abstract: Sunlight, the most abundant source of energy available, is diffuse and intermittent; therefore it needs to be stored in chemicals bonds in order to be used any time. Photosynthesis converts sunlight into useful chemical energy that organisms can use for their functions. Artificial photosynthesis aims to use the essential chemistry of natural photosynthesis to harvest solar energy and convert it into fuels such as hydrogen gas. By splitting water, tandem photoelectrochemical solar cells (PESC) can produce hydrogen gas, which can be stored and used as fuel. Understanding the mechanisms of photosynthesis, such as photoinduced electron transfer, proton-coupled electron transfer (PCET) and energy transfer (singlet-singlet and triplet-triplet) can provide a detailed knowledge of those processes which can later be applied to the design of artificial photosynthetic systems. This dissertation has three main research projects. The first part focuses on design, synthesis and characterization of suitable photosensitizers for tandem cells. Different factors that can influence the performance of the photosensitizers in PESC and the attachment and use of a biomimetic electron relay to a water oxidation catalyst are explored. The second part studies PCET, using Nuclear Magnetic Resonance and computational chemistry to elucidate the structure and stability of tautomers that comprise biomimetic electron relays, focusing on the formation of intramolecular hydrogen bonds. The third part of this dissertation uses computational calculations to understand triplet-triplet energy transfer and the mechanism of quenching of the excited singlet state of phthalocyanines in antenna models by covalently attached carotenoids. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Chemistry 2016

Cette thèse s’est focalisée sur le développement de nanocristaux semi-conducteurs luminescents, i.e. des boîtes quantiques (quantum dots, QDs), pour des applications photo-induites. Ces nanomatériaux possèdent des propriétés optiques très intéressantes qui dépendent de leur taille et sont prometteurs pour des applications dans divers domaines.Les QD sont généralement hydrophobes mais de nombreuses applications intéressantes requiert une compatibilité avec l'eau ou du moins avec un environnement polaire. Cela, nécessite donc un traitement post-synthétique afin de modifier leur solubilité.Au cours de cette thèse, une nouvelle méthode pour transférer les QDs d'un solvant apolaire vers un solvant polaire a été développée en les fonctionnalisant avec l'acide lipoïque, un tensioactif complexant.L'acide lipoïque est une molécule chirale générant donc un effet de dichroïsme induit qui a pu être étudier, ainsi que sa dépendance vis-à-vis la taille des nanocristaux.Un objectif clef de ces recherches était le développement de QDs présentant un transfert d'énergie électronique réversible (REET). Il s’agit d’un transfert d'énergie bidirectionnel entre les QDs photoexcités et des unités chromophores appropriées fixées sur leur surface, dont la conséquence la plus importante est l'allongement de la durée de vie de luminescence du QD.Enfin, un nouveau protocole pour le dépôt de QDs chargés sur un substrat vitreux localement polarisé a été développé en collaboration avec le Dr Marc Dussauze de l'Université de Bordeaux. / This thesis focuses on the development of luminescent semiconductor nanocrystals quantum dots (QDs) for photoinduced applications. QDs are promising nanomaterials with size-dependent optical properties and are attractive for applications in several fields.However, QDs are commonly hydrophobic and many interesting applications require their compatibility with water or at least with a polar environment, meaning a post-synthetic treatment is required to confer a different solubility.During these studies, a new method for transferring QDs from an apolar solvent to another one polar has been successfully developed, by exploiting lipoic acid, as a versatile surface capping agent. Moreover, lipoic acid is a chiral molecule so a possible induced dichroism effect has been also investigated, as well as its dependence on the size of nanocrystals.A major aim of this research was the development of QDs exhibiting reversible electronic energy transfer (REET). Such a process is a bidirectional energy transfer between the photoexcited QDs and suitable chromophoric units attached on their surface, whose most important consequence is the elongation of the luminescence lifetime of the QD. Strong experimental evidence for REET and accompanying modifications of the photophysical properties has been obtained. Such a process to our knowledge has never been observed in QD-based systems.Finally, a novel protocol for depositing charged QDs on a locally polarized glassy substrate has been developed in collaboration with Dr. Marc Dussauze of the University of Bordeaux.

Submitted by ANA KARLA PEREIRA RODRIGUES (anakarla_@hotmail.com) on 2017-08-02T13:41:04Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 3866821 bytes, checksum: 1b8fc11ea5100eea54ea37850025d528 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-02T13:41:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 3866821 bytes, checksum: 1b8fc11ea5100eea54ea37850025d528 (MD5) Previous issue date: 2016-02-29 / This work reports the synthesis, characterization and the investigation of photoluminescence properties of systems [Ln(DPM)2(NO3)(L)2] and [Ln(L)3(NO3)3] (where L = THPO or TPPO and Ln3+ = Tb3+, Gd3+ or Eu3+), and the dimeric compounds [Eu2(DPM)6] and [Tb2(DPM)6]. The compounds were characterized by elemental analysis of CHN, vibrational spectroscopy in the infrared region, thermogravimetric analysis and their spectroscopic properties were investigated by molecular diffuse reflectance, excitation and emission as well as decay times of emitting states. The experimental data of CHN analysis and complexometric titrations of the synthesized complexes are in agreement with theoretical data for their respective formulas. The absorption spectra in the infrared region show that the coordination of β-diketonate and phosphine oxide ligands to the Ln3+ ions occurs by the oxygen atoms of carbonyl groups and P=O, respectively. The structural behavior of complexes [Eu(DPM)2(NO3)(TPPO)2] and [Tb (DPM)2(NO3)(TPPO)2] is significantly different from those dimeric ones [Eu2(DPM)6] and [Tb2(DPM)6]. In addition, the complex [Tb(DPM)2(NO3)(TPPO)2] presented fractoluminescence phenomenon, emitting green light when its crystals are broken. The presence of metal ligand charge transfer state (TCLM) of low energy in compounds of Eu3+ was also investigated. The luminescent properties studies showed that the bis-DPM systems Eu3+, an increase occurs in the energy state of TCLM, contributing to an increase in luminescence intensity of these compounds, when compared with dimeric complexes. This observation is evidenced by the luminescence at room temperature observed for the first compound, which is not observed for the second. The geometries of complexes [Ln2(DPM)6] and [Ln(DPM)2(NO3)(L)2] with Ln = Tb3+ or Eu3+ were optimized using SPARKLE/RM1 method, the first having a coordination polyhedron described by a monocapped trigonal prism trigonal and the second as distorted dodecahedron. / O presente trabalho envolve a síntese, caracterização e a investigação das propriedades fotoluminescentes dos complexos de fórmulas [Ln(DPM)2(NO3)(L)2] e [Ln(L)3(NO3)3], em que L = triciclohexilfosfinóxido (THPO) ou trifenilfosfinóxido (TPPO) e Ln3+ = Tb3+, Gd3+ ou Eu3+, além dos compostos diméricos [Eu2(DPM)6] e [Tb2(DPM)6]. Todos os sistemas foram caracterizados por análise elementar de CHN e Lantanídeo (Ln), espectroscopia vibracional na região do infravermelho, análise termogravimétrica e suas propriedades espectroscópicas foram investigadas por espectroscopia molecular de reflectância difusa, de excitação e emissão, assim como por medidas de tempos de decaimento dos estados emissores. Os dados experimentais das análises de CHN e titulações complexométricas dos complexos sintetizados estão em concordância com os dados teóricos calculados para as suas respectivas fórmulas. Os espectros de absorção na região do infravermelho evidenciam que a coordenação dos ligantes β-dicetonatos e fosfinóxidos aos íons Ln3+ ocorre por meio de átomos de oxigênio dos grupos carbonila e P=O, respectivamente. O comportamento estrutural dos complexos [Eu(DPM)2(NO3)(TPPO)2] e [Tb(DPM)2(NO3)(TPPO)2] é significativamente diferente daqueles complexos diméricos, [Eu2(DPM)6] e [Tb2(DPM)6]. Além disso, o complexo [Tb(DPM)2(NO3)(TPPO)2] apresentou o fenômeno de fractoluminescência, emitindo luz verde quando seus cristais são quebrados. A presença de estados de transferência de carga ligante-metal (TCLM) de baixa energia nos compostos de Eu3+ também foi investigada. Os estudos das propriedades luminescentes mostraram que nos sistemas bis-DPM de Eu3+, ocorre um aumento na energia do estado de TCLM, contribuindo para um aumento na intensidade de luminescência destes compostos, quando comparados com os complexos diméricos. Esta observação é evidenciada pela luminescência à temperatura ambiente observada para o primeiro composto, que não é observada para o segundo. As geometrias dos complexos [Ln2(DPM)6] e [Ln(DPM)2(NO3)(L)2] com Ln = Tb3+ ou Eu3+ foram otimizadas usando o método SPARKLE/RM1, o primeiro apresentando um poliedro de coordenação descrito como prisma trigonal monoencapuzado e o segundo como dodecaedro distorcido.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:53:39Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:58:43Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Dissertação (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:26:47Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:00:11Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Made available in DSpace on 2015-05-14T13:21:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 3983986 bytes, checksum: 7333ac7eafa0997c880fac1331321936 (MD5) Previous issue date: 2011-06-03 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This work reports the synthesis, characterization, and investigation of the photoluminescent properties of β-diketonate complexes (TTA= 2-thenoyltrifluoroacetonate and DBM = dibenzoylmethanate) of trivalent lanthanides (Ln3+ = Eu3+, Tb3+ and Gd3+ ) with different phosphine oxides ligands (TPPO = triphenylphosphine oxide and HMPA= hexamethylphosphoramide). The elemental C, H, and N analyses, and complexometric titration suggested the general formulas [Ln(TTA)2(NO3)L2], [Ln(DBM)2(NO3)L2], [Ln(DBM)(NO3)2(HMPA)2], [Ln(TTA)3L2] e [Ln(DBM)3L], where L is phosphine oxide ligand. The absorption spectra in the infrared region showed that the coordination of β-diketonate and phosphine oxide ligands to Ln3+ ions occurs through the oxygen atoms of the carbonyl and P = O groups, respectively. Molar condutivity measurements show that the compounds behave as non-electrolytes in solution for the solvents methanol and acetone. The complex Tb(TTA)2(NO3)(TPPO)2 was obtained as single crystals and its structure was resolved by X-ray diffraction. The split transitions 5D0→7FJ, in general, are consistent with a chemical environment of low symmetry around the Ln3+ ion. The phosphorescence spectra of the Gd3+complexes showed the triplet state (T) bands of the ligands TTA and DBM, which were increased in energy (of the triplet state) in the bis- and mono-diketonate complexes in comparison with the tris-diketonates analogous. The tris-diketonate complexes of TTA and DBM showed a higher value of intensity parameters Ω2 when compared with their respective mono-and bis-diketonate, reflecting a chemical environment more polarizable around the ion Ln3+ to these complexes. / Este trabalho relata a síntese, caracterização e a investigação das propriedades fotoluminescentes de complexos β-dicetonatos (TTA=2-tenoiltrifluoroacetonato e DBM= dibenzoilmetanato) de íons lantanídeos trivalentes (Ln3+= Gd3+, Eu3+ e Tb3+) com diferentes ligantes fosfinóxidos (TPPO= trifenilfosfinóxido e HMPA= hexametilfosforamida). Os dados de microanálises de CHN e titulação complexométrica foram concordantes com as fórmulas gerais [Ln(TTA)2(NO3)L2], [Ln(DBM)2(NO3)L2], [Ln(DBM)(NO3)2(HMPA)2], [Ln(TTA)3L2] e [Ln(DBM)3L], onde L é um ligante fosfinóxido. Os espectros de absorção na região do infravermelho evidenciaram que a coordenação dos ligantes β-dicetonatos e fosfinóxidos aos íons Ln3+ ocorre por meio dos átomos de oxigênio dos grupos carbonila e P=O, respectivamente. As medidas de condutividades molares mostraram que os compostos comportam-se como não-eletrólitos em solução para os solventes metanol e acetona. O complexo Tb(TTA)2(NO3)(TPPO)2 foi obtido na forma de monocristais e sua estrutura foi resolvida pelo método de difração de raios-X. Os desdobramentos das transições 5D0→7FJ nos espectros dos complexos de Eu3+, de um modo geral, estão concordantes com um ambiente químico de baixa simetria em torno do íon Eu3+. Os espectros de fosforescência dos complexos de Gd3+ apresentam as bandas do estado tripleto (T) dos ligantes TTA e DBM, onde foi observado um aumento de energia do estado tripleto nos complexos bis e mono-dicetonatos em comparação com os análogos tris-dicetonatos. Os complexos tris-dicetonatos de TTA e DBM apresentaram um maior valor do parâmetro de intensidade experimental (Ω2) quando comparados com os seus respectivos bis- e mono-dicetonatos, refletindo um ambiente químico mais polarizável em torno do íon Eu3+ para estes complexos.

abstract: Proteins and peptides fold into dynamic structures that access a broad functional landscape, however, designing artificial polypeptide systems continues to be a great chal-lenge. Conversely, deoxyribonucleic acid (DNA) engineering is now routinely used to build a wide variety of two dimensional and three dimensional (3D) nanostructures from simple hybridization based rules, and their functional diversity can be significantly ex-panded through site specific incorporation of the appropriate guest molecules. This dis-sertation describes a gentle methodology for using short (8 nucleotide) peptide nucleic acid (PNA) linkers to assemble polypeptides within a 3D DNA nanocage, as a proof of concept for constructing artificial catalytic centers. PNA-polypeptide conjugates were synthesized directly using microwave assisted solid phase synthesis or alternatively PNA linkers were conjugated to biologically expressed proteins using chemical crosslinking. The PNA-polypeptides hybridized to the preassembled DNA nanocage at room tempera-ture or 11 ⁰C and could be assembled in a stepwise fashion. Time resolved fluorescence anisotropy and gel electrophoresis were used to determine that a negatively charged az-urin protein was repelled outside of the negatively charged DNA nanocage, while a posi-tively charged cytochrome c protein was retained inside. Spectroelectrochemistry and an in-gel luminol oxidation assay demonstrated the cytochrome c protein remained active within the DNA nanocage and its redox potential decreased modestly by 10 mV due to the presence of the DNA nanocage. These results demonstrate the benign PNA assembly conditions are ideal for preserving polypeptide structure and function, and will facilitate the polypeptide-based assembly of artificial catalytic centers inside a stable DNA nanocage. A prospective application of assembling multiple cyclic γ-PNA-peptides to mimic the oxygen-evolving complex (OEC) catalytic active site from photosystem II (PSII) is described. In this way, the robust catalytic capacity of PSII could be utilized, without suffering the light-induced damage that occurs by the photoreactions within PSII via triplet state formation, which limits the efficiency of natural photosynthesis. There-fore, this strategy has the potential to revolutionize the process of designing and building robust catalysts by leveraging nature's recipes, and also providing a flexible and con-trolled artificial environment that might even improve them further towards commercial viability. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Bioengineering 2014

O trabalho desta tese se concentra na caracterização óptica de cristais de KCl impurificados multiplamente com íons Yb2+ e com íons moleculares CN- e OCN-. Mostramos a existência de um acoplamento entre os íons Yb2+ e CN-, que gera novas bandas de absorção superpostas as bandas conhecidas do Yb2+ isolado. A excitação óptica dessas novas bandas dá origem a uma forte emissão de banda larga em tomo de 570 nm, e torna possível a emissão vibracional do CN- em 4,8um por meio de transferência de energia eletrônica desde os íons Yb2+ acoplados. A emissão visível de banda larga possui um tempo de decaimento fortemente dependente da temperatura,variando entre 56 e 315 us para a faixa de temperatura entre 293 e 170 K Para temperaturas inferiores a 170 K, o tempo de decaimento da f1uorescência não segue o comportamento de uma única exponencial, indicando diferentes canais de decaimento. A alta intensidade da emissão visível do defeito Yb2+/ CN- a 300K torna promissora a sua utilização em lasers do estado sólido sintonizáveis operando a temperatura ambiente. Medidas diretas de amplificação revelaram a existência de ganho óptico para essa emissão visível de banda larga resultante do acoplamento Yb2+/ CN-. Para uma densidade de potencia de bombeio de 1,35 W/cm2 no centro da banda de absorção do defeito, foi obtido um valor de ganho de 0,59 cm-1 em 570 nm. Esse valor e comparável ao ganho na Alexandrita sob condições ideais de 100% de inversão de população / The present work show the investigation of optical properties of Yb2+, CN-, OCN- multiple doped KCl. It is shown the presence of a coupling effect between Yb2+ and CN- through the observation of new absorptions bands, which are very different from free Yb2+. The optical excitation of this bands results in a strong emission band at 570 nm, and it makes possible the CN- vibration emission at 4.8um through the electronic energy transfer from coupled Yb2+. The broad visible emission band has a strong temperature dependence decay time, which varies from 56 to 315us for the 293 to 170 K interval. For temperatures below 170 K, the fluorescence decay time shift its single exponential decay behavior to a more complex process, revealing different decay channels. The high visible emission intensity from the Yb2+/ CN- defect at 300 K, suggests its application in tunable solid-state lasers. This possibility is better insured through the observation of the direct measurement of optical amplification, which reveals the existence of optical gain for this broad visible emission. For a 1.35 W/cm2 power density pump at the center of the absorption band of the coupled defect, it was obtained a gain of 0,59 cm-1 at 570 nm. This value is comparable to the gain in Alexandrite under an ideal 100% population inversion

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:53:39Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:58:43Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Complexos do íon uranilo (UO22+) apresentam um grande potencial como materiais luminescentes, aplicados em tecnologia laser, sondas luminescentes, células para conversão de energia solar, etc. Neste trabalho avaliou-se a eficiência da transferência de energia no aquo-complexo de UO2(MS)22H2O dopado com Eu3+ (MS = íon metanossulfonato, CH3SO3-) e no aquo-complexo de Eu(MS)36H2O dopado com UO22+ para serem usados como eficientes dispositivos moleculares conversores de luz e/ou em células solares para conversão de energia. Também foram descritos a síntese, caracterização e estudo espectroscópico das matrizes UO2(MS)2.(H2O)n.(x%mol)Eu3+ e Eu(MS)3.(H2O)n.(x%mol) UO22+ (nas quais x= 1, 3, 5 e 10). Os complexos obtidos foram caracterizados por análise elementar CHN e espectrofotometria para determinar a concentração de U6+, espectroscopia de absorção na região do infravermelho, análise térmica e espectroscopia de luminescência. Os dados de infravermelho sugerem que o metanossulfonato atue como um ligante bidentado. O espectro de emissão do complexo UO2(MS)2 dopado com európio exibe bandas fluorescentes características do íon uranilo, atribuídas à transição 3∏u → 1∑g+ da matriz de urânio. Para os complexos de Eu(MS)3 dopados com UO22+, as transições 5Do → 7FJ (J= 0→4) são predominantes do espectro. A intensidade de luminescência do európio associada à sensibilização é registrada no espectro de emissão na faixa de 420-720 nm. A constante de supressão da fluorescência do UO22+ pelo Eu3+ também foi determinada. / Dissertação (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:26:47Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:00:11Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Vidros de óxido de metais pesados dopados com érbio têm sido estudados e utilizados em diversas aplicações. Entretanto, a eficiência de absorção óptica destes vidros em 980 nm é limitada pela baixa secção de choque de absorção, a qual pode ser aumentada pela presença de íons Yb3+ e de nanopartículas metálicas, as quais contribuem significativamente para o aumento da eficiência das emissões de conversão ascendente. No presente trabalho é investigada a influência da presença de nanopartículas metálicas na luminescência de conversão ascendente de freqüência do íon Er3+ em vidros co-dopados com Er3+/Yb3+. Vidros com composição GeO2-PbO e PbO-GeO2-Ga2O3 co-dopados com 0,5% de Er2O3 e diferentes concentrações de Yb2O3 foram produzidos. Para avaliar os efeitos da presença de nanopartículas metálicas na luminescência de conversão ascendente de freqüência, foram também produzidos vidros co-dopados com Er2O3/ Yb2O3 contendo AgNO3, Au2O3 e Cu2O. O aumento nas emissões de conversão ascendente de freqüência na região de visível dos íons Er3+ foi observado para os vidros GeO2-PbO e PbO-GeO2- Ga2O3 co-dopados. Vidros GeO2-PbO co-dopados contendo prata apresentam um aumento substancial nas emissões de CAF influenciado pelo aumento do campo atômico local na vizinhança das nanopartículas. Este efeito não foi observado nos vidros PbO-GeO2-Ga2O3 co-dopados contendo ouro e nem nos vidros GeO2-PbO codopados contendo Cu2O. Todas as medidas de conversão ascendente de freqüência foram realizadas por meio da excitação das amostras por um laser de diodo operando em 980 nm. / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP