Annulation of Tetrathiafulvalene to the Bay Region of Perylenediimide: Fast Electron-Transfer Processes in Polar and Nonpolar Solvents

A tetrathiafulvalene donor has been annulated to the bay region of perylenediimide through a 1H-benzo-[d]pyrrolo[1,2-a]imidazol-1-one spacer affording an extended pi-conjugated molecular dyad (TTF-PDI). To gain insight into its ground- and excited-state electronic properties, the reference compound Ph-PDI has been prepared via a direct Schiff-base condensation of N,N'-bis(1-octylnonyl) benzoperylene-1',2':3,4:9,10-hexacarboxylic-1',2'-anhydride-3,4:9,10-bis (imide) with benzene-1,2-diamine. Both the experimental and the computational (DFT) results indicate that TTF-PDI exhibits significant intramolecular electronic interactions giving rise to an efficient photoinduced charge-separation process. Free-energy calculations verify that the process from TTF to the singlet-excited state of PDI is exothermic in both polar and nonpolar solvents. Fast adiabatic electron-transfer processes of a compactly fused, pi-conjugated TTF-PDI dyad in benzonitrile, 2-methyltetrahydrofuran, anisole and toluene were observed by femtosecond transient absorption spectral measurements. The lifetimes of radical-ion pairs slightly increase with decreasing the solvent polarities, suggesting that the charge-recombination occurs in the Marcus inverted region. By utilizing the nanosecond transient absorption technique, the intermolecular electron-transfer process in a mixture of has been observed via the triplet excited PDI for the first time.

The N-terminal domain of PsaF: Precise recognition site for binding and fast electron transfer from cytochrome c6 and plastocyanin to photosystem I of Chlamydomonas reinhardtii

The PsaF-deficient mutant 3bF of Chlamydomonas reinhardtii was used to modify PsaF by nuclear transformation and site-directed mutagenesis. Four lysine residues in the N-terminal domain of PsaF, which have been postulated to form the positively charged face of a putative amphipathic α-helical structure were altered to K12P, K16Q, K23Q, and K30Q. The interactions between plastocyanin (pc) or cytochrome c6 (cyt c6) and photosystem I (PSI) isolated from wild type and the different mutants were analyzed using crosslinking techniques and flash absorption spectroscopy. The K23Q change drastically affected crosslinking of pc to PSI and electron transfer from pc and cyt c6 to PSI. The corresponding second order rate constants for binding of pc and cyt c6 were reduced by a factor of 13 and 7, respectively. Smaller effects were observed for mutations K16Q and K30Q, whereas in K12P the binding was not changed relative to wild type. None of the mutations affected the half-life of the microsecond electron transfer performed within the intermolecular complex between the donors and PSI. The fact that these single amino acid changes within the N-terminal domain of PsaF have different effects on the electron transfer rate constants and dissociation constants for both electron donors suggests the existence of a rather precise recognition site for pc and cyt c6 that leads to the stabilization of the final electron transfer complex through electrostatic interactions.

Analysis of the fast electron scaling theory for the heating of a solid target

Simple scaling laws for laser-generated fast electron heating of solids that employ a Spitzer-like resistivity are unlikely to be universally adequate as this model does not produce an adequate description of a material's behaviour at low temperatures. This is demonstrated in this paper by using both numerical simulations and by comparing existing analytical scaling laws for low temperature resistivity. Generally, we find that, in the low temperature regime, the scaling for the heating of the background material has a much stronger dependence on the key empirical parameters (laser intensity, pulse duration, etc.).

Global control and fast solid-state donor electron spin quantum computing

We propose a scheme for quantum information processing based on donor electron spins in semiconductors, with an architecture complementary to the original Kane proposal. We show that a naive implementation of electron spin qubits provides only modest improvement over the Kane scheme, however through the introduction of global gate control we are able to take full advantage of the fast electron evolution timescales. We estimate that the latent clock speed is 100-1000 times that of the nuclear spin quantum computer with the ratio T-2/T-ops approaching the 10(6) level.

Precession electron diffraction in the transmission electron Microscope: electron crystallography and orientational mapping

Precession electron diffraction (PED) is a hollow cone non-stationary illumination technique for electron diffraction pattern collection under quasikinematicalconditions (as in X-ray Diffraction), which enables “ab-initio” solving of crystalline structures of nanocrystals. The PED technique is recently used in TEMinstruments of voltages 100 to 300 kV to turn them into true electron iffractometers, thus enabling electron crystallography. The PED technique, when combined with fast electron diffraction acquisition and pattern matching software techniques, may also be used for the high magnification ultra-fast mapping of variable crystal orientations and phases, similarly to what is achieved with the Electron Backscatter Diffraction (EBSD) technique in Scanning ElectronMicroscopes (SEM) at lower magnifications and longer acquisition times.

Electron Transport in Dye-Sensitized Solar Cells Based on ZnO Nanotubes: Evidence for Highly Efficient Charge Collection and Exceptionally Rapid Dynamics

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Relativistic high-current electron-beam stopping-power characterization in solids and plasmas: collisional versus resistive effects.

We present experimental and numerical results on intense-laser-pulse-produced fast electron beams transport through aluminum samples, either solid or compressed and heated by laser-induced planar shock propagation. Thanks to absolute K� yield measurements and its very good agreement with results from numerical simulations, we quantify the collisional and resistive fast electron stopping powers: for electron current densities of � 8 � 1010 A=cm2 they reach 1:5 keV=�m and 0:8 keV=�m, respectively. For higher current densities up to 1012 A=cm2, numerical simulations show resistive and collisional energy losses at comparable levels. Analytical estimations predict the resistive stopping power will be kept on the level of 1 keV=�m for electron current densities of 1014 A=cm2, representative of the full-scale conditions in the fast ignition of inertially confined fusion targets.

A comparison of charge-transfer mechanisms at rotated disk electrode for biomimetic binuclear and tetranuclear oxo-manganese complex in aqueous solution

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Novel two photon absorbers: evaluation of photophysical properties in view of biomedical applications

This thesis was focused on the investigation of the linear optical properties of novel two photon absorbers for biomedical applications. Substituted imidazole and imidazopyridine derivatives, and organic dendrimers were studied as potential fluorophores for two photon bioimaging. The results obtained showed superior luminescence properties for sulphonamido imidazole derivatives compared to other substituted imidazoles. Imidazo[1,2-a]pyridines exhibited an important dependence on the substitution pattern of their luminescence properties. Substitution at imidazole ring led to a higher fluorescence yield than the substitution at the pyridine one. Bis-imidazo[1,2-a]pyridines of Donor-Acceptor-Donor type were examined. Bis-imidazo[1,2-a]pyridines dimerized at C3 position had better luminescence properties than those dimerized at C5, displaying high emission yields and important 2PA cross sections. Phosphazene-based dendrimers with fluorene branches and cationic charges on the periphery were also examined. Due to aggregation phenomena in polar solvents, the dendrimers registered a significant loss of luminescence with respect to fluorene chromophore model. An improved design of more rigid chromophores yields enhanced luminescence properties which, connected to large 2PA cross-sections, make this compounds valuable as fluorophores in bioimaging. The photophysical study of several ketocoumarine initiators, designed for the fabrication of small dimension prostheses by two photon polymerization (2PP) was carried out. The compounds showed low emission yields, indicative of a high population of the triplet excited state, which is the active state in producing the reactive species. Their efficiency in 2PP was proved by fabrication of microstructures and their biocompatibility was tested in the collaborator’s laboratory. In the frame of the 2PA photorelease of drugs, three fluorene-based dyads have been investigated. They were designed to release the gamma-aminobutyric acid via two photon induced electron transfer. The experimental data in polar solvents showed a fast electron transfer followed by an almost equally fast back electron transfer process, which indicate a poor optimization of the system.

Improving the Photoelectrochemical Response of TiO2 Nanotubes upon Decoration with Quantum-Sized Anatase Nanowires

TiO2 nanotubes (NTs) have been widely used for a number of applications including solar cells, photo(electro)chromic devices, and photocatalysis. Their quasi-one-dimensional morphology has the advantage of a fast electron transport although they have a relatively reduced interfacial area compared with nanoparticulate films. In this study, vertically oriented, smooth TiO2 NT arrays fabricated by anodization are decorated with ultrathin anatase nanowires (NWs). This facile modification, performed by chemical bath deposition, allows to create an advantageous self-organized structure that exhibits remarkable properties. On one hand, the huge increase in the electroactive interfacial area induces an improvement by 1 order of magnitude in the charge accumulation capacity. On the other hand, the modified NT arrays display larger photocurrents for water and oxalic acid oxidation than bare NTs. Their particular morphology enables a fast transfer of photogenerated holes but also efficient mass and electron transport. The importance of a proper band energy alignment for electron transfer from the NWs to the NTs is evidenced by comparing the behavior of these electrodes with that of NTs modified with rutile NWs. The NT-NW self-organized architecture allows for a precise design and control of the interfacial surface area, providing a material with particularly attractive properties for the applications mentioned above.

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.

“Acid-spike” effect in spurs/tracks of the low/high linear energy transfer radiolysis of water : potential implications for radiobiology and nuclear industry

Résumé : Les ions hydronium (H3O + ) sont formés, à temps courts, dans les grappes ou le long des trajectoires de la radiolyse de l'eau par des rayonnements ionisants à faible transfert d’énergie linéaire (TEL) ou à TEL élevé. Cette formation in situ de H3O + rend la région des grappes/trajectoires du rayonnement temporairement plus acide que le milieu environnant. Bien que des preuves expérimentales de l’acidité d’une grappe aient déjà été signalées, il n'y a que des informations fragmentaires quant à son ampleur et sa dépendance en temps. Dans ce travail, nous déterminons les concentrations en H3O + et les valeurs de pH correspondantes en fonction du temps à partir des rendements de H3O + calculés à l’aide de simulations Monte Carlo de la chimie intervenant dans les trajectoires. Quatre ions incidents de différents TEL ont été sélectionnés et deux modèles de grappe/trajectoire ont été utilisés : 1) un modèle de grappe isolée "sphérique" (faible TEL) et 2) un modèle de trajectoire "cylindrique" (TEL élevé). Dans tous les cas étudiés, un effet de pH acide brusque transitoire, que nous appelons un effet de "pic acide", est observé immédiatement après l’irradiation. Cet effet ne semble pas avoir été exploré dans l'eau ou un milieu cellulaire soumis à un rayonnement ionisant, en particulier à haut TEL. À cet égard, ce travail soulève des questions sur les implications possibles de cet effet en radiobiologie, dont certaines sont évoquées brièvement. Nos calculs ont ensuite été étendus à l’étude de l'influence de la température, de 25 à 350 °C, sur la formation in situ d’ions H3O + et l’effet de pic acide qui intervient à temps courts lors de la radiolyse de l’eau à faible TEL. Les résultats montrent une augmentation marquée de la réponse de pic acide à hautes températures. Comme de nombreux processus intervenant dans le cœur d’un réacteur nucléaire refroidi à l'eau dépendent de façon critique du pH, la question ici est de savoir si ces fortes variations d’acidité, même si elles sont hautement localisées et transitoires, contribuent à la corrosion et l’endommagement des matériaux.

Comparative electron impact and fast atom bombardment mass spectrometric studies of some HMPA adducts of phenyltin and phenyllead halides and studies of strong hydrogen bonding by FAB-MS

The fragmentation patterns and mass spectra of some phenyl tin and -lead halide adducts with hexamethylphosphoramide are compared by subjecting them t~ electron impact and fast atom bombardment ionization in a mass spectrometer. This comparison is restricted to the metal-containing ions. Ligand-exchange mechanisms of some of the metal-containing species are explored by FAB-MS. Several moisturesensitive organo-metallics and H-bonded systems have been examined by FAB for attempted characterization, but without any success. Scavenging and trapping of water molecules by complex aggregates in solutions of quaternary ammonium fluorides and hydroxides are investigated by FAB to complement previous NMR-studies.

Fast atom bombardment and electron impact mass spectrometry studies of some aryltin compounds and ferrocenes

Both El MS and FAB MS behavior of two groups of compounds, aryltin and ferrocene compounds, have been studied. For the aryltin compounds, the effect of substituent group position, substituent group type and ligand type on the El spectra have been explored in the El MS studies. The fragmentation mechanism has been investigated under El with linked scans, such as fragment ion scans(BJE), parent ion scans(B2JE) and constant neutral radical loss scans(B2(1-E)JE2). In the FAB MS studies, matrix optimization experiments have been carried out. The positive ion FAB MS studies focused on the effect of substituent group position, substituent group type and ligand type on the spectra. The fragmentation mechanisms of all the samples under positive ion FAB have been studied by means of the linked scans. The CA positive ion FAB fragmentation studies were also carried out for a typical sample. Negative ion FAB experiments of all the compounds have been done. And finally, the comparison of the El MS and FAB MS has been made. For ferrocenes, the studies concentrated on the fragmentation mechanism of each compound under El with linked scan techniques in the first field-free region and the applicability of positive/negative ion FAB MS to this group of compounds. The fragmentation mechanisms under positive ion FAB of those ferrocenes which can give positive ion FAB MS spectra were studied with the linked scan techniques. The CA +ve F AB fragmentation studies were carried out for a typical sample. Comparison of the E1 MS and FAB MS has been made.