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This opinion article describes recent approaches to use the "biorefinery" concept to lower the carbon footprint of typical mass polymers, by replacing parts of the fossil monomers with similar or even the same monomer made from regrowing dendritic biomass. Herein, the new and green catalytic synthetic routes are for lactic acid (LA), isosorbide (IS), 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA), and p-xylene (pXL). Furthermore, the synthesis of two unconventional lignocellulosic biomass derivable monomers, i.e., alpha-methylene-gamma-valerolactone (MeGVL) and levoglucosenol (LG), are presented. All those have the potential to enter in a cost-effective way, also the mass market and thereby recover lost areas for polymer materials. The differences of catalytic unit operations of the biorefinery are also discussed and the challenges that must be addressed along the synthesis path of each monomers.
Enzyme degradable polymersomes from chitosan-g-[poly-l-lysine-block-epsilon-caprolactone] copolymer
(2020)
The scope of this study includes the synthesis of chitosan-g-[peptide-poly-epsilon-caprolactone] and its self-assembly into polymeric vesicles employing the solvent shift method. In this way, well-defined core-shell structures suitable for encapsulation of drugs are generated. The hydrophobic polycaprolactone side-chain and the hydrophilic chitosan backbone are linked via an enzyme-cleavable peptide. The synthetic route involves the functionalization of chitosan with maleimide groups and the preparation of polycaprolactone with alkyne end-groups. A peptide functionalized with a thiol group on one side and an azide group on the other side is prepared. Thiol-ene click-chemistry and azide-alkyne Huisgen cycloaddition are then used to link the chitosan and poly-epsilon-caprolactone chains, respectively, with this peptide. For a preliminary study, poly-l-lysin is a readily available and cleavable peptide that is introduced to investigate the feasibility of the system. The size and shape of the polymersomes are studied by dynamic light scattering and cryo-scanning electron microscopy. Furthermore, degradability is studied by incubating the polymersomes with two enzymes, trypsin and chitosanase. A dispersion of polymersomes is used to coat titanium plates and to further test the stability against enzymatic degradation.
Im Rahmen der vom Bundesministerium für Bildung und -forschung geförderten Forschungsinitiative „BonaRes – Boden als nachhaltige Ressource der Bioökonomie“ soll sich das Teilprojekt „I4S – integrated system for site-specific soil fertility management“ der Entwicklung eines integrierten Systems zum ortsspezifischen Management der Bodenfruchtbarkeit widmen. Hierfür ist eine Messplattform zur Bestimmung relevanter Bodeneigenschaften und der quantitativen Analyse ausgewählter Makro- und Mikronährstoffe geplant. In der ersten Phase dieses Projekts liegt das Hauptaugenmerk auf der Kalibrierung und Validierung der verschiedenen Sensoren auf die Matrix Boden, der Probennahme auf dem Acker und der Planung sowie dem Aufbau der Messplattform. Auf dieser Plattform sollen in der zweiten Phase des Projektes die verschiedenen Bodensensoren installiert, sowie Modelle und Entscheidungsalgorithmen zur Steuerung der Düngung und dementsprechend Verbesserung der Bodenfunktionen erstellt werden.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Grundlagenuntersuchung und Entwicklung einer robusten Online-Analyse mittels Energie-dispersiver Röntgenfluoreszenzspektroskopie (EDRFA) zur Quantifizierung ausgewählter Makro- und Mikronährstoffe in Böden für eine kostengünstige und flächendeckende Kartierung von Ackerflächen. Für die Entwicklung eines Online-Verfahrens wurde ein dem Stand der Technik entsprechender Röntgenfluoreszenzmesskopf in Betrieb genommen und die dazugehörigen Geräteparameter auf die Matrix Boden optimiert. Die Bestimmung der analytischen Qualitäts-merkmale wie Präzision und Nachweisgrenzen fand für eine Auswahl an Nährelementen von Aluminium bis Zink statt. Um eine möglichst Matrix-angepasste Kalibrierung zu erhalten, wurde sowohl mit zertifizierten Referenzmaterialien (CRM), als auch mit Ackerböden kalibriert. Da einer der größten Nachteile der Röntgenfluoreszenzanalyse die Beeinflussung durch Matrixeffekte ist, wurde neben der klassischen univariaten Datenauswertung auch die chemometrische multivariate Methode der Partial Least Squares Regression (PLSR) eingesetzt. Die PLSR bietet dabei den Vorteil, Matrixeffekte auszugleichen, wodurch robustere Kalibriermodelle erhalten werden können. Zusätzlich wurde eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) durchgeführt, um Gemeinsamkeiten und Ausreißer innerhalb des Probensets zu identifizieren. Es zeigte sich, dass eine Klassifizierung der Böden anhand ihrer Textur Sand, Schluff, Lehm und Ton möglich ist.
Aufbauend auf den Ergebnissen idealer Bodenproben (zu Tabletten gepresste luftgetrocknete Proben mit Korngrößen < 0,5 mm) wurde im Verlauf dieser Arbeit die Probenvorbereitung immer weiter reduziert und der Einfluss verschiedener Kenngrößen untersucht. Diese Einflussfaktoren können die Dichte und die Homogenität der Probe, sowie Korngrößeneffekte und die Feuchtigkeit sein. Anhand des RMSE (Wurzel der mittleren Fehlerquadratsumme) und unter Berücksichtigung der Residuen werden die jeweils erstellten Kalibriermodelle miteinander verglichen. Um die Güte der Modelle zu bewerten, wurden diese mit einem Testset validiert. Hierfür standen 662 Bodenproben von 15 verschiedenen Standorten in Deutschland zur Verfügung. Da die Ergebnisse an gepressten Tabletten für die Elemente Al, Si, K, Ca, Ti, Mn, Fe und Zn den Anforderungen für eine spätere Online-Analyse entsprechen, wurden im weiteren Verlauf dieser Arbeit Kalibriermodelle mit losen Bodenproben erstellt. Auch hier konnten gute Ergebnisse durch ausreichende Nachweisgrenzen und eine niedrige gemittelte Messabweichung bei der Vorhersage unbekannter Testproben erzielt werden. Es zeigte sich, dass die Vorhersagefähigkeit mit der multivariaten PLSR besser ist als mit der univariaten Datenauswertung, insbesondere für die Elemente Mn und Zn.
Der untersuchte Einfluss der Feuchtigkeit und der Korngrößen auf die Quantifizierung der Elementgehalte war vor allem bei leichteren Elementen deutlich zu sehen. Es konnte schließlich eine multivariate Kalibrierung unter Berücksichtigung dieser Faktoren für die Elemente Al bis Zn erstellt werden, so dass ein Einsatz an Böden auf dem Acker möglich sein sollte. Eine höhere Messunsicherheit muss dabei einkalkuliert werden. Für eine spätere Probennahme auf dem Feld wurde zudem der Unterschied zwischen statischen und dynamischen Messungen betrachtet, wobei sich zeigte, dass beide Varianten genutzt werden können. Zum Abschluss wurde der hier eingesetzte Sensor mit einem kommerziell erhältlichen Hand-Gerät auf sein Quantifizierungspotential hin verglichen. Der Sensor weist anhand seiner Ergebnisse ein großes Potential als Online-Sensor für die Messplattform auf. Die Ergebnisse unter Laborbedingungen zeigen, dass eine robuste Analyse Ackerböden unter Berücksichtigung der Einflussfaktoren möglich ist.
In den letzten Jahrzehnten ist die Nachfrage nach kostengünstigen und flächendeckenden Kartierungsmöglichkeiten im Hinblick auf eine ertragssteigernde und umweltfreundlichere Bewirtschaftung von landwirtschaftlichen Nutzflächen stark gestiegen. Hierfür eignen sich spektroskopische Methoden wie die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA), Raman- und Gammaspektroskopie sowie die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS). In Abhängigkeit von der Funktionsweise der jeweiligen Methoden werden Informationen zu verschiedensten Bodeneigenschaften wie Nährelementgehalt, Textur und pH-Wert erhalten.
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Online-LIBS-Verfahrens zur Nährelementbestimmmung und Kartierung von Ackerflächen. Die LIBS ist eine schnelle und simultane Multielementanalyse bei der durch das Fokussieren eines hochenergetischen Laserpulses Probenmaterial von der Probenoberfläche ablatiert wird und in ein Plasma überführt wird. Beim Abkühlen des Plasmas wird Strahlung emittiert, welche Rückschlüsse über die elementare Zusammensetzung der Probe gibt. Diese Arbeit ist im Teilprojekt I4S (Intelligenz für Böden) im Forschungsprogramm BonaRes (Boden als nachhaltige Ressource für die Bioökonomie) des Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) entstanden. Es wurden insgesamt 651 Bodenproben von verschiedenen Test-Agrarflächen unterschiedlichster Standorte Deutschlands gemessen, ausgewertet und zu Validierungszwecken mit entsprechender Referenzanalytik wie die Optische Emissionsspektroskopie mittels induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES) und die wellenlängendispersive Röntgenfluoreszenzanalyse (WDRFA) charakterisiert.
Für die Quantifizierung wurden zunächst die Messparameter des LIBS-Systems auf die Bodenmatrix optimiert und für die Elemente geeignete Linien ausgewählt sowie deren Nachweisgrenzen bestimmt. Es hat sich gezeigt, dass eine absolute Quantifizierung basierend auf einem univariaten Ansatz aufgrund der starken Matrixeffekte und der schlechten Reproduzierbarkeit des Plasmas nur eingeschränkt möglich ist. Bei Verwendung eines multivariaten Ansatz wie der Partial Least Squares Regression (PLSR) für die Kalibrierung konnten für die Nährelemente im Vergleich zur univariaten Variante Analyseergebnisse mit höherer Güte und geringeren Messunsicherheiten ermittelt werden. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass das multivariate Modell weiter verbessert werden kann, indem mit einer Vielzahl von gut analysierten Böden verschiedener Standorte, Bodenarten und einem breiten Gehaltsbereich kalibriert wird. Mithilfe der Hauptkomponentenanalyse (PCA) wurde eine Klassifizierung der Böden nach der Textur realisiert. Weiterhin wurde auch eine Kalibrierung mit losem Bodenmaterial erstellt. Trotz der Signalabnahme konnten für die verschiedenen Nährelemente Kalibriergeraden mit ausreichender, analytischer Güte erstellt werden.
Für den Einsatz auf dem Acker wurde außerdem der Einfluss von Korngröße und Feuchtigkeit auf das LIBS-Signal untersucht. Die unterschiedlichen Korngrößen haben nur einen geringen Einfluss auf das LIBS-Signal und das Kalibriermodell lässt sich durch entsprechende Proben leicht anpassen. Dagegen ist der Einfluss der Feuchtigkeit deutlich stärker und hängt stark von der Bodenart ab, sodass für jede Bodenart ein separates Kalibriermodell für verschiedene Feuchtigkeitsgehalte erstellt werden muss. Mithilfe der PCA kann der Feuchtigkeitsgehalt im Boden grob abgeschätzt werden und die entsprechende Kalibrierung ausgewählt werden.
Diese Arbeit liefert essentielle Informationen für eine Echtzeit-Analyse von Nährelementen auf dem Acker mittels LIBS und leistet einen wichtigen Beitrag zu einer fortschrittlichen und zukunftsfähigen Nutzung von Ackerflächen.
Stem cells are capable of sensing and processing environmental inputs, converting this information to output a specific cell lineage through signaling cascades. Despite the combinatorial nature of mechanical, thermal, and biochemical signals, these stimuli have typically been decoupled and applied independently, requiring continuous regulation by controlling units. We employ a programmable polymer actuator sheet to autonomously synchronize thermal and mechanical signals applied to mesenchymal stem cells (MSC5). Using a grid on its underside, the shape change of polymer sheet, as well as cell morphology, calcium (Ca2+) influx, and focal adhesion assembly, could be visualized and quantified. This paper gives compelling evidence that the temperature sensing and mechanosensing of MSC5 are interconnected via intracellular Ca2+. Up-regulated Ca2+ levels lead to a remarkable alteration of histone H3K9 acetylation and activation of osteogenic related genes. The interplay of physical, thermal, and biochemical signaling was utilized to accelerate the cell differentiation toward osteogenic lineage. The approach of programmable bioinstructivity provides a fundamental principle for functional biomaterials exhibiting multifaceted stimuli on differentiation programs. Technological impact is expected in the tissue engineering of periosteum for treating bone defects.
The DNA in living cells can be effectively damaged by high-energy radiation, which can lead to cell death. Through the ionization of water molecules, highly reactive secondary species such as low-energy electrons (LEEs) with the most probable energy around 10 eV are generated, which are able to induce DNA strand breaks via dissociative electron attachment. Absolute DNA strand break cross sections of specific DNA sequences can be efficiently determined using DNA origami nanostructures as platforms exposing the target sequences towards LEEs. In this paper, we systematically study the effect of the oligonucleotide length on the strand break cross section at various irradiation energies. The present work focuses on poly-adenine sequences (d(A₄), d(A₈), d(A₁₂), d(A₁₆), and d(A₂₀)) irradiated with 5.0, 7.0, 8.4, and 10 eV electrons. Independent of the DNA length, the strand break cross section shows a maximum around 7.0 eV electron energy for all investigated oligonucleotides confirming that strand breakage occurs through the initial formation of negative ion resonances. When going from d(A₄) to d(A₁₆), the strand break cross section increases with oligonucleotide length, but only at 7.0 and 8.4 eV, i.e., close to the maximum of the negative ion resonance, the increase in the strand break cross section with the length is similar to the increase of an estimated geometrical cross section. For d(A₂₀), a markedly lower DNA strand break cross section is observed for all electron energies, which is tentatively ascribed to a conformational change of the dA₂₀ sequence. The results indicate that, although there is a general length dependence of strand break cross sections, individual nucleotides do not contribute independently of the absolute strand break cross section of the whole DNA strand. The absolute quantification of sequence specific strand breaks will help develop a more accurate molecular level understanding of radiation induced DNA damage, which can then be used for optimized risk estimates in cancer radiation therapy.
Die Entwicklung nachhaltiger Bewirtschaftungs- und Produktionsmethoden ist eine der zentralen Fragestellungen der modernen Agrarwirtschaft. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit zwei Forschungsthemen, die das Konzept Nachhaltigkeit beinhalten. In beiden Fällen werden analytische Grundlagen für die Entwicklung entsprechender landwirtschaftlicher Arbeitsmethoden gelegt.
Das erste Thema ist an den sogenannten Präzisionsackerbau angelehnt. Bei diesem wird die Bearbeitung von Agrarflächen ortsabhängig ausgeführt. Das heißt, die Ausbringung von Saatgut, Dünger, Bewässerung usw. richtet sich nach den Eigenschaften des jeweiligen Standortes und wird nicht pauschal gleichmäßig über ein ganzes Feld verteilt. Voraussetzung hierfür ist eine genaue Kenntnis der Bodeneigenschaften. In der vorliegenden Arbeit sollten diese Parameter mittels der analytischen Technik der Laser-induzierten Breakdown Spektroskopie (LIBS), die eine Form der Elementaranalyse darstellt, bestimmt werden. Bei den hier gesuchten Bodeneigenschaften handelte es sich um die Gehalte von Nährstoffen sowie einige sekundäre Parameter wie den Humusanteil, den pH-Wert und den pflanzenverfügbaren Anteil einzelner Nährstoffe. Diese Eigenschaften wurden durch etablierte Referenzanalysen bestimmt. Darauf aufbauend wurden die Messergebnissen der LIBS-Untersuchungen durch verschiedene Methoden der sogenannten multivariaten Datenanalyse (MVA) ausgewertet. Daraus sollten Modelle zur Vorhersage der Bodenparameter in zukünftigen LIBS-Messungen erarbeitet werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten, dass mit der Kombination von LIBS und MVA sämtliche Bodenparameter erfolgreich vorhergesagt werden konnten. Dies beinhaltete sowohl die tatsächlich messbaren Elemente als auch die sekundären Eigenschaften, welche durch die MVA mit den Elementgehalten in Zusammenhang gebracht wurden.
Das zweite Thema beschäftigt sich mit der Vermeidung von Verlusten durch Schädlingsbefall bei der Getreidelagerung. Hier sollten mittels der Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS) Schimmelpilzkontaminationen detektiert werden. Dabei wurde nach den flüchtigen Stoffwechselprodukten der Pilze gesucht. Die durch Referenzmessungen mit Massenspektrometern identifizierten Substanzen konnten durch IMS im Gasvolumen über den Proben, dem sogenannten Headspace, nachgewiesen werden. Dabei wurde nicht nur die Anwesenheit einer Kontamination festgestellt, sondern diese auch charakterisiert. Die freigesetzten Substanzen bildeten spezifische Muster, anhand derer die Pilze identifiziert werden konnten. Hier wurden sowohl verschiedene Gattungen als auch einzelne Arten unterschieden. Die Messungen fanden auf verschiedenen Nährböden statt um den Einfluss dieser auf die Stoffwechselprodukte zu beobachten. Auch die sekundären Stoffwechselprodukte der Schimmelpilze, die Mykotoxine, konnten durch IMS detektiert werden.
Beide in dieser Arbeit vorgestellten Forschungsthemen konnten erfolgreich abgeschlossen werden. Sowohl LIBS als auch IMS erwiesen sich für den Nachweis der jeweiligen Analyten als geeignet, und der Einsatz moderner computergestützter Auswertemethoden ermöglichte die genaue Charakterisierung der gesuchten Parameter. Beide Techniken können in Form von mobilen Geräten verwendet werden und zeichnen sich durch eine schnelle und sichere Analyse aus. In Kombination mit entsprechenden Modellen der MVA sind damit alle Voraussetzungen für Vor-Ort-Untersuchungen und damit für den Einsatz in der Landwirtschaft erfüllt.
Electrical actuation of coated and composite fibers based on poly[ethylene-co-(vinyl acetate)]
(2020)
Robots are typically controlled by electrical signals. Resistive heating is an option to electrically trigger actuation in thermosensitive polymer systems. In this study electrically triggerable poly[ethylene-co-(vinyl acetate)] (PEVA)-based fiber actuators are realized as composite fibers as well as polymer fibers with conductive coatings. In the coated fibers, the core consists of crosslinked PEVA (cPEVA), while the conductive coating shell is achieved via a dip coating procedure with a coating thickness between 10 and 140 mu m. The conductivity of coated fibers sigma = 300-550 S m(-1) is much higher than that of the composite fibers sigma = 5.5 S m(-1). A voltage (U) of 110 V is required to heat 30 cm of coated fiber to a targeted temperature of approximate to 65 degrees C for switching in less than a minute. Cyclic electrical actuation investigations reveal epsilon '(rev) = 5 +/- 1% reversible change in length for coated fibers. The fabrication of such electro-conductive polymeric actuators is suitable for upscaling so that their application potential as artificial muscles can be explored in future studies.
Ammonia is a chemical of fundamental importance for nature`s vital nitrogen cycle. It is crucial for the growth of living organisms as well as food and energy source. Traditionally, industrial ammonia production is predominated by Haber- Bosch process (HBP) which is based on direct conversion of N2 and H2 gas under high temperature and high pressure (~500oC, 150-300 bar). However, it is not the favorite route because of its thermodynamic and kinetic limitations, and the need for the energy intense production of hydrogen gas by reforming processes. All these disfavors of HBP open a target to search for an alternative technique to perform efficient ammonia synthesis via electrochemical catalytic processes, in particular via water electrolysis, using water as the hydrogen source to save the process from gas reforming.
In this study, the investigation of the interface effects between imidazolium-based ionic liquids and the surface of porous carbon materials with a special interest in the nitrogen absorption capability. As the further step, the possibility to establish this interface as the catalytically active area for the electrochemical N2 reduction to NH3 has been evaluated. This particular combination has been chosen because the porous carbon materials and ionic liquids (IL) have a significant importance in many scientific fields including catalysis and electrocatalysis due to their special structural and physicochemical properties. Primarily, the effects of the confinement of ionic liquid (EmimOAc, 1-Ethyl-3-methylimidazolium acetate) into carbon pores have been investigated. The salt-templated porous carbons, which have different porosity (microporous and mesoporous) and nitrogen species, were used as model structures for the comparison of the IL confinement at different loadings. The nitrogen uptake of EmimOAc can be increased by about 10 times by the confinement in the pores of carbon materials compared to the bulk form. In addition, the most improved nitrogen absorption was observed by IL confinement in micropores and in nitrogen-doped carbon materials as a consequence of the maximized structural changes of IL. Furthermore, the possible use of such interfaces between EmimOAc and porous carbon for the catalytic activation of dinitrogen during the kinetically challenging NRR due to the limited gas absorption in the electrolyte, was examined. An electrocatalytic NRR system based on the conversion of water and nitrogen gas to ammonia at ambient operation conditions (1 bar, 25 °C) was performed in a setup under an applied electric potential with a single chamber electrochemical cell, which consists of the combination of EmimOAc electrolyte with the porous carbon-working electrode and without a traditional electrocatalyst. Under a potential of -3 V vs. SCE for 45 minutes, a NH3 production rate of 498.37 μg h-1 cm-2 and FE of 12.14% were achieved. The experimental observations show that an electric double-layer, which serves the catalytically active area, occurs between a microporous carbon material and ions of the EmimOAc electrolyte in the presence of sufficiently high provided electric potential. Comparing with the typical NRR systems which have been reported in the literature, the presented electrochemical ammonia synthesis approach provides a significantly higher ammonia production rate with a chance to avoid the possible kinetic limitations of NRR. In terms of operating conditions, ammonia production rate and the faradic efficiency without the need for any synthetic electrocatalyst can be resulted of electrocatalytic activation of nitrogen in the double-layer formed between carbon and IL ions.
Poly(N,N-bis(2-methoxyethyl)acrylamide) (PbMOEAm) featuring two classical chemical motifs from non-ionic water-soluble polymers, namely, the amide and ethyleneglycolether moieties, was synthesized by reversible addition fragmentation transfer (RAFT) polymerization. This tertiary polyacrylamide is thermoresponsive exhibiting a lower critical solution temperature (LCST)-type phase transition. A series of homo- and block copolymers with varying molar masses but low dispersities and different end groups were prepared. Their thermoresponsive behavior in aqueous solution was analyzed via turbidimetry and dynamic light scattering (DLS). The cloud points (CP) increased with increasing molar masses, converging to 46 degrees C for 1 wt% solutions. This rise is attributed to the polymers' hydrophobic end groups incorporated via the RAFT agents. When a surfactant-like strongly hydrophobic end group was attached using a functional RAFT agent, CP was lowered to 42 degrees C, i.e., closer to human body temperature. Also, the effect of added salts, in particular, the role of the Hofmeister series, on the phase transition of PbMOEAm was investigated, exemplified for the kosmotropic fluoride, intermediate chloride, and chaotropic thiocyanate anions. A pronounced shift of the cloud point of about 10 degrees C to lower or higher temperatures was observed for 0.2 M fluoride and thiocyanate, respectively. When PbMOEAm was attached to a long hydrophilic block of poly(N,N-dimethylacrylamide) (PDMAm), the cloud points of these block copolymers were strongly shifted towards higher temperatures. While no phase transition was observed for PDMAm-b-pbMOEAm with short thermoresponsive blocks, block copolymers with about equally sized PbMOEAm and PDMAm blocks underwent the coil-to-globule transition around 60 degrees C.