Molecular mechanism of stabilization of thin films for improved water evaporation protection

All-atom molecular dynamics simulations and experimental characterization have been used to examine the structure and dynamics of novel evaporation-suppressing films where the addition of a water-soluble polymer to an ethylene glycol monooctadecyl ether monolayer leads to improved water evaporation resistance. Simulations and Langmuir trough experiments demonstrate the surface activity of poly(vinyl pyrrolidone) (PVP). Subsequent MD simulations performed on the thin films supported by the PVP sublayer show that, at low surface pressures, the polymer tends to concentrate at the film/water interface. The simulated atomic concentration profiles, hydrogen bonding patterns, and mobility analyses of the water-polymer-monolayer interfaces reveal that the presence of PVP increases the atomic density near the monolayer film, improves the film stability, and reduces the mobility of interfacial waters. These observations explain the molecular basis of the improved efficacy of these monolayer/polymer systems for evaporation protection of water and can be used to guide future development of organic thin films for other applications.

Transfert ultrarapide d’électron et transfert modéré d’énergie au sein d’assemblages supramoléculaires de colorants et d’un cluster de palladium

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.

Cellulose: A review as natural, modified and activated carbon adsorbent

Cellulose is a biodegradable, renewable, non-meltable polymer which is insoluble in most solvents due to hydrogen bonding and crystallinity. Natural cellulose shows lower adsorption capacity as compared to modified cellulose and its capacity can be enhanced by modification usually by chemicals. This review focuses on the utilization of cellulose as an adsorbent in natural/modified form or as a precursor for activated carbon (AC) for adsorbing substances from water. The literature revealed that cellulose can be a promising precursor for production of activated carbon with appreciable surface area (∼1300 m2 g−1) and total pore volume (∼0.6 cm3 g−1) and the surface area and pore volume varies with the cellulose content. Finally, the purpose of review is to report a few controversies and unresolved questions concerning the preparation/properties of ACs from cellulose and to make aware to readers that there is still considerable scope for future development, characterization and utilization of ACs from cellulose.

Cellulose: A review as natural, modified and activated carbon adsorbent

Cellulose is a biodegradable, renewable, non-meltable polymer which is insoluble in most solvents due to hydrogen bonding and crystallinity. Natural cellulose shows lower adsorption capacity as compared to modified cellulose and its capacity can be enhanced by modification usually by chemicals. This review focuses on the utilization of cellulose as an adsorbent in natural/modified form or as a precursor for activated carbon (AC) for adsorbing substances from water. The literature revealed that cellulose can be a promising precursor for production of activated carbon with appreciable surface area ( 1300 m2 g 1) and total pore volume ( 0.6 cm3 g 1) and the surface area and pore volume varies with the cellulose content. Finally, the purpose of review is to report a few controversies and unresolved questions concerning the preparation/properties of ACs from cellulose and to make aware to readers that there is still considerable scope for future development, characterization and utilization of ACs from cellulose.

Liquid Mixtures Involving Hydrogenated and Fluorinated Alcohols: Thermodynamics, Spectroscopy, and Simulation

This article reports a combined thermodynamic, spectroscopic, and computational study on the interactions and structure of binary mixtures of hydrogenated and fluorinated substances that simultaneously interact through strong hydrogen bonding. Four binary mixtures of hydrogenated and fluorinated alcohols have been studied, namely, (ethanol + 2,2,2-trifluoroethanol (TFE)), (ethanol + 2,2,3,3,4,4,4-heptafluoro-1-butanol), (1-butanol (BuOH) + TFE), and (BuOH + 2,2,3,3,4,4,4-heptafluoro-1-butanol). Excess molar volumes and vibrational spectra of all four binary mixtures have been measured as a function of composition at 298 K, and molecular dynamics simulations have been performed. The systems display a complex behavior when compared with mixtures of hydrogenated alcohols and mixtures of alkanes and perfluoroalkanes. The combined analysis of the results from different approaches indicates that this results from a balance between preferential hydrogen bonding between the hydrogenated and fluorinated alcohols and the unfavorable dispersion forces between the hydrogenated and fluorinated chains. As the chain length increases, the contribution of dispersion increases and overcomes the contribution of H-bonds. In terms of the liquid structure, the simulations suggest the possibility of segregation between the hydrogenated and fluorinated segments, a hypothesis corroborated by the spectroscopic results. Furthermore, a quantitative analysis of the infrared spectra reveals that the presence of fluorinated groups induces conformational changes in the hydrogenated chains from the usually preferred all-trans to more globular arrangements involving gauche conformations. Conformational rearrangements at the CCOH dihedral angle upon mixing are also disclosed by the spectra.