Novel porphyrin amino acids as building blocks for artificial photosynthetic reaction centers : photoinduced energy and electron transfer

This thesis reports on the synthesis and characterisation of trans-(M)AB2C meso-substituted porphyrin amino acid esters (PAr) (M = 2H or Zn) with tunable electron donating and electron withdrawing Ar substituents at B positions (Ar = 4-C6H4OnBu, 4-C6H4OMe, 2,4,6-C6H2Me3, 4-C6H4Me, C6H5, 4-C6H4F, 4-C6H4CF3, C6F5). These porphyrins were used as key building blocks for photosynthetic LHC (LHC = light-harvesting antenna complex) and RC (RC = reaction center) model compounds.rnBased on free-base or zinc(II) porphyrin amino acid esters and porphyrin acids several amide linked free-base bis(porphyrins) PAr1-PAr2 (Ar1 = 2,4,6-C6H2Me3, C6F5 and Ar2 = 2,4,6-C6H2Me3, 4-C6H4F, 4-C6H4CF3, C6F5), mono metallated bis(porphyrin) PAr1-(Zn)PAr2 (Ar1 = 2,4,6-C6H2Me3 and Ar2 =4-C6H4F) and its doubly zincated complexes (Zn)PAr1-(Zn)PAr2 were prepared. In the fluorescence spectra of free-base bis(porphyrins) the porphyrin with the strongest electron donating power of Ar substituents at B positions is the light emitting unity. The emission of mono metallated bis(porphyrin) occurs only from the free-base porphyrin building block. This phenomenon is caused by an efficient energy transfer likely via the Dexter through-bond mechanism.rnLinking of anthraquinone (Q) as electron acceptor (A) to the N-terminus of porphyrin amino acid esters ((M)PAr) and aminoferrocene (Fc) as electron donor (D) to the C-terminus of the porphyrin resulting in Q-(M)PAr-Fc triads (M = 2H or Zn, Ar = 4-C6H4OnBu, 4-C6H4OMe, 2,4,6-C6H2Me3, 4-C6H4Me, C6H5, 4-C6H4F, 4-C6H4CF3, C6F5) with tunable electron density at the porphyrin chromophore. In these triads initial oxidative PET (Q←(M)PAr) and reductive PET ((M)PAr→Fc) (PET = photoinduced electron transfer) are possible. Both processes leads to an emission quenching of (M)PAr. The efficiency of the PET pathways occurring in the Marcus normal region is controlled by the specific porphyrin electron density.rnAmide-linked conjugates PAr-Fc (Ar = 2,4,6-C6H2Me3, C6F5) and Fmoc-Fc-PAr1 (N-Fmoc-Fc = N-Fmoc protected 1,1’-ferrocene amino acid; Ar1 = C6H5, 4-C6H4F, 4-C6H4CF3, C6F5) as well as hinges PAr2-Fc-PAr1 (Ar1 = C6H5, 4-C6H4F and Ar2 = 2,4,6-C6H2Me3) were studied with respect to the reductive PET. The PET driving force (−GET) in dyads increases with the increasing electron withdrawing character of Ar substituents. Additionally, intramolecular energy transfer between porphyrins PAr1 and PAr2 is feasible in the hinges via the Förster mechanism.rn

Dynamic distance analysis : new geometric data structures and algorithms for the real-time calculation of tolerance violating regions in the digital mockup process

In vielen Industriezweigen, zum Beispiel in der Automobilindustrie, werden Digitale Versuchsmodelle (Digital MockUps) eingesetzt, um die Konstruktion und die Funktion eines Produkts am virtuellen Prototypen zu überprüfen. Ein Anwendungsfall ist dabei die Überprüfung von Sicherheitsabständen einzelner Bauteile, die sogenannte Abstandsanalyse. Ingenieure ermitteln dabei für bestimmte Bauteile, ob diese in ihrer Ruhelage sowie während einer Bewegung einen vorgegeben Sicherheitsabstand zu den umgebenden Bauteilen einhalten. Unterschreiten Bauteile den Sicherheitsabstand, so muss deren Form oder Lage verändert werden. Dazu ist es wichtig, die Bereiche der Bauteile, welche den Sicherhabstand verletzen, genau zu kennen. rnrnIn dieser Arbeit präsentieren wir eine Lösung zur Echtzeitberechnung aller den Sicherheitsabstand unterschreitenden Bereiche zwischen zwei geometrischen Objekten. Die Objekte sind dabei jeweils als Menge von Primitiven (z.B. Dreiecken) gegeben. Für jeden Zeitpunkt, in dem eine Transformation auf eines der Objekte angewendet wird, berechnen wir die Menge aller den Sicherheitsabstand unterschreitenden Primitive und bezeichnen diese als die Menge aller toleranzverletzenden Primitive. Wir präsentieren in dieser Arbeit eine ganzheitliche Lösung, welche sich in die folgenden drei großen Themengebiete unterteilen lässt.rnrnIm ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir Algorithmen, die für zwei Dreiecke überprüfen, ob diese toleranzverletzend sind. Hierfür präsentieren wir verschiedene Ansätze für Dreiecks-Dreiecks Toleranztests und zeigen, dass spezielle Toleranztests deutlich performanter sind als bisher verwendete Abstandsberechnungen. Im Fokus unserer Arbeit steht dabei die Entwicklung eines neuartigen Toleranztests, welcher im Dualraum arbeitet. In all unseren Benchmarks zur Berechnung aller toleranzverletzenden Primitive beweist sich unser Ansatz im dualen Raum immer als der Performanteste.rnrnDer zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit Datenstrukturen und Algorithmen zur Echtzeitberechnung aller toleranzverletzenden Primitive zwischen zwei geometrischen Objekten. Wir entwickeln eine kombinierte Datenstruktur, die sich aus einer flachen hierarchischen Datenstruktur und mehreren Uniform Grids zusammensetzt. Um effiziente Laufzeiten zu gewährleisten ist es vor allem wichtig, den geforderten Sicherheitsabstand sinnvoll im Design der Datenstrukturen und der Anfragealgorithmen zu beachten. Wir präsentieren hierzu Lösungen, die die Menge der zu testenden Paare von Primitiven schnell bestimmen. Darüber hinaus entwickeln wir Strategien, wie Primitive als toleranzverletzend erkannt werden können, ohne einen aufwändigen Primitiv-Primitiv Toleranztest zu berechnen. In unseren Benchmarks zeigen wir, dass wir mit unseren Lösungen in der Lage sind, in Echtzeit alle toleranzverletzenden Primitive zwischen zwei komplexen geometrischen Objekten, bestehend aus jeweils vielen hunderttausend Primitiven, zu berechnen. rnrnIm dritten Teil präsentieren wir eine neuartige, speicheroptimierte Datenstruktur zur Verwaltung der Zellinhalte der zuvor verwendeten Uniform Grids. Wir bezeichnen diese Datenstruktur als Shrubs. Bisherige Ansätze zur Speicheroptimierung von Uniform Grids beziehen sich vor allem auf Hashing Methoden. Diese reduzieren aber nicht den Speicherverbrauch der Zellinhalte. In unserem Anwendungsfall haben benachbarte Zellen oft ähnliche Inhalte. Unser Ansatz ist in der Lage, den Speicherbedarf der Zellinhalte eines Uniform Grids, basierend auf den redundanten Zellinhalten, verlustlos auf ein fünftel der bisherigen Größe zu komprimieren und zur Laufzeit zu dekomprimieren.rnrnAbschießend zeigen wir, wie unsere Lösung zur Berechnung aller toleranzverletzenden Primitive Anwendung in der Praxis finden kann. Neben der reinen Abstandsanalyse zeigen wir Anwendungen für verschiedene Problemstellungen der Pfadplanung.

Efficient subsequence alignment of time series

Zeitreihen sind allgegenwärtig. Die Erfassung und Verarbeitung kontinuierlich gemessener Daten ist in allen Bereichen der Naturwissenschaften, Medizin und Finanzwelt vertreten. Das enorme Anwachsen aufgezeichneter Datenmengen, sei es durch automatisierte Monitoring-Systeme oder integrierte Sensoren, bedarf außerordentlich schneller Algorithmen in Theorie und Praxis. Infolgedessen beschäftigt sich diese Arbeit mit der effizienten Berechnung von Teilsequenzalignments. Komplexe Algorithmen wie z.B. Anomaliedetektion, Motivfabfrage oder die unüberwachte Extraktion von prototypischen Bausteinen in Zeitreihen machen exzessiven Gebrauch von diesen Alignments. Darin begründet sich der Bedarf nach schnellen Implementierungen. Diese Arbeit untergliedert sich in drei Ansätze, die sich dieser Herausforderung widmen. Das umfasst vier Alignierungsalgorithmen und ihre Parallelisierung auf CUDA-fähiger Hardware, einen Algorithmus zur Segmentierung von Datenströmen und eine einheitliche Behandlung von Liegruppen-wertigen Zeitreihen.rnrnDer erste Beitrag ist eine vollständige CUDA-Portierung der UCR-Suite, die weltführende Implementierung von Teilsequenzalignierung. Das umfasst ein neues Berechnungsschema zur Ermittlung lokaler Alignierungsgüten unter Verwendung z-normierten euklidischen Abstands, welches auf jeder parallelen Hardware mit Unterstützung für schnelle Fouriertransformation einsetzbar ist. Des Weiteren geben wir eine SIMT-verträgliche Umsetzung der Lower-Bound-Kaskade der UCR-Suite zur effizienten Berechnung lokaler Alignierungsgüten unter Dynamic Time Warping an. Beide CUDA-Implementierungen ermöglichen eine um ein bis zwei Größenordnungen schnellere Berechnung als etablierte Methoden.rnrnAls zweites untersuchen wir zwei Linearzeit-Approximierungen für das elastische Alignment von Teilsequenzen. Auf der einen Seite behandeln wir ein SIMT-verträgliches Relaxierungschema für Greedy DTW und seine effiziente CUDA-Parallelisierung. Auf der anderen Seite führen wir ein neues lokales Abstandsmaß ein, den Gliding Elastic Match (GEM), welches mit der gleichen asymptotischen Zeitkomplexität wie Greedy DTW berechnet werden kann, jedoch eine vollständige Relaxierung der Penalty-Matrix bietet. Weitere Verbesserungen umfassen Invarianz gegen Trends auf der Messachse und uniforme Skalierung auf der Zeitachse. Des Weiteren wird eine Erweiterung von GEM zur Multi-Shape-Segmentierung diskutiert und auf Bewegungsdaten evaluiert. Beide CUDA-Parallelisierung verzeichnen Laufzeitverbesserungen um bis zu zwei Größenordnungen.rnrnDie Behandlung von Zeitreihen beschränkt sich in der Literatur in der Regel auf reellwertige Messdaten. Der dritte Beitrag umfasst eine einheitliche Methode zur Behandlung von Liegruppen-wertigen Zeitreihen. Darauf aufbauend werden Distanzmaße auf der Rotationsgruppe SO(3) und auf der euklidischen Gruppe SE(3) behandelt. Des Weiteren werden speichereffiziente Darstellungen und gruppenkompatible Erweiterungen elastischer Maße diskutiert.

Excited-state dynamics in donor-acceptor systems for energy conversion

In dieser Arbeit werden die Dynamiken angeregter Zustände in Donor-Akzeptorsystemen für Energieumwandlungsprozesse mit ultraschneller zeitaufgelöster optischer Spektroskopie behandelt. Der Hauptteil dieser Arbeit legt den Fokus auf die Erforschung der Photophysik organischer Solarzellen, deren aktive Schichten aus diketopyrrolopyrrole (DPP) basierten Polymeren mit kleiner Bandlücke als Elektronendonatoren und Fullerenen als Elektronenakzeptoren bestehen. rnEin zweiter Teil widmet sich der Erforschung von künstlichen primären Photosynthesereaktionszentren, basierend auf Porphyrinen, Quinonen und Ferrocenen, die jeweils als Lichtsammeleinheit, Elektronenakzeptor beziehungsweise als Elektronendonatoren eingesetzt werden, um langlebige ladungsgetrennte Zustände zu erzeugen.rnrnZeitaufgelöste Photolumineszenzspektroskopie und transiente Absorptionsspektroskopie haben gezeigt, dass Singulettexzitonenlebenszeiten in den Polymeren PTDPP-TT und PFDPP-TT Polymeren kurz sind (< 20 ps) und dass in Mischungen der Polymere mit PC71BM geminale Rekombination von gebundenen Ladungstransferzuständen ein Hauptverlustkanal ist. Zudem wurde in beiden Systemen schnelle nichtgeminale Rekombination freier Ladungen zu Triplettzuständen auf dem Polymer beobachtet. Für das Donor-Akzeptor System PDPP5T:PC71BM wurde nachgewiesen, dass die Zugabe eines Lösungsmittels mit hohem Siedepunkt, und zwar ortho-Dichlorbenzol, die Morphologie der aktiven Schicht stark beeinflusst und die Solarzelleneffizienz verbessert. Der Grund hierfür ist, dass die Donator- und Akzeptormaterialien besser durchmischt sind und sich Perkolationswege zu den Elektroden ausgebildet haben, was zu einer verbesserten Ladungsträgergeneration und Extraktion führt. Schnelle Bildung des Triplettzustands wurde in beiden PDPP5T:PC71BM Systemen beobachtet, da der Triplettzustand des Polymers über Laungstransferzustände mit Triplettcharakter populiert werden kann. "Multivariate curve resolution" (MCR) Analyse hat eine starke Intensitätsabhängigkeit gezeigt, was auf nichtgeminale Ladungsträgerrekombination in den Triplettzustand hinweist.rnrnIn den künstlichen primären Photosynthesereaktionszentren hat transiente Absorptionsspektroskopie bestätigt, dass photoinduzierter Ladungstransfer in Quinon-Porphyrin (Q-P) und Porphyrin-Ferrocen (P-Fc) Diaden sowie in Quinon-Porphyrin-Ferrocen (Q-P-Fc) Triaden effizient ist. Es wurde jedoch auch gezeigt, dass in den P-Fc unf Q-P-Fc Systemen die ladungsgetrennten Zustände in den Triplettzustand der jeweiligen Porphyrine rekombinieren. Der ladungsgetrennte Zustand konnte in der Q-P Diade durch Zugabe einer Lewissäure signifikant stabilisiert werden.

VMC++ validation for photon beams in the energy range of 20-1000 keV

In high energy teletherapy, VMC++ is known to be a very accurate and efficient Monte Carlo (MC) code. In principle, the MC method is also a powerful dose calculation tool in other areas in radiation oncology, e.g., brachytherapy or orthovoltage radiotherapy. However, VMC++ is not validated for the low-energy range of such applications. This work aims in the validation of the VMC++ MC code for photon beams in the energy range between 20 and 1000 keV.

Efficient and Accurate Characterization of the Bergman Cyclization for an Expanded Substructure of Esperamicin A1

Incorporation of enediynes into anticancer drugs remains an intriguing yet elusive strategy for the design of therapeutically active agents. Density functional theory was used to locate reactants, products, and transition states along the Bergman cyclization pathways connecting enediynes to reactive para-biradicals. Sum method correction to low-level calculations confirmed B3LYP/6-31G(d,p) as the method of choice in investigating enediynes. Herein described as MI:Sum, calculated reaction enthalpies differed from experiment by an average of 2.1 kcal·mol−1 (mean unsigned error). A combination of strain energy released across the reaction coordinate and the critical intramolecular distance between reacting diynes explains reactivity differences. Where experimental and calculated barrier heights are in disagreement, higher level multireference treatment of the enediynes confirms lower level estimates. Previous work concerning the chemically reactive fragment of esperamcin, MTC, is expanded to our model system MTC2.

A Computationally Efficient Procedure for Modeling the First Step in the Alkaline Hydrolysis of Esters

A computationally efficient procedure for modeling the alkaline hydrolysis of esters is proposed based on calculations performed on methyl acetate and methyl benzoate systems. Extensive geometry and energy comparisons were performed on the simple ester methyl acetate. The effectiveness of performing high level single point ab initio energy calculations on the geometries obtained from semiempirical and ab initio methods was determined. The AM1 and PM3 semiempirical methods are evaluated for their ability to model the transition states and intermediates for ester hydrolysis. The Cramer/Truhlar SM3 solvation method was used to determine activation energies. The most computationally efficient way to model the transition states of large esters is to use the PM3 method. The PM3 transition structure can then be used as a template for the design of haptens capable of inducing catalytic antibodies.

Efficient computation of discrete polynomial transforms

This letter presents a new recursive method for computing discrete polynomial transforms. The method is shown for forward and inverse transforms of the Hermite, binomial, and Laguerre transforms. The recursive flow diagrams require only 2 additions, 2( +1) memory units, and +1multipliers for the +1-point Hermite and binomial transforms. The recursive flow diagram for the +1-point Laguerre transform requires 2 additions, 2( +1) memory units, and 2( +1) multipliers. The transform computation time for all of these transforms is ( )

A New Reactor Concept for Efficient Solar-Thermochemical Fuel Production

We describe and analyze the efficiency of a new solar-thermochemical reactor concept, which employs a moving packed bed of reactive particles produce of H2 or CO from solar energy and H2O or CO2. The packed bed reactor incorporates several features essential to achieving high efficiency: spatial separation of pressures, temperature, and reaction products in the reactor; solid–solid sensible heat recovery between reaction steps; continuous on-sun operation; and direct solar illumination of the working material. Our efficiency analysis includes material thermodynamics and a detailed accounting of energy losses, and demonstrates that vacuum pumping, made possible by the innovative pressure separation approach in our reactor, has a decisive efficiency advantage over inert gas sweeping. We show that in a fully developed system, using CeO2 as a reactive material, the conversion efficiency of solar energy into H2 and CO at the design point can exceed 30%. The reactor operational flexibility makes it suitable for a wide range of operating conditions, allowing for high efficiency on an annual average basis. The mixture of H2 and CO, known as synthesis gas, is not only usable as a fuel but is also a universal starting point for the production of synthetic fuels compatible with the existing energy infrastructure. This would make it possible to replace petroleum derivatives used in transportation in the U.S., by using less than 0.7% of the U.S. land area, a roughly two orders of magnitude improvement over mature biofuel approaches. In addition, the packed bed reactor design is flexible and can be adapted to new, better performing reactive materials.

Thermal Energy Storage for Solar Power Production

Solar energy is the most abundant persistent energy resource. It is also an intermittent one available for only a fraction of each day while the demand for electric power never ceases. To produce a significant amount of power at the utility scale, electricity generated from solar energy must be dispatchable and able to be supplied in response to variations in demand. This requires energy storage that serves to decouple the intermittent solar resource from the load and enables around-the-clock power production from solar energy. Practically, solar energy storage technologies must be efficient as any energy loss results in an increase in the amount of required collection hardware, the largest cost in a solar electric power system. Storing solar energy as heat has been shown to be an efficient, scalable, and relatively low-cost approach to providing dispatchable solar electricity. Concentrating solar power systems that include thermal energy storage (TES) use mirrors to focus sunlight onto a heat exchanger where it is converted to thermal energy that is carried away by a heat transfer fluid and used to drive a conventional thermal power cycle (e.g., steam power plant), or stored for later use. Several approaches to TES have been developed and can generally be categorized as either thermophysical (wherein energy is stored in a hot fluid or solid medium or by causing a phase change that can later be reversed to release heat) or thermochemical (in which energy is stored in chemical bonds requiring two or more reversible chemical reactions).

A New Reactor Concept for Efficient Solar-Thermochemical Fuel Production

We describe and analyze the efficiency of a new solar-thermochemical reactor concept, which employs a moving packed bed of reactive particles produce of H-2 or CO from solar energy and H2O or CO2. The packed bed reactor incorporates several features essential to achieving high efficiency: spatial separation of pressures, temperature, and reaction products in the reactor; solid-solid sensible heat recovery between reaction steps; continuous on-sun operation; and direct solar illumination of the working material. Our efficiency analysis includes material thermodynamics and a detailed accounting of energy losses, and demonstrates that vacuum pumping, made possible by the innovative pressure separation approach in our reactor, has a decisive efficiency advantage over inert gas sweeping. We show that in a fully developed system, using CeO2 as a reactive material, the conversion efficiency of solar energy into H-2 and CO at the design point can exceed 30%. The reactor operational flexibility makes it suitable for a wide range of operating conditions, allowing for high efficiency on an annual average basis. The mixture of H-2 and CO, known as synthesis gas, is not only usable as a fuel but is also a universal starting point for the production of synthetic fuels compatible with the existing energy infrastructure. This would make it possible to replace petroleum derivatives used in transportation in the U. S., by using less than 0.7% of the U. S. land area, a roughly two orders of magnitude improvement over mature biofuel approaches. In addition, the packed bed reactor design is flexible and can be adapted to new, better performing reactive materials.

High Resolution Image Correspondences for Video Post-Production

We present an algorithm for estimating dense image correspondences. Our versatile approach lends itself to various tasks typical for video post-processing, including image morphing, optical flow estimation, stereo rectification, disparity/depth reconstruction, and baseline adjustment. We incorporate recent advances in feature matching, energy minimization, stereo vision, and data clustering into our approach. At the core of our correspondence estimation we use Efficient Belief Propagation for energy minimization. While state-of-the-art algorithms only work on thumbnail-sized images, our novel feature downsampling scheme in combination with a simple, yet efficient data term compression, can cope with high-resolution data. The incorporation of SIFT (Scale-Invariant Feature Transform) features into data term computation further resolves matching ambiguities, making long-range correspondence estimation possible. We detect occluded areas by evaluating the correspondence symmetry, we further apply Geodesic matting to automatically determine plausible values in these regions.

Highly Efficient IR to NIR Upconversion in Gd2O2S: Er3+ for Photovoltaic Applications

Upconversion (UC) is a promising option to enhance the efficiency of solar cells by conversion of sub-bandgap infrared photons to higher energy photons that can be utilized by the solar cell. The UC quantum yield is a key parameter for a successful application. Here the UC luminescence properties of Er3+-doped Gd2O2S are investigated by means of luminescence spectroscopy, quantum yield measurements, and excited state dynamics experiments. Excitation into the maximum of the 4I15/2 → 4I13/2 Er3+ absorption band around 1500 nm induces very efficient UC emission from different Er3+ excited states with energies above the silicon bandgap, in particular, the emission originating from the 4I11/2 state around 1000 nm. Concentration dependent studies reveal that the highest UC quantum yield is realized for a 10% Er3+-doping concentration. The UC luminescence is compared to the well-known Er3+-doped β-NaYF4 UC material for which the highest UC quantum yield has been reported for 25% Er3+. The UC internal quantum yields were measured in this work for Gd2O2S: 10%Er3+ and β-NaYF4: 25%Er3+ to be 12 ± 1% and 8.9 ± 0.7%, respectively, under monochromatic excitation around 1500 nm at a power of 700 W/m2. The UC quantum yield reported here for Gd2O2S: 10%Er3+ is the highest value achieved so far under monochromatic excitation into the 4I13/2 Er3+ level. Power dependence and lifetime measurements were performed to understand the mechanisms responsible for the efficient UC luminescence. We show that the main process yielding 4I11/2 UC emission is energy transfer UC.

Effects of Initial Body Condition, Frame Size and Concentration of Dietary Energy on Performance of Finishing Steers

Steers were sorted into four groups based on hip height and fat cover at the start of the finishing period. Each group of sorted steers was fed a diet containing 0.59 or 0.64 Mcal NEg per pound of diet. Steers with less initial fat cover (.08 in.) gained slightly faster, consumed less feed, and therefore tended to be more efficient than steers with greater finish (.16 in.). Steers fed the lower-energy diet consumed more feed, gained similarly, and were less efficient than steers fed the higher-energy diet. The NRC computer model to evaluate beef cattle diets underpredicted performance of cattle in this experiment, but accurately predicted the differences in gain and feed efficiency observed between the leaner and fatter steers and between the two diets. In this study, the shorter steers (49.4 vs 52.2 in. initial height at the hip) gained faster with slightly greater feed intake and the same feed conversion.