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Exploring chromophore orientation and photophysical properties of BOPHY-BA in an organic thin film by classical and quantum simulations
Philipp Fischer
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Informatik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Bioinformatik
Betreuer*in
Leticia Gonzalez Herrero
DOI
10.25365/thesis.75229
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-24215.87524.544127-5
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
In der natürlichen Photosynthese sind räumlich hoch organisierte lichtabsorbierende Antennen für den Energietransfer in biologischen Umgebungen wie Thylakoidmembranen verantwortlich und ermöglichen die lichtgetriebene Katalyse zur Herstellung von Sauerstoff und Kohlenhydraten wie Zucker aus Kohlendioxid und Wasser. Diese Arbeit lässt sich in das Konzept der Nachahmung dieser Schritte der lichtgesteuerten Katalyse einbetten. Antennen ermöglichen es uns, Signale zu senden und zu empfangen. In diesem Zusammenhang wird ein energetisches Lichtsignal benutzt, das zum Antrieb der lichtgetriebenen Katalyse übertragen werden kann. Ein Antennenmolekül mit dem Akronym BOPHY, Bis(difluoroboron)1,2-bis((1H-pyrrol-2-yl)methylen)-hydrazin, wurde mithilfe von Alkylketten und Benzoesäure amphiphil gemacht (BOPHY-BA). In dieser Arbeit wird eine Monolage aus BOPHY-BA-Molekülen an der Flüssigkeits-Vakuum-Grenzfläche entlang der Druckisotherme rechnerisch untersucht. Der Antennenteil des BOPHY-BA Moleküls enthält 𝜋 Elektronensysteme, die durch Delokalisierung ihrer Elektronen 𝜋 − 𝜋 Stapel mit identischen Molekülen bilden können. Wenn viele BOPHY-BA Antennen 𝜋 − 𝜋 Stapel bilden, können Clusteraggregate unterschiedlicher Art und Länge entstehen. Insgesamt werden neun Systeme mit unterschiedlichen Oberflächendichten mit Molekulardynamik-simulationen simuliert. In dieser Arbeit werden druckisothermenabhängige strukturelle und photo-physikalische Eigenschaften der Monoschicht bewertet, wobei ein besonderer Schwerpunkt darauf liegt, wie diese Eigenschaften von den Antennenaggregaten abhängen. Die Clusteranalyse des Antennenanteils zeigt die Bildung von Multimeren, insbesondere von Dimeren, Trimeren und Tetrameren, sowie verschiedene Aggregatstypen, wie H- und J-Aggregate, wobei H-Aggregate in den Filmen stärker vertreten zu sein scheinen. Die berechneten Absorptionsspektren ausgewählter Aggregate zeigen unterschiedliche Absorptionsspektren für verschiedene Multimere und Aggregattypen der Antennencluster. Die Ergebnisse führen zu der Annahme, dass nicht nur H-Aggregate, sondern auch J-Aggregate zu einer hypsochromen Verschiebung der Spektren des Moleküls in der Membran im Vergleich zum Spektrum in Lösung führen. Der Vergleich zwischen den Antennenaggregaten im Film und den experimentellen Absorptionsspektren des Monoschit-Films zeigt eine teilweise Übereinstimmung; allerdings sind die in dieser Studie verwendeten Berechnungsmethoden nicht in der Lage, die experimentellen Absorptionsspektren des Films vollständig zu reproduzieren. Eines der wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit ist die Analyse der strukturellen Eigenschaften der BOPHY-BA Moleküle im Film, die darauf hindeutet, dass die Dipolantennen nicht so unidirektional zu sein scheinen wie ursprünglich erwartet. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Molekulardynamik (MD) Simulationen wertvolle Erkenntnisse für Optimierungsstrategien beim Design der Antenne und des BOPHY-BA Moleküls liefern.
Abstract
(Englisch)
In natural photosynthesis, geometrically highly organized light absorbing antennas are responsible for energy transfers in biological environments such as thylakoid membranes, enabling the light-driven catalysis to produce oxygen and carbohydrates, such as sugar, from carbon dioxide and water. This work can be embedded in the concept of mimicking these steps in light-driven catalysis. Antennas allow us to send and receive signals. In this context, an energetic light signal is harvested, which can be transferred to power light-driven catalysis. An antenna molecule with the acronym BOPHY, bis(difluoroboron)1,2-bis((1H-pyrrol-2-yl)methylene)-hydrazine, has been made amphiphilic using alkyl chains and benzoic acid (BOPHY-BA). A monolayer comprising BOPHY-BA molecules at the liquid-vacuum interface along the pressure isotherm is computationally investigated in this work. The antenna part of the BOPHY-BA molecule contains 𝜋 electron systems that can form 𝜋 − 𝜋 stacks with identical molecules by delocalizing their electrons. Cluster aggregates of various types and lengths can be generated when many BOPHY-BA antennas undergo 𝜋 − 𝜋 stacking. In total, nine systems with different surface densities are simulated with molecular dynamics simulations. This work evaluates pressure isotherm dependent structural and photophysical properties of the monolayer, with a specific focus on how these properties are dependent on the antenna aggregates. Cluster analysis of the antenna part reveals multimerformation, particularly dimer, trimer, and tetramer formation, and different aggregation types, such as H- and J-aggregates, where H-aggregates seem to be more prevalent in the films. The computed absorption spectra of selected aggregates highlight different absorption spectra for different multimers and aggregate types of the antenna clusters. The results lead to the assumption that not only H-aggregates but also J-aggregates lead to a hypsochromic shift of the spectra of the molecule in the membrane compared to the spectrum in solution. The comparison between antenna aggregates in the film and the experimental absorption spectra of the monolayer film reveals a partial agreement; nonetheless, the computational methods employed in this study are unable to fully reproduce the experimental absorption spectra of the film. One of the main findings in this work is the analysis of the structural properties of the BOPHY-BA molecules in film, which suggests that the dipole-antennas seem not to be as unidirectional as initially expected. To conclude, these molecular dynamics (MD) simulations reveal valuable insights for optimization strategies in the design of the antenna and the BOPHY-BA molecule.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Antenne Chromophor Langmuir-Blodgett Film Molekulardynamik Quantensimulationen Klassische Simulationen H-Aggregat J-Aggregat Catalight Clusteranalyse
Schlagwörter
(Englisch)
Antenna Chromophore Langmuir-Blodgett film Molecular dynamics Quantum simulations Classical simulations H-aggregate J-aggregate Catalight Cluster analysis
Autor*innen
Philipp Fischer
Haupttitel (Englisch)
Exploring chromophore orientation and photophysical properties of BOPHY-BA in an organic thin film by classical and quantum simulations
Paralleltitel (Deutsch)
Erforschung der Chromophorausrichtung und der photophysikalischen Eigenschaften von BOPHY-BA in einem organischen Dünnfilm durch klassische und Quantensimulationen
Publikationsjahr
2024
Umfangsangabe
IX, 73 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Leticia Gonzalez Herrero
Klassifikationen
30 Naturwissenschaften allgemein > 30.00 Naturwissenschaften allgemein. Allgemeines ,
30 Naturwissenschaften allgemein > 30.30 Naturwissenschaften in Beziehung zu anderen Fachgebieten
AC Nummer
AC17061645
Utheses ID
70063
Studienkennzahl
UA | 066 | 875 | |