This Ph.D. thesis is an exploration of carotenoids by ultrafast, time-resolved absorption spectroscopy to investigate their complicated relaxation processes, means of energy transfer, and dependence on structure. The introduction begins with an overview of carotenoids, intended for the reader to appreciate their importance and their complexity as revealed by decades of research in carotenoid photophysics. To understand the primary concerns of this research field, the reader is guided through basic theory of energetic processes, the experimental method, and methods of analysis. The main body of the text is the Research Chapter, containing four sections, each describing research using varied ultrafast transient absorption spectroscopies on carotenoids in solution and when bound to a host protein. Section 2.1 concerns an equilibration phenomenon in the lowest excited state of the carotenoid fucoxanthin in various solutions and temperatures by a multi-pulse transient absorption method. The same method is applied to fucoxanthin in a host antennae protein of the pennate diatom Phaeodactylum tricornutum to investigate the function of the equilibration in energy transfer to Chlorophyll a in Section 2.2. The next two sections regard the effect of carotenoid structure on its relaxation dynamics. Section 2.3 investigates the effect of the non-conjugated acyloxy group of two fucoxanthin derivatives in various solvents. Here, one of the energetic states involved in the equilibrium mentioned above is seen drastically affected. Lastly, Section 2.4 investigates alloxanthin, a carotenoid with an unusual pair of carbon-carbon triple bonds. Their effect on the conjugation is evaluated based upon the molecules' decay dynamics. A general summary and conclusion is provided at the end.

xx, 134 p. : ill. (some col.) / Solar energy is a green alternative to fossil fuels but solar technologies to date have been plagued by low conversion efficiencies and high input costs making solar power inaccessible to much of the developing world. Semiconductor nanoparticles (NPs) may provide a route to efficient, economical solar devices through a phenomenon called multiple exciton generation (MEG). Through MEG, semiconductor NPs use a high-energy input photon to create more than one exciton (electron-hole pair) per photon absorbed, thereby exhibiting large photoconversion efficiencies. While MEG has been studied in many NP systems, and we understand some of the factors that affect MEG, a rigorous analysis of the NP-ligand interface with respect to MEG is missing. This dissertation describes how the NP ligand shell directly affects MEG and subsequent charge carrier recombination. Chapter I describes the motivation for studying MEG with respect to NP surface chemistry. Chapter II provides an in-depth overview of the transient absorption experiment used to measure MEG in the NP samples. Chapter III highlights the effect of oleic acid and sodium 2, 3-dimercaptopropane sulfonate on MEG in PbS NPs. The differences in carrier recombination were accounted for by two differences between these ligands: the coordinating atom and/or the secondary structure of the ligand. Because of these hypotheses, experiments were designed to elucidate the origin of these effects by controlling the NP ligand shell. Chapter IV details a viable synthetic route to thiol and amine-capped PbS NPs using sodium 3-mercaptopropane sulfonate as an intermediate ligand. With the versatile ligand exchange described in Chapter IV, the MEG yield and carrier recombination was investigated for ligands with varying headgroups but the same secondary structure. The correlation of ligand donor atom to MEG is outlined in Chapter V. Finally, Chapter VI discusses the conclusions and future outlook of the research reported in this dissertation. This dissertation includes previously published and unpublished co-authored material. / Committee in charge: Dr. Geraldine L. Richmond, Chairperson; Dr. David R. Tyler, Advisor; Dr. Mark C. Lonergan, Member; Dr. Catherine J. Page, Member; Dr. Hailin Wang, Outside Member

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ASR, est une protéine photo réceptrice qui lie la base protonée de la rétine de Schiff dans deux conformations de l'état fondamental. La protéine particulière consiste en un système modèle dans lequel I'effet de l'environnement protéique sur la dynamique d'isomérisation des deux isomères peut être étudié. Dans cette thèse, une étude approfondie sur les protéines mutées ponctuellement est présentée, où la variable est l'environnement protéique. Les résultats montrent des différences significatives entre les durées de vie des états excités des deux isomères et les durées de vie plus courtes ou plus longues commentées en termes de mélange électronique Sl/S2. En complément, le développement expérimental d'un spectromètre à absorption transitoire (T.A) et d'un dispositif de spectroscopie électronique bidimensionnelle (2DES) fonctionnant respectivement dans les domaines spectral NIR et UV-Vis. Avec cette configuration, deux impulsions colinéaires à verrouillage de phase d'une durée inférieure à 10fs sont générées, où. la précision interférométrique sur le contrôle du retard entre les deux impulsions de pompe permet d'effectuer des mesures 2DES. / ASR, is a photoreceptor protein that binds the protonated Schiff base of retinal in two ground state conformations. The particular protein consists a model system where the effect of the protein environment on the isomerization dynamics of the two isomers can be investigated. In this thesis an extended study on point mutated proteins is presented where the variable is the protein environment. The results show significant differences between the two isomers excited state lifetimes with the shorter or longer lifetimes commented in terms of Sl/S2 electronic mixing. Supplementary, the experimental development of a Transient absorption spectrometer (T.A) and a Two-dimensional electronic spectroscopy setup (2DES) operating in the NIR and UV-Vis spectral range respectively are described. The 2DES spectrometer is based on translating wedges made out of birefringent material producing two collinear phase-locked pulses with sub-I Ofs duration. The interferometric precision on controlling the delay between the two pump pulses allows to perform 2DES measurements on systems absorbing in the 360-430 nm range allowing to resolve the excitation process spectrally.

Le travail présenté dans cette thèse, s’inscrit dans le domaine d'étude de l'interaction des rayonnements ionisants avec les liquides polaires. Bénéficiant de l’accélérateur d'électrons picoseconde ELYSE, les études ont été menées en utilisant les techniques de la radiolyse impulsionnelle associées à la spectrophotométrie d’absorption résolue en temps dans le domaine de la picoseconde. Ce travail est réparti sur deux chapitres distincts. Le premier aborde l’étude la variation temporelle du rendement radiolytique de l’électron solvaté dans l'eau et les alcools simples. Grâce au système de détection original monté sur l’accélérateur ELYSE, composé d’une lampe flash spécialement conçue pour cette détection et d’une streak-camera utilisée pour la première fois en spectroscopie d’absorption, il a été possible d'enregistrer la totalité du déclin du rendement radiolytique de l’électron solvaté d’une façon continue dans un intervalle de temps allant de la dizaine de picoseconde à quelques centaines de nanoseconde. La capture de l’électron solvaté par le méthylviologène, a été mise à profit pour réévaluer le coefficient d’extinction molaire du spectre d'absorption de l’électron solvaté dans l’eau et l’éthanol à partir des points isobestiques qui apparaissent à l'intersection des spectres d'absorption de l’électron solvaté qui disparaît et du méthylviologène qui se forme au cours de la réaction.Le deuxième chapitre est consacré à l’étude des carbonates organiques liquides, tels que le diméthyle carbonate (DMC), le diéthyle carbonate (DEC) et le propylène carbonate (PC). Cette famille de carbonate qui n’a jamais été étudiée auparavant par radiolyse pulsée, entre dans la composition des électrolytes des batteries notamment au lithium. Les études ont été focalisées sur le PC au vu de ces caractéristiques physico-chimiques, notamment sa constante diélectrique très élevée (64) et son très fort moment dipolaire de 4,9 D. Les premiers résultats ont été obtenus d’abord sur des solutions aqueuses contenant du propylène carbonate afin d'observer les réactions de réduction et d'oxydation du PC par les espèces radiolytiques de l'eau (électron solvaté et radicaux OH). Puis après l’identification (spectrale et cinétique) de l’espèce formée par interaction avec le radical OH comme étant le radical PC• résultant de l'abstraction d'un H de la molécule de PC et l’espèce formée par interaction avec l’électron aqueux comme étant l'anion PC-, d’autres mesures ont été effectuées dans le liquide pur ainsi qu’en présence de certains intercepteurs d’électrons (biphényle, anthracène, naphtalène). Elles ont permis d'accéder au rendement radiolytique de PC- ainsi qu'à l'évaluation de son potentiel redox. Les premiers résultats sur le DEC et le DMC sont aussi exposés dans cette partie, portant dans un premier lieu sur le solvant pur et puis en présence de biphényle. / This work is part of the study area of the interaction of radiation with polar liquids. Using the picosecond electron accelerator ELYSE, studies were conducted using the techniques of pulse radiolysis combined with absorption spectrophotometry Time-resolved in the field of a picosecond.This work is divided into two separate chapters. The first study addresses the temporal variation of the radiolytic yield of solvated electron in water and simple alcohols. Due to original detection system mounted on the accelerator ELYSE, composed of a flash lamp specifically designed for the detection and a streak-camera used for the first time in absorption spectroscopy, it was possible to record the time-dependent radiolytic yields of the solvated electron from ten picoseconds to a few hundred nanoseconds. The scavenging of the electron solvated by methyl viologen, was utilized to reevaluate the molar extinction coefficient of the absorption spectrum of solvated electron in water and ethanol from isobestic points which corresponds to the intersection of the absorption spectra of solvated electron which disappears and methyl viologen which is formed during the reaction.The second chapter is devoted to the study of liquid organic carbonates such as dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC) and propylene carbonate (PC). This family of carbonate wich compose the electrolytes lithium batteries, has never been investigated by pulse radiolysis. The studies were focused on the PC in the light of these physicochemical characteristics, including its very high dielectric constant (64) and its strong dipole moment of 4.9 D. The first results were obtained on aqueous solutions containing propylene carbonate to observe the reactions of reduction and oxidation of PC by radiolytic species of water (solvated electron and OH radicals). Then, after the identification (spectral and kinetic) of the species formed by interaction with the OH radical as the PC• radical resulting from the abstraction of a H from the molecule of PC and the species formed by the interaction with electron as the anion aqueous PC-, other measurements were made in the pure liquid and in the presence of some electron interceptors (biphenyl, anthracene, naphthalene). They give access to the radiolytic yield of PC- and the evaluation of its redox potential. The first results of the DEC and the DMC are also outlined in this section, the pure solvent and then in the presence of biphenyl.

Ces dernières années, les matériaux fonctionnels hybrides ont commencé à être employés pour des applications de la haute technologie, allant des senseurs bio/médicaux, à la production d’énergie renouvelable. Pour cette raison, ils sont devenus le centre de plusieurs études dans le domaine des sciences des matériaux. Simultanément, des molécules conjuguées ont été examinée intensément à cause de leurs propriétés venant de leurs longs systèmes π, allant de la possibilité de conduire l’électricité, à leur capacité d’absorber la lumière dans une grande fenêtre spectrale. Le travail de cette thèse se concentre sur l’introduction de tels systèmes dans deux sortes de matériaux hybrides, les dispositifs photovoltaïques pour la production d’électricité (en particuliers les cellules solaires à pigment photosensible) et de carburants alternatifs (hydrogène), et pour les hydrogels biocompatibles sensibles aux stimuli (capables de conduire l’électricité et de réagir sous irradiation), et sur l’étude de leur influence sur les caractéristiques du matériau final. / In recent years hybrid functional materials began to be employed in a series of technologically advanced applications spanning from bio/medical sensors, to renewable energy generation. For this reason, they became the focus of several studies in the field of materials science. At the same time, conjugated molecules have also been intensively investigated, due to the properties arising by the presence of long π-conjugated systems, from the possibility to conduct electricity to the ability to absorb light in a wide range of wavelengths. This PhD work focused on the introduction of such systems in two different kinds of hybrid materials, namely photovoltaic devices for the production of electricity (in particular Dye Sensitzed Solar Cells) and alternative fuels (hydrogen), and biocompatible stimuli-responsive hydrogels (capable to conduct electricity and to react upon irradiation), and on the study of their influence on the characteristics of the final material.

Au cours de ce travail de thèse, des matériaux monomères amorphes bifonctionnels photochromes et fluorescents ont été élaborés et étudiés dans le but de former sous irradiation interférentielle des structures fluorescentes par migration de matière photoinduite . Pour contrer le phénomène d'extinction de fluorescence par l'unité photochrome azoïque, un espaceur saturé de type adduit de Diels-Alder a été introduit entre les deux entités photoactives. De telles molécules ont été obtenues avec succès ainsi que les composés modèles azoïques et fluorescents correspondants.L'introduction de nouveaux fragments comme l'espaceur ne modifiait pas les propriétés de photochromisme que ce fût en solution ou à l'état solide. A l'opposé, des études de spectroscopie de fluorescence stationnaire et résolue en temps ont montré que la présence de cet espaceur limitait efficacement les phénomènes d’extinction de fluorescence au sein des composés bifonctionnels. Dans le but de comprendre les mécanismes photophysiques sous-tendant l'extinction de fluorescence observée, des expériences de spectroscopie d'absorption transitoire femtoseconde ont été réalisées sur les composés modèles et bifonctionnels. Elles ont mis en évidence l’existence d’un transfert d’énergie électronique picoseconde de l’unité fluorescente vers l’unité photochrome.Sous forme de films minces non-dopés, ces nouveaux composés bifonctionnels ont conduit par photostructuration holographique à des reliefs de surface réinscriptibles, stables à température et sous lumière ambiantes et modulés en intensité de fluorescence, les maxima d'émission correspondant aux zones d'accumulation en composés bifonctionnels. Une nouvelle réaction photochimique consistant en la photocoupure de dérivés fluorescents nitrés de la triphénylamine a été mise en évidence. L’irradiation sous UV de solutions et de films minces provoquait une photorupture de l’état à transfert de charge intramoléculaire, conduisant à la modification de la couleur émise de l’orange au bleu. Des structures fluorescentes modulées en énergie ont pu ainsi être obtenues par irradiation au travers d’un masque tout en contrôlant la quantité de lumière apportée. / This PhD thesis presents the elaboration and the studies of bifunctional amorphous small molecule-based materials combining photochromic and fluorescent units in order to form fluorescent patterns by photoinduced mass transport under interferential irradiation A saturated spacer made of a Diels-Alder adduct was introduced between both photoactive units to inhibit emission quenching of the fluorophore by the azo photochromic moiety. Such compounds as well as their fluorescent and azo model compounds have successfully been synthesised.New fragments such as the spacer brought no modification to the photochromic properties in solution and in the solid state. Conversely, time-resolved and steady-state fluorescence studies showed that the spacer efficiently limited fluorescence quenching within the bifunctional compounds. In order to gain insight into the mechanism responsible for the fluorescence quenching, femtosecond transient absorption spectroscopy measurements have been performed on model and bifunctional compounds. They evidenced picosecond electronic energy transfer from the fluorescent unit towards the azo moiety.As non doped thin films, rewritable surface relief gratings (SRG) stable under ambient light and at room temperature could be written through holographic illumination and displayed fluorescence patterns. Modulation of the emission intensity resulted from the accumulation of fluorophores attached to the azo units undergoing photoinduced mass migration. A novel photochemical reaction leading to the photocleavage of fluorescent nitro-substituted triarylamine derivatives has been proved. UV irradiation in solution and in the solid state caused photodisruption of the intramolecular charge transfer state, yielding neat modification of the emission colour from orange into blue. Fluorescent patterns modulated in energy could have been obtained by using a mask and controlling the amount of photons.