917 resultados para Electrostatic separators
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Multiwalled carbon nanotube (MWCNT) has been found to produce structural changes in Calf Thymus-DNA (CT-DNA). The interaction or binding of the multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) was investigated in order to discover if it brings about any significant changes of the DNA double helix using CD spectra of the CT-DNA at two concentration levels of MWCNT representing an increasing MWCNT/DNA molar ratio. In addition, spectrophotometric titrations between MWCNT and CT-DNA were carried out in order to utilize spectral changes as a means of detecting specific binding modes of either intercalation or degradation of DNA. Interactions of MWCNT induced significant changes in the CD spectra of the B-form of natural DNA. The intensities of the positive CD band at 280 nm decreased significantly. This decrease was found to be concentration-dependent. Following spectrophotometric titrations; specific subtle conformational changes were observed with a molar ratio combination of 2:1 between MWCNT and CT-DNA and these were characterized by a formation constant of the order of 103 M-1 and a negative Gibbs free energy suggesting that MWCNT avidly binds to DNA. Thermodynamic considerations revealed that electrostatic interactions between the DNA base pairs and the MWCNT are taking place accounting for the negative free energy change, positive enthalpy change with a small entropy change. The results obtained in the study of the binding interactions of MWCNT with DNA confirm that a cytogenetic effect of MWCNT with DNA is a possibility in vivo.
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Le byssus est un amas de fibres que les moules produisent afin de s’ancrer aux surfaces immergées sous l’eau. Ces fibres sont pourvues de propriétés mécaniques impressionnantes combinant rigidité, élasticité et ténacité élevées. De plus, elles possèdent un comportement d’auto-guérison de leurs propriétés mécaniques en fonction du temps lorsque la contrainte initialement appliquée est retirée. Les propriétés mécaniques de ces fibres sont le résultat de l’agencement hiérarchique de protéines de type copolymère blocs riches en collagène et de la présence de métaux formant des liens sacrificiels réversibles avec certains acides aminés comme les DOPA et les histidines. Bien que cette fibre soit très intéressante pour la production de matériaux grâce à son contenu élevé en collagène potentiellement biocompatible, cette ressource naturelle est traitée comme un déchet par les mytiliculteurs. L’objectif de cette thèse était de valoriser cette fibre en extrayant les protéines pour générer une nouvelle classe de matériaux biomimétiques. Un hydrolysat de protéines de byssus (BPH) riche en acides aminés chargés, i.e. ~30 % mol, et permettant de former des films a pu être généré. Lorsque solubilisé à pH 10.5, le BPH forme un hydrogel contenant des structures en triple hélice de collagène et des feuillets β anti-parallèles intra- et inter-moléculaires. Suite à l’évaporation de l’eau, le film de BPH résultant est insoluble en milieu aqueux à cause des structures secondaires très stables agissant comme points de réticulation effectifs. Les propriétés mécaniques des films de BPH sont modulables en fonction du pH. Au point isoélectrique (pI = 4.5), les interactions électrostatiques entre les charges opposées agissent comme points de réticulation et augmentent la rigidité des films et leur contrainte à la rupture sans affecter la déformation à la rupture. À pH plus élevé ou plus bas que le pI, les performances mécaniques des films sont plus faibles à cause de la répulsion entre les groupements fonctionnels de même charge qui interagissent plutôt avec les molécules d’eau et causent le gonflement de la matrice protéique des films. Le BPH contenant un nombre élevé d’acides aminés chargés et réactifs, nous avons pu réticuler les films de manière covalente à l’aide d’EDC ou de glutaraldéhyde. Les propriétés mécaniques des films sont modulables en fonction de la concentration d’EDC utilisée lors de la réticulation ou en employant du glutaraldéhyde comme agent réticulant. Les films sont à la fois plus rigides et plus forts avec un degré de réticulation élevé, mais perdent leur extensibilité à mesure que les segments libres de s’étirer lors d’une traction deviennent entravés par les points de réticulation. La réticulation augmente également la résistance à la dégradation enzymatique par la collagénase, les films les plus fortement réticulés lui étant pratiquement insensibles. La spectroscopie infrarouge montre enfin que la réticulation entraîne une transition de feuillets β anti-parallèles inter-moléculaires vers des structures de type hélices de collagène/PPII hydratées. Des liens sacrificiels ont été formés dans les films de BPH par traitement au pI et/ou avec différents métaux, i.e. Na+, Ca2+, Fe3+, afin de moduler les propriétés mécaniques statiques et d’évaluer le rôle de ces traitements sur le comportement d’auto-guérison lors de tests mécaniques cycliques avec différents temps de repos. Plus la valence des ions métalliques ajoutés augmente, plus les propriétés mécaniques statiques affichent un module, une contrainte à la rupture et une ténacité élevés sans toutefois affecter la déformation à la rupture, confirmant la formation de liens sacrificiels. Les tests mécaniques cycliques montrent que les traitements au pI ou avec Ca2+ créent des liens sacrificiels ioniques réversibles qui mènent à un processus d’auto-guérison des performances mécaniques dépendant du pH. L’ajout de Fe3+ à différentes concentrations module les performances mécaniques sur un plus large intervalle et la nature plus covalente de son interaction avec les acides aminés permet d’atteindre des valeurs nettement plus élevées que les autres traitements étudiés. Le Fe3+ permet aussi la formation de liens sacrificiels réversibles menant à l’auto-guérison des propriétés mécaniques. Les spectroscopies Raman et infrarouge confirment que le fer crée des liaisons avec plusieurs acides aminés, dont les histidines et les DOPA. Les résultats dans leur ensemble démontrent que les films de BPH sont des hydrogels biomimétiques du byssus qui peuvent être traités ou réticulés de différentes façons afin de moduler leurs performances mécaniques. Ils pourraient ainsi servir de matrices pour des applications potentielles dans le domaine pharmaceutique ou en ingénierie tissulaire.
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Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Química, Programa de Pós-Graduação em Química, 2016.
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The vapor liquid-equilibrium of water + ionic liquids is relevant for a wide range of applications of these compounds. It is usually measured by ebulliometric techniques, but these are time consuming and expensive. In this work it is shown that the activity coefficients of water in a series of cholinium-based ionic liquids can be reliably and quickly estimated at 298.15K using a humidity meter instrument. The cholinium based ionic liquids were chosen to test this experimental methodology since data for water activities of quaternary ammonium salts are available in the literature allowing the validation of the proposed technique. The COSMO-RS method provides a reliable description of the data and was also used to understand the molecular interactions occurring on these binary systems. The estimated excess enthalpies indicate that hydrogen bonding between water and ionic liquid anion is the dominant interaction that governs the behavior of water and cholinium-based ionic liquids systems, while the electrostatic-misfit and van der Walls forces have a minor contribution to the total excess enthalpies.
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Magnesium (Mg) battery is considered as a promising candidate for the next generation battery technology that could potentially replace the current lithium (Li)-ion batteries due to the following factors. Magnesium possesses a higher volumetric capacity than commercialized Li-ion battery anode materials. Additionally, the low cost and high abundance of Mg compared to Li makes Mg batteries even more attractive. Moreover, unlike metallic Li anodes which have a tendency to develop a dendritic structure on the surface upon the cycling of the battery, Mg metal is known to be free from such a hazardous phenomenon. Due to these merits of Mg as an anode, the topic of rechargea¬ble Mg batteries has attracted considerable attention among researchers in the last few decades. However, the aforementioned advantages of Mg batteries have not been fully utilized due to the serious kinetic limitation of Mg2+ diffusion process in many hosting compounds which is believed to be due to a strong electrostatic interaction between divalent Mg2+ ions and hosting matrix. This serious kinetic hindrance is directly related to the lack of cathode materials for Mg battery that provide comparable electrochemical performances to that of Li-based system. Manganese oxide (MnO2) is one of the most well studied electrode materials due to its excellent electrochemical properties, including high Li+ ion capacity and relatively high operating voltage (i.e., ~ 4 V vs. Li/Li+ for LiMn2O4 and ~ 3.2 V vs. Mg/Mg2+). However, unlike the good electrochemical properties of MnO2 realized in Li-based systems, rather poor electrochemical performances have been reported in Mg based systems, particularly with low capacity and poor cycling performances. While the origin of the observed poor performances is believed to be due to the aforementioned strong ionic interaction between the Mg2+ ions and MnO2 lattice resulting in a limited diffusion of Mg2+ ions in MnO2, very little has been explored regarding the charge storage mechanism of MnO2 with divalent Mg2+ ions. This dissertation investigates the charge storage mechanism of MnO2, focusing on the insertion behaviors of divalent Mg2+ ions and exploring the origins of the limited Mg2+ insertion behavior in MnO2. It is found that the limited Mg2+ capacity in MnO2 can be significantly improved by introducing water molecules in the Mg electrolyte system, where the water molecules effectively mitigated the kinetic hindrance of Mg2+ insertion process. The combination of nanostructured MnO2 electrode and water effect provides a synergic effect demonstrating further enhanced Mg2+ insertion capability. Furthermore, it is demonstrated in this study that pre-cycling MnO2 electrodes in water-containing electrolyte activates MnO2 electrode, after which improved Mg2+ capacity is maintained in dry Mg electrolyte. Based on a series of XPS analysis, a conversion mechanism is proposed where magnesiated MnO2 undergoes a conversion reaction to Mg(OH)2 and MnOx and Mn(OH)y species in the presence of water molecules. This conversion process is believed to be the driving force that generates the improved Mg2+ capacity in MnO2 along with the water molecule’s charge screening effect. Finally, it is discussed that upon a consecutive cycling of MnO2 in the water-containing Mg electrolyte, structural water is generated within the MnO2 lattice, which is thought to be the origin of the observed activation phenomenon. The results provided in this dissertation highlight that the divalency of Mg2+ ions result in very different electrochemical behaviors than those of the well-studied monovalent Li+ ions towards MnO2.
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In Part 1 of this thesis, we propose that biochemical cooperativity is a fundamentally non-ideal process. We show quantal effects underlying biochemical cooperativity and highlight apparent ergodic breaking at small volumes. The apparent ergodic breaking manifests itself in a divergence of deterministic and stochastic models. We further predict that this divergence of deterministic and stochastic results is a failure of the deterministic methods rather than an issue of stochastic simulations.
Ergodic breaking at small volumes may allow these molecular complexes to function as switches to a greater degree than has previously been shown. We propose that this ergodic breaking is a phenomenon that the synapse might exploit to differentiate Ca$^{2+}$ signaling that would lead to either the strengthening or weakening of a synapse. Techniques such as lattice-based statistics and rule-based modeling are tools that allow us to directly confront this non-ideality. A natural next step to understanding the chemical physics that underlies these processes is to consider \textit{in silico} specifically atomistic simulation methods that might augment our modeling efforts.
In the second part of this thesis, we use evolutionary algorithms to optimize \textit{in silico} methods that might be used to describe biochemical processes at the subcellular and molecular levels. While we have applied evolutionary algorithms to several methods, this thesis will focus on the optimization of charge equilibration methods. Accurate charges are essential to understanding the electrostatic interactions that are involved in ligand binding, as frequently discussed in the first part of this thesis.
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Dissertação de Mestrado, Tecnologia dos Alimentos, Instituto Superior de Engenharia, Universidade do Algarve, 2014
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An integrated analysis of naproxen adsorption on bone char in batch and packed-bed column conditions has been performed. Kinetic, thermodynamic and breakthrough parameters have been calculated using adsorption models and artificial neural networks. Results show that naproxen removal using bone char in batch conditions is a feasible and effective process, which could involve electrostatic and non-electrostatic interactions depending mainly on pH conditions. However, the application of packed-bed column for naproxen adsorption on bone char is not effective for the treatment of diluted solutions due to the low degree of adsorbent utilization (below 4%) at tested operating conditions. The proposed mechanism for naproxen removal using bone char could include a complexation process via phosphate and naproxen, hydrogen bonding and the possibility of hydrophobic interactions via π–π electron. This study highlights the relevance of performing an integrated analysis of adsorbent effectiveness in batch and dynamic conditions to establish the best process configuration for the removal of emerging water pollutants such as pharmaceuticals.
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The resistance of aluminum and their alloys, to the corrosion phenomenon, in aqueous solutions, is a result of the oxide layer formed. However, the corrosion process in the aluminum alloy is associated with the presence a second phase of particles or the presence of chloride ions which promote the disruption of the oxide layer located producing the corrosion process. On the other hand, the term water produced is used to describe the water after the separation of the oil and gas in API separators. The volumes of produced water arrive around 5 more times to the volume of oil produced. The greatest feature of the water is the presence of numerous pollutants. Due to the increased volume of waste around the world in the current decade, the outcome and the effect of the discharge of produced water on the environment has recently become an important issue of environmental concern where numerous treatments are aimed at reducing these contaminants before disposal. Then, this study aims to investigate the electrochemical corrosion behavior of aluminum alloy 6060 in presence of water produced and the influence of organic components as well as chloride ions, by using the electrochemical techniques of linear polarization. The modification of the passive layer and the likely breakpoints were observed by atomic force microscopy (AFM). In the pit formation potential around -0.4 to -0.8 V/EAg/AgCl was observed that the diffusion of chloride ions occurs via the layer formed with the probable formation of pits. Whereas, at temperatures above 65 °C, it was observed that the range of potential for thepit formation was -0.4 to -0.5 V/EAg/AgCl. In all reactions, the concentration of Al(OH)3 in the form of a gel was observed
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Graphene as a carbon monolayer has attracted extensive research interest in recent years. My research work within the frame of density functional theory has suggested that positioning graphene in proximity to h-BN may induce a finite energy gap in graphene, which is important for device applications. For an AB-stacked graphene/BN bilayer, a finite gap is induced at the equilibrium configuration. This induced gap shows a linear relationship with the applied strain. For a graphene/BN/graphene trilayer, a negligible gap is predicted in the ground state due to the overall symmetry of the system. When an electric field is applied, a tunable gap can be obtained for both AAA and ABA stackings. Enhanced tunneling current in the AA-stacked bilayer nanoribbons is predicted compared to either single-layer or AB-stacked bilayer nanoribbons. Interlayer separation between the nanoribbons is shown to have a profound impact on the conducting features. The effect of boron or nitrogen doping on the electronic transport properties of C60 fullerene is studied. The BC59 fullerene exhibits a considerably higher current than the pristine or nitrogen doped fullerenes beyond the applied bias of 1 V, suggesting it can be an effective semiconductor in p-type devices. The interaction between nucleic acid bases - adenine (A), guanine (G), cytosine (C), thymine (T) and uracil (U) - and a hydrogen-passivated silicon nanowire (SiNW) is investigated. The binding energy of the bases with the SiNW shows the order: G > A~C~T~U. This suggests that the interaction strength of a hydrogen passivated SiNW with the nucleic acid bases is nearly the same-G being an exception. The nature of the interaction is suggested to be electrostatic.
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Advancements in the micro-and nano-scale fabrication techniques have opened up new avenues for the development of portable, scalable and easier-to-use biosensors. Over the last few years, electrodes made of carbon have been widely used as sensing units in biosensors due to their attractive physiochemical properties. The aim of this research is to investigate different strategies to develop functionalized high surface carbon micro/nano-structures for electrochemical and biosensing devices. High aspect ratio three-dimensional carbon microarrays were fabricated via carbon microelectromechanical systems (C-MEMS) technique, which is based on pyrolyzing pre-patterned organic photoresist polymers. To further increase the surface area of the carbon microstructures, surface porosity was introduced by two strategies, i.e. (i) using F127 as porogen and (ii) oxygen reactive ion etch (RIE) treatment. Electrochemical characterization showed that porous carbon thin film electrodes prepared by using F127 as porogen had an effective surface area (Aeff 185%) compared to the conventional carbon electrode. To achieve enhanced electrochemical sensitivity for C-MEMS based functional devices, graphene was conformally coated onto high aspect ratio three-dimensional (3D) carbon micropillar arrays using electrostatic spray deposition (ESD) technique. The amperometric response of graphene/carbon micropillar electrode arrays exhibited higher electrochemical activity, improved charge transfer and a linear response towards H2O2 detection between 250μM to 5.5mM. Furthermore, carbon structures with dimensions from 50 nano-to micrometer level have been fabricated by pyrolyzing photo-nanoimprint lithography patterned organic resist polymer. Microstructure, elemental composition and resistivity characterization of the carbon nanostructures produced by this process were very similar to conventional photoresist derived carbon. Surface functionalization of the carbon nanostructures was performed using direct amination technique. Considering the need for requisite functional groups to covalently attach bioreceptors on the carbon surface for biomolecule detection, different oxidation techniques were compared to study the types of carbon–oxygen groups formed on the surface and their percentages with respect to different oxidation pretreatment times. Finally, a label-free detection strategy using signaling aptamer/protein binding complex for platelet-derived growth factor oncoprotein detection on functionalized three-dimensional carbon microarrays platform was demonstrated. The sensor showed near linear relationship between the relative fluorescence difference and protein concentration even in the sub-nanomolar range with an excellent detection limit of 5 pmol.
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We studied the electrical transport properties of Au-seeded germanium nanowires with radii ranging from 11 to 80 nm at ambient conditions. We found a non-trivial dependence of the electrical conductivity, mobility and carrier density on the radius size. In particular, two regimes were identified for large (lightly doped) and small (stronger doped) nanowires in which the charge-carrier drift is dominated by electron-phonon and ionized-impurity scattering, respectively. This goes in hand with the finding that the electrostatic properties for radii below ca. 37 nm have quasi one-dimensional character as reflected by the extracted screening lengths.
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Résumé : Les transferts d’électrons photo-induits et d’énergie jouent un rôle primordial dans un grand nombre de processus photochimiques et photobiologiques, comme la respiration ou la photosynthèse. Une très grande quantité de systèmes à liaisons covalentes ont été conçus pour copier ces processus de transferts. Cependant, les progrès sont, en grande partie, limités par les difficultés rencontrées dans la synthèse de nouveaux couples de types donneurs-accepteurs. Récemment, des espèces utilisant des liaisons non-covalentes, comme les liaisons hydrogènes, les interactions [pi]-[pi], les liaisons de coordination métal-ligands ou encore les interactions électrostatiques sont le centre d’un nouvel intérêt du fait qu’ils soient plus faciles à synthétiser et à gérer pour obtenir des comportements de transferts d’électrons ou d’énergie plus flexibles et sélectifs. C’est dans cette optique que le travail de cette thèse a été mené, i.e. de concevoir des composés auto-assemblés avec des porphyrines et un cluster de palladium pour l’étude des transferts d’électrons photo-induits et d’énergie. Cette thèse se divise en quatre parties principales. Dans la première section, le chapitre 3, deux colorants porphyriniques, soit le 5-(4-carboxylphényl)-10, 15, 20-tristolyl(porphyrinato)zinc(II) (MCP, avec Na+ comme contre-ion) et 5, 15-bis(4-carboxylphényl)-15, 20-bistolyl(porphyrinato)zinc(II) (DCP, avec Na+ comme contre-ion) ont été utilisés comme donneurs d’électrons, et le [Pd3(dppm)3(CO)]2+ ([Pd32+], dppm = (Ph2P)2CH2, PF6‾ est le contre-ion) a été choisi comme accepteur d’électrons. La structure de l’assemblage [Pd32+]•••porphyrine a été élucidée par l’optimisation des géométries à l’aide de calculs DFT. La spectroscopie d’absorption transitoire (TAS) montre la vitesse de transferts d’électrons la plus rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection) jamais enregistrée pour ce type de système (porphyrine-accepteur auto-assemblés). Généralement, ces processus sont de l’ordre de l’échelle de la ps-ns. Cette vitesse est comparable aux plus rapides transferts d’électrons rapportés dans le cas de systèmes covalents de type porphyrine-accepteur rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection). Ce transfert d’électrons ultra-rapide (ket > 1.2 × 1013 s-1) se produit à l’état énergétique S1 des colorants dans une structure liée directement par des interactions ioniques, ce qui indique qu’il n’est pas nécessaire d’avoir de forts liens ou une géométrie courbée entre le donneur et l’accepteur. Dans une deuxième section, au chapitre 4, nous avons étudié en profondeur l’effet de l’utilisation de porphyrines à systèmes π-étendus sur le comportement des transferts d’électrons. Le colorant 9, 18, 27, 36-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPBP, avec Na+ comme contre-ion) a été sélectionné comme candidat, et le 5, 10, 15, 20-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)porphyrineatozinc(II) (TCPP, avec Na+ comme contre-ion) a aussi été utilisé à des fins de comparaisons. TCPBP et TCPP ont, tous deux, été utilisés comme donneurs d’électrons pour fabriquer des assemblages supramoléculaires avec le cluster [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Les calculs DFT ont été réalisés pour expliquer les structures de ces assemblages. Dans les conditions expérimentales, ces assemblages sont composés principalement d’une porphyrine avec 4 équivalents de clusters. Ces systèmes ont aussi été investigués par des mesures de quenching (perte de luminescence), par électrochimie et par d’autres techniques. Les transferts d’électrons (< 85 fs; temps inférieurs à la limite de détection) étaient aussi observés, de façon similaire aux assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les résultats nous indiquent que la modification de la structure de la porphyrine vers la tétrabenzoporphyrine ne semble pas influencer le comportement des cinétiques de transferts d’électrons (aller ou retour). Dans la troisième section, le chapitre 5, nous avons synthétisé la porphyrine hautement [pi]-conjuguée: 9, 18, 27, 36-tétra-(4-carboxyphényléthynyl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPEBP, avec Na+ comme contre-ion) par des fonctionnalisations en positions meso- et β, β-, qui présente un déplacement vers le rouge de la bande de Soret et des bandes Q. TCPEBP était utilisé comme donneur d’électrons pour fabriquer des motifs supramoléculaires avec le [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Des expériences en parallèle ont été menées en utilisant la 5, 10, 15, 20-tétra-(4-carboxyphényl)éthynylporphyrinatozinc(II) (TCPEP, avec Na+ comme contre-ion). Des calculs DFT et TDDFT ont été réalisés pour de nouveau déterminer de façon théorique les structures de ces systèmes. Les constantes d’association pour les assemblages TCPEBP•••[Pd32+]x sont les plus élevées parmi tous les assemblages entre des porphyrines et le cluster de palladium rencontrés dans la littérature. La TAS a montré, encore une fois, des processus de transferts d’électrons dans des échelles de l’ordre de 75-110 fs. Cependant, les transferts de retour d’électrons sont aussi très rapides (< 1 ps), ce qui est un obstacle potentiel pour des applications en cellules solaires à pigment photosensible (DSSCs). Dans la quatrième section, le chapitre 6, les transferts d’énergie triplets (TET) ont été étudiés pour les assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les analyses spectrales des états transitoires dans l’échelle de temps de la ns-[mu]s démontrent de façon évidente les TETs; ceux-ci présentent des transferts d’énergie lents et/ou des vitesses moyennes pour des transferts d’énergie T1-T1 (3dye*•••[Pd32+] → dye•••3[Pd32+]*) opérant à travers exclusivement le mécanisme de Förster avec des valeurs de kET autour de ~ 1 × 105 s-1 selon les mesures d’absorption transitoires à 298 K. Des forces motrices non-favorables rendent ces types de processus non-opérants ou très lents dans les états T1. L’état T1 de [Pd32+] (~8190 cm-1) a été qualitativement déterminé par DFT et par la mise en évidence de l’émission S0 ← Tn retardée à 680-700 nm provenant de l’annihilation T1-T1, ce qui fait que ce cluster peut potentiellement agir comme un donneur à partir de ses états Tn, et accepteur à partir de T1 à l’intérieur de ces assemblages. Des pertes d’intensités de types statiques pour la phosphorescence dans le proche-IR sont observées à 785 nm. Ce travail démontre une efficacité modérée des colorants à base de porphyrines pour être impliquée dans des TETs avec des fragments organométalliques, et ce, même attachées grâce à des interactions ioniques. En conclusion, les assemblages ioniques à base de porphyrines et de clusters de palladium présentent des propriétés de transferts d’électrons S1 ultra-rapides, et des transferts d’énergie T1 de vitesses modérées, ce qui est utile pour de possibles applications comme outils optoélectroniques. D’autres études, plus en profondeur, sont présentement en progrès.
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Fluorescence spectroscopy andmicroscopy have been utilized as tools in membrane biophysics for decades now. Because phospholipids are non-fluorescent, the use of extrinsic membrane probes in this context is commonplace. Among the latter, 1,6-diphenylhexatriene (DPH) and its trimethylammonium derivative (TMA-DPH) have been extensively used. It is widely believed that, owing to its additional charged group, TMA-DPH is anchored at the lipid/water interface and reports on a bilayer region that is distinct from that of the hydrophobic DPH. In this study, we employ atomistic MD simulations to characterize the behavior of DPH and TMA-DPH in 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC) and POPC/cholesterol (4:1) bilayers. We show that although the dynamics of TMA-DPH in thesemembranes is noticeably more hindered than that of DPH, the location of the average fluorophore of TMA-DPH is only ~3–4 Å more shallow than that of DPH. The hindrance observed in the translational and rotational motions of TMA-DPH compared to DPH is mainly not due to significant differences in depth, but to the favorable electrostatic interactions of the former with electronegative lipid atoms instead. By revealing detailed insights on the behavior of these two probes, our results are useful both in the interpretation of past work and in the planning of future experiments using themasmembrane reporters.
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Fluorescence spectroscopy andmicroscopy have been utilized as tools in membrane biophysics for decades now. Because phospholipids are non-fluorescent, the use of extrinsic membrane probes in this context is commonplace. Among the latter, 1,6-diphenylhexatriene (DPH) and its trimethylammonium derivative (TMA-DPH) have been extensively used. It is widely believed that, owing to its additional charged group, TMA-DPH is anchored at the lipid/water interface and reports on a bilayer region that is distinct from that of the hydrophobic DPH. In this study, we employ atomistic MD simulations to characterize the behavior of DPH and TMA-DPH in 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC) and POPC/cholesterol (4:1) bilayers. We show that although the dynamics of TMA-DPH in thesemembranes is noticeably more hindered than that of DPH, the location of the average fluorophore of TMA-DPH is only ~3–4 Å more shallow than that of DPH. The hindrance observed in the translational and rotational motions of TMA-DPH compared to DPH is mainly not due to significant differences in depth, but to the favorable electrostatic interactions of the former with electronegative lipid atoms instead. By revealing detailed insights on the behavior of these two probes, our results are useful both in the interpretation of past work and in the planning of future experiments using themasmembrane reporters.