Nesta tese, apresentamos três estudos envolvendo técnicas de ressonância paramagnética eletrônica (RPE) de onda contínua e pulsada nas bandas X e Q em vidros e nanocompósitos dopados com íons de metais de transição. O objetivo geral deste texto é evidenciar a complementariedade destas técnicas no estudo destes materiais. Os dois primeiros estudos focam-se em vidros e vitro-cerâmicas dopados com íons de metais de transição. O objetivo destes estudos é analisar o efeito dos tratamentos térmicos no espectro de RPE das amostras. O primeiro estudo trata de vidros fosfo-germanato dopados com íons de vanádio e os resultados de RPE de onda contínua mostram que, para a amostra sem tratamento térmico e para a amostra tratada em temperaturas menores do que 470 °C, apenas um sítio de vanádio é observado enquanto que, para as amostras tratadas com temperaturas acima de 470 °C, um segundo sítio de vanádio, mais distorcido do que anterior, aparece. Experimentos de ESEEM e HYSCORE observaram a interação entre os íons de vanádio e núcleos 31P próximos e pudemos estimar a máxima densidade de spin transferida pelo mecanismo through-bond e máxima distância média entre o íon paramagnético e os núcleos 31P. O segundo estudo trata de um vidro fluorosilicato dopado com íons Cu2+ e os resultados de RPE de onda contínua não mostram alterações relevantes no sítio paramagnético devido ao tratamento térmico. Experimentos de ESEEM e HYSCORE mostraram picos devido a interação desse íon com núcleos 19F, 207Pb, 111Cd e 113Cd. O terceiro estudo foca-se numa argila natural laminar contendo íons Cu2+ e moléculas de polioxietileno (PEO). O objetivo deste estudo é analisar a complexação do íon Cu2+ com as moléculas de PEO e moléculas de água no espaço interlaminar da argila. Os resultados de RPE de onda contínua não evidenciaram alterações na coordenação do íon Cu2+ através dos dois métodos de preparação propostos. Os experimentos de ESEEM E HYSCORE mostraram que, para o método onde o complexo PEO-Cu é inserido no espaço interlaminar da argila, o íon Cu2+ interage apenas com prótons em, pelo menos, duas conformações diferentes. Nossa hipótese é que observamos prótons tanto da molécula de PEO quanto de moléculas de água. No método onde moléculas de PEO são inseridas no espaço interlaminar da argila previamente preenchido com íons Cu2+, tal hipótese não pode ser feita. Ainda, observamos outro centro paramagnético nas amostras oriundo de vacâncias de oxigênio nas lâminas da argila. / This thesis contains three studies where X- and Q-Band continous-wave electron paramagnetic resonance (CW-EPR) and pulsed EPR techniques were applied in glasses and nanocomposites doped with transition metal ions. Our general goal is to show the complementarity of these techniques for the study of this materials. The first two studies focus on glasses and glass-ceramics doped with transition metal ions and the main goal is to analyse the effect of sample heat treatments on the EPR spectra. The first study focuses on phospho-germanate glasses and the CW-EPR results show that, for non-treated samples or for heat-treated samples at temperatures below 470°C, only one vanadium site is observed, while for samples heat-treated at higher temperatures a second, more ditorted site is produced. ESEEM and HYSCORE experiments observe the interaction between vanadium ions and near 31P nuclei. The maximum spin density transfer by the through-bond mechanism and maximum average distance between the two species could be estimanted. The second study focuses on fluorosilicate glasses doped with Cu2+ and the CW-EPR results show no relevant changes in the paramagnetic site upon heat treatment. ESEEM and HYSCORE experiments display peaks due to the interaction between Cu2+ ions and 19F, 207Pb, 111Cd e 113Cd nuclei. The third study focus on a natural bentonite clay containing copper ions and polioxiethilene (PEO) molecules. The main goal of this study is to analyze the complexation of the Cu2+ ions with the PEO and water molecules in the interlaminar space of the clays. CW-EPR results does not show any changes in the Cu2+ coordination caused by the two preparation methods proposed. ESEEM and HYSCORE experiments, however, showed that, for the method where the PEO-Cu complex is inserted in the interlaminar space, the paramagnetic ion interacts only with protons in at least two different conformations. Our hypothesis is that both protons from the PEO chain and water molecules are being observed. In the method where PEO molecules are inserted in the material, which was previosly filled with Cu2+ ions, no such assignment could be made. In addition, another paramagnetic center is observed and associated with oxigen vacancies in the sheets of the clay.

Neste trabalho, usamos as técnicas espectroscópicas de UV-vis, dicroísmo circular (CD) e ressonância paramagnética eletrônica (RPE) para caracterizar as microperoxidases-8 e 9 e N-AcMP-9. As microperoxidases são produtos da digestão proteolítica de citocromo c, contendo em média dez resíduos de aminoácidos. Não possuindo o sexto ligante, o ferro hemínico neste caso apresenta-se no estado de alto spin. Nossos resultados mostram que a transição alcalina (pKa = 8,53) produz agregados de hemepeptídeos no estado de baixo spin, nos quais a molécula de água é deslocada pelo grupo N-terminal da cisteína de uma MP-8 vizinha. Para valores altos de pH ocorre uma desprotonação do anel imidazol da histidina que ocupa a quinta coordenação do ferro hemínico. Nessa condição de pH a MP-8 encontra-se em um equilíbrio de espécies agregadas no estado de alto e baixo spin. Uma espécie agregada é formada pela MP-8 pentacoordenada com o hitidinato ocupando a sexta coordenação. Já a outra espécie agregada é composta pela coordenação do grupo a-amino da cisteína e do íon hidróxido, ocupando a sexta e quinta coordenação do ferro hemínico, respectivamente. Quanto a N-AcMp-9, o estado de baixo spin é produzido pela desprotonação da água (pKa = 9,6) situada na sexta coordenação do ferro. Esses resultados estão de acordo com os encontrados para N-AcMP-8. Sobre a MP-9, o estado de baixo spin é obtido com o deslocamento da água pelo grupo a-amino terminal da lisina 13 de uma molécula vizinha. Acima do pH 85, o grupo c-amino da lisina 13 estabelece uma coordenação intra-cadeia. Os monômeros exibem OH- ou histidinato na quinta posição de coordenação. A coordenação intra-cadeia na MP-9 foi corroborada pela simulação de dinâmica molecular (MD). Vale mencionar que todos os resultados de CD e RPE foram simulados utilizando-se os programas CCA e QPOW, respectivamente. Realizamos também medidas de RPE pulsado do citocromo c em tampão fosfato pH 7,4 em SDS e em Cardiolipina com o objetivo de investigar o estado de baixo spin alternativo. Realizamos experimentos de eco com varredura de campo (Echo field sweep), ESEEM (Electron spin echo envelope modulation), e tempo de relaxação spin-rede T, para uma completa caracterização dos compostos acima citados / In this work we have used spectroscopic techniques such as UV-vis, circular dichroism, and electronic paramagnetic resonance to characterize the microperoxidases-8 and -9 and also N-AcMP-9. Microperoxidases are products of the proteolytic digestion of cytochrome c, containing an average of ten residues of aminoacids. Lacking the sixth ligand, the heminic iron is ín the high spin state. Our results show that the alkaline transition (pKa = 8,53) produces hemepeptideos aggregates in the low spin state, in which the water molecule is displaced by the Nterminal group of a nearby MP-8 cysteine. For high values of pH there is a deprotonation of the imidazole ring of the histidine that occupies the heminic iron\'s fifth coordination. In that pH MP-8 is found in equilibrium of aggregated species of high and low spin. An aggregated species if formed by the pentacoordinated MP-8 with the histidinate in the sixth coordination. The other aggregated species is composed by the coordination of the alpha-amino groups of cysteine and hydroxide ion, occupying the sixth and fifth coordination of heminic iron, respectively. As for NAcMp-9, the low spin state is produced by deprotonation (pKa=9.6) of the water located at the iron\'s sixth coordination. These results agree with others found for NAcMp-8. In MP-9 the low spin state is obtained displacing the water by the terminal alpha-amino group of Lysl3 in a nearby molecule. Above pH 8.5 the epsilon-amino group of Lysl3 coordinates intra-chain. The monomers exhibit OH- or histidinate in the fifth coordination. The intra-chain coordination of MP-9 was confirmed by molecular dynamics simulation. It is important to notice that all results from CD and EPR were simulated using the programs CCA and QPOW, respectively. We also made pulsed EPR measures of cytochrome c in fosfato buffer pH 7.4 in SDS and in cardiolipin, in order to investigate the alternative low spin state. We made experiments with echo field sweep, ESEEM and spin-lattice relaxation time TI for a complete characterization of the above mentioned mixture

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ESR results for DEM(TCNQ)₂ and for MEM(TCNQ)₂ are presented as examples of TCNQ salts with and without level crossing effects. In the case of DEM(TCNQ)₂ we are performing ESR on a system with two types of spins. The latter are due to the two kinds of stacks of the acceptor TCNQ molecules in DEM(TCNQ)₂. The level crossing occurs when the g value of these two kinds of electrons are the same. This is compared to the case of MEM(TCNQ)₂ where there is only one kind of TCNQ stack and consequently no level crossing effect. It is found that g values and susceptibilities of the ESR spectra for DEM(TCNQ)₂ can be fitted very well to an interaction between the stacks of the form J ∑i,j,Si,Sj; with J > 0. This gives an antiferromagnetic coupling between every spin on one type of stack with every spin on the other type of stack. This type of interaction is also in qualitative agreement with the published results for HMM(TCNQ)₂. The experimental results in DEM(TCNQ)₂ and MEM(TCNQ)₂ also show that there are small but significant differences in the g tensors when the temperature or the crystalline environment are changed, and consequently the g tensor in these compounds does not depend only on the orientation of TCNQ molecule in the magnetic field as previously assumed. These differences in g are typically less than 2 x 10⁻⁴. / Science, Faculty of / Physics and Astronomy, Department of / Graduate

Orientador: Carlos Rettori / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-04T01:45:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Urbano_RicardoRodrigues_D.pdf: 7003500 bytes, checksum: 302763535eafe1664ae875c23c64eaec (MD5) Previous issue date: 2004 / Resumo: Esta tese é o resultado da investigação de dois temas principais: o composto supercondutor MgB2 e o sistema semicondutor Ca1-xRxB6 dopado com terras raras R. O composto MgB2 é conhecido desde 1950, porém, só recentemente foi descoberto como sendo um supercondutor (tipo II) com uma temperatura crítica Tc @ 40 K. Esta descoberta realimentou o interesse nos materiais supercondutores não-óxidos, iniciando assim a procura por supercondutividade em vários outros compostos como, por exemplo, MgCNi3 e recentemente, diamante. A motivação do ponto de vista de Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE) se dá pela possibilidade de estudar o estado supercondutor misto numa ampla faixa de temperatura, via a ressonância dos elétrons de condução (CESR). Utilizando as freqüências de microondas de 4.1 GHz (banda S) e 9.5 GHz (banda X), o campo de ressonância (H r para g ~ 2:00) assume valores entre Hc1< Hr « Hirr £ Hc2 e, conseqüentemente, os elétrons de condução certamente estarão sondando a Distribuição de Campo Magnético Interno (DCMI) gerada pela rede de vórtices de MgB2. Com a atenção voltada às propriedades do estado misto deste supercondutor, apresentamos nesse trabalho a primeira, direta e não ambígua observação da DCMI, juntamente com o efeito de desancoramento da rede de linhas de fluxo. Determinamos a temperatura de desancoramento Tp (v), a qual separa o regime de movimento viscoso do regime de aprisionamento de vórtices. Também propomos um diagrama de fases supercondutor para a região de baixos campos magnéticos para nossa amostra estequiométrica. Comparativamente ao estudo do composto estequiométrico, estudamos amostras de Mg1-xB2(0 £ x £ 0.15). Para x ~ 0.15, encontramos a presença de duas linhas de ressonância, sugerindo uma possível segregação de fases. Além disso, a maior Tp encontrada, e o mais rápido alargamento e distorção da largura de linha do CESR no estado misto, comparados à amostra estequiométrica, são ambos consistentes com uma maior concentração de defeitos. Os hexaboretos RB6 (R = terra rara ou metais alcalinos terrosos) pertencem a uma classe de materiais que está sendo extensivamente estudada atualmente. Eles cristalizam numa rede cúbica simples tipo CsCl, e exibem um vasto universo de fascinantes propriedades físicas. Metais de bandas simples (LaB6), magnetos de momento local convencional (GdB6), sistemas de denso comportamento Kondo (CeB6) ou ainda ferromagnetismo (FM) de baixa densidade de portadores em sistemas com momentos localizados como EuB6, fazem parte deste grupo. Esta riqueza de fenômenos, combinada à simplicidade cristalográfica, torna os hexaboretos um sistema ideal para se estudar as propriedades magnéticas e eletrônicas destes compostos. Recentemente, foi encontrado que CaB6 dopado com impurezas de La 3+ (0.5%) exibe um FM (0.07 m B/La) em alta temperatura (Tc ~ 600 - 900 K), sem que os elementos constituintes tenham orbitais d ou f parcialmente preenchidos. Enorme esforço tanto teórico quanto experimental foi devotado para esclarecer esta intrigante propriedade, na tentativa de estabelecer a origem deste WF e seu relacionamento com a natureza condutora real de CaB6 dopado com R. Particularmente, encontramos em nosso estudo através da técnica de RPE em monocristais de CaB6 dopados com Gd 3+, que o processo de dopagem é não-homogêneo, apresentando diferentes regimes de concentração, inclusive coexistência de fases isolante e metálica. Este resultado sugere que uma abrupta mudança no ambiente local do Gd 3+ , associada à transição metal-isolante, pode estar ocorrendo. A configuração eletrônica de Eu 2+ é idêntica a do Gd 3+ (4f 7 , 8 S 7/2). No entanto, o efeito da dopagem de Gd 3+ e Eu 2+ em CaB6 é diferente: Eu 2+ tem a mesma valência de Ca 2+ enquanto Gd 3+ doa um elétron extra ao sistema, criando um estado doador tipo-hidrogênio. Acreditamos que a transição isolante/metal revelada pela forma de linha de RPE possa ser alcançada quando estes estados ligados de Gd doadores se sobrepõem e começam a formar uma rede percolativa. Desde que nem todos os sítios de Gd participam desta rede, uma coexistência de regiões metálicas e isolantes não é uma observação improvável, como observado em nossos resultados. De um outro lado, a substituição de Ca2+ por impurezas de Eu 2+ não produz um estado ligado doador, mas a invariância translacional quebrada da rede deve introduzir um estado localizado separado da banda de valência/condução. Supõe-se então que a dopagem de Eu 2+ forma uma banda de impurezas. No entanto, somente em um regime de muito alta concentração, estas impurezas formariam o estado percolativo, o que também encontra suporte em nossos resultados experimentais. Em contraste ao caso de CaB6, o composto EuB6 é um material semi-metálico bem estabelecido que apresenta um ordenamento FM em Tc » 15 K. Investigações das propriedades físicas de EuB6 foram realizadas essencialmente através de experimentos de RPE e de transporte. Nosso estudo mostrou que os comportamentos observados na largura de linha DH dos espectros de RPE, e na anisotropia da magneto-resistência, estão associados à presença de pólarons magnéticos e efeitos de superfície de Fermi, uma vez que esta última é de fato anisotrópica (elipsóides de revolução nos pontos X da Zona de Brillouin). Concluímos do estudo em Ca1-xRxB6 (R = Gd 3+ e Eu 2+ ) que, uma vez alcançado o estado percolativo (estado metálico), efeitos da anisotrópica superfície de Fermi podem ser observados através de DH, uma vez assumido que o processo de relaxação dominante é o mecanismo de espalhamento de spin eletrônico (spin-flip scattering). Para o caso particular de Eu 2+ em CaB6, efeitos polarônicos, a exemplo de EuB6, são também observados em DH / Abstract: This thesis results from the scientific investigation of two different systems: the MgB2 superconductor (SC) compound and the rare earth (R) doped Ca1-xRxB6 semiconductor material. The MgB2 compound is known since 1950, however, just recently discovered as a conventional (type II) SC with a critical temperature Tc @ 40 K. This discovery has revived the interest in non-oxides SC and initiated a search for superconductivity in related materials as, for exemple, MgCNi3. The motivation in the ESR point of view was the imprecedent possibility of studying the SC mixed-state in a wide temperature range by conduction electron spin resonance (CESR). Taking the 4.1 GHz (S band) and 9.5 GHz (X band) microwave frequencies, the resonance field (H r for g ~ 2:00) ranges between Hc1< Hr « Hirr £ Hc2 and, consequently, the conduction electrons will certainly probe the Internal Magnetic Field Distribution (IMFD) in the vortex lattice of MgB2. Focusing our attention on the properties of the mixed-state of this superconductor, we present in this work the first, direct and unambiguously observation of the IMFD together the flux line lattice depinning effects in MgB2. We have determined the depinning temperature Tp (v) which separates the viscous vortex motion regime to the pinning regime. Also, we have proposed a superconductor phase diagram for the low field region for our stoichiometric MgB2 sample. Comparatively to the stoichiometric sample study, we have studied Mg1-xB2 (0 £ x £ 0.15) samples. For x ~ 0.15, we found the presence of two resonance lines indicating phase segregation. Furthermore, the Tp found is higher than the obtained for the stoichiometric sample and, the CESR line width in the mixed-state presented a faster broadening when decreasing temperature, consistent with the larger defects concentration. Currently, the hexaboride compounds RB6 (R = earth rare or earth alcalines) belong to a material class which has been extensively studied. They crystallizes in a simple cubic lattice as CsCl, and show a wide variety of fascinating physical properties. Simple band metals (LaB6), conventional local moments magnets (GdB6), system with dense Kondo behavior (CeB6) or even low carrier density FM systems with local moments as EuB6, make part of this group. This richness of interesting physical properties, together with their simple crystallographic structure, make the hexaborides an ideal system to study. Recently, it was found that the La 3+ (0.5%) impurity doped CaB6 shows a WF (0.07 m B/La) in high temperature (Tc ~ 600 - 900 K) without the elements having half-filled d or f orbitals, which is usually required for FM. Enormous theoretical and experimental efforts have been devoted to clarify this intriguing property, in the sense to establish the origin of this WF and its relationship with the real conductive nature of the R doped CaB6. Particularly, we have found in our ESR study in single crystals of Gd 3+ doped CaB6 that the doping process is inhomogeneous, presenting different concentration regimes, including insulating and metallic phase coexistence. This result suggests that an abrupt change in the Gd 3+ local environment associated with the metal-insulator transition can be happening. The electronic configuration of Eu 2+ ions ( 8S7/2) is identical to that of the Gd 3+ ions. However, the effect of Gd 3+ and Eu 2+ doping in CaB6 is different: Eu 2+ has the same valence as Ca 2+ while Gd 3+ delivers an extra electron to the system, creating a hydrogen-like donor state. We believe that the insulator-metal transition revealed by the ESR line shape can be reached when these Gd donor bound states overlap and start to form a percolative network. Since not all Gd-sites participate in this network, a coexistence of metallic and insulating local environments are not impossible to be observed, as shown in our experimental results. In the other side, the substitution of Ca 2+ by Eu 2+ impurities does not yield a donor bound state, but the broken translational invariance of the lattice introduces a localized split-off state from the valence/conduction band. Then, it is supposed that an impurity band for Eu 2+ hen only forms at much higher concentrations as for Gd 3+ , as it is indeed observed experimentally. In contrast to the CaB6, the EuB6 compound is a well established semi-metallic material which presents a FM ordering at Tc » 15 K. Investigations of the physical properties of EuB6 were performed by ESR and transport experiments. Our study showed that the observed anisotropy and field-dependence of the ESR line width D H and of the magneto-resistence are associated with magnetic polarons and Fermi surface effects, since the latter is really anisotropic. We conclude in this study that, once reached the percolative state (metallic state), the anisotropic Fermi surface effects can be observed by the D H since the dominating relaxation process is the spin-flip scattering mechanism. For the particular case of Eu 2+ in CaB6, polaronic effects can be also observed in the D H, such as in EuB6 / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

In the present work three different proteins were investigated, namely IGPS, the SRII/HtrII complex and ChR2. EPR spectroscopy combined with SDSL were applied to investigate the relation of the respective protein dynamics and their functions. In case of IGPS spin label side chain dynamics were recorded and allow a classification of loop dynamics during catalysis. For SRII/HtrII an equilibrium of spin label side chain dynamics was found to reflect the equilibrium of the activated and deactivated states, which are responsible for signal transfer through the complex. Time-resolved analyses of side chain dynamics and trapping of intermediates of the light-triggered channel ChR2 identified conformational changes to occur during channel function. Thereby, the EPR spectroscopy proves to be a powerful tool to investigate proteins in context of structural changes during their protein function.