Measurements of stress-optic coefficient and Young's modulus in PMMA fibers drawn under different conditions

We have systematically measured the differential stress-optic coefficient, ΔC, and Young's modulus, E, in a number of PMMA fibers drawn with different stress, ranging from 2 up to 27 MPa. Effect of temperature annealing on those parameters was also investigated. ΔC was determined in transverse illumination by measuring the dependence of birefringence on additional axial stress applied to the fiber. Our results show that ΔC in PMMA fibers has a negative sign and ranges from -4.5 to -1.5×10-12 Pa -1 depending on the drawing stress. Increase of the drawing stress results in greater initial fiber birefringence and lower ΔC. The dependence of ΔC and initial birefringence upon drawing stress is nonlinear and gradually saturates for higher drawing stress. Moreover, we find that ΔC is linearly proportional to initial fiber birefringence and that annealing the fiber has no impact on the slope of this dependence. On the other hand, no clear dependence was observed between the fiber drawing stress and the Young's modulus of the fibers as measured using microscopic digital image correlation with the fibers tensioned using an Instron tension tester. © 2010 SPIE.

Uni-and bidirectional hybrid mode-locked erbium-doped isolator-free fibre laser

We have investigated a hybrid mode-locked Erbium-doped fibre ring laser without optical isolator. Creating different losses in the cavity for counter-propagating pulses via net birefringence adjusting, the laser can operate in both unidirectional regimes with extinction over 22 dB, as well as can establish stable bidirectional generation.

Design, Synthesis, and Photophysical Investigation of Porphyrin-containing Polymer-wrapped Single-walled Carbon Nanotubes

Significant advances in understanding the fundamental photophysical behavior of single-walled carbon nanotubes (SWNTs) have been made possible by the development of ionic, conjugated aryleneethynylene polymers that helically wrap SWNTs with well-defined morphology. My contribution to this work was the design and synthesis of porphyrin-containing polymers and the photophysical investigation of the corresponding polymer-wrapped SWNTs. For these new constructs, the polymer acts as more than just a solubilization scaffold; such assemblies can provide benchmark data for evaluating spectroscopic signatures of energy and charge transfer events and lay the groundwork for further, rational development of polymers with precisely tuned redox properties and electronic coupling with the underlying SWNT. The first design to incorporate a zinc porphyrin into the polymer backbone, PNES-PZn, suffered from severe aggregation in solution and was redesigned to produce the porphyrin-containing polymer S-PBN-PZn. This polymer was utilized to helically wrap chirality-enriched (6,5) SWNTs, which resulted in significant quenching of the porphyrin-based fluorescence. Time-resolved spectroscopy revealed a simultaneous rise and decay of the porphyrin radical cation and SWNT electron polaron spectroscopic signatures indicative of photoinduced electron transfer. A new polymer, S-PBN(b)-Ph2PZn3, was then synthesized which incorporated a meso-ethyne linked zinc porphyrin trimer. By changing the absorption profile and electrochemical redox potentials of the polymer, the photophysical behavior of the corresponding polymer-wrapped (6,5)-SWNTs was dramatically changed, and the polymer-wrapped SWNTs no longer showed evidence for photoinduced electron transfer.

Excitonic behaviour in polymeric semiconductors : the effect of morphology and composition in heterostructures

La compréhension des interrelations entre la microstructure et les processus électroniques dans les polymères semi-conducteurs est d’une importance primordiale pour leur utilisation dans des hétérostructures volumiques. Dans cette thèse de doctorat, deux systémes diffèrents sont étudiés ; chacun de ces systèmes représente une approche diffèrente pour optimiser les matériaux en termes de leur microstructure et de leur capacité à se mettre en ordre au niveau moléculaire. Dans le premier système, j’ai effectué une analyse complète des principes de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque hybride à base des nanocristaux d’oxyde de zinc (ZnO) et du poly (3-hexylthiophène) (P3HT) par absorption photoinduite en régime quasi-stationnaire (PIA) et la spectroscopie PIA en pompage modulé dépendant de la fréquence. L’interface entre le donneur (le polymère P3HT) et l’accepteur (les nanoparticules de ZnO), où la génération de charges se produit, joue un rôle important dans la performance des cellules photovoltaïques hybrides. Pour améliorer le mécanisme de génération de charges du P3H: ZnO, il est indispensable de modifier l’interface entre ses constituants. Nous avons démontré que la modification d’interface moléculaire avec cis-bis (4, 40 - dicarboxy-2, 20bipyridine) ruthénium (II) (N3-dye) et a-Sexithiophen-2 yl-phosphonique (6TP) a améliorée le photocourant et la performance dans les cellules P3HT: ZnO. Le 6TP et le N3 s’attachent à l’interface du ZnO, en augmentant ainsi l’aire effective de la surface donneur :accepteur, ce qui contribue à une séparation de charge accrue. De plus, le 6TP et le N3 réduisent la densité de pièges dans le ZnO, ce qui réduit le taux de recombinaison des paires de charges. Dans la deuxième partie, jai introduit une matrice hôte polymérique de polystyréne à masse molaire ulra-élevée, qui se comporte comme un solide pour piéger et protéger une solution de poly [2-méthoxy, 5- (2´-éthyl-hexoxy) -1,4-phénylènevinylène- PPV] (MEHPPV) pour utilisation dans des dispositifs optoèlectroniques quantiques. Des travaux antérieurs ont montré que MEH-PPV en solution subit une transition de conformation, d’une conformation enroulé à haute température (phase bleue) à une conformation de chaîne étendue à basse température (phase rouge). La conformation de la chaîne étendue de la solution MEH-PPV favorise les caractéristiques nécessaires à l’amélioration des dispositifs optoélectroniques quantiques, mais la solution ne peut pas être incorporées dans le dispositif. J’ai démontré que la caractéristique de la phase rouge du MEH-PPV en solution se maintient dans une matrice hôte polymérique de polystyrène transformé de masse molaire très élevée, qui se comporte comme un solide (gel de MEH-PPV/UHMW PS), par le biais de la spectroscopie de photoluminescence (PL) dépendant de la température (de 290K à 80 K). La phase rouge du gel MEH-PPV/UHMW PS se manifeste par des largeurs de raie étroites et une intensité augmentée de la transition 0-0 de la progression vibronique dans le spectre de PL ainsi qu’un petit décalage de Stokes entre la PL et le spectre d’absorption à basse température. Ces approches démontrent que la manipulation de la microstructure et des propriétés électroniques des polymères semi-conducteurs ont un impact direct sur la performance de dispositifs pour leurs développements technologiques continus.

Seawater carbonate chemistry and Emiliania huxleyi mass and size, 2011

About one-third of the carbon dioxide (CO2) released into the atmosphere as a result of human activity has been absorbed by the oceans, where it partitions into the constituent ions of carbonic acid. This leads to ocean acidification, one of the major threats to marine ecosystems and particularly to calcifying organisms such as corals, foraminifera and coccolithophores. Coccolithophores are abundant phytoplankton that are responsible for a large part of modern oceanic carbonate production. Culture experiments investigating the physiological response of coccolithophore calcification to increased CO2 have yielded contradictory results between and even within species. Here we quantified the calcite mass of dominant coccolithophores in the present ocean and over the past forty thousand years, and found a marked pattern of decreasing calcification with increasing partial pressure of CO2 and concomitant decreasing concentrations of CO3. Our analyses revealed that differentially calcified species and morphotypes are distributed in the ocean according to carbonate chemistry. A substantial impact on the marine carbon cycle might be expected upon extrapolation of this correlation to predicted ocean acidification in the future. However, our discovery of a heavily calcified Emiliania huxleyi morphotype in modern waters with low pH highlights the complexity of assemblage-level responses to environmental forcing factors.

Combining histology, stable isotope analysis and ZooMS collagen fingerprinting to investigate the taphonomic history and dietary behaviour of extinct giant tortoises from the Mare aux Songes deposit on Mauritius

Taphonomic research of bones can provide additional insight into a site's formation and development, the burial environment and ongoing post-mortem processes. A total of 30 tortoise (Cylindraspis) femur bone samples from the Mare aux Songes site (Mauritius)were studied histologically, assessing parameters such as presence and type of microbial alteration, inclusions, staining/infiltrations, the degree of microcracking and birefringence. The absence of microbial attack in the 4200 year old Mare aux Songes bones suggests the animals rapidly entered the soil whole-bodied and were sealed anoxically, although they suffered frombiological and chemical degradation (i.e. pyrite formation/oxidation, mineral dissolution and staining) related to changes in the site's hydrology. Additionally, carbon and nitrogen stable isotopeswere analysed to obtain information on the animals' feeding behaviour. The results show narrowly distributed δ13C ratios, indicating a terrestrial C3 plant-based diet, combined with a wide range in δ15N ratios. This is most likely related to the tortoises' drought-adaptive ability to change their metabolic processes, which can affect the δ15N ratios. Furthermore, ZooMS collagen fingerprinting analysis successfully identified two tortoise species (C. triserrata and C. inepta) in the bone assemblage,which,when combined with stable isotope data, revealed significantly different δ15N ratios between the two tortoise species. As climatic changes around this period resulted in increased aridity in the Mascarene Islands, this could explain the extremely elevated δ15N ratio in our dataset. The endemic fauna was able to endure the climatic changes 4200 years ago, although human arrival in the 17th century changed the original habitat to such an extent that it resulted in the extinction of several species. Fortunately we are still able to study these extinct tortoises due to the beneficial conditions of their burial environment, resulting in excellent bone preservation.

Ultrafast charge-transfer in organic photovoltaic interfaces: geometrical and functionalization effects

Understanding the microscopic mechanisms of electronic excitation in organic photovoltaic cells is a challenging problem in the design of efficient devices capable of performing sunlight harvesting. Here we develop and apply an ab initio approach based on time-dependent density functional theory and Ehrenfest dynamics to investigate photoinduced charge transfer in small organic molecules. Our calculations include mixed quantum–classical dynamics with ions moving classically and electrons quantum mechanically, where no experimental external parameter other than the material geometry is required. We show that the behavior of photocarriers in zinc phthalocyanine (ZnPc) and C60 systems, an effective prototype system for organic solar cells, is sensitive to the atomic orientation of the donor and the acceptor units as well as the functionalization of covalent molecules at the interface. In particular, configurations with the ZnPc molecules facing on C60 facilitate charge transfer between substrate and molecules that occurs within 200 fs. In contrast, configurations where ZnPc is tilted above C60 present extremely low carrier injection efficiency even at longer times as an effect of the larger interfacial potential level offset and higher energetic barrier between the donor and acceptor molecules. An enhancement of charge injection into C60 at shorter times is observed as binding groups connect ZnPc and C60 in a dyad system. Our results demonstrate a promising way of designing and controlling photoinduced charge transfer on the atomic level in organic devices that would lead to efficient carrier separation and maximize device performance.

L'orientation et la propriété de mémoire de forme des polymères cristallins liquides à chaînes latérales covalents et supramoléculaires

In many studies of the side-chain liquid crystalline polymers (SCLCPs) bearing azobenzene mesogens as pendant groups, obtaining the orientation of azobenzene mesogens at a macroscopic scale as well as its control is important, because it impacts many properties related to the cooperative motion characteristic of liquid crystals and the trans-cis photoisomerization of the azobenzene molecules. Various means can be used to align the mesogens in the polymers, including rubbed surface, mechanical stretching or shearing, and electric or magnetic field. In the case of azobenzene-containing SCLCPs, another method consists in using linearly polarized light (LPL) to induce orientation of azobenzene mesogens perpendicular to the polarization direction of the excitation light, and such photoinduced orientation has been the subject of numerous studies. In the first study realized in this thesis (Chapter 1), we carried out the first systematic investigation on the interplay of the mechanically and optically induced orientation of azobenzene mesogens as well as the effect of thermal annealing in a SCLCP and a diblock copolymer comprising two SCLCPs bearing azobenzene and biphenyl mesogens, respectively. Using a supporting-film approach previously developed by our group, a given polymer film can be first stretched in either the nematic or smectic phase to yield orientation of azobenzene mesogens either parallel or perpendicular to the strain direction, then exposed to unpolarized UV light to erase the mechanically induced orientation upon the trans–cis isomerization, followed by linearly polarized visible light for photoinduced reorientation as a result of the cis–trans backisomerization, and finally heated to different LC phases for thermal annealing. Using infrared dichroism to monitor the change in orientation degree, the results of this study have unveiled complex and different orientational behavior and coupling effects for the homopolymer of poly{6-[4-(4-methoxyphenylazo)phenoxy]hexyl methacrylate} (PAzMA) and the diblock copolymer of PAzMA-block- poly{6-[4-(4-cyanophenyl) phenoxy]hexyl methacrylate} (PAzMA-PBiPh). Most notably for the homopolymer, the stretching-induced orientation exerts no memory effect on the photoinduced reorientation, the direction of which is determined by the polarization of the visible light regardless of the mechanically induced orientation direction in the stretched film. Moreover, subsequent thermal annealing in the nematic phase leads to parallel orientation independently of the initial mechanically or photoinduced orientation direction. By contrast, the diblock copolymer displays a strong orientation memory effect. Regardless of the condition used, either for photoinduced reorientation or thermal annealing in the liquid crystalline phase, only the initial stretching-induced perpendicular orientation of azobenzene mesogens can be recovered. The reported findings provide new insight into the different orientation mechanisms, and help understand the important issue of orientation induction and control in azobenzene-containing SCLCPs. The second study presented in this thesis (Chapter 2) deals with supramolecular side-chain liquid crystalline polymers (S-SCLCPs), in which side-group mesogens are linked to the chain backbone through non-covalent interactions such as hydrogen bonding. Little is known about the mechanically induced orientation of mesogens in S-SCLCPs. In contrast to covalent SCLCPs, free-standing, solution-cast thin films of a S-SCLCP, built up with 4-(4’-heptylphenyl) azophenol (7PAP) H-bonded to poly(4-vinyl pyridine) (P4VP), display excellent stretchability. Taking advantage of this finding, we investigated the stretching-induced orientation and the viscoelastic behavior of this S-SCLCP, and the results revealed major differences between supramolecular and covalent SCLCPs. For covalent SCLCPs, the strong coupling between chain backbone and side-group mesogens means that the two constituents can mutually influence each other; the lack of chain entanglements is a manifestation of this coupling effect, which accounts for the difficulty in obtaining freestanding and mechanically stretchable films. Upon elongation of a covalent SCLCP film cast on a supporting film, the mechanical force acts on the coupled polymer backbone and mesogenic side groups, and the latter orients cooperatively and efficiently (high orientation degree), which, in turn, imposes an anisotropic conformation of the chain backbone (low orientation degree). In the case of the S-SCLCP of P4VP-7PAP, the coupling between the side-group mesogens and the chain backbone is much weakened owing to the dynamic dissociation/association of the H-bonds linking the two constituents. The consequence of this decoupling is readily observable from the viscoelastic behavior. The average molecular weight between entanglements is basically unchanged in both the smectic and isotropic phase, and is similar to non-liquid crystalline samples. As a result, the S-SCLCP can easily form freestanding and stretchable films. Furthermore, the stretching induced orientation behavior of P4VP-7PAP is totally different. Stretching in the smectic phase results in a very low degree of orientation of the side-group mesogens even at a large strain (500%), while the orientation of the main chain backbone develops steadily with increasing the strain, much the same way as amorphous polymers. The results imply that upon stretching, the mechanical force is mostly coupled to the polymer backbone and leads to its orientation, while the main chain orientation exerts little effect on orienting the H-bonded mesogenic side groups. This surprising finding is explained by the likelihood that during stretching in the smectic phase (at relatively higher temperatures) the dynamic dissociation of the H-bonds allow the side-group mesogens to be decoupled from the chain backbone and relax quickly. In the third project (Chapter 3), we investigated the shape memory properties of a S-SCLCP prepared by tethering two azobenzene mesogens, namely, 7PAP and 4-(4'-ethoxyphenyl) azophenol (2OPAP), to P4VP through H-bonding. The results revealed that, despite the dynamic nature of the linking H-bonds, the supramolecular SCLCP behaves similarly to covalent SCLCP by exhibiting a two-stage thermally triggered shape recovery process governed by both the glass transition and the LC-isotropic phase transition. The ability for the supramolecular SCLCP to store part of the strain energy above T[subscript g] in the LC phase enables the triple-shape memory property. Moreover, thanks to the azobenzene mesogens used, which can undergo trans-cis photoisomerization, exposure the supramolecular SCLCP to UV light can also trigger the shape recovery process, thus enabling the remote activation and the spatiotemporal control of the shape memory. By measuring the generated contractile force and its removal upon turning on and off the UV light, respectively, on an elongated film under constant strain, it seems that the optically triggered shape recovery stems from a combination of a photothermal effect and an effect of photoplasticization or of an order-disorder phase transition resulting from the trans-cis photoisomerization of azobenzene mesogens.

Manufacturing arbitrarily-shaped active waveguides with liquid crystal cladding

Many photonic devices are based on waveguides (WG) whose optical properties can be externally modified. These active WGs are usually obtained with electrooptic materials in either the propagating film (core) or the substrate (cladding). In the second case, the WG tunability is based on the interaction of the active material with the evanescent field of the propagating beam.Liquid crystals (LCs) are an excellent choice as electrooptic active materials since they feature high birefringence, low switching voltage, and relatively simple manufacturing. In this work, we have explored alternative ways to prepare WGs of arbitrary shapes avoiding photolithographic steps. To do this, we have employed a UV laser unit (Spectra Physics)attached to an xyzCNC system mounted on an optical bench. The laser power is 300mW, the spot size can be reduced slightly below 1 µm, and the electromechanicalpositioning is well below that number.Different photoresinshave been evaluated for curing time and uniformity; the results have been compared to equivalent WGs realized by standard photolithographic procedures. Best results have been obtained with several kinds of NOA adhesives (Norland Products Inc.) and SU8 (Microchem). NOA81 optical adhesive has been employed by several groups for the preparation ofmicrochannels [1] and microfluidic systems[2]. In our case, several NOAs having different refractive indices have been tested in order to optimize light coupling and guiding. The adhesive is spinnedonto a substrate, and a number of segmented WGs are written with the laser system. The laser power is attenuated 20 dB. Then the laser spot is swept a number of times (from 1 to 900) on every segment. It has been found that, for example, the optimum number of sweeps for NOA81 is 30-70 times (center of the figure) under these conditions. The WG dimensions obtained with this procedure are about 7 µm high and 12 µm wide.

Excitonic behaviour in polymeric semiconductors : the effect of morphology and composition in heterostructures

La compréhension des interrelations entre la microstructure et les processus électroniques dans les polymères semi-conducteurs est d’une importance primordiale pour leur utilisation dans des hétérostructures volumiques. Dans cette thèse de doctorat, deux systémes diffèrents sont étudiés ; chacun de ces systèmes représente une approche diffèrente pour optimiser les matériaux en termes de leur microstructure et de leur capacité à se mettre en ordre au niveau moléculaire. Dans le premier système, j’ai effectué une analyse complète des principes de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque hybride à base des nanocristaux d’oxyde de zinc (ZnO) et du poly (3-hexylthiophène) (P3HT) par absorption photoinduite en régime quasi-stationnaire (PIA) et la spectroscopie PIA en pompage modulé dépendant de la fréquence. L’interface entre le donneur (le polymère P3HT) et l’accepteur (les nanoparticules de ZnO), où la génération de charges se produit, joue un rôle important dans la performance des cellules photovoltaïques hybrides. Pour améliorer le mécanisme de génération de charges du P3H: ZnO, il est indispensable de modifier l’interface entre ses constituants. Nous avons démontré que la modification d’interface moléculaire avec cis-bis (4, 40 - dicarboxy-2, 20bipyridine) ruthénium (II) (N3-dye) et a-Sexithiophen-2 yl-phosphonique (6TP) a améliorée le photocourant et la performance dans les cellules P3HT: ZnO. Le 6TP et le N3 s’attachent à l’interface du ZnO, en augmentant ainsi l’aire effective de la surface donneur :accepteur, ce qui contribue à une séparation de charge accrue. De plus, le 6TP et le N3 réduisent la densité de pièges dans le ZnO, ce qui réduit le taux de recombinaison des paires de charges. Dans la deuxième partie, jai introduit une matrice hôte polymérique de polystyréne à masse molaire ulra-élevée, qui se comporte comme un solide pour piéger et protéger une solution de poly [2-méthoxy, 5- (2´-éthyl-hexoxy) -1,4-phénylènevinylène- PPV] (MEHPPV) pour utilisation dans des dispositifs optoèlectroniques quantiques. Des travaux antérieurs ont montré que MEH-PPV en solution subit une transition de conformation, d’une conformation enroulé à haute température (phase bleue) à une conformation de chaîne étendue à basse température (phase rouge). La conformation de la chaîne étendue de la solution MEH-PPV favorise les caractéristiques nécessaires à l’amélioration des dispositifs optoélectroniques quantiques, mais la solution ne peut pas être incorporées dans le dispositif. J’ai démontré que la caractéristique de la phase rouge du MEH-PPV en solution se maintient dans une matrice hôte polymérique de polystyrène transformé de masse molaire très élevée, qui se comporte comme un solide (gel de MEH-PPV/UHMW PS), par le biais de la spectroscopie de photoluminescence (PL) dépendant de la température (de 290K à 80 K). La phase rouge du gel MEH-PPV/UHMW PS se manifeste par des largeurs de raie étroites et une intensité augmentée de la transition 0-0 de la progression vibronique dans le spectre de PL ainsi qu’un petit décalage de Stokes entre la PL et le spectre d’absorption à basse température. Ces approches démontrent que la manipulation de la microstructure et des propriétés électroniques des polymères semi-conducteurs ont un impact direct sur la performance de dispositifs pour leurs développements technologiques continus.

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.