sensible. Le principe d’opération consiste dans des évènements physicochimiques qui se passent du côté fonctionnalisé du microcantilevier induisant une différence de stress de surface entre les deux côtés du cantilevier qui cause une déflexion verticale du levier. Par contre, les facteurs et les phénomènes interfacials qui régissent la nature et l'intensité du stress de surface sont encore méconnus. Pour éclaircir ce phénomène, la première partie de cette thèse porte sur l'étude des réactions de microcantileviers qui sont recouverts d'or et fonctionnalisés par une monocouche auto-assemblée (MAA) électroactive. La formation d'une MAA de ferrocènylundécanethiol (FcC11SH) à la surface d'or d'un microcantilevier est le modèle utilisé pour mieux comprendre le stress de surface induit par l’électrochimie. Les résultats obtenus démontrent qu'une transformation rédox de la MAA de FcC11SH crée un stress de surface qui résulte dans une déflexion verticale du microcantilevier. Dépendamment de la flexibilité du microcantilevier, cette déflexion peut varier de quelques nanomètres à quelques micromètres. L’oxydation de cette MAA de FcC11SH dans un environnement d'ions perchlorate génère un changement de stress de surface compressive. Les résultats indiquent que la déflexion du microcantilevier est due à une tension latérale provenant d'une réorientation et d'une expansion moléculaire lors du transfért de charge et de pairage d’anions. Pour vérifier cette hypothèse, les mêmes expériences ont été répéteés avec des microcantileviers qui ont été couverts d'une MAA mixte, où les groupements électroactifs de ferrocène sont isolés par des alkylthiols inactifs. Lorsqu’un potentiel est appliqué, un courant est détecté mais le microcantilevier ne signale aucune déflexion. Ces résultats confirment que la déflexion du microcantilevier est due à une pression latérale provenant du ferrocènium qui se réorganise et qui crée une pression sur ses pairs avoisinants plutôt que du couplage d’anions. L’amplitude de la déflexion verticale du microcantilevier dépend de la structure moléculaire de la MAA et du le type d’anion utilisés lors de la réaction électrochimique. Dans la prochaine partie de la thèse, l’électrochimie et la spectroscopie de résonance de plasmon en surface ont été combinées pour arriver à une description de l’adsorption et de l’agrégation des n-alkyl sulfates à l’interface FcC11SAu/électrolyte. À toutes les concentrations de solution, les molécules d'agent tensio-actif sont empilées perpendiculairement à la surface d'électrode sous forme de monocouche condensé entrecroisé. Cependant, la densité du film spécifiquement adsorbé s'est avérée être affectée par l'état d'organisation des agents tensio-actifs en solution. À faible concentration, où les molécules d'agent tensio-actif sont présentes en tant que monomères solvatés, les monomères peuvent facilement s'adapter à l’évolution de la concentration en surface du ferrocènium lors du balayage du potential. Cependant, lorsque les molécules sont présentes en solution en tant que micelles une densité plus faible d'agent tensio-actif a été trouvée en raison de l'incapacité de répondre effectivement à la surface de ferrocenium générée dynamiquement.

Elementary steps in aqueous proton transfer reactions : a first principles molecular dynamics study

La nature des acides dans un environnement aqueux est primordiale dans de nombreux aspects de la chimie et de la biologie. La caractéristique principale d'un acide est sa capacité à transférer un proton vers une molécule d'eau ou vers n'importe quelle base, mais ce procédé n'est pas aussi simple qu'il y paraît. Il peut au contraire être extrêmement complexe et dépendre de manière cruciale de la solvatation des différents intermédiaires de réaction impliqués. Cette thèse décrit les études computationnelles basées sur des simulations de dynamique moléculaire ab initio qui ont pour but d'obtenir une description à l'échelle moléculaire des divers procédés de transferts de proton entre acide et bases dans un milieu aqueux. Pour cela, nous avons étudié une serie de système, dont l'acide hydrofluorique aqueux, l'acide trifluoroacétique aqueux, et un système modèle constitué d'un phénol et d'une entité carboxylate reliés entre eux par une molécule d'eau en solution aqueuse. Deux états intermédiaires ont été identifiés pour le transfert d'un proton depuis un acide. Ces intermédiaires apparaissent stabilisés par un motif local de solvatation via des ponts H. Leurs signatures spectroscopiques ont été caractérisées au moyen de la spectroscopie infrarouge, en utilisant le formalisme de la dynamique moléculaire ab initio, qui inclut l'effet quantique nucléaire de manière explicite. Cette étude a aussi identifié trois chemins de réaction élémentaire, qui sont responsable pour le transfert d'un proton d'un acide à une base, ainsi que leurs échelles de temps caractéristiques. Les conclusions tirées de ces études sont discutées dans les détails, au niveau moléculaire, avec une emphase sur les comparaisons entre les résultats théoriques et les mesures expérimentales obtenues dans a littérature ou via des collaborateurs.

Investigations on electron transfer reactions of a few anthracenemethyl sulfides with suitable electron acceptors and related studies

Cochin University of Science & Technology

Transfer reactions in the investigation of light-nuclei nucleosynthesis

Cross sections for the (6)Li(p,gamma)(7)Be, (7)Li(n,gamma)(8)Li (8)Li(n,gamma)(9)Li and (8)Li(p,gamma)(9)Be capture reactions have been investigated in the framework of the potential model. The main ingredients of the potential model are the potentials used to generate the continuum and bound-state wave functions and spectroscopic factors of the corresponding bound systems. The spectroscopic factors for the (7)Li circle times n=(8)Li(gs), (8)Li circle times n=(9)Li(gs) bound systems were obtained from a FR-DWBA analysis of neutron transfer reactions induced by (8)Li radioactive beam on a (9)Be target, while spetroscopic factor for the (8)Li circle times n=(9)Be(gs) bound system were obained from a proton transfer reaction. From the obtained capture reaction cross section, reaction rate for the (8)Li(n,gamma)(9)Li and (8)Li(p,gamma)(9)Be direct neutron and proton capture were determined and compared with other experimental and calculated values.

Gas-Phase Acylium Ion Transfer Reactions Mediated by a Proton Shuttle Mechanism

The mechanism and the energy profile of the gas-phase reaction that mimics esterification under acidic conditions have been investigated at different levels of theory. These reactions are known to proceed with rate constants close to the collision limit in the gas-phase and questions have been raised as to whether the typical addition-elimination mechanism via a tetrahedral intermediate can explain the ease of these processes. Because these reactions are common to many organic and biochemical processes it is important to understand the intrinsic reactivity of these systems. Our calculations at different levels of theory reveal that a stepwise mechanism via a tetrahedral species is characterized by energy barriers that are inconsistent with the experimental results. For the thermoneutral exchange between protonated acetic acid and water and the exothermic reaction of protonated acetic acid and methanol our calculations show that these reactions proceed initially by a proton shuttle between the carbonyl oxygen and the hydroxy oxygen of acetic acid mediated by water, or methanol, followed by displacement at the acylium ion center. These findings suggest that the reactions in the gas-phase should be viewed as an acylium ion transfer reaction. (C) 2010 Wiley Periodicals, Inc. Int J Quantum Chem 111: 1596-1606, 2011

Low-energy three-body charge transfer reactions with Coulomb interaction in the final state

Three-body charge transfer reactions with Coulomb interaction in the final state are considered within the framework of coordinate-space integro-differential Faddeev-Hahn-type equations within two- and six-state close-coupling approximations. The method is employed to study direct muon transfer in low-energy collisions of the muonic hydrogen H-mu by helium (He2+) and lithium (Li3+) nuclei. The experimentally observed isotopic dependence is reproduced.

The energy landscape for solvent dynamics in electron transfer reactions: A minimalist model

Energy fluctuations of a solute molecule embedded in a polar solvent are investigated to depict the energy landscape for solvation dynamics. The system is modeled by a charged molecule surrounded by two layers of solvent dipolar molecules with simple rotational dynamics. Individual solvent molecules are treated as simple dipoles that can point toward or away from the central charge (Ising spins). Single-spin-flip Monte Carlo kinetics simulations are carried out in a two-dimensional lattice for different central charges, radii of outer shell, and temperatures. By analyzing the density of states as a function of energy and temperatures, we have determined the existence of multiple freezing transitions. Each of them can be associated with the freezing of a different layer of the solvent. (C) 2002 American Institute of Physics.

Smooth landscape solvent dynamics in electron transfer reactions

Solvent effects play a major role in controlling electron-transfer reactions. The solvent dynamics happens on a very high-dimensional surface, and this complex landscape is populated by a large number of minima. A critical problem is to understand the conditions under which the solvent dynamics can be represented by a single collective reaction coordinate. When this unidimensional representation is valid, one recovers the successful Marcus theory. In this study the approach used in a previous work [V. B. P. Leite and J. N. Onuchic; J. Phys. Chem. 100, 7680 (1996)] is extended to treat a more realistic solvent model, which includes energy correlation. The dynamics takes place in a smooth and well behaved landscape. The single shell of solvent molecules around a cavity is described by a two-dimensional system with periodic boundary conditions with nearest neighbor interaction. It is shown how the polarization-dependent effects can be inferred. The existence of phase transitions depends on a factor y proportional to the contribution from the two parameters of the model. For the present model, γ suggests the existence of weak kinetic phase transitions, which are used in the analysis of solvent effects in charge-transfer reactions. © 1999 American Institute of Physics.

Coordinate-space Faddeev-Hahn-type approach to three-body charge-transfer reactions involving exotic particles

Low-energy muon-transfer cross sections and rates in collisions of muonic atoms with hydrogen isotopes are calculated using a six-state close-coupling approximation to coordinate-space Faddeev-Hahn-type equations. In the muonic case satisfactory results are obtained for all hydrogen isotopes and the experimentaly observed strong isotopic dependence of transfer rates is also reproduced. A comparison with results of other theoretical and available experimental works is presented. The present model also leads to good transfer cross sections in the well-understood problem of antihydrogen formation in antiproton-positronium collision.

Oxygen Atom Transfer Reactions from Mimoun Complexes to Sulfides and Sulfoxides. A Bonding Evolution Theory Analysis

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

(18O,16O) Two-neutron transfer reactions for spectroscopic studies.

A systematic study of the response of different nuclei to the (18O, 16O) two-neutron transfer reaction at 84 MeV incident energy was pursued at the INFN-LNS in Catania (Italy). The experiments were performed using several solid targets from light (9Bc, 11 B, 12,13C, 16O, 28Si) to heavier ones (58,64Ni, 120Sn, 208Pb). The 16O ejectiles were detected at forward angles by the MAGNEX magnetic spectrometer and identified without the need of time of flight measurements. Exploiting the large momentum (≈ 25%) and angular (50 msr) acceptance of the spectrometer, energy spectra were obtained with a relevant yield up to about 20 MeV excitation energy. A common feature of the light nuclei spectra is the strong population of states with well known configuration of two-particle over a core and the appearance of unknown resonant structures in the continuum. These latter can reveal the excitation of a collective mode connected with the transfer of a pair. For the heavier nuclei as 66Ni a completely different behaviour is observed indicating the presence of more dissipative processes in the reaction mechanisms that hide the spectroscopic information.

Double electron transfer reactions of CO22+ ions

Time-of-flight techniques have been used to measure fast neutral CO2 products from double electron transfer reactions of CO22+ ions with 4.0–7.0 keV impact energies. Double electron transfer cross sections have been determined to be in the range of (1.1–12.5) × 10−16 cm2 for reactions of CO22+ ions with CO2, CO, N2, Ar and O2.

Single- and double-electron transfer reactions of ground and metastable state Ar2+ ions

Electron transfer cross sections have been measured for reactions of Ar2+ ions with Ar, N2, O2, CO2, CH4 and C2H6. Time-of-flight techniques have been used to measure both fast neutral Ar0 and fast Ar+ products from single- and double-electron transfer processes involving Ar2+ ions with 4.0 to 7.0 keV impact energies. Incident Ar2+ ions have produced by controlled electron impact ionisation of argon atoms. Reactions have been examined as a function of ionising electron energy and cross sections determined for ground state Ar2+(3P) ions. Charge transfer cross sections have been determined to be in the range of 3*10-16 cm2 for the systems examined. Double-electron transfer cross sections are the same order of magnitude as those measured for the corresponding single-electron transfer reactions. The state distribution of the reactant ion beam has been estimated and electron transfer cross sections obtained for single- and double-electron transfer reactions of metastable Ar2+ions. The magnitudes of electron transfer cross sections in individual systems are similar for both ground and metastable state Ar2+ reactions.

Sensitivity of charge transfer reactions to hydrocarbon ion structures

Charge transfer reactivities of hydrocarbon ions have been measured with time-of-flight techniques, and results correlated with theoretical structures computed by self-consistent field molecular orbital methods. Recombination energies, ion structures, heats of formation, reaction energetics and relative charge transfer cross-sections are presented for molecular and fragment ions produced by electron bombardment ionization of CH4, C2H4, C2H6, C3H8 and C4H10 molecules. Even-electron bridged cations have low ion recombination energies and relatively low charge transfer cross-sections as compared with odd-electron hydrocarbon cations.