Chemistry and Distribution of Daughter Species in the Circumstellar Envelopes of O-Rich AGB Stars

Context. Thanks to the advent of Herschel and ALMA, new high-quality observations of molecules present in the circumstellar envelopes of asymptotic giant branch (AGB) stars are being reported that reveal large differences from the existing chemical models. New molecular data and more comprehensive models of the chemistry in circumstellar envelopes are now available.
Aims: The aims are to determine and study the important formation and destruction pathways in the envelopes of O-rich AGB stars and to provide more reliable predictions of abundances, column densities, and radial distributions for potentially detectable species with physical conditions applicable to the envelope surrounding IK Tau.
Methods: We use a large gas-phase chemical model of an AGB envelope including the effects of CO and N2 self-shielding in a spherical geometry and a newly compiled list of inner-circumstellar envelope parent species derived from detailed modeling and observations. We trace the dominant chemistry in the expanding envelope and investigate the chemistry as a probe for the physics of the AGB phase by studying variations of abundances with mass-loss rates and expansion velocities.
Results: We find a pattern of daughter molecules forming from the photodissociation products of parent species with contributions from ion-neutral abstraction and dissociative recombination. The chemistry in the outer zones differs from that in traditional PDRs in that photoionization of daughter species plays a significant role. With the proper treatment of self-shielding, the N → N2 and C+→ CO transitions are shifted outward by factors of 7 and 2, respectively, compared with earlier models. An upper limit on the abundance of CH4 as a parent species of (≲2.5 × 10-6 with respect to H2) is found for IK Tau, and several potentially observable molecules with relatively simple chemical links to other parent species are determined. The assumed stellar mass-loss rate, in particular, has an impact on the calculated abundances of cations and the peak-abundance radius of both cations and neutrals: as the mass-loss rate increases, the peak abundance of cations generally decreases and the peak-abundance radius of all species moves outwards. The effects of varying the envelope expansion velocity and cosmic-ray ionization rate are not as significant.

Lanthanide luminescent logic gate mimics in soft matter: [H(+)] and [F(-)] dual-input device in a polymer gel with potential for selective component release

The non-covalent incorporation of responsive luminescent lanthanide, Ln(iii), complexes with orthogonal outputs from Eu(iii) and Tb(iii) in a gel matrix allows for in situ logic operation with colorimetric outputs. Herein, we report an exemplar system with two inputs ([H(+)] and [F(-)]) within a p(HEMA-co-MMA) polymer organogel acting as a dual-responsive device and identify future potential for such systems.

Ionic liquid gel materials: applications in green and sustainable chemistry

Ionic liquid gel materials offer a way to further utilise ionic liquids in technological applications. Combining the controlled and directed assembly of gels, with the diverse applications of ionic liquids, enables the design of a heady combination of functional tailored materials, leading to the development of task specific / functional ionic liquid gels. This review introduces gels and gel classification, focusing on ionic liquid gels and their potential roles in a more sustainable future. Ionic liquid gels provide the ability to build functionality at every level, the solid component, the ionic liquid, and any incorporated active functional agents. This allows materials to be custom designed for a vast assortment of applications. This diverse class of materials has the potential to yield functional materials for green and sustainable chemistry, energy, electronics, medicine, food, cosmetics, and more. The discussion of the development of ionic liquid gel materials for applications in green and sustainable chemistry centres on uses of ionic liquid gels in catalysis and energy.

Spatial and temporal influences of in-stream factors on the chemistry and epilithic biomasses of upland stream metal deposits

The density and composition of stream bed metal deposits are affected by physical, chemical and biological processes. In this paper we investigate the importance of these processes and their relation to algal and non-photosynthetic detrital (NPD) biomass in a set of upland streams in Northern Ireland. Deposit density and Fe, Mn, Al and P concentrations varied with stream pH across sites but not seasonally. No effects of stream bed erosion or photoreduction were detected on deposit densities. Seasonal variation in stream water metal concentrations was correlated with rainfall. NPD biomass was a significant predictor of both spatial and seasonal variation in deposit concentrations. There were strong, non-linear, relations between NPD biomass and deposit metal concentrations, with Fe and Mn becoming relatively more important and algal biomass declining above threshold deposit/NPD densities. The results suggest that NPD biomass influences deposit density and reduces the biomass of photosynthetic autotrophs above a threshold deposit density.

Mineralogy, chemistry and biological contingents of an early-middle Miocene Antarctic paleosol and its relevance as a Martian analogue

Fossil mesofauna and bacteria recovered from a paleosol in a moraine situated adjacent to the inland ice, Antarctica, and dating to the earliest glacial event in the Antarctic Dry Valleys opens several questions. The most important relates to understanding of the mineralogy and chemistry of the weathered substrate habitat in which Coleoptera apparently thrived at some point in the Early/Middle Miocene and perhaps earlier. Here, Coleoptera remains are only located in one of six horizons in a paleosol formed in moraine deposited during the alpine glacial event (> 15 Ma). A tendency for quartz to decrease upward in the section may be a detrital effect or a product of dissolution in the early stage of profile morphogenesis when climate was presumably milder and the depositing glacier of temperate type. Discontinuous distributions of smectite, laumontite, and hexahydrite may have provided nutrients and water to mesofauna and bacteria during the early stage of biotic colonization of the profile. Because the mesofauna were members of burrowing Coleoptera species, future work should assess the degree to which the organisms occupied other sites in the Dry Valleys in the past. Whereas there is no reasonable expectations of finding Coleoptera/insect remains on Mars, the chemistry and mineralogy of the paleosol is within a life expectancy window for the presence of microorganisms, principally bacteria and fungi. Thus, parameters discussed here within this Antarctic paleosol could provide an analogue to identifying similar fossil or life-bearing weathered regolith on Mars.

Coordination chemistry for information acquisition and processing

In the 21st century, information has become the most valuable resource that is available to modern societies. Thus, great efforts have been made to develop new information processing and storage techniques. Chemistry can offer a wide variety of computing paradigms that are closely related to the natural processes found in living organisms (e.g., in the nervous systems of animals). Moreover, these phenomena cannot be reproduced easily by solely using silicon-based technology. Other great advantages of molecular-scale systems include their simplicity and the diversity of interactions that occur among them. Thus, devices constructed using chemical entities may be programmed to deal with different information carriers (photons, electrons, ions, and molecules), possibly surpassing the capabilities of classic electronic circuits.

Lanthanide oxide nanotubes and nanorods: synthesis, processing, luminescence and catalytic properties

Esta tese relata estudos de síntese, caracterização da estrutura e das propriedades de fotoluminescência e aplicações de nanotubos e nanobastonetes de óxidos de lantanídeos em pontas para microscopia de força atómica, catálise heterogénea e compósitos de base polimérica. Há um interesse crescente em compreender como o confinamento quântico decorrente da redução do tamanho de partícula pode influenciar a eficiência da luminescência, a dinâmica dos estados excitados, a transferência de energia e os efeitos de termalização de nanoluminóforos. Em nanocristais dopados com lantanídeos (Ln3+), e apesar da localização dos estados 4f, ocorrem efeitos de confinamento quântico via interacção com os modos vibracionais da rede. Em particular, a termalização anómala, descrita para uma variedade de nanocristais dopados com Ln3+, tem sido atribuída à ausência de modos vibracionais de menor frequência. Este nanoconfinamento pode ter impacto na dinâmica da luminescência, bem como na transferência de energia mediada por modos vibracionais e processos de upconversion. Nesta tese, relata-se o estudo deste efeito em nanotubos de Gd2O3:Eu3+. A influência de parâmetros como a concentração de európio e as condições de calcinação também foi investigada. Algumas aplicações destes óxidos de lantanídeos também foram exploradas, nomeadamente a modificação de pontas usadas em microscopia de força atómica com nanobastonetes de Gd2O3:Eu3+, lograda através de dielectroforese, técnica que não degrada a emissão de luz (rendimento quântico 0.47). As pontas modificadas são estáveis sob condições de trabalho, podendo ser aplicadas, por exemplo, em microscopia óptica de varrimento de campo próximo (SNOM). A oxidação em fase líquida do etilbenzendo foi investigada usando como catalisador nanotubos de CeO2, em presença dos oxidantes hidroperóxido de t-butilo e H2O2, e do solvente acetonitrilo, e temperaturas entre 55 e 105 ºC. Nanobastonetes de Gd2O3:Eu3+ recobertos com sílica foram preparados pelo método sol-gel. Esta cobertura resultou num aumento, quer do rendimento quântico de emissão, de 0.51 para 0.86 (excitação a 255 nm), quer dos tempos de vida,de 1.43 para 1.80 ms (excitação a 394.4 nm). A superfície dos nanotubos cobertos com sílica foi modificada com o agente de acoplamento metacrilato de 3-(trimetoxissilil)propilo que permitiu a preparação de compósitos através da subsequente polimerização in-situ do estireno por técnicas de miniemulsão e solução. ABSTRACT: This thesis reports on the synthesis, characterisation of the structure and photoluminescence properties, and applications of nanotubes and nanorods of lanthanides oxides in atomic force microscopy tips, heterogeneous catalysis and polymer-base composites. There is a growing interest in understanding how size-dependent quantum confinement affects the photoluminescence efficiency, excited-state dynamics, energy-transfer and thermalisation phenomena in nanophosphors. For lanthanide (Ln3+)-doped nanocrystals, and despite the localisation of the 4f states, confinement effects are induced mostly via electron-phonon interactions. In particular, the anomalous thermalisation reported for a handful of Ln3+-doped nanocrystals has been rationalised by the absence of lowfrequency phonon modes. This nanoconfinement may further impact on the Ln3+ luminescence dynamics, such as phonon-assisted energy transfer or upconversion processes. Here, this effect is investigated in Gd2O3:Eu3+ nanotubes. The influence of parameters such as europium concentration and calcination procedure is also studied. Some applications of these lanthanides oxides have been explored, for instance the modification of atomic force microscopy tips with photoluminescent Gd2O3:Eu3+ nanorods, using dielectrophoresis, a technique which preserves the red emission of the nanorods (quantum yield 0.47). The modified tips are stable under working conditions and may find applications in scanning near-field optical microscopy. The liquid-phase oxidation of ethylbenzene over CeO2 nanotubes has been investigated, using tert-butyl-hydroperoxide and H2O2 as the oxidising agents, and acetonitrile as the solvent, in the range 55-105 ºC. Gd2O3:Eu3+ nanorods have been coated with silica via a sol-gel approach. The silica coating increases both, the Eu3+ absolute emission quantum yields from 0.51 to 0.86 (255 nm excitation), and decay times from 1.43 to 1.80 ms (394.4 nm excitation). The silica coating was modified with 3- (trimethoxysilyl) propyl methacrylate and, subsequently, composites have been prepared by in-situ radical polymerisation of styrene via miniemulsion and solution routes.

Effect of water chemistry on the physiology and toxicity assessment in Daphnia

Todos os sistemas aquáticos estão potencialmente expostos a alterações nos parâmetros da água em consequência de fenómenos ambientais tais como deposição ácida, lixiviação de iões dos solos e alterações climáticas. Dado que os parâmetros químicos da água estão geralmente correlacionados, é pertinente estudar os seus efeitos combinados para o biota aquático. Assim, o principal objetivo desta tese é avaliar a importância ecológica da variação simultânea dos principais parâmetros fisico-químicos da água nos parâmetros de história de vida dos crustáceos tanto na ausência como na presença de metais. Foram estudados os seguintes parâmetros: dureza (0.5 - 3.5 mM), alcalinidade (0.3 - 2.3 mM), pH (5.7 - 9.0) e temperatura (13 - 30ºC). A Daphnia magna foi usada como espécie modelo representando os crustáceos aquáticos. A variação simultânea da dureza e alcalinidade afetou significativamente o crescimento, reprodução e crescimento populacional de Daphnia; no entanto, os efeitos da dureza excederam os efeitos da alcalinidade. Pareceu haver interação entre a dureza e alcalinidade na reprodução dos dafnídeos, o que sugere que os efeitos da variação da dureza para Daphnia e provavelmente outros crustáceos poderão depender do nível de alcalinidade. O pH e dureza da água exerceram efeitos combinados para Daphnia, sendo os efeitos do pH mais pronunciados do que os efeitos da dureza. A diminuição do pH reduziu a sobrevivência, crescimento, reprodução, taxa de ingestão e crescimento populacional dos dafnídeos. No entanto, os efeitos do pH baixo foram mais adversos a baixa dureza, o que sugere uma interação entre estes parâmetros. Assim, a diminuição do pH em lagos de água mole pode ser um estressor determinante para os crustáceos sensíveis à acidez, ameaçando a sua sobrevivência e, consequentemente, afetando a estrutura das cadeias alimentares aquáticas. A temperatura e a química da água (dureza e alcalinidade) interagiram entre si nos parâmetros de história de vida de Daphnia; no entanto, os efeitos da temperatura excederam os efeitos da química da água. De um modo geral, temperaturas extremas reduziram o crescimento, reprodução e, consequentemente, o crescimento populacional de Daphnia. Os efeitos do aumento da temperatura foram mais adversos a baixa dureza e alcalinidade, aumentando a preocupação com os efeitos ecológicos do aquecimento global em águas moles. A dureza e alcalinidade da água também desempenharam um papel importante na toxicidade aguda e subletal (inibição da ingestão) dos metais para Daphnia. A diminuição da dureza aumentou a toxicidade aguda do zinco. Por outro lado, a diminuição da alcalinidade aumentou a toxicidade aguda e subletal do cobre, mas reduziu a toxicidade subletal do zinco, tornando evidente o importante papel da alcalinidade na toxicidade subletal dos metais para Daphnia. Globalmente, os parâmetros fisico-químicos da água parecem interagir entre si, afetando os parâmetros de história de vida e o crescimento populacional de Daphnia e também afetam a toxicidade dos metais. Em particular, a baixa dureza agrava os efeitos adversos da diminuição do pH, aumento da temperatura e toxicidade dos metais, o que aumenta a preocupação com os efeitos ecológicos da sua variação simultânea sobre os crustáceos e, portanto, sobre as cadeias alimentares aquáticas.

Lanthanide-organic frameworks for optical and catalytic applications

Este projecto de doutoramento tem como objetivo isolar e caracterizar sistematicamente novos polímeros de coordenação, no estado sólido. A presença de grupos rígidos possuindo, em particular, átomos de oxigénio e de azoto, deverá induzir interessantes propriedades fotoluminescentes (rendimentos quânticos e tempos de vida elevados, assim como vias de transferência de energia eficientes), que poderão permitir a utilização dos compostos poliméricos na produção de dispositivos funcionais. As diferentes abordagens sintéticas foram ajustadas para cada material e basearam-se, preferencialmente, nas sínteses hidrotérmicas e nas assistidas por radiação de microondas. A estrutura dos materiais foi elucidada a partir de métodos de difracção de raios X (de cristal único ou de pós) em conjunto com outras técnicas, tais como RMN de estado sólido, microscopia eletrónica, análises térmicas, espectroscopia vibracional e estudos de composição elementar. Os compostos microcristalinos foram sistematicamente estudados a fim de investigar outras propriedades além das de fotoluminescência. Alguns dos materiais revelaram multifuncionalidade apresentando simultaneamente tempos de vida na ordem dos milisegundos, elevados rendimentos quânticos e elevado desempenho como catalisadores heterogéneos. As propriedades magnéticas de um composto baseado em érbio foram igualmente estudadas, assim como as de adsorpção e permuta de solvente de uma estrutura porosa baseada em cério.