TY - THES A1 - Baczyński, Krzysztof Konrad T1 - Buckling instabilities of semiflexible filaments in biological systems T1 - Knickinstabilitäten semiflexibler Filamente in biologischen Systemen N2 - In dieser Arbeit werden Knickinstabilitäten von Filamenten in biologischen Systemen untersucht. Das Zytoskelett von Zellen ist aus solchen Filamenten aufgebaut. Sie sind für die mechanische Stabilität der Zelle verantwortlich und spielen eine große Rolle bei intrazellulären Transportprozessen durch molekulare Motoren, die verschiedene Lasten wie beispielsweise Organellen entlang der Filamente des Zytoskeletts transportieren. Filamente sind semiflexible Polymere, deren Biegeenergie ähnlich groß ist wie die thermische Energie, so dass sie auch als elastische Balken auf der Nanoskala gesehen werden können, die signifikante thermische Fluktuationen zeigen. Wie ein makroskopischer elastischer Balken können auch Filamente eine mechanische Knickinstabilität unter Kompression zeigen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird untersucht, wie diese Instabilität durch thermische Fluktuationen der Filamente beeinflusst wird. In Zellen können Kompressionskräfte durch molekulare Motoren erzeugt werden. Das geschieht zum Beispiel während der Zellteilung in der mitotischen Spindel. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchen wir, wie die stochastische Natur einer von Motoren generierten Kraft die Knickinstabilität von Filamenten beeinflusst. Zunächst stellen wir kurz das Problem von Knickinstabilitäten auf der makroskopischen Skala dar und führen ein Modell für das Knicken von Filamenten oder elastischen Stäben in zwei Raumdimensionen und in Anwesenheit thermischer Fluktuationen ein. Wir präsentieren eine analytische Lösung für Knickinstabilitäten in Anwesenheit thermischer Fluktuationen, die auf einer Renormierungsgruppenrechnung im Rahmen des nichtlinearen Sigma-Models basiert. Wir integrieren die kurzwelligen Fluktuationen aus, um eine effektive Theorie für die langwelligen Moden zu erhalten, die die Knickinstabilität bestimmen. Wir berechnen die Änderung der kritischen Kraft für die Knickinstabilität und zeigen, dass die thermischen Fluktuationen in zwei Raumdimensionen zu einer Zunahme der kritischen Kraft führen. Außerdem zeigen wir, dass thermische Fluktuationen im geknickten Zustand zu einer Zunahme der mittleren projizierten Länge des Filaments in Richtung der wirkenden Kraft führen. Als Funktion der Konturlänge des Filaments besitzt die mittlere projizierte Länge eine Spitze an der Knickinstabilität, die durch thermische Fluktuationen abgerundet wird. Unser Hauptresultat ist die Beobachtung, dass ein geknicktes Filament unter dem Einfluss thermischer Fluktuationen gestreckt wird, d.h. dass seine mittlere projizierte Länge in Richtung der Kompressionskraft auf Grund der thermischen Fluktuationen zunimmt. Unsere analytischen Resultate werden durch Monte-Carlo Simulationen der Knickinstabilität semiflexibler Filamente in zwei Raumdimensionen bestätigt. Wir führen auch Monte-Carlo Simulationen in höheren Raumdimensionen durch und zeigen, dass die Zunahme der projizierten Länge unter dem Einfluss thermischer Fluktuationen weniger ausgeprägt ist und stark von der Wahl der Randbedingungen abhängt. Im zweiten Teil der Arbeit formulieren wir ein Modell für die Knickinstabilität semiflexibler Filamente unter dem Einfluss molekularer Motoren. Wir untersuchen ein System, in dem sich eine Gruppe von Motoren entlang eines fixierten Filaments bewegt, und dabei ein zweites Filament als Last trägt. Das Last-Filament wird gegen eine Wand gedrückt und knickt. Während des Knickvorgangs können die Motoren, die die Kraft auf das Filament generieren, stochastisch von dem Filament ab- und an das Filament anbinden. Wir formulieren ein stochastisches Model für dieses System und berechnen die “mean first passage time“, d.h. die mittlere Zeit für den Übergang von einem Zustand, in dem alle Motoren gebundenen sind zu einem Zustand, in dem alle Motoren abgebunden sind. Dieser Übergang entspricht auch einem Übergang aus dem gebogenen zurück in einen ungebogenen Zustand des Last-Filaments. Unser Resultat zeigt, dass für genügend kurze Mikrotubuli die Bewegung der Motoren von der durch das Last-Filament generierten Kraft beeinflusst wird. Diese Ergebnisse können in zukünftigen Experimenten überprüft werden. N2 - We study buckling instabilities of filaments in biological systems. Filaments in a cell are the building blocks of the cytoskeleton. They are responsible for the mechanical stability of cells and play an important role in intracellular transport by molecular motors, which transport cargo such as organelles along cytoskeletal filaments. Filaments of the cytoskeleton are semiflexible polymers, i.e., their bending energy is comparable to the thermal energy such that they can be viewed as elastic rods on the nanometer scale, which exhibit pronounced thermal fluctuations. Like macroscopic elastic rods, filaments can undergo a mechanical buckling instability under a compressive load. In the first part of the thesis, we study how this buckling instability is affected by the pronounced thermal fluctuations of the filaments. In cells, compressive loads on filaments can be generated by molecular motors. This happens, for example, during cell division in the mitotic spindle. In the second part of the thesis, we investigate how the stochastic nature of such motor-generated forces influences the buckling behavior of filaments. In chapter 2 we review briefly the buckling instability problem of rods on the macroscopic scale and introduce an analytical model for buckling of filaments or elastic rods in two spatial dimensions in the presence of thermal fluctuations. We present an analytical treatment of the buckling instability in the presence of thermal fluctuations based on a renormalization-like procedure in terms of the non-linear sigma model where we integrate out short-wavelength fluctuations in order to obtain an effective theory for the mode of the longest wavelength governing the buckling instability. We calculate the resulting shift of the critical force by fluctuation effects and find that, in two spatial dimensions, thermal fluctuations increase this force. Furthermore, in the buckled state, thermal fluctuations lead to an increase in the mean projected length of the filament in the force direction. As a function of the contour length, the mean projected length exhibits a cusp at the buckling instability, which becomes rounded by thermal fluctuations. Our main result is the observation that a buckled filament is stretched by thermal fluctuations, i.e., its mean projected length in the direction of the applied force increases by thermal fluctuations. Our analytical results are confirmed by Monte Carlo simulations for buckling of semiflexible filaments in two spatial dimensions. We also perform Monte Carlo simulations in higher spatial dimensions and show that the increase in projected length by thermal fluctuations is less pronounced than in two dimensions and strongly depends on the choice of the boundary conditions. In the second part of this work, we present a model for buckling of semiflexible filaments under the action of molecular motors. We investigate a system in which a group of motors moves along a clamped filament carrying a second filament as a cargo. The cargo-filament is pushed against the wall and eventually buckles. The force-generating motors can stochastically unbind and rebind to the filament during the buckling process. We formulate a stochastic model of this system and calculate the mean first passage time for the unbinding of all linking motors which corresponds to the transition back to the unbuckled state of the cargo filament in a mean-field model. Our results show that for sufficiently short microtubules the movement of kinesin-I-motors is affected by the load force generated by the cargo filament. Our predictions could be tested in future experiments. KW - Polymere KW - Filament KW - Elastizität KW - Knickinstabilität KW - molekulare Motoren KW - Polymers KW - filaments KW - elasticity KW - buckling KW - molecular motors Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-37927 ER - TY - THES A1 - Behrendt, Felix Nicolas T1 - New bio-based polymers T1 - Neue biobasierte Polymere BT - synthesis and polymerization of cystine-based macrocycles BT - Synthese und Polymerisation von cystinbasierten Makrozyklen N2 - Redox-responsive polymers, such as poly(disulfide)s, are a versatile class of polymers with potential applications including gene- and drug-carrier systems. Their degradability under reductive conditions allows for a controlled response to the different redox states that are present throughout the body. Poly(disulfide)s are typically synthesized by step growth polymerizations. Step growth polymerizations, however, may suffer from low conversions and therefore low molar masses, limiting potential applications. The purpose of this thesis was therefore to find and investigate new synthetic routes towards the synthesis of amino acid-based poly(disulfide)s. The different routes in this thesis include entropy-driven ring opening polymerizations of novel macrocyclic monomers, derived from cystine derivatives. These monomers were obtained with overall yields of up to 77% and were analyzed by mass spectrometry as well as by 1D and 2D NMR spectroscopy. The kinetics of the entropy-driven ring-opening metathesis polymerization (ED-ROMP) were thoroughly investigated in dependence of temperature, monomer concentration, and catalyst concentration. The polymerization was optimized to yield poly(disulfide)s with weight average molar masses of up to 80 kDa and conversions of ~80%, at the thermodynamic equilibrium. Additionally, an alternative metal free polymerization, namely the entropy-driven ring-opening disulfide metathesis polymerization (ED-RODiMP) was established for the polymerization of the macrocyclic monomers. The effect of different solvents, concentrations and catalyst loadings on the polymerization process and its kinetics were studied. Polymers with very high weight average molar masses of up to 177 kDa were obtained. Moreover, various post-polymerization reactions were successfully performed. This work provides the first example of the homopolymerization of endo-cyclic disulfides by ED-ROMP and the first substantial study into the kinetics of the ED-RODiMP process. N2 - Redoxresponsive Polymere, wie etwa Polydisulfide, sind eine vielseitige Klasse von Polymeren, die unter anderem als Gen- und Wirkstoffträgersysteme eingesetzt werden können. Ihre Abbaubarkeit unter reduktiven Bedingungen ermöglicht eine kontrollierte Reaktion auf die verschiedenen Redoxzustände im Körper. Polydisulfide werden jedoch häufig durch Stufenwachstums-polymerisationen synthetisiert. Diese führen oft zu niedrigen Umsätzen und daher zu niedrigen molaren Massen. Das Ziel dieser Arbeit war daher neue Synthesewege für aminosäurebasierte Polydisulfide zu finden und zu untersuchen. Diese Wege beinhalteten entropiegetriebene ringöffnende Polymerisationen von neuen makrozyklischen Monomeren, auf der Basis von Cystin-Derivaten. Diese Monomere konnten mit einer Gesamtausbeute von bis zu 77% synthetisiert werden und wurden mit Massenspektrometrie sowie mit 1D- und 2D-NMR-Spektroskopie analysiert. Die Kinetik der entropiegetriebenen ringöffnenden Metathese Polymerisation (ED-ROMP) wurde im Hinblick auf Temperatur, Monomerkonzentration und Katalysatormenge sorgfältig untersucht. Durch Optimierungen konnten Polydisulfide mit gewichtsmittleren Molmassen von bis zu 80 kDa und Umsätzen von ~80%, im thermodynamischen Gleichgewicht synthetisiert werden. Zusätzlich wurde eine alternative metallfreie Polymerisation, die entropiegetriebene ringöffnende Disulfidmetathese Polymerisation (ED-RODiMP), für die Polymerisation der makrozyklischen Monomere etabliert. Die Auswirkungen verschiedener Lösungsmittel, Konzentrationen und Katalysatorkonzentrationen auf die Kinetik dieses Polymerisationsprozesses wurden untersucht. Hierdurch wurden Polymere mit sehr hohen gewichtsmittleren Molmassen von bis zu 177 kDa erhalten. Darüber hinaus wurden verschiedene Postpolymerisationsreaktionen erfolgreich durchgeführt. Diese Arbeit liefert das erste Beispiel für die Homopolymerisation endo-zyklischer Disulfide durch ROMP und eine erste substanzielle Studie der Kinetik des ED-RODiMP-Prozesses. KW - polymers KW - ADMET KW - ROMP KW - disulfide KW - macrocycles KW - ring-opening polymerization KW - amino acids KW - Polymere KW - ADMET KW - ROMP KW - Disulfide KW - Makrozyklen KW - ringöffnende Polymerisation KW - Aminosäuren Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-418316 ER - TY - THES A1 - Breidenich, Markus T1 - Polymers at membranes N2 - Die Oberfläche biologischer Zellen besteht aus einer Lipidmembran und einer Vielzahl von Proteinen und Polymeren, die in die Membran eingebaut sind. Die Beeinflussung der Membran durch Polymere, die mit einem Ende an der Membran verankert sind, wird im Rahmen dieser Arbeit anhand eines vereinfachten biomimetischen Systems studiert. Der entropische Druck, den das Polymer durch Stöße auf die Membran ausübt, führt dazu, dass sich die Membran vom Polymer weg krümmt. Die resultierende Membranform ist ein Kegel in der Nähe des Ankers und ein Katenoid in grossem Abstand vom Ankerpunkt. Monte Carlo-Simulationen bestätigen die perturbativ berechneten Resultate. Bei Hinzunahme eines attraktiven Potentials zwischen Polymer und Membran verringert sich die ursprünglich vom Polymer induzierte Krümmung. Im Limes starker Adsorption, in welchem das Polymer ganz auf der Membranoberfläche lokalisiert ist, verschwindet der Polymerdruck und die durch diesen induzierte Krümmung der Membran. Falls das Polymer nicht direkt auf der Membranoberfläche verankert ist, sondern in endlichem Ankerabstand, biegt sich die Membran im adsorbierten Fall zum Polymer hin. Im letzten Teil der Arbeit werden nicht verankerte Polymere in Lösung betrachtet. Untersucht wird der Einfluss einer solchen Polymerlösung auf die Krümmung der Membran. Im Grenzfall einer rein sterischen, repulsiven Wechselwirkung zwischen Polymeren und Membran biegt sich diese, im Gegensatz zur verankerten Situation, zur Lösung hin. Bei zunehmender Attraktion biegt sich die Membran im Limes starker Adsorption der Polymere von der Lösung weg. N2 - The surface of biological cells consists of a lipid membrane and a large amount of various proteins and polymers, which are embedded in the membrane or attached to it. We investigate how membranes are influenced by polymers, which are anchored to the membrane by one end. The entropic pressure exerted by the polymer induces a curvature, which bends the membrane away from the polymer. The resulting membrane shape profile is a cone in the vicinity of the anchor segment and a catenoid far away from it. The perturbative calculations are confirmed by Monte-Carlo simulations. An additional attractive interaction between polymer and membrane reduces the entropically induced curvature. In the limit of strong adsorption, the polymer is localized directly on the membrane surface and does not induce any pressure, i.e. the membrane curvature vanishes. If the polymer is not anchored directly on the membrane surface, but in a non-vanishing anchoring distance, the membrane bends towards the polymer for strong adsorption. In the last part of the thesis, we study membranes under the influence of non-anchored polymers in solution. In the limit of pure steric interactions between the membrane and free polymers, the membrane curves towards the polymers (in contrast to the case of anchored polymers). In the limit of strong adsorption the membrane bends away from the polymers. KW - Polymere KW - Membranen KW - Biomembranen Y1 - 2000 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000284 ER - TY - THES A1 - Groth, Thomas T1 - Die Bedeutung der Volumen- und Oberflächeneigenschaften von Biomaterialien für die Adsorption von Proteinen und nachfolgende zelluläre Reaktionen N2 - Es ist schon seit längerer Zeit bekannt, dass nach Kontakt des Biomaterials mit der biologischen Umgebung bei Implantation oder extrakorporaler Wechselwirkung zunächst Proteine aus dem umgebenden Milieu adsorbiert werden, wobei die Oberflächeneigenschaften des Materials die Zusammensetzung der Proteinschicht und die Konformation der darin enthaltenden Proteine determinieren. Die nachfolgende Wechselwirkung von Zellen mit dem Material wird deshalb i.d.R. von der Adsorbatschicht vermittelt. Der Einfluss der Oberflächen auf die Zusammensetzung und Konformation der Proteine und die nachfolgende Wechselwirkung mit Zellen ist von besonderem Interesse, da einerseits eine Aussage über die Anwendbarkeit ermöglicht wird, andererseits Erkenntnisse über diese Zusammenhänge für die Entwicklung neuer Materialien mit verbesserter Biokompatibilität genutzt werden können. In der vorliegenden Habilitationsschrift wurde deshalb der Einfluss der Zusammensetzung von Polymeren bzw. von deren Oberflächeneigenschaften auf die Adsorption von Proteinen, den Aktivitätszustand der plasmatischen Gerinnung und die Adhäsion von Zellen untersucht. Dabei wurden auch Möglichkeiten zur Beeinflussung dieser Vorgänge über eine Veränderung der Volumenzusammensetzung oder durch Oberflächenmodifikationen von Biomaterialien vorgestellt. Erkenntnisse aus diesen Arbeiten konnten für die Entwicklung von Membranen für Biohybrid-Organe genutzt werden. N2 - The implantation of biomaterials or the contact of blood with extracorporal devices leads to the rapid adsorption of proteins from the surrounding biological fluids. The surface properties of materials determine the composition of the adsorption layer and the conformation of adsorbed proteins. Hence, the subsequent interaction of cells with biomaterials is dependent on the adsorption layer of proteins. The detailed knowledge on the role of surface properties in protein adsorption and cellular interactions is a useful means to learn about the biomedical applicability of materials and to develop novel materials with improved biocompatibility. The thesis describes the influence of polymer composition and surface properties on protein adsorption, the activation of blood clotting and adhesion of cells. The thesis presents options to modify the reactions of the biological system by the modification of bulk or surface composition of polymers. Results of these studies have been used to develop polymer membranes for biohybrid organs. KW - Biomaterialien KW - Polymere KW - Protein Adsorption KW - Zelladhäsion KW - Biohybride Organe KW - biomaterials KW - polymers KW - protein adsorption KW - cell adhesion KW - biohybrid organs Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001022 ER - TY - THES A1 - Gutjahr, Petra T1 - Conformations of semiflexible polymers and filaments T1 - Konformationen von semiflexiblen Polymeren und Filamenten N2 - The biological function and the technological applications of semiflexible polymers, such as DNA, actin filaments and carbon nanotubes, strongly depend on their rigidity. Semiflexible polymers are characterized by their persistence length, the definition of which is the subject of the first part of this thesis. Attractive interactions, that arise e.g.~in the adsorption, the condensation and the bundling of filaments, can change the conformation of a semiflexible polymer. The conformation depends on the relative magnitude of the material parameters and can be influenced by them in a systematic manner. In particular, the morphologies of semiflexible polymer rings, such as circular nanotubes or DNA, which are adsorbed onto substrates with three types of structures, are studied: (i) A topographical channel, (ii) a chemically modified stripe and (iii) a periodic pattern of topographical steps. The results are compared with the condensation of rings by attractive interactions. Furthermore, the bundling of two individual actin filaments, whose ends are anchored, is analyzed. This system geometry is shown to provide a systematic and quantitative method to extract the magnitude of the attraction between the filaments from experimentally observable conformations of the filaments. N2 - Die biologische Funktion und die technologischen Anwendungen semiflexibler Polymere, wie DNA, Aktinfilamente und Nanoröhren aus Kohlenstoff, werden wesentlich von deren Biegesteifigkeit bestimmt. Semiflexible Polymere werden charakterisiert durch ihre Persistenzlänge, mit deren Definition sich der erste Teil dieser Arbeit befasst. Anziehende Wechselwirkungen, wie sie z.B. bei der Adsorption, der Kondensation und der Bündelung von Filamenten auftreten, können die Konformation eines semiflexiblen Polymers verändern. Die Konformation ist dabei abhängig von der relativen Größe der Materialparameter und kann durch diese gezielt beeinflusst werden. Im Einzelnen werden hier die Morphologien semiflexibler Polymerringe, wie z.B. DNA oder ringförmiger Nanoröhren, untersucht, die auf drei verschieden strukturierten Substraten adsorbieren: (i) Ein topographischer Kanal, (ii) ein chemisch modifizierter Streifen und (iii) ein periodisches Muster topographischer Oberflächenstufen. Die Ergebnisse werden mit der Kondensation von Ringen durch anziehende Wechselwirkungen verglichen. Des Weiteren wird die Bündelung zweier Aktinfilamente, deren Enden verankert sind, untersucht. Diese Systemgeometrie liefert eine systematische Methode, um die Stärke der Anziehung zwischen den Filamenten aus experimentell beobachtbaren Konformationen zu berechnen. KW - Polymere KW - Filamente KW - Persistenzlänge KW - Adsorption KW - Filament-Bündel KW - polymers KW - filaments KW - persistence length KW - adsorption KW - filament bundles Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-15918 ER - TY - THES A1 - Hain, Tobias Martin T1 - Structure formation and identification in geometrically driven soft matter systems T1 - Strukturbildung und Identifikation in geometrisch getriebenen weiche Materie-Systemen N2 - Subdividing space through interfaces leads to many space partitions that are relevant to soft matter self-assembly. Prominent examples include cellular media, e.g. soap froths, which are bubbles of air separated by interfaces of soap and water, but also more complex partitions such as bicontinuous minimal surfaces. Using computer simulations, this thesis analyses soft matter systems in terms of the relationship between the physical forces between the system's constituents and the structure of the resulting interfaces or partitions. The focus is on two systems, copolymeric self-assembly and the so-called Quantizer problem, where the driving force of structure formation, the minimisation of the free-energy, is an interplay of surface area minimisation and stretching contributions, favouring cells of uniform thickness. In the first part of the thesis we address copolymeric phase formation with sharp interfaces. We analyse a columnar copolymer system "forced" to assemble on a spherical surface, where the perfect solution, the hexagonal tiling, is topologically prohibited. For a system of three-armed copolymers, the resulting structure is described by solutions of the so-called Thomson problem, the search of minimal energy configurations of repelling charges on a sphere. We find three intertwined Thomson problem solutions on a single sphere, occurring at a probability depending on the radius of the substrate. We then investigate the formation of amorphous and crystalline structures in the Quantizer system, a particulate model with an energy functional without surface tension that favours spherical cells of equal size. We find that quasi-static equilibrium cooling allows the Quantizer system to crystallise into a BCC ground state, whereas quenching and non-equilibrium cooling, i.e. cooling at slower rates then quenching, leads to an approximately hyperuniform, amorphous state. The assumed universality of the latter, i.e. independence of energy minimisation method or initial configuration, is strengthened by our results. We expand the Quantizer system by introducing interface tension, creating a model that we find to mimic polymeric micelle systems: An order-disorder phase transition is observed with a stable Frank-Caspar phase. The second part considers bicontinuous partitions of space into two network-like domains, and introduces an open-source tool for the identification of structures in electron microscopy images. We expand a method of matching experimentally accessible projections with computed projections of potential structures, introduced by Deng and Mieczkowski (1998). The computed structures are modelled using nodal representations of constant-mean-curvature surfaces. A case study conducted on etioplast cell membranes in chloroplast precursors establishes the double Diamond surface structure to be dominant in these plant cells. We automate the matching process employing deep-learning methods, which manage to identify structures with excellent accuracy. N2 - Die Unterteilung eines Raums durch Grenzflächen führt zu Raumaufteilungen, die für die Selbstorganisation weicher Materie relevant sind. Bekannte Beispiele sind zelluläre Medien, wie z.B. Seifenschaum, der aus Luftblasen besteht, getrennt durch Wände aus Wasser und Seife, und komplexere Partitionen, wie sie z.B. durch bikontinuierliche Minimalflächen erzeugt werden. In dieser Arbeit werden mit Hilfe von Computersimulationen Systeme weicher Materie in Bezug auf den Zusammenhang zwischen dem im System vorherrschenden, physikalischen Kräften und der Struktur der resultierenden Grenzflächen oder Partitionen untersucht. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf zwei Systemen, eine Copolymerschmelze und das sogenannte Quantizer Problem, bei denen der treibende Faktor der Strukturbildung, nämlich die Minimierung der freien Energie, aus einem Zusammenspiel der Minimierung der Oberfläche der Grenzflächen und der gleichzeitigen Minimierung der Elastizitätsenergie besteht. Unter diesen Gegebenheiten bevorzugen solche Systeme Zellen gleichmäßiger Größe. Im ersten Teil der Arbeit befassen wir uns mit der Bildung von scharfen Grenzflächen in Systemen von Copolymeren. Wir analysieren die zylindrische Phase eines Copolymersystems, das gezwungen wird, sich auf einer kugelförmigen Oberfläche zu organisieren. Die Topologie dieser Oberfläche erlaubt es der optimalen Konfiguration, dem Sechseckgitter, nicht, sich zu bilden. Für dreiarmige Copolymere wird die entstehende Struktur durch Lösungen des sogenannten Thomson Problems beschrieben. Letzteres sucht nach der Konfigurationen von abstoßenden Ladungen auf einer Kugeloberfläche mit minimaler Energie. Auf einem Substrat haben wir eine Kombination aus drei ineinandergreifende Lösungen des Thomson Problems gefunden, wobei der Typ der Lösungen statistisch von dem Radius des Substrates abhängt. Anschließend untersuchen wir die Bildung von amorphen und kristallinen Strukturen im Quantizersystem, einem teilchenbasierenden Modell, dessen Energiefunktional keine Oberflächenspannung enthält und möglichst kugelförmige Zellen gleicher Größe begünstigt. Wird das System quasistatisch im thermodynamischen Gleichgewicht abgekühlt, kristallisiert das Quantizersystem in den geordneten BCC Grundzustand. Wird das System allerdings zu schnell abgekühlt, sodass es sich nicht mehr im thermodynamischen Gleichgewicht befindet, bildet sich eine amorphe, annähernd hyperuniforme Struktur aus. Wir konnten zeigen, dass diese Struktur bemerkenswert unabhängig von den Ausganszuständen, sowie der Art der Energieminimierung zu sein scheint. Im Ausblick erweitern wir das Quantizersystem, indem wir Oberflächenspannung einführen. Unsere Ergebnisse deutet darauf hin, dass dieses so erweiterte Modell Mizellenphasen in Polymersystem modellieren kann. Wir beobachten einen Phasenübergang von einer ungeordneten, flüssigen Phase hin zu einer festen Frank-Caspar-Phase. Der zweite Teil der Arbeit behandelt bikontinuierliche Grenzflächen, die den Raum in zwei netzwerkartige Domänen aufteilen. Wir führen eine Open-Source Software ein, das die Identifizierung von Strukturen anhand derer Mikroskopaufnahmen ermöglicht. Hierzu erweitern und verbessern wir eine Methode, die durch den Abgleich experimentell zugänglicher Projektionen in Mikroskopaufnahmen mit berechneten Projektionen potenzieller Strukturen basiert. Dieses Verfahren wurde erstmal von Deng und Mieczkowski (1998) eingeführt. Die simulierten Strukturen basieren auf einer Nodalflächenmodellierung von dreifach-periodischen Flächen konstanter mittlerer Krümmung. Wir führen eine Fallstudie an Zellmembranen von Etioplasten, den Vorläufern von Chloroplasten, durch. Wir konnten die Struktur dieser Etioplasten als die Diamond-Struktur identifizieren. Als Ausblick automatisieren wir den Identifizierungsproyess mit Hilfe von Deep-Learning-Methoden. Erste Ergebnisse zeigen, dass mit diesem Ansatz die Identifizierung von Strukturen mit ausgezeichneter Genauigkeit gelingt. KW - soft matter KW - geometry KW - self-assembly KW - structure formation KW - quantizer KW - polymer KW - Geometrie KW - Polymere KW - Quantizer KW - Selbstassemblierung KW - weiche Materie KW - Strukturbildung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-558808 N1 - Parts of this publication are reproduced with permission from the Royal Society of Chemistry and AIP Publishing. ER - TY - THES A1 - Ilic, Ivan T1 - Design of sustainable cathodes for Li-ion batteries T1 - Design nachhaltiger Kathoden für Li-Ionen-Batterien BT - understanding the redox behaviour of guaiacyl and catecholic groups in lithium organic system N2 - 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. N2 - 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. KW - biomass KW - electrochemistry KW - energy conversion KW - polymers KW - redox chemistry KW - Biomasse KW - Elektrochemie KW - Energieumwandlung KW - Polymere KW - Redoxchemie Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-483689 ER - TY - THES A1 - Kaestner, Pia Isabel T1 - Neue Polymermaterialien auf der Basis von funktionalisierten ionischen Flüssigkeiten zur potentiellen Anwendung in Membranen T1 - New polymer materials based on functionalized ionic liquids for potential application in membranes N2 - Die vorliegende Arbeit thematisiert die Synthese und Charakterisierung von neuen funktionalisierten ionischen Flüssigkeiten und deren Polymerisation. Die ionischen Flüssigkeiten wurden dabei sowohl mit polymerisierbaren Kationen als auch Anionen hergestellt. Zum einen wurden bei thermisch initiierten Polymerisationen Azobis(isobutyronitril) (AIBN) verwendet und zum anderen dienten bei photochemisch initiierten Polymerisationen Bis-4-(methoxybenzoyl)diethylgermanium (Ivocerin®) als Radikalstarter. Mittels Gelpermeationschromatographie konnte das Homopolymer Polydimethylaminoethylmethacrylat untersucht werden, welches erst im Anschluss an die GPC-Messungen polymeranalog modifiziert wurde. Dabei wurden nach einer Quaternisierung und anschließender Anionenmetathese bei diesen Polymeren die Grenzviskositäten bestimmt und mit den Grenzviskositäten der direkt polymerisierten ionischen Flüssigkeiten verglichen. Bei der direkten Polymerisation von Poly(N-[2-(Methacryloyloxy)ethyl]-N-butyl-N,N-dimethyl-ammoniumbis(trifluormethylsulfonyl)imid) lag [η_Huggins] bei 100 mL/g und bei dem polymeranalog hergestellten Polymer betrug [η_Huggins] = 40 mL/g. Die ionischen Flüssigkeiten mit polymerisierbaren funktionellen Gruppen wurden mittels Photo-DSC hinsichtlich der maximalen Polymerisationsgeschwindigkeit (Rpmax), der Zeit, in der dieses Maximum erreicht wurde, tmax, ihrer Glasüberganstemperatur (Tg) und des Umsatzes an Vinylprotonen untersucht. Bei diesen Messungen wurde zum einen der Einfluss der unterschiedlichen Alkylkettenlänge am Ammoniumion und der Einfluss von verschiedenen Anionen bei gleichbleibender Kationenstruktur analysiert. So polymerisierte das ethylsubstituierte Kation mit einer tmax von 21 Sekunden am langsamsten. Die maximale Polymerisationsgeschwindigkeit (Rpmax) betrug 3.3∙10-2 s-1. Die tmax Werte der übrigen alkylsubstituierten ionischen Flüssigkeiten mit einer polymerisierbaren funktionellen Gruppe hingegen lagen zwischen 10 und 15 Sekunden. Die Glasübergangstemperaturen der mittels photoinduzierter Polymerisation hergestellten Polymere lagen mit 44 bis 55 °C nahe beieinander. Alle Monomere zeigten einen hohen Umsatz der Vinylprotonen; er betrug zwischen 93 und 100%. Mithilfe einer Bandanlage, ausgerüstet mit einer LED (λ = 395 nm), konnten Polymerfilme hergestellt werden. Der Umsatz an Doppelbindungsäquivalenten dieser Filme wurde anhand der 1H-NMR Spektroskopie bestimmt. Bei der dynamisch-mechanischen Analyse wurden die Polymerfilme mit einer konstanten Heizrate und Frequenz periodisch wechselnden Beanspruchungen ausgesetzt, um die Glasübergangstemperaturen zu bestimmen. Die niedrigste Tg mit 26 °C besaß das butylsubstituierte N-[2-(Methacryloyloxy)ethyl]-N-butyl-N,N-dimethyl-ammoniumbis(trifluormethylsulfonyl)imid, welches als Polymerfilm mit Ivocerin® als Initiator hergestellt wurde, wohingegen die höchste Tg bei dem gleichen Polymer, welches direkt durch freie radikalische Polymerisation der ionischen Flüssigkeit in Masse mit AIBN hergestellt wurde, 51 °C betrug. Zusätzlich wurden die Filme unter dem Aspekt der Topographie mit einem Rasterkraftmikroskop untersucht, welches eine Domänenstruktur des Polymers N-[2-(methacryloyloxy)ethyl]-N-butyl-N,N-dimethyl-ammonium tris(pentafluorethyl)trifluorphosphat offenbarte. N2 - This work focuses on the synthesis and characterization of novel functionalized ionic liquids and their polymerization. The structural differences were caused by both polymerizable cations and anions. Initiation of free radical polymerization was carried out either thermally or photoinduced. 2,2′-Azobis(2-methylpropionitrile) (AIBN) was used for thermal initiation of polymerization and bis-4-(methoxybenzoyl)diethylgermane (Ivocerin®) was used as photoinitiator for photopolymerization. Intrinsic viscosity was determined from ionic polymers, which were synthesized by bulk polymerization of ionic liquid monomers. Size exclusion chromatography was employed to determine the polydispersity of poly dimethylaminoethylmethacrylate, which was subsequently modified by quaternization and anion metathesis. After alkylation and metathesis of this polymer, intrinsic viscosity was also determined for the modified polymer. In the direct polymerization of poly(N-[2-(methacryloyloxy)ethyl]-N-butyl-N,N-dimethyl-ammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide), [η_Huggins] was 100 mL/g and in the analogously produced polymer [η_Huggins] was 40 mL/g. The investigation of ionic liquid monomers regarding the exposure to UV-light (λ = 395 nm) resulted in Photo-DSC measurements. These were employed to investigate the polymerization rate (Rpmax) and the corresponding time (tmax); these parameters describe the reactivity of the compounds. The influence of the different alkyl chain length was also examined. Conversion of double bonds was determined using NMR spectroscopy, and glass transition temperatures (Tg) were identified by DSC measurements. The same sample, which was used for Photo-DSC measurements, was also used for DSC measurements. The ionic liquid monomer with an ethyl group at the quaternized nitrogen polymerized slowest with a tmax value of 21 seconds. The corresponding polymerization rate (Rpmax) was 3.3∙10-2 s-1. The tmax values of the other alkyl-substituted ionic liquid monomers were between 10 and 15 seconds. The glass transition temperatures of those photochemically obtained polymers were close together: 44 – 55 °C. With 93 to 100% they all had a high conversion of double bonds in common. Polymer films were produced using a lab-sized conveyor system equipped with an LED (λ = 395 nm). The conversion of double bond equivalents of these films was determined by NMR spectroscopy. In dynamic mechanical analysis, the polymer films were subjected to periodically changing stresses at a constant heating rate and frequency to determine the glass transition temperatures. The lowest Tg of 26 °C was obtained with the butyl-substituted N-[2-(methacryloyloxy)ethyl]-N-butyl-N,N-dimethyl-ammonium bis-(trifluoromethylsulfonyl)imide prepared as a polymer film with Ivocerin® as initiator, whereas the highest Tg was 51 °C for the same polymer prepared directly by free radical polymerization of the ionic liquid in bulk with AIBN. In addition, the films were examined under the aspect of topography with an atomic force microscope, which revealed a domain structure of the polymer N-[2-(methacryloyloxy)ethyl]-N-butyl-N,N-dimethyl-ammonium tris(pentafluoroethyl)trifluorophosphate. KW - Polymere KW - Polymers KW - Polymerisierbare ionische Flüssigkeiten KW - Ionic liquid monomers KW - Gasselektive Membranen KW - Gas selective membranes KW - Photoinduzierte Polymerisation KW - photo induced polymerization KW - Polymerfilme KW - Polymer films Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-509403 ER - TY - THES A1 - Kraikivski, Pavel T1 - Non-equilibrium dynamics of adsorbed polymers and filaments T1 - Nichtgleichgewichtsdynamik adsorbierter Polymere und Filamente N2 - In the present work, we discuss two subjects related to the nonequilibrium dynamics of polymers or biological filaments adsorbed to two-dimensional substrates. The first part is dedicated to thermally activated dynamics of polymers on structured substrates in the presence or absence of a driving force. The structured substrate is represented by double-well or periodic potentials. We consider both homogeneous and point driving forces. Point-like driving forces can be realized in single molecule manipulation by atomic force microscopy tips. Uniform driving forces can be generated by hydrodynamic flow or by electric fields for charged polymers. In the second part, we consider collective filament motion in motility assays for motor proteins, where filaments glide over a motor-coated substrate. The model for the simulation of the filament dynamics contains interactive deformable filaments that move under the influence of forces from molecular motors and thermal noise. Motor tails are attached to the substrate and modeled as flexible polymers (entropic springs), motor heads perform a directed walk with a given force-velocity relation. We study the collective filament dynamics and pattern formation as a function of the motor and filament density, the force-velocity characteristics, the detachment rate of motor proteins and the filament interaction. In particular, the formation and statistics of filament patterns such as nematic ordering due to motor activity or clusters due to blocking effects are investigated. Our results are experimentally accessible and possible experimental realizations are discussed. N2 - In der vorliegenden Arbeit behandeln wir zwei Probleme aus dem Gebiet der Nichtgleichgewichtsdynamik von Polymeren oder biologischen Filamenten, die an zweidimensionale Substrate adsorbieren. Der erste Teil befasst sich mit der thermisch aktivierten Dynamik von Polymeren auf strukturierten Substraten in An- oder Abwesenheit einer treibenden Kraft. Das strukturierte Substrat wird durch Doppelmulden- oder periodische Potentiale dargestellt. Wir betrachten sowohl homogene treibende Kräfte als auch Punktkräfte. Punktkräfte können bei der Manipulation einzelner Moleküle mit die Spitze eines Rasterkraftmikroskops realisiert werden. Homogene Kräfte können durch einen hydrodynamischen Fluss oder ein elektrisches Feld im Falle geladener Polymere erzeugt werden. Im zweiten Teil betrachten wir die kollektive Bewegung von Filamenten in Motility-Assays, in denen Filamente über ein mit molekularen Motoren überzogenes Substrat gleiten. Das Modell zur Simulation der Filamentdynamik beinhaltet wechselwirkende, deformierbare Filamente, die sich unter dem Einfluss von Kräften, die durch molekulare Motoren erzeugt werden, sowie thermischem Rauschen bewegen. Die Schaftdomänen der Motoren sind am Substrat angeheftet und werden als flexible Polymere (entropische Federn) modelliert. Die Kopfregionen der Motoren vollführen eine gerichtete Schrittbewegung mit einer gegebenen Kraft-Geschwindigkeitsbeziehung. Wir untersuchen die kollektive Filamentdynamik und die Ausbildung von Mustern als Funktion der Motor- und der Filamentdichte, der Kraft-Geschwindigkeitscharakteristik, der Ablöserate der Motorproteine und der Filamentwechselwirkung. Insbesondere wird die Bildung und die Statistik der Filamentmuster, wie etwa die nematische Anordnung aufgrund der Motoraktivität oder die Clusterbildung aufgrund von Blockadeeffekten, untersucht. Unsere Ergebnisse sind experimentell zugänglich und mögliche experimentelle Realisierungen werden diskutiert. KW - Polymere KW - Nichtgleichgewicht KW - Nichtgleichgewichts-Phasenübergang KW - Filament KW - Molekularer Motor KW - Motilität KW - Adsorption KW - thermisch aktivierte Dynamik KW - strukturierte Substrate KW - Motility-Assay KW - non-equilibrium dynamics KW - adsorption KW - polymers KW - filaments KW - motility assay KW - molecular motors KW - structured substrates KW - thermally activated dynamics Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5979 ER - TY - THES A1 - Lorente Sánchez, Alejandro Jose T1 - Synthesis of side-chain polystyrenes for all organic solution processed OLEDs T1 - Synthese von Seitenketten-Polystyrolen für lösungsgefertigte OLEDs N2 - In the present work side-chain polystyrenes were synthesized and characterized, in order to be applied in multilayer OLEDs fabricated by solution process techniques. Manufacture of optoelectronic devices by solution process techniques is meant to decrease significantly fabrication cost and allow large scale production of such devices. This dissertation focusses in three series, enveloped in two material classes. The two classes differ to each other in the type of charge transport exhibited, either ambipolar transport or electron transport. All materials were applied in all-organic solution processed green Ir-based devices. In the first part, a series of ambipolar host materials were developed to transport both charge types, holes and electrons, and be applied especially as matrix for green Ir-based emitters. It was possible to increase devices efficacy by modulating the predominant charge transport type. This was achieved by modification of molecules electron transport part with more electron-deficient heterocycles or by extending the delocalization of the LUMO. Efficiencies up to 28.9 cd/A were observed for all-organic solution-process three layer devices. In the second part, suitability of triarylboranes and tetraphenylsilanes as electron transport materials was studied. High triplet energies were obtained, up to 2.95 eV, by rational combination of both molecular structures. Although the combination of both elements had a low effect in materials electron transport properties, high efficiencies around 24 cd/A were obtained for the series in all-organic solution-processed two layer devices. In the last part, benzene and pyridine were chosen as the series electron-transport motif. By controlling the relative pyridine content (RPC) solubility into methanol was induced for polystyrenes with bulky side-chains. Materials with RPC ≥ 0.5 could be deposited orthogonally from solution without harming underlying layers. From the best of our knowledge, this is the first time such materials are applied in this architecture showing moderate efficiencies around 10 cd/A in all-organic solution processed OLEDs. Overall, the outcome of these studies will actively contribute to the current research on materials for all-solution processed OLEDs. N2 - Organische Licht emittierende Dioden (OLEDs) gelten als die nächste Technologie für Beleuchtungsanwendungen. In letzter Zeit wurden immer mehr kommerzielle Produkte herausgebracht, für die Anwendung in Displays und Beleuchtungssystemen. Doch diese Produkte werden hauptsächlich durch Vakuumabscheidung der organischen Moleküle hergestellt, was hohe Fertigungskosten zur Folge hat. Um die Kosten zu senken, sollten die Geräte über Lösungsverfahren hergestellt werden, was die Produktion durch Drucktechniken ermöglicht. Allerdings gibt es noch einige Herausforderungen bei den Lösungsprozessen, auch bei der Verarbeitung bekannter Materialien, die überwunden werden müssen, wie Rekristallisation oder schlechte Filmbildung. Deshalb sind weitere Materialmodifikationen erforderlich. Ein sehr verbreiteter Ansatz ist die Einarbeitung von Materialien, die im Vakuum verarbeitet werden können, wie Seitenkettenpolymer-Rückgräte. Wir haben in dieser Arbeit drei Reihen von Seitenketten-Polystyrolen synthetisiert und charakterisiert. Die Polymere der ersten Reihe sollten als Hostmaterialien für phosphoreszierende Emitter in der Emissionsschicht dienen. Die Polymere der zweiten und dritten Reihe fungierten als Elektron-Transport-Materialien. Die Polymereigenschaften wurden durch Änderungen der molekularen Struktur der Seitenketten modifiziert. Von allen Materialien wurden dünne Schichten aus Lösung abgeschieden und diese on grünen Ir-basierten OLEDs untersucht. Für alle organischen, aus Lösung gefertigten OLEDs wurden Effizienzen von bis zu 28,9 cd/A erreicht. KW - OLED KW - solution process KW - charge transport KW - polymers KW - OLED KW - Lösungsprozess KW - Ladung Transport KW - Polymere Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-398006 ER -