Master of Science / Department of Physics / Itzhak Ben-Itzhak / Ultrafast lasers allow us to study molecular dynamics on their natural timescale. The electronic dynamics can be studied using attosecond pulses, while the vibrational and rotational dynamics can be probed using tens of femtosecond and picosecond laser pulses, respectively. This capability has led to a broad understanding of the electronic dynamics in atoms and molecules as well as vibrational and rotational dynamics of molecules, which is one of the important goals in basic science. Moreover, it is possible to control quantum mechanical processes using ultrafast intense lasers. In this thesis, we focus on a couple of experiments. The first involves quantum control of the formation of neutral molecular fragments while the second focuses on three-body fragmentation of molecules employing the native-frames analysis method, which was recently introduced by our group [J. Rajput et al., Phys. Rev. Lett. 120, 103001 (2018)]. Experimental studies focused on the formation of excited neutral D fragments from D2 molecules are presented. We show that by manipulating the chirp of the intense laser pulses, i.e. the “time order” of the frequency components within the pulse, the formation of these fragments is controlled. To achieve this control we implement a single-prism compressor to manipulate the chirp of the laser pulses. Three-body fragmentation of CO₂ resulting in C+ + O+ + O+ is also studied. We show that if the two bonds break in a two-step process, i.e. a sequential breakup, the pathways from which the two identical O+ fragments originate can be separated using the native-frames analysis method. In contrast, the two O+ fragments cannot be distinguished if the two C-O bonds break simultaneously.

[pt] Neste trabalho são apresentadas, pela primeira vez, seções de choque absolutas para a ionização e a fragmentação da molécula de vapor d´água em colisões com He(+), para as energias de 1,0, 1,5 e 2,0 MeV, totais e parciais nos processos de ionização pura, perda eletrônica (ionização do projétil) e captura eletrônica pelo projétil. Essas seções de choque foram obtidas por meio de medidas de coincidência entre os estados de carga do projétil após a colisão e os estados de carga dos íons de recuo, estes últimos determinados por espectrometria de tempo de vôo. São descritas detalhadamente tanto a montagem experimental como a metodologia para a obtenção dos dados, além de uma série de providências que se fizeram necessárias para a realização do trabalho. Os resultados são, na medida do possível, comparados com dados experimentais obtidos não só no Laboratório do Acelerador Van de Graaff da PUC-Rio, como em outros laboratórios, para a ionização e a fragmentação da molécula com He(+) e outros projéteis, e analisados na tentativa de compreender melhor a importância relativa dos diferentes processos para os mecanismos de fragmentação da molécula de vapor d`água na sua transição entre o caráter dipolar e o explosivo. / [en] In this work, absolute cross sections for the ionization and fragmentation of water vapor molecules are presented, for the ffirst time, for collisions with He(+) with energies of 1.0, 1.5 and 2.0 MeV, total and partial in the pure ionization, electron loss (projectile ionization) and electron capture by the projectile processes. These cross sections were obtained by means of coincidence measurements between the post-collision projectile charge states and the recoil ion charge states, the latter determined by time-of- °ight spectrometry. Both the experimental setup and the methodology for data acquisition are described in detail, together with several procedures that were needed to the completion of this work. The results are, whenever possible, compared with experimental data ob- tained not only in the Van de Graaff Accelerator Laboratory of PUC-Rio, but also from other groups, for the ionization and fragmentation of the water molecule by He(+) and other projectiles, and analyzed in order to better un- derstand the relative importance of the different processes leading to water molecule fragmentation in its transition from the sequential to the explosive regime.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:10:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DiegoSD_DISSERT.pdf: 4467915 bytes, checksum: 1bb0defec90e5ed329ebefbf24ac108a (MD5) Previous issue date: 2013-02-28 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / Currently, computational methods have been increasingly used to aid in the characterization of molecular biological systems, especially when they relevant to human health. Ibuprofen is a nonsteroidal antiinflammatory or broadband use in the clinic. Once in the bloodstream, most of ibuprofen is linked to human serum albumin, the major protein of blood plasma, decreasing its bioavailability and requiring larger doses to produce its antiinflamatory action. This study aimes to characterize, through the interaction energy, how is the binding of ibuprofen to albumin and to establish what are the main amino acids and molecular interactions involved in the process. For this purpouse, it was conducted an in silico study, by using quantum mechanical calculations based on Density Functional Theory (DFT), with Generalized Gradient approximation (GGA) to describe the effects of exchange and correlation. The interaction energy of each amino acid belonging to the binding site to the ligand was calculated the using the method of molecular fragmentation with conjugated caps (MFCC). Besides energy, we calculated the distances, types of molecular interactions and atomic groups involved. The theoretical models used were satisfactory and show a more accurate description when the dielectric constant ε = 40 was used. The findings corroborate the literature in which the Sudlow site I (I-FA3) is the primary binding site and the site I-FA6 as secondary site. However, it differs in identifying the most important amino acids, which by interaction energy, in order of decreasing energy, are: Arg410, Lys414, Ser 489, Leu453 and Tyr411 to the I-Site FA3 and Leu481, Ser480, Lys351, Val482 and Arg209 to the site I-FA6. The quantification of interaction energy and description of the most important amino acids opens new avenues for studies aiming at manipulating the structure of ibuprofen, in order to decrease its interaction with albumin, and consequently increase its distribution / Na atualidade, os m?todos computacionais v?m sendo cada vez mais utilizados para auxiliar a biologia molecular na caracteriza??o de sistemas biol?gicos, principalmente quando esses possuem relev?ncia para a sa?de humana. O ibuprofeno ? um antiinflamat?rio n?o-esteroidal de larga utiliza??o na cl?nica. Uma vez na corrente sangu?nea, boa parte do ibuprofeno fica ligada a albumina de soro humano, a principal prote?na do plasma sangu?neo, diminuindo a sua biodisponibilidade e necessitando de maiores doses para a produ??o de seu efeito antiinflamat?rio. Este estudo teve por objetivo caracterizar, atrav?s da energia de intera??o, como ocorre a liga??o do ibuprofeno ? albumina e estabelecer quais os principais amino?cidos e intera??es moleculares envolvidas no processo. Para tal desenvolveu-se um estudo in silico, com utiliza??o de c?lculos de mec?nica qu?ntica, baseada na Teoria do Funcional da Densidade (DFT), com aproxima??es do Gradiente Generalizado (GGA) para descri??o dos efeitos de correla??o e troca. A energia de intera??o de cada amino?cido do s?tio de liga??o, com o ligante foi calculada com base no m?todo de fragmenta??o molecular com capas conjugadas (MFCC). Al?m da energia, foram calculadas as dist?ncias, tipos de intera??es moleculares e grupos at?micos envolvidos. Os modelos te?ricos utilizados foram satisfat?rios e demonstraram uma descri??o mais precisa com a utiliza??o da constante diel?trica ε=40. Os achados corroboram com a literatura colocando o s?tio Sudlow I (I-FA3) como o principal s?tio de liga??o e o s?tio I-FA6 como s?tio secund?rio. Contudo, difere quanto ? identifica??o dos amino?cidos mais importantes, que por meio da energia de intera??o, em ordem decrescente de energia, s?o: Arg410, Lys414, Ser 489, Leu453 e Tyr411 para o S?tio I-FA3 e Leu481, Ser480, Lys351, Val482 e Arg209 para o s?tio I-FA6. A quantifica??o da energia de intera??o e a descri??o dos amino?cidos mais importantes abre caminhos para novos estudos que visem a manipula??o da estrutura do ibuprofeno, no sentido de diminuir a intera??o desse com a albumina, e consequentemente aumentar a sua distribui??o

[pt] Este estudo trata de processos da fragmentação molecular de água no estado gasoso pelo impacto de feixes energéticos de fótons, H+ e Li3+. As seções de choque absolutas de ionização foram obtidas para os feixes de Li3+, H+ e de fótons. As seções de choque do canal de captura eletrônica, obtidas para o feixe de Li3+, foram investigadas visando determinar as diferenças na fragmentação molecular induzidas pelo processo de transfêrencia de carga ao projétil. O intervalo de energia utilizado nas medidas com o feixe de Li3+ foi de 750 a 5800 keV, enquanto para o feixe de prótons foi selecionada a regiao de energia entre 300 até 2000 keV, mantendo uma faixa de velocidades similar. No caso dos fótons, as fragmentações foram medidas no intervalo de energia de 38 a 170 eV. Para a obtenção dos valores de seção de choque de ionização e de captura, foi aplicado um método para a correção do número de eventos simples (íon + neutro) e pares iônicos. A partir desse método foi possível avaliar a influência desta correção nos valores de seção de choque de ionização. A partir dos valores de frações de fragmentação por impacto de prótons foram desenvolvidas curvas teóricas de seção de choque para produção dos pares iônicos H++OH+ e H++O+. Os resultados obtidos de seção de choque de ionização de pares iônicos foram determinados a partir de resultados teóricos de seções de choque de produção dos fragmentos OH+, O+ e H+ disponíveis na literatura. Os resultados foram comparados e concordam com os valores experimentais para impacto de prótons, obtidos neste trabalho, e com dados para impacto de elétrons disponíveis na literatura. / [en] This study aims to contribute for the understanding of the water molecule multiple ionization by impact of photons, protons and Li3+ ions. The technique selected for such research is Time-of-Flight Spectroscopy of the ions produced as a consequence of the molecular dissociation. Absolute and partial ionization cross sections are obtained for impact with each of these three projectiles. For Li3+ beam, absolute and partial capture cross sections are also obtained. The energy range employed was 38-170 eV for photons beams, 300-2000 keV for H+ beams and 750 up to 5800 keV for Li3+ beams. Corrections for ionization cross section determination are usually necessary. Methods for this were developed and applied to the current data. Values for these corrections are presented and discussed. The obtained results are compared with literature data, exhibiting unexpected features. As an example, the production rates of OH+ and H+ fragments by two beams (photons and electrons) having a very different nature are very similar behavior. The data from the water molecule fragmentation by H+ beam enabled the determination of fragmentation factors. The knowledge of these factors made possible to calculate, using a method developed in this work and also theoretical data from literature based on production data of OH+, O+ and H+, new theoretical curves concerning pair production (H+ + OH+ and H+O+).