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Yes / The association constants for formation of 1 : 1 complexes between a H-bond donor, 1-naphthol, and a diverse range of charged and neutral H-bond acceptors have been measured using UV/vis absorption and fluorescence emission titrations. The performance of 1-naphthol as a dual colorimetric and fluorescent molecular recognition probe for determining the H-bond acceptor (HBA) parameters of charged and neutral solutes has been investigated in three solvents. The data were employed to establish self-consistent H-bond acceptor parameters (β) for benzoate, azide, chloride, thiocyanate anions, a series of phosphine oxides, phosphate ester, sulfoxide and a tertiary amide. The results demonstrate both the transferability of H-bond parameters between different solvents and the utility of the naphthol-based dual molecular recognition probe to exploit orthogonal spectroscopic techniques to determine the HBA properties of neutral and charged solutes. The benzoate anion is the strongest HBA studied with a β parameter of 15.4, and the neutral tertiary amide is the weakest H-bond acceptor investigated with a β parameter of 8.5. The H-bond acceptor strength of the azide anion is higher than that of chloride (12.8 and 12.2 respectively), and the thiocyanate anion has a β value of 10.8 and thus is a significantly weaker H-bond acceptor than both the azide and chloride anions. / Supported by the ESPRC.

As propriedades físicas incomuns exibidas por fluidos confinados em meios porosos desempenham um papel importante em diversos processos químicos, geoquímicos e ambientais. Atualmente, muitos aspectos da estrutura e dinâmica dos fluidos espacialmente confinados ainda são pouco compreendidos. Nesse contexto, fenômenos interfaciais influenciam consideravelmente os processos que ocorrem em meios nanoporosos, podendo resultar em efeitos relevantes para o desenvolvimento dos dispositivos nanofluidicos. Esses sistemas multifásicos e com fenômenos multifísicos podem apresentar propriedades eletrônicos e dinâmicos envolvendo diferentes escalas de tamanho e tempo na interface sólido/fluido. Atualmente, uma única metodologia não é capaz de resolver toda a complexidade encontrada em tais sistemas pelo fato de cada qual estar restrita a uma escala ou demanda computacional específica. Além disso, as metodologias habitualmente aplicadas para investigar as fases bulk através da modelagem computacional, em geral, não são adequadas para acessar sistematicamente os efeitos de superfície que ocorrem na interface sólido/fluido. Os desafios impostos à modelagem molecular pelos sistemas nanofluídicos requerem iniciativas inovadoras (dentre as metodologias disponíveis) para acessar as propriedades de interface. Nessa tese, desenvolvemos e aplicamos novas abordagens computacionais em nível atômico a fim de modelar e caracterizar sistemas nanofluidicos. Nesse contexto, introduzimos um método multinível hierárquico top-down, que combina simulações de dinâmica molecular com cálculos ab initio de transporte eletrônico, para abordar fenômenos de multiescala. O potencial dessa implementação foi demonstrado em um estudo de caso envolvendo o fluxo de água e o transporte de íons através de um nanotubo de carbono tipo (6,6). Mostramos que o traço iônica pode representar uma mudança na condutância elétrica do nanocanal, e levar a uma medida indireta da corrente iônica. Também implementamos uma versão modificada da análise de rede de ligações de hidrogênio baseada em teoria de grafos, a fim de fazer o estudo das propriedades estruturais e dinâmicas em diferentes regiões do poro. Com essa abordagem, nós fomos capazes de explorar sistematicamente os efeitos de interface em fluidos espacialmente confinados. Combinando-se simulações de dinâmica molecular com a análise da rede de ligações de hidrogênio em camadas, nós pudemos avaliar a extensão dos efeitos de superfície nas propriedades dinâmicas e os detalhes da interface calcita/salmoura. Com a abordagem desenvolvida, conseguimos isolar os efeitos específicas dos íons da solução aquosa na rede de ligações de hidrogênio. Mostramos que a camada superficial exibe uma topologia de rede semelhante à observada em água pura, uma vez que a barreira eletrostática e física exibida por essa região, inibe a adsorção de íons na superfície da calcita. Fora dessa faixa, os íons influenciam consideravelmente a rede de ligações de hidrogênio: observamos a formação caminhos geodésicos mais extensos em relação àqueles observados em água pura. Esses ramos, que são formados por ligações de hidrogênio contíguas, podem conectar moléculas de baixa a alta dinâmica. Tal estrutura, pode explicar as propriedades mecânicas adesivas observadas em fluidos altamente confinados. Nossas principais contribuições decorrem na descrição da estrutura do solvente, dos íons da solução aquosa na interface calcita/fluido; e suas indicações físicas, e seu potencial significado nos processos de crescimento e dissolução de cristais. Nossas implementações fornecem contribuições interessantes para a compreensão atual dos processos que ocorrem em meios porosos. Especialmente, podendo contribuir para um desenvolvimento racional de novos dispositivos nanofluidicos. / The unusual physical properties exhibit by fluids within nanoscopic porous media play an important role in the plethora of chemical, geochemical and environmental processes. Currently, many aspects of the structure and dynamics of the spatially constrained fluids are still poorly understood. Additionally, the interfacial phenomena considerably influences the processes occurring in nanoporous media, which can have a major effect on nanofluidics devices. These multiphase systems and multi-physics phenomena occurs at solid/solution interfaces, with electronic and dynamic effects taking place across size and time scales. Currently, a single methodology is not capable to disentangle all the complexity find in such systems because it is restricted to a specific scale or computationally demand. In addition, the usual computational modeling methodologies applied to investigate bulk phases, they are, in general, not suitable to systematically access the surface effects occurring at solid/fluid interfaces. The challenges imposed by the nanofludics-based systems within the molecular modeling framework require innovative initiatives (among the available methodologies) to correctly access the interface properties. In this thesis, we develop and apply novel computational approaches to properly design and characterize nanofluidics-based systems at atomic level. In this context, we introduced an hierarchical top-down multilevel method by combining molecular dynamics simulations with first principles electronic transport calculations to address the multiscale phenomena problem. The potential of this implementation was demonstrated in a case study involving the water and ionic (Na, Li, and CL) flow through a (6,6) carbon nanotube. We showed that the ionic trace, observed on the electronic transmittance, it may handle an indirect measurement of the ionic current that is recorded as a sensing output. We implemented also a layered version of hydrogen bond network analysis based on graph theory. With this approach, we were able to properly explore interface effects arising on spatially confined fluids. By combining molecular dynamics simulations with the layered hydrogen bond network analysis, we evaluated the extension of surface effects on the fluids dynamics properties and the interaction details at calcite/brine interface. With the developed approach, we have been able to isolate the specific features of the aqueous solutions ions on the hydrogen bond network. We showed that the surface layer near the calcite/brine interface displays similar network topology as observed in pure water, since the electrostatic and physical barrier displayed by this layer inhibit the adsorption of ions on the calcite surface. Outside that region, these ions affect the hydrogen bond network. We observed a more extended geodesic paths with respect to that observed in pure water. Such hydrogen bond branches may connect low to high dynamics molecules across the pore and hence, it may explain the glue-like mechanical properties observed in confinement environment. Our main contributions in this work relies on describing the structure of solvent and electrolyte aqueous solution at calcite/fluid interface and their physical indications and potential significance on the crystal growth and dissolution processes. Our implementations provide interesting contributions to the current understanding of processes occurring in porous media. Specially, it may contribute on the rational design of novel nanofluidics devices.

A interação da água com a celulose e com o amido é de grande importância para a compreensão das propriedades de ambos polissacarídeos e fundamental para o desenvolvimento de novas aplicações tecnológicas. Entre as novas aplicações estão em destaque a nanocelulose, como os nanocristais e microfibrilas. A preparação desses materiais é fortemente influenciada pela interação das ligações de hidrogênio presente nas fibras de celulose, tanto de caráter intra como intermolecular. Essas interações são responsáveis pelas propriedades mecânicas desses materiais uma vez que as moléculas estão ligadas umas às outras por meio de ligações de hidrogênio onde a água pode participar como elemento de ligação. Para o amido, dependendo da concentração da água, pode modifica-lo em termos da solubilidade e em propriedades pelo processo de gelatinização ou atuar como plastificantes como parcial despolimerização em amido termoplástico. Neste trabalho é descrito o estudo da interação do sistema água com a celulose e com o sistema água com amido por meio da análise termogravimétrica para a identificação de diferentes espécies de água: i) água livre, ii) água ligada congelável iii) água ligada não congelável. Para a realização deste estudo foi utilizado o método auto stepwise, método que permite uma maior resolução dos diversos fenômenos separadamente que ocorrem durante a dessorção da água. A dessorção da água no amido se demostrou mais complexa que a celulose devido à alternância da parte amorfa e cristalina em sua estrutura. Para o cálculo da energia de ativação da dessorção da água ligada e da degradação do polissacarídeo foi utilizado o método cinético de Osawa-Flynn-Wall, sendo possível estimar a energia de ativação dos fenômenos. Variando de 35-65 kJ/mol para dessorção da água ligada e 144,6-184 kJ/mol para degradação dos materiais. / The interaction of water with cellulose and starch are of great importance for understanding the properties of both polysaccharides and fundamental to the development of new technological applications. Among the new applications are highlighted to nanocellulose such as nanocrystals and microfibrils. The preparation of these materials is strongly influenced by the interaction of hydrogen bonds present in the cellulose fibers, both intra as intermolecular. These interactions are responsible for the mechanical properties of these materials since the molecules are linked to each other through hydrogen bonds where water can participate as a connecting element. For starch, depending on the concentration of the water, can modify it in terms of solubility and properties by gelatinization process or act as plasticizers as partial depolymerization of thermoplastic starch. This paper describes the study of the interaction of the water/cellulose system and the starch/water system by means of thermogravimetric analysis for the identification of different species of water: i) the free water or freezing water, ii) the freezing bound water and iii) the non-freezing bound water. For this study we used the auto stepwise method, that allows greater resolution of the various phenomena separately that occur during the water desorption. The water desorption in the starch is more complex that cellulose, due to alternating crystalline and amorphous parts of the structure. To calculate the bound water desorption activation energy and polysaccharide degradation energy was used kinetic method of Osawa-Flynn-Wall, that possible to estimate the phenomena of the activation energy, ranging from 35-65 kJ / mol for bound water desorption and from 144.6 to 184 kJ / mol for material degradation.

Os métodos existentes para a previsão da posição de átomos de hidrogênio em proteínas são todos baseados na simulação computacional de modelos construídos a partir de características físicas e (ou) químicas das moléculas. A abordagem proposta neste trabalho faz uso de técnicas inteligentes para a predição da posição de átomos de hidrogênio contidos em grupos hidroxilas (OH) pertencentes à cadeias laterais dos aminoácidos serina, treonina e tirosina. Estas técnicas inteligentes são utilizadas em duas fases para a solução do problema proposto: o preprocessamento dos dados e a predição da posição do átomo de hidrogênio. Na fase de preprocessamento, informações sobre os padrões de ligações hidrogênio existentes em moléculas de proteínas são extraídas da base PDB (Protein Data Bank) e reunidas em agrupamentos. A base de dados PDB é a principal base internacional que disponibiliza publicamente a estrutura espacial de biomoléculas, principalmente proteínas e ácidos nucléicos, cujas estruturas espacias foram determinadas através de métodos experimentais. Os padrões de ligações hidrogênio obtidos da base de dados são agrupados por similaridade através de um novo algoritimo proposto, o algoritmo de agrupamento por fusão. Este novo algoritmo de agrupamento foi criado com o propósito de tratar dados com distribuição não uniforme, isolando padrões de entrada muito diferentes da média em agrupamento separados. Após o agrupamento, os padrões de ligações hidrogênio contidos em um grupo têm suas estruturas espaciais superpostas (alinhamento das geometrias dos padrões) através de operações espaciais de translação e rotações, coordenadas pelo uso de um algoritmo genético. Na fase de predição, os padrões já superpostos contidos em cada agrupamento gerado, são utilizados para o treinamento de uma rede neural de arquitetura MLP (multi layer perceptron) para a predição da posição do átomo de hidrogênio contido no padrão. Uma parte dos padrões contidos no agrupamento não são usados para o treinamento da rede e reservados para o teste da capacidade da rede neural inferir a posição do hidrogênio após o treinamento. Para cada agrupamento é treinada uma rede individual, de forma que os parâmetros livres da rede neural sejam calibrados para os dados específicos do agrupamento para o qual a rede neural foi treinada. Após diversas alterações de metodogia ao longo dos experimentos computacionais realizados, a nova abordagem proposta mostrouse eficaz, com um bom índice de acerto na predição da posição do hidrogênio após o treino da rede neural, para padrões de ligações hidrogênio previamente superpostos em agrupamentos / The existing methods for the prediction of the position of hydrogen atoms in proteins are all based on computer simulation models constructed from physical and(or) chemical properties of molecules. The approach proposed in this paper makes use of intelligent techniques for clustering the patterns of hydrogen bonds by similarity, these patterns extracted from the spatial structure of protein molecules, recorded in the files of the PDB (Protein Data Bank). A new algorithm, which allows clustering of data with nonuniform distribution was developed for this purpose. To align spatialy these patterns already grouped in a cluster is used a genetic algorithm that rotates the patterns each other in a way to obtain the aligment of them. The prediction of the position of atoms of hydrogen is done by the training of a MLP (multi layer perceptron) neural network that uses as input the data of the patterns of hydrogen bond contained in a given cluster, previously aligned. The new approach proved to be effective, with a good rate of success in the prediction of the position of hydrogen atoms contained in a cluster after training the neural network

As propriedades físicas incomuns exibidas por fluidos confinados em meios porosos desempenham um papel importante em diversos processos químicos, geoquímicos e ambientais. Atualmente, muitos aspectos da estrutura e dinâmica dos fluidos espacialmente confinados ainda são pouco compreendidos. Nesse contexto, fenômenos interfaciais influenciam consideravelmente os processos que ocorrem em meios nanoporosos, podendo resultar em efeitos relevantes para o desenvolvimento dos dispositivos nanofluidicos. Esses sistemas multifásicos e com fenômenos multifísicos podem apresentar propriedades eletrônicos e dinâmicos envolvendo diferentes escalas de tamanho e tempo na interface sólido/fluido. Atualmente, uma única metodologia não é capaz de resolver toda a complexidade encontrada em tais sistemas pelo fato de cada qual estar restrita a uma escala ou demanda computacional específica. Além disso, as metodologias habitualmente aplicadas para investigar as fases bulk através da modelagem computacional, em geral, não são adequadas para acessar sistematicamente os efeitos de superfície que ocorrem na interface sólido/fluido. Os desafios impostos à modelagem molecular pelos sistemas nanofluídicos requerem iniciativas inovadoras (dentre as metodologias disponíveis) para acessar as propriedades de interface. Nessa tese, desenvolvemos e aplicamos novas abordagens computacionais em nível atômico a fim de modelar e caracterizar sistemas nanofluidicos. Nesse contexto, introduzimos um método multinível hierárquico top-down, que combina simulações de dinâmica molecular com cálculos ab initio de transporte eletrônico, para abordar fenômenos de multiescala. O potencial dessa implementação foi demonstrado em um estudo de caso envolvendo o fluxo de água e o transporte de íons através de um nanotubo de carbono tipo (6,6). Mostramos que o traço iônica pode representar uma mudança na condutância elétrica do nanocanal, e levar a uma medida indireta da corrente iônica. Também implementamos uma versão modificada da análise de rede de ligações de hidrogênio baseada em teoria de grafos, a fim de fazer o estudo das propriedades estruturais e dinâmicas em diferentes regiões do poro. Com essa abordagem, nós fomos capazes de explorar sistematicamente os efeitos de interface em fluidos espacialmente confinados. Combinando-se simulações de dinâmica molecular com a análise da rede de ligações de hidrogênio em camadas, nós pudemos avaliar a extensão dos efeitos de superfície nas propriedades dinâmicas e os detalhes da interface calcita/salmoura. Com a abordagem desenvolvida, conseguimos isolar os efeitos específicas dos íons da solução aquosa na rede de ligações de hidrogênio. Mostramos que a camada superficial exibe uma topologia de rede semelhante à observada em água pura, uma vez que a barreira eletrostática e física exibida por essa região, inibe a adsorção de íons na superfície da calcita. Fora dessa faixa, os íons influenciam consideravelmente a rede de ligações de hidrogênio: observamos a formação caminhos geodésicos mais extensos em relação àqueles observados em água pura. Esses ramos, que são formados por ligações de hidrogênio contíguas, podem conectar moléculas de baixa a alta dinâmica. Tal estrutura, pode explicar as propriedades mecânicas adesivas observadas em fluidos altamente confinados. Nossas principais contribuições decorrem na descrição da estrutura do solvente, dos íons da solução aquosa na interface calcita/fluido; e suas indicações físicas, e seu potencial significado nos processos de crescimento e dissolução de cristais. Nossas implementações fornecem contribuições interessantes para a compreensão atual dos processos que ocorrem em meios porosos. Especialmente, podendo contribuir para um desenvolvimento racional de novos dispositivos nanofluidicos. / The unusual physical properties exhibit by fluids within nanoscopic porous media play an important role in the plethora of chemical, geochemical and environmental processes. Currently, many aspects of the structure and dynamics of the spatially constrained fluids are still poorly understood. Additionally, the interfacial phenomena considerably influences the processes occurring in nanoporous media, which can have a major effect on nanofluidics devices. These multiphase systems and multi-physics phenomena occurs at solid/solution interfaces, with electronic and dynamic effects taking place across size and time scales. Currently, a single methodology is not capable to disentangle all the complexity find in such systems because it is restricted to a specific scale or computationally demand. In addition, the usual computational modeling methodologies applied to investigate bulk phases, they are, in general, not suitable to systematically access the surface effects occurring at solid/fluid interfaces. The challenges imposed by the nanofludics-based systems within the molecular modeling framework require innovative initiatives (among the available methodologies) to correctly access the interface properties. In this thesis, we develop and apply novel computational approaches to properly design and characterize nanofluidics-based systems at atomic level. In this context, we introduced an hierarchical top-down multilevel method by combining molecular dynamics simulations with first principles electronic transport calculations to address the multiscale phenomena problem. The potential of this implementation was demonstrated in a case study involving the water and ionic (Na, Li, and CL) flow through a (6,6) carbon nanotube. We showed that the ionic trace, observed on the electronic transmittance, it may handle an indirect measurement of the ionic current that is recorded as a sensing output. We implemented also a layered version of hydrogen bond network analysis based on graph theory. With this approach, we were able to properly explore interface effects arising on spatially confined fluids. By combining molecular dynamics simulations with the layered hydrogen bond network analysis, we evaluated the extension of surface effects on the fluids dynamics properties and the interaction details at calcite/brine interface. With the developed approach, we have been able to isolate the specific features of the aqueous solutions ions on the hydrogen bond network. We showed that the surface layer near the calcite/brine interface displays similar network topology as observed in pure water, since the electrostatic and physical barrier displayed by this layer inhibit the adsorption of ions on the calcite surface. Outside that region, these ions affect the hydrogen bond network. We observed a more extended geodesic paths with respect to that observed in pure water. Such hydrogen bond branches may connect low to high dynamics molecules across the pore and hence, it may explain the glue-like mechanical properties observed in confinement environment. Our main contributions in this work relies on describing the structure of solvent and electrolyte aqueous solution at calcite/fluid interface and their physical indications and potential significance on the crystal growth and dissolution processes. Our implementations provide interesting contributions to the current understanding of processes occurring in porous media. Specially, it may contribute on the rational design of novel nanofluidics devices.