TY - THES A1 - Zimmermann, Marc T1 - Multifunctional patchy silica particles via microcontact printing T1 - Multifunktionale Patchy Silika Partikel mithilfe des Mikrokontaktdruckverfahrens N2 - This research addressed the question, if it is possible to simplify current microcontact printing systems for the production of anisotropic building blocks or patchy particles, by using common chemicals while still maintaining reproducibility, high precision and tunability of the Janus-balance Chapter 2 introduced the microcontact printing materials as well as their defined electrostatic interactions. In particular polydimethylsiloxane stamps, silica particles and high molecular weight polyethylenimine ink were mainly used in this research. All of these components are commercially available in large quantities and affordable, which gives this approach a huge potential for further up-scaling developments. The benefits of polymeric over molecular inks was described including its flexible influence on the printing pressure. With this alteration of the µCP concept, a new method of solvent assisted particle release mechanism enabled the switch from two-dimensional surface modification to three-dimensional structure printing on colloidal silica particles, without changing printing parameters or starting materials. This effect opened the way to use the internal volume of the achieved patches for incorporation of nano additives, introducing additional physical properties into the patches without alteration of the surface chemistry. The success of this system and its achievable range was further investigated in chapter 3 by giving detailed information about patch geometry parameters including diameter, thickness and yield. For this purpose, silica particles in a size range between 1µm and 5µm were printed with different ink concentrations to change the Janus-balance of these single patched particles. A necessary intermediate step, consisting of air-plasma treatment, for the production of trivalent particles using "sandwich" printing was discovered and comparative studies concerning the patch geometry of single and double patched particles were conducted. Additionally, the usage of structured PDMS stamps during printing was described. These results demonstrate the excellent precision of this approach and opens the pathway for even greater accuracy as further parameters can be finely tuned and investigated, e.g. humidity and temperature during stamp loading. The performance of these synthesized anisotropic colloids was further investigated in chapter 4, starting with behaviour studies in alcoholic and aqueous dispersions. Here, the stability of the applied patches was studied in a broad pH range, discovering a release mechanism by disabling the electrostatic bonding between particle surface and polyelectrolyte ink. Furthermore, the absence of strong attractive forces between divalent particles in water was investigated using XPS measurements. These results lead to the conclusion that the transfer of small PDMS oligomers onto the patch surface is shielding charges, preventing colloidal agglomeration. However, based on this knowledge, further patch modifications for particle self-assembly were introduced including physical approaches using magnetic nano additives, chemical patch functionalization with avidin-biotin or the light responsive cyclodextrin-arylazopyrazoles coupling as well as particle surface modification for the synthesis of highly amphiphilic colloids. The successful coupling, its efficiency, stability and behaviour in different solvents were evaluated to find a suitable coupling system for future assembly experiments. Based on these results the possibility of more sophisticated structures by colloidal self-assembly is given. Certain findings needed further analysis to understand their underlying mechanics, including the relatively broad patch diameter distribution and the decreasing patch thickness for smaller silica particles. Mathematical assumptions for both effects are introduced in chapter 5. First, they demonstrate the connection between the naturally occurring particle size distribution and the broadening of the patch diameter, indicating an even higher precision for this µCP approach. Second, explaining the increase of contact area between particle and ink surface due to higher particle packaging, leading to a decrease in printing pressure for smaller particles. These calculations ultimately lead to the development of a new mechanical microcontact printing approach, using centrifugal forces for high pressure control and excellent parallel alignment of printing substrates. First results with this device and the comparison with previously conducted by-hand experiments conclude this research. It furthermore displays the advantages of such a device for future applications using a mechanical printing approach, especially for accessing even smaller nano particles with great precision and excellent yield. In conclusion, this work demonstrates the successful adjustment of the µCP approach using commercially available and affordable silica particles and polyelectrolytes for high flexibility, reduced costs and higher scale-up value. Furthermore, its was possible to increase the modification potential by introducing three-dimensional patches for additional functionalization volume. While keeping a high colloidal stability, different coupling systems showed the self-assembly capabilities of this toolbox for anisotropic particles. N2 - Diese Forschungsarbeit befasste sich mit der Frage, ob es möglich ist, bekannte Mikrokontaktdruckverfahren, zur Herstellung von anisotropen Bausteinen (Patchy Partikel), weiter zu vereinfachen. Dabei sollten gängige Chemikalien verwendet werden ohne einen Verlust in Reproduzierbarkeit, hoher Präzision und Feineinstellung der Janus-Balance zu erleiden. In Kapitel 2 wurden die verwendeten Mikrokontaktdruckmaterialien sowie deren elektrostatische Wechselwirkungen vorgestellt. Insbesondere handelte es sich dabei um Polydimethylsiloxan Stempel, Silikapartikel und hoch molekulare Polyethylenimin Tinte. All diese Produkte sind kommerziel in großen und bezahlbaren Mengen erhältlich. Nicht nur die Vorteile von polymeren Tinten im Gegensatz zu molekularen Tinten wurde beschrieben, sondern auch die hohe Flexibilität dieses Verfahrens bezüglich der verwendeten Druckkraft. Mit dieser Anpassung des Mikrokontaktdrucks, wurde eine neue Methode der Lösungsmittel unterstützten Partikelablösung ermöglicht, mit deren Hilfe ein einfaches Schalten zwischen zwei dimensionaler Oberflächenfunktionalisierung und drei dimensionalem Strukturdrucks möglich war, ohne Druckparameter oder Startchemikalien zu verändern. Dadurch konnte neu erschaffenes internes Volumen verwendet werden um Nanoadditive einzuführen und so zusätzliche physikalische Eigenschaften zu integrieren, ohne die Oberflächenchemie der Patches verändert wurde. Der Erfolg dieses Systems und seine erreichbaren Grenzen wurde gründlichst in Kapitel 3 erforscht, indem detaillierte Geometrieparameter der Patches einschließlich Durchmesser, Dicke und Ausbeute, erworben wurden. Hierfür wurden Silikapartikel in einem Größenbereich von 1µm bis 5µm mit unterschiedlichen Tintenkonzentrationen bedruckt, um Veränderungen erforschen zu können. Ein notwendiger Luftplasma Ätzschritt für die Produktion von trivalenten Partikeln, mit Hilfe des sogenannten ,,Sandwich‘‘-Drucks, wurde erläutert und vergleichende Untersuchen von einfach und zweifach modifizierten Bausteinen wurden durchgeführt. Zusätzlich dazu, wurde die Verwendung von strukturierten Stempel beschrieben. Die Ergebnisse verdeutlichen die exzellente Genauigkeit dieser Methode und öffnet den Weg um eine hoch höhere Präzision zu erreichen da weitere Parametere genau eingestellt und untersucht werden können, z.B. Luftfeuchtigkeit und Temperature während der Stempelbeladung. Die Performance der herstellten anisotropen Partikel wurde in Kapitel 4 mit Verhaltensstudien in alkoholischen und wässrigen Dispersionen getestet. Dabei wurde die Stabilität der Oberflächenfunktionalisierungen in einem breiten pH Bereich untersucht. Dadurch wurde ein Ablösungsmechanismus bei sehr hohen bzw. niedrigen pH-Werten entdeckt, der zur Deaktivierung elektrostatischer Wechselwirkungen zwischen Partikeloberfläche und Polyelektrolyte Tinte führte. Desweitern wurden die Abwesenheit starker Wechselwirkung der divalenten Partikel in Wasser mit Hilfe von XPS untersucht. Das Resultat zeigte, dass der Transfer kleinster PDMS Oligomere auf die Patchoberfläche zu einer Ladungsabschirmung führte. Dadurch konnte Agglomeration verhindert werden. Aufgrund dieser Ergebnisse wurden weitere Modifikationen für Partikelassemblierung durchgeführt. Hierfür wurde die Einführung von magnetischen Nanoadditiven, die Funktionalisierung mit Avidin-Biotin sowie dem Lichtschaltbaren Cyclodextrin-Arylazopyrazol Komplexen und die Partikeloberflächenfunktionalisierung zur Herstellung amphiphiler Teilchen untersucht. Die Effizienz der Kopplung, deren Stabilität sowie das Verhalten in unterschiedlichen Lösungsmittel wurde beschrieben. Basierend auf diesen Ergebnissen können noch anspruchsvollere Strukturen durch kolloidale Selbstassemblierung erzeugt werden. Einige Ergebnisse dieser Arbeit benötigten zusätzlicher Analyse um die zugrundeliegenden Mechaniken verstehen zu können. Dazu gehörte die relative hohe Streuung des Durchmessers für unterschiedliche Partikelsysteme, sowie das Ausdünnen des Patches mit kleineren Silikapartikeln. Mathematische Modelle in Kapitel 5 beschreiben beide Effekte. Dadurch war es möglich einen Zusammenhang zwischen der natürlichen Partikelgrößenverteilung sowie der Verbreitung des Patchdurchmessers festzustellen. Des Weiteren konnte eine Verkleinerung der Druckkraft durch eine Erhöhung der Packungsdichte für kleine Partikel beschrieben werden, wodurch eine Erklärung der Ausdünnung möglich war. All diese Berechnung führten schlussendlich zur Entwicklung eines neuen mechanischen Mikrokontaktdruckverfahrens, welches mit Hilfe von Zentrifugalkräften eine hohe Druckkontrolle und eine exzellente parallele Ausrichtung zwischen den Substraten ermöglicht. Erste Ergebnisse, sowie deren Vergleich mit bisher erhaltenen Resultaten schließen diese Forschung ab. Des Weiteren zeigt es die Vorteile einer solchen Vorrichtung für kommende Applikationen, besonders um noch kleinere Nanopartikel mit einer hohen Präzision modifizieren zu können. Zusammenfassend ist zu sagen, dass diese Forschung die erfolgreiche Anpassung des Mikrokontaktdruckverfahrens mit kommerziell erhältlichen und bezahlbaren Silikapartikeln und Polyelektrolyten demonstriert, um hohe Flexibilität, reduzierte Kosten und ein erweitertes Skalierungspotential zu bieten. Zusätzlich ist es gelungen, die Funktionalisierungsdichte zu erhöhen, indem drei dimensionaler Strukturdruck bisher ungenutztes Volumen schaffen konnte. Während eine hohe kolloidale Stabilität erhalten blieb, ist es gelungen unterschiedliche Kopplungssysteme zu nutzen, um das Selbstorganisationspotential dieser Toolbox für anisotrope Partikel aufzuzeigen. KW - patchy particles KW - microcontact printing KW - silica particles KW - anisotropic colloids KW - polyelectrolytes KW - Patchy Partikel KW - Mikrokontaktdruck KW - Silika Partikel KW - Anisotrope Kolloide KW - Polyelektrolyte Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427731 ER - TY - THES A1 - Kumru, Baris T1 - Utilization of graphitic carbon nitride in dispersed media T1 - Anwendung von graphitischem Kohlenstoffnitrid in dispergierten Medien N2 - Utilization of sunlight for energy harvesting has been foreseen as sustainable replacement for fossil fuels, which would also eliminate side effects arising from fossil fuel consumption such as drastic increase of CO2 in Earth atmosphere. Semiconductor materials can be implemented for energy harvesting, and design of ideal energy harvesting devices relies on effective semiconductor with low recombination rate, ease of processing, stability over long period, non-toxicity and synthesis from abundant sources. Aforementioned criteria have attracted broad interest for graphitic carbon nitride (g-CN) materials, metal-free semiconductor which can be synthesized from low cost and abundant precursors. Furthermore, physical properties such as band gap, surface area and absorption can be tuned. g-CN was investigated as heterogeneous catalyst, with diversified applications from water splitting to CO2 reduction and organic coupling reactions. However, low dispersibility of g-CN in water and organic solvents was an obstacle for future improvements. Tissue engineering aims to mimic natural tissues mechanically and biologically, so that synthetic materials can replace natural ones in future. Hydrogels are crosslinked networks with high water content, therefore are prime candidates for tissue engineering. However, the first requirement is synthesis of hydrogels with mechanical properties that are matching to natural tissues. Among different approaches for reinforcement, nanocomposite reinforcement is highly promising. This thesis aims to investigate aqueous and organic dispersions of g-CN materials. Aqueous g-CN dispersions were utilized for visible light induced hydrogel synthesis, where g-CN acts as reinforcer and photoinitiator. Varieties of methodologies were presented for enhancing g-CN dispersibility, from co-solvent method to prepolymer formation, and it was shown that hydrogels with diversified mechanical properties (from skin-like to cartilage-like) are accessible via g-CN utilization. One pot photografting method was introduced for functionalization of g-CN surface which provides functional groups towards enhanced dispersibility in aqueous and organic media. Grafting vinyl thiazole groups yields stable additive-free organodispersions of g-CN which are electrostatically stabilized with increased photophysical properties. Colloidal stability of organic systems provides transparent g-CN coatings and printing g-CN from commercial inkjet printers. Overall, application of g-CN in dispersed media is highly promising, and variety of materials can be accessible via utilization of g-CN and visible light with simple chemicals and synthetic conditions. g-CN in dispersed media will bridge emerging research areas from tissue engineering to energy harvesting in near future. N2 - Sonnenlicht kann fossile Brennstoffe in der Energieerzeugung ersetzen und ermöglicht neben der Nutzung einer nachhaltigen Ressource dabei auch die deutliche Reduktion der Umweltbelastung in der Energieerzeugung. Die Verfügbarkeit geeigneter Energiegewinnungstechnologien hängt entscheidend von der Verfügbarkeit geeigneter Superkondensatoren (SC) ab. Ideale SC sollten sich in diesem Zusammenhang durch eine geringe Rekombinationsrate, gute Verarbeitbarkeit, Langzeitstabilität, Ungiftigkeit und die Verfügbarkeit aus nachhaltigen Ressourcen auszeichnen. Graphitisches Kohlenstoffnitrid (graphitic carbon nitride – g-CN), ein metall-freier Halbleiter, der aus nachhaltigen und in großer Menge verfügbaren Ausgangsstoffen hergestellt werden kann, ist als Material für dieses Eigenschaftsprofil hervorragend geeignet. Darüber hinaus können die Eigenschaften dieses Materials (innere Oberfläche, Bandlücke, Lichtabsorption) eingestellt werden. Daraus ergibt sich ein großes Forschungsinteresse z.B. im Bereich heterogener Katalyse, wie in der Kohlenstoffdioxidreduktion, elektrolytischen Wasserspaltung und verschiedener organischer Kupplungsreaktionen. Unglücklicherweise ist die schlechte Dispergierbarkeit von g-CN in organischen Lösungsmitteln und Wasser ein wesentlicher Hinderungsgrund für die erfolgreiche Nutzbarmachung dieser hervorragenden Eigenschaften. Das Design von Materialien, die biologisches Gewebe in seinen mechanischen und biologischen Eigenschaften nachahmen und ersetzen können, ist das Ziel der Gewebekonstruktion (Tissue Engineering – TE). Hydrogele, also Netzwerke mit hohem Wassergehalt, gelten als die vielversprechendsten Materialen in diesem Forschungsfeld. Die Herstellung von Hydrogelen, die biologischem Gewebe in seinen mechanischen Eigenschaften ähnelt gilt allerdings als äußerst schwierig und erfordert die Stabilisierung der Netzwerke. Besonders der Einsatz von Nanoverbundstrukturen (nanocomposites) erscheint in diesem Zusammenhang vielversprechend. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von g-CN in sowohl wässrigen, als auch organischen Dispersionen. Im Zuge dessen werden wässrige Dispersionen für die Synthese von Hydrogelen, bei der g-CN sowohl als Photoinitiator für die durch sichtbares Licht ausgelöste Vernetzung, als auch als Strukturverstärker fungiert. Zur Verbesserung der Dispergierbarkeit des g CN werden vielseitige Ansätze präsentiert, welche von der Verwendung von Co-Lösungsmitteln bis zur Präpolymerbildung reichen. Durch die aufgezeigten Ansätze können Hydrogele mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften hergestellt werden (hautartig bis knorpelig). Darüber hinaus wird eine Ein-Topf Synthese für die Oberflächenfunktionalisierung vorgestellt, durch die die Dispergierbarkeit von g-CN in organischen und wässrigen Medien verbessert werden kann. Beispielsweise erlaubt die Oberflächenfunktionalisierung mit Vinylthiazol die Herstellung von kolloidal dispergiertem g-CN mit verbesserten photophysikalischen Eigenschaften ohne zusätzliche Additive und eröffnet damit die Möglichkeit transparenter g-CN Beschichtungen und ermöglicht die Druckbarkeit von g-CN aus handelsüblichen Tintenstrahldruckern. Die Anwendung von g-CN in dispergierten Medien ist vielversprechend, da eine große Zahl sehr vielfältiger Materialien durch die Kombination von g-CN mit sichtbarem Licht aus günstigen, nachhaltigen Ressourcen verfügbar ist. Daher ist zu erwarten, dass g-CN in dispergierten Medien verschiedene im Entstehen begriffene Forschungsfelder von TE bis zur Energiegewinnung überspannen wird. KW - polymer chemistry KW - Polymerchemie KW - photochemistry KW - Photochemie KW - colloid chemistry KW - kolloidchemie KW - hydrogels KW - Hydrogelen Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427339 ER - TY - THES A1 - Heiden, Sophia L. T1 - Water at α-alumina surfaces T1 - Wasser auf alpha-Aluminiumoxid-Oberflächen BT - energetics, dynamics and kinetics BT - Energetik, Dynamik und Kinetik N2 - The (0001) surface of α-Al₂O₃ is the most stable surface cut under UHV conditions and was studied by many groups both theoretically and experimentally. Reaction barriers computed with GGA functionals are known to be underestimated. Based on an example reaction at the (0001) surface, this work seeks to improve this rate by applying a hybrid functional method and perturbation theory (LMP2) with an atomic orbital basis, rather than a plane wave basis. In addition to activation barriers, we calculate the stability and vibrational frequencies of water on the surface. Adsorption energies were compared to PW calculations and confirmed PBE+D2/PW stability results. Especially the vibrational frequencies with the B3LYP hybrid functional that have been calculated for the (0001) surface are in good agreement with experimental findings. Concerning the barriers and the reaction rate constant, the expectations are fully met. It could be shown that recalculation of the transition state leads to an increased barrier, and a decreased rate constant when hybrid functionals or LMP2 are applied. Furthermore, the molecular beam scattering of water on (0001) surface was studied. In a previous work by Hass the dissociation was studied by AIMD of molecularly adsorbed water, referring to an equilibrium situation. The experimental method to obtaining this is pinhole dosing. In contrast to this earlier work, the dissociation process of heavy water that is brought onto the surface from a molecular beam source was modeled in this work by periodic ab initio molecular dynamics simulations. This experimental method results in a non-equilibrium situation. The calculations with different surface and beam models allow us to understand the results of the non-equilibrium situation better. In contrast to a more equilibrium situation with pinhole dosing, this gives an increase in the dissociation probability, which could be explained and also understood mechanistically by those calculations. In this work good progress was made in understanding the (1120) surface of α-Al₂O₃ in contact with water in the low-coverage regime. This surface cut is the third most stable one under UHV conditions and has not been studied to a great extent yet. After optimization of the clean, defect free surface, the stability of different adsorbed species could be classified. One molecular minimum and several dissociated species could be detected. Starting from these, reaction rates for various surface reactions were evaluated. A dissociation reaction was shown to be very fast because the molecular minimum is relatively unstable, whereas diffusion reactions cover a wider range from fast to slow. In general, the (112‾0) surface appears to be much more reactive against water than the (0001) surface. In addition to reactivity, harmonic vibrational frequencies were determined for comparison with the findings of the experimental “Interfacial Molecular Spectroscopy” group from Fritz-Haber institute in Berlin. Especially the vibrational frequencies of OD species could be assigned to vibrations from experimental SFG spectra with very good agreement. Also, lattice vibrations were studied in close collaboration with the experimental partners. They perform SFG spectra at very low frequencies to get deep into the lattice vibration region. Correspondingly, a bigger slab model with greater expansion perpendicular to the surface was applied, considering more layers in the bulk. Also with the lattice vibrations we could obtain reasonably good agreement in terms of energy differences between the peaks. N2 - Das wissenschaftliche Interesse an der Untersuchung von Oberflächen hat in den letzten Jahren stark zugenommen. Oberflächen spielen unter anderem in Katalyse, Nanotechnologie und Korrosionsforschung eine wichtige Rolle. Es wurden nicht nur Fortschritte im experimentellen Bereich, sondern auch in der theoretischen, computergestützten Analyse dieser Systeme erzielt. Durch leistungsstärkere Computer und ausgefeiltere Software mit immer besseren Methoden können heutzutage wesentlich größere, komplexere Systeme mit höherer Genauigkeit untersucht werden, als noch vor zehn Jahren. In dieser Arbeit wurden derartige Rechnungen angewandt, um Prozesse der α-Aluminiumoxid-Oberfläche besser zu verstehen. Es wurde in drei Teilprojekten wissenschaftlichen Fragestellungen zu Aufbau, Stabilität, Wasseradsorption, Reaktivität und Schwingungseigenschaften nachgegangen, letztere auch im Vergleich zu experimentellen Befunden. Im ersten Teilprojekt wurde auf ein bekanntes Problem der genutzten Methodik eingegangen. Wie aus der Literatur bekannt ist, werden bei dem Dichtefunktional PBE, das in dieser Arbeit hauptsächlich verwendet wurde, die Reaktionsbarrieren unterschätzt, und somit Raten überschätzt. Mit Hilfe zweier unterschiedlicher Methoden konnte dieses Problem deutlich verbessert werden, sodass die Barrieren erhöht und die Raten verringert wurden, was mehr dem Bild der Realität entspricht. Diese Methoden sind zum einen die sogenannten Hybridfunktionale und zum anderen lokale Møller-Plesset Störungstheorie. Außerdem wurden Adsorptionsenergien und Vibrationen berechnet und mit vorherigen Rechnungen, sowie experimentellen Daten verglichen. In einem zweiten Teilprojekt wurde die Streuung von Wasser an der Oberfläche untersucht. In einem Molekularstrahlexperiment konnte kürzlich nachgewiesen werden, dass sich die Dissoziationswahrscheinlichkeit im Vergleich zur Pinhole-Dosierung erhöht (beides sind Methoden um Wasser auf die Oberfläche aufzubringen). In dieser Arbeit konnte dies durch Simulationen nachgewiesen und mechanistisch aufgeklärt werden. Ein weiteres Teilprojekt befasste sich mit der (112‾0)-Oberfläche, zu der es bislang wenige Untersuchungen gibt. Hier wurde zunächst die Oberfläche ohne Wasser untersucht, um die Beschaffenheit zu erkunden. Anschließend wurde das Verhalten eines Wassermoleküls auf der Oberfläche untersucht. Es kann sowohl molekular adsorbieren, als auch in seine Bestandteile OH und H dissoziiert vorliegen, wobei die dissoziierten Strukturen wesentlich stabiler sind. Die Reaktionsraten für Dissoziation und Diffusion wurden untersucht. Erstere sind sehr schnell (Größenordnung 10¹² pro Sekunde) und letztere können einen weiten Bereich abdecken (10⁻¹³-10⁶s⁻¹). Im Vergleich mit oberflächenspezifischen Schwingungsspektroskopie-Experimenten konnte gute Übereinstimmung gefunden werden. So waren wir in der Lage, die jeweiligen OD Gruppen jeder Schwingung den experimentellen Daten zuzuweisen, wobei D hier Deuterium, also schwerer Wasserstoff ist. KW - surface science KW - alumina KW - water at alumina KW - theoretical chemistry KW - theoretische Chemie KW - Aluminiumoberfläche KW - Wasser auf Aluminiumoxid KW - Oberflächenchemie Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-426366 ER - TY - THES A1 - Cheng, Xiao T1 - Controlled solvent vapor annealing of block copolymer films T1 - Kontrolliertes Lösungsmitteldampfglühen von Blockcopolymerfilmen N2 - This project was focused on exploring the phase behavior of poly(styrene)187000-block-poly(2-vinylpyridine)203000 (SV390) with high molecular weight (390 kg/mol) in thin films, in which the self-assembly of block copolymers (BCPs) was realized via thermo-solvent annealing. The advanced processing technique of solvent vapor treatment provides controlled and stable conditions. In Chapter 3, the factors to influence the annealing process and the swelling behavior of homopolymers are presented and discussed. The swelling behavior of BCP in films is controlled by the temperature of the vapor and of the substrate, on one hand, and variation of the saturation of the solvent vapor atmosphere (different solvents), on the other hand. Additional factors like the geometry and material of the chamber, the type of flow inside the chamber etc. also influence the reproducibility and stability of the processing. The slightly selective solvent vapor of chloroform gives 10% more swelling of P2VP than PS in films with thickness of ~40 nm. The tunable morphology in ultrathin films of high molecular weight BCP (SV390) was investigated in Chapter 4. First, the swelling behavior can be precisely tuned by temperature and/or vapor flow separately, which provided information for exploring the multiple-parameter-influenced segmental chain mobility of polymer films. The equilibrium state of SV390 in thin films influenced by temperature was realized at various temperatures with the same degree of swelling. Various methods including characterization with SFM, metallization and RIE were used to identify the morphology of films as porous half-layer with PS dots and P2VP matrix. The kinetic investigations demonstrate that on substrates with either weak or strong interaction the original morphology of the BCP with high molecular weight is changed very fast within 5 min, and the further annealing serves for annihilation of defects. The morphological development of symmetric BCP in films with thickness increasing from half-layer to one-layer influenced by confinement factors of gradient film thicknesses and various surface properties of substrates was studied in Chapter 5. SV390 and SV99 films show bulk lamella-forming morphology after slightly selective solvent vapor (chloroform) treatment. SV99 films show cylinder-forming morphology under strongly selective solvent vapor (toluene) treatment since the asymmetric structure (caused by toluene uptake in PS blocks only) of SV99 block copolymer during annealing. Both kinds of morphology (lamella and cylinder) are influenced by the film thickness. The annealed morphology of SV390 and SV99 influenced by the combination of confined film and substrate property is similar to the morphology on flat silicon wafers. In this chapter the gradients in the film thickness and surface properties of the substrates with regard to their influence on the morphological development in thin BCP films are presented. Directed self-assembly (graphoepitaxy) of this SV390 was also investigated to compare with systematically reported SV99. In Chapter 6 an approach to induced oriented microphase separation in thick block copolymer films via treatment with the oriented vapor flow using mini-extruder is envisaged to be an alternative to existing methodologies, e.g. via non-solvent-induced phase separation. The preliminary tests performed in this study confirm potential perspective of this method, which alters the structure through the bulk of the film (as revealed by SAXS measurements), but more detailed studies have to be conducted in order to optimize the preparation. N2 - Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Phasenverhalten von Poly(styrol)_187000 -block-poly(2-Vinylpyridin)_203000 (SV^390 ) hohen Molekulargewichts (390 kg/mol) in dünnen Filmen untersucht, in denen die Selbstassemblierung der Block-Copolymere durch Lösungsmitteltempern erreicht wurde. Das hochentwickelte Verfahren der Behandlung mit Lösungsmitteldampf bietet kontrollierte und stabile Bedingungen. In *Kapitel 3* werden die Faktoren diskutiert, die den Prozess des Temperns und das Schwellverhalten der dünnen Block-Copolymer Filme beeinflussen. Das Schwellverhalten von Block-Copolymeren in Filmen wird einerseits durch die Temperaturen des Lösungsmitteldampfes und des Substrates sowie andererseits dem Sättigungs-Dampfdruck kontrolliert. Zusätzlich beeinflussen auch Faktoren wie die Geometrie und das Material der Kammer sowie die Art der Strömung in der Kammer die Reproduzierbarkeit und Stabilität der Messungen. Der geringfügig selektive Lösungsmitteldampf von Chloroform führt zu 10% stärkerem Schwellen des P2VP-Blocks im Vergleich zu PS in Filmen mit einer Dicke von ca. 40 nm. Die variable Morphologie ultradünner Filme eines Block-Copolymers hohen Molekulargewichts (SV^390 ) wurde in *Kapitel 4* untersucht. Das Schwellverhalten kann durch die Temperatur und den Dampffluss unabhängig voneinander präzise beeinflusst werden. Die Umgebungstemperatur stellt einen limitierenden Faktor für den Bereich der Annealing-Temperatur aufgrund der möglichen Kondensation des Lösungsmitteldampfes dar. Mehrere Methoden, wie zum Beispiel die Charakterisierung mit Rasterkraftmikroskopie, Metallisierung und reaktives Ionenätzen, wurden verwendet, um die Morphologie der Filme als perforierte Lamellen mit PS-Kugeln und P2VP-Matrix zu bestimmen. Eine Analyse der Kinetik der Strukturbildung zeigt, dass sich die ursprüngliche Morphologie von Block-Copolymeren hohen Molekulargewichts sowohl auf Substraten mit schwacher als auch starker Wechselwirkung innerhalb von 5 min ändert und das weitere Tempern zum Ausheilen von Defekten führt. Die morphologische Veränderung von symmetrischen Block-Copolymeren bei Filmdicken zwischen einer halben Domänendicke und einer ganzen Domänendicke wurde in *Kapitel 5* in Abhängigkeit von Gradienten der Filmdicke und verschiedenen Oberflächeneigenschaften der Substrate untersucht. SV^390 und SV^99 Filme zeigen eine lamellare Bulk-Morphologie nach Behandlung mit geringfügig selektivem Lösungsmitteldampf (Chloroform). SV^99 Filme bilden eine zylindrische Morphologie unter Behandlung mit stark selektivem Lösungsmitteldampf (Toluol) aus, weil das SV^99 Block-Copolymer während des Temperns eine asymmetrische Struktur aufweist (Toluol-Aufnahme ausschließlich im Polystyrol-Block). Beide Morphologien (Lamellen und Zylinder) werden durch die Filmdicke beeinflusst. Die Morphologie von SV^390 und SV^99 nach Tempern ist abhängig von der Filmdicke und den Substrat-Eigenschaften und ähnlich der Morphologie auf flachen Silicium-Wafern. In *Kapitel 6* wird ein Ansatz zur induzierten orientierten Mikrophasenseparation in dicken Block-Copolymer Filmen durch Behandlung mit orientiertem Dampffluss unter Verwendung eines Miniextruders vorgestellt, der als Alternative zu existierenden Verfahren wie Nichtlösungsmittel-induzierter Phasenseparation dienen könnte. Die ersten im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen zeigen das Potential der Methode auf, welche die Struktur im gesamten Volumen des Films durchgehend beeinflusst (durch SAXS-Messungen gezeigt). Jedoch sind detailliertere Studien notwendig, um die Prozedur zu optimieren. KW - block copolymer KW - thin films KW - solvo-thermal annealing KW - Block-copolymer KW - dünne Filme KW - Lösungsmittel-thermisches Tempern Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-424179 ER - TY - THES A1 - Vogel, Stefanie T1 - Sequence dependency of photon and electron induced DNA strand breaks T1 - Sequenzabhängigkeit von photonen-und elektroneninduzierten DNA Strangbrüchen N2 - Deoxyribonucleic acid (DNA) is the carrier of human genetic information and is exposed to environmental influences such as the ultraviolet (UV) fraction of sunlight every day. The photostability of the DNA against UV light is astonishing. Even if the DNA bases have a strong absorption maximum at around 260 nm/4.77 eV, their quantum yield of photoproducts remains very low 1. If the photon energies exceed the ionization energy (IE) of the nucleobases ( ̴ 8-9 eV) 2, the DNA can be severely damaged. Photoexcitation and -ionization reactions occur, which can induce strand breaks in the DNA. The efficiency of the excitation and ionization induced strand breaks in the target DNA sequences are represented by cross sections. If Si as a substrate material is used in the VUV irradiation experiments, secondary electrons with an energy below 3.6 eV are generated from the substrate. This low energy electrons (LEE) are known to induce dissociative electron attachment (DEA) in DNA and with it DNA strand breakage very efficiently. LEEs play an important role in cancer radiation therapy, since they are generated secondarily along the radiation track of ionizing radiation. In the framework of this thesis, different single stranded DNA sequences were irradiated with 8.44 eV vacuum UV (VUV) light and cross sections for single strand breaks (SSB) were determined. Several sequences were also exposed to secondary LEEs, which additionally contributed to the SSBs. First, the cross sections for SSBs depending on the type of nucleobases were determined. Both types of DNA sequences, mono-nucleobase and mixed sequences showed very similar results upon VUV radiation. The additional influence of secondarily generated LEEs resulted in contrast in a clear trend for the SSB cross sections. In this, the polythymine sequence had the highest cross section for SSBs, which can be explained by strong anionic resonances in this energy range. Furthermore, SSB cross sections were determined as a function of sequence length. This resulted in an increase in the strand breaks to the same extent as the increase in the geometrical cross section. The longest DNA sequence (20 nucleotides) investigated in this series, however, showed smaller cross section values for SSBs, which can be explained by conformational changes in the DNA. Moreover, several DNA sequences that included the radiosensitizers 5-Bromouracil (5BrU) and 8-Bromoadenine (8BrA) were investigated and the corresponding SSB cross sections were determined. It was shown that 5BrU reacts very strongly to VUV radiation leading to high strand break yields, which showed in turn a strong sequence-dependency. 8BrA, on the other hand, showed no sensitization to the applied VUV radiation, since almost no increase in strand breakage yield was observed in comparison to non-modified DNA sequences. In order to be able to identify the mechanisms of radiation damage by photons, the IEs of certain DNA sequences were further explored using photoionization tandem mass spectrometry. By varying the DNA sequence, both the IEs depending on the type of nucleobase as well as on the DNA strand length could be identified and correlated to the SSB cross sections. The influence of the IE on the photoinduced reaction in the brominated DNA sequences could be excluded. N2 - Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist als Träger der menschlichen Erbinformation täglich vielen Einflüssen ausgesetzt. Diese Einflüsse können Teil unserer Umwelt sein, wie der ultraviolette (UV) Anteil des Sonnenlichts. Die Photostabilität der DNA gegen UV-Licht ist erstaunlich, denn trotz eines starkes Absorptionsmaximum der DNA-Basen bei etwa 260 nm/4,77 eV, bleibt ihre Quantenausbeute an Photoprodukten sehr gering 1. Überschreiten die Photonenenergien die Ionisationsenergie (IE) der Nukleinbasen ( ̴ 8-9 eV) 2, kann die DNA schwer geschädigt werden. Es treten Anregungs- und Ionisierungsreaktionen auf, die zu Strangbrüchen in der DNA führen. Die Effizienz der induzierten Strangbrüche in den untersuchten DNA-Sequenzen wird durch Wirkungsquerschnitte dargestellt. Wird in den Bestrahlungsexperimenten Silizium als Substratmaterial verwendet, werden aus dem Substrat zusätzliche Sekundärelektronen mit einer Energie unter 3,6 eV erzeugt, die weiteren Schaden an der DNA verursachen. Diese niederenergetischen Elektronen (LEE) sind dafür bekannt, dissoziative Elektronenanlagerung (DEA) und damit Strangbrüche in der DNA zu erzeugen. LEEs entstehen sekundär entlang des Strahlungsweges von ionisierender Strahlung im biologischen Gewebe, wenn in der Behandlung der Krankheit Krebs Strahlentherapie eingesetzt wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Einzelstrang-DNA-Sequenzen mit 8.44 eV Vakuum-UV (VUV) Licht bestrahlt und Wirkungsquerschnitte für Einzel-strangbrüche (SSB) bestimmt. Ein Teil der Sequenzen wurde außerdem sekundär erzeugten LEEs ausgesetzt, die einen zusätzlichen Beitrag zu den SSBs liefern. Als erstes wurde der Wirkungsquerschnitt für SSBs in Abhängigkeit der Nukleinbasen bestimmt. Hierbei weisen sowohl die DNA Sequenzen, die nur ein Sorte an Nukleinbasen besitzen als auch die gemischte Sequenzen sehr ähnliche Werte auf. Durch den zusätzlichen Einfluss der LEEs hat sich wiederum für die DNA Sequenzen mit nur einer Sorte an Nukleinbasen ein stark ausgeprägter Trend gezeigt. Die Polythymin-Sequenz weist den höchsten Wirkungsquerschnitt für SSBs auf, was durch ausgeprägte anionische Resonanzen in diesem Energiebereich begründet werden kann. Des Weiteren wurden Wirkungsquerschnitte für SSBs in Abhängigkeit Sequenzlänge ermittelt. Dabei ergab sich eine Erhöhung der SSBs im gleichen Maße wie die Vergrößerung des geometrischen Wirkungsquerschnitts. Die längste DNA Sequenz (20 Nukleotide), die in dieser Reihe untersucht wurde, zeigte hingegen kleinere Werte für den SSB Wirkungsquerschnitt, was durch Konformationsänderungen in der DNA erklärt werden kann. Einige der untersuchten DNA Sequenzen wurden zusätzlich mit den Radiosensibilisatoren 5-Bromouracil (5BrU) und 8-Bromoadenine (8BrA) modifiziert und entsprechende SSB Wirkungsquerschnitte bestimmt. Hierbei hat sich gezeigt, dass 5BrU mittels einer hohen Strangbruchausbeute sehr stark auf VUV Strahlung reagiert, wobei das Ausmaß der Reaktion stark sequenzabhängig ist. 8BrA hingegen, weist keine Sensibilisierung gegenüber der verwendeten VUV Strahlung auf, da keine Erhöhung der Strangbruchausbeute gegenüber unmodifizierten DNA Sequenzen ersichtlich ist. Um die Mechanismen der Strahlenschädigung durch Photonen besser einschätzen zu können, wurden zusätzlich die IEs bestimmter DNA Sequenzen mit Hilfe der Photoionisations-Tandem-Massenspektrometrie untersucht. Durch Variation der DNA-Sequenzen konnte sowohl ein Trend der IEs in Abhängigkeit der Nukleinbasen und der DNA-Stranglänge identifiziert und als auch eine Abhängigkeit der Reaktivität von 5BrU von seinem IE in der entsprechenden DNA Sequenz ausgeschlossen werden. Die IE Trends und die Wirkungsquerschnitte für SSBs wurden abschließend in Korrelation gebracht. KW - DNA KW - photo ionization KW - dissociative electron attachment KW - DNA origami KW - radiosensitizer KW - ionization energy KW - tandem mass spectrometry KW - DNS KW - Photoionisation KW - Dissoziative Elektronenanlagerung KW - DNA Origami KW - Radiosensibilisator KW - Ionisierungsenergie KW - Tandemmassenspektrometrie Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-419669 ER - TY - THES A1 - Choi, Youngeun T1 - DNA origami structures as versatile platforms for nanophotonics T1 - DNA Origami Struktruen als Vielseitige Plattform für Nanophotonik N2 - Nanophotonics is the field of science and engineering aimed at studying the light-matter interactions on the nanoscale. One of the key aspects in studying such optics at the nanoscale is the ability to assemble the material components in a spatially controlled manner. In this work, DNA origami nanostructures were used to self-assemble dye molecules and DNA coated plasmonic nanoparticles. Optical properties of dye nanoarrays, where the dyes were arranged at distances where they can interact by Förster resonance energy transfer (FRET), were systematically studied according to the size and arrangement of the dyes using fluorescein (FAM) as the donor and cyanine 3 (Cy 3) as the acceptor. The optimized design, based on steady-state and time-resolved fluorometry, was utilized in developing a ratiometric pH sensor with pH-inert coumarin 343 (C343) as the donor and pH-sensitive FAM as the acceptor. This design was further applied in developing a ratiometric toxin sensor, where the donor C343 is unresponsive and FAM is responsive to thioacetamide (TAA) which is a well-known hepatotoxin. The results indicate that the sensitivity of the ratiometric sensor can be improved by simply arranging the dyes into a well-defined array. The ability to assemble multiple fluorophores without dye-dye aggregation also provides a strategy to amplify the signal measured from a fluorescent reporter, and was utilized here to develop a reporter for sensing oligonucleotides. By incorporating target capturing sequences and multiple fluorophores (ATTO 647N dye molecules), a reporter for microbead-based assay for non-amplified target oligonucleotide sensing was developed. Analysis of the assay using VideoScan, a fluorescence microscope-based technology capable of conducting multiplex analysis, showed the DNA origami nanostructure based reporter to have a lower limit of detection than a single stranded DNA reporter. Lastly, plasmonic nanostructures were assembled on DNA origami nanostructures as substrates to study interesting optical behaviors of molecules in the near-field. Specifically, DNA coated gold nanoparticles, silver nanoparticles, and gold nanorods, were placed on the DNA origami nanostructure aiming to study surface-enhanced fluorescence (SEF) and surface-enhanced Raman scattering (SERS) of molecules placed in the hotspot of coupled plasmonic structures. N2 - Nanophotonik bezeichnet die Untersuchung von Licht in Wechselwirkung mit Materie im Nanometermaßstab. Die exakte Kontrolle über den Aufbau und die räumliche Anordnung der beteiligten Komponenten ist ein entscheidender Faktor für die Erforschung der Optik nanoskalierter Systeme. Eine mögliche Lösung bietet die selbstorganisatorische Eigenschaft von DNA-Origami-Nanostrukturen, die im Rahmen dieser Dissertation, insbesondere zur Kopplung verschiedener Farbstoffe bzw. plasmonisch aktiver Nanopartikel, verwendet wurden. Im ersten Teil dieser Dissertation wurden unterschiedliche Förster-Resonanzenergietransfer- (FRET) Farbstoff-Matrizen, bestehend aus Fluorescein (FAM) als FRET-Donor und Cyanine 3 (Cy 3) als FRET-Akzeptor, hergestellt und nachfolgend hinsichtlich des Einflusses ihrer Gesamtgröße und ihrer Anordnung via statischer und zeitaufgelöster Fluoreszenzspektroskopie untersucht. Daraufhin erfolgte die Weiterentwicklung der ermittelten optimalen Anordnung der Farbstoffe in einen ratiometrischen pH-Sensor, bestehend aus dem pH stabilen Coumarin 343 (C343) als FRET-Donor und dem pH sensitiven FAM als FRET-Akzeptor. Die erhaltenen Ergebnisse zeigten, dass sich die Sensitivität ratiometrischer Sensoren, insbesondere durch die wohldefinierte Anordnung der beteiligten Farbstoffe in der Matrize, deutlich steigern lassen. Selbige Anordnung konnte auch erfolgreich zur Entwicklung eines Giftstoffsensors, zum Nachweis des Hepatoxins Thioacetamid (TAA), verwendet werden. Die Möglichkeit der Anordnung mehrerer Farbstoffe, unter Vermeidung ungewollter Farbstoff-Aggregation, ermöglicht außerdem die Verstärkung der Signale sogenannter Fluoreszenzreporter. Dies führte, im Rahmen dieser Arbeit, zur erfolgreichen Entwicklung eines auf Mikroperlen basierenden Oligonukleotid-Sensors, welcher ohne die Notwendigkeit einer vorherigen Zielverstärkung (z.B. durch Polymerase-Kettenreaktion) auskommt. Die anschließende Analyse mittels VideoScan, einer Multiplex-Analyse-Technik basierend auf der Fluoreszenzmikroskopie, ergab deutlich niedrigere Nachweisgrenzen für auf DNA-Origami basierende Reporter im Vergleich zu DNA-Einzelstrang basierenden Reportern. Abschließend erfolgte die Verwendung der DNA-Origamis als Substrat für die präzise räumliche Anordnung verschiedener plasmonisch aktiver Nanopartikel zur Untersuchung des optischen Verhaltens von Zielmolekülen im plasmonischen Nahfeld. Die Untersuchung der oberflächenverstärkten Fluoreszenz (SEF) und oberflächenverstärkten Raman-Streuung (SERS) von Molekülen im plasmonischer Hotspots erfolgte insbesondere mit Fokus auf den Einfluss der unterschiedlichen Anordnung von Gold-Nanostäbchen, Gold-Nanopartikel, und Silber-Nanopartikel. KW - DNA origami KW - Förster resonance energy transfer KW - plasmonics KW - DNA Origami KW - Förster-Resonanzenergietransfer KW - Plasmonik Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-421483 ER - TY - THES A1 - Liebig, Ferenc T1 - Synthesis and characterization of superstructures based on gold nanotriangles Y1 - 2018 ER - TY - THES A1 - Jensen, Anders Christian Solberg T1 - Structure and dynamics of amorphous carbonates related to biomineralization T1 - Struktur und Dynamik amorpher Carbonate im Zusammenhang mit der Biomineralisation BT - a neutron diffraction study N2 - Amorphous calcium carbonate(ACC) is a wide spread biological material found in many organisms, such as sea Urchins and mollusks, where it serves as either a precursor phase for the crystalline biominerals or is stabilized and used in the amorphous state. As ACC readily crystallizes, stabilizers such as anions, cations or macromolecules are often present to avoid or delay unwanted crystallization. Furthermore, additives often control the properties of the materials to suit the specific function needed for the organism. E.g. cystoliths in leaves that scatter light to optimize energy uptake from the sun or calcite/aragonite crystals used in protective shells in mussels and gastropods. Lifetime of the amorphous phase is controlled by the kinetic stability against crystallization. This has often been linked to water which plays a role in the mobility of ions and hence the probability of forming crystalline nuclei to initiate crystallization. However, it is unclear how the water molecules are incorporated within the amorphous phase, either as liquid confined in pores, as structural water binding to the ions or as a mixture of both. It is also unclear how this is perturbed when additives are added, especially Mg2+, one the most common additives found in biogenic samples. Mg2+ are expected to have a strong influence on the water incorporated into ACC, given the high energy barrier to dehydration of magnesium ions compared to calcium ions in solution. During the last 10-15 years, there has been a large effort to understand the local environment of the ions/molecules and how this affects the properties of the amorphous phase. But only a few aspects of the structure have so far been well-described in literature. The reason for this is partly caused by the low stability of ACC if exposed to air, where it tends to crystallize within minutes and by the limited quantities of ACC produced in traditional synthesis routes. A further obstacle has been the difficulty in modeling the local structure based on experimental data. To solve the problem of stability and sample size, a few studies have used stabilizers such as Mg2+ or OH- and severely dehydrated samples so as to stabilize the amorphous state, allowing for combined neutron and x-ray analysis to be performed. However, so far, a clear description of the local environments of water present in the structure has not been reported. In this study we show that ACC can be synthesized without any stabilizing additives in quantities necessary for neutron measurements and that accurate models can be derived with the help of empirical-potential structural refinement. These analyses have shown that there is a wide range of local environments for all of the components in the system suggesting that the amorphous phase is highly inhomogeneous, without any phase separation between ions and water. We also showed that the water in ACC is mainly structural and that there is no confined or liquid-like water present in the system. Analysis of amorphous magnesium carbonate also showed that there is a large difference in the local structure of the two cations and that Mg2+ surprisingly interacts with significantly less water molecules then Ca2+ despite the higher dehydration energy. All in all, this shows that the role of water molecules as a structural component of ACC, with a strong binding to cat- and anions probably retard or prevents the crystallization of the amorphous phase. N2 - Amorphes Calciumcarbonat (ACC) ist ein weit verbreitetes biologisches Material, das in vielen Organismen zu finden ist, beispielsweise in Seeigeln und Mollusken, wo es als Präkursorphase für kristalline Biomaterialien dient oder stabilisiert wird und im amorphen Zustand genutzt wird. Da ACC leicht kristallisiert, sind oft Stabilisatoren wie Anionen, Kationen und Makromoleküle zugegen, die eine ungewollte Kristallisation verzögern oder verhindern können. Zusätzlich kontrollieren Additive oftmals die Materialeigenschaften, um spezielle Funktionen erfüllen zu können, die der Organismus benötigt. Z.B. Zystolithen in Blättern, die das Licht streuen, um die Energieaufnahme durch das Sonnenlicht zu optimieren oder den Calcit-/Aragonitkristallen, die in den schützenden Schalen von Muscheln und Schnecken verwendet werden. Die Lebensdauer der amorphen Phase ist kontrolliert von der kinetischen Stabilität gegenüber der Kristallisation. Dies wurde oft mit Wasser verbunden, welches eine Rolle spielt für die Mobilität der Ionen und demzufolge für die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Kristallisationskernen, die eine Kristallisation einleiten. Es ist jedoch unklar, wie die Wassermoleküle in die amorphe Phase integriert sind, ob als Flüssigkeit eingeschlossen in Poren, als strukturiertes Wasser gebunden an Ionen oder als Mischung aus beidem. Es ist ebenfalls unklar, wie dies gestört wird durch die Zugabe von Additiven, insbesondere Mg2+, eines der häufigsten Additive in biogenen Proben. Von Mg2+ wird ein starker Einfluss auf das in ACC integrierte Wasser vermutet, vergleicht man die hohe Energiebarriere gegen Dehydration von Magnesiumionen gegenüber Calciumionen in Lösung. Im Verlauf der letzten 10-15 Jahre wurden große Anstrengungen unternommen, um die lokale Umgebung der Ionen/Moleküle zu verstehen und wie diese die Eigenschaften der amorphen Phase beeinflusst. Jedoch wurden bisher nur wenige Aspekte der Struktur gut in der Literatur beschrieben. Dies wird zum Teil von der geringen Stabilität von ACC verursacht, wenn es der Luft ausgesetzt wird, wo es nach wenigen Minuten zur Kristallisation neigt und zum Teil von den begrenzten Mengen an ACC, welches auf traditionellen Synthesewegen produziert wird. Ein weiteres Hindernis stellte die Schwierigkeit dar, die lokale Struktur anhand von experimentellen Daten zu modellieren. Um das Problem der Stabilität und der Probenmenge zu beheben, haben einige Studien Stabilisatoren wie Mg2+ oder OH- und hochgradig dehydrierte Proben verwendet und dadurch den amorphen Zustand stabilisiert, welches eine kombinierte Neutronen- und Röntgenanalyse ermöglichte. Dennoch liegt bis jetzt keine klare Beschreibung der lokalen Umgebung von Wasser in der Struktur vor. In dieser Arbeit zeigen wir, dass ACC ohne stabilisierende Additive in Mengen hergestellt werden kann, wie sie für Neutronenmessungen benötigt werden und dass akkurate Modelle durch empirical-potential structural refinement abgeleitet werden können. Diese Analysen haben gezeigt, dass es eine große Bandbreite lokaler Umgebungen für alle Systemkomponenten gibt, was zu der Vermutung führt, dass die amorphe Phase hochgradig imhomogen ist ohne Phasentrennung zwischen Wasser und Ionen. Wir konnten ebenfalls zeigen, dass das Wasser in ACC hauptsächlich strukturiert ist und dass kein eingeschlossenes oder flüssigkeitsähnliches Wasser im System vorliegt. Die Analyse von amorphem Magnesiumcarbonat zeigte ebenfalls, dass es große Unterschiede in den lokalen Strukturen der beiden Kationen gibt und dass Mg2+ überraschenderweise mit signifikant weniger Wassermolekülen als Ca2+ interagiert, trotz der höheren Dehydrationsenergie. Zusammenfassend zeigt dies, dass die Wassermoleküle in der Rolle als strukturelle Komponenten von ACC, mit einer starken Bindung zu Kat- und Anionen wahrscheinlich die Kristallisation der amorphen Phase verzögern oder verhindern. KW - ACC KW - amorphes Calciumcarbonat KW - emperical potential structure refinement KW - Biomineralisierung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-421691 ER - TY - THES A1 - Karras, Manfred T1 - Synthesis of enantiomerically pure helical aromatics such as NHC ligands and their use in asymmetric catalysis T1 - Die Synthese von enantiomerenreinen helikalen Aromaten wie NHC Liganden und deren Anwendung in asymmetrischer Katalyse N2 - Diese Arbeit beschäftigt sich mit der enantiomerenreinen Synthese helikaler, aromatischer Verbindungen. Verschiedene Verbindungen dieses Typs wurden erfolgreich hergestellt und charakterisiert. Desweiteren wurden einige der neuen Verbindungen in Übergangsmetallkomplexe eingebaut und diese dann als Katalysatoren für Metathese und Kreuzkupplungen getestet. Einer der getesteten Katalysatoren zeigte vielversprechende Ergebnisse in der asymmetrischen Olefinmetathese. Die Struktur des neuen Katalysators wurde untersucht. Anhand der Struktur des neuen Katalysators wurden Rückschlüsse auf einen möglichen Mechanismus gezogen. N2 - Various ways of preparing enantiomerically pure 2-amino[6]helicene derivatives were explored. Ni(0) mediated cyclotrimerization of enantiopure triynes provided (M)- and (P)-7,8-bis(p-tolyl)hexahelicene-2-amine in >99% ee as well as its benzoderivative in >99% ee. The stereocontrol was found to be inefficient for a 2- aminobenzo[6]helicene congener with an embedded five-membered ring. Helically chiral imidazolium salts bearing one or two helicene moieties have been synthesized and applied in enantioselective [2+2+2] cyclotrimerization catalyzed by an in situ formed Ni(0)-NHC complex. The synthesis of the first helically chiral Pd- and Ru-NHC complexes and their application in enantioselective catalysis was demonstrated. The latter shows promising results in enantioselective olefin metathesis reactions. A mechanistic proposal for asymmetric ring closing metathesis is provided. KW - helicene KW - catalysis KW - NHC KW - asymmetric KW - Helicen KW - Katalyse KW - NHC KW - asymmetrisch Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-421497 ER - TY - THES A1 - Villatoro Leal, José Andrés T1 - A combined approach for the analysis of biomolecules using IR-MALDI ion mobility spectrometry and molecular dynamics simulations of peptide ions in the gas phase T1 - Kombinierter Einsatz von IR-MALDI Ionenmobilitätsspektrometrie und Simulationen der Molekulardynamik von Peptidionen in der Gasphase zur Analyse von Biomolekülen N2 - The aim of this doctoral thesis was to establish a technique for the analysis of biomolecules with infrared matrix-assisted laser dispersion (IR-MALDI) ion mobility (IM) spectrometry. The main components of the work were the characterization of the IR-MALDI process, the development and characterization of different ion mobility spectrometers, the use of IR-MALDI-IM spectrometry as a robust, standalone spectrometer and the development of a collision cross-section estimation approach for peptides based on molecular dynamics and thermodynamic reweighting. First, the IR-MALDI source was studied with atmospheric pressure ion mobility spectrometry and shadowgraphy. It consisted of a metal capillary, at the tip of which a self-renewing droplet of analyte solution was met by an IR laser beam. A relationship between peak shape, ion desolvation, diffusion and extraction pulse delay time (pulse delay) was established. First order desolvation kinetics were observed and related to peak broadening by diffusion, both influenced by the pulse delay. The transport mechanisms in IR-MALDI were then studied by relating different laser impact positions on the droplet surface to the corresponding ion mobility spectra. Two different transport mechanisms were determined: phase explosion due to the laser pulse and electrical transport due to delayed ion extraction. The velocity of the ions stemming from the phase explosion was then measured by ion mobility and shadowgraphy at different time scales and distances from the source capillary, showing an initially very high but rapidly decaying velocity. Finally, the anatomy of the dispersion plume was observed in detail with shadowgraphy and general conclusions over the process were drawn. Understanding the IR-MALDI process enabled the optimization of the different IM spectrometers at atmospheric and reduced pressure (AP and RP, respectively). At reduced pressure, both an AP and an RP IR-MALDI source were used. The influence of the pulsed ion extraction parameters (pulse delay, width and amplitude) on peak shape, resolution and area was systematically studied in both AP and RP IM spectrometers and discussed in the context of the IR-MALDI process. Under RP conditions, the influence of the closing field and of the pressure was also examined for both AP and RP sources. For the AP ionization RP IM spectrometer, the influence of the inlet field (IF) in the source region was also examined. All of these studies led to the determination of the optimal analytical parameters as well as to a better understanding of the initial ion cloud anatomy. The analytical performance of the spectrometer was then studied. Limits of detection (LOD) and linear ranges were determined under static and pulsed ion injection conditions and interpreted in the context of the IR-MALDI mechanism. Applications in the separation of simple mixtures were also illustrated, demonstrating good isomer separation capabilities and the advantages of singly charged peaks. The possibility to couple high performance liquid chromatography (HPLC) to IR-MALDI-IM spectrometry was also demonstrated. Finally, the reduced pressure spectrometer was used to study the effect of high reduced field strength on the mobility of polyatomic ions in polyatomic gases. The last focus point was on the study of peptide ions. A dataset obtained with electrospray IM spectrometry was characterized and used for the calibration of a collision cross-section (CCS) determination method based on molecular dynamics (MD) simulations at high temperature. Instead of producing candidate structures which are evaluated one by one, this semi-automated method uses the simulation as a whole to determine a single average collision cross-section value by reweighting the CCS of a few representative structures. The method was compared to the intrinsic size parameter (ISP) method and to experimental results. Additional MD data obtained from the simulations was also used to further analyze the peptides and understand the experimental results, an advantage with regard to the ISP method. Finally, the CCS of peptide ions analyzed by IR-MALDI were also evaluated with both ISP and MD methods and the results compared to experiment, resulting in a first validation of the MD method. Thus, this thesis brings together the soft ionization technique that is IR-MALDI, which produces mostly singly charged peaks, with ion mobility spectrometry, which can distinguish between isomers, and a collision cross-section determination method which also provides structural information on the analyte at hand. N2 - Das Ziel dieser Arbeit war die Zusammenführung der schonende Ionisationsquelle Infrared Matrix-Assisted Laser Dispersion Ionization (IR-MALDI), der Isomer-diskriminierende Ionenmobilitätsspektrometrie und einer neuartigen, auf Molecular Dynamics (MD) Simulationen basierte Berechnungsmethode für Stoßquerschnitte. Der erste Schritt war die Charakterisierung des Flüssigkeitsdispersionsphänomens in IR-MALDI: Zwei verschiedenen Ionentransportmechanismen wurden nachgewiesen und weiter studiert. Die Beziehung zwischen Peakform, Diffusion, Desolvatation und Ionen Extraktionspuls wurde beschrieben. Die Geschwindigkeit der Ionen, die aus dem Dispersionsphänomen stammen, wurde durch Ionenmobilitätsspektrometrie und Shadowgraphie untersucht. Shadowgraphie hat ebenfalls das Verhalten des Dispersionsphänomens erläutert. Eine hohe, schnell abklingende initielle Geschwindigkeit wurde beobachtet. Das Verständnis des IR-MALDI Verfahrens ermöglichte die Optimierung der verschiedenen Ionenmobilität (IM) Spektrometer zum analytischen Zweck. Eine Atmosphärendruck- und zwei Niederdruckvariante von IM Spektrometern wurden mit gepulster Ionenextraktion genutzt. Die Pulsparameter (Pulsverzögerung, ‑breite, -höhe) und verschiedene elektrische Felder an unterschiedlichen Stellen der Spektrometer wurden systematisch variiert. Deren Einfluss auf die Peakauflösung und -fläche wurde untersucht und im Rahmen des IR-MALDI Verfahrens erklärt. Das Verständnis der Anatomie der Anfangsionenwolke wurde ebenfalls durch diese Experimente vertieft. Die analytische Leistungsfähigkeit eines IM-Spektrometers wurde dann untersucht. Nachweisgrenzen und lineare Bereiche wurden bestimmt und in Zusammenhang mit dem IR-MALDI Verfahren interpretiert. Anhand der Trennung von Isomeren und einfachen Mischungen wurde die Anwendung dieser Technik demonstriert und ihre Vorteile, die Detektion einfachgeladener Ionen und die Möglichkeit der HPLC-Kopplung (High Performance Liquid Chromatography), aufgezeigt. Mit dem Niederdruckspektrometer wurde der Einfluss hoher reduzierter Feldstärken auf die Ionenmobilität von polyatomische Ionen in polyatomische Gasen untersucht. Der letzte Schwerpunkt war die Charakterisierung von Peptidionen. Die Peptiden wurden mit Elektrospray (ESI) IM-Spektrometrie vermessen. Der hieraus erhaltene Datensatz diente zur Etablierung einer Stoßquerschnitt Berechnungsmethode mittels MD. Anstatt verschiedener Kandidat-Strukturen und deren Stoßquerschnitte, ergibt diese neuartige semi-automatisierte Methode einen einzigen, gemittelten Stoßquerschnitt. Die MD Methode wurde dann mit einer anderen, einfacheren Methode und mit den experimentellen Ergebnissen von ESI und IR-MALDI-IM Spektrometrie verglichen. Zudem wurde der Zusammenhang zwischen Ladungszustands- und Stoßquerschnittsdifferenzen zwischen den Peptiden untersucht. Weitere Strukturelle Informationen konnten aus den Simulationen extrahiert, und zur Charakterisierung der Peptiden verwendet werden. KW - Ion mobility spectrometry KW - Molecular dynamics KW - IR-MALDI KW - Peptides KW - Shadowgraphy KW - Liquid dispersion KW - Ionenmobilitätsspektrometrie KW - Molekulardynamik KW - Collision cross-section KW - IR-MALDI KW - Peptiden KW - Shadowgraphie KW - Stoßquerschnitt KW - Flüssigkeitszerstäubung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-419723 ER - TY - THES A1 - Dai, Xiaolin T1 - Synthesis of artificial building blocks for sortase-mediated ligation and their enzymatic linkage T1 - Synthese von artifiziellen Bausteinen für Sortase-vermittelte Ligationen und deren enzymatische Verknüpfung N2 - Das Enzym Sortase A katalysiert die Bildung einer Peptidbindung zwischen der Erkennungssequenz LPXTG und einem Oligoglycin. Während vielfältige Ligationen zwischen Proteinen und verschiedenen Biomolekülen, Proteinen und kleinen synthetischen Molekülen, sowie Proteinen und Oberflächen durchgeführt wurden, besteht das Ziel dieser Arbeit darin, die Sortase-katalysierte Verlinkung von synthetischen Bausteinen zu untersuchen. Dies könnte den Weg bereiten für die Anwendung von Sortase A für chemische Aufgabenstellungen und eventuell sogar in den Materialwissenschaften. Für diese grundsätzliche Untersuchung wurden die verwendeten Bausteine zunächst so einfach wie möglich gehalten und leicht zugängliche SiO2 Nanopartikel und kommerziell erhältliche Polymerblöcke ausgewählt. Die Bausteine wurden als erstes mit den Peptidsequenzen für Sortase-vermittelte Ligationen funktionalisiert. SiO2 Nanopartikel wurden mit Durchmessern von 60 und 200 nm hergestellt und mit C=C Doppelbindungen oberflächenmodifiziert. Dann wurden Peptide mit einem terminalen Cystein kovalent durch eine Thiol-en Reaktion angebunden. An die 60 nm NP wurden Peptide mit einem Pentaglycin und an die 200 nm Partikel Peptide mit LPETG Sequenz gebunden. Auf die gleiche Art und Weise wurden Peptide mit terminalem Cystein an die Polymere Polyethylenglykol (PEG) und Poly(N Isopropylacrylamid) (PNIPAM), die beide über C=C Endgruppen verfügen, gebunden und G5-PEG und PNIPAM-LPETG Konjugate erhalten. Mit den vier Bausteinen wurden nun durch Sortase-vermittelte Ligation NP–Polymer Hybride, NP–NP und Polymer–Polymer Strukturen hergestellt und die Produkte u. a. durch Transmissionselektronen-mikroskopie, MALDI-ToF Massenspektrometrie sowie Dynamische Lichtstreuung charakterisiert. Die Verlinkung dieser synthetischen Bausteine konnte eindeutig gezeigt werden. Das Verwenden von kommerziell erhältlichen Polymeren hat jedoch zu einem Gemisch der Polymer-Peptid Konjugate mit unmodifiziertem Polymer geführt, welches nicht gereinigt werden konnte. Deswegen wurden anschließend Synthesestrategien für reine Peptid-Polymer und Polymer-Peptid Konjugate als Bausteine für Sortase-vermittelte Ligationen entwickelt. Diese basieren auf der RAFT Polymerisation mit CTAs, die entweder an N- oder C-Terminus eines Peptids gebunden sind. GG-PNIPAM wurde durch das Anbinden eines geeigneten RAFT CTAs an Fmoc-GG in einer Veresterungsreaktion, Polymerisation von NIPAM und Abspalten der Fmoc Schutzgruppe synthetisiert. Weiterhin wurden mehrere Peptide durch Festphasen-Peptidsynthese erhalten. Die Anbindung eines RAFT CTAs (oder eines Polymerisationsinitiators) an den N-Terminus eines Peptids kann automatisiert als letzter Schritt in einem Peptid-Synthetisierer erfolgen. Die Synthese eines solchen Konjugats konnte in dem Zeithorizont dieser Arbeit noch nicht erreicht werden. Jedoch existieren mehrere vielversprechende Strategien, um diesen Ansatz mit verschiedenen Kopplungsreagenzien zur Anbindung des CTAs fortzusetzen. Solche Polymer Bausteine können in Zukunft für die Synthese von Protein-Polymer Konjugaten durch Sortase-Katalyse verwendet werden. Außerdem kann der Ansatz auch für die Synthese von Block-Copolymeren aus Polymerblöcken mit Peptidmotiven an beiden Enden ausgebaut werden. Auch wenn bei der grundsätzlichen Untersuchung im Rahmen dieser Arbeit Hybridstrukturen hergestellt wurden, die auch durch traditionelle chemische Synthesen erhalten werden könnten, wird ein Bausatz solcher Bausteine in Zukunft die Synthese neuer Materialien ermöglichen und kann auch den Weg für die Anwendung von Enzymen in den Materialwissenschaften ebnen. In Ergänzung zu Nanopartikeln und Block-Copolymeren können dann auch Hybridmaterialien unter Einbezug von Protein-basierten Bausteinen hergestellt werden. Daher könnten Sortase Enzyme zu einem Werkzeug werden, welches etablierte chemische Verlinkungstechniken ergänzt und mit den hoch spezifischen Peptidmotiven über funktionale Einheiten verfügt, die orthogonal zu allen chemischen Gruppen sind. N2 - The enzyme Sortase A catalyzes the formation of a peptide bond between the recognition sequence LPXTG and an oligoglycine. While manifold ligations between proteins and various biomolecules, proteins and small synthetic molecules as well as proteins and surfaces have been reported, the aim of this thesis was to investigate the sortase-catalyzed linkage between artificial building blocks. Hence, this could pave the way for the use of sortase A for tasks from a chemical point of view and maybe even materials science. For the proof of concept, the studied systems were kept as simple as possible at first by choosing easily accessible silica NPs and commercially available polymers. These building blocks were functionalized with peptide motifs for sortase-mediated ligation. Silica nanoparticles were synthesized with diameters of 60 and 200 nm and surface modified with C=C functionalities. Then, peptides bearing a terminal cysteine were covalently linked by means of a thiol-ene reaction. 60 nm SiO2 NPs were functionalized with pentaglycines, while peptides with LPETG motif were linked to 200 nm silica particles. Polyethyleneglycol (PEG) and poly(N isopropylacrylamide) (PNIPAM) were likewise functionalized with peptides by thiol-ene reaction between cysteine residues and C=C units in the polymer end groups. Hence, G5-PEG and PNIPAM-LPETG conjugates were obtained. With this set of building blocks, NP–polymer hybrids, NP–NP, and polymer–polymer structures were generated by sortase-mediated ligation and the product formation shown by transmission electron microscopy, MALDI-ToF mass spectrometry and dynamic light scatting, among others. Thus, the linkage of these artificial building blocks by the enzyme sortase A could be demonstrated. However, when using commercially available polymers, the purification of the polymer–peptide conjugates was impossible and resulted in a mixture containing unmodified polymer. Therefore, strategies were developed for the own synthesis of pure peptide-polymer and polymer-peptide conjugates as building blocks for sortase-mediated ligation. The designed routes are based on preparing polymer blocks via RAFT polymerization from CTAs that are attached to N- or C-terminus, respectively, of a peptide. GG-PNIPAM was synthesized through attachment of a suitable RAFT CTA to Fmoc-GG in an esterification reaction, followed by polymerization of NIPAM and cleavage of the Fmoc protection group. Furthermore, several peptides were synthesized by solid-phase peptide synthesis. The linkage of a RAFT CTA (or polymerization initiator) to the N-terminus of a peptide can be conducted in an automated fashion as last step in a peptide synthesizer. The synthesis of such a conjugate couldn’t be realized in the time frame of this thesis, but many promising strategies exist to continue this strategy using different coupling reagents. Such polymer building blocks can be used to synthesize protein-polymer conjugates catalyzed by sortase A and the approach can be carried on to the synthesis of block copolymers by using polymer blocks with peptide motifs on both ends. Although the proof of concept demonstrated in this thesis only shows examples that can be also synthesized by exclusively chemical techniques, a toolbox of such building blocks will enable the future formation of new materials and pave the way for the application of enzymes in materials science. In addition to nanoparticle systems and block copolymers, this also includes combination with protein-based building blocks to form hybrid materials. Hence, sortase could become an enzymatic tool that complements established chemical linking technologies and provides specific peptide motifs that are orthogonal to all existing chemical functional groups. KW - sortase-mediated ligation KW - enzyme KW - block copolymers KW - nanoparticles KW - Ligation KW - Enzym KW - Block-Copolymere KW - Nanopartikel Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-420060 ER - TY - THES A1 - Schimka, Selina T1 - Photoresponsive soft nano-objects BT - Non-colvalently bound azobenzene containing molecules and their interaction with DNA, microgels and upconverting nanopaticles to enable biological application Y1 - 2018 ER - TY - THES A1 - Abouserie, Ahed T1 - Ionic liquid precursors for multicomponent inorganic nanomaterials T1 - Ionische Flüssigkeiten als Vorstufe für anorganische Mehrkomponenten-Nanomaterialien N2 - Health effects, attributed to the environmental pollution resulted from using solvents such as benzene, are relatively unexplored among petroleum workers, personal use, and laboratory researchers. Solvents can cause various health problems, such as neurotoxicity, immunotoxicity, and carcinogenicity. As such it can be absorbed via epidermal or respiratory into the human body resulting in interacting with molecules that are responsible for biochemical and physiological processes of the brain. Owing to the ever-growing demand for finding a solution, an Ionic liquid can use as an alternative solvent. Ionic liquids are salts in a liquid state at low temperature (below 100 C), or even at room temperature. Ionic liquids impart a unique architectural platform, which has been interesting because of their unusual properties that can be tuned by simple ways such as mixing two ionic liquids. Ionic liquids not only used as reaction solvents but they became a key developing for novel applications based on their thermal stability, electric conductivity with very low vapor pressure in contrast to the conventional solvents. In this study, ionic liquids were used as a solvent and reactant at the same time for the novel nanomaterials synthesis for different applications including solar cells, gas sensors, and water splitting. The field of ionic liquids continues to grow, and become one of the most important branches of science. It appears to be at a point where research and industry can work together in a new way of thinking for green chemistry and sustainable production. N2 - Der Einfluss von kommerziellen organischen Lösungsmitteln auf den menschlichen Körper ist bekannt, jedoch nicht ausreichend untersucht worden. Spezielle Lösungsmittel wie Benzol, welche auch vermehrt in der Petrolchemie genutzt werden, zeigen akute Toxizität auf den biologischen Organismus. Daher ist der Bedarf der Verwendung eines alternativen Lösungsmittel groß. Ionische Flüssigkeiten können hier potentiell eine Alternative sein. Als Ionische Flüssigkeiten (ILs) werden Salze in flüssigem Zustand bei niedriger Temperatur (unter 100 °C) oder sogar bei Raumtemperatur definiert. Aufgrund ihrer Variabilität in der Zusammensetzung der strukturellen ionischen Moleküle ergeben sich ungewöhnliche Eigenschaften, welche auf einfachste Weise durch Mischen zweier ionischer Flüssigkeiten beliebig angepasst werden können. ILs werden sowohl als gewöhnliche Lösungsmittel verwendet, jedoch entwickelten sie sich aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften vermehrt zu Reaktionsagenzien. Dies ist zurückzuführen auf ihre gute thermische Stabilität, elektrische Leitfähigkeit und ihrem geringen Dampfdruck. In dieser Arbeit wurden nun spezielle Ionische Flüssigkeiten speziell auf ihr Verhalten in chemischen Reaktionen als Reagenz untersucht. Als Ausgangsreaktion diente hierbei eine neuartige Synthese von Nanomaterialen, welche speziell in Solarzellen, Gassensoren und auch in der katalytischen Wasserspaltung genutzt werden. Das Anwendungspotenzial der ILs gewinnt immer mehr an Bedeutung und führt in der Forschung sowie auch in der Industrie zu neuen Denkweisen für nachhaltige Produktionen und auch Entwicklungen. KW - ionic liquids KW - Alkylpyridinium salts KW - Structure elucidation KW - Phase transitions KW - Nanoparticles KW - Metal Chalcogenides KW - Organic photovoltaic Cell KW - Ionische Flüssigkeiten KW - Alkylpyridinium-Salze KW - Strukturaufklärung KW - Phasenübergänge KW - Nanopartikel KW - Metallchalkogenide KW - Organische Photovoltaikzelle Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-418950 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 - Xiong, Tao T1 - Vibrationally resolved absorption, emission, resonance Raman and photoelectron spectra of selected organic molecules, associated radicals and cations T1 - Schwingungsaufgelöste Absorptions-, Emissions-, Resonanz-Raman- und Photoelektronenspektren ausgewählter organischer Moleküle, assoziierter Radikale und Kationen BT - a time-dependent approach BT - ein zeitabhängiger Ansatz N2 - Time-dependent correlation function based methods to study optical spectroscopy involving electronic transitions can be traced back to the work of Heller and coworkers. This intuitive methodology can be expected to be computationally efficient and is applied in the current work to study the vibronic absorption, emission, and resonance Raman spectra of selected organic molecules. Besides, the "non-standard" application of this approach to photoionization processes is also explored. The application section consists of four chapters as described below. In Chapter 4, the molar absorptivities and vibronic absorption/emission spectra of perylene and several of its N-substituted derivatives are investigated. By systematically varying the number and position of N atoms, it is shown that the presence of nitrogen heteroatoms has a negligible effect on the molecular structure and geometric distortions upon electronic transitions, while spectral properties are more sensitive: In particular the number of N atoms is important while their position is less decisive. Thus, N-substitution can be used to fine-tune the optical properties of perylene-based molecules. In Chapter 5, the same methods are applied to study the vibronic absorption/emission and resonance Raman spectra of a newly synthesized donor-acceptor type molecule. The simulated absorption/emission spectra agree fairly well with experimental data, with discrepancies being attributed to solvent effects. Possible modes which may dominate the fine-structure in the vibronic spectra are proposed by analyzing the correlation function with the aid of Raman and resonance Raman spectra. In the next two chapters, besides the above types of spectra, the methods are extended to study photoelectron spectra of several small diamondoid-related systems (molecules, radicals, and cations). Comparison of the photoelectron spectra with available experimental data suggests that the correlation function based approach can describe ionization processes reasonably well. Some of these systems, cationic species in particular, exhibit somewhat peculiar optical behavior, which presents them as possible candidates for functional devices. Correlation function based methods in a more general sense can be very versatile. In fact, besides the above radiative processes, formulas for non-radiative processes such as internal conversion have been derived in literature. Further implementation of the available methods is among our next goals. N2 - Molekülsysteme bestehen aus Kernen und Elektronen, deren viel kleinere Masse sie in die Lage versetzten, sich der Bewegung des ersteren augenblicklich anzupassen. Daher ist die Bewegung der Elektronen und Kerne in einer guten ersten Annäherung "unabhängig", und die Energie der Elektronen kann zuerst berechnet werden, vorausgesetzt, die Kerne sind stationär. Die so gewonnene elektronische Energie wird zur Abstoßungsenergie zwischen den Kernen addiert, um ein Potential zu erhalten, das die Bewegung der Kerne bestimmt. Quantenmechanisch können sowohl die Elektronen als auch die Kerne nur bestimmte Energieniveaus haben. Die molekulare vibronische (= Schwingung + Elektronik) Absorptionsspektroskopie beinhaltet den Übergang der Elektronen und Kerne von ihrem Anfangs- in ihren Endzustand durch Photonenabsorption. Die größere elektronische Übergangsenergie bestimmt die Position des Absorptionsmaximums, während die kleinere nukleare Schwingungsübergangsenergie (ohne Berücksichtigung von Translation und Rotation) die Position der Teilmaxima innerhalb des Absorptionsbereichs bestimmt, wodurch die vibronische Feinstruktur entsteht. Ähnliche Ideen gelten auch für die vibronische Emissionsspektroskopie. Die Resonanz-Raman-Spektroskopie untersucht die Energieänderung des einfallenden Photons (dessen Energie ausreichend ist, um die Elektronen in einen höheren elektronischen Zustand anzuregen), nachdem es mit dem Molekül wechselwirkt. Der Energiegewinn oder -verlust des einfallenden Photons bewirkt eine Änderung des Schwingungszustandes. Die Photoelektronenspektroskopie ist ähnlich wie die vibronische Absorption, benötigt aber in der Regel mehr Energie des einfallenden Photons, da neben der Anregung des Moleküls in einen höheren vibronischen Zustand zusätzliche Energie benötigt wird, um ein Elektron aus dem Molekül zu entfernen. Diese spektroskopischen Techniken liefern wertvolle Informationen über die elektronische und nukleare Bewegung des Moleküls. Theoretisch können wir eine zeitabhängige Korrelationsfunktion verwenden, um die Spektren zu simulieren. Die Korrelationsfunktion für die Absorption ist beispielsweise eine Funktion der Zeit, deren Entwicklung Informationen über die elektronischen Energien und die nukleare Bewegung enthält. Um das Absorptionsspektrum in Form von Energie zu erhalten, wird ein mathematisches Verfahren, die so genannte Fourier-Transformation, auf die zeitabhängige Korrelationsfunktion angewendet, um ein energieabhängiges Spektrum zu erhalten. Diese Methode wird auf ausgewählte organische Moleküle, darunter einige Radikale und Kationen, angewandt, um deren elektronisches und optisches Verhalten unter dem Einfluss von einfallendem Licht zu untersuchen und Einblicke in das Design neuer optoelektronischer Bauelemente zu gewinnen. Bei einigen Molekülen/Systemen wird die vibronische Feinstruktur durch Faktoren wie molekulare Zusammensetzung und Umgebung wie Lösungsmittel beeinflusst, was darauf hindeutet, dass diese Systeme zur Feinabstimmung der gewünschten Eigenschaften verwendet werden können. Für andere Systeme gibt es fast keine sichtbare vibronische Feinstruktur, was bedeutet, dass sich die nukleare Bewegung solcher Systeme im Allgemeinen von derjenigen der vorherigen Kategorie unterscheidet. KW - vibrationally resolved electronic spectroscopy KW - photoelectron spectroscopy KW - resonance Raman spectroscopy KW - correlation function KW - ionization potential KW - time-dependent density functional theory KW - perylene KW - diamondoid KW - Schwingungsaufgelöste UV/VIS-Spektroskopie KW - Photoelektronenspektroskopie KW - Resonanz-Raman-Spektroskopie KW - Korrelationsfunktion KW - Ionisationspotential KW - Zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie KW - Perylen KW - Diamondoide Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-418105 ER - TY - THES A1 - Tan, Li T1 - Synthesis, assembly and thermo-responsivity of polymer-functionalized magnetic cobalt nanoparticles T1 - Synthese, Assemblierung und Temperatur-Responsivität von Polymer-funktionalisierten magnetischen Cobalt Nanopartikeln N2 - This thesis mainly covers the synthesis, surface modification, magnetic-field-induced assembly and thermo-responsive functionalization of superparamagnetic Co NPs initially stabilized by hydrophobic small molecules oleic acid (OA) and trioctylphosphine oxide (TOPO), as well as the synthesis of both superparamagnetic and ferromagnetic Co NPs by using end-functionalized-polystyrene as stabilizer. Co NPs, due to their excellent magnetic and catalytic properties, have great potential application in various fields, such as ferrofluids, catalysis, and magnetic resonance imaging (MRI). Superparamagnetic Co NPs are especially interesting, since they exhibit zero coercivity. They get magnetized in an external magnetic field and reach their saturation magnetization rapidly, but no magnetic moment remains after removal of the applied magnetic field. Therefore, they do not agglomerate in the body when they are used in biomedical applications. Normally, decomposition of metallic precursors at high temperature is one of the most important methods in preparation of monodisperse magnetic NPs, providing tunability in size and shape. Hydrophobic ligands like OA, TOPO and oleylamine are often used to both control the growth of NPs and protect them from agglomeration. The as-prepared magnetic NPs can be used in biological applications as long as they are transferred into water. Moreover, their supercrystal assemblies have the potential for high density data storage and electronic devices. In addition to small molecules, polymers can also be used as surfactants for the synthesis of ferromagnetic and superparamagnetic NPs by changing the reaction conditions. Therefore, chapter 2 gives an overview on the basic concept of synthesis, surface modification and self-assembly of magnetic nanoparticles. Various examples were used to illustrate the recent work. The hydrophobic Co NPs synthesized with small molecules as surfactants limit their biological applications, which require a hydrophilic or aqueous environment. Surface modification (e.g., ligand exchange) is a general idea for either phase transition or surface-functionalization. Therefore, in chapter 3, a ligand exchange process was conducted to functionalize the surface of Co NPs. PNIPAM is one of the most popular smart polymers and its lower critical solution temperature (LCST) is around 32 °C, with a reversible change in the conformation structure between hydrophobic and hydrophilic. The novel nanocomposites of superparamagnetic Co NPs and thermo-responsive PNIPAM are of great interest. Thus, well-defined superparamagnetic Co NPs were firstly synthesized through the thermolysis of cobalt carbonyl by using OA and TOPO as surfactants. A functional ATRP initiator, containing an amine (as anchoring group) and a 2-bromopropionate group (SI-ATRP initiator), was used to replace the original ligands. This process is rapid and facial for efficient surface functionalization and afterwards the Co NPs can be dispersed into polar solvent DMF without aggregation. FT-IR spectroscopy showed that the TOPO was completely replaced, but a small amount of OA remained on the surface. A TGA measurement allowed the calculation of the grafting density of the initiator as around 3.2 initiator/nm2. Then, the surface-initiated ATRP was conducted for the polymerization of NIPAM on the surface of Co NPs and rendered the nanocomposites water-dispersible. A temperature-dependent dynamic light scattering study showed the aggregation behavior of PNIPAM-coated Co NPs upon heating and this process was proven to be reversible. The combination of superparamagnetic and thermo-responsive properties in these hybrid nanoparticles is promising for future applications e.g. in biomedicine. In chapter 4, the magnetic-field-induced assembly of superparamagnetic cobalt nanoparticles both on solid substrates and at liquid-air interface was investigated. OA- and TOPO-coated Co NPs were synthesized via the thermolysis of cobalt carbonyl and dispersed into either hexane or toluene. The Co NP dispersion was dropped onto substrates (e.g., TEM grid, silicon wafer) and at liquid-air (water-air or ethylene glycol-air) interface. Due to the attractive dipolar interaction, 1-D chains formed in the presence of an external magnetic field. It is known that the concentration and the strength of the magnetic field can affect the assembly behavior of superparamagnetic Co NPs. Therefore, the influence of these two parameters on the morphology of the assemblies was studied. The formed 1-D chains were shorter and flexible at either lower concentration of the Co NP dispersion or lower strength of the external magnetic field due to thermal fluctuation. However, by increasing either the concentration of the NP dispersion or the strength of the applied magnetic field, these chains became longer, thicker and straighter. The reason could be that a high concentration led to a high fraction of short dipolar chains, and their interaction resulted in longer and thicker chains under applied magnetic field. On the other hand, when the magnetic field increased, the induced moments of the magnetic nanoparticles became larger, which dominated over the thermal fluctuation. Thus, the formed short chains connected to each other and grew in length. Thicker chains were also observed through chain-chain interaction. Furthermore, the induced moments of the NPs tended to direct into one direction with increased magnetic field, thus the chains were straighter. In comparison between the assembly on substrates, at water-air interface and at ethylene glycol-air interface, the assembly of Co NPs in hexane dispersion at ethylene glycol-air interface showed the most regular and homogeneous chain structures due to the better spreading of the dispersion on ethylene glycol subphase than on water subphase and substrates. The magnetic-field-induced assembly of superparamagnetic nanoparticles could provide a powerful approach for applications in data storage and electronic devices. Chapter 5 presented the synthesis of superparamagnetic and ferromagnetic cobalt nanoparticles through a dual-stage thermolysis of cobalt carbonyl (Co2(CO)8) by using polystyrene as surfactant. The amine end-functionalized polystyrene surfactants with different molecular weight were prepared via atom transfer radical polymerization technique. The molecular weight determination of polystyrene was conducted by gel permeation chromatography (GPC) and matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight (MALDI-ToF) mass spectrometry techniques. The results showed that, when the molecular weight distribution is low (Mw/Mn < 1.2), the measurement by GPC and MALDI-ToF MS provided nearly similar results. For example, the molecular weight of 10600 Da was obtained by MALDI-ToF MS, while GPC gave 10500 g/mol (Mw/Mn = 1.17). However, if the polymer is poly distributed, MALDI-ToF MS cannot provide an accurate value. This was exemplified for a polymer with a molecular weight of 3130 Da measured by MALDI-TOF MS, while GPC showed 2300 g/mol (Mw/Mn = 1.38). The size, size distribution and magnetic properties of the hybrid particles were different by changing either the molecular weight or concentration of the polymer surfactants. The analysis from TEM characterization showed that the size of cobalt nanoparticles stabilized with polystyrene of lower molecular weight (Mn = 2300 g/mol) varied from 12–22 nm, while the size with middle (Mn = 4500 g/mol) and higher molecular weight (Mn = 10500 g/mol) of polystyrene-coated cobalt nanoparticles showed little change. Magnetic measurements exhibited that the small cobalt particles (12 nm) were superparamagnetic, while larger particles (21 nm) were ferromagnetic and assembled into 1-D chains. The grafting density calculated from thermogravimetric analysis showed that a higher grafting density of polystyrene was obtained with lower molecular weight (Mn = 2300 g/mol) than those with higher molecular weight (Mn = 10500 g/mol). Due to the larger steric hindrance, polystyrene with higher molecular weight cannot form a dense shell on the surface of the nanoparticles, which resulted in a lower grafting density. Wide angle X-ray scattering measurements revealed the epsilon cobalt crystalline phases of both superparamagnetic Co NPs coated with polystyrene (Mn = 2300 g/mol) and ferromagnetic Co NPs coated with polystyrene (Mn = 10500 g/mol). Furthermore, a stability study showed that PS-Co NPs prepared with higher polymer concentration and polymer molecular weight exhibited a better stability. N2 - Im Rahmen dieser Arbeit wurden superparamagnetische Cobalt Nanopartikel (NP) synthetisiert, die Selbstassemblierung im Magnetfeld untersucht und die ursprünglichen Liganden Ölsäure (Englisch oleic acid, OA) und Trioctylphosphanoxid (TOPO) ersetzt, um eine Funktionalisierung der Nanopartikel mit einem Temperatur-responsiven Polymer zu erreichen. Außerdem wurden superparamagnetische und ferromagnetische Co NP mit Polystyrol als Stabilisator synthetisiert. Co NP haben aufgrund ihrer herausragenden magnetischen und katalytischen Eigenschaften viele potentielle Anwendungen beispielsweise als Ferrofluide, in der Katalyse und der Magnetresonanztomografie (Englisch magnetic resonance imaging, MRI). Besonders interessant sind dabei superparamagnetische Co NP, die in einem äußeren Magnetfeld magnetisiert werden, aber nach Entfernen des angelegten Magnetfelds keine Magnetisierung mehr aufweisen. Bei biomedizinischen Anwendungen aggregieren sie daher nicht im Körper. Hydrophobe Co NP, die von kleinen Molekülen stabilisiert werden, eignen sich nicht für biologische Anwendungen, für die ein hydrophiles oder wässriges Medium vonnöten ist. Kapitel 3 beschreibt einen Ligandenaustausch zur Funktionalisierung von Co Nanopartikeln und das Herstellen neuer Nanokomposite aus superparamagnetischen Co NP und Temperatur-responsivem PNIPAM. Zunächst wurden wohldefinierte superparamagnetische Co NP mit OA und TOPO als Stabilisatoren durch die Thermolyse von Cobalt Carbonyl synthetisiert. Die ursprünglichen Liganden wurden dann durch einen funktionalen Liganden mit einer Amingruppe (zum Binden an die Oberfläche) und einer 2 Brompropionat-Gruppe (Polymerisationsinitiator) ersetzt. Nach diesem schnellen und einfachen Prozess der Oberflächenfunktionalisierung können die Nanopartikel ohne Aggregation in dem polaren Lösungsmittel DMF dispergiert werden. Nach thermogravimetrischen Messungen konnte die Dichte der Initiatoren mit ungefähr 3,2 Initiatoren / nm2 berechnet werden. Anschließend wurde Oberflächen-initiierte ATRP zur Polymerisation von NIPAM durchgeführt. Temperatur-abhängige Messungen der dynamischen Lichtstreuung der nun in Wasser dispergierbaren Nanokomposite zeigte das reversible Aggregationsverhalten nach Erhitzen über 32 °C. Kapitel 4 behandelt die Untersuchung der Assemblierung von superparamagnetischen OA- und TOPO-stabilisierten Co NP im äußeren Magnetfeld sowohl auf festen Oberflächen als auch der Flüssigkeit-Luft Grenzfläche. Durch die anziehende dipolare Wechselwirkung bildeten sich im äußeren Magnetfeld 1-D Ketten. Der Einfluss der Konzentration der Dispersion und der Stärke des Magnetfelds auf die Morphologie der assemblierten Strukturen wurde untersucht. Bei niedrigerer Konzentration der Dispersion und geringerer Magnetfeldstärke bildeten sich kurze und flexible Ketten. Bei höherer Konzentration oder höherer Magnetfeldstärke wurden die Ketten länger, breiter und gerader. Andererseits sind die induzierten magnetischen Momente bei erhöhter Magnetfeldstärke größer und dominieren über die thermische Fluktuation. Daher verbinden sich die kurzen Ketten zu längeren, und dickere Ketten entstehen durch Interaktion benachbarter Ketten. Außerdem zeigen die induzierten Momente der NP verstärkt in die gleiche Richtung je größer das äußere Magnetfeld ist, weshalb die Ketten gerader werden. Im Vergleich der Assemblierung auf Substraten (TEM-Grids, Siliciumwafer), an der Wasser-Luft und Ethylenglycol-Luft Grenzfläche, zeigte die Assemblierung von Co NP aus Hexan-Dispersion an der Ethylenglycol-Luft Grenzfläche die geordnetsten und homogensten Strukturen. Kapitel 5 präsentierte die Synthese von superparamagnetischen und ferromagnetischen Cobalt Nanopartikeln durch die zwei-stufige Thermolyse von Cobalt Carbonyl (Co2(CO)8) mit Polystyrol als Stabilisator. Polystyrol Polymere mit Amin-Endgruppen wurden durch ATRP-Technik mit unterschiedlichen Molekulargewichten hergestellt. Die Größe, Größenverteilung und magnetischen Eigenschaften der hybriden Partikel haben sich mit dem Molekulargewicht und der Konzentration der Polymer-Stabilisatoren unterschieden. Eine Analyse mit Transmissionselektronenmikroskopie zeigte, dass die Größe der Co NP zwischen 12–22 nm variierte, wenn sie durch Polystyrol geringen Molekulargewichts (Mn = 2300 g/mol) stabilisiert wurden, während sich die Größe der Partikel mit Polystyrol mittleren (Mn = 4500 g/mol) und höheren (Mn = 10500 g/mol) Molekulargewichts kaum unterschied. Messungen der magnetischen Eigenschaften zeigten, dass die kleinen Cobalt Partikel (12 nm) superparamagnetisch waren, während größere Partikel (21 nm) ferromagnetisch waren und zu 1-D Ketten assemblierten. Die Dichte der Polymere auf der Oberfläche wurde nach einer thermogravimetrischen Analyse berechnet. Mit kleinem Molekulargewicht (Mn = 2300 g/mol) wurde eine höhere Dichte erreicht als mit hohem Molekulargewicht (Mn = 10500 g/mol). Durch eine stärker ausgeprägte sterische Hinderung kann ein Polymer hohen Molekulargewichts keine dichte Hülle um die Nanopartikel bilden. Das Vorliegen einer epsilon kristallinen Phase wurde durch Weitwinkel-Röntgenstreuung sowohl für superparamagnetische Co NP (mit PS Mn = 2300 g/mol) als auch ferromagnetische Co NP (mit PS Mn = 10500 g/mol) bestimmt. KW - magnetic nanoparticles KW - assembly KW - polymer KW - cobalt nanoparticles KW - magnetische Nanopartikel KW - Assemblierung KW - Polymer KW - Cobalt Nanopartikeln Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-418153 ER - TY - THES A1 - Lama, Sandy M. G. T1 - Functionalization of Porous Carbon Materials with Heteroatoms and Application as Supports in Industrial Heterogeneous Catalysis T1 - Funktionalisierung von porösen Kohlenstoffmaterialien mit Heteroatomen und Anwendung als Träger in der industriellen heterogenen Katalyse N2 - Due to a challenging population growth and environmental changes, a need for new routes to provide required chemicals for human necessities arises. An effective solution discussed in this thesis is industrial heterogeneous catalysis. The development of an advanced industrial heterogeneous catalyst is investigated herein by considering porous carbon nano-material as supports and modifying their surface chemistry structure with heteroatoms. Such modifications showed a significant influence on the performance of the catalyst and provided a deeper insight regarding the interaction between the surface structure of the catalyst and the surrounding phase. This thesis contributes to the few present studies about heteroatoms effect on the catalyst performance and emphasizes on the importance of understanding surface structure functionalization in a catalyst in different phases (liquid and gaseous) and for different reactions (hydrogenolysis, oxidation, and hydrogenation/ polymerization). Herein, the heteroatoms utilized for the modifications are hydrogen (H), oxygen (O), and nitrogen (N). The heteroatoms effect on the metal particle size, on the polarity of the support/ the catalyst, on the catalytic performance (activity, selectivity, and stability), and on the interaction with the surrounding phase has been explored. First hierarchical porous carbon nanomaterials functionalized with heteroatoms (N) is synthesized and applied as supports for nickel nanoparticles for hydrogenolysis process of kraft lignin in liquid phase. This reaction has been performed in batch and flow reactors for three different catalysts, two of comparable hierarchical porosity, yet one is modified with N and the other is not, and a third is a prepared catalyst from a commercial carbon support. The reaction production and analyses show that the catalysts with hierarchical porosity perform catalytically much better than in presence of a commercial carbon support with lower surface area. Moreover, the modification with N-heteroatoms enhanced the catalytic performance because the heteroatom modified porous carbon material with nickel nanoparticles catalyst (Ni-NDC) performed highest among the other catalysts. In the flow reactor, Ni-NDC selectively degraded the ether bonds (β-O-4) in kraft lignin with an activity of 2.2 x10^-4 mg lignin mg Ni-1 s-1 for 50 h at 350°C and 3.5 mL min-1 flow, providing ~99 % conversion to shorter chained chemicals (mainly guaiacol derivatives). Then, the functionalization of carbon surface was further studied in selective oxidation of glucose to gluconic acid using < 1 wt. % of gold (Au) deposited on the previously-mentioned synthesized carbon (C) supports with different functionalities (Au-CGlucose, Au-CGlucose-H, Au-CGlucose-O, Au-CGlucoseamine). Except for Au-CGlucose-O, the other catalysts achieved full glucose conversion within 40-120 min and 100% selectivity towards gluconic acid with a maximum activity of 1.5 molGlucose molAu-1 s-1 in an aqueous phase at 45 °C and pH 9. Each heteroatom influenced the polarity of the carbon differently, affecting by that the deposition of Au on the support and thus the activity of the catalyst and its selectivity. The heteroatom effect was further investigated in a gas phase. The Fischer-Tropsch reaction was applied to convert synthetic gas (CO and H2) to short olefins and paraffins using surface-functionalized carbon nanotubes (CNTs) with heteroatoms as supports for ion (Fe) deposition in presence and absence of promoters (Na and S). The results showed the promoted Fe-CNT doped with nitrogen catalyst to be stable up to 180 h and selective to the formation of olefins (~ 47 %) and paraffins (~6 %) with a conversion of CO ~ 92 % at a maximum activity of 94 *10^-5 mol CO g Fe-1 s-1. The more information given regarding this topic can open wide range of applications not only in catalysis, but in other approaches as well. In conclusion, incorporation of heteroatoms can be the next approach for an advanced industrial heterogeneous catalyst, but also for other applications (e.g. electrocatalysis, gas adsorption, or supercapacitors). N2 - Herausforderungen wie Bevölkerungszuwachs und Umweltveränderungen erfordern neue Wege, chemische Substanzen zu erzeugen, um menschliche Anforderungen zu befriedigen. Eine mögliche effektive Lösung dafür, welche in dieser Arbeit diskutiert wird ist die industrielle heterogene Katalyse. Es werden unter dem Einsatz poröser Kohlenstoffträger neue industrielle Katalysatoren untersucht und entwickelt wobei die Oberflächenstruktur dieser Trägermaterialien mit Heteroatomen modifiziert wird. Diese Modifikationen zeigten einen signifikanten Einfluss auf die Eigenschaften der Katalysatoren und erlaubten Rückschlüsse hinsichtlich der Interaktion zwischen Katalysatoroberfläche und umgebender Phase. Die vorliegende Arbeit trägt zu einigen wenigen existierenden Studien bei die sich mit den Einflüssen solcher Heteroatome auf Katalysatoren beschäftigen. Es wird versucht, die Wichtigkeit dieser Oberflächeneigenschaften in Reaktionen (Hydrogenolyse, Oxidation, Hydrierung/ Polymerisation) in verschiedenen Phasen (flüssig oder gasförmig) zu verstehen. Die für die Modifikationen eingesetzten Heteroatome sind Wasserstoff (H), Sauerstoff (O) und Stickstoff (N). Ihr Effekt auf die Größe der Metallpartikel, die Polarität der Träger bzw. Katalysatoren, die eigentlichen katalytischen Eigenschaften und die Interaktion mit der umgebenden Phase wurde untersucht. Zuerst wurden hierarchisch poröse Kohlenstoffmaterialien hergestellt, die mit Stickstoff als Heteroatome funktionalisiert wurden. Diese wurden als Trägermaterialien für Nickel-Nanopartikel in der Hydrogenolyse von Kraft Lignin in flüssiger Phase eingesetzt. Diese Reaktion wurde mit drei unterschiedlichen Katalysatoren in Batch- und Flussreaktoren durchgeführt. Zwei der Katalysatoren hatten vergleichbare hierarchische Porosität. Einer davon war mit Heteroatomen funktionalisiert, einer dagegen nicht. Ein dritter Katalysator wurde mit einem kommerziell erhältlichen Kohlenstoffmaterial hergestellt. Die Reaktion zeigte, dass die Katalysatoren mit hierarchischer Porosität deutlich bessere Eigenschaften zeigen als das kommerzielle Trägermaterial mit geringerer Oberfläche. Darüber hinaus zeigte sich, dass die Modifizierung mit Stickstoffatomen die katalytischen Eigenschaften verbessert, da das modifizierte Kohlenstoffmaterial mit den Nickelpartikeln (Ni-NDC) die besten Ergebnisse aller untersuchten Katalysatoren zeigte. Im Durchflussreaktor wurden von Ni-NDC die Etherbindungen des Kraft Lignins (β-O-4) selektiv mit einer Aktivität von 2.2 x10^-4 mg lignin mg Ni-1 s-1 für 50 h bei 99% Umsatz zu kurzkettigeren Strukturen (hauptsächlich Guajakol-Derivat) gespalten. Außerdem wurde der Einfluss der Funktionalisierung der Kohlenstoffoberfläche in der selektiven Oxidation von Glucose zu Gluconsäure mit 1 Gew.% Gold (Au) auf den vorher angesprochenen Kohlenstoffträgermaterialien mit unterschiedlichen Oberflächenfunktionalitäten (Au-CGlucose, Au-CGlucose-H, Au-CGlucose-O, Au-CGlucoseamine) untersucht. Mit Ausnahme von Au-CGlucose-O erreichten alle Katalysatoren innerhalb von 40-120 min 100% Glucose Umsatz bei 100%iger Selektivität zu Gluconsäure und einer maximalen katalytischen Aktivität von 1.5 molGlucose molAu-1 s-1 in wässriger Phase bei 45°C und pH 9. Die unterschiedlichen Heteroatome wirkten sich unterschiedlich auf die Polarität der Kohlenstoffe und damit auch auf die Abscheidung der Goldpartikel auf die Trägermaterialien und die Katalysatoraktivität und -selektivität aus. Der Einfluss der Heteroatome wurde außerdem in einer Gasphasenreaktion untersucht. Die Fischer-Tropsch Reaktion kam zum Einsatz um Synthesegas (CO und H2) mit Hilfe von Katalysatoren bestehend aus Eisen (Fe) auf Heteroatomfunktionalisierten Kohlenstoffnanoröhrchen (engl. Carbon nanotubes, CNTs) in Gegenwart und Abwesenheit von Promotoren (Na und S) zu kurzkettigen Olefinen und Paraffinen umzuwandeln. Die Ergebnisse zeigten dass die Fe-CNT Katalysatoren mit Promotoren und stickstoffdotierten Trägern bis zu 180 h stabil waren und Olefine (~ 47 %) sowie Paraffine (~6 %) mit guten Selektivitäten bei einem CO Umsatz von 92% und einer maximalen Aktivität von 94 *10^-5 mol CO gFe-1 s-1 hergestellt werden konnten. Je mehr Informationen zu diesem Thema zur Verfügung gestellt werden, kann dies zu einer großen Bandbreite von Anwendungen nicht nur in der Katalyse, sondern auch in anderen Ansätzen beitragen. Zusammenfassend kann der Einbau von Heteroatomen der nächste Ansatz für einen fortgeschrittenen industriellen heterogenen Katalysator sein, aber auch für andere Anwendungen (z.B. Elektrokatalyse, Gasadsorption oder Superkondensatoren). KW - catalysis KW - carbon material KW - carbon supports KW - glucose oxidation KW - Kraft lignin hydrogenolysis KW - Fischer-Tropsch Synthesis KW - Syngas Hydrogenation KW - gold-carbon catalysts KW - nickel-carbon catalysts KW - iron-carbon nanotube catalysts KW - hierarchical porosity KW - heteroatom modification KW - catalyst functionalization KW - Katalyse KW - Kohlenstoffmaterial KW - Kohlenstoffträger KW - Glukoseoxidation KW - Kraftlignin KW - Hydrogenolyse KW - Fischer-Tropsch-Synthese KW - Syngashydrierung KW - Gold-Kohlenstoff-Katalysatoren KW - Nickel-Kohlenstoff-Katalysatoren KW - Eisen-Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Katalysatoren KW - hierarchische Porosität KW - Heteroatom-Modifikation KW - Funktionalisierung von Katalysatoren Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-415797 ER - TY - THES A1 - Lee, Hui-Chun T1 - Toward ultimate control of polymerization and catalytic property T1 - In Richtung ultimative Kontrolle der Polymerisation und der katalytischen Eigenschaft BT - a combination of metal-organic frameworks and ATRP BT - eine Kombination von Metall-organischen Gerüsten und ATRP N2 - Reversible-deactivation radical polymerization (RDRP) is without any doubt one of the most prevalent and powerful strategies for polymer synthesis, by which well-defined living polymers with targeted molecular weight (MW), low molar dispersity (Ɖ) and diverse morphologies can be prepared in a controlled fashion. Atom transfer radical polymerization (ATRP) as one of the most extensive studied types of RDRP has been particularly emphasized due to the high accessibility to hybrid materials, multifunctional copolymers and diverse end group functionalities via commercially available precursors. However, due to catalyst-induced side reactions and chain-chain coupling termination in bulk environment, synthesis of high MW polymers with uniform chain length (low Ɖ) and highly-preserved chain-end fidelity is usually challenging. Besides, owing to the inherited radical nature, the control of microstructure, namely tacticity control, is another laborious task. Considering the applied catalysts, the utilization of large amounts of non-reusable transition metal ions which lead to cumbersome purification process, product contamination and complicated reaction procedures all delimit the scope ATRP techniques. Metal-organic frameworks (MOFs) are an emerging type of porous materials combing the properties of both organic polymers and inorganic crystals, characterized with well-defined crystalline framework, high specific surface area, tunable porous structure and versatile nanochannel functionalities. These promising properties of MOFs have thoroughly revolutionized academic research and applications in tremendous aspects, including gas processing, sensing, photoluminescence, catalysis and compartmentalized polymerization. Through functionalization, the microenvironment of MOF nanochannel can be precisely devised and tailored with specified functional groups for individual host-guest interactions. Furthermore, properties of high transition metal density, accessible catalytic sites and crystalline particles all indicate MOFs as prominent heterogeneous catalysts which open a new avenue towards unprecedented catalytic performance. Although beneficial properties in catalysis, high agglomeration and poor dispersibility restrain the potential catalytic capacity to certain degree. Due to thriving development of MOF sciences, fundamental polymer science is undergoing a significant transformation, and the advanced polymerization strategy can eventually refine the intrinsic drawbacks of MOF solids reversely. Therefore, in the present thesis, a combination of low-dimensional polymers with crystalline MOFs is demonstrated as a robust and comprehensive approach to gain the bilateral advantages from polymers (flexibility, dispersibility) and MOFs (stability, crystallinity). The utilization of MOFs for in-situ polymerizations and catalytic purposes can be realized to synthesize intriguing polymers in a facile and universal process to expand the applicability of conventional ATRP methodology. On the other hand, through the formation of MOF/polymer composites by surface functionalization, the MOF particles with environment-adjustable dispersibility and high catalytic property can be as-prepared. In the present thesis, an approach via combination of confined porous textures from MOFs and controlled radical polymerization is proposed to advance synthetic polymer chemistry. Zn2(bdc)2(dabco) (Znbdc) and the initiator-functionalized Zn MOFs, ZnBrbdc, are utilized as a reaction environment for in-situ polymerization of various size-dependent methacrylate monomers (i.e. methyl, ethyl, benzyl and isobornyl methacrylate) through (surface-initiated) activators regenerated by electron transfer (ARGET/SI-ARGET) ATRP, resulting in polymers with control over dispersity, end functionalities and tacticity with respect to distinct molecular size. While the functionalized MOFs are applied, due to the strengthened compartmentalization effect, the accommodated polymers with molecular weight up to 392,000 can be achieved. Moreover, a significant improvement in end-group fidelity and stereocontrol can be observed. The results highlight a combination of MOFs and ATRP is a promising and universal methodology to synthesize versatile well-defined polymers with high molecular weight, increment in isotactic trial and the preserved chain-end functionality. More than being a host only, MOFs can act as heterogeneous catalysts for metal-catalyzed polymerizations. A Cu(II)-based MOF, Cu2(bdc)2(dabco), is demonstrated as a heterogeneous, universal catalyst for both thermal or visible light-triggered ARGET ATRP with expanded monomer range. The accessible catalytic metal sites enable the Cu(II) MOF to polymerize various monomers, including benzyl methacrylate (BzMA), styrene, methyl methacrylate (MMA), 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate (DMAEMA) in the fashion of ARGET ATRP. Furthermore, due to the robust frameworks, surpassing the conventional homogeneous catalyst, the Cu(II) MOF can tolerate strongly coordinating monomers and polymerize challenging monomers (i.e. 4-vinyl pyridine, 2-vinyl pyridine and isoprene), in a well-controlled fashion. Therefore, a synthetic procedure can be significantly simplified, and catalyst-resulted chelation can be avoided as well. Like other heterogeneous catalysts, the Cu(II) MOF catalytic complexes can be easily collected by centrifugation and recycled for an arbitrary amount of times. The Cu(II) MOF, composed of photostimulable metal sites, is further used to catalyze controlled photopolymerization under visible light and requires no external photoinitiator, dye sensitizer or ligand. A simple light trigger allows the photoreduction of Cu(II) to the active Cu(I) state, enabling controlled polymerization in the form of ARGET ATRP. More than polymerization application, the synergic effect between MOF frameworks and incorporated nucleophilic monomers/molecules is also observed, where the formation of associating complexes is able to adjust the photochemical and electrochemical properties of the Cu(II) MOF, altering the band gap and light harvesting behavior. Owing to the tunable photoabsorption property resulting from the coordinating guests, photoinduced Reversible-deactivation radical polymerization (PRDRP) can be achieved to further simplify and fasten the polymerization. More than the adjustable photoabsorption ability, the synergistic strategy via a combination of controlled/living polymerization technique and crystalline MOFs can be again evidenced as demonstrated in the MOF-based heterogeneous catalysts with enhanced dispersibility in solution. Through introducing hollow pollen pivots with surface immobilized environment-responsive polymer, PDMAEMA, highly dispersed MOF nanocrystals can be prepared after associating on polymer brushes via the intrinsic amine functionality in each DMAEMA monomer. Intriguingly, the pollen-PDMAEMA composite can serve as a “smart” anchor to trap nanoMOF particles with improved dispersibility, and thus to significantly enhance liquid-phase photocatalytic performance. Furthermore, the catalytic activity can be switched on and off via stimulable coil-to-globule transition of the PDMAEMA chains exposing or burying MOF catalytic sites, respectively. N2 - Die sogenannte „Reversible-Deactivation Radical Polymerization (RDRP)“ ist eine der am häufigsten genutzten und leistungsstärksten Methoden für die Polymersynthese, mit Hilfe derer genau definierte Polymere mit gezieltem Molekulargewicht (MW), niedriger molarer Dispersität (Ɖ) und verschiedenen Morphologien hergestellt werden können. Die sogenannte „Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) ist eine der am intensivsten untersuchten RDRP Methoden, da sie eine hohe Zugänglichkeit zu Hybridmaterialien, multifunktionellen Copolymeren und diversen Endgruppenfunktionalitäten ermöglicht. Jedoch ist die Synthese von Polymeren mit hohem Molekulargewicht, niedriger Dispersität, exakten Endgruppen und der Steuerung der Taktizität für gewöhnlich schwierig. Außerdem führt die Verwendung von großen Mengen an nichtwiederverwendbaren Übergangsmetallionen zu einem umständlichen Reinigungsprozess, wobei Produktverunreinigungen und komplizierte Reaktionsverfahren die Anwendungsbereiche der ATRP Techniken weiter begrenzen. “Metal-organic frameworks (MOFs)“ sind eine vielversprechende Art von porösen Materialien, die die Eigenschaften von organischen Polymeren und anorganischen Kristallen in sich vereinen und sich durch ein kristallines Gerüst, hohe spezifische Oberflächen, einstellbare poröse Strukturen und vielseitige Nanokanal-Funktionalitäten auszeichnen. Diese vielversprechenden Eigenschaften von MOFs haben die akademische Forschung und ihre Anwendung vielseitig revolutioniert, einschließlich der Photolumineszenz, Katalyse und kompartimentierter Polymerisation. Durch gezielte Funktionalisierung kann die Mikroumgebung von MOF-Nanokanälen mit spezifischen funktionellen Gruppen für individuelle Schlüssel-Schloss-Wechselwirkungen präzise entworfen und maßgeschneidert werden. Darüber hinaus weist die hohe Übergangsmetalldichte, zugängliche katalytische Zentren und die kristallinen Partikel auf MOFs als herausragende heterogene Katalysatoren hin, welche eine vielversprechende Möglichkeit für zukünftige Anwendungen erlauben. Ungeachtet der vorteilhaften Eigenschaften in der Katalyse halten eine hohe Agglomerationstendenz und die schlechte Dispergierbarkeit die potentiellen katalytischen Vorteile bis zu einem gewissen Grad zurück. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Kombination von niederdimensionalen Polymeren mit kristallinen MOFs als robuster und umfassender Ansatz zur Erzielung der bilateralen Vorteile von Polymeren (Flexibilität, Dispergierbarkeit) und MOFs (Stabilität, Kristallinität) gezeigt. Die Verwendung von MOFs für in-situ-Polymerisationen und katalytische Zwecke kann realisiert werden, um verblüffende Polymere in einem einfachen und universellen Prozess zu synthetisieren, um die Anwendbarkeit herkömmlicher ATRP Methoden zu erweitern. MOFs können nicht nur als Gerüst dienen, sondern auch selbst als heterogene Katalysatoren für metall-katalysierte Polymerisationen, bedingt durch thermische Behandlung oder sichtbares Licht, fungieren. Auf der anderen Seite können MOF / Polymer-Komposite durch Oberflächenfunktionalisierung hergestellt werden, welche sich schließlich durch einstellbare Dispergierbarkeit und guter katalytischer Eigenschaften auszeichnen. KW - metal organic framework KW - controlled polymerization KW - environmental response KW - liquid-phase catalysis KW - confined polymerization KW - ATRP KW - visible light photocatalysis KW - metallorganischen Gerüstverbindungen KW - kontrollierte Polymerisation KW - Umweltreaktion KW - Flüssigphasenkatalyse KW - begrenzte Polymerisation KW - ATRP KW - sichtbares Licht Photokatalyse Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-414973 ER - TY - THES A1 - Nizardo, Noverra Mardhatillah T1 - Thermoresponsive block copolymers with UCST-behavior aimed at biomedical environments T1 - Thermoresponsive Blockcopolymere mit UCST-Verhalten unter biomedizinisch relevanten Bedingungen N2 - Thermoresponsive block copolymers of presumably highly biocompatible character exhibiting upper critical solution temperature (UCST) type phase behavior were developed. In particular, these polymers were designed to exhibit UCST-type cloud points (Tcp) in physiological saline solution (9 g/L) within the physiologically interesting window of 30-50°C. Further, their use as carrier for controlled release purposes was explored. Polyzwitterion-based block copolymers were synthesized by atom transfer radical polymerization (ATRP) via a macroinitiator approach with varied molar masses and co-monomer contents. These block copolymers can self-assemble in the amphiphilic state to form micelles, when the thermoresponsive block experiences a coil-to-globule transition upon cooling. Poly(ethylene glycol) methyl ether (mPEG) was used as the permanently hydrophilic block to stabilize the colloids formed, and polyzwitterions as the thermoresponsive block to promote the temperature-triggered assembly-disassembly of the micellear aggregates at low temperature. Three zwitterionic monomers were used for this studies, namely 3-((2-(methacryloyloxy)ethyl)dimethylammonio)propane-1-sulfonate (SPE), 4-((2-(methacryloyl- oxy)ethyl)dimethylammonio)butane-1-sulfonate (SBE), and 3-((2-(methacryloyloxy)ethyl)- dimethylammonio)propane-1-sulfate) (ZPE). Their (co)polymers were characterized with respect to their molecular structure by proton nuclear magnetic resonance (1H-NMR) and gel permeation chromatography (GPC). Their phase behaviors in pure water as well as in physiological saline were studied by turbidimetry and dynamic light scattering (DLS). These (co)polymers are thermoresponsive with UCST-type phase behavior in aqueous solution. Their phase transition temperatures depend strongly on the molar masses and the incorporation of co-monomers: phase transition temperatures increased with increasing molar masses and content of poorly water-soluble co-monomer. In addition, the presence of salt influenced the phase transition dramatically. The phase transition temperature decreased with increasing salt content in the solution. While the PSPE homopolymers show a phase transition only in pure water, the PZPE homopolymers are able to exhibit a phase transition only in high salinity, as in physiological saline. Although both polyzwitterions have similar chemical structures that differ only in the anionic group (sulfonate group in SPE and sulfate group in ZPE), the water solubility is very different. Therefore, the phase transition temperatures of targeted block copolymers were modulated by using statistical copolymer of SPE and ZPE as thermoresponsive block, and varying the ratio of SPE to ZPE. Indeed, the statistical copolymers of P(SPE-co-ZPE) show phase transitions both in pure water as well as in physiological saline. Surprisingly, it was found that mPEG-b-PSBE block copolymer can display “schizophrenic” behavior in pure water, with the UCST-type cloud point occurring at lower temperature than the LCST-type one. The block copolymer, which satisfied best the boundary conditions, is block copolymer mPEG114-b-P(SPE43-co-ZPE39) with a cloud point of 45°C in physiological saline. Therefore, it was chosen for solubilization studies of several solvatochromic dyes as models of active agents, using the thermoresponsive block copolymer as “smart” carrier. The uptake and release of the dyes were explored by UV-Vis and fluorescence spectroscopy, following the shift of the wavelength of the absorbance or emission maxima at low and high temperature. These are representative for the loaded and released state, respectively. However, no UCST-transition triggered uptake and release of these dyes could be observed. Possibly, the poor affinity of the polybetaines to the dyes in aqueous environtments may be related to the widely reported antifouling properties of zwitterionic polymers. N2 - Neue thermisch-responsive Blockcopolymere mit vermutlich hoher biokompatibilität wurden entwickelt, die ein Phasenverhalten mit oberer kritischer Lösungstemperatur (UCST) in wässriger zeigen. Insbesondere wurden diese Polymere so gestaltet, dass sie Trübungspunkte des UCST-Übergangs (Tcp) in physiologischer Kochsalzlösung (9 g/l) innerhalb des physiologischen interessanten Temperaturfensters von 30-50°C zeigen. Außerdem wurde ihre Eignung als Träger für kontrollierte Freisetzungszwecke untersucht. Diese Polyzwitterionen-basierte Blockcopolymere wurden durch „Atom transfer radikal polymerisation“ (ATRP) unter Verwendung eines Makroinitiators mit verschiedenen Molmassen und Anteilen von Comonomeren dargestellt. Diese Blockcopolymere können sich im amphiphilen Zustand zu Mizellen selbstorganisieren, wenn der thermisch-responsive Block beim Abkühlen einen Übergang vom Knäulen zur Kügel erfährt. Poly (ethylenglycol) methylether (mPEG) wurde als permanent hydrophiler Blockverwendet, der die gebildeten Kolloide stabilisiert, und Polyzwitterionen als thermisch-responsiver Block, der bei niedriger Temperatur die temperaturinduzierte Bildung von Mizellen bewirkt. Drei zwitterionische Monomere wurden für diese Untersuchungen verwendet, 3-((2-(meth- acryloyloxy)ethyl)dimethylammonio)propane-1-sulfonate (SPE), 4-((2-(methacryloyloxy)- ethyl)dimethylammonio)butane-1-sulfonate (SBE), und 3-((2-(methacryloyloxy)ethyl) dimethylammonio)propane-1-sulfate) (ZPE). Die (Co)Polymere wurden durch protonen-kernmagnetische Resonanz (1H-NMR) und Gelpermeationschromatographie (GPC) charakterisiert. Ihr Phasenübergangsverhalten im Wasser sowie in physiologischer Kochsalzlösung wurde durch Trübheitsmessungen und dynamische Lichtstreuung (DLS) untersucht. Diese (Co)Polymere sind thermisch-responsiv mit einem UCST-Übergang als Phasenverhalten in wässriger Lösung. Die Übergangstemperaturen hängen stark von den Molmassen und von dem Anteil der Co-Monomeren ab: Eine Vergrößerung der Molmasse und des Anteils an schwerwasserlöslichem Comonomer führt zu einer Erhöhung der Phasenübergangstemperaturen. Des Weiteren beeinflusst ein Salzzusatz den Phasenübergang sehr stark. Während die PSPE-Homopolymere nur in Wasser einen Phasenübergang aufweisen, zeigen die PZPE-Homopolymere nur bei hohem Salzgehalt, wie in physiologischer Kochsalzlösung, einen Phasenübergang. Obwohl beide Polyzwitterionen ähnliche chemische Strukturen besitzen und sich nur in der anionischen Gruppe (Sulfonatgruppe in SPE und Sulfatgruppe in ZPE) unterscheiden, ist die Wasserlöslichkeit sehr verschieden. Daher wurden die Phasenübergangstemperaturen der Blockcopolymere durch Verwendung von statistischen Copolymeren aus SPE und ZPE als thermisch-responsivem Block mittels des Verhältnisses von SPE zu ZPE moduliert. Solche statistischen Copolymere P(SPE-co-ZPE) zeigen Phasenübergänge sowohl in Wasser als auch in physiologischer Kochsalzlösung. Darüber hinaus wurde überraschenderweise gefunden, dass PSBE-basierte Blockcopolymer z. T. "schizophrenes" Verhalten in Wasser besitzen, wobei der Trübungspunkt des UCST-Übergangs niedriger als der des LCST-Übergangs liegt. Das Blockcopolymer mPEG114-b-P(SPE43-co-ZPE39) erfüllte am besten die Zielsetzung mit einem Trübungspunkt von 45°C in physiologischer Kochsalzlösung. Deswegen wurde es für Solubilisierungsexperimente verschiedener solvatochromer Farbstoffe als Modelle von Wirkstoffen ausgewählt, wobei die Eignung des thermisch-responsiven Blockcopolymers als "intelligenter" Träger untersucht wurde. Die Aufnahme und Freisetzung der Farbstoffe wurden durch UV-Vis- und Fluoreszenzspektroskopie anhand der Verschiebung der Wellenlänge der Extinktions- oder Emissionsmaxima bei niedriger und hoher Temperatur verfolgt. Diese Temperaturen entsprechen dem aggregierten bzw. gelösten Zustand des Polymeren. Jedoch wurde keine Aufnahme und Freisetzung dieser Farbstoffe durch UCST-Übergang beobachtet. Möglicherweise hängt die schwache Affinität der Polybetaine zu den Farbstoffen in wässrigen Systemen mit den bekannten Antifouling-Eigenschaften von zwitterionischen Polymeren zusammen. KW - block copolymer KW - thermoresponsive KW - polyzwitterion KW - upper critical solution temperature KW - self-assembly KW - Blockcopolymer KW - thermoresponsiv KW - Polyzwitterion KW - obere kritische Lösetemperatur KW - Selbstorganisation Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-412217 ER - TY - THES A1 - Chaleawlert-Umpon, Saowaluk T1 - Sustainable electrode materials based on lignin T1 - Ligninbasierte nachhaltige Elektrodenmaterialien N2 - The utilization of lignin as renewable electrode material for electrochemical energy storage is a sustainable approach for future batteries and supercapacitors. The composite electrode was fabricated from Kraft lignin and conductive carbon and the charge storage contribution was determined in terms of electrical double layer (EDL) and redox reactions. The important factors at play for achieving high faradaic charge storage capacity contribute to high surface area, accessibility of redox sites in lignin and their interaction with conductive additives. A thinner layer of lignin covering the high surface area of carbon facilitates the electron transfer process with a shorter pathway from the active sites of nonconductive lignin to the current collector leading to the improvement of faradaic charge storage capacity. Composite electrodes from lignin and carbon would be even more sustainable if the fluorinated binder can be omitted. A new route to fabricate a binder-free composite electrode from Kraft lignin and high surface area carbon has been proposed by crosslinking lignin with glyoxal. A high molecular weight of lignin is obtained to enhance both electroactivity and binder capability in composite electrodes. The order of the processing step of crosslinking lignin on the composite electrode plays a crucial role in achieving a stable electrode and high charge storage capacity. The crosslinked lignin based electrodes are promising since they allow for more stable, sustainable, halogen-free and environmentally benign devices for energy storage applications. Furthermore, improvement of the amount of redox active groups (quinone groups) in lignin is useful to enhance the capacity in lithium battery applications. Direct oxidative demethylation by cerium ammonium nitrate has been carried out under mild conditions. This proves that an increase of quinone groups is able to enhance the performance of lithium battery. Thus, lignin is a promising material and could be a good candidate for application in sustainable energy storage devices. N2 - Die Verwendung von Lignin als erneuerbares Ausgangsmaterial für Elektroden ist ein nachhaltiger Ansatz für die Herstellung der nächsten Generation von Batterien und Superkondensatoren. In dieser Arbeit werden Verbundelektroden auf der Basis von Kraft-Lignin und leitfähigem Kohlenstoff hergestellt und getestet. Die Beiträge des Aufbaus einer elektrischen Doppelschicht (EDL) und der Redoxreaktionen zur Kapazität der Elektrode werden diskutiert. Die wichtigsten Faktoren um eine hohe faradaysche Kapazität der aktiven Gruppen in Lignin zu erreichen sind eine große Oberfläche, die Zugänglichkeit der redoxaktiven Gruppen, sowie die Wechselwirkung mit leitfähigen Additiven. Dabei verringert eine dünnere Ligninschicht auf der Oberfläche des leitfähigen Kohlenstoffs den Elektronentransportweg zwischen den redoxaktiven Gruppen und dem Stromabnehmer und wirkt sich somit positiv auf die faradaysche Kapazität aus. Traditionelle Verbundelektroden enthalten in der Regel fluorierte Bindemittel, was deren Nachhaltigkeit in Frage stellt. Die Verwendung von Glyoxal als Quervernetzer für Lignin stellt eine Alternative zur Herstellung von bindemittelfreien ligninbasierten Verbundelektroden dar. Durch die Quervernetzung wird Lignin mit hohem Molekulargewicht erhalten, was sich insbesondere vorteilhaft auf die Stabilität der Elektroden auswirkt. Für das Erreichen einer hohen Kapazität spielt allerdings die Reihenfolge der Produktionsschritte eine entscheidende Rolle, was hier auch diskutiert wird. Eine Erhöhung der Anzahl an redoxativen Gruppen, insbesondere Chinon-Funktionalitäten, im Lignin führt darüber hinaus zur Erhöhung der Kapazität in primären Lithiumbatterien. Die direkte oxidative Demethylierung von Phenylethern mit Hilfe von Cerammoniumnitrat wurde in dieser Arbeit unter milden Reaktionsbedingungen durchgeführt und die verbesserte Kapazität in Lithiumbatterien aufgrund der erhöhten Anzahl an redoxaktiven Gruppen aufgezeigt. Abschließend kann Lignin, quervernetzt oder oxidiert, als vielversprechender Wegbereiter für nachhaltige Materialen in der Energiespeicherung angesehen werden. KW - lignin KW - energy storage KW - sustainable energy storage materials KW - Lignin KW - Energiespeicher KW - nachhaltige Energiespeichermaterialien Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-411793 ER - TY - THES A1 - Chen, Guoxiang T1 - Nanoparticles at solid interfaces N2 - Nanoparticles (NPs) are particles between 1 and 100 nanometers in size. They have attracted enormous research interests owing to their remarkable physicochemical properties and potential applications in the optics, catalysis, sensing, electronics, or optical devices. The thesis investigates systems of NPs attached to planar substrates. In the first part of the results section of the thesis a new method is presented to immobilize NPs. In many NP applications a strong, persistent adhesion to substrates is a key requirement. Up to now this has been achieved with various methods, which are not always the optimum regarding adhesion strength or applicability. We propose a new method which uses capillarity to enhance the binding agents in the contact area between NP and substrate. The adhesion strength resulting from the new approach is investigated in detail and it is shown that the new approach is superior to older methods in several ways. The following section presents the optical visualization of nano-sized objects through a combination of thin film surface distortion and interference enhanced optical reflection microscopy. It is a new, fast and non-destructive technique. It not only reveals the location of NPs as small as 20nm attached to planar surfaces and embedded in a molecularly thin liquid film. It also allows the measurement of the geometry of the surface distortion of the liquid film. Even for small NPs the meniscus reaches out for micrometers, which is the reason why the NPs produce such a pronounced optical footprint. The nucleation and growth of individual bubbles is presented in chapter 5. Nucleation is a ubiquitous natural phenomenon and of great importance in numerous industrial processes. Typically it occurs on very small scales (nanometers) and it is of a random nature (thermodynamics of small systems). Up to now most experimental nucleation studies deal with a large number of individual nucleation processes to cope with its inherently statistical, spatio-temporal character. In contrast, in this thesis the individual O2-bubble formation from single localized platinum NP active site is studied experimentally. The bubble formation is initiated by the catalytic reaction of H2O2 on the Pt surface. It is studied how the bubble nucleation and growth depends on the NP size, the H2O2 concentration and the substrate surface properties. It is observed that in some cases the bubbles move laterally over the substrate surface, driven by the O2-production and the film ablation. KW - Nanoparticles, Adhesion, Interfaces, Bubble, Imaging Y1 - 2018 ER - TY - THES A1 - Li, Lina T1 - Preparation of novel photoactive materials T1 - Herstellung von neuen photoaktiven Materialien BT - different pre-compositions, post-modifications and improved performance BT - verschiedene Vorzusammensetzungen, Post-Modifikationen und verbesserte Leistung N2 - Photocatalysis is considered significant in this new energy era, because the inexhaustibly abundant, clean, and safe energy of the sun can be harnessed for sustainable, nonhazardous, and economically development of our society. In the research of photocatalysis, the current focus was held by the design and modification of photocatalyst. As one of the most promising photocatalysts, g-C3N4 has gained considerable attention for its eye-catching properties. It has been extensively explored in photocatalysis applications, such as water splitting, organic pollutant degradation, and CO2 reduction. Even so, it also has its own drawbacks which inhibit its further application. Inspired by that, this thesis will mainly present and discuss the process and achievement on the preparation of some novel photocatalysts and their photocatalysis performance. These materials were all synthesized via the alteration of classic g-C3N4 preparation method, like using different pre-compositions for initial supramolecular complex and functional group post-modification. By taking place of cyanuric acid, 2,5-Dihydroxy-1,4-benzoquinone and chloranilic acid can form completely new supramolecular complex with melamine. After heating, the resulting products of the two complex shown 2D sheet-like and 1D fiber-like morphologies, respectively, which maintain at even up to high temperature of 800 °C. These materials cover crystals, polymers and N-doped carbons with the increase of synthesis temperature. Based on their different pre-compositions, they show different dye degradation performances. For CLA-M-250, it shows the highest photocatalytic activity and strong oxidation capacity. It shows not only great photo-performance in RhB degradation, but also oxygen production in water splitting. In the post-modification method, a novel photocatalysis solution was proposed to modify carbon nitride scaffold with cyano group, whose content can be well controlled by the input of sodium thiocyanate. The cyanation modification leads to narrowed band gap as well as improved photo-induced charges separation. Cyano group grafted carbon nitride thus shows dramatically enhanced performance in the photocatalytic coupling reaction between styrene and sodium benzenesulfinate under green light irradiation, which is in stark contrast with the inactivity of pristine g-C3N4. N2 - Die Sonne stellt eine Quelle für unerschöpfliche, saubere und sichere Energie dar, die für eine nachhaltige, ungefährliche und ökonomische Entwicklung unserer Gesellschaft genutzt werden kann, daher wird Photokatalyse heutzutage als äußerst vielversprechend angesehen. Bei der Erforschung der Photokatalyse lag der Fokus auf dem Design und der Modifizierung von Photokatalysatoren. Als einer der vielversprechendsten Photokatalysatoren hat sich g-C3N4 erwiesen. Es wurde ausführlich für Anwendungen wie z.B. Wasserspaltung, den Abbau organischer Schadstoffe und CO2-Reduktion untersucht. Trotzdem hat es auch Nachteile, die eine weitere Anwendung erschweren. Deshalb wird in dieser Arbeit hauptsächlich die Herstellung und Eigenschaften von neuartigen auf auf g-C3N4 basierenden Photokatalysatoren vorgestellt und diskutiert. Diese Materialien wurden mittels Verfahren hergestellt, bei denen die klassische g-C3N4-Herstellungsmethode geändert wurde, wie z.B. durch die Verwendung unterschiedlicher Zusammensetzungen und durch die Modifizierung von funktionellen Gruppen. Im Vergleich zu g-C3N4 weisen diese neu hergestellten Materialien unterschiedliche photokatalytische Eigenschaften auf. KW - photocatalysis KW - Photokatalyse KW - CN materials KW - CN-Materialien KW - supramolecular KW - Supramolekular KW - post-modification KW - Post-Modifikationen Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-410952 ER - TY - THES A1 - Zhang, Quanchao T1 - Shape-memory properties of polymeric micro-scale objects prepared by electrospinning and electrospraying N2 - The ongoing trend of miniaturizing multifunctional devices, especially for minimally-invasive medical or sensor applications demands new strategies for designing the required functional polymeric micro-components or micro-devices. Here, polymers, which are capable of active movement, when an external stimulus is applied (e.g. shape-memory polymers), are intensively discussed as promising material candidates for realization of multifunctional micro-components. In this context further research activities are needed to gain a better knowledge about the underlying working principles for functionalization of polymeric micro-scale objects with a shape-memory effect. First reports about electrospun solid microfiber scaffolds, demonstrated a much more pronounced shape-memory effect than their bulk counterparts, indicating the high potential of electrospun micro-objects. Based on these initial findings this thesis was aimed at exploring whether the alteration of the geometry of micro-scale electrospun polymeric objects can serve as suitable parameter to tailor their shape-memory properties. The central hypothesis was that different geometries should result in different degrees of macromolecular chain orientation in the polymeric micro-scale objects, which will influence their mechanical properties as well as thermally-induced shape-memory function. As electrospun micro-scale objects, microfiber scaffolds composed of hollow microfibers with different wall thickness and electrosprayed microparticles as well as their magneto-sensitive nanocomposites all prepared from the same polymer exhibiting pronounced bulk shape-memory properties were investigated. For this work a thermoplastic multiblock copolymer, named PDC, with excellent bulk shape-memory properties, associated with crystallizable oligo(ε-caprolactone) (OCL) switching domains, was chosen for the preparation of electrospun micro-scale objects, while crystallizable oligo(p-dioxanone) (OPDO) segments serve as hard domains in PDC. In the first part of the thesis microfiber scaffolds with different microfiber geometries (solid or hollow with different wall thickness) were discussed. Hollow microfiber based PDC scaffolds were prepared by coaxial electrospinning from a 1, 1, 1, 3, 3, 3 hexafluoro-2-propanol (HFP) solution with a polymer concentration of 13% w·v-1. Here as a first step core-shell fiber scaffolds consisting of microfibers with a PDC shell and sacrificial poly(ethylene glycol) (PEG) core are generated. The hollow PDC microfibers were achieved after dissolving the PEG core with water. The utilization of a fixed electrospinning setup and the same polymer concentration of the PDC spinning solution could ensure the fabrication of microfibers with almost identical outer diameters of 1.4 ± 0.3 µm as determined by scanning electron microscopy (SEM). Different hollow microfiber wall thicknesses of 0.5 ± 0.2 and 0.3 ± 0.2 µm (analyzed by SEM) have been realized by variation of the mass flow rate, while solid microfibers were obtained by coaxial electrospinning without supplying any core solution. Differential scanning calorimetry experiments and tensile tests at ambient temperature revealed an increase in degree of OCL crystallinity form χc,OCL = 34 ± 1% to 43 ± 1% and a decrease in elongation of break from 800 ± 40% to 200 ± 50% associated with an increase in Young´s modulus and failture stress for PDC hollow microfiber scaffolds when compared with soild fibers. The observed effects were enhanced with decreasing wall thickness of the single hollow fibers. The shape-memory properties of the electrospun PDC scaffolds were quantified by cyclic, thermomechanical tensile tests. Here, scaffolds comprising hollow microfibers exhibited lower shape fixity ratios around Rf = 82 ± 1% and higher shape recovery ratios of Rr = 67 ± 1% associated to more pronounced relaxation at constant strain during the first test cycle and a lower switching temperature of Tsw = 33 ± 1 °C than the fibrous meshes consisting of solid microfibers. These findings strongly support the central hypothesis that different fiber geometries (solid or hollow with different wall thickness) in electrospun scaffolds result in different degrees of macromolecular chain orientation in the polymeric micro-scale objects, which can be applied as design parameter for tailoring their mechanical and shape-memory properties. The second part of the thesis deals with electrosprayed particulate PDC micro-scale objects. Almost spherical PDC microparticles with diameters of 3.9 ± 0.9 μm (as determined by SEM) were achieved by electrospraying of HFP solution with a polymer concentration of 2% w·v-1. In contrast, smaller particles with sizes of 400 ± 100 nm or 1.2 ± 0.3 μm were obtained for the magneto-sensitive composite PDC microparticles containing 23 ± 0.5 wt% superparamagnetic magnetite nanoparticles (mNPs). All prepared PDC microparticles exhibited a similar overall crystallinity like the PDC bulk material as analyzed by DSC. AFM nanoindentation results revealed no influence of the nanofiller incorporation on the local mechanical properties represented by the reduced modulus determined for pure PDC microparticles and magneto-sensitive composite PDC microparticles with similar diameters around 1.3 µm. It was found that the reduced modulus of the nanocomposite microparticles increased substantially with decreasing particles size from 2.4 ± 0.9 GPa (1.2 µm) to 11.9 ± 3.1 GPa (0.4 µm), which can be related to a higher orientation of the macromolecules at the surface of smaller sized microparticles. The magneto-sensitivity of such nanocomposite microparticles could be demonstrated in two aspects. One was by attracting/collecting the composite micro-objects with an external permanent magnet. The other one was by a inductive heating to 44 ± 1 °C, which is well above the melting transition of the OCL switching domains, when compacted to a 10 x 10 mm2 film with a thickness of 10 µm and exposed to an alternating magnet field with an magnetic field strength of 30 kA·m-1. Both functions are of great relevance for designing next generation drug delivery systems combining targeting and on demand release. By a compression approach shape-memory functionalization of individual microparticles could be realized. Here different programming pressures and compression temperatures were applied. The shape-recovery capability of the programmed PDC microparticles was quantified by online and off-line heating experiments analyzed via microscopy measurement. The obtained shape-memory properties were found to be strongly depending on the applied programming pressure and temperature. The best shape-memory performance with a high shape recovery rate of about Rr = 80±1% was obtained when a low pressure of 0.2 MPa was applied at 55 °C. Finally, it was demonstrated that PDC microparticles can be utilized as micro building parts for preparation of a macroscopic film with temporary stability by compression of a densely packed array of PDC microparticles at 60 °C followed by subsequent cooling to ambient temperature. This film disintegrates into individual microparticles upon heating to 60 °C. Based on this technology the design of stable macroscopic release systems can be envisioned, which can be easily fixed at the site of treatment (i.e. by suturing) and disintegrate on demand to microparticles facilitating the drug release. In summary, the results of this thesis could confirm the central hypothesis that the variation of the geometry of polymeric micro-objects is a suitable parameter to adjust their shape-memory performance by changing the degree of macromolecular chain orientation in the specimens or by enabling new functions like on demand disintegration. These fundamental findings might be relevant for designing novel miniaturized multifunctional polymer-based devices. KW - shape-memory effect KW - microparticles KW - hollow microfibers KW - geometry Y1 - 2018 ER - TY - THES A1 - Wang, Li T1 - Reprogrammable, magnetically controlled polymer actuators T1 - Reprogrammierbar, magnetisch gesteuerte Polymeraktuatoren N2 - 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. N2 - 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. KW - materials science KW - actuator KW - magnetic nanoparticles KW - shape-memory polymer KW - nanocomposite KW - Aktuator KW - magnetische Nanopartikel KW - Formgedächtnispolymer KW - Nanokomposite Y1 - 2018 ER -