El objetivo de esta tesis se centra en el estudio de la transferencia de electrones (ET), una de las reacciones más simples y cruciales en bioquímica. Para dichos procesos, obtener información directa de los factores que lo promueves, asi como del camino de transferencia electronica, no es una tarea trivial. Dicha información a un nivel de conocimiento detallado atómico y electrónico, sin embargo, es muy valiosa en términos de una mejor comprensión del ciclo enzimático, que podría conducir, por ejemplo, a un diseño más eficaz de inhibidores. El objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de una metodología para el estudio cuantitativo de la ET en los sistemas biológicos. En este sentido, hemos desarrollado un nuevo método para obtener el camino de transferencia electrónico, llamado QM/MM e-­‐ Pathway, que se puede aplicar en sistemas complejos con ET de largo alcance. El método se basa en una búsqueda sucesiva de residuos importantes para la ET, utilizando la modificación de la región quantica en métodos mixtos QM/MM, y siguiendo la evolución de la densidad de espín dentro de la zona de transferencia. Hemos demostrado la utilidad y la aplicabilidad del algoritmo en el complejo P450cam/Pdx, identificando el papel clave de la Arg112 (en P450cam) y del Asp48 (en Pdx), ambos conocidos en la literatura. Además de obtener caminos de ET, hemos cuantificado su importancia en términos del acoplamiento electrónico entre el dador y aceptor para los diferentes caminos. En este sentido, se realizaron dos estudios de la influencia del solvente y de la temperatura en el acoplamiento electrónico para sistemas modelo oligopéptidos. Ambos estudios revelaron que los valores del acoplamiento electrónico fluctúan fuertemente a lo largo de las trayectorias de dinámica molecular obtenidas, y el mecanismo de transferencia de electrones se ve ampliamente afectado por el espacio conformacional del sistema. La combinación del QM/MM e-­‐pathway y de los cálculos de acoplamiento electronico fueron utilizados finalmente para investigar la ET en el complejo CCP/Cytc. Nuestros hallazgos indican el papel fundamental del Trp191 en localizar un estadio intermedio para la transferencia electronica, así como el camino ET principal que incluye Ala194, Ala193, Gly192 y Trp191. Ambos hallazgos fueron confirmados a través de la literatura. Los resultados obtenidos para el muestro de manios de ET, junto con su evaluación a través de cálculos de acoplamiento electrónico, sugieren un enfoque sencillo y prometedor para investigar ET de largo alcance en proteínas. / The focus of this PhD thesis lies on electron transfer (ET) processes, belonging to the simplest but most crucial reactions in biochemistry. Getting direct information of the forces driving the process and the actual electron pathway is not a trivial task. Such atomic and electronic detailed information, however, is very valuable in terms of a better understanding of the enzymatic cycle, which might lead, for example, to more efficient protein inhibitor design. The main objective of this thesis was the development of a methodology for the quantitative study of ET in biological systems. In this regard, we developed a novel approach to map long-­‐range electron transfer pathways, called QM/MM e-­‐Pathway. The method is based on a successive search for important ET residues in terms of modifying the QM region following the evolution of the spin density of the electron (hole) within a given transfer region. We proved the usefulness and applicability of the algorithm on the P450cam/Pdx complex, indicating the key role of Arg112 of P450cam and Asp48 of Pdx for its ET pathway, both being known to be important from the literature. Besides only identifying the ET pathways, we further quantified their importance in terms of electronic coupling of donor and acceptor incorporating the particular pathway residues. Within this regard, we performed two systematic evaluations of the underlying reasons for the influence of solvent and temperature onto electronic coupling in oligopeptide model systems. Both studies revealed that electronic coupling values strongly fluctuate throughout the molecular dynamics trajectories obtained, and the mechanism of electron transfer is affected by the conformational space the system is able to occupy. Combining both ET mapping and electronic coupling calculations, we finally investigated the electron transfer in the CcP/Cytc complex. Our findings indicate the key role of Trp191 being the bridge-­‐localized state of the ET as well as the main pathway consisting of Ala194, Ala193, Gly192 and Trp191 between CcP and Cytc. Both findings were confirmed through the literature. Moreover, our calculations on several snapshots state a nongated ET mechanism in this protein complex. The methodology developed along this thesis, mapping ET pathways together with their evaluation through electronic coupling calculations, suggests a straightforward and promising approach to investigate long-­‐range ET in proteins.

Durante los últimos años, ha adquirido importancia creciente el estudio de la interacción radiación visible-materia (fotónica), en la que la primera queda confinada a volúmenes de dimensiones mucho menores que la longitud de onda de la luz. El conocimiento de los procesos físicos que ocurren en dicha interacción permiten, entre otras cosas, el desarrollo de innumerables aplicaciones en diversos campos de la ciencia y la tecnología que abarcan desde la biomedicina hasta las telecomunicaciones. La materia en escala nanométrica presenta propiedades ópticas, eléctricas, y magnéticas muy diferentes de las que posee en estado macroscópico. El estudio de las propiedades ópticas de estructuras nanométricas constituye un área de gran importancia no totalmente resuelta para el posible desarrollo de nuevos materiales y aplicaciones. Esta Tesis combina un aspecto de desarrollo experimental y otro relacionado con el modelado teórico de las propiedades ópticas de nanoestructuras esféricas simples y núcleo-recubrimiento con el fin de complementar, reforzar y enriquecer la interpretación de los resultados obtenidos. El desarrollo experimental está relacionado con la fabricación de partículas nanométricas y subnanométricas en medios líquidos por ablación láser de blancos sólidos de cobre y plata con pulsos ultracortos de Ti:Za, a diferentes energías y en distintos medios. Asimismo se obtienen espectros de extinción óptica y Raman a partir de las suspensiones coloidales generadas. El aspecto teórico de esta Tesis abarca el modelado teórico de la función dieléctrica compleja de cobre y plata, y el estudio por separado del comportamiento de la contribución de los electrones libres y ligados considerando las modificaciones por tamaño para radios menores a 10 nm. Teniendo en cuenta estas correcciones, se analizan los coeficientes de extinción de ambos metales para distintos tamaños de partículas nanométricas y subnanométricas y diferentes estructuras en función de la longitud de onda. A partir del ajuste de los espectros de extinción experimentales de las suspensiones coloidales generadas para ambos metales nobles, se determina la composición, estructura, configuración y distribución de tamaños. Por otra parte, se presentan aplicaciones orientadas al diseño de dos tipos de sensores plasmónicos de oxígeno: uno de ellos, basado en espectroscopía de extinción óptica de nanopartícula aislada de plata, y el otro de películas de plata de espesor nanométrico fundamentado en la resonancia del polaritón plasmón superficial en la configuración de Kretschmann. Para ambos casos, la presencia de oxígeno se determina a través de la medición del espesor de óxido de plata crecido sobre la nanoestructura de plata. Finalmente, mediante el análisis de determinados parámetros característicos del espectro de extinción de las nanopartículas aisladas de plata, se establece un protocolo sencillo para conocer el tamaño del radio del núcleo y el espesor del recubrimiento de óxido. Para el caso del sensor de película delgada de plata, el estudio del comportamiento de parámetros característicos como el mínimo de la reflectividad, ancho total a altura media y reflectividad a determinados ángulos de la multicapa de plata-óxido de plata para polarizaciones de onda p y s, permite establecer un protocolo de medición de reflectividad híbrido de Resonancia del Polaritón Plasmón Superficial - Acoplamiento del Modo de Guía de Onda Óptica para determinar y controlar in situ el espesor de la capa de óxido durante el proceso de crecimiento. / In recent years, it has become increasingly important the study the visible radiation-matter interaction field (photonics), wherein the former is confined to volume dimensions much smaller than the wavelength of light. Knowledge of the physical processes that occur in such interactions allow, among other things, the development of numerous applications in various fields of science and technology ranging from biomedicine to telecommunications. Nanoscale material present optical, electrical, and magnetic properties very different from those observed in macroscopic state. The study of the optical properties of nanometric structures is an area of great importance not fully resolved for the possible development of new materials and applications. This Thesis combines an experimental aspect and a theoretical modeling of the optical properties of simple and core-shell spherical nanostructures in order to complement, enhance and enrich the interpretation of the results. Experimental development is related to the manufacture of nanometric and subnanometric particles in liquid media by laser ablation of solid copper and silver targets by ultrashort pulsed Ti:Sa laser, at different energies and different media. Likewise, optical extinction spectra and Raman spectra are obtained from the generated colloidal solutions. The theoretical aspect of this Thesis covers theoretical modeling of complex dielectric function of copper and silver, and the separate study of the behavior of the contribution of free and bound electrons considering changes by size for radii smaller than 10 nm. Given these corrections, an analysis of the extinction coefficients of both metals for different nanometric and subnanometric particle sizes proceeds. From the fit of the extinction spectra of the experimentally generated colloidal suspensions for both noble metals, composition, structure, configuration and size distribution could be determined. Applications are oriented to the design of two types of plasmonic oxygen sensors: one based on optical extinction spectroscopy of single silver nanoparticle and the other is based on surface plasmon polariton resonance of nanometric thickness silver films based on Kretschmann configuration. For both cases, the presence of oxygen is determined by measuring the thickness of oxide grown on the silver nanostructure. Finally, by analyzing certain characteristic parameters of the extinction spectrum of single silver nanoparticles, a simple core radius - shell thickness sizing protocol can be developed. In the case of thin-film silver sensor, studying the behavior of characteristic parameters such as minimum reflectivity, full width at half maximum and fixed-angle reflectivity of the multilayer silver-silver oxide p and s wave polarizations, protocol allows for a measurement of reflectivity hybrid Surface Plasmon Polariton Resonance - Coupling Mode Optical Waveguide to determine and monitor in situ the thickness of the oxide layer during the growth process.

[ES] La demanda de agua y la contaminación del agua son dos problemas ligados no solo de los últimos años sino también para el futuro. Mucho se ha hecho en el pasado para eliminar los contaminantes emergentes (CEC) de los sistemas acuáticos, utilizando diferentes tipos de técnicas; entre ellos, los mediados por luz han obtenido gran atención en los últimos años, debido a su alta eficiencia y sus bajos costos. Entre todas estas técnicas, se han desarrollado Procesos Avanzados de Oxidación y Reducción (AOPs y ARPs, respectivamente) para eliminar eficientemente las CECs. En detalle, en esta tesis se ha investigado el uso de moléculas orgánicas como fotocatalizadores en combinación con luz solar y visible; La riboflavina y la eosina Y han sido seleccionadas como fotocatalizadores por sus diferentes propiedades químicas: la primera es una molécula natural, conocida por sus propiedades oxidativas, mientras que la segunda es un colorante sintético. El objetivo principal de esta tesis doctoral fue investigar la degradación de varias clases de CEC mediante el uso de fotocatalizadores orgánicos y luz visible. En detalle, se monitorearon las tendencias de degradación de cada CEC frente al tiempo en diferentes condiciones de trabajo, con el fin de encontrar el mejor sistema de fotodegradación. Además, se investigó el mecanismo de funcionamiento mediante la determinación de los principales fotoproductos y mediante el estudio de las especies reactivas generadas, involucradas en los procesos. Se realizaron pruebas de toxicidad adicionales para tener una visión general de todos los participantes del sistema. Al final, toda la información se combinó para postular un mecanismo de degradación hipotético para todos los CEC. Más concretamente, la tesis se podría dividir en dos partes principales: en los capítulos 3 y 4 se llevó a cabo la oxidación de CECs, mientras que en los capítulos 5 y 6 se evaluaron las condiciones reductoras. En detalle, en los capítulos 3 y 4, se oxidaron tres compuestos farmacéuticos en presencia de riboflavina acetilada (RFTA) y luz visible. Específicamente, se investigaron carbamazepina, atenolol y noscapina en condiciones oxidativas. Los estudios de fotodegradación de los compuestos iniciales y de sus fotoproductos fueron importantes para comprender su oxidación natural en los sistemas acuosos naturales. Todas las vías oxidativas se consideraron en un mecanismo de degradación hipotético final. Además, en los capítulos 5 y 6, se investigó la fotodegradación de algunos ejemplos de estabilizadores UV de benzotriazol (BUVS). Los BUVS son compuestos muy recalcitrantes, que no se ven afectados en condiciones oxidativas. En consecuencia, se probaron múltiples sistemas fotocatalíticos y, finalmente, varios BUVS se degradaron en condiciones reductoras en presencia de RFTA o eosina Y (EOY) como fotocatalizadores, un donante de sacrificio como DABCO y luz visible. Al igual que en los capítulos anteriores, las mediciones fotoquímicas fueron necesarias para determinar la principal ruta de degradación y las especies químicas reactivas involucradas en el proceso. Se han realizado experimentos adicionales en presencia de otros donantes de sacrificio y agua marina para recrear un entorno natural real para estudios futuros. / [CA] La demanda d'aigua i la contaminació de l'aigua són dos problemes lligats no sols dels últims anys sinó també per al futur. Molt s'ha fet en el passat per a eliminar els contaminants emergents (CECs) dels sistemes aquàtics, utilitzant diferents tipus de tècniques; entre ells, els mediats per llum han obtingut gran atenció en els últims anys, a causa de la seua alta eficiència i els seus baixos costos. Entre totes aquestes tècniques, s'han desenvolupat Processos Avançats d'Oxidació i Reducció (AOPs i ARPs, respectivament) per a eliminar eficientment les CECs. Detalladament, en aquesta tesi s'ha investigat l'ús de molècules orgàniques com fotocatalizadores en combinació amb llum solar i visible; la riboflavina i l'eosina I han sigut seleccionades com fotocatalizadores per les seues diferents propietats químiques: la primera és una molècula natural, coneguda per les seues propietats oxidatives, mentre que la segona és un colorant sintètic. Detalladament, es van monitorar les tendències de degradació de cada CEC enfront del temps en diferents condicions de treball, amb la finalitat de trobar el millor sistema de fotodegradación. A més, es va investigar el mecanisme de funcionament mitjançant la determinació dels principals fotoproductos i mitjançant l'estudi de les espècies reactives generades, involucrades en els processos. Es van realitzar proves de toxicitat addicionals per a tindre una visió general de tots els participants del sistema. Al final, tota la informació es va combinar per a postular un mecanisme de degradació hipotètic per a tots els CEC. Més concretament, la tesi es podria dividir en dues parts principals: en els capítols 3 i 4 es va dur a terme l'oxidació de CECs, mentre que en els capítols 5 i 6 es van avaluar les condicions reductores. Detalladament, en els capítols 3 i 4, es van oxidar tres compostos farmacèutics en presència de riboflavina acetilada (RFTA) i llum visible. Específicament, es van investigar carbamazepina, atenolol i noscapina en condicions oxidatives. Els estudis de fotodegradación dels compostos inicials i dels seus fotoproductos van ser importants per a comprendre la seua oxidació natural en els sistemes aquosos naturals. Totes les vies oxidatives es van considerar en un mecanisme de degradació hipotètic final. A més, en els capítols 5 i 6, es va investigar la fotodegradación d'alguns exemples d'estabilitzadors UV de benzotriazol (BUVS). Els BUVS són compostos molt recalcitrants, que no es veuen afectats en condicions oxidatives. En conseqüència, es van provar múltiples sistemes fotocatalíticos i, finalment, diversos BUVS es van degradar en condicions reductores en presència de RFTA o eosina I (EOY) com fotocatalizadores, un donant de sacrifici com DABCO i llum visible. Igual que en els capítols anteriors, els mesuraments fotoquímics van ser necessàries per a determinar la principal ruta de degradació i les espècies químiques reactives involucrades en el procés. S'han realitzat experiments addicionals en presència d'altres donants de sacrifici i aigua marina per a recrear un entorn natural real per a estudis futurs. / [EN] Water request and water pollution are two bonded problems not only of the last years but also for the future. A lot has been done in the past in order to eliminate contaminants of emerging concerned (CECs) from the aquatic systems, using different kind of techniques; among them, those mediated by light have obtained great attention in the last years, due to their high efficiency and their low costs. Among all these techniques, Advanced Oxidation and Reduction Processes (AOPs and ARPs, respectively) have been developed in order to efficiently remove CECs. In detail, in this thesis the use of organic molecules as photocatalysts has been investigated in combination with solar and visible light; riboflavin and eosin Y have been selected as photocatalysts for their different chemical properties: the first is a natural molecule, well-known for its oxidative properties, while the second one is a synthetic dye. The main aim of this doctoral thesis was to investigate the degradation of various classes of CECs through the use of organic photocatalysts and visible light. In detail, degradation trends of each CEC was monitored vs time under different working conditions, in order to find the best photodegradation system. Moreover, the operating mechanism was investigated through the determination of the main photoproducts and through the study of the generated reactive species, involved in the processes. Additional toxicity tests were performed in order to have an overall view of all the participants of the system. At the end, all the information was combined to postulate an hypothetical degradation mechanism for all the CECs. More specifically, the thesis could be divided in two main parts: in chapters 3 and 4 oxidation of CECs was carried out, while in chapters 5 and 6 reductive conditions were evaluated. In detail, in chapters 3 and 4, three pharmaceutical compounds were oxidized in the presence of acetylated riboflavin (RFTA) and visible light. Specifically, carbamazepine, atenolol and noscapine were investigated under oxidative conditions. Photodegradation studies of the initial compounds and of their photoproducts were important in order to understand their natural oxidation in the natural aqueous systems. All the oxidative pathways were considered in a final hypothetical degradation mechanism. Moreover, in chapters 5 and 6, the photodegradation of a few examples of the benzotriazole UV-stabilizers (BUVSs) was investigated. BUVSs are very recalcitrant compounds, not affected under oxidative conditions. Consequentially, multiple photocatalytic systems were tested and finally, various BUVSs were degraded under reductive conditions in the presence of RFTA or eosin Y (EOY) as photocatalysts, a sacrificial donor as DABCO and visible light. As in the previous chapters, photochemical measurements were necessary to determine the main degradation pathway and the reactive chemical species involved in the process. Additional experiments in the presence of other sacrificial donors and marine water have been performed in order to recreate a real natural environment for future studies. / Pavanello, A. (2022). Novel Mechanistic Insights on the Photoredox Degradation of CECs Using Organic Photocatalysts [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191002

[ES] Los materiales microporosos como las zeolitas han sido destacados por su amplio impacto en procesos catalíticos, medio ambiente e industria. El conocimiento de la estructura cristalina de la materia y el estudio de sus propiedades y aplicaciones están intrínsecamente relacionadas. Por lo tanto, las técnicas convencionales de difracción como la difracción de rayos X en monocristal y la difracción de rayos X en polvo (SCXRD y PXRD, respectivamente) han sido los métodos habituales para obtener información sobre la disposición estructural de los átomos. Sin embargo, la limitación para obtener cristales lo suficientemente grandes para ser medidos por SCXRD y la fuerte superposición de picos en los patrones de PXRD dificultan con frecuencia la determinación estructural de estos materiales con estructuras complejas y unidades de parámetros de celda grandes. Es por ello por lo que el desarrollo de nuevas técnicas de difracción que permitan la determinación estructural es de suma importancia. Por lo tanto, es fundamental estudiar técnicas de difracción de última generación para la caracterización estructural en nuevos materiales microporosos, como las zeolitas. El objetivo de este trabajo es investigar la Tomografía de Difracción de Electrones (EDT), también conocida como Difracción de Electrones Tridimensional (3DED). Estos métodos pueden ser una técnica excepcional para el análisis estructural de materiales microporosos utilizando Microscopios Electrónicos de Transmisión (TEM) convencionales y ya disponibles. Estas técnicas generan patrones de difracción de monocristales de tamaño nanométrico con intensidades de dispersión mejoradas utilizando haces de electrones. Estos patrones se adquieren mientras el nanocristal gira dentro del goniómetro del TEM, resultando en patrones de difracción de electrones (ED) de pequeños cristales individuales de dimensiones nanométricas. Además, estos métodos requieren el desarrollo y la optimización de todos los parámetros experimentales que a menudo exigen experiencia en TEM. Además, muchos materiales sufren daños estructurales por la interacción con el haz de electrones. Para abordar este problema, la combinación de la técnica de tomografía por difracción de electrones con precesión (PEDT), que aplica una precesión del haz, junto con un manual de 3DED fácil de usar, minimizará estos efectos, permitiendo una adquisición de datos, procesamiento y determinación de estructuras exitosos. Esta metodología se ha aplicado para resolver la estructura de nuevos materiales microporosos denominados ITQ-70 e ITQ-35, en forma sin calcinar, así como una zeolita ya conocida en forma sin calcinar con dos moléculas orgánicas diferentes en su interior como la ITQ-52. Todas estas estructuras se presentan en forma sin calcinar conteniendo agentes directores de estructura en su interior. Este enfoque conducirá a la localización atómica completa de materiales de zeolita híbridos inorgánicos y orgánicos mediante la accesibilidad de técnicas de difracción de rayos X y 3DED. Este avance ofrecerá un protocolo general prometedor para desarrollar una nueva herramienta de caracterización para una determinación precisa de la estructura de materiales cristalinos pequeños. / [CA] Els materials microporosos com les zeolites han sigut destacats pel seu ampli impacte en processos catalítics, medi ambient i indústria. El coneixement de l'estructura cristal·lina de la matèria i l'estudi de les seues propietats i aplicacions estan intrínsecament relacionats. Per tant, les tècniques convencionals de difracció com la difracció de raigs X en monocristall i la difracció de raigs X en pols (SCXRD i PXRD, respectivament) han sigut els mètodes habituals per a obtindre informació sobre la disposició estructural dels àtoms. No obstant això, la limitació per a obtindre cristalls prou grans per a ser mesurats per SCXRD i la forta superposició de pics en els patrons de PXRD dificulten freqüentment la determinació estructural d'aquests materials amb estructures complexes i unitats de paràmetres de cel·la grans. És per això pel que el desenvolupament de noves tècniques de difracció que permeten la determinació estructural és de summa importància. Per tant, és fonamental estudiar tècniques de difracció d'última generació per a la caracterització estructural en nous materials microporosos, com les zeolites. L'objectiu d'aquest treball és investigar la Tomografia de Difracció d'Electrons (EDT), també coneguda com a Difracció d'Electrons Tridimensional (3DED). Aquests mètodes poden ser una tècnica excepcional per a l'anàlisi estructural de materials microporosos utilitzant Microscopis Electrònics de Transmissió (TEM) convencionals i ja disponibles. Aquestes tècniques generen patrons de difracció de monocristalls de grandària nanomètrica amb intensitats de dispersió millorades utilitzant feixos d'electrons. Aquests patrons s'adquireixen mentre el nanocristall gira dins del goniòmetre del TEM, resultant en patrons de difracció d'electrons (ED) de xicotets cristalls individuals de dimensions nanomètriques. A més, aquests mètodes requereixen el desenvolupament i l'optimització de tots els paràmetres experimentals que sovint exigeixen experiència en TEM. A més, els forts efectes de difracció múltiple o efectes dinàmics poden dificultar l'obtenció precisa d'intensitats cinemàtiques a més que molts materials pateixen danys estructurals causats per la interacció amb el feix d'electrons. Per a abordar aquest problema, la combinació amb la tècnica de tomografia de difracció d'electrons amb precessió (PEDT), que aplica una precessió del feix juntament amb un manual de 3DED fàcil d'utilitzar, minimitzarà aquests efectes; portant a una recol·lecció de dades, processament i determinació d'estructures exitosos. Aquesta metodologia s'ha aplicat per a resoldre l'estructura de nous materials microporosos denominats ITQ-70 i ITQ-35, en forma sense calcinar, així com una zeolita ja coneguda en forma sense calcinar amb dues molècules orgàniques diferents en el seu interior com la ITQ-52. Totes aquestes estructures es presenten en forma sense calcinar contenint agents directors d'estructura en el seu interior. Aquest enfocament conduirà a la localització atòmica completa de materials de zeolita híbrids inorgànics i orgànics mitjançant l'accessibilitat de tècniques de difracció de raigs X i 3DED. Aquest avanç oferirà un protocol general prometedor per a desenvolupar una nova ferramenta de caracterització per a una determinació precisa de l'estructura de materials cristal·lins xicotets. / [EN] Microporous materials such as zeolites have been highlighted due to their broad impact on catalytic processes and industry. The knowledge of their crystalline structure and the study of their properties and applications are intrinsically related. Therefore, conventional diffraction techniques such as single-crystal and powder X-ray diffraction (SCXRD and PXRD) have been the usual methods to retrieve structural information. However, the limitation in growing crystals large enough for SCXRD and the strong peak overlapping in PXRD patterns frequently hamper the structure determination of these materials, with complex structures and large unit cell parameters. Therefore, studying state-of-the-art diffraction techniques for structural characterization in new microporous materials, such as zeolites, is paramount. The incentive of this work is to investigate Electron Diffraction Tomography (EDT), also known as Three-Dimensional Electron Diffraction (3DED). These methods can be an exceptional technique for structural analysis of microporous materials using conventional and already available Transmission Electron Microscopes (TEM). These techniques generate single-nanocrystal diffraction patterns with enhanced scattering intensities using electron beams. These patterns are acquired as the nanocrystal rotates within the TEM's goniometer, resulting in electron diffraction (ED) patterns from single small crystals of nanometer-scale dimensions. These methods require developing and optimizing all experimental parameters, often demanding TEM expertise operators. Additionally, strong multiple diffractions ("dynamical effects") can hinder the collection of accurate intensities. Moreover, many materials suffer structural damage by the interaction with the electron beam. To address this issue, the combination of the precession electron diffraction tomography (PEDT) technique, which applies a precession of the beam, together with a fast 3DED procedure will minimize these effects, leading to a successful data collection, processing, and structure determination. This methodology has been applied to solve the structure new microporous materials, named ITQ-70 and ITQ-35, in as-made form containing organic guest molecules, and one already known as-made zeolites structure with two different guest organic molecules, ITQ-52. This approach will lead to the complete atomic localization of the hybrid inorganic and organic zeolitic materials through the approachability of 3DED techniques combined with X-ray diffraction refinements. This will offer a promising general protocol for developing a novel characterization tool for an accurate structure determination from small crystal materials. / Este trabajo ha sido posible gracias al Instituto de Tecnología Química (ITQ), que me ofreció la posibilidad de realizar esta tesis doctoral, y al Ministerio de Ciencia y Educación que me otorgó un contrato predoctoral (PRE2018-083623), permitiéndome llevar a cabo esta tesis doctoral dentro del programa Severo Ochoa (SEV-2016-0683-18-3). Asimismo, expreso mi gratitud a los Servicios de Microscopia de la Universitat Politécnica de València por facilitarme los recursos de microscopia necesarios. Agradezco también a la Unión Europea y al Gobierno de España por la financiación de este trabajo a través de los proyectos CEX2021–001230-S, PID2022-136934OB- 100 y TED2021–130191B-C41. Y a la Generalitat Valenciana (Prometeo 2021/077). Además, parte de este estudio forma parte del programa Advanced Materials y apoyado por el MCIN con financiación parcial de los fondos Next Generation EU (PRTR-C17. I1) y por la Generalitat Valenciana (MFA/2022/012 and MFA/2022/047). / Tirado Castaño, JI. (2025). Advanced Electron Diffraction Techniques for Structural Elucidation of Microporous Materials [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/214460

L'enginyeria de les propietats plasmòniques de les nanoestructures metàl·liques requereix un control acurat de les seves formes i distribució. Això normalment s'aconsegueix amb l'ús de la litografia per feix d'electrons sobre polímers electro-sensibles combinat amb la deposició de capes fines de metall i el lift-off. La deposició directa i localitzada de metalls induïda per un feix d'electrons (FEBID per Focused Electron Beam Induced Deposition) és un mètode alternatiu querecentment ha rebut un interès creixent en microelectrònica però encara no ha despertat massa atenció dins la comunitat d'òptica. L'FEBID és el resultat de la descomposició local, per un feixd'electrons focalitzat, de les molècules d'un precursor adsorbides sobre una superfície. Aquesta s'ha aplicat majoritàriament en la escriptura directa de contactes o per a la reparació de circuits, però amb l'ús de metalls nobles podria aprofitar-se per a l'òptica de plasmons.En aquesta tesi es demostra l'ús de l'FEBID per a fabricar nanoestructures d'or per a aplicacions d'òptica de plasmons. S'investiguen els efectes del material del substrat i dels paràmetres de deposició, com ara el corrent del feix i la pressió de vapor d'aigua, sobre el ritme de creixement i la puresa de l'or. S'ha emprat un recuit ex situ de la mostra com a mètode de millora de la puresa. Les mesures òptiques de dispersió sobre les estructures purificades evidencien que suporten plasmons de superfície localitzats. Aquest mètode de fabricació permet el creixement d'estructures plasmòniques amb una elevada relació d'aspecte i ha de facilitar l'escriptura en superfícies no planes com l'extremitat d'una sonda de rastreig allargada. / La ingeniería de las propiedades plasmónicas de las nanoestructuras metálicas requiere un control preciso de sus formas y distribución. Esto normalmente se consigue con el uso de la litografía por haz de electrones sobre polímeros electro-sensibles combinado con la deposición de capas finas de metal y el lift-off. La deposición directa y localizada de metales inducida por un haz de electrones (FEBID por Focused Electron Beam Induced Deposition) es un método alternativo que recientemente ha despertado un interés creciente en microelectrónica pero todavía no ha recibido demasiada atención dentro de la comunidad de óptica. La FEBID es el resultado de la descomposición local, por un haz de electrones focalizado, de las moléculas de un precursor adsorbidas sobre una superficie. Esta se ha aplicado mayoritariamente en la escritura directa de contactos o para la reparación de circuitos, pero con el uso de metales nobles podría ser aprovechada para la óptica de plasmones.En esta tesis se demuestra el uso de la FEBID para fabricar nanoestructuras de oro para aplicaciones de óptica de plasmones. Se investigan los efectos del material del sustrato y de los parámetros de deposición, como la corriente del haz y la presión de vapor de agua, sobre el ritmo de crecimiento y la pureza del oro. Se ha utilizado un recocido ex situ de la muestracomo método de mejora de la pureza. Las medidas ópticas de dispersión sobre las estructuras purificadas evidencian que soportan plasmones de superficie localizados. Este método de fabricación permite el crecimiento de estructuras plasmónicas con una elevada relación de aspecto y tiene que facilitar la escritura en superficies no planas como la extremidad de una sonda de rastreo alargada. / Engineering the plasmon properties of metal nanostructures requires an accurate control on their shapes and distribution. This is conventionally achieved by using electron-beam lithography on electro-sensitive polymers combined with thin-metal-film deposition and lift-off. Direct local deposition of metals induced by a focused electron beam (FEBID for Focused ElectronBeam Induced Deposition) is an alternative method that has been receiving a growing interest in microelectronics but it has not yet received much attention in the optical community. The FEBID is the result of the local decomposition, by a focused electron beam, of precursor molecules adsorbed on a surface. It has mostly been applied to direct-contact writing or to circuit reparation, but can be applied advantageously to plasmon optics when involving noble metals.In this thesis the use of the FEBID to fabricate gold nanostructures for plasmon optics applications is demonstrated. The effects of the substrate material and the deposition parameters, such as beam current and water vapor pressure, on both the deposition rate and the gold purity are investigated. Ex-situ annealing of the sample is used as a purity improvement method. Scattering optical measurements on the purified structures evidence that they support localized surface plasmon resonances. This fabrication method enables to grow high aspect ratio plasmonic structures and to render much easier nano-patterning on non-flat surfaces such as the extremity of an elongated scanning probe.

[ES] Las zeolitas son materiales cristalinos microporosos con canales y tamaños de poro de dimensiones moleculares. La estructura y composición de las zeolitas les confiere interesantes propiedades que permiten su aplicación en una amplia gama de aplicaciones industriales como adsorción, separación o catálisis. La síntesis de zeolitas es la etapa más importante para el control de la estructura y composición de las zeolitas y, por tanto, crítica para la optimización de sus propiedades. Esta tesis se ha centrado en la síntesis de zeolitas utilizando compuestos que contienen fósforo (cationes fosfonio y aminofosfonio) como Agentes Directores de Estructura (P-ADE). El uso de compuestos fosforados influye en la cristalización y propiedades de las zeolitas obtenidas en comparación con las zeolitas obtenidas con cationes de amonio clásicos. Los compuestos fosforados se eligieron debido a su diferente química y estabilidad con respecto a los cationes de amonio clásicos comúnmente usados en la síntesis de zeolitas. Estos aspectos se estudiaron con un estudio comparativo de diferentes cationes de amonio y fosforados. Los compuestos de fósforo utilizados en este trabajo han dado lugar a nuevas estructuras cristalinas (ITQ-58 e ITQ-66) y han abierto nuevas vías de síntesis de zeolitas ya conocidas (RTH, IWV y DON), ampliando su gama de composiciones químicas. La descomposición térmica de los P-ADE confinados dentro de las zeolitas da lugar a la formación de especies de fósforo extra-red que permanecen dentro de los canales y cavidades de las zeolitas. Estas especies modulan las propiedades ácidas y de adsorción de los materiales finales dependiendo de los tratamientos post-síntesis. En este trabajo se ha estudiado una ruta para la incorporación de cantidades controladas de fósforo durante la etapa de síntesis. Esto ha permitido controlar la adsorción y las propiedades ácidas en las zeolitas de poro pequeño, lo que no se puede lograr mediante metodologías de post-síntesis. / [CA] Les zeolites són materials cristal·lins microporosos amb canals i mides de porus de dimensions moleculars. L'estructura i composició de les zeolites els confereix interessants propietats que permeten la seua aplicació en una àmplia gamma d'aplicacions industrials com adsorció, separació o catàlisi. La síntesi de zeolites és l'etapa més important per al control de l'estructura i composició de les zeolites i, per tant, crítica per a l'optimització de les seues propietats. Aquesta tesi s'ha centrat en la síntesi de zeolites utilitzant compostos que contenen fòsfor (cations fosfoni i aminofosfoni) com a agents directors d'estructura (P-ADE). L'ús de compostos fosforats influeix en la cristal·lització i propietats de les zeolites obtingudes en comparació amb les zeolites obtingudes amb cations d'amoni clàssics. Els compostos fosforats es van triar a causa de la seua diferent química i estabilitat pel que fa als cations d'amoni clàssics utilitzats en la síntesi de zeolites. Aquests aspectes s¿estudiaren amb un estudi comparatiu de diferents cations d'amoni i fosforats. Els compostos de fòsfor utilitzats en aquest treball han donat lloc a noves estructures cristal·lines (ITQ-58 i ITQ-66) i han obert noves vies de síntesi de zeolites ja conegudes (RTH, IWV i DO), ampliant la seua gamma de composicions químiques. La descomposició tèrmica dels P-ADE atrapats dins de les zeolites dona lloc a la for-mació d'espècies de fòsfor extra-xarxa que romanen dins dels canals i cavitats de les zeolites. Aquestes espècies modulen les propietats àcides i d'adsorció dels materials finals depenent dels tractaments post-síntesi. En aquest treball s'ha estudiat una ruta per la incorporació de quantitats controlades de fòsfor durant l'etapa de síntesi. Això ha permés controlar l'adsorció i les propietats àcides en les zeolites de porus petit, el que no es pot aconseguir mitjançant metodologies de post-síntesi. / [EN] Zeolites are microporous crystalline materials with channels and pore openings of molecular dimensions. The structure and composition of zeolites confers them interesting properties that allow their application in a wide range of industrial applications as adsorption, separation or catalysis. The synthesis of zeolites is the most important stage to control the structure and composition of zeolites, and thus, critical to optimize their properties. This thesis has been focused on the synthesis of zeolites using phosphorous containing compounds (phosphonium and aminophosphonium cations) as Organic Structure Directing Agents (P-OSDA). The use of these phosphorous compounds influence the crystallization and properties of the obtained zeolites compared to zeolites obtained with classical ammo-nium cations. Phosphorous compounds were chosen because of their different chemistry and stabil-ity properties respect to classical ammonium cations commonly used in the synthesis of zeo-lites. These aspects were studied in a comparative study with different ammonium and phosphorous cations. The phosphorous compounds used in this work have yielded new crystalline structures (ITQ-58 and ITQ-66) and opened new routes for the synthesis of already known zeolites (RTH, IWV and DON), widening their chemical composition range. The thermal decomposition of the P-OSDAs entrapped inside the zeolites yields to the formation of extra-framework phosphorus species that remain inside the channels and voids of the zeolites. These species modulate the adsorption and acid properties of the final materials depending on the post-synthesis treatments. In this work, a route for the incorporation of controlled amounts of phosphorus during the synthesis stage has been studied. This has allowed to control the adsorption and acid properties in small pores zeolites, which cannot be achieved by post-synthesis methodologies. / I wish to firstly acknowledge the Spanish Government for the necessary funding for the FPI pre-doctoral fellowship (BES-2013-062999). Also, this thesis would not have been possible without the infrastructures provided by the UPV and the CSIC staff, fused into the ITQ. Furthermore, I want to acknowledge the Microscopy Service of the UPV for their support in sample microscopy characterization / Simancas Coloma, J. (2021). Synthesis and Characterization of Zeolitic Materials Using Phosphorous Organic Structure Directing Agents [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/171267