Modellkomplexe zur Untersuchung der Radikal-Metall-Wechselwirkung innerhalb des wasseroxidierenden Zentrums im Photosystem II

Im Rahmen dieser Arbeit wurden zweikernige Modellkomplexe zur Untersuchung der Radikal-Metallwechselwirkung innerhalb des wasseroxidierenden Zentrums des Photo¬systems II synthetisiert und eine magneto-strukturelle Korrelation dieser Komplexe erstellt. Als Liganden wurden diverse sechs- bis siebenzähnige Chelatliganden verwendet, welche über zwei Koordinationstaschen und eine verbrückende Phenolatgruppe verfügen. Zwei daran gebundene Manganionen liegen in einer wohl definierten Umgebung nicht koordinativ gesättigt vor. An die freien Koordinationsstellen können weitere ein bis zwei Brückenliganden binden, bei denen es sich in dieser Arbeit hauptsächlich um Carboxylate handelt. Durch die Verwendung eines diamagnetischen Brückenliganden konnte die magnetische Spin-Spin-Austauschwechselwirkung zwischen den spintragenden Manganionen über die verbrücken¬de Phenolatgruppe bestimmt werden. Komplexe, welche über Manganionen in den gleichen Oxidationsstufen, aber über unterschiedliche Carboxylatbrückenliganden verfügen, weisen ähnliche magnetische Austauschwechselwirkungen zwischen den Metallzentren auf. Diese Beobachtung konnte durch eine strukturelle Ähnlichkeit dieser Komplexe erklärt werden. Mittels Aufsummieren der Bindungslängen der verbrückenden Phenolateinheit zu beiden Zentralionen kann innerhalb dieser Komplexe jeweils die Länge des Wechselwirkungspfades erhalten werden, welcher die magnetische Austauschwechselwirkung maßgeblich beein¬flusst. Je länger der Wechselwirkungspfad ist, desto kleiner ist die Austausch¬wechsel¬wirkung. Durch Austausch der diamagnetischen Carboxylate durch paramagnetische benzoat¬substituierte Nitronyl Nitroxid Radikale wurden den Komplexen ein bis zwei weitere Spinzentren hinzugefügt, welche mit den Spins der Zentralionen wechselwirken können. Simulationen der magnetischen Suszeptibilitätsmessungen liefern Werte für die magneti¬schen Austausch¬wechselwirkungen zwischen den Nitronyl Nitroxid Radikalen und den Manganionen, die in allen Fällen schwach ferromagnetisch zwischen 0 und 4,7 cm-1 sind. In einer Auftragung dieser Austauschwechselwirkungen gegen die Mangan-Carboxylat-Bindungs¬längen von strukturell charakterisierten äquivalenten acetatverbrückten Komplexen, kann eine lineare Abhängigkeit gezeigt werden.

Magnetische Wechselwirkung Spin-Austauschgekoppelter Systeme mit Nitroxid und Nitronyl-Nitroxid Radikalen

Bei der Untersuchung molekularer magnetischer Materialien spielen Metall-Radikal Verbindungen eine bedeutende Rolle. Ein Forschungsschwerpunkt stützt sich auf die Familie der Nitronyl-Nitroxid (NIT) Radikale, die sich durch eine hohe chemische Stabilität auszeichnen. Im sogenannten „Metall-Radikal Ansatz“ wurden die starken Austauschwechselwirkungen zwischen stabilen Radikalen und Übergangsmetallionen in mehrdimensionalen Netzwerken ausgiebig untersucht. Um diese Netzwerke mit NIT Radikalen aufzubauen, müssen zusätzliche funktionelle Gruppen, mit einem Abstand zur spintragenden Einheit, in das Molekül eingebaut werden. Dies kann zu einer zusätzlichen schwachen Spinaustauschwechselwirkung führen. Um diese Wechselwirkung zwischen Metalldimeren mit einem einzelnen Benzoat annalogen NIT-Radikal zu untersuchen, wurden dimere Mangan(II), Kobalt(II) und Zink(II) Komplexe mit dem Chelatliganden N,N,N',N'-Tetrakis(2-benzimid-azolylalkyl)-2-hydroxy-1,3-diamino-propan synthetisiert und zusätzlich über eine periphere Carboxylat Gruppe eines NIT Radikals verbrückt.rnDie Messungen der magnetischen Suszeptibilität weisen auf eine dominante antiferromagnetische Wechselwirkung in der Metall-Radikal Verbindung hin, bei der es sich um die Spin-Austauschwechselwirkung innerhalb des Metalldimers handelt. Durch den Vergleich mit analogen Nitrobenzoat- verbrückten Mangan(II) und Kobalt(II) Verbindungen konnte gezeigt werden, dass keine Metall-Radikal Wechselwirkung beobachtet wird, obwohl eine Wechselwirkung der pi*-orbitale mit den delokalisierten pi-System des Phenylrings durch Spin-Polarisation grundsätzlich möglich ist. Auch ESR - Messungen bestätigen dies, da der Spingrundzustand das anisotrope Signal des freien NIT Radikals aufweist. Das Radikal verhält sich somit wie ein isoliertes S=1/2 Spin-Zentrum, was zusätzlich durch DFT-Rechnungen bekräftigt werden konnte. Zusammenfassend führt also die Koordination eines NIT-Benzoats an ein antiferromagnetisch gekoppeltes Metalldimer nur zur Anhebung des Spingrundzustandes und hat keinen signifikanten Effekt auf die Austauschwechselwirkung. Um trotzdem eine Metall-Radikal Wechselwirkung beobachten zu können, ist es notwendig Koordinationsverbindungen zu synthetisieren in denen hohe Spingrundzustände besetzt werden. Dies trifft auf das analoge Kupferdimer zu, wofür eine ferromagnetische Wechselwirkung zu beobachten ist.rnNach den Regeln der Spin-Polarisation müsste die Verkürzung des Austauschpfades um eine Bindung zu einer Umkehrung des Vorzeichens der magnetischen Wechselwirkung führen. Diese Verkürzung kann man durch die Verwendung des alternativen stabilen NOA-Radikals (tert-Butyl Nitroxid) erreichen. Sowohl das NIT als auch das NOA-Radikal werden an ein Kupfer(II)-dimer koordiniert, das durch die Verwendung des oben erwähnten N6O-Liganden gebildet wurde. In der Modellverbindung, ohne einen paramagnetischen Substituenten am Benzoat, zeigen die Kupferionen eine ferromagnetische Wechselwirkung mit einem Triplett Grundzustand, dessen Existenz durch die Messung der magnetischen Suszeptibilität und ESR-Spektroskopie belegt werden kann. Aufgrund der nahezu identischen Koordinationsumgebung bleibt bei allen synthetisierten Verbindungen die Kupfer-Kupfer Wechselwirkung dabei gleich. Die Daten von ESR und magnetischen Messungen zeigen weiterhin auf eine signifikante zusätzliche Metall-Radikal Wechselwirkung hin. Bei der NIT-Verbindung ist diese Austauschwechselwirkung schwach antiferromagnetisch, während die NOA-Verbindung eine schwache ferromagnetische Kopplung aufzeigt. Diese Resultate können durch DFT Rechnungen bekräftigt werden. Der Vorzeichenwechsel des Kopplungsparameters kann durch die Verkürzung des Austauschpfades vom NIT zum NOA-Benzoat um eine Bindung erklärt werden. Durch die Wahl von geeigneten Radikal- Liganden und Metallionen, zeigt sich die Möglichkeit, Systeme zu erzeugen, in denen die Radikal-Metall Wechselwirkung auch über größere Distanzen den Spin-Grundzustand des gesamten Systems signifikant beeinflussen kann. die Anwendung dieses Konzeptes auf Metall-Radikal Cluster System sollte Von großem Interesse sein.rn

Vielkanal-Spinpolarimeter für energie- und winkeldispersive Photoemissionsmessungen

Spinpolarisationsmessungen an freien Elektronen sind seit ihrer ersten Verwirklichung durch Mott anspruchsvoll geblieben. Die relevante Größe eines Spinpolarimeters ist seine Gütefunktion, FoM = S^2*I/I_0, mit der Asymmetriefunktion S und dem Verhältnis aus Streu- und Primärintensität I/I_0. Alle bisherigen Geräte basieren auf einer einkanaligen Streuung (Spin-Bahn- oder Austauschwechselwirkung), die durch FoM = 10^(-4) charakterisiert ist. Moderne Halbkugelanalysatoren ermöglichen hingegen eine effiziente Vielkanaldetektion der spinintegralen Intensität mit mehr als 10^4 simultan erfassten Datenpunkten. Im Vergleich zwischen spinaufgelöster und spinintegraler Elektronenspektroskopie findet man somit einen Effizienzunterschied von 8 Größenordnungen.rnDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Untersuchung eines neuartigen Verfahrens zur Effizienzsteigerung in der spinaufgelösten Elektronenspektroskopie unter Ausnutzung von Vielkanaldetektion. Der Spindetektor wurde in eine µ-metallgeschirmte UHV-Kammer integriert und hinter einem konventionellen Halbkugelanalysator angebracht. Durch elektronenoptische Simulationen wurde die Geometrie des elektrostatischen Linsensystems festgelegt. Das Grundkonzept basiert auf der k(senkrecht)-erhaltenden elastischen Streuung des (0,0)-Spekularstrahls an einem W(100)- Streukristall unter einem Einfallswinkel von 45°. Es konnte gezeigt werden, dass etwarn960 Datenpunkte (15 Energie- und 64 Winkelpunkte) in einem Energiebereich vonrnetwa 3 eV simultan auf einen Delayline-Detektor abgebildet werden können. Dies führt zu einer zweidimensionalen Gütefunktion von FoM_2D = 1,7. Verglichen mit konventionellen Spindetektoren ist der neuartige Ansatz somit durch einen Effizienzgewinn von 4 Größenordnungen gekennzeichnet.rnDurch Messungen einer Fe/MgO(100) und O p(1x1)/Fe(100)-Probe konnte die Funktionstüchtigkeit des neuen Spinpolarimeters nachgewiesen werden, indem die aus der Literatur bekannten typischen UPS-Ergebnisse mit stark verkürzter Messzeit reproduziert wurden. Durch die hohe Effizienz ist es möglich, besonders reaktive Oberflächen in kurzer Zeit zu vermessen. Dieser Vorteil wurde bereits für eine erste grundlagenorientierte Anwendung genutzt: Als Test für die Gültigkeit von Bandstrukturrechnungen für die Heusler-Verbindung Co_2MnGa, wobei eine gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment gefunden wurde.rnMit dem Vielkanal-Spinfilter wurde die Grundlage zu einem um Größenordnungen verbesserten Messverfahren der Elektronenspin-Polarisation geschaffen und damit der Zugang zu Experimenten eröffnet, die mit den bisherigen einkanaligen Detektoren nicht möglich sind.rn

Synthetic strategies of new spin-labelled supramolecular systems

Molecular recognition and self-assembly represent fundamental issues for the construction of supramolecular systems, structures in which the components are held together through non-covalent interactions. The study of host-guest complexes and mechanical interlocked molecules, important examples in this field, is necessary in order to characterize self-assembly processes, achieve more control over the molecular organization and develop sophisticated structures by using properly designed building blocks. The introduction of paramagnetic species, or spin labelling, represents an attractive opportunity that allows their detection and characterization by the Electron Spin Resonance spectroscopy, a valuable technique that provides additional information to those obtained by traditional methods. In this Thesis, recent progresses in the design and the synthesis of new paramagnetic host-guest complexes and rotaxanes characterized by the presence of nitroxide radicals and their investigation by ESR spectroscopy are reported. In Chapter 1 a brief overview of the principal concepts of supramolecular chemistry, the spin labelling approach and the development of ESR methods applied to paramagnetic systems are described. Chapter 2 and 3 are focused on the introduction of radicals in macrocycles as Cucurbiturils and Pillar[n]arenes, due to the interesting binding properties and the potential employment in rotaxanes, in order to investigate their structures and recognition properties. Chapter 4 deals with one of the most studied mechanical interlocked molecules, the bistable [2]rotaxane reported by Stoddart and Heath based on the ciclobis (paraquat-p-phenylene) CBPQT4+, that represents a well known example of molecular switch driven by external stimuli. The spin labelling of analogous architectures allows the monitoring by ESR spectroscopy of the switch mechanism involving the ring compound by tuning the spin exchange interaction. Finally, Chapter 5 contains the experimental procedures used for the synthesis of some of the compounds described in Chapter 2-4.

Chiral Templating Activity of Tris(bipyridine)ruthenium(II) Cation in the Design of Three-Dimensional (3D) Optically Active Oxalate-Bridged {[Ru(bpy) 3 ][Cu 2 x Ni 2(1 - x ) (C 2 O 4 ) 3 ]} n (0 ≤ x ≤ 1; bpy = 2,2‘-bipyridine): Structural, Optical, and Magnetic Studies

Three-dimensional oxalate-based {[Ru(bpy)3][Cu2xNi2(1-x)(ox)3]}n (0≤ x ≤ 1, ox = C2O42-, bpy = 2,2‘bipyridine) were synthesized. The structure was determined for x = 1 by X-ray diffraction on single crystal. The compound crystallizes in the cubic space group P4132. It shows a three-dimensional 10-gon 3-connected (10,3) anionic network where copper(II) has an unusual tris(bischelated) environment. X-ray powder diffraction patterns and their Rietveld refinement show that all the compounds along the series are isostructural and single-phased. According to X-ray absorption spectroscopy, copper(II) and nickel(II) have an octahedral environment, respectively elongated and trigonally distorted. As shown by natural circular dichroism, the optically active forms of {[Ru(bpy)3][CuxNi2(1-x)(ox)3]}n are obtained starting from resolved Δ- or Λ-[Ru(bpy)3]2+. The Curie−Weiss temperatures range between −55 (x = 1) and −150 K (x = 0). The antiferromagnetic exchange interaction thus decreases when the copper contents increases in agreement with the crystallographic structure of the compounds and the electronic structure of the metal ions. At low temperature, the compounds exhibit complex long-range ordered magnetic behavior.

Spin splitting in a polarized quasi-two-dimensional exciton gas

We have observed a large spin splitting between "spin" +1 and -1 heavy-hole excitons, having unbalanced populations, in undoped GaAs/AlAs quantum wells in the absence of any external magnetic field. Time-resolved photoluminescence spectroscopy, under excitation with circularly polarized light, reveals that, for high excitonic density and short times after the pulsed excitation, the emission from majority excitons lies above that of minority ones. The amount of the splitting, which can be as large as 50% of the binding energy, increases with excitonic density and presents a time evolution closely connected with the degree of polarization of the luminescence. Our results are interpreted on the light of a recently developed model, which shows that, while intraexcitonic exchange interaction is responsible for the spin relaxation processes, exciton-exciton interaction produces a breaking of the spin degeneracy in two-dimensional semiconductors.

Spin separation in digital ferromagnetic heterostructures

In a study of the ferromagnetic phase of a multilayer digital ferromagnetic semiconductor in the mean-field and effective-mass approximations, we find the exchange interaction to have the dominant energy scale of the problem, effectively controlling the spatial distribution of the carrier spins in the digital ferromagnetic heterostructures. In the ferromagnetic phase, the majority-spin and minority-spin carriers tend to be in different regions of the space (spin separation). Hence, the charge distribution of carriers also changes noticeably from the ferromagnetic to the paramagnetic phase. An example of a design to exploit these phenomena is given here.

Single-exciton spectroscopy of semimagnetic quantum dots

A photoexcited II-VI semiconductor quantum dots doped with a few Mn spins is considered. The effects of spin-exciton interactions and the resulting multispin correlations on the photoluminescence are calculated by numerical diagonalization of the Hamiltonian, including exchange interaction between electrons, holes, and Mn spins, as well as spin-orbit interaction. The results provide a unified description of recent experiments on the photoluminesnce of dots with one and many Mn atoms as well as optically induced ferromagnetism in semimagnetic quantum dots.

Coherently photoinduced ferromagnetism in diluted magnetic semiconductors

Ferromagnetism is predicted in undoped diluted magnetic semiconductors illuminated by intense sub-band-gap laser radiation . The mechanism for photoinduced ferromagnetism is coherence between conduction and valence bands induced by the light which leads to an optical exchange interaction. The ferromagnetic critical temperature TC depends both on the properties of the material and on the frequency and intensity of the laser and could be above 1K.

The emergence of classical behaviour in magnetic adatoms

A wide class of nanomagnets shows striking quantum behaviour, known as quantum spin tunnelling (QST): instead of two degenerate ground states with opposite magnetizations, a bonding-antibonding pair forms, resulting in a splitting of the ground-state doublet with wave functions linear combination of two classically opposite magnetic states, leading to the quenching of their magnetic moment. Here we study how QST is destroyed and classical behaviour emerges in the case of magnetic adatoms, where, contrary to larger nanomagnets, the QST splitting is in some instances bigger than temperature and broadening. We analyze two different mechanisms for the renormalization of the QST splitting: Heisenberg exchange between different atoms, and Kondo exchange interaction with the substrate electrons. Sufficiently strong spin-substrate and spin-spin coupling renormalize the QST splitting to zero allowing the environmental decoherence to eliminate superpositions between classical states, leading to the emergence of spontaneous magnetization. Importantly, we extract the strength of the Kondo exchange for various experiments on individual adatoms and construct a phase diagram for the classical to quantum transition.

Influência da interação dipolar nas fases magnéticas de nanopartículas esféricas com estrutura núcleo@camada

Bi-magnetic core@shell nanoparticle has attracted attention several researchers because great applicability that they offer. The possibility of combining different functionalities of magnetic materials make them a key piece in many areas as in data processing permanent magnets and biomagnetics sistems. These nanoparticles are controlled by intrinsic properties of the core and shell materials as well as the interactions between them, besides size and geometry effects. Thus, it was developed in this thesis a theoretical study about dipolar interaction contribution between materials different magnetic properties in bi-magnetic core@shell nanoparticles conventional spherical geometry. The materials were analyzed CoFe2O4, MnFe2O4 e CoFe2 in various combinations and sizes. The results show that the impact of the core dipole field in the shell cause reverse magnetization early its, before of the core, in nanoparticle of CoFe2O4(22nm)@CoFe2(2nm), thereby causing a decrease coercivity field of 65% in comparection with simple nanoparticle of CoFe2O4 (HC=13.6 KOe) of same diameter. The large core anisotropy in conventional nanoparticle makes it the a stable dipolar field source in the shell, that varies length scale of the order of the core radius. Furthermore, the impact of dipolar field is greatly enhanced by the geometrical constraints and by magnetics properties of both core@shell materials. In systems with core coated with a thin shell of thickness less than the exchange length, the interaction interface can hold reversal the shell occurring an uniform magnetization reversal, however this effect only is relevant on systems where the dipole field effects is weak compared with the exchange interaction.

Influência da interação dipolar nas fases magnéticas de nanopartículas esféricas com estrutura núcleo@camada

Bi-magnetic core@shell nanoparticle has attracted attention several researchers because great applicability that they offer. The possibility of combining different functionalities of magnetic materials make them a key piece in many areas as in data processing permanent magnets and biomagnetics sistems. These nanoparticles are controlled by intrinsic properties of the core and shell materials as well as the interactions between them, besides size and geometry effects. Thus, it was developed in this thesis a theoretical study about dipolar interaction contribution between materials different magnetic properties in bi-magnetic core@shell nanoparticles conventional spherical geometry. The materials were analyzed CoFe2O4, MnFe2O4 e CoFe2 in various combinations and sizes. The results show that the impact of the core dipole field in the shell cause reverse magnetization early its, before of the core, in nanoparticle of CoFe2O4(22nm)@CoFe2(2nm), thereby causing a decrease coercivity field of 65% in comparection with simple nanoparticle of CoFe2O4 (HC=13.6 KOe) of same diameter. The large core anisotropy in conventional nanoparticle makes it the a stable dipolar field source in the shell, that varies length scale of the order of the core radius. Furthermore, the impact of dipolar field is greatly enhanced by the geometrical constraints and by magnetics properties of both core@shell materials. In systems with core coated with a thin shell of thickness less than the exchange length, the interaction interface can hold reversal the shell occurring an uniform magnetization reversal, however this effect only is relevant on systems where the dipole field effects is weak compared with the exchange interaction.

Determinação do estado fundamental de compostos antiferromagnéticos da série Tb(1-x)Y(x)RhIn(5): aproximação teórico experimental

We present the results of electrical resistivity, magnetic susceptibility, specific heat and x-ray absorption spectroscopy measurements in Tb1−xYxRhIn5 (x = 0.00, 0.15, 0.4.0, 0.50 e 0.70) single crystals. Tb1−xYxRhIn5 is an antiferromagnetic AFM compound with ordering temperature TN ≈ 46 K, the higher TN within the RRhIn5 serie (R : rare earth). We evaluate the physical properties evolution and the supression of the AFM state considering doping and Crystalline Electric Field (CEF) effects on magnetic exchange interaction between Tb3+ magnetic ions. CEF acts like a perturbation potential, breaking the (2J + 1) multiplet s degeneracy. Also, we studied linear-polarization-dependent soft x-ray absorption at Tb M4 and M5 edges to validate X-ray Absorption Spectroscopy as a complementary technique in determining the rare earth CEF ground state. Samples were grown by the indium excess flux and the experimental data (magnetic susceptibility and specific heat) were adjusted with a mean field model that takes account magnetic exchange interaction between first neighbors and CEF effects. XAS experiments were carried on Total Electron Yield mode at Laborat´onio Nacional de Luz S´ıncrotron, Campinas. We measured X-ray absorption at Tb M4,5 edges with incident polarized X-ray beam parallel and perpendicular to c-axis (E || c e E ⊥ c). The mean field model simulates the mean behavior of the whole system and, due to many independent parameters, gives a non unique CEF scheme. XAS is site- and elemental- specific technique and gained the scientific community s attention as complementary technique in determining CEF ground state in rare earth based compounds. In this work we wil discuss the non conclusive results of XAS technique in TbRhIn5 compounds.

Protein interaction data curation: the International Molecular Exchange (IMEx) consortium.

The International Molecular Exchange (IMEx) consortium is an international collaboration between major public interaction data providers to share literature-curation efforts and make a nonredundant set of protein interactions available in a single search interface on a common website (http://www.imexconsortium.org/). Common curation rules have been developed, and a central registry is used to manage the selection of articles to enter into the dataset. We discuss the advantages of such a service to the user, our quality-control measures and our data-distribution practices.

Interaction and knowledge exchange among academic business librarians in Ontario

A research project submitted to the Faculty of Extension, University of Alberta in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Arts in Communications and Technology in 2005.