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Magnetische Eisenoxidnanopartikel werden bereits seit geraumer Zeit erfolgreich als MRT-Kontrastmittel in der klinischen Bildgebung eingesetzt. Durch Optimierung der magnetischen Eigenschaften der Nanopartikel kann die Aussagekraft von MR-Aufnahmen verbessert und somit der diagnostische Wert einer MR-Anwendung weiter erhöht werden. Neben der Verbesserung bestehender Verfahren wird die bildgebende Diagnostik ebenso durch die Entwicklung neuer Verfahren, wie dem Magnetic Particle Imaging, vorangetrieben. Da hierbei das Messsignal von den magnetischen Nanopartikeln selbst erzeugt wird, birgt das MPI einen enormen Vorteil hinsichtlich der Sensitivität bei gleichzeitig hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung. Da es aktuell jedoch keinen kommerziell vertriebenen in vivo-tauglichen MPI-Tracer gibt, besteht ein dringender Bedarf an geeigneten innovativen Tracermaterialien. Daraus resultierte die Motivation dieser Arbeit biokompatible und superparamagnetische Eisenoxidnanopartikel für den Einsatz als in vivo-Diagnostikum insbesondere im Magnetic Particle Imaging zu entwickeln. Auch wenn der Fokus auf der Tracerentwicklung für das MPI lag, wurde ebenso die MR-Performance bewertet, da geeignete Partikel somit alternativ oder zusätzlich als MR-Kontrastmittel mit verbesserten Kontrasteigenschaften eingesetzt werden könnten.
Die Synthese der Eisenoxidnanopartikel erfolgte über die partielle Oxidation von gefälltem Eisen(II)-hydroxid und Green Rust sowie eine diffusionskontrollierte Kopräzipitation in einem Hydrogel.
Mit der partiellen Oxidation von Eisen(II)-hydroxid und Green Rust konnten erfolgreich biokompatible und über lange Zeit stabile Eisenoxidnanopartikel synthetisiert werden. Zudem wurden geeignete Methoden zur Formulierung und Sterilisierung etabliert, wodurch zahlreiche Voraussetzungen für eine Anwendung als in vivo-Diagnostikum geschaffen wurden. Weiterhin ist auf Grundlage der MPS-Performance eine hervorragende Eignung dieser Partikel als MPI-Tracer zu erwarten, wodurch die Weiterentwicklung der MPI-Technologie maßgeblich vorangetrieben werden könnte. Die Bestimmung der NMR-Relaxivitäten sowie ein initialer in vivo-Versuch zeigten zudem das große Potential der formulierten Nanopartikelsuspensionen als MRT-Kontrastmittel. Die Modifizierung der Partikeloberfläche ermöglicht ferner die Herstellung zielgerichteter Nanopartikel sowie die Markierung von Zellen, wodurch das mögliche Anwendungsspektrum maßgeblich erweitert wurde.
Im zweiten Teil wurden Partikel durch eine diffusionskontrollierte Kopräzipitation im Hydrogel, wobei es sich um eine bioinspirierte Modifikation der klassischen Kopräzipitation handelt, synthetisiert, wodurch Partikel mit einer durchschnittlichen Kristallitgröße von 24 nm generiert werden konnten. Die Bestimmung der MPS- und MR-Performance elektrostatisch stabilisierter Partikel ergab vielversprechende Resultate. In Vorbereitung auf die Entwicklung eines in vivo-Diagnostikums wurden die Partikel anschließend erfolgreich sterisch stabilisiert, wodurch der kolloidale Zustand in MilliQ-Wasser über lange Zeit aufrechterhalten werden konnte. Durch Zentrifugation konnten die Partikel zudem erfolgreich in verschiedene Größenfraktionen aufgetrennt werden. Dies ermöglichte die Bestimmung der idealen Aggregatgröße dieses Partikelsystems in Bezug auf die MPS-Performance.
Die herausragenden mechanischen Eigenschaften natürlicher anorganisch-organischer Kompositmaterialien wie Knochen oder Muschelschalen entspringen ihrer hierarchischen Struktur, die von der nano- bis hinauf zur makroskopischen Ebene reicht, und einer kontrollierten Verbindung entlang der Grenzflächen der anorganischen und organischen Komponenten.
Ausgehend von diesen Schlüsselprinzipien des biologischen Materialdesigns wurden in dieser Arbeit zwei Konzepte für die bioinspirierte Strukturbildung von Kompositen untersucht, die auf dem Verkleben von Nano- oder Mesokristallen mit funktionalisierten Poly(2-oxazolin)-Blockcopolymeren beruhen sowie deren Potenzial zur Herstellung bioinspirierter selbstorganisierter hierarchischer anorganisch-organischer Verbundstrukturen ohne äußere Kräfte beleuchtet. Die Konzepte unterschieden sich in den verwendeten anorganischen Partikeln und in der Art der Strukturbildung.
Über einen modularen Ansatz aus Polymersynthese und polymeranaloger Thiol-En-Funktionalisierung wurde erfolgreich eine Bibliothek von Poly(2-oxazolin)en mit unterschiedlichen Funktionalitäten erstellt. Die Blockcopolymere bestehen aus einem kurzen partikelaffinen "Klebeblock", der aus Thiol-En-funktionalisiertem Poly(2-(3-butenyl)-2-oxazolin) besteht, und einem langen wasserlöslichen, strukturbildenden Block, der aus thermoresponsivem und kristallisierbarem Poly(2-isopropyl-2-oxazolin) besteht und hierarchische Morphologien ausbildet. Verschiedene analytische Untersuchungen wie Turbidimetrie, DLS, DSC, SEM oder XRD machten das thermoresponsive bzw. das Kristallisationsverhalten der Blockcopolymere in Abhängigkeit vom eingeführten Klebeblock zugänglich. Es zeigte sich, dass diese Polymere ein komplexes temperatur- und pH-abhängiges Trübungsverhalten aufweisen. Hinsichtlich der Kristallisation änderte der Klebeblock nicht die nanoskopische Kristallstruktur; er beeinflusste jedoch die Kristallisationszeit, den Kristallisationsgrad und die hierarchische Morphologie. Dieses Ergebnis wurde auf das unterschiedliche Aggregationsverhalten der Polymere in Wasser zurückgeführt.
Für die Herstellung von Kompositen nutzte Konzept 1 mikrometergroße Kupferoxalat-Mesokristalle, die eine innere Nanostruktur aufweisen. Die Strukturbildung über den anorganischen Teil wurde durch das Verkleben und Anordnen dieser Partikel erstrebt. Konzept 1 ermöglichte homogene freistehende stabile Kompositfilme mit einem hohen anorganischen Anteil. Die Partikel-Polymer-Kombination vereinte jedoch ungünstige Eigenschaften in sich, d. h. ihre Längenskalen waren zu unterschiedlich, was die Selbstassemblierung der Partikel verhinderte. Aufgrund des geringen Aspektverhältnisses von Kupferoxalat blieb auch die gegenseitige Ausrichtung durch äußere Kräfte erfolglos. Im Ergebnis eignet sich das Kupferoxalat-Poly(2-oxazolin)-Modellsystem nicht für die Herstellung hierarchischer Kompositstrukturen.
Im Gegensatz dazu verwendet Konzept 2 scheibenförmige Laponit®-Nanopartikel und kristallisierbare Blockcopolymere zur Strukturbildung über die organische Komponente durch polymervermittelte Selbstassemblierung. Komplementäre Analysemethoden (Zeta-Potenzial, DLS, SEM, XRD, DSC, TEM) zeigten sowohl eine kontrollierte Wechselwirkung zwischen den Komponenten in wässriger Umgebung als auch eine kontrollierte Strukturbildung, die in selbstassemblierten Nanokompositen resultiert, deren Struktur sich über mehrere Längenskalen erstreckt. Es wurde gezeigt, dass die negativ geladenen Klebeblöcke spezifisch und selektiv an den positiv geladenen Rändern der Laponit®-Partikel binden und so Polymer-Laponit®-Nanohybridpartikel entstehen, die als Grundbausteine für die Kompositbildung dienen. Die Hybridpartikel sind bei Raumtemperatur elektrosterisch stabilisiert - sterisch durch ihre langen, mit Wasser wechselwirkenden Poly(2-isopropyl-2-oxazolin)-Blöcke und elektrostatisch über die negativ geladenen Laponit®-Flächen. Im Ergebnis ließ sich Konzept 2 und damit die Strukturbildung über die organische Komponente erfolgreich umsetzten. Das Laponit®-Poly(2-oxazolin)-Modellsystem eröffnete den Weg zu selbstassemblierten geschichteten quasi-hierarchischen Nanokompositstrukturen mit hohem anorganischen Anteil. Abhängig von der frei verfügbaren Polymerkonzentration bei der Kompositbildung entstanden zwei unterschiedliche Komposit-Typen. Darüber hinaus entwarf die Arbeit einen Erklärungsansatz für den polymervermittelten Bildungsprozess der Komposit-Strukturen.
Insgesamt legt diese Arbeit Struktur-Prozess-Eigenschafts-Beziehungen offen, um selbstassemblierte bioinspirierte Kompositstrukturen zu bilden und liefert neue Einsichten zu einer geeigneten Kombination an Komponenten und Herstellungsbedingungen, die eine kontrollierte selbstassemblierte Strukturbildung mithilfe funktionalisierter Poly(2-oxazolin)-Blockcopolymere erlauben.
Begriffe : Begriffsbildung
(1998)
Bedeutung der abhängigen Streuung für die optischen Eigenschaften hochkonzentrierter Dispersionen
(2016)
Baustoffe
(1998)
Awards
(2013)
Eine mit digitalen Informationen angereicherte Realität spielt eine zunehmend wichtigere Rolle in unserem Alltag, aber auch im Chemieunterricht. So werden Lehr-Lernszenarien mit Augmented Reality (AR) positive Effekte auf den Wissenserwerb, Motivation und andere Faktoren des Lernens zugeschrieben. Dieser Beitrag gibt einerseits einen Überblick über medienfachdidaktische Gestaltungsparameter und andererseits werden Werkzeuge vorgestellt, um diese Technologie AR-gestütztes Unterrichtsmaterial zu erstellen.
Analog und digital
(2022)
The synthesis and single crystal X-ray structures of eight AgI, HgII, and PtII complexes with the thiacrown ethers maleonitrile-tetrathia-12-crown-4 (mn12S4), maleonitrile-tetrathia-13-crown-4 (mn13S4), and maleonitrile- pentathia-15-crown-5 (mn15S5) (1) are reported. The ligand mn15S5 was synthesized for the first time and characterized by X-ray diffraction. With silver(I) perchlorate and silver(I) tetrafluoroborate it forms the chiral complexes [Ag(mn15S5)]ClO4·CH3NO2 (2) and [Ag(mn15S5)]BF4·CH3NO2·0.25H2O (3) with half-sandwich moieties. AgI is located in a distorted tetrahedral coordination environment, involving three sulfur atoms of the crown cycle and a fourth one of the adjacent half-sandwich moiety, forming a helical structure. The reaction of Hg(ClO4)2 with mn13S4 yielded the dinuclear complex [Hg2(mn13S4)3](ClO4)4 (4) containing two half-sandwich moieties with a third ligand molecule as a bridging unit. Mercury(II) chloride and mercury(II) iodide react with mn12S4 and mn13S4 to form complexes of the general composition [HgX2(L)] (X = Cl, I; L = mn12S4, mn13S4): [HgCl2(mn12S4)] (5), [HgI2(mn12S4)] (6), [HgCl2(mn13S4)] (7) or [HgX2(L)2] (X = I; L = mn13S4): [HgI2(mn13S4)2] (8). Only one or two sulfur atoms of the ligand are involved in the complexation, and chain or ribbon structures are formed. In these compounds the HgX2 units (X = Cl, I) are preserved, coordinated by sulfur atoms of bridging mn12S4 or mn13S4 ligands. In all complexes of this type, the metal atoms are not coordinated inside the cavity, but in an exocyclic mode, because the diameter of the macrocycle is too small. Additionally, the PtCl2 complex of mn12S4 was investigated, where PtII is coordinated in an exocyclic mode forming the complex [PtCl2(mn12S4)] (9). Two of the four sulfur atoms of the macrocycle are bonded to the metal giving together with both chlorine atoms a square-planar coordination geometry. Together with a long-range interaction with a further sulfur atom of the macrocycle a square-pyramidal coordination environment is formed.
Adsorptive Eigenschaften von Bodensubstraten in Abhängigkeit vom anthropogenen Überprägungsgrad
(1996)
Am Beispiel eines modellierten Deponiesickerwassers wird die Möglichkeit einer simultanen Reaktivextraktion von toxischen Schwermetallen aus einer unproblematischen Matrix vorgestellt. Als Extraktionsmittel werden vergleichend Alkylphosphorsäuren (kommerzielle D2EHPA, D2EHTPA), ß-Diketone, 4-Acylpyrazol-5-one und eine neuartige kommerzielle Alkylphosphonsäure eingesetzt. Die thermodynamischen Parameter der Extraktion lassen sich mit Hilfe der Funktionen %E = f( t, pH), lg D = f ( pH, cL) bestimmen. Einflüsse von Lösungsmitteln und konkurrierende Komplexbildner in der wäßrigen Phase auf das Verteilungsgleichgewicht werden diskutiert. Inhaltsstoffe der wäßrigen Phase (Cyanid, Tartrat, Ammoniak, Huminsäuren oder Chlorid) beeinflussen entsprechend ihrer Ligandstärke die Metallabtrennung. Für den Fall der Huminsäure wird eine Größenordnung von Weinsäure gefunden. Sulfationen erschweren zusätzlich die Extraktion von Calcium. Halogenierte und aromatische Verdünnungsmittel haben gegenüber unproblematischen Kohlenwasserstoffen keinen Vorteil. Mit Aminomethylphosphonsäure (Ironex, BASF) gelingt eine quantitative Eisen, Indium- und Galliumabtrennung bei einem pH-Wert kleiner 1.5 als ML2(HL) bzw. ML(HL)2. Kupfer und Zink werden im pH-Bereich von 4-6 quantitativ als 1:2- Komplex extrahiert. Insgesamt günstige Ergebnisse zeigen die ß-Diketone (auch LIX 54) und 4-Acylpyrazol-5-one. Hier ergibt sich die Möglichkeit toxische Schwermetalle selektiv abzutrennen und eine unproblematische Matrix zu gewinnen, da Calcium nur zu 6% und Magnesium zu 23% extrahiert werden.