61079
2023
2023
2023
eng
133
doctoralthesis
1
--
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Reconfigurable Janus emulsions as signal transducers for biosensing applications
Dissertation, Universität Potsdam, 2023
false
true
Agata W. Baryzewska
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
61710
2023
2023
eng
xvi, 88
doctoralthesis
1
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2023-11-06
Studies on nanoplastics for the preparation of reference materials
Untersuchungen an Nanoplastik für die Herstellung von Referenzmaterialien
The present work focuses on the preparation and characterisation of various nanoplastic reference material candidates. Nanoplastics are plastic particles in a size range of 1 − 1000 nm. The term has emerged in recent years as a distinction from the larger microplastic (1 − 1000 μm). Since the properties of the two plastic particles differ significantly due to their size, it is important to have nanoplastic reference material. This was produced for the polymer types polypropylene (PP) and polyethylene (PE) as well as poly(lactic acid) (PLA).
A top-down method was used to produce the nanoplastic for the polyolefins PP and PE (Section 3.1). The material was crushed in acetone using an Ultra-Turrax disperser and then transferred to water. This process produces reproducible results when repeated, making it suitable for the production of a reference material candidate. The resulting dispersions were investigated using dynamic and electrophoretic light scattering. The dispersion of PP particles gave a mean hydrodynamic diameter Dh = 180.5±5.8 nm with a PDI = 0.08±0.02 and a zeta potential ζ = −43.0 ± 2.0 mV. For the PE particles, a diameter Dh = 344.5 ± 34.6 nm, with a PDI = 0.39 ± 0.04 and a zeta potential of ζ = −40.0 ± 4.2 mV was measured. This means that both dispersions are nanoplastics, as the particles are < 1000 nm. Furthermore, the starting material of these polyolefin particles was mixed with a gold salt and thereby the nanoplastic production was repeated in order to obtain nanoplastic particles doped with gold, which should simplify the detection of the particles.
In addition to the top-down approach, a bottom-up method was chosen for the PLA (Section 3.2). Here, the polymer was first dissolved in THF and stabilised with a surfactant. Then water was added and THF evaporated, leaving an aqueous PLA dispersion. This experiment was also investigated using dynamic light scattering and, when repeated, yielded reproducible results, i. e. an average hydrodynamic diameter of Dh = 89.2 ± 3.0 nm. Since the mass concentration of PLA in the dispersion is known due to the production method, a Python notebook was tested for these samples to calculate the number and mass concentration of nano(plastic) particles using the MALS results. Similar to the plastic produced in Section 3.1, gold was also incorporated into the particle, which was achieved by adding a dispersion of gold clusters with a diameter of D = 1.15 nm in an ionic liquid (IL) in the production process. Here, the preparation of the gold clusters in the ionic liquid 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide ([Emim][DCA]) represented the first use of an IL both as a reducing agent for gold and as a solvent for the gold clusters. Two volumes of gold cluster dispersion were added during the PLA particle synthesis. The addition of the gold clusters leads to much larger particles. The nanoPLA with 0.8% Au has a diameter of Dh = 198.0 ± 10.8 nm and the nanoPLA with 4.9% Au has a diameter of Dh = 259.1 ± 23.7 nm. First investigations by TEM imaging show that the nanoPLA particles form hollow spheres when gold clusters are added. However, the mechanism leading to these structures remains unclear.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung verschiedener Nanoplastikreferenzmaterialkandidaten. Um Nanoplastik handelt es sich bei Plastikpartikeln in einem Größenbereich von 1 − 1000 nm. Der Begriff hat sich in den letzten Jahren als Abgrenzung zu dem größeren Mikroplastik (1 − 1000 μm) herausgebildet. Da sich die Eigenschaften der beiden Plastikpartikel auf Grund ihrer Größe deutlich unterscheiden, ist es wichtig, Nanoplastikreferenzmaterial zur Verfügung zu stellen. Dieses wurde für die Polymertypen Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE) sowie Polymilchsäure (PLA) hergestellt.
Dabei wurde für die Polyolefine PP und PE eine top-down Methode für die Herstellung des Nanoplastiks angewandt (Abschnitt 3.1). Dazu wurde das Material mithilfe eines Ultra-Turrax Dispergiergeräts in Aceton zerkleinert und danach in Wasser überführt. Dieser Prozess führt bei Wiederholung zu ähnlichen Ergebnissen, was ihn passend für die Herstellung eines Referenzmaterialkandidaten macht. Die entstandenen Dispersionen wurden mit der dynamischen und elektrophoretischen Lichtstreuung untersucht. Die Dispersion von PP-Partikeln ergab einen mittleren hydrodynamischen Durchmesser Dh = 180.5 ± 5.8 nm mit einem PDI = 0.08 ± 0.02 und einem Zetapotential ζ = −43.0 ± 2.0 mV. Bei den PE-Partikeln wurde ein Durchmesser Dh = 344.5 ± 34.6 nm, mit einem PDI = 0.39 ± 0.04 und einem Zetapotential von ζ = −40.0 ± 4.2 mV gemessen. Damit handelt es sich bei beiden Dispersionen um Nanoplastik, da die Partikel < 1000 nm sind. Des Weiteren wurde das Ausgangsmaterial dieser Polyolefinpartikel mit einem Goldsalz versetzt und damit die Nanoplastikherstellung wiederholt, um mit Gold dotierte Nanoplastikpartikel zu erhalten, die die Detektion der Partikel vereinfachen sollen.
Neben dem Top-down Ansatz wurde für das PLA eine Bottom-up Methode gewählt (Abschnitt 3.2). Hierbei wurde das Polymer in THF zunächst gelöst und mit einem Tensid stabilisiert. Dann wurde Wasser hinzugegeben und das THF verdampft, sodass eine wässrige PLADispersion übrig blieb. Auch dieses Experiment wurde mithilfe der dynamischen Lichtstreuung untersucht und führte bei Wiederholung zu reproduzierbaren Ergebnissen von einem mittleren hydrodynamischen Durchmesser von Dh = 89.2 ± 3.0 nm. Da durch die Herstellungsweise die Massenkonzentration von PLA in der Dispersion bekannt ist, wurde für diese Proben ein Python Notebook getestet, das die Zahlen- und Massenkonzentration von Nano(plastik)partikeln mithilfe der MALS-Ergebnisse errechnen soll. Ähnlich wie für das in Abschnitt 3.1 hergestellte Plastik wurde auch hier Gold in den Partikel eingearbeitet, was durch die Zugabe einer Dispersion von Goldclustern mit einem Durchmesser von D = 1.15 nm in einer ionischen Flüssigkeit (IL) im Herstellungsprozess gelang. Dabei stellte die Herstellung der Goldcluster in der ionischen Flüssigkeit 1-Ethyl-3-methylimidazolium-dicyanamid ([Emim][DCA]) die erstmalige Verwendung einer IL sowohl als Reduktionsmittel für Gold als auch als Lösungsmittel für die Goldcluster dar. Während der Synthese der PLA-Partikel wurden zwei unterschiedliche Volumina der Goldcluster-Dispersion hinzugefügt. Die Zugabe von Goldclustern führt zu wesentlich größeren Partikeln. Das nanoPLA mit 0.8% Au hat einen Durchmesser von Dh = 198.0 ± 10.8 nm und das nanoPLA mit 4.9% Au hat einen Durchmesser von Dh = 259.1 ± 23.7 nm. Dabei zeigen erste Untersuchungen mittels TEM-Bildgebung, dass die nanoPLA-Partikel Hohlkugeln bilden, wenn Goldcluster hinzugefügt werden. Jedoch ist der Mechanismus, der zu diesen Strukturen führt, noch unklar.
10.25932/publishup-61710
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-617102
online registration
publish
Dissertation, Universität Potsdam, 2023
VN 5927, VE 9857, UV 2400
CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Jana Hildebrandt
eng
uncontrolled
nanoplastic
deu
uncontrolled
Nanoplastik
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uncontrolled
Rerenzmaterial
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uncontrolled
reference material
eng
uncontrolled
polyolefin
deu
uncontrolled
Polyolefin
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uncontrolled
Polymilchsäure
eng
uncontrolled
Poly(lactic acid)
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/61710/hildebrandt_diss.pdf
40819
2018
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2018
eng
xxviii, 107
doctoralthesis
1
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2018-02-21
Reprogrammable, magnetically controlled polymer actuators
Reprogrammierbar, magnetisch gesteuerte Polymeraktuatoren
Polymeric materials, which can perform reversible shape changes after programming, in response to a thermal or electrical stimulation, can serve as (soft) actuating components in devices like artificial muscles, photonics, robotics or sensors. Such polymeric actuators can be realized with hydrogels, liquid crystalline elastomers, electro-active polymers or shape-memory polymers by controlling with stumuli such as heat, light, electrostatic or magnetic field. If the application conditions do not allow the direct heating or electric stimulation of these smart devices, noncontact triggering will be required. Remotely controlled actuation have been reported for liquid crystalline elastomer composites or shape-memory polymer network composites, when a persistent external stress is applied during inductive heating in an alternating magnetic field. However such composites cannot meet the demands of applications requiring remotely controlled free-standing motions of the actuating components.
The current thesis investigates, whether a reprogrammable remotely controlled soft actuator can be realized by magneto-sensitive multiphase shape-memory copolymer network composites containing magnetite nanoparticles as magneto-sensitive multivalent netpoints. A central hypothesis was that a magnetically controlled two-way (reversible bidirectional) shape-memory effect in such nanocomposites can be achieved without application of external stress (freestanding), when the required orientation of the crystallizable actuation domains (ADs) can be ensured by an internal skeleton like structure formed by a second crystallizable phase determing the samples´s geometry, while magneto-sensitive iron oxide nanoparticles covalently integrated in the ADs allow remote temperature control. The polymer matrix of these composites should exhibit a phase-segregated morphology mainly composed of cyrstallizable ADs, whereby a second set of higher melting crystallites can take a skeleton like, geometry determining function (geometry determining domains, GDs) after programming of the composite and in this way the orientation of the ADs is established and maintained during actuation. The working principle for the reversible bidirectional movements in the multiphase shape-memory polymer network composite is related to a melting-induced contraction (MIC) during inductive heating and the crystallization induced elongation (CIE) of the oriented ADs during cooling. Finally, the amount of multivalent magnetosensitive netpoints in such a material should be as low as possible to ensure an adequate overall elasticity of the nanocomposite and at the same time a complete melting of both ADs and GDs via inductive heating, which is mandatory for enabling reprogrammability.
At first, surface decorated iron oxide nanoparticles were synthesized and investigated. The coprecipitation method was applied to synthesize magnetic nanoparticles (mNPs) based on magnetite with size of 12±3 nm and in a next step a ring-opening polymerization (ROP) was utilized for covalent surface modification of such mNPs with oligo(ϵ-caprolactone) (OCL) or oligo(ω-pentadecalactone) (OPDL) via the “grafting from” approach. A successful coating of mNPs with OCL and OPDL was confirmed by differential scanning calorimetry (DSC) experiments showing melting peaks at 52±1 °C for mNP-OCL and 89±1 °C for mNP-OPDL. It was further explored whether two-layered surface decorated mNPs, can be prepared via a second surface-initiated ROP of mNP-OCL or mNP-OPDL with ω-pentadecalactone or ϵ-caprolactone. The observation of two distinct melting transitions in DSC experiments as well as the increase in molecular weight of the detached coatings determined by GPC and 1H-NMR indicated a successful synthesis of the twolayered nanoparticles mNP-OCL-OPDL and mNP-OPDL-OCL. In contrast TEM micrographs revealed a reduction of the thickness of the polymeric coating on the nanoparticles after the second ROP, indicating that the applied synthesis and purification required further optimization.
For evaluating the impact of the dispersion of mNPs within a polymer matrix on the resulting inductive heating capability of composites, plain mNPs as well as OCL coated magnetite nanoparticles (mNP-OCLs) were physically incorporated into crosslinked poly(ε-caprolactone) (PCL) networks. Inductive heating experiments were performed with both networks cPCL/mNP and cPCL/mNP-OCL in an alternating magnetic field (AMF) with a magnetic field strength of H = 30 kA·m-1. Here a bulk temperature of Tbulk = 74±2 °C was achieved for cPCL/mNP-OCL, which was almost 20 °C higher than the melting transition of the PCL-based polymer matrix. In contrast, the composite with plain mNPs could only reach a Tbulk of 48±2 °C, which is not sufficient for a complete melting of all PCL crystallites as required for actuation.
The inductive heating capability of a multiphase copolymer nanocomposite network (designed as soft actuators) containing surface decorated mNPs as covalent netpoints was investigated. Such composite was synthesized from star-shaped OCL and OPDL precursors, as well as mNP-OCLs via reaction with HDI. The weight ratio of OPDL and OCL in the starting reaction mixture was 15/85 (wt%/wt%) and the amount of iron oxide in the nanocomposite was 4 wt%. DSC experiments revealed two well separated melting and crystallization peaks confirming the required phase-segregated morphology in the nanocomposite NC-mNP-OCL. TEM images could illustrate a phase-segregated morphology of the polymer matrix on the microlevel with droplet shaped regions attributed to the OPDL domains dispersed in an OCL matrix. The TEM images could further demonstrate that the nanoparticulate netpoints in NC-mNP-OCL were almost homogeneously dispersed within the OCL domains. The tests of the inductive heating capability of the nanocomposites at a magnetic field strength of Hhigh = 11.2 kA·m-1 revealed a achievable plateau surface temperature of Tsurf = 57±1 °C for NC-mNP-OCL recorded by an infrared video camera. An effective heat generation constant (̅P) can be derived from a multi-scale model for the heat generation, which is proportional to the rate of heat generation per unit volume of the sample. NC-mNP-OCL with homogeneously dispersed mNP-OCLs exhibited a ̅P value of 1.04±0.01 K·s- 1 at Hhigh, while at Hreset = 30.0 kA·m-1 a Tsurf of 88±1 °C (where all OPDL related crystallite are molten) and a ̅P value of 1.93±0.02 K·s-1 was obtained indicating a high magnetic heating capability of the composite.
The free-standing magnetically-controlled reversible shape-memory effect (mrSME) was explored with originally straight nanocomposite samples programmed by bending to an angle of 180°. By switching the magnetic field on and off the composite sample was allowed to repetitively heat to 60 °C and cool to the ambient temperature. A pronounced mrSME, characterized by changes in bending angle of Δϐrev = 20±3° could be obtained for a composite sample programmed by bending when a magnetic field strength of Hhigh = 11.2 kA·m-1 was applied in a multi-cyclic magnetic bending experiment with 600 heating-cooling cycles it could be shown that the actuation performance did not change with increasing number of test cycles, demonstrating the accuracy and reproducibility of this soft actuator. The degree of actuation as well as the kinetics of the shape changes during heating could be tuned by variation of the magnetic filed strength between Hlow and Hhigh or the magnetic field exposure time. When Hreset = 30.0 kA·m-1 was applied the programmed geometry was erased and the composite sample returned to it´s originally straight shape. The reprogrammability of the nanocomposite actuators was demonstrated by one and the same test specimen first exhibiting reversible angle changes when programmed by bending, secondly reprogrammed to a concertina, which expands upon inductive heating and contracts during cooling and finally reprogrammed to a clip like shape, which closes during cooling and opens when Hhigh was applied. In a next step the applicability of the presented remote controllable shape-memory polymer actuators was demonstrated by repetitive opening and closing of a multiring device prepared from NC-mNP-OCL, which repetitively opens and closes when a alternating magnetic field (Hhigh = 11.2 kA·m-1) was switched on and off.
For investigation of the micro- and nanostructural changes related to the actuation of the developed nanocomposite, AFM and WAXS experiments were conducted with programmed nanocomposite samples under cyclic heating and cooling between 25 °C and 60 °C. In AFM experiments the change in the distance (D) between representative droplet-like structures related to the OPDL geometry determining domains was used to calculate the reversible change in D. Here Drev = 3.5±1% was found for NC-mNP-OCL which was in good agreement with the results of the magneto-mechanical actuation experiments. Finally, the analysis of azimuthal (radial) WAXS scattering profiles could support the oriented crystallization of the OCL actuation domains at 25 °C.
In conclusion, the results of this work successfully demonstrated that shape-memory polymer nanocomposites, containing mNPs as magneto-sensitive multifunctional netpoints in a covalently crosslinked multiphase polymer matrix, exhibit magnetically (remotely) controlled actuations upon repetitive exposure to an alternating magnetic field. Furthermore, the (shape) memory of such a nanocomposite can be erased by exposing it to temperatures above the melting temperature of the geometry forming domains, which allows a reprogramming of the actuator. These findings would be relevant for designing novel reprogrammable remotely controllable soft polymeric actuators.
Polymere Materialien, die nach ihrer Programmierung reversible Formänderungen infolge einer thermischen oder elektrischen Stimulation ausführen, können als Aktuatoren in künstlichen Muskeln, sowie Bauteilen in den Bereichen Photonik, Robotik oder Sensorik dienen. Derartige Aktuatormaterialien können mit Hydrogelen, flüssigkristallinen Elastomeren, elektroaktiven Polymeren oder Formgedächtnispolymeren realisiert werden. Wenn die Anwendungsbedingungen eine direkte Erwärmung oder elektrische Stimulation dieser intelligenten Bauteile nicht zulassen, ist eine kontaktlose Aktivierung erforderlich. Eine ferngesteuerte Aktivierung der Aktuatoren wurde für Komposite aus flüssigkristallinen Elastomeren oder Formgedächtnispolymernetzwerken beschrieben, wenn eine anhaltende externe Spannung während der induktiven Erwärmung in einem magnetischen Wechselfeld angewendet wird. Solche Verbundwerkstoffe können jedoch nicht den Anforderungen von Anwendungen entsprechen, die ferngesteuerte freistehende Bewegungen der Aktuatorkomponenten erfordern.
Die vorliegende Arbeit untersucht, ob fernsteuerbare Aktuatoren, deren Geometrie umprogrammierbar ist, über magneto-sensitive Multiphasen-Formgedächtnis-Copolymernetzwerk-Komposite, die Eisenoxid-Nanopartikel als magneto-sensitive, multivalente Netzpunkte enthalten, hergestellt werden können.
Eine zentrale Hypothese besteht darin, dass ein magnetisch ferngesteuerter (reversibler bidirektionaler) Formgedächtniseffekt bei derartigen Nanokompositen ohne das Anlegen einer äußeren Spannung/Kraft (freistehend) erreicht werden kann, wenn die erforderliche Orientierung der kristallisierbaren Aktuatordomänen (AD) durch eine innere skelettartige Struktur, die durch eine zweite kristallisierbare Phase ausgebildet wird und die Geometrie der Probe bestimmt, sichergestellt werden kann, während die kovalent integrierten, magneto-sensitiven Eisenoxid-Nanopartikel, die kovalent in die ADs integriert sind, als Sensoren für das kontaktlose Aufheizen im Magnetfeld fungieren. Die Polymermatrix dieser Komposite sollte eine phasen-segregierte Morphologie aufweisen, die überwiegend aus kyrstallierbaren AD besteht, wobei zusätzliche andere, höher schmelzende Kristallite nach der Programmierung der Komposite eine skelettartige, geometriebestimmende Gerüststruktur ausbilden (Geometrie bestimmende Domänen, GD), die auf diese Weise die Orientierung der AD während der Aktuation sicherstellen. Das Arbeitsprinzip für die reversiblen bidirektionalen Bewegungen im Multiphasen-Formgedächtnis-PolymerNetzwerk Komposit beruht auf einer schmelzinduzierte Kontraktion (MIC) der orientierten ADs während der induktiven Erwärmung und deren kristallisationsinduzierten Ausdehnung (CIE) während des Abkühlens. Schließlich sollte die Menge an mehrwertigen magneto-empfindlichen Netzpunkten in solch einem Material so gering wie möglich sein, um eine ausreichende Gesamtelastizität des Nanokomposits zu gewährleisten und gleichzeitig ein vollständiges Schmelzen von ADs und GDs durch induktive Erwärmung ermöglichen, die erforderlich ist für die Reprogrammierung des Aktuators.Zunächst wurden oberflächenmodifizierte Eisenoxid-Nanopartikel synthetisiert und untersucht. Das Co-Präzipitationsverfahren wurde angewandt, um mNP auf der Basis von Magnetit mit einer Größe von 12±3 nm zu synthetisieren. In einem nächsten Schritt wurde eine Ringöffnungspolymerisation (ROP) zur kovalenten Oberflächenmodifizierung solcher mNP mit oligo(ε-Caprolacton) (OCL) oder oligo(ω-Pentadecalacton) (OPDL) über den "grafted from" Ansatz durchgeführt. Eine erfolgreiche Beschichtung von mNP mit OCL und OPDL konnte anhand von zwei Schmelzpeaks bei 52±1 °C (mNP-OCL) und 89±1 °C für mNP-OPDL in DSCExperimenten bestätigt werden. Es wurde weiter untersucht, ob mit einer zweiten oberflächeninitiierten ROP aus mNP-OCL oder mNP-OPDL durch Umsetzung mit ω-Pentadecalacton oder ε-Caprolacton zweischichtig oberflächenmodifizierte mNPs hergestellt werden können. Die Beobachtung von zwei unterschiedlichen Schmelzübergängen in DSCAufheizkurven sowie die mittels Gelpermeationschromatographie und 1H-NMR bestimmte Molekulargewichtszunahme der abgelösten oligomeren Beschichtungen bestätigten eine erfolgreiche Synthese der zweischichtig modifizierten Nanopartikel (mNP-OCL-OPDL und mNPOPDL-OCL). Im Gegensatz dazu zeigten TEM-Aufnahmen eine Reduktion der Dicke der Polymerbeschichtung auf den Nanopartikeln nach der zweiten ROP. Dies deutet darauf hin, dass die angewandte Synthese und Aufreinigung eine weitere Optimierung bedarf.
Zur Untersuchung des Einflusses der Verteilung der mNP in einer Polymermatrix auf das magnetische Aufheizverhalten der Komposite wurden sowohl mNP als auch OCL-beschichtete Magnetit-Nanopartikel (mNP-OCL) physikalisch in vernetzte Poly(ε-caprolacton) Netzwerke eingearbeitet. In einem magnetischen Wechselfeld (AMF) mit einer magnetischen Feldstärke von H = 30 kA·m-1 wurden induktive Aufheizexperimente mit beiden Kompositmaterialien cPCL/mNP und cPCL/mNP-OCL durchgeführt. Dabei wurde für cPCL/mNP-OCL eine Massetemperatur von Tbulk = 74±2 °C erreicht, die um fast 20 °C höher lag als der ix Schmelzübergang der PCL-basierten Polymermatrix. Im Gegensatz dazu konnte für das Komposit mit einfachen mNP nur eine Tbulk von 48±2 °C erreicht werden, was für ein vollständiges Schmelzen aller PCL-Kristallite nicht ausreichend ist, wie es für eine kontaklose Schaltung des Formgedächtniseffektes erforderlich wäre.
Als nächstes wurden multiphasige Nanokompositnetzwerke hergestellt, die oberflächenmodifizierte mNP als kovalente Netzpunkte enthalten. Diese Komposite wurden aus sternförmigen OCL und OPDL Precursoren, mNP-OCL durch Reaktion mit HDI synthetisiert. Das Gewichtsverhältnis von OPDL und OCL in der Reaktionsmischung betrug 15/85, und die Menge an Eisenoxid in den Nanokompositen entsprach 4 wt%. DSC-Experimente zeigten je zwei gut getrennte Schmelz- und Kristallisationspeaks, die die erforderliche phasen-segregierte Morphologie in den Nanokompositen NC-mNP-OCL bestätigten. TEM-Aufnahmen zeigten ebenfalls eine phasen-separierte Morphologie der Polymermatrix auf der Mikroebene mit tröpfchenförmigen Bereichen, die den in der OCL-Matrix dispergierten OPDL-Domänen zugeordnet werden können. Die Untersuchungen zum induktiven Aufheizverhalten der Nanokomposite bei einer Magnetfeldstärke von Hhigh = 11.2 kA·m-1 ergaben eine Oberflächen-Plateautemperatur von Tsurf = 57±1 °C. Eine effektive Wärmeerzeugungskonstante ̅P kann aus einem kinetischen Monte Carlo-Modellansatz abgeleitet werden, diese ist proportional zur Rate der Wärmeerzeugung pro Volumeneinheit der Probe. Für das untersuchte Nanokomposit betrug ̅P = 1.04±0.01 K·s-1 bei Hhigh, wohingegen bei einer Magnetfeldstärke von Hreset = 30.0 kA·m-1 eine Oberflächentemperatur von Tsurf = 88±1 °C erreicht wurde, bei der alle OPDL Kristallite aufgeschmolzen sind und der ̅P-Wert 1.93±0.02 K·s-1 betrug, welches ein gutes magnetische Aufheizverhalten charakterisiert.
Der freistehende magnetisch gesteuerte reversible Formgedächtniseffekt (mrSME) wurde mit Nanokompositstreifen untersucht, der durch Biegen auf einen Winkel von 180° programmiert wurden. Durch Anwendung eines Magnetfeldes von Hhigh = 11.2 kA·m-1 wurden die Komposite auf ca. 60 °C aufgeheizt (erforderlich für das vollständige Aufschmelzen von OCL-Kristallen), und durch Ausschalten des Magnetfeldes (H0 = 0 kA·m-1) auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Ein ausgeprägter mrSME konnte für eine durch Biegen programmierten Probe beobachtetet werden, mit Änderungen im Biegewinkel von Δϐrev = 20±3°. In einem mehrzyklischen magnetischen Biegeversuch mit 600 Heiz/Kühlzyklen konnte gezeigt werden, dass sich die Aktuations-Performance mit zunehmender Anzahl an Prüfzyklen nicht verändert, was die Zuverlässigkeit dieses Soft-Aktuators dokumentiert. Der Grad der Auslenkung (Winkeländerung) während der Aktuation sowie die Kinetik der Formänderung während des Erhitzens können durch Variation der magnetischen Feldstärke zwischen Hlow = 10.0 kA·m-1 und Hhigh sowie Einwirkzeit des Magnetfelds eingestellt werden. Nach Anwendung von Hreset = 30.0 kA·m-1 wird die programmierte Geometrie gelöscht und die nimmt wieder ihre ursprünglich gerade Form ein. Die Reprogrammierbarkeit der Nanokomposit-Aktuatoren wurde am Beispiel ein und desselben Probekörpers demonstriert, der nach Programmierung durch Biegen zunächst eine reversible Winkeländerungen bei Aktivierung vollführt, anschließend zu einer Ziehharmonika umprogrammiert wurde, die sich bei induktiver Erwärmung zusammenzieht und bei Kühlung auf Raumtemperatur ausdehnt und abschließend zu einer clipartigen Form umprogrammiert wurde, welche sich bei induktiver Erwärmung im Magnetfeld schließt und beim Kühlen wieder öffnet. In einem nächsten Schritt wurde die grundsätzliche Anwendbarkeit der vorgestellten fernsteuerbaren Formgedächtnispolymer-Aktuatoren am Beispiel des wiederholten Öffnens und Schließens einer aus NC-mNP-OCL hergestellten Multiringvorrichtung demonstriert. Dieser Demonstrator öffnet und schließt sich, wenn ein Magnetfeld von (Hhigh = 11.2 kA·m-1) wiederholend ein- und ausgeschaltet wird.
Zur Untersuchung der mikro- und nanostruturellen Veränderungen im Zusammenhang mit der Aktuation der entwickelten Nanokomposite wurden AFM- und WAXS-Experimente an programmierten Nanokompositproben unter zyklischen Erwärmen und Kühlen von 25 °C auf 60 °C durchgeführt. In AFM-Experimenten wurde die Änderung des Abstands (D) zwischen repräsentativen tröpfchenartigen OPDL-Strukturen (GD) verwendet, um die reversible Änderung in D zu berechnen. Hierbei wurde Drev = 3.5±1% für NC-mNP-OCL gefunden, die mit den Ergebnissen der magneto-mechanischen Experimente gut übereinstimmen. Schließlich konnte die Analyse der azimutalen (radialen) WAXS-Streuprofile die orientierte Kristallisation der OCLAktuatordomänen bei abkühlen von 60 °C auf 25 °C zeigen.
Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass Formgedächtnispolymer-Nanokomposite, die mNP als magneto-sensitive multifunktionelle Netzpunkte in einer kovalent vernetzten Multiphasen-Polymermatrix enthalten, eine ferngesteuerte, freistehende Aktuation bei wiederholter Exposition in einem magnetischen Wechselfeld aufweisen. Ferner kann der Formspeicher der Nanokomposite gelöscht werden, indem diese Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur der geometriebestimmenden Domänen (OPDL) ausgesetzt werden, was eine Neuprogrammierung der Aktuatoren in beliebige andere Formen ermöglicht. Die Ergebnisse dieser Arbeit könnten für die Konstruktion neuartiger, umprogrammierbarer und fernsteuerbarer Polymer-Aktuatoren relevant sein.
online registration
Dissertation, Universität Potsdam, 2018
Li Wang
eng
uncontrolled
materials science
eng
uncontrolled
actuator
eng
uncontrolled
magnetic nanoparticles
eng
uncontrolled
shape-memory polymer
eng
uncontrolled
nanocomposite
deu
uncontrolled
Aktuator
deu
uncontrolled
magnetische Nanopartikel
deu
uncontrolled
Formgedächtnispolymer
deu
uncontrolled
Nanokomposite
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
55160
2022
2022
eng
XII, 108, xxiii
doctoralthesis
1
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2022-05-10
Core-shell upconversion nanoparticles - investigation of dopant intermixing and surface modification
Kern-Schale Aufkonvertierende Nanopartikel — eine Untersuchung der Dotandenvermischung und Oberflächenmodifikation
Frequency upconversion nanoparticles (UCNPs) are inorganic nanocrystals capable to up-convert incident photons of the near-infrared electromagnetic spectrum (NIR) into higher energy photons. These photons are re-emitted in the range of the visible (Vis) and even ultraviolet (UV) light. The frequency upconversion process (UC) is realized with nanocrystals doped with trivalent lanthanoid ions (Ln(III)). The Ln(III) ions provide the electronic (excited) states forming a ladder-like electronic structure for the Ln(III) electrons in the nanocrystals. The absorption of at least two low energy photons by the nanoparticle and the subsequent energy transfer to one Ln(III) ion leads to the promotion of one Ln(III) electron into higher excited electronic states. One high energy photon will be emitted during the radiative relaxation of the electron in the excited state back into the electronic ground state of the Ln(III) ion. The excited state electron is the result of the previous absorption of at least two low energy photons.
The UC process is very interesting in the biological/medical context. Biological samples (like organic tissue, blood, urine, and stool) absorb high-energy photons (UV and blue light) more strongly than low-energy photons (red and NIR light). Thanks to a naturally occurring optical window, NIR light can penetrate deeper than UV light into biological samples. Hence, UCNPs in bio-samples can be excited by NIR light. This possibility opens a pathway for in vitro as well as in vivo applications, like optical imaging by cell labeling or staining of specific organic tissue. Furthermore, early detection and diagnosis of diseases by predictive and diagnostic biomarkers can be realized with bio-recognition elements being labeled to the UCNPs. Additionally, "theranostic" becomes possible, in which the identification and the treatment of a disease are tackled simultaneously.
For this to succeed, certain parameters for the UCNPs must be met: high upconversion efficiency, high photoluminescence quantum yield, dispersibility, and dispersion stability in aqueous media, as well as availability of functional groups to introduce fast and easy bio-recognition elements. The UCNPs used in this work were prepared with a solvothermal decomposition synthesis yielding in particles with NaYF4 or NaGdF4 as host lattice. They have been doped with the Ln(III) ions Yb3+ and Er3+, which is only one possible upconversion pair. Their upconversion efficiency and photoluminescence quantum yield were improved by adding a passivating shell to reduce surface quenching.
However, the brightness of core-shell UCNPs stays behind the expectations compared to their bulk material (being at least μm-sized particles). The core-shell structures are not clearly separated from each other, which is a topic in literature. Instead, there is a transition layer between the core and the shell structure, which relates to the migration of the dopants within the host lattice during the synthesis. The ion migration has been examined by time-resolved laser spectroscopy and the interlanthanoid resonance energy transfer (LRET) in the two different host lattices from above. The results are
presented in two publications, which dealt with core-shell-shell structured nanoparticles. The core is doped with the LRET-acceptor (either Nd3+ or Pr3+). The intermediate shell serves as an insulation shell of pure host lattice material, whose shell thickness has been varied within one set of samples having the same composition, so that the spatial separation of LRET-acceptor and -donor changes. The outer shell with the same host lattice is doped with the LRET-donor (Eu3+). The effect of the increasing insulation shell thickness is significant, although the LRET cannot be suppressed completely.
Next to the Ln(III) migration within a host lattice, various phase transfer reactions were investigated in order to subsequently perform surface modifications for bioapplications. One result out of this research has been published using a promising ligand, that equips the UCNP with bio-modifiable groups and has good potential for bio-medical applications. This particular ligand mimics natural occurring mechanisms of mussel protein adhesion and of blood coagulation, which is why the UCNPs are encapsulated very effectively. At the same time, bio-functional groups are introduced. In a proof-of-concept, the encapsulated UCNP has been coupled successfully with a dye (which is representative for a biomarker) and the system’s photoluminescence properties have been investigated.
Frequenzaufkonvertierende Nanopartikel (UCNP) sind anorganische Nanokristalle. Sie können einfallende Photonen des nah-infraroten elektromagnetischen Spektrums (NIR) in höher energetische Photonen im Bereich des sichtbaren Lichtes und sogar des ultravioletten Lichtes (UV) umwandeln und wieder emittieren. Dieser Frequenzaufkonversionsprozess (UC) basiert auf Nanokristallen, die mit dreiwertigen Lanthanoid-Ionen (Ln(III)) dotiert sind. Die elektronisch angeregten Zustände der Ln(III)-Ionen stehen zur Verfügung, mit deren Hilfe Elektronen über eine leiterartige elektronische Struktur der elektronischen Zustände der Ln(III)-Ionen in höher angeregte Zustände gelangen können. Zuvor müssen mindestens zwei niederenergetische Photonen vom Nanopartikel absorbiert werden. Die absorbierte Energie muss über einen oder mehrere Energieübertragungen das gleiche Ln(III)-Ion erreichen um beim strahlenden Relaxieren des Elektrones im angeregten Zustand zurück in den elektronischen Grundzustand des Ln(III)-Ions ein höherenergetisches Photon zu emittieren.
Der Frequenzaufkonversionsprozess ist sehr interessant für die Anwendung im biologisch/medizinischen Bereich. Biologische Proben (z.B. organisches Gewebe, Blut, Urin und Stuhl) absorbieren höherenergetische Photonen (UV) stärker als niederenergetische Photonen (NIR). Dank eines natürlich vorkommenden optischen Fensters in biologischen Proben kann NIR-Licht tiefer als UV-Licht eindringen, sodass die UCNPs in biologischen Proben mit NIR-Licht angeregt werden können. Dies ermöglicht in vitro als auch in vivo Anwendungen, z.B. für die optische Bildgebung durch Markieren von Zellen oder durch Einfärben von bestimmten Bereichen organischer Gewebe. Frühzeitige Erkennung von Krankheiten kann durch prädiktive und diagnostisch geeignete Biomarker, die mit Erkennungselementen an den UCNPs detektiert werden, realisiert werden. Demnach ist „Theranostic“ ein mögliches Szenario, das die Identifikation und die gleichzeitige Behandlung einer Krankheit ermöglichen könnte.
Um diese Vision zu realisieren, müssen die UCNPs bestimmte Parameter erfüllen: Eine hohe Aufkonversionseffizienz, eine hohe Photolumineszenzquantenausbeute, eine gute Dispergierbarkeit und Stabilität der Dispersion in wässrigen Medien, sowie die Verfügbarkeit von funktionellen Gruppen, um schnell und einfach biologische Erkennungselemente daran zu koppeln. Die UCNPs dieser Arbeit wurden mit Hilfe einer solvothermalen Zersetzungsreaktion durchgeführt. Die Nanopartikel bestanden aus unterschiedlichen Wirtsgittern, entweder aus NaYF4 oder NaGdF4. Die Wirtsgitter wurden mit den Ln(III)-Ionen Yb3+ und Er3+ dotiert. Die Aufkonversionseffizienz, somit auch deren Quantenausbeute, konnte mit einer passivierenden Schale verbessert werden.
Dennoch leuchten die Kern-Schale-UCNPs schlechter als es im Vergleich mit μm-großen Partikeln zu erwarten wäre. Die Kern-Schale-Strukturen gehen ineinander über und sind nicht klar voneinander getrennt. Zwischen dem Kern und der Schale existiert eine Übergangsregion, die mit der Wanderung der Ionen des Wirtsgitters und den dotierten Ln(III)-Ionen einhergeht. Diese Beobachtung wird auch in der Literatur diskutiert. Die Ionenwanderung wurde mit Hilfe von zeitaufgelöster Laserspektroskopie und dem Interlanthanoidenergietransfer (LRET) in den beiden erwähnten Wirtsgittern untersucht. Die Ergebnisse sind in zwei Publikationen veröffentlicht, die auf Kern-Schale-Schale-Strukturen basieren. Der Kern ist mit dem LRET-Akzeptor dotiert (Nd3+ oder Pr3+). Die Zwischenschale besteht aus dem gleichen Wirtsgitter ohne Dotierstoffe und dient als Isolationsschale, deren Schalendicke innerhalb einer Experimentierreihe variiert wurde, um eine räumliche Trennung von LRET-Akzeptor und -Donor zu schaffen. Die äußere Schale, aus dem gleichen Wirtsgitter, ist mit dem LRET-donor (Eu3+) dotiert. Der Effekt der wachsenden Isolationsschalendicke ist signifikant. Aber es ist nicht möglich gewesen, den Energietransfer vom Donor auf den Akzeptor komplett zu unterbinden.
Neben der Untersuchung der Wanderung von Ln(III)-Ionen in einem Wirtsgitter wurden verschiedene Phasentransferreaktionen durchgeführt, um anschließende Oberflächenmodifikationen anzuwenden, damit die Anwendungen der UCNPs im biologischen Kontext prinzipiell demonstriert werden kann. Ein Ergebnis mit einem sehr vielversprechenden Liganden für die bio-medizinische Anwendung wurde in einer Publikation veröffentlicht. Dieser Ligand imitiert natürliche Mechanismen von Muschelproteinen und von Blutkoagulation, sodass die untersuchten Nanopartikel sehr effektiv eingekapselt werden. Gleichzeitig sind funktionelle Gruppen zur Bio-Funktionalisierung vorhanden. In einer Machbarkeitsstudie wurde der eingekapselte UCNP erfolgreich mit einem Farbstoff (der durch einen Biomarker ersetzt werden kann) gekoppelt und die Photolumineszenzeigenschaften des Systems untersucht.
10.25932/publishup-55160
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-551607
online registration
publish
Dissertation, Universität Potsdam, 2022
VE 9857, VE 5070
Keine öffentliche Lizenz: Unter Urheberrechtsschutz
Philipp U. Bastian
eng
uncontrolled
upconversion
deu
uncontrolled
Aufkonversion
deu
uncontrolled
Nanopartikel
eng
uncontrolled
nanoparticle
eng
uncontrolled
bio-modification
deu
uncontrolled
Biomodification
deu
uncontrolled
Ionenmigration
eng
uncontrolled
ion migration
eng
uncontrolled
surface modification
deu
uncontrolled
Oberflächenmodifizierung
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/55160/bastian_diss.pdf
55259
2022
2022
eng
VI, 144
doctoralthesis
1
--
--
2022-04-29
The early stages of halide perovskites thin film formation
Die frühen Stadien der Bildung von Halogenid-Perowskit-Dünnschichten
As climate change worsens, there is a growing urgency to promote renewable energies and improve their accessibility to society. Here, solar energy harvesting is of particular importance. Currently, metal halide perovskite (MHP) solar cells are indispensable in future solar energy generation research. MHPs are crystalline semiconductors increasingly relevant as low-cost, high-performance materials for optoelectronics. Their processing from solution at low temperature enables easy fabrication of thin film elements, encompassing solar cells and light-emitting diodes or photodetectors. Understanding the coordination chemistry of MHPs in their precursor solution would allow control over the thin film crystallization, the material properties and the final device performance.
In this work, we elaborate on the key parameters to manipulate the precursor solution with the long-term objective of enabling systematic process control. We focus on the nanostructural characterization of the initial arrangements of MHPs in the precursor solutions. Small-angle scattering is particularly well suited for measuring nanoparticles in solution. This technique proved to be valuable for the direct analyzes of perovskite precursor solutions in standard processing concentrations without causing radiation damage. We gain insights into the chemical nature of widely used precursor structures such as methylammonium lead iodide (MAPbI3), presenting first insights into the complex arrangements and interaction within this precursor state. Furthermore, we transfer the preceding results to other more complex perovskite precursors. The influence of compositional engineering is investigated using the addition of alkali cations as an example. As a result, we propose a detailed working mechanism on how the alkali cations suppress the formation of intermediate phases and improve the quality of the crystalline thin film. In addition, we investigate the crystallization process of a tin-based perovskite composition (FASnI3) under the influence of fluoride chemistry. We prove that the frequently used additive, tin fluoride (SnF2), selectively binds undesired oxidized tin (Sn(IV)) in the precursor solution. This prevents its incorporation into the actual crystal structure and thus reduces the defect density of the material. Furthermore, SnF2 leads to a more homogeneous crystal growth process, which results in improved crystal quality of the thin film material.
In total, this study provides a detailed characterization of the complex system of perovskite precursor chemistry. We thereby cover relevant parameters for future MHP solar cell process control, such as (I) the environmental impact based on concentration and temperature (II) the addition of counter ions to reduce the diffuse layer surrounding the precursor nanostructures and (III) the targeted use of additives to eliminate unwanted components selectively and to ensure a more homogeneous crystal growth.
Getrieben durch den Klimawandel wächst die Dringlichkeit erneuerbare Energien zu fördern und ihre Zugänglichkeit für die Gesellschaft zu verbessern. Solarenergie ist in dieser Hinsicht von besonderer Bedeutung. Derzeit sind Metallhalogenid-Perowskit-Solarzellen ein unverzichtbarer Bestandteil der Forschung an zukünftig klimaneutraler Energiegewinnung. Metallhalogenid-Perowskite (MHP) sind kristalline Halbleiter, die als kostengünstige und leistungsstarke Materialien für die Optoelektronik zunehmend an Bedeutung gewinnen. Ihre Verarbeitung aus Flüssigkeit bei niedriger Temperatur ermöglicht eine effiziente Herstellung von Dünnschichtelementen, zu denen nicht nur Solarzellen, sondern auch Leuchtdioden oder Photodetektoren zählen. Das Verständnis der Koordinationschemie in den Vorläuferlösungen der MHPs würde es daher ermöglichen, die Kristallisation der Dünnschichten, ihre Materialeigenschaften und die finale Leistung der entsprechenden Bauelemente zu kontrollieren. In dieser Arbeit werden die wichtigsten Parameter zur systematischen Beeinflussung der Vorläuferlösung ausgearbeitet, mit dem langfristigen Ziel eine systematische Prozesskontrolle zu ermöglichen.
Dabei liegt ein Schwerpunkt auf der Anwendung einer nanostrukturellen Technik zur Charakterisierung erster Anordnungen in der Perowskit-Vorläuferlösung. Die Kleinwinkelstreuung eignet sich besonders gut zur nanostrukturellen Charakterisierung von entsprechenden Teilchen bzw. Clustern in Lösung. Mit dieser Methodik können wir auf direktem Wege Perowskit-Vorläuferlösungen in üblichen Verarbeitungs-konzentrationen analysieren. Wir erhalten Einblicke in die chemische Beschaffenheit der Vorläuferstrukturen und untersuchen zudem verschiedene Perowskit-Zusammensetzungen. Strukturelle Erkenntnisse über die Vorstufe im allgemein bekanntestem MHP, Methylammoniumbleijodid (MAPbI3) werden präsentiert und im Folgenden auf komplexere Anwendungen übertragen. Weiterhin wird der Einfluss von Kompositionsvariation am Beispiel der Zugabe von Alkali-Kationen (K, Rb, Cs) untersucht. Es wird ein detaillierter Wirkmechanismus vorgestellt, der erklärt, wie Alkali-Kationen die Bildung von Zwischenphasen unterdrücken und zudem die Qualität der kristallinen Dünnschicht verbessern.
Unter Berücksichtigung vorangehender Ergebnisse, thematisiert diese Arbeit zudem den Kristallisationsprozess einer zinnbasierten Perowskit-Zusammensetzung (FASnI3) unter dem Einfluss von Fluoridchemie. Das häufig zugesetzte Additiv, Zinnfluorid (SnF2), bindet selektiv unerwünschtes, oxidiertes Sn(IV) bereits in der Vorläuferlösung. Dieses verhindert dessen Einbau in die eigentliche Kristallstruktur und verringert so die Defektdichte des Materials. Darüber hinaus führt SnF2 zu einem homogeneren Kristallwachstumsprozess, was eine bessere Kristallqualität des Dünnschichtmaterials und somit final eine bessere Solarzellenleistung zur Folge hat.
Insgesamt bietet diese Studie eine detaillierte Charakterisierung des komplexen Systems der Perowskit-Vorläuferchemie und liefert dabei notwendige Parameter, die für die zukünftige Prozesssteuerung von Relevanz sind.
10.25932/publishup-55259
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-552599
online registration
publish
Dissertation, Universität Potsdam, 2022
VE 9677, ZP 3730
CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Marion A. Flatken
eng
uncontrolled
perovskite solar cells
eng
uncontrolled
perovskite precursors
eng
uncontrolled
thin film crystallization
eng
uncontrolled
small-angle scattering
deu
uncontrolled
Perowskit Solarzellen
deu
uncontrolled
Perowskit Vorläuferstadien
deu
uncontrolled
Kristallisation von Dünnschichten
deu
uncontrolled
Kleinwinkelstreuung
open_access
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/55259/flatken_diss.pdf
53693
2021
2022
eng
vi, 148
doctoralthesis
1
--
--
2022-01-26
Controlled condensation to functional materials – synergetic effect of nitrogen content and pore structure
Kontrollierte Kondensation zu funktionellen Materialien - Synergetische Wirkung von Stickstoffgehalt und Porenstruktur
The development and optimization of carbonaceous materials is of great interest for several applications including gas sorption, electrochemical storage and conversion, or heterogeneous catalysis. In this thesis, the exploration and optimization of nitrogen containing carbonaceous materials by direct condensation of smart chosen, molecular precursors will be presented. As suggested with the concept of noble carbons, the choice of a stable, nitrogen-containing precursor will lead to an even more stable, nitrogen doped carbonaceous material with a controlled structure and electronic properties. Molecules fulfilling this requirement are for example nucleobases. The direct condensation of nucleobases leads to highly nitrogen containing carbonaceous materials without any further post or pretreatment. By using salt melt templating, pore structure adjustment is possible without the use of hazardous or toxic reagents and the template can be reused.
Using these simple tools, the synergetic effect of the pore structure and nitrogen content of the materials can be explored. Within this thesis, the influence of the condensation parameters will be correlated to the structure and performance of the materials. First, the influence of the condensation temperature to the porosity and nitrogen content of guanine will be discussed and the exploration of highly CO2 selective structural pores in C1N1 materials will be shown. Further tuning the pore structure of the materials by salt melt templating will be then explored, the potential of the prepared materials as heterogeneous catalysts and their basic catalytic strength will be correlated to their nitrogen content and pore morphology. A similar approach is used to explore the water sorption behavior of uric acid derived carbonaceous materials as potential sorbents for heat transformation applications. Changes in maximum water uptake and hydrophilicity of the prepared materials will be correlated to the nitrogen content and pore architecture. Due to the high thermal stability, porosity, and nitrogen content of ionic liquid derived nitrogen doped carbonaceous materials, a simple impregnation and calcination route can be conducted to obtain copper nano cluster decorated nitrogen-doped carbonaceous materials. The activity as catalyst for the oxygen reduction reaction of the obtained materials will be shown and structure performance relations are discussed.
In conclusion, the versatility of nitrogen doped carbonaceous materials with a nitrogen to carbon ratio of up to one will be shown. The possibility to tune the pore structure as well as the nitrogen content by using a simple procedure including salt melt templating as well as the use of molecular precursors and their effect on the performance will be discussed.
Die Entwicklung und Optimierung von kohlenstoffhaltigen Materialien ist von großem Interesse in vielen Anwendungsbereichen, darunter Gassorption, elektrochemische Speicherung und Umwandlung von Energie und in der heterogenen Katalyse. In dieser Arbeit wird die Erforschung und Optimierung von stickstoff‑ und kohlenstoffhaltigen Materialien durch direkte Kondensation ausgewählter, molekularer Ausgangsstoffe vorgestellt. Entsprechend dem Konzept der edlen Kohlenstoffe (noble carbons), führt die Kondensation eines stabilen, stickstoffhaltigen Ausgangsstoffes zu einem noch stabileren, stickstoffdotierten kohlenstoffhaltigen Material mit kontrollierter Struktur und elektronischen Eigenschaften. Moleküle, die diese Anforderung erfüllen, sind zum Beispiel Nukleobasen. Die direkte Kondensation von Nukleobasen führt ohne weitere Nach- oder Vorbehandlungen zu kohlenstoffhaltigen Materialien mit einem sehr hohen Stickstoffanteil. Durch die Verwendung des Salzschmelze-Template Verfahrens ist eine Anpassung der Porenstruktur ohne Verwendung gefährlicher oder toxischer Reagenzien möglich und die Templates können außerdem wiederverwendet werden.
Mit diesen einfachen Werkzeugen kann der synergetische Effekt der Porenstruktur und des Stickstoffgehalts der Materialien erforscht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Einfluss der Kondensationsparameter auf die Struktur und die Leistung der Materialien in Beziehung gesetzt. Zunächst wird der Einfluss der Kondensationstemperatur auf die Porosität und den Stickstoffgehalt von Guanin erörtert und die Erforschung von CO2-selektiven strukturellen Poren in C1N1-Materialien aufgezeigt. Das Potenzial der hergestellten Materialien als heterogener Katalysator und ihre katalytische Wirkung werden mit ihrem Stickstoffgehalt und ihrer Porenstruktur korreliert. Ein ähnlicher Ansatz wird verwendet, um das Wassersorptionsverhalten von aus Harnsäure hergestellten kohlenstoffhaltigen Materialien als potenzielle Sorptionsmittel für Wärmetransformationsanwendungen zu untersuchen. Die maximale Wasseraufnahme und Hydrophilie der hergestellten Materialien werden mit dem Stickstoffgehalt und der Porenarchitektur korreliert. Aufgrund der hohen thermischen Stabilität, der Porosität und des Stickstoffgehalts der mit ionischer Flüssigkeit hergestellten stickstoffdotierten kohlenstoffhaltigen Materialien können diese des Weiteren als Träger für Metalle dienen. Durch einfache Imprägnierung und Kalzinierung werden Kupfer‑Nanocluster dekorierte stickstoffhaltige Kohlenstoffmaterialen hergestellt und als Katalysator für die in Brennstoffzellen stattfindende Sauerstoff-Reduktionsreaktion genutzt.
Zusammenfassend wird die Vielseitigkeit von stickstoffdotierten kohlenstoffhaltigen Materialien mit einem Stickstoff-Kohlenstoff-Verhältnis von bis zu eins aufgezeigt. Es wird die Möglichkeit gezeigt, die Porenstruktur und den Stickstoffgehalt in einem einfachen Verfahren, einschließlich Salzschmelze‑Templating und die Verwendung von molekularen Ausgangsstoffen, zu beeinflussen und somit für gezielte Anwendungen zu variieren.
10.25932/publishup-53693
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-536935
online registration
publish
Dissertation, Universität Potsdam, 2021
VH 5070, VK 5070
Keine öffentliche Lizenz: Unter Urheberrechtsschutz
Janina Kossmann
eng
uncontrolled
CO2 capture
eng
uncontrolled
nitrogen containing carbonaceous materials
eng
uncontrolled
C1N1
eng
uncontrolled
heat transformation application
eng
uncontrolled
oxygen reduction reaction
eng
uncontrolled
salt melt templating
deu
uncontrolled
C1N1
deu
uncontrolled
CO2-Abscheidung
deu
uncontrolled
Wärmetransformationsanwendungen
deu
uncontrolled
Stickstoff‑ und Kohlenstoffhaltige Materialien
deu
uncontrolled
Sauerstoff-Reduktionsreaktion
deu
uncontrolled
Salzschmelze-Templating
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/53693/kossmann_diss.pdf
47566
2020
2020
eng
ix, 233
doctoralthesis
1
--
--
2020-06-17
Layer formation from perovskite nanoparticles with tunable optical and electronic properties
Hybrid organic-inorganic perovskites have attracted attention in recent years, caused by the incomparable increase in efficiency in energy convergence, which implies the application as an absorber material for solar cells. A disadvantage of these materials is, among others, the instability to moisture and UV-radiation. One possible solution for these problems is the reduction of the size towards the nano world. With that nanosized perovskites are showing superior stability in comparison to e.g. perovskite layers. Additionally to this the nanosize even enables stable perovskite structures, which could not be achieved otherwise at
room temperature.
This thesis is separated into two major parts. The separation is done by the composition and the band gap of the material and at the same time the shape and size of the nanoparticles. Here the division is made by the methylammonium lead tribromide nanoplatelets and the caesium lead triiodide nanocubes.
The first part is focusing on the hybrid organic-inorganic perovskite (methylammonium lead tribromide) nanoplatelets with a band gap of 2.35 eV and their thermal behaviour. Due to the challenging character of this material, several analysis methods are used to investigate the sub nano and nanostructures under the influence of temperature. As a result, a shift of phase-transition temperatures towards higher temperatures is observed. This unusual behaviour can be explained by the ligand, which is incorporated in the perovskite outer structure and adds phase-stability into the system.
The second part of this thesis is focusing on the inorganic caesium lead triiodide nanocubes with a band gap of 1.83 eV. These nanocrystals are first investigated and compared by TEM, XRD and other optical methods. Within these methods, a cuboid and orthorhombic structure are revealed instead of the in literature described cubic shape and structure. Furthermore, these cuboids are investigated towards their self-assembly on a substrate. Here a high degree in self-assembly is shown. As a next step, the ligands of the nanocuboids are exchanged against other ligands to increase the charge carrier mobility. This is further investigated by the above-mentioned methods. The last section is dealing with the enhancement of the CsPbI3 structure, by incorporating potassium in the crystal structure. The results are suggesting here an increase in stability.
Hybrid organisch-anorganisch Perowskite zeigten sich in den letzten Jahren, durch ihren unvergleichbaren Anstieg an Effizienz in der Energiekonversion, als herausragendes Material für die Anwendung als Solarzellen Absorbermaterial. Ein Nachteil dieser Materialien ist allerdings unteranderem ihre Instabilität gegenüber Feuchtigkeit und UV-Strahlung. Eine Möglichkeit, diese Herausforderungen zu meistern, bietet die Nanowelt. So zeigen Perowskitstrukturen in Nanogröße eine
dem Schichten überlegene Stabilität. Des Weiteren sind durch die Nanogröße auch Verbindungen bei Raumtemperatur stabil, die als Schicht oder Einkristall nicht darzustellen sind.
Diese Arbeit ist unterteilt in zwei Teile. Unterteilt nach Zusammensetzung, Bandlücke und Form der Nanopartikel, in Methylammonium Blei Tribromid Nanoplättchen und Cäsium Blei Triiodid Nanokuben.
Im ersten Teil werden hybrid organisch-anorganische Perowskite (Methylammonium Blei tribromid) Nanoplättchen mit einer Bandlücke von 2.35 eV auf ihr thermisches Verhalten untersucht. Aufgrund der herausfordernden Eigenschaften der Nanomaterialien, werden mehrere Analysemethoden verwendet und sowohl die Subnanostruktur als auch die Nanostruktur unter Veränderung der Temperatur beobachtet. Dabei wird ein Verschub der Phasenübergangstemperatur zu höheren Temperaturen beobachtet. Erklärt werden kann dieses ungewöhnliche Verhalten durch die Berücksichtigung des organischen Liganden der Nanoplättchen, welcher einen Einfluß auf den Phasenübergang hat.
Im zweiten Teil der Arbeit werden anorganische Perowskit (Cäsium Blei triodid) Nanokuben mit einer Bandlücke von 1.83 eV untersucht. Diese werden als Erstes mittels TEM, XRD und optischen Analysemethoden untersucht und verglichen. Als Resultat stellen sich die Kuben, als Quader einer orthorhombischen Phase heraus. Anschließend erfolgt eine Untersuchung der Selbstanordnung der Schichten auf einem Substrat, welche einen hohen Grad der Selbstanordnung zeigt. Um die Ladungsträgermobilität in den Schichten zu erhöhen, werden verschiedene Ligandenaustauschreaktionen durchgeführt und diese mittels der oben genannten Methoden untersucht. Dabei konnte ein Anstieg der Ladungsträgermobilität um das Sechsfache im Vergleich zur Literatur beobachtet werden. Im letzten Teil wird versucht die Stabilität der Nanokristalle, durch das Einbinden von Kalium in die Perowskitstruktur, zu erhöhen. Die hier vorliegenden Ergebnisse deuten eine Erhöhung der Stabilität an.
Schichtbildung von Perowskit Nanopartikeln mit einstellbaren optischen und elektronischen Eigenschaften
10.25932/publishup-47566
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-475667
online registration
Dissertation, Universität Potsdam, 2020
VE 9677
Keine öffentliche Lizenz: Unter Urheberrechtsschutz
Martin Kärgell
eng
uncontrolled
Perovskite
eng
uncontrolled
Nanoparticle
eng
uncontrolled
Quantumdots
deu
uncontrolled
Perowskit
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uncontrolled
Nanopartikel
deu
uncontrolled
Nanoplättchen
deu
uncontrolled
Quantenpunkte
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/47566/kaergell_diss.pdf
42714
2019
2019
deu
181
doctoralthesis
1
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2019-03-05
Europium als strukturelle Sonde zur Analyse neuartiger Materialien
Europium as a structural probe for the analysis of novel materials
Im Rahmen dieser Arbeit wird anhand von neuartigen Materialien das Potential der Europium-Lumineszenz für die strukturelle Analyse dargestellt. Bei diesen Materialien handelt es sich zum einen um Nanopartikel mit Matrizes aus mehreren Metall-Mischoxiden und Dotierungen durch die Sonde Europium und zum anderen um Metallorganische Netzwerke (MOFs), die mit Neodym , Samarium- und Europium-Ionen beladen sind.
Die Synthese der aus der Kombination von Metalloxiden enthaltenen Nanopartikel ist unter milden Bedingungen mithilfe von speziell dafür hergestellten Reagenzien erfolgt und hat zu sehr kleinen, amorphen Nanopartikeln geführt. Durch eine nachfolgende Temperaturbehandlung hat sich die Kristallinität erhöht. Damit verbunden haben sich auch die Kristallstruktur sowie die Position des Dotanden Europium verändert.
Während die etablierte Methode der Röntgendiffraktometrie einen Blick auf das Kristallgitter als Gesamtes ermöglicht, so trifft die Lumineszenz des Europiums durch die Sichtbarkeit einzelner Stark-Aufspaltungen Aussagen über dessen lokale Symmetrien. Die Symmetrie wird durch Sauerstofffehlstellen verändert, welche die Sauerstoffleitfähigkeit der Nanopartikel beeinflussen. Diese ist für die Anwendung als Katalysatoren in industriellen Prozessen und ebenso als Sensoren und Therapeutika in biologischen Systemen von Bedeutung.
Zur ersten katalytischen Charakterisierung werden die Proben mittels Temperatur-programmierter Reduktion untersucht. Des Weiteren werden die Mischoxid-Nanopartikel auch hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit als Matrix in Aufkonversionsprozessen untersucht.
Die Metallorganischen Netzwerke eignen sich aufgrund ihrer mikroporösen Struktur für Anwendungen in der Speicherung gleichermaßen von Nutzgasen wie auch von Schadstoffen. Ebenfalls ist eine biologische Anwendung denkbar, die insbesondere den Bereich der drug delivery-Reagenzien betrifft.
Erfolgt in die mikroporösen Strukturen der Metallorganischen Netzwerke die Einlagerung von Lanthanoid-Ionen, so können diese bei der entsprechenden Kombination als Weißlicht-Emittierer fungieren. Dabei ist neben den Verhältnissen zwischen den Lanthanoid-Ionen auch die genaue Position innerhalb des Netzwerks sowie die Distanz zu anderen Ionen von Interesse. Zur Untersuchung dieser Fragestellungen wird die Umgebungssensitivität der Europium-Lumineszenz ausgenutzt. Die auf diese Weise festgestellte Formiat-Bildung hängt von zahlreichen Parametern ab.
Insgesamt stellt sich die im Rahmen dieser Arbeit verwendete Methodik des Einsatzes von Europium als strukturelle Sonde in höchstem Maße vielseitig dar und zeigt seine größte Stärke in der Kombination mit weiteren Methoden der Strukturanalytik. Die auf diese Weise genauestens charakterisierten neuartigen Materialien können nun gezielt und anwendungsfokussiert weiterentwickelt werden.
In this work the potential of the luminescence of europium for structural analysis using novel materials is presented. These materials are on the one hand side nanoparticles made of various metal mixed oxide and doped by europium as a structural probe and on the other hand side the so-called metal organic frameworks (MOFs) loaded with neodymium, samarium and europium ions.
The synthesis of the metal mixed oxide nanoparticles is done under mild conditions using reagents that have been specifically produced for this application. It leads to very small and amorphous nanoparticles. The crystallinity is increased by downstreamed temperature treatment. Related to that, the crystal structure and the position of the europium dopant have changed.
While the well-established method of X-ray-diffraction offers an insight to the whole crystal lattice, the luminescence of europium gives information about the local symmetry of single europium ions using the visibility of single Stark-splittings. The symmetry is changed by oxygen vacancies which have an influence on the oxygen conductivity of the nanoparticles. This property is important for the application in industrial catalysts as well as in sensors and therapeutic agents in biological systems.
For basic catalytical characterisation the samples are examined using the method of temperature-programmed reduction. Furthermore, the metal mixed oxide nanoparticles are also evaluated concerning the usability of the matrix in upconversion-processes.
The metal organic frameworks are suitable for the storage of technical gases and pollutants due to their microporous structure. An application in the biological context can be seen especially in the field of drug delivery agents.
By intercalation of certain combinations of lanthanide ions in the microporous structure of the metal organic frameworks, white light emitters can be developed. In this application the ratio between the lanthanide ions as well as their exact position within the framework and the distance between the single ions are of interest. For unravelling the regarding open questions, the environment-sensitive luminescence of the europium is used. The determined formate formation depends on several parameters.
To sum up, the method of using europium as a structural probe as shown in this work is highly versatile and proves its worth in combination with further methods of structural analysis. Furthermore, an advanced development of the novel materials with focus on specific applications is now well prepared due to precise characterisation.
10.25932/publishup-42714
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427141
online registration
Dissertation, Universität Potsdam, 2019
VE 5070, VE 9907
CC-BY-NC-ND - Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitungen 4.0 International
Antonia Isabell Menski
deu
uncontrolled
Spektroskopie
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uncontrolled
Nanomaterialien
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uncontrolled
Ceroxid
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uncontrolled
metallorganische Netzwerke
eng
uncontrolled
spectroscopy
eng
uncontrolled
nanomaterials
eng
uncontrolled
cerium oxide
eng
uncontrolled
metal organic frameworks
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/42714/menski_diss.pdf
48368
2020
2020
eng
iv, 154
doctoralthesis
1
--
--
2020-10-09
Design of sustainable cathodes for Li-ion batteries
Design nachhaltiger Kathoden für Li-Ionen-Batterien
In recent years people have realised non-renewability of our modern society which relays on spending huge amounts of energy mostly produced from fosil fuels, such as oil and coal, and the shift towards more sustainable energy sources has started. However, sustainable sources of energy, such as wind-, solar- and hydro-energy, produce primarily electrical energy and can not just be poured in canister like many fosil fuels, creating necessity for rechragable batteries. However, modern Li-ion batteries are made from toxic heavy metals and sustainable alternatives are needed. Here we show that naturally abundant catecholic and guaiacyl groups can be utilised to replace heavy metals in Li-ion batteries.
Foremost vanillin, a naturally occurring food additive that can be sustainably synthesised from industrial biowaste, lignin, was utilised to synthesise materials that showed extraordinary performance as cathodes in Li-ion batteries. Furthermore, behaviour of catecholic and guiacyl groups in Li-ion system was compared, confirming usability of guiacayl containing biopolymers as cathodes in Li-ion batteries. Lastly, naturally occurring polyphenol, tannic acid, was incorporated in fully bioderived hybrid material that shows performance comparable to commercial Li-ion batteries and good stability.
This thesis presents an important advancement in understanding of biowaste derived cathode materials for Li-ion batteries. Further research should be conducted to better understand behaviour of guaiacyl groups during Li-ion battery cycling. Lastly, challenges of incorporation of lignin, an industrial biowaste, have to be addressed and lignin should be incorporated as a cathode material in Li-ion batteries.
Diese Dissertation untersucht, wie nachhaltige Kathoden (Kathodenmaterialien) für Lithium-Ionen-Batterien aus Holzabfällen hergestellt werden können. In den letzten Jahren hat die Menschheit erkannt, wie wenig nachhaltig unsere moderne Gesellschaft ist und große Mengen an Energie verbraucht, welche zum größten Teil aus fossilen Brennstoffen gewonnen werden. Daher versucht man jetzt die Energie aus hauptsächlich erneuerbaren Quellen wie Sonne und Wind zu gewinnen. Allerdings kann elektrische Energie nicht einfach wie Öl in einen Kanister gegossen werden, sondern muss in wieder aufladbaren Batterien gespeichert werden.
In den letzten Jahren wurden Lithium-Ionen-Batterien entwickelt, die leistungsstark und allgegenwärtig sind, da sie zum Beispiel in Handys und sogar Autos Verwendung finden. Lithium-Ionen-Batterien verwenden jedoch Trägermaterialien aus giftigen Schwermetallen, die abgebaut werden müssen, was sich negativ auf die Umwelt auswirkt. In diesem Zusammenhang ist insbesondere das Schwermetall Kobalt zu erwähnen, welches in den meisten modernen Kathoden verwendet wird. Nach dem Bekanntwerden von Sklaverei und Kinderarbeit beim Kobaltabbau im Kongo, folgten große Kontroversen, da Kobalt praktisch in jedem Gerät führender Unternehmen wie zum Beispiel Apple und Microsoft zu finden ist.
Idealerweise müssen wir von nicht erneuerbaren Schwermetallen zu erneuerbaren organischen Molekülen wechseln. Daher verwende ich in meiner Forschung Vanillin, ein Molekül, das hinsichtlich der Elektronenspeicherung ähnliche Eigenschaften wie Schwermetalle aufweist, jedoch viele Vorteile bietet. Erstens erkennt man Vanillin am spezifischen Geruch, da es einer der Hauptbestandteile von Vanille und daher ein natürlich vorkommendes Molekül ist. Zweitens kann es aus Holzabfällen oder aus Abfällen vieler Industrien hergestellt werden, die Holz als Rohstoff verwenden, wie beispielsweise der Papierindustrie. Durch milde chemische Reaktionen in Lösemitteln wie Wasser, Essig und Alkohol haben wir Vanillin zu einem Material modifiziert, welches hervorragende Eigenschaften zur Verwendung in Lithium-Ionen-Batterien hat und die bisher verwendeten Schwermetelle ersetzen kann. Diese Batterien wären somit erneuerbar und können uns der nachhaltigen Welt einen Schritt näher bringen. Darüber hinaus wurde Tanninsäure, ein natürlich vorkommendes Polymer in Holzrinde, verwendet, um vollständig aus Bioabfällen bestehende Batterien herzustellen.
understanding the redox behaviour of guaiacyl and catecholic groups in lithium organic system
10.25932/publishup-48368
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-483689
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Dissertation, Universität Potsdam, 2020
VK 8507
CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Ivan Ilic
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biomass
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electrochemistry
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energy conversion
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polymers
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redox chemistry
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Biomasse
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Elektrochemie
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Energieumwandlung
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Redoxchemie
Naturwissenschaften und Mathematik
open_access
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/48368/ilic_diss.pdf
41074
2018
2018
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142
doctoralthesis
Infinite Science Publishing
Lübeck
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2017-11-08
Biokompatible superparamagnetische Nanopartikel
Magnetische Eisenoxidnanopartikel werden bereits seit geraumer Zeit erfolgreich als MRT-Kontrastmittel in der klinischen Bildgebung eingesetzt. Durch Optimierung der magnetischen Eigenschaften der Nanopartikel kann die Aussagekraft von MR-Aufnahmen verbessert und somit der diagnostische Wert einer MR-Anwendung weiter erhöht werden. Neben der Verbesserung bestehender Verfahren wird die bildgebende Diagnostik ebenso durch die Entwicklung neuer Verfahren, wie dem Magnetic Particle Imaging, vorangetrieben. Da hierbei das Messsignal von den magnetischen Nanopartikeln selbst erzeugt wird, birgt das MPI einen enormen Vorteil hinsichtlich der Sensitivität bei gleichzeitig hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung. Da es aktuell jedoch keinen kommerziell vertriebenen in vivo-tauglichen MPI-Tracer gibt, besteht ein dringender Bedarf an geeigneten innovativen Tracermaterialien. Daraus resultierte die Motivation dieser Arbeit biokompatible und superparamagnetische Eisenoxidnanopartikel für den Einsatz als in vivo-Diagnostikum insbesondere im Magnetic Particle Imaging zu entwickeln. Auch wenn der Fokus auf der Tracerentwicklung für das MPI lag, wurde ebenso die MR-Performance bewertet, da geeignete Partikel somit alternativ oder zusätzlich als MR-Kontrastmittel mit verbesserten Kontrasteigenschaften eingesetzt werden könnten.
Die Synthese der Eisenoxidnanopartikel erfolgte über die partielle Oxidation von gefälltem Eisen(II)-hydroxid und Green Rust sowie eine diffusionskontrollierte Kopräzipitation in einem Hydrogel.
Mit der partiellen Oxidation von Eisen(II)-hydroxid und Green Rust konnten erfolgreich biokompatible und über lange Zeit stabile Eisenoxidnanopartikel synthetisiert werden. Zudem wurden geeignete Methoden zur Formulierung und Sterilisierung etabliert, wodurch zahlreiche Voraussetzungen für eine Anwendung als in vivo-Diagnostikum geschaffen wurden. Weiterhin ist auf Grundlage der MPS-Performance eine hervorragende Eignung dieser Partikel als MPI-Tracer zu erwarten, wodurch die Weiterentwicklung der MPI-Technologie maßgeblich vorangetrieben werden könnte. Die Bestimmung der NMR-Relaxivitäten sowie ein initialer in vivo-Versuch zeigten zudem das große Potential der formulierten Nanopartikelsuspensionen als MRT-Kontrastmittel. Die Modifizierung der Partikeloberfläche ermöglicht ferner die Herstellung zielgerichteter Nanopartikel sowie die Markierung von Zellen, wodurch das mögliche Anwendungsspektrum maßgeblich erweitert wurde.
Im zweiten Teil wurden Partikel durch eine diffusionskontrollierte Kopräzipitation im Hydrogel, wobei es sich um eine bioinspirierte Modifikation der klassischen Kopräzipitation handelt, synthetisiert, wodurch Partikel mit einer durchschnittlichen Kristallitgröße von 24 nm generiert werden konnten. Die Bestimmung der MPS- und MR-Performance elektrostatisch stabilisierter Partikel ergab vielversprechende Resultate. In Vorbereitung auf die Entwicklung eines in vivo-Diagnostikums wurden die Partikel anschließend erfolgreich sterisch stabilisiert, wodurch der kolloidale Zustand in MilliQ-Wasser über lange Zeit aufrechterhalten werden konnte. Durch Zentrifugation konnten die Partikel zudem erfolgreich in verschiedene Größenfraktionen aufgetrennt werden. Dies ermöglichte die Bestimmung der idealen Aggregatgröße dieses Partikelsystems in Bezug auf die MPS-Performance.
Magnetic nanoparticles have long been successfully implemented in the clinic as contrast agents for magnetic resonance imaging (MRI). Through optimization of the nanoparticles’ magnetic properties, an improvement in the resulting diagnostic images can be achieved, which in turn increases the diagnostic value of the MRI procedure. The advancement of diagnostic imaging is brought about not only through the improvement of established diagnostic techniques, but also through the development of new methodologies such as Magnetic Particle Imaging (MPI). In MPI, the measured signal arises directly from the magnetic particles and, thus, the technique holds great promise in terms of sensitivity and spatial resolution. Since there are currently no commercially available MPI tracers for in vivo use, the development of optimal tracer materials that are biocompatible and, thus, suitable for in vivo application, is becoming increasingly important.
Therefore, the aim of this work was to develop biocompatible superparamagnetic iron oxide nanoparticles for application as an in vivo diagnostic agent in particular for MPI. Even though the focus lay on the development of an MPI tracer, the MR performance of the generated magnetic nanoparticles was also addressed, since such particles can be also be used as an MRI contrast agent with improved contrast efficacy.
Synthesis of the superparamagnetic iron oxide nanoparticles was performed either via partial oxidation of precipitated iron (II) hydroxide and green rust or through a diffusion-controlled co-precipitation reaction in a hydrogel.
The partial oxidation synthetic route gave rise to biocompatible and colloidally stable iron oxide nanoparticles. Furthermore, suitable methods for the formulation and sterilization of these particles were developed, enabling many of the prerequisites for successful in vivo application to be addressed. The resulting outstanding magnetic particle spectra (MPS) performance of the synthesized nanoparticles enables their suitability as an effective MPI tracer, assisting the advancement of the MPI technology. Moreover, the MR relaxivity values of the particles as well as results obtained from a preliminary in vivo MRI experiment revealed the high potential of the formulated nanoparticle suspensions for application as MRI contrast agents. In addition, chemical modification of the particle surface was performed, which enables the fabrication of target-specific nanoparticles as well as magnetic labeling of certain cell types e.g. stem cells.
Nanoparticle synthesis via a diffusion-controlled co-precipitation strategy in a hydrogel, which is a bioinspired modification of the classical co-precipitation reaction, resulted in particles with a mean crystal diameter of 24 nm. Measurement of the MPS and MR performances of such electrostatically-stabilized particles revealed promising results. So as to promote the development of these particles for use as in vivo diagnostic agents, the particles were sterically stabilized and were found to be colloidally stable on the long-term in aqueous solution. Through centrifugation, the particles were successfully separated in batches of varying mean particle sizes, allowing for the determination of the ideal size of this particle system in terms of the MPS performance.
Entwicklung von Nanopartikeln für den Einsatz als in-vivo-Diagnostikum insbesondere im Magnetic Particle Imaging
978-3-945954-45-4
online registration
VE 9857, VH 5507, YR 2404
Dissertation, Universität Potsdam, 2017
Dissertation online auf dem Publikationsserver unter dem Originaltitel:<br/>Entwicklung biokompatibler superparamagnetischer Nanopartikel für den Einsatz als in vivo-Diagnostikum insbesondere im Magnetic Particle Imaging / David Heinke<br/> --> <a href="http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-406196">Onlinepublikation</a>
Keine öffentliche Lizenz: Unter Urheberrechtsschutz
David Heinke
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Magnetic Particle Imaging
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Magnetresonanztomograpgie
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magnetic resonance imaging
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Eisenoxidnanopartikel
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Institut für Chemie
Universität Potsdam