TY - JOUR A1 - Koc, Julian A1 - Schardt, Lisa A1 - Nolte, Kim A1 - Beyer, Cindy A1 - Eckhard, Till A1 - Schwiderowski, Philipp A1 - Clarke, Jessica L. A1 - Finlay, John A. A1 - Clare, Anthony S. A1 - Muhler, Martin A1 - Laschewsky, André A1 - Rosenhahn, Axel T1 - Effect of dipole orientation in mixed, charge-equilibrated self-assembled monolayers on protein adsorption and marine biofouling JF - ACS applied materials & interfaces N2 - While zwitterionic interfaces are known for their excellent low-fouling properties, the underlying molecular principles are still under debate. In particular, the role of the zwitterion orientation at the interface has been discussed recently. For elucidation of the effect of this parameter, self-assembled monolayers (SAMs) on gold were prepared from stoichiometric mixtures of oppositely charged alkyl thiols bearing either a quaternary ammonium or a carboxylate moiety. The alkyl chain length of the cationic component (11-mercaptoundecyl)-N,N,N-trimethylammonium, which controls the distance of the positively charged end group from the substrate's surface, was kept constant. In contrast, the anionic component and, correspondingly, the distance of the negatively charged carboxylate groups from the surface was varied by changing the alkyl chain length in the thiol molecules from 7 (8-mercaptooctanoic acid) to 11 (12-mercaptododecanoic acid) to 15 (16-mercaptohexadecanoic acid). In this way, the charge neutrality of the coating was maintained, but the charged groups exposed at the interface to water were varied, and thus, the orientation of the dipoles in the SAMs was altered. In model biofouling studies, protein adsorption, diatom accumulation, and the settlement of zoospores were all affected by the altered charge distribution. This demonstrates the importance of the dipole orientation in mixed-charged SAMs for their inertness to nonspecific protein adsorption and the accumulation of marine organisms. Overall, biofouling was lowest when both the anionic and the cationic groups were placed at the same distance from the substrate's surface. KW - SAM KW - antifouling coatings KW - zwitterionic KW - XPS KW - Navicula perminuta KW - Ulva linza KW - SPR Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1021/acsami.0c11580 SN - 1944-8244 SN - 1944-8252 VL - 12 IS - 45 SP - 50953 EP - 50961 PB - American Chemical Society CY - Washington ER - TY - JOUR A1 - Madaan, Nitesh A1 - Romriell, Naomi A1 - Tuscano, Joshua A1 - Schlaad, Helmut A1 - Linford, Matthew R. T1 - Introduction of thiol moieties, including their thiol-ene reactions and air oxidation, onto polyelectrolyte multilayer substrates JF - Journal of colloid and interface science KW - Thiol-ene KW - Layer-by-layer KW - XPS KW - ToF-SIMS KW - Hydrophobic KW - AFM KW - Ellipsometry Y1 - 2015 U6 - https://doi.org/10.1016/j.jcis.2015.08.017 SN - 0021-9797 SN - 1095-7103 VL - 459 SP - 199 EP - 205 PB - Elsevier CY - San Diego ER - TY - THES A1 - Ehlert, Christopher T1 - Simulationen von Röntgenabsorptionsprozessen zur Charakterisierung von Systemen in kondensierter Phase T1 - Simulation of X-ray absorption processes to characterize condensed phase systems N2 - Die vorgelegte Dissertation präsentiert wissenschaftliche Ergebnisse, die in der Zeit vom Dezember 2012 bis August 2016, erarbeitet wurden. Der zentrale Inhalt der Arbeit ist die Simulation von Röntgenabsorptionsprozessen von verschiedenen Systemen in kondensierter Phase. Genauer gesagt, werden Nahkantenabsorptions- (NEXAFS) sowie Röntgenphotoelektronenspektren (XPS) berechnet. In beiden Fällen wird ein Röntgenphoton von einem molekularen System absorbiert. Aufgrund der hohen Photonenenergie wird ein stark gebundenes kernnahes Elektron angeregt. Bei der XPS gelangt dieses mit einer zu messenden kinetischen Energie in Kontinuumszustände. In Abhängigkeit der eingestrahlten Photonenenergie und der kinetischen Energie des austreten Elektrons, kann die Bindungsenergie berechnet werden, welche die zentrale Größe der XPS ist. Im Falle der NEXAFS-Spektroskopie wird das kernnahe Elektron in unbesetzte gebundene Zustände angeregt. Die zentrale Größe ist die Absorption als Funktion der eingestrahlten Photonenenergie. Das erste Kapitel meiner Arbeit erörtert detailliert die experimentellen Methoden sowie die daraus gewonnenen charakteristischen Größen. Die experimentellen Spektren zeigen oft viele Resonanzen, deren Interpretation aufgrund fehlender Referenzmaterialien schwierig ist. In solchen Fällen bietet es sich an, die Spektren mittels quantenchemischer Methoden zu simulieren. Der dafür erforderliche mathematisch-physikalische Methodenkatalog wird im zweiten Kapitel der Arbeit erörtert. Das erste von mir untersuchte System ist Graphen. In experimentellen Arbeiten wurde die Oberfläche mittels Bromplasma modifiziert. Die im Anschluss gemessenen NEXAFS-Spektren unterscheiden sich maßgeblich von den Spektren der unbehandelten Oberfläche. Mithilfe periodischer DFT-Rechnungen wurden verschiedene Gitterdefekte sowie bromierte Systeme untersucht und die NEXAFS-Spektren simuliert. Mittels der Simulationen können die Beiträge verschiedener Anregungszentren analysiert werden. Die Berechnungen erlauben den Schluss, dass Gitterdefekte maßgeblich für die entstandenen Veränderungen verantwortlich sind. Polyvinylalkohol (PVA) wurde als zweites System behandelt. Hierbei sollte untersucht werden, wie groß der Einfluss der Molekularbewegung auf die Verbreiterung der Peaks im XP-Spektrum ist. Des Weiteren wurde untersucht, wie groß der Einfluss von intermolekularen Wechselwirkungen auf die Peakpositionen und Peakverbreiterung ist. Für die Berechnung dieses Systems wurde eine Kombination aus molekulardynamischen und quantenchemischen Methoden verwendet. Als Strukturen dienten Oligomermodelle, die unter dem Einfluss eines (ab initio) Potentials propagiert wurden. Entlang der erstellten Trajektorie wurden Schnappschüsse der Geometrien extrahiert und für die Berechnung der XP-Spektren verwendet. Die Spektren werden bereits mithilfe klassischer Molekulardynamik sehr gut reproduziert. Die erhaltenen Peakbreiten sind verglichen mit dem Experiment allerdings zu klein. Die Hauptursache der Peakverbreiterung ist die Molekularbewegung. Intermolekulare Wechselwirkungen verschieben die Peakpositionen um 0.6 eV zu kleineren Anregungsenergien. Im dritten Teil der Arbeit stehen die NEXAFS-Spektren von ionischen Flüssigkeiten (ILs) im Fokus. Die experimentell gefundenen Spektren zeigen eine komplexe Struktur mit vielen Resonanzen. In der Arbeit wurden zwei ILs untersucht. Als Geometrien verwenden wir Clustermodelle, die aus experimentellen Kristallstrukturen extrahiert wurden. Die berechneten Spektren erlauben es, die Resonanzen den Anregungszentren zuzuordnen. Außerdem kann eine erstmals gemessene Doppelresonanz simuliert und erklärt werden. Insgesamt kann die Interpretation der Spektren mithilfe der Simulation signifikant erweitert werden. In allen Systemen wurde zur Berechnung des NEXAFS-Spektrums eine auf Dichtefunktionaltheorie basierende Methode verwendet (die sogenannte Transition-Potential Methode). Gängige wellenfunktionsbasierte Methoden, wie die Konfigurationswechselwirkung mit Einfachanregungen (CIS), zeigen eine starke Blauverschiebung, wenn als Referenz eine Hartree-Fock Slaterdeterminante verwendet wird. Wir zeigen, dass die Verwendung von kernnah-angeregten Determinanten sowohl das resultierende Spektrum als auch die Anregungsenergien deutlich verbessert. Des Weiteren werden auch Referenzen aus Dichtefunktionalrechnungen getestet. Zusätzlich werden auch Referenzen mit gebrochenen Besetzungszahlen für kernnahe Elektronen verwendet. In der Arbeit werden die Resultate der verschiedenen Referenzen miteinander verglichen. Es zeigt sich, dass Referenzen mit gebrochenen Besetzungszahlen das Spektrum nicht weiter verbessern. Der Einfluss der verwendeten Elektronenstrukturmethode ist eher gering. N2 - The dissertation presents scientific results, which were worked out during December 2012 - August 2016. The work focuses on the simulation of X-ray absorption processes of several condensed phase systems. In particular, we calculated near edge X-ray absorption (NEXAFS) as well as X-ray photoelectron spectra (XPS). In both cases an incoming X-ray photon is absorbed by a molecular system. Due to the relatively high photon energy, a tightly bound core electron is excited. For XPS, this electron is promoted to high lying continuum states. The binding energy of the core electron, which is the key feature of XPS, can be calculated as the difference between the energy of the incoming photon and the measured kinetic energy of the electron. For NEXAFS spectra, the absorption probability of a photon as a function of the wavelength of the incoming radiation is measured. Both experimental methods are presented in chapter one of my thesis. Often the experimental spectra contain a lot of resonances, which make the interpretation and analysis complicated. In such cases, quantum chemical calculations can help to understand the spectra. In chapter two the central theoretical methods are presented, which are necessary to simulate the X-ray absorption processes. The first investigated system is graphene, which was treated with bromine plasma in order to modify the chemical and physical properties by adding bromine. The measured NEXAFS spectra of modified graphene show significant differences with respect to the spectra of the untreated surface. With the help of periodic density functional theory (DFT) calculations and simulations of spectra, it is demonstrated that physical defects are primarily responsible for the observed changes in the spectra. Polyvinyl alcohol (PVA) is the second investigated system. We were interested in the influence of the molecular motion on the broadening of the XPS peaks. Further, we looked at the intermolecular interactions and their influence on the peak positions and broadenings. In order to accomplish this, a combination of molecular dynamics and quantum chemical methods have been used. Appropriate structures based on oligomer models were created and propagated under the influence of an (ab initio) potential. Snapshots were taken during the propagation to calculate the core electron binding energies. In the third part of my work, Ionic Liquids have been investigated. The experiment found a very complex and complicated absorption behavior with a lot of resonances. We used cluster models, based on experimental crystallographic data, to simulate the spectra with density functional methods. Our calculations allow a comprehensive and in-depth analysis of the experimental spectra. The interpretation could be significantly extended. In all presented systems, the so-called transition potential (TP)-DFT method based on density functional theory has been used. Common wave function based methods like configuration interaction singles (CIS) are inappropriate to calculate X-ray absorption spectra, when a Hartree-Fock reference is used. We demonstrate that, by using core-hole excited determinants as reference wave function for CIS calculations, the quality of the obtained spectra can be significantly improved. We further investigate the influence of different density functionals as well as fractional occupations to the shape and position of the resulting spectra. KW - quantum chemical calculations KW - XPS KW - NEXAFS KW - DFT KW - condensed phase systems KW - quantenchemische Berechnungen KW - XPS KW - NEXAFS KW - DFT KW - kondensierte Phase Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-104844 ER -