Conformationally Controlled Electron Delocalization in n-Type Rods: Synthesis, Structure, and Optical, Electrochemical, and Spectroelectrochemical Properties of Dicyanocyclophanes

A series of dicyanobiphenyl-cyclophanes 1-6 with various pi-backbone conformations and characteristic n-type semiconductor properties is presented. Their synthesis, optical, structural, electrochemical, spectroelectrochemical, and packing properties are investigated. The X-ray crystal structures of all n-type rods allow the systematic correlation of structural features with physical properties. In addition, the results are supported by quantum mechanical calculations based on density functional theory. A two-step reduction process is observed for all n-type rods, in which the first step is reversible. The potential gap between the reduction processes depends linearly on the cos(2) value of the torsion angle phi between the pi-systems. Similarly, optical absorption spectroscopy shows that the vertical excitation energy of the conjugation band correlates with the cos(2) value of the torsion angle phi. These correlations demonstrate that the fixed intramolecular torsion angle phi is the dominant factor determining the extent of electron delocalization in these model compounds, and that the angle phi measured in the solid-state structure is a good proxy for the molecular conformation in solution. Spectroelectrochemical investigations demonstrate that conformational rigidity is maintained even in the radical anion form. In particular, the absorption bands corresponding to the SOMO-LUMO+i transitions are shifted bathochromically, whereas the absorption bands corresponding to the HOMO-SOMO transition are shifted hypsochromically with increasing torsion angle phi.

Single-Molecule Junctions Based on Nitrile-Terminated Biphenyls: A Promising New Anchoring Group

We present a combined experimental and theoretical study of the electronic transport through single-molecule junctions based on nitrile-terminated biphenyl derivatives. Using a scanning tunneling microscope-based break-junction technique, we show that the nitrile-terminated compounds give rise to well-defined peaks in the conductance histograms resulting from the high selectivity of the N-Au binding. Ab initio calculations have revealed that the transport takes place through the tail of the LUMO. Furthermore, we have found both theoretically and experimentally that the conductance of the molecular junctions is roughly proportional to the square of the cosine of the torsion angle between the two benzene rings of the biphenyl core, which demonstrates the robustness of this structure-conductance relationship.

Structure and properties of graphene nano disks (GND) with and without edge-dopants

Graphene is one of the most important materials. In this research, the structures and properties of graphene nano disks (GND) with a concentric shape were investigated by Density Functional Theory (DFT) calculations, in which the most effective DFT methods - B3lyp and Pw91pw91 were employed. It was found that there are two types of edges - Zigzag and Armchair in concentric graphene nano disks (GND). The bond length between armchair-edge carbons is much shorter than that between zigzag-edge carbons. For C24 GND that consists of 24 carbon atoms, only armchair edge with 12 atoms is formed. For a GND larger than the C24 GND, both armchair and zigzag edges co-exist. Furthermore, when the number of carbon atoms in armchair-edge are always 12, the number of zigzag-edge atoms increases with increasing the size of a GND. In addition, the stability of a GND is enhanced with increasing its size, because the ratio of edge-atoms to non-edge-atoms decreases. The size effect of a graphene nano disk on its HOMO-LUMO energy gap was evaluated. C6 and C24 GNDs possess HOMO-LUMO gaps of 1.7 and 2.1eV, respectively, indicating that they are semi-conductors. In contrast, C54 and C96 GNDs are organic metals, because their HOMO-LUMO gaps are as low as 0.3 eV. The effect of doping foreign atoms to the edges of GNDs on their structures, stabilities, and HOMO-LUMO energy gaps were also examined. When foreign atoms are attached to the edge of a GND, the original unsaturated carbon atoms become saturated. As a result, both of the C-C bonds lengths and the stability of a GND increase. Furthermore, the doping effect on the HOMO-LUMO energy gap is dependent on the type of doped atoms. The doping H, F, or OH into the edge of a GND increases its HOMO-LUMO energy gap. In contrast, a Li-doped GND has a lower HOMO-LUMO energy gap than that without doping. Therefore, Li-doping can increase the electrical conductance of a GND, whereas H, F, or OH-doping decreases its conductance.

A Pt(II) complex with both a phenanthroline and a tetrathiafulvalene-extended dithiolate ligand: Synthesis, crystal structure, electrochemical and spectroscopic properties

The reaction of 4,5-bis(2'-cyanoethylsulfanyl)-4',5'-dipropylthiotetrathiafulvalene with Pt(phen)Cl-2 (phen = 1,10-phenanthroline) with CsOH as base in CH3OH-THE affords the target complex I in 44% yield. This complex crystallizes in the monoclinic space group P2(1)/c, M = 790.01, a = 12.1732(12), b = 15.851(2), c = 14.5371(16) angstrom, beta = 107.693(12)degrees, V = 2672.4(5) angstrom(3) and Z = 4. It undergoes two reversible single-electron oxidation and two irreversible reduction processes. An intense electronic absorption band at 15200 cm(-1) (658 nm) in CH2Cl2 is assigned to the intramolecular mixed metal/ligand-to-ligand charge transfer (LLCT) from a tetrathiafulvalene-extended dithiolate-based HOMO to a phenanthroline-based LUMO. This band shifts hypsochromically with increasing solvent polarity. Systematic changes in the optical spectra upon oxidation allow precise tuning of the oxidation states of 1 and reversible control over its optical properties. Irradiation of 1 at 15625 cm(-1) (640 nm) in glassy solution below 150K results in emission from the (LLCT)-L-3 excited state. GRAPHICS (C) 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Photo-induced intramolecular charge transfer in an ambipolar field-effect transistor based on a pi-conjugated donor-acceptor dyad

A pi-conjugated tetrathiafulvalene-fused perylenediimide (TTF-PDI) molecular dyad is successfully used as a solution-processed active material for light sensitive ambipolar field-effect transistors with balanced hole and electron mobilities. The photo-response of the TTF-PDI dyad resembles its absorption profile. Wavelength-dependent photoconductivity measurements reveal an important photo-response at an energy corresponding to a PDI-localized electronic pi-pi* transition and also a more moderate effect due to an intramolecular charge transfer from the HOMO localized on the TTF unit to the LUMO localized on the PDI moiety. This work clearly elucidates the interplay between intra- and intermolecular electronic processes in organic devices.

Tetrathiafulvalene - Benzothiadiazoles as Redox-Tunable Donor - Acceptor Systems: Synthesis and Photophysical Study

Electrochemical and photophysical analysis of new donoracceptor systems 2 and 3, in which a benzothiadiazole (BTD) unit is covalently linked to a tetrathiafulvalene (TTF) core, have verified that the lowest excited state can be ascribed to an intramolecular-charge-transfer (ICT) (TTF)*(benzothiadiazole) transition. Owing to better overlap of the HOMO and LUMO in the fused scaffold of compound 3, the intensity of the 1ICT band is substantially higher compared to that in compound 2. The corresponding CT fluorescence is also observed in both cases. The radical cation TTF+. is easily observed through chemical and electrochemical oxidation by performing steady-state absorption experiments. Interestingly, compound 2 is photo-oxidized under aerobic conditions.

A Compact Tetrathiafulvalene-Benzothiadiazole Dyad and Its Highly Symmetrical Charge-Transfer Salt: Ordered Donor π-Stacks Closely Bound to Their Acceptors

A compact and planar donor–acceptor molecule 1 comprising tetrathiafulvalene (TTF) and benzothiadiazole (BTD) units has been synthesised and experimentally characterised by structural, optical, and electrochemical methods. Solution-processed and thermally evaporated thin films of 1 have also been explored as active materials in organic field-effect transistors (OFETs). For these devices, hole field-effect mobilities of μFE=(1.3±0.5)×10−3 and (2.7±0.4)×10−3 cm2 V s−1 were determined for the solution-processed and thermally evaporated thin films, respectively. An intense intramolecular charge-transfer (ICT) transition at around 495 nm dominates the optical absorption spectrum of the neutral dyad, which also shows a weak emission from its ICT state. The iodine-induced oxidation of 1 leads to a partially oxidised crystalline charge-transfer (CT) salt {(1)2I3}, and eventually also to a fully oxidised compound {1I3}⋅1/2I2. Single crystals of the former CT compound, exhibiting a highly symmetrical crystal structure, reveal a fairly good room temperature electrical conductivity of the order of 2 S cm−1. The one-dimensional spin system bears compactly bonded BTD acceptors (spatial localisation of the LUMO) along its ridge.

HOMO Stabilisation in π-Extended Dibenzotetrathiafulvalene Derivatives for Their Application in Organic Field-Effect Transistors

Three new organic semiconductors, in which either two methoxy units are directly linked to a dibenzotetrathiafulvalene (DB-TTF) central core and a 2,1,3-chalcogendiazole is fused on the one side, or four methoxy groups are linked to the DB-TTF, have been synthesised as active materials for organic field-effect transistors (OFETs). Their electrochemical behaviour, electronic absorption and fluorescence emission as well as photoinduced intramolecular charge transfer were studied. The electron-withdrawing 2,1,3-chalcogendiazole unit significantly affects the electronic properties of these semiconductors, lowering both the HOMO and LUMO energy levels and hence increasing the stability of the semiconducting material. The solution-processed single-crystal transistors exhibit high performance with a hole mobility up to 0.04 cm2 V−1 s−1 as well as good ambient stability.

Searching the hearts of graphene-like molecules for simplicity, sensitivity and logic

If quantum interference patterns in the hearts of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) could be isolated and manipulated, then a significant step towards realizing the potential of single-molecule electronics would be achieved. Here we demonstrate experimentally and theoretically that a simple, parameter-free, analytic theory of interference patterns evaluated at the mid-point of the HOMO-LUMO gap (referred to as M-functions) correctly predicts conductance ratios of molecules with pyrene, naphthalene, anthracene, anthanthrene or azulene hearts. M-functions provide new design strategies for identifying molecules with phase-coherent logic functions and enhancing the sensitivity of molecular-scale interferometers.

Diseño y síntesis de semiconductores orgánicos con capacidad de organización, alta movilidad de portadores de carga y bajo band gap

Desde hace ya algunos años la búsqueda de energías alternativas a los combustibles fósiles es uno de los grandes retos a nivel mundial. Según los datos de la Agencia Estadounidense de Información sobre la Energía (EIA), el consumo energético en el mundo fue de 18 TW en 2015 y se espera que este consumo se dispare hasta alcanzar los 25 TW en 2035 y los 30 TW en 2050. Parece, por tanto, necesario dar respuesta a esta demanda creciente, y no solo considerar de dónde va a proceder esta energía sino también cuáles van a ser las consecuencias derivadas de este aumento en el consumo energético. Ya en el año 2007 la Academia Sueca reconoció, con la concesión del Premio Nobel de la Paz al ex vicepresidente de Estados Unidos Al Gore y al Grupo Intergubernamental de expertos sobre Cambio Climático (IPCC) de Naciones Unidas, la necesidad de concienciación de que el modelo de desarrollo que tenemos es ecológicamente insostenible. En este contexto, las energías renovables en general y, la energía solar en particular, tienen mucho que ofrecer. Una de las mayores ventajas de la energía solar respecto a las otras fuentes de energía es su enorme potencial, que los investigadores que trabajan en este campo resumen con la siguiente afirmación: la cantidad de energía solar que la Tierra recibe en una hora es mayor que el consumo mundial en el planeta durante todo un año. Al hablar de energía solar se suele distinguir entre energía solar térmica y energía solar fotovoltaica; la primera consiste en aprovechar la energía del sol para convertirla en calor, mientras que la segunda pretende transformar la radiación solar en electricidad por medio de unos dispositivos llamados células fotovoltaicas. Y es precisamente en este campo donde se centra este proyecto. El fundamento científico en el que se basan las células fotovoltaicas es el efecto fotoeléctrico, descubierto por Becquerel en 1839. No obstante, tendrían que pasar más de cien años hasta que investigadores de los laboratorios Bell en 1954 desarrollaran una célula de silicio monocristalino con un rendimiento del 6%. Y en 1958, con el lanzamiento del satélite Vangard I equipado con paneles solares se pudo demostrar la viabilidad de esta tecnología. Desde entonces, la investigación en esta área ha permitido desarrollar dispositivos con eficiencias superiores al 20%. No obstante, la fotovoltaica tradicional basada en elementos semiconductores tipo silicio presenta algunos inconvenientes como el impacto visual de los parques solares, los costes elevados o los rendimientos no muy altos. El descubrimiento de materiales orgánicos semiconductores, reconocido con el Premio Nobel de Química a Heeger, MacDiarmid y Shirakawa en 1976, ha permitido ampliar el campo de la fotovoltaica, ofreciendo la posibilidad de desarrollar células solares orgánicas frente a las células tradicionales inorgánicas. Las células fotovoltaicas orgánicas resultan atractivas ya que, en principio, presentan ventajas como reducción de costes y facilidad de procesado: los materiales orgánicos se pueden elaborar mediante procesos de impresión y recubrimiento de alta velocidad, aerosoles o impresión por inyección y se podrían aplicar como una pintura sobre superficies, tejados o edificios. La transformación de la energía solar en corriente eléctrica es un proceso que transcurre en varias etapas: 1. Absorción del fotón por parte del material orgánico. 2. Formación de un excitón (par electrón-hueco), donde el electrón, al absorber el fotón, es promovido a un nivel energético superior dejando un hueco en el nivel energético en el que se encontraba inicialmente. 3. Difusión del excitón, siendo muy decisiva la morfología del dispositivo. 4. Disociación del excitón y transporte de cargas, lo que requiere movilidades altas de los portadores de cargas. 5. Recolección de cargas en los electrodos. En el diseño de las células solares orgánicas, análogamente a los semiconductores tipo p y tipo n inorgánicos, se suelen combinar dos tipos de materiales orgánicos: un material orgánico denominado dador, que absorbe el fotón y que a continuación deberá ceder el electrón a un segundo material orgánico, denominado aceptor. Para que la célula resulte eficaz es necesario que se cumplan simultáneamente varios requisitos: 1. La energía del fotón incidente debe ser superior a la diferencia de energía entre los orbitales frontera del material orgánico, el HOMO (orbital molecular ocupado de más alta energía) y el LUMO (orbital desocupado de menor energía). Para ello, se necesitan materiales orgánicos semiconductores que presenten una diferencia de energía entre los orbitales frontera (ELUMO-EHOMO= band gap) menor de 2 eV. Materiales orgánicos con estas características son los polímeros conjugados, donde alternan dobles enlaces carbono-carbono con enlaces sencillos carbono-carbono. Uno de los polímeros orgánicos más utilizados como material dador es el P3HT (poli-3-hexiltiofeno). 2. Tanto el material orgánico aceptor como el material orgánico dador deben presentar movilidades altas para los portadores de carga, ya sean electrones o huecos. Este es uno de los campos en los que los materiales orgánicos se encuentran en clara desventaja frente a los materiales inorgánicos: la movilidad de electrones en el silicio monocristalino es 1500 cm2V-1s-1 y en el politiofeno tan solo 10-5 cm2V-1s-1. La movilidad de los portadores de carga aparece muy relacionada con la estructura del material, cuanto más cristalino sea el material, es decir, cuanto mayor sea su grado de organización, mejor será la movilidad. Este proyecto se centra en la búsqueda de materiales orgánicos que puedan funcionar como dadores en el dispositivo fotovoltaico. Y en lugar de centrarse en materiales de tipo polimérico, se ha preferido explorar otra vía: materiales orgánicos semiconductores pero con estructura de moléculas pequeñas. Hay varias razones para intentar sustituir los materiales poliméricos por moléculas pequeñas como, por ejemplo, la difícil reproducibilidad de resultados que se encuentra con los materiales poliméricos y su baja cristalinidad, en general. Entre las moléculas orgánicas sencillas que pudieran ser utilizadas como el material dador en una célula fotovoltaica orgánica llama la atención el atractivo de las moléculas de epindolidiona y quinacridona. En los dos casos se trata de moléculas planas, con enlaces conjugados y que presentan anillos condensados, cuatro en el caso de la epindolidiona y cinco en el caso de la quinacridona. Además ambos compuestos aparecen doblemente funcionalizados con grupos dadores de enlace de hidrógeno (NH) y aceptores (grupos carbonilo C=O). Por su estructura, estas moléculas podrían organizarse tanto en el plano, mediante la formación de varios enlaces de hidrógeno intermoleculares, como en apilamientos verticales tipo columnar, por las interacciones entre las superficies de los anillos aromáticos que forman parte de su estructura (tres en el caso de la quinacridona) y dos (en el caso de la epindolidiona). Esta organización debería traducirse en una mayor movilidad de portadores de carga, cumpliendo así con uno de los requisitos de un material orgánico para su aplicación en fotovoltaica. De estas dos moléculas, en este trabajo se profundiza en las moléculas tipo quinacridona, ya que el desarrollo de las moléculas tipo epindolidiona se llevó a cabo en un proyecto de investigación financiado por una beca Repsol y concedida a Guillermo Menéndez, alumno del Grado en Tecnologías Industriales de esta escuela. La quinacridona es uno de los pigmentos más utilizados y se estima que la venta anual de los mismos alcanza las 4.000 toneladas por año. Son compuestos muy estables tanto desde el punto de vista térmico como fotoquímico y su síntesis no resulta excesivamente compleja. Son además compuestos no tóxicos y la legislación autoriza su empleo en cosméticos y juguetes para niños. El inconveniente principal de la quinacridona es su elevada insolubilidad (soluble en ácido sulfúrico concentrado), por lo que aunque resulta un material muy atractivo para su aplicación en fotovoltaica, resulta difícil su implementación. De hecho, solo es posible su incorporación en dispositivos fotovoltaicos funcionalizando la quinacridona con algún grupo lábil que le proporcione la suficiente solubilidad para poder ser aplicado y posteriormente eliminar dicho grupo lábil. La propuesta inicial de este proyecto es intentar desarrollar quinacridonas que sean solubles en los disolventes orgánicos más habituales tipo cloruro de metileno o cloroformo, para de este modo poder cumplir con una de las ventajas que, a priori, ofrecen las células fotovoltaicas orgánicas frente a las inorgánicas, como es la facilidad de su procesado. El objetivo se centra, por lo tanto, en la preparación de quinacridonas solubles pero sin renunciar a su capacidad para formar enlaces de hidrógeno ni a su capacidad de apilamiento π-π, ya que se quiere mantener los valores de movilidad de portadores para la quinacridona (movilidad de huecos 0,2 cm2V-1s-1). En primer lugar se intenta la preparación de una quinacridona que presenta la ventaja de que los materiales de partida para su síntesis son comerciales: a partir del succinato de dimetilo y de 4-tetradecilanilina se podía acceder, en una síntesis de cuatro etapas, a la molécula deseada. La elección de la amina aromática con la sustitución en posición 4 presenta la ventaja de que en la etapa de doble ciclación necesaria en la síntesis, solo se forma uno de los regioisómeros posibles; este hecho es de gran relevancia para conseguir compuestos con altas movilidades, ya que la presencia de mezcla de regioisómeros, como se ha demostrado con otros compuestos como el P3HT, reduce considerablemente la movilidad de los portadores. Se obtiene así una quinacridona funcionalizada con dos cadenas lineales de 14 carbonos cada una en posiciones simétricas sobre los anillos aromáticos de los extremos. Se espera que la presencia de la superficie aromática plana y las dos cadenas lineales largas pueda conducir a una organización del material similar a la de un cristal líquido discótico. Sin embargo, el producto obtenido resulta ser tremendamente insoluble, no siendo suficiente las dos cadenas de 14 carbonos para aumentar su solubilidad respecto a la quinacridona sin funcionalizar. Se prepara entonces un derivado de esta quinacridona por alquilación de los nitrógenos. Este derivado, incapaz de formar enlaces de hidrógeno, resulta ser fácilmente soluble lo que proporciona una idea de la importancia de los enlaces de hidrógeno en la organización del compuesto. La idea inicial es conseguir, con una síntesis lo más sencilla posible, una quinacridona soluble, por lo que se decide utilizar la 4-t-butilanilina, también comercial, en lugar de la 4-tetradecilanilina. La cadena de t-butilo solo aporta cuatro átomos de carbono, pero su disposición (tres grupos metilo sobre un mismo átomo de carbono) suele conducir a resultados muy buenos en términos de solubilidad. Otra vez, la incorporación de los dos grupos t-butilo resulta insuficiente en términos de solubilidad del material. En estos momentos, y antes de explorar otro tipo de modificaciones sobre el esqueleto de quinacridona, en principio más complejos, se piensa en utilizar una amina aromática funcionalizada en la posición adyacente a la amina, de manera que el grupo funcional cumpliera una doble misión: por una parte, proporcionar solubilidad y por otra parte, perturbar ligeramente la formación de enlaces de hidrógeno, que han evidenciado ser una de las causas fundamentales para la insolubilidad del compuesto. Se realiza un análisis sobre cuáles podrían ser los grupos funcionales más idóneos en esta posición, valorando dos aspectos: el impedimento estérico que dificultaría la formación de enlaces de hidrógeno y la facilidad en su preparación. Ello conduce a optar por un grupo tioéter como candidato, ya que el 2-aminobencenotiol es un compuesto comercial y su adecuada funcionalización conduciría a una anilina con las propiedades deseadas. Se realiza simultáneamente la preparación de una quinacridona con una cadena de 18 átomos de carbono y otra quinacridona de cadena corta pero ramificada. Y finalmente, con estas quinacridonas se logra obtener compuestos solubles. Por último, se realiza el estudio de sus propiedades ópticas, mediante espectroscopia UV-Visible y fluorescencia, y se determinan experimentalmente los band gap, que se aproximan bastante a los resultados teóricos, en torno a 2,2 eV en disolución. No obstante, y aun cuando el band gap pueda parecer algo elevado, se sabe que en disolución las barreras energéticas son más elevadas que cuando el material se deposita en film. Por otra parte, todas las quinacridonas sintetizadas han demostrado una elevada estabilidad térmica. Como resumen final, el trabajo que aquí se presenta, ha permitido desarrollar una ruta sintética hacia derivados de quinacridona solubles con buenas perspectivas para su aplicación en dispositivos fotovoltaicos.

On the forbidden gap of finite graphene nanoribbons

The electronic structure of isolated finite graphene nanoribbons is investigated by solving, at the Hartree-Fock (HF) level, the Pariser, Parr and Pople (PPP) many-body Hamiltonian. The study is mainly focused on 7-AGNR and 13-AGNR (Armchair Graphene Nano-Ribbons), whose electronic structures have been recently experimentally investigated. Only paramagnetic solutions are considered. The characteristics of the forbidden gap are studied as a function of the ribbon length. For a 7-AGNR, the gap monotonically decreases from a maximum value of ~6.5 eV for short nanoribbons to a very small value of ~0.12 eV for the longer calculated systems. Gap edges are defined by molecular orbitals that are spatially localized near the nanoribbon extremes, that is, near both zig-zag edges. On the other hand, two delocalized orbitals define a much larger gap of about 5 eV. Conductance measurements report a somewhat smaller gap of ~3 eV. The small real gap lies in the middle of the one given by extended states and has been observed by STM and reproduced by DFT calculations. On the other hand, the length dependence of the gap is not monotonous for a 13-AGNR. It decreases initially but sharply increases for lengths beyond 30 Å remaining almost constant thereafter at a value of ~2.1 eV. Two additional states localized at the nanoribbon extremes show up at energies 0.31 eV below the HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) and above the LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital). These numbers compare favorably with those recently obtained by means of STS for a 13-AGNR sustained by a gold surface, namely 1.4 eV for the energy gap and 0.4 eV for the position of localized band edges. We show that the important differences between 7- and 13-AGNR should be ascribed to the charge rearrangement near the zig-zag edges obtained in our calculations for ribbons longer than 30 Å, a feature that does not show up for a 7-AGNR no matter its length.

Comparative study of Li, Na, and K adsorptions on graphite by using ab initio method

A comprehensive study has been conducted to compare the adsorptions of alkali metals (including Li, Na, and K) on the basal plane of graphite by using molecular orbital theory calculations. All three metal atoms prefer to be adsorbed on the middle hollow site above a hexagonal aromatic ring. A novel phenomenon was observed, that is, Na, instead of Li or K, is the weakest among the three types of metal atoms in adsorption. The reason is that the SOMO (single occupied molecular orbital) of the Na atom is exactly at the middle point between the HOMO and the LUMO of the graphite layer in energy level. As a result, the SOMO of Na cannot form a stable interaction with either the HOMO or the LUMO of the graphite. On the other hand, the SOMO of Li and K can form a relatively stable interaction with either the HOMO or the LUMO of graphite. Why Li has a relatively stronger adsorption than K on graphite has also been interpreted on the basis of their molecular-orbital energy levels.

Chlorine contribution to quantitative structure and activity relationship models of disinfection by -products' quantum chemical descriptors and toxicities

Quantitative Structure-Activity Relationship (QSAR) has been applied extensively in predicting toxicity of Disinfection By-Products (DBPs) in drinking water. Among many toxicological properties, acute and chronic toxicities of DBPs have been widely used in health risk assessment of DBPs. These toxicities are correlated with molecular properties, which are usually correlated with molecular descriptors. The primary goals of this thesis are: (1) to investigate the effects of molecular descriptors (e.g., chlorine number) on molecular properties such as energy of the lowest unoccupied molecular orbital (E LUMO) via QSAR modelling and analysis; (2) to validate the models by using internal and external cross-validation techniques; (3) to quantify the model uncertainties through Taylor and Monte Carlo Simulation. One of the very important ways to predict molecular properties such as ELUMO is using QSAR analysis. In this study, number of chlorine (NCl ) and number of carbon (NC) as well as energy of the highest occupied molecular orbital (EHOMO) are used as molecular descriptors. There are typically three approaches used in QSAR model development: (1) Linear or Multi-linear Regression (MLR); (2) Partial Least Squares (PLS); and (3) Principle Component Regression (PCR). In QSAR analysis, a very critical step is model validation after QSAR models are established and before applying them to toxicity prediction. The DBPs to be studied include five chemical classes: chlorinated alkanes, alkenes, and aromatics. In addition, validated QSARs are developed to describe the toxicity of selected groups (i.e., chloro-alkane and aromatic compounds with a nitro- or cyano group) of DBP chemicals to three types of organisms (e.g., Fish, T. pyriformis, and P.pyosphoreum) based on experimental toxicity data from the literature. The results show that: (1) QSAR models to predict molecular property built by MLR, PLS or PCR can be used either to select valid data points or to eliminate outliers; (2) The Leave-One-Out Cross-Validation procedure by itself is not enough to give a reliable representation of the predictive ability of the QSAR models, however, Leave-Many-Out/K-fold cross-validation and external validation can be applied together to achieve more reliable results; (3) E LUMO are shown to correlate highly with the NCl for several classes of DBPs; and (4) According to uncertainty analysis using Taylor method, the uncertainty of QSAR models is contributed mostly from NCl for all DBP classes.

The Art of Change Movement: an anti-oppressive Social Work initiative

This article presents the Art of Change Movement (Movimiento Arte del Cambio), which has developed out of a project of the Association of Social Workers Without Boundaries (Asociación Trabajadores/as Sociales Sin Fronteras), with the collaboration of the Faculty of Social Work at Universidad de Granada and of education professionals, incorporating theatrical creativity and musical expression as pedagogical and social intervention tools. The aim is for the initiative to become another instrument in the fight against oppression. Through a laboratory for collective creativity involving students and professionals from social work and other social science disciplines, the movement seeks social transformation through artistic expression, based on political commitment and sustainable development that empowers participants.

Characterization of High-Performance Organic Dyes for Dye-Sensitized Solar Cell: A DFT/TDDFT Study

Dye-sensitized solar cell (DSSC) is currently a promising technology that makes solar energy efficient and cost-effective to harness. In DSSC, metal free dyes, such indoline-containing D149 and D205, are proved to be potential alternatives for traditional metal organic dyes. In this work, a DFT/TDDFT characterization for D149 and D205 were carried out using different functionals, including B3LYP, MPW1K, CAM-B3LYP and PBE0. Three different conformers for D149 and four different conformers for D205 were identified and calculated in vacuum. The performance of different functionals on calculating the maximum absorbance of the dyes in vacuum and five common solvents (acetonitrile, chloroform, ethanol, methanol, and THF) were examined and compared to determine the suitable computational setting for predicting properties of these two dyes. Furthermore, deprotonated D149 and D205 in solvents were also considered, and the highest occupied molecular orbital (HOMO) and lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) were calculated, which elucidates the substitution effect on the rhodanine ring of D149 and D205 dyes on their efficiency. Finally, D149 and D205 molecules were confirmed to be firmly anchored on ZnO surface by periodic DFT calculations. These results would shed light on the design of new highly efficiency metal-free dyes.