Photophysics of dyes on particulate solids: molecular interactions and energy transfer

La heterogeneidad cumple un rol fundamental en muchos procesos naturales y artificiales inducidos por irradiación ultravioleta y visible. El estudio de la fotofísica y la fotoquímica de colorantes en medios heterogéneos es relevante para la comprensión de los procesos naturales y el desarrollo de nuevos materiales con vastas aplicaciones en el ámbito científico, tecnológico y de la salud. La obtención de materiales fotoactivos capaces de utilizar eficientemente la energía lumínica en una amplia zona del espectro electromagnético requiere el empleo de altas concentraciones de colorante. Ello garantiza la absorción de una fracción importante de la radiación incidente y posibilita el diseño de sistemas antena-receptor para canalizar convenientemente la energía de excitación. En estas condiciones, se verifican fenómenos tales como el acoplamiento excitónico y la transferencia y el atrapamiento de la energía de excitación. La ocurrencia de estos fenómenos, sumados a la dispersión de luz en sistemas opacos constituidos en general por microparticulas o agregados de nanoparticulas, hace que la caracterización fotofísica de dichos materiales requiera contar con herramientas analíticas especiales. En este trabajo se caracterizan los procesos fotofísicos que tienen lugar en sistemas de colorantes distribuidos al azar en sólidos particulados, utilizando micropartículas de celulosa como soporte modelo, y el efecto de las interacciones moleculares sobre sus propiedades fotofísicas, a fin de obtener criterios para el diseño de materiales fotoactivos eficientes. Se hace énfasis en los procesos fotofísicos originados en el estado singlete del colorante, en especial la transferencia de energía singlete-singlete, en sistemas altamente concentrados de un único colorante y en sistemas conformados por dos colorantes que presentan un importante solapamiento espectral (sistemas donor-aceptor). A tal fin debieron desarrollarse métodos y modelos originales, sobre los cuales existen escasos antecedentes en la literatura.Heterogeneity bears a fundamental role in many natural and artificial processes induced by ultraviolet and visible irradiation. The photophysical and photochemical characterization of dyes in heterogeneous media is relevant to the understanding of natural processes and the development of materials with vast applications in the field of science, technology and medicine. Obtaining photoactive materials capable of using efficiently light energy in a broad range of the electromagnetic spectrum requires the usage of high dye concentrations. This ensures absorption of an important fraction of the incident radiation and allows the design of antenna systems that enable the channelling of the excitation energy. Under these conditions, exciton coupling and excitation energy transfer and trapping can take place. The occurrence of these phenomena, in addition with light scattering in opaque systems consisting generally of microparticles or aggregates of nanoparticles, impose the need of special analytical tools to characterize the photophysics of such materials. In this work, the photophysical processes that take place in systems composed of dyes randomly distributed on particulate solids, using cellulose microparticles as model support, and the effect of molecular interactions on their photophysics are characterized in order to obtain criteria for the design of efficient photoactive materials. Emphasis is made on the photophysical processes originated in the singlet state of the dye, especially singlet-singlet energy transfer, in systems composed of a highly concentrated single dye and pairs of dyes with a strong spectral overlap (donor-acceptor systems). For this purpose, original methods and models, on which scarce precedents exist in the literature, were developed.Fil:Rodríguez, Hernán Bernardo. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina