Basis set and electron correlation effects on initial convergence for vibrational nonlinear optical properties of conjugated organic molecules

The level of ab initio theory which is necessary to compute reliable values for the static and dynamic (hyper)polarizabilities of three medium size π-conjugated organic nonlinear optical (NLO) molecules is investigated. With the employment of field-induced coordinates in combination with a finite field procedure, the calculations were made possible. It is stated that to obtain reasonable values for the various individual contributions to the (hyper)polarizability, it is necessary to include electron correlation. Based on the results, the convergence of the usual perturbation treatment for vibrational anharmonicity was examined

Conformations of poly{G}-poly{C} π stacks with high hole mobility

Charge transfer properties of DNA depend strongly on the π stack conformation. In the present paper, we identify conformations of homogeneous poly-{G}-poly-{C} stacks that should exhibit high charge mobility. Two different computational approaches were applied. First, we calculated the electronic coupling squared, V2, between adjacent base pairs for all 1 ps snapshots extracted from 15 ns molecular dynamics trajectory of the duplex G15. The average value of the coupling squared 〈 V2 〉 is found to be 0.0065 eV2. Then we analyze the base-pair and step parameters of the configurations in which V2 is at least an order of magnitude larger than 〈 V2 〉. To obtain more consistent data, ∼65 000 configurations of the (G:C)2 stack were built using systematic screening of the step parameters shift, slide, and twist. We show that undertwisted structures (twist<20°) are of special interest, because the π stack conformations with strong electronic couplings are found for a wide range of slide and shift. Although effective hole transfer can also occur in configurations with twist=30° and 35°, large mutual displacements of neighboring base pairs are required for that. Overtwisted conformation (twist38°) seems to be of limited interest in the context of effective hole transfer. The results may be helpful in the search for DNA based elements for nanoelectronics

Estimates of electronic coupling for excess electron transfer in DNA

Electronic coupling Vda is one of the key parameters that determine the rate of charge transfer through DNA. While there have been several computational studies of Vda for hole transfer, estimates of electronic couplings for excess electron transfer (ET) in DNA remain unavailable. In the paper, an efficient strategy is established for calculating the ET matrix elements between base pairs in a π stack. Two approaches are considered. First, we employ the diabatic-state (DS) method in which donor and acceptor are represented with radical anions of the canonical base pairs adenine-thymine (AT) and guanine-cytosine (GC). In this approach, similar values of Vda are obtained with the standard 6-31 G* and extended 6-31++ G* basis sets. Second, the electronic couplings are derived from lowest unoccupied molecular orbitals (LUMOs) of neutral systems by using the generalized Mulliken-Hush or fragment charge methods. Because the radical-anion states of AT and GC are well reproduced by LUMOs of the neutral base pairs calculated without diffuse functions, the estimated values of Vda are in good agreement with the couplings obtained for radical-anion states using the DS method. However, when the calculation of a neutral stack is carried out with diffuse functions, LUMOs of the system exhibit the dipole-bound character and cannot be used for estimating electronic couplings. Our calculations suggest that the ET matrix elements Vda for models containing intrastrand thymine and cytosine bases are essentially larger than the couplings in complexes with interstrand pyrimidine bases. The matrix elements for excess electron transfer are found to be considerably smaller than the corresponding values for hole transfer and to be very responsive to structural changes in a DNA stack

Charge transfer in DNA: hole charge is confined to a single base pair due to solvation effects

We include solvation effects in tight-binding Hamiltonians for hole states in DNA. The corresponding linear-response parameters are derived from accurate estimates of solvation energy calculated for several hole charge distributions in DNA stacks. Two models are considered: (A) the correction to a diagonal Hamiltonian matrix element depends only on the charge localized on the corresponding site and (B) in addition to this term, the reaction field due to adjacent base pairs is accounted for. We show that both schemes give very similar results. The effects of the polar medium on the hole distribution in DNA are studied. We conclude that the effects of polar surroundings essentially suppress charge delocalization in DNA, and hole states in (GC)n sequences are localized on individual guanines

Analysis of chemical bonding and aromaticity from electronic delocalization descriptors

Interactions between electrons determine the structure and properties of matter from molecules to solids. Therefore, the understanding of the electronic structure of molecules will enable us to extract relevant chemical information. In the first part of this thesis, we focus our attention on the analysis of chemical bonding by means of the Electron Localization Function (ELF) and the Domain-Averaged Fermi Hole analysis (DAFH). In the second part, we assess the performance of some indicators of aromaticity by analyzing their advantages and drawbacks. We propose a series of tests based on well-known aromaticity trends that can be applied to evaluate the aromaticity of current and future indicators of aromaticity in both organic and inorganic species. Moreover, we investigate the nature of electron delocalization in both aromatic and antiaromatic systems in the light of Hückel’s (4n + 2) rule. Finally, we analyze the phenomenon of multiple aromaticity in all-metal clusters.

Índexos de localització i deslocalització derivats de la densitat bielectrònica: anàlisi i aplicacions en estructura molecular, reactivitat química i aromaticitat

La present tesi doctoral s'emmarca dins el camp de la química teòrica i computacional. El primer objectiu, que va ser el de partida, consistia a veure si els índexos bielectrònics derivats de la teoria AIM podien ser útils per estudiar la reorganització electrònica al llarg d'una reacció. De forma paral·lela es va plantejar un objectiu metodològic, el càlcul dels índexos mencionats a altres nivells de teoria, com podia ser DFT o CI. CI. Aquests dos objectius varen portar a molts d'altres, tot i que els principals són: Objectiu 1. Estudi de la reorganització de parells d'electrons al llarg d'una reacció. Objectiu 2. Efecte de la solvatació sobre l'estructura de parells d'electrons d'una molècula. Objectiu 3. Càlcul dels índexos de localització i deslocalització als nivells de teoria del funcional de la densitat i post-Hartree-Fock. Objectiu 4. Caracterització de l'enllaç per pont d'hidrogen per mitjà de l'estructura dels parells d'electrons. Objectiu 5. L'índex de deslocalització: nou criteri electrònic d'aromaticitat.

Estudi dels carotenoides en espècies marrons de bacteris verds del sofre: diversitat, eco-fisiologia i regulació

El present treball es centra en l'estudi a diferents nivells dels carotenoides de les espècies marrons de Bacteris Verds del Sofre (GSB, de l'anglès Green Sulfur Bacteria). L'objectiu global ha estat el d'esbrinar quina és la funció d'aquests pigments dins l'aparell fotosintètic d'aquests microorganismes i aprofundir en el coneixement de la seva estructura i interaccions amb els altres pigments de l'aparell fotosintètic. En primer lloc es va dissenyar un nou mètode de cromatografia líquida d'alta resolució (HPLC) per analitzar de manera més ràpida i precisa els carotenoides de diferents soques de GSB (Capítol 3). Aquest mètode es basa en una purificació prèvia dels extractes pigmentaris amb columnes d'alúmina per eliminar les bacterioclorofil·les (BCls). Això va permetre analitzar amb una elevada resolució i en tan sols 45 min de carrera cromatogràfica els diferents carotenoides i els seus precursors, així com les configuracions trans i cis dels seus isòmers. El segon mètode utilitzat va consistir en una modificació del mètode de Borrego i Garcia-Gil (1994) i va permetre la separació precisa de tot tipus de pigments, procedents tant de cultius purs com de mostres de caràcter complex. Un exemple concret foren uns paleosediments de la zona lacustre de Banyoles. En aquests sediments (0,7-1,5 milions d'anys d'antiguitat) es van detectar, entre d'altres pigments, carotenoides específics de les espècies marrons de GSB, la qual cosa va permetre confirmar la presència d'aquests bacteris a la zona lacustre de Banyoles ja des del Pleistocè inferior. En aquest primer capítol també es van analitzar els carotenoides de Chlorobium (Chl.) phaeobacteroides CL1401 mitjançant cromatografia líquida acoblada a espectrometria de masses (LC-MS/MS), amb l'objectiu de confirmar la seva identificació i el seu pes molecular. A més, també es va avaluar l'efecte de la temperatura, la llum i diferents agents oxidants i reductors en la composició quantitativa i qualitativa dels carotenoides i les BCls d'aquesta espècie. Això va permetre confirmar el caràcter fotosensible de les BCls i que els isòmers trans/cis dels diferents carotenoides no són artefactes produïts durant la manipulació de les mostres, sinó que són constitutius de l'aparell fotosintètic d'aquests microorganismes. El Capítol 4 inclou els experiments de fisiologia duts a terme amb algunes espècies de GSB, a partir dels quals es va intentar esbrinar la dinàmica de síntesi dels diferents pigments de l'aparell fotosintètic (BCl antena, BCl a i carotenoides) durant el creixement d'aquestes espècies. Aquestes investigacions van permetre monitoritzar també els canvis en el nombre de centres de reacció (CR) durant el procés d'adaptació lumínica. La determinació experimental del nombre de CR es va realitzar a partir de la quantificació de la BCl663, l'acceptor primari en la cadena de transport d'electrons dels GSB. L'estimació del nombre de CR/clorosoma es va realitzar tant a partir de dades estequiomètriques i biomètriques presents a la bibliografia, com a partir de les dades experimentals obtingudes en el present treball. El bon ajust obtingut entre les diferents estimacions va donar solidesa al valor estequiomètric calculat, que fou, com a promig, d'uns 70 CR per clorosoma. En aquest capítol de fisiologia també es van estudiar les variacions en les relacions trans/cis pels principals carotenoides de les espècies marrons de GSB. Aquestes es van determinar a partir de cultius purs de laboratori i de poblacions naturals de GSB. Pel que fa als valors trobats en cultius de laboratori no es van observar diferències destacades entre el valor calculat a alta intensitat de llum i el calculat a baixa intensitat, essent en ambdós casos proper a 2. En els clorosomes aïllats de diferents soques marrons aquest quocient prengué un valor similar tant pels isòmers de l'isorenieratè (Isr) com pels del -isorenieratè (-Isr). En poblacions naturals de Chl. phaeobacteroides aquesta relació va ser també de 2 isòmers trans per cada isòmer cis, mantenint-se constant tant en fondària com al llarg del temps. Finalment, en el Capítol 5 es presenta un marcador molecular que permet la identificació específica d'espècies marrons de GSB. Malgrat que inicialment aquest marcador fou dissenyat a partir d'un gen implicat en la síntesi de carotenoides (crtY, el qual codifica per a una licopè ciclasa) la seqüència final a partir de la qual s'han aconseguit els encebadors selectius està relacionada amb la família de proteïnes de les Policètid-ceto-sintases (PKT). Tot i així, l'eina dissenyada pot ser de gran utilitat per a la discriminació d'espècies marrons de GSB respecte les verdes en poblacions mixtes com les que es troben en ambients naturals i obre la porta a futurs experiments d'ecologia microbiana utilitzant tècniques com la PCR en temps real, que permetria la monitorització selectiva de les poblacions d'espècies marrons de GSB en ecosistemes naturals.

Desenvolupament, implementació i aplicació de noves metodologies per a l'estudi de la reactivitat química i de les propietats òptiques no lineals

El coneixement de la superfície d'energia potencial (PES) ha estat essencial en el món de la química teòrica per tal de discutir tant la reactivitat química com l'estructura i l'espectroscòpia molecular. En el camp de la reactivitat química es hem proposat continuar amb el desenvolupament de nova metodologia dins el marc de la teoria del funcional de la densitat conceptual. En particular aquesta tesis es centrarà en els següents punts: a) El nombre i la naturalesa dels seus punts estacionaris del PES poden sofrir canvis radicals modificant el nivell de càlcul utilitzats, de tal manera que per estar segurs de la seva naturalesa cal anar a nivells de càlcul molt elevats. La duresa és una mesura de la resistència d'un sistema químic a canviar la seva configuració electrònica, i segons el principi de màxima duresa on hi hagi un mínim o un màxim d'energia trobarem un màxim o un mínim de duresa, respectivament. A l'escollir tot un conjunt de reaccions problemàtiques des del punt de vista de presència de punts estacionaris erronis, hem observat que els perfils de duresa són més independents de la base i del mètode utilitzats, a més a més sempre presenten el perfil correcte. b) Hem desenvolupat noves expressions basades en les integracions dels kernels de duresa per tal de determinar la duresa global d'una molècula de manera més precisa que la utilitzada habitualment que està basada en el càlcul numèric de la derivada segona de l'energia respecte al número d'electrons. c) Hem estudiat la validesa del principis de màxima duresa i de mínima polaritzabiliat en les vibracions asimètriques en sistemes aromàtics. Hem trobat que per aquests sistemes alguns modes vibracionals incompleixen aquests principis i hem analitzat la relació d'aquest l'incompliment amb l'efecte de l'acoblament pseudo-Jahn-Teller. A més a més, hem postulat tot un conjunt de regles molt senzilles que ens permetien deduir si una molècula compliria o no aquests principis sense la realització de cap càlcul previ. Tota aquesta informació ha estat essencial per poder determinar exactament quines són les causes del compliment o l'incompliment del MHP i MPP. d) Finalment, hem realitzat una expansió de l'energia funcional en termes del nombre d'electrons i de les coordenades normals dintre del conjunt canònic. En la comparació d'aquesta expansió amb l'expansió de l'energia del nombre d'electrons i del potencial extern hem pogut recuperar d'una altra forma diferent tot un conjunt de relacions ja conegudes entre alguns coneguts descriptors de reactivitat del funcional de la densitat i en poden establir tot un conjunt de noves relacions i de nous descriptors. Dins del marc de les propietats moleculars es proposa generalitzar i millorar la metodologia pel càlcul de la contribució vibracional (Pvib) a les propietats òptiques no lineals (NLO). Tot i que la Pvib no s'ha tingut en compte en la majoria dels estudis teòrics publicats de les propietats NLO, recentment s'ha comprovat que la Pvib de diversos polímers orgànics amb altes propietats òptiques no lineals és fins i tot més gran que la contribució electrònica. Per tant, tenir en compte la Pvib és essencial en el disseny dels nous materials òptics no lineals utilitzats en el camp de la informàtica, les telecomunicacions i la tecnologia làser. Les principals línies d'aquesta tesis sobre aquest tema són: a) Hem calculat per primera vegada els termes d'alt ordre de Pvib de diversos polímers orgànics amb l'objectiu d'avaluar la seva importància i la convergència de les sèries de Taylor que defineixen aquestes contribucions vibracionals. b) Hem avaluat les contribucions electròniques i vibracionals per una sèrie de molècules orgàniques representatives utilitzant diferents metodologies, per tal de poder de determinar quina és la manera més senzilla per poder calcular les propietats NLO amb una precisió semiquantitativa.

Suprathermal electron evolution in a Parker spiral magnetic field

Suprathermal electrons (>70 eV) form a small fraction of the total solar wind electron density but serve as valuable tracers of heliospheric magnetic field topology. Their usefulness as tracers of magnetic loops with both feet rooted on the Sun, however, most likely fades as the loops expand beyond some distance owing to scattering. As a first step toward quantifying that distance, we construct an observationally constrained model for the evolution of the suprathermal electron pitch-angle distributions on open field lines. We begin with a near-Sun isotropic distribution moving antisunward along a Parker spiral magnetic field while conserving magnetic moment, resulting in a field-aligned strahl within a few solar radii. Past this point, the distribution undergoes little evolution with heliocentric distance. We then add constant (with heliocentric distance, energy, and pitch angle) ad-hoc pitch-angle scattering. Close to the Sun, pitch-angle focusing still dominates, again resulting in a narrow strahl. Farther from the Sun, however, pitch-angle scattering dominates because focusing is effectively weakened by the increasing angle between the magnetic field direction and intensity gradient, a result of the spiral field. We determine the amount of scattering required to match Ulysses observations of strahl width in the fast solar wind, providing an important tool for inferring the large-scale properties and topologies of field lines in the interplanetary medium. Although the pitch-angle scattering term is independent of energy, time-of-flight effects in the spiral geometry result in an energy dependence of the strahl width that is in the observed sense although weaker in magnitude.

Reconciling the electron counterstreaming and dropout occurrence rates with the heliospheric flux budget

Counterstreaming electrons (CSEs) are treated as signatures of closed magnetic flux, i.e., loops connected to the Sun at both ends. However, CSEs at 1 AU likely fade as the apex of a closed loop passes beyond some distance R, owing to scattering of the sunward beam along its continually increasing path length. The remaining antisunward beam at 1 AU would then give a false signature of open flux. Subsequent opening of a loop at the Sun by interchange reconnection with an open field line would produce an electron dropout (ED) at 1 AU, as if two open field lines were reconnecting to completely disconnect from the Sun. Thus EDs can be signatures of interchange reconnection as well as the commonly attributed disconnection. We incorporate CSE fadeout into a model that matches time-varying closed flux from interplanetary coronal mass ejections (ICMEs) to the solar cycle variation in heliospheric flux. Using the observed occurrence rate of CSEs at solar maximum, the model estimates R ∼ 8–10 AU. Hence we demonstrate that EDs should be much rarer than CSEs at 1 AU, as EDs can only be detected when the juncture points of reconnected field lines lie sunward of the detector, whereas CSEs continue to be detected in the legs of all loops that have expanded beyond the detector, out to R. We also demonstrate that if closed flux added to the heliosphere by ICMEs is instead balanced by disconnection elsewhere, then ED occurrence at 1 AU would still be rare, contrary to earlier expectations.

Understanding electron heat flux signatures in the solar wind

Suprathermal electrons (E > 80 eV) carry heat flux away from the Sun. Processes controlling the heat flux are not well understood. To gain insight into these processes, we model heat flux as a linear dependence on two independent parameters: electron number flux and electron pitch angle anisotropy. Pitch angle anisotropy is further modeled as a linear dependence on two solar wind components: magnetic field strength and plasma density. These components show no correlation with number flux, reinforcing its independence from pitch angle anisotropy. Multiple linear regression applied to 2 years of Wind data shows good correspondence between modeled and observed heat flux and anisotropy. The results suggest that the interplay of solar wind parameters and electron number flux results in distinctive heat flux dropouts at heliospheric features like plasma sheets but that these parameters continuously modify heat flux. This is inconsistent with magnetic disconnection as the primary cause of heat flux dropouts. Analysis of fast and slow solar wind regimes separately shows that electron number flux and pitch angle anisotropy are equally correlated with heat flux in slow wind but that number flux is the dominant correlative in fast wind. Also, magnetic field strength correlates better with pitch angle anisotropy in slow wind than in fast wind. The energy dependence of the model fits suggests different scattering processes in fast and slow wind.

Intermittent release of transients in the slow solar wind: 2. In situ evidence

In paper 1, we showed that the Heliospheric Imager (HI) instruments on the pair of NASA STEREO spacecraft can be used to image the streamer belt and, in particular, the variability of the slow solar wind which originates near helmet streamers. The observation of intense intermittent transient outflow by HI implies that the corresponding in situ observations of the slow solar wind and corotating interaction regions (CIRs) should contain many signatures of transients. In the present paper, we compare the HI observations with in situ measurements from the STEREO and ACE spacecraft. Analysis of the solar wind ion, magnetic field, and suprathermal electron flux measurements from the STEREO spacecraft reveals the presence of both closed and partially disconnected interplanetary magnetic field lines permeating the slow solar wind. We predict that one of the transients embedded within the second CIR (CIR‐D in paper 1) should impact the near‐Earth ACE spacecraft. ACE measurements confirm the presence of a transient at the time of CIR passage; the transient signature includes helical magnetic fields and bidirectional suprathermal electrons. On the same day, a strahl electron dropout is observed at STEREO‐B, correlated with the passage of a high plasma beta structure. Unlike ACE, STEREO‐B observes the transient a few hours ahead of the CIR. STEREO‐A, STEREO‐B, and ACE spacecraft observe very different slow solar wind properties ahead of and during the CIR analyzed in this paper, which we associate with the intermittent release of transients.

A solar storm observed from the Sun to Venus using the STEREO, Venus Express, and MESSENGER spacecraft

The suite of SECCHI optical imaging instruments on the STEREO-A spacecraft is used to track a solar storm, consisting of several coronal mass ejections (CMEs) and other coronal loops, as it propagates from the Sun into the heliosphere during May 2007. The 3-D propagation path of the largest interplanetary CME (ICME) is determined from the observations made by the SECCHI Heliospheric Imager (HI) on STEREO-A (HI-1/2A). Two parts of the CME are tracked through the SECCHI images, a bright loop and a V-shaped feature located at the rear of the event. We show that these two structures could be the result of line-of-sight integration of the light scattered by electrons located on a single flux rope. In addition to being imaged by HI, the CME is observed simultaneously by the plasma and magnetic field experiments on the Venus Express and MESSENGER spacecraft. The imaged loop and V-shaped structure bound, as expected, the flux rope observed in situ. The SECCHI images reveal that the leading loop-like structure propagated faster than the V-shaped structure, and a decrease in in situ CME speed occurred during the passage of the flux rope.We interpret this as the result of the continuous radial expansion of the flux rope as it progressed outward through the interplanetary medium. An expansion speed in the radial direction of ~30 km s-1 is obtained directly from the SECCHI-HI images and is in agreement with the difference in speed of the two structures observed in situ. This paper shows that the flux rope location can be determined from white light images, which could have important space weather applications.

A multispacecraft analysis of a small-scale transient entrained by solar wind streams

The images taken by the Heliospheric Imagers (HIs), part of the SECCHI imaging package onboard the pair of STEREO spacecraft, provide information on the radial and latitudinal evolution of the plasma compressed inside corotating interaction regions (CIRs). A plasma density wave imaged by the HI instrument onboard STEREO-B was found to propagate towards STEREO-A, enabling a comparison between simultaneous remotesensing and in situ observations of its structure to be performed. In situ measurements made by STEREO-A show that the plasma density wave is associated with the passage of a CIR. The magnetic field compressed after the CIR stream interface (SI) is found to have a planar distribution. Minimum variance analysis of the magnetic field vectors shows that the SI is inclined at 54° to the orbital plane of the STEREO-A spacecraft. This inclination of the CIR SI is comparable to the inclination of the associated plasma density wave observed by HI. A small-scale magnetic cloud with a flux rope topology and radial extent of 0.08 AU is also embedded prior to the SI. The pitch-angle distribution of suprathermal electrons measured by the STEREO-A SWEA instrument shows that an open magnetic field topology in the cloud replaced the heliospheric current sheet locally. These observations confirm that HI observes CIRs in difference images when a small-scale transient is caught up in the compression region.

An optical study of multiple NEIAL events driven by low energy electron precipitation

Optical data are compared with EISCAT radar observations of multiple Naturally Enhanced Ion-Acoustic Line (NEIAL) events in the dayside cusp. This study uses narrow field of view cameras to observe small-scale, short-lived auroral features. Using multiple-wavelength optical observations, a direct link between NEIAL occurrences and low energy (about 100 eV) optical emissions is shown. This is consistent with the Langmuir wave decay interpretation of NEIALs being driven by streams of low-energy electrons. Modelling work connected with this study shows that, for the measured ionospheric conditions and precipitation characteristics, growth of unstable Langmuir (electron plasma) waves can occur, which decay into ion-acoustic wave modes. The link with low energy optical emissions shown here, will enable future studies of the shape, extent, lifetime, grouping and motions of NEIALs.