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The time-dependent approach to electronic spectroscopy, as popularized by Heller and coworkers in the 1980's, is applied here in conjunction with linear-response, time-dependent density functional theory to study vibronic absorption, emission and resonance Raman spectra of several diamondoids. Two-state models, the harmonic and the Condon approximations, are used for the calculations, making them easily applicable to larger molecules. The method is applied to nine pristine lower and higher diamondoids: adamantane, diamantane, triamantane, and three isomers each of tetramantane and pentamantane. We also consider a hybrid species “Dia = Dia” – a shorthand notation for a recently synthesized molecule comprising two diamantane units connected by a C[double bond, length as m-dash]C double bond. We resolve and interpret trends in optical and vibrational properties of these molecules as a function of their size, shape, and symmetry, as well as effects of “blending” with sp2-hybridized C-atoms. Time-dependent correlation functions facilitate the computations and shed light on the vibrational dynamics following electronic transitions.
Diese Arbeit befasst sich mit der Synthese und der Charakterisierung von thermoresponsiven Polymeren und ihrer Immobilisierung auf festen Oberflächen als nanoskalige dünne Schichten. Dabei wurden thermoresponsive Polymere vom Typ der unteren kritischen Entmischungstemperatur (engl.: lower critical solution temperature, LCST) verwendet. Sie sind bei niedrigeren Temperaturen im Lösungsmittel gut und nach Erwärmen oberhalb einer bestimmten kritischen Temperatur nicht mehr löslich; d. h. sie weisen bei einer bestimmten Temperatur einen Phasenübergang auf. Als Basismaterial wurden verschiedene thermoresponsive und biokompatible Polymere basierend auf Diethylenglykolmethylethermethacrylat (MEO2MA) und Oligo(ethylenglykol)methylethermethacrylat (OEGMA475, Mn = 475 g/ mol) über frei radikalische Copolymerisation synthetisiert. Der thermoresponsive Phasenübergang der Copolymere wurde in wässriger Lösung und in gequollenen vernetzten dünnen Schichten beobachtet. Außerdem wurde untersucht, inwiefern eine selektive Proteinbindung an geeignete funktionalisierte Copolymere die Phasenübergangstemperatur beeinflusst. Die thermoresponsiven Copolymere wurden über photovernetzbare Gruppen auf festen Oberflächen immobilisiert. Die nötigen lichtempfindlichen Vernetzereinheiten wurden mittels des polymerisierbaren Benzophenonderivates 2 (4 Benzoylphenoxy)ethylmethacrylat (BPEM) in das Copolymer integriert. Dünne Filme der Copolymere mit ca. 100 nm Schichtdicke wurden über Rotationsbeschichtung auf Siliziumwafer aufgeschleudert und anschließend durch Bestrahlung mit UV Licht vernetzt und auf der Oberfläche immobilisiert. Die Filme sind stabiler je größer der Vernetzeranteil und je größer die Molmasse der Copolymere ist. Bei einem Waschprozess nach der Vernetzung wird beispielsweise aus einem Film mit moderater Molmasse und geringem Vernetzeranteil mehr unvernetztes Copolymer ausgewaschen als bei einem höhermolekularen Copolymer mit hohem Vernetzeranteil. Die Quellbarkeit der Polymerschichten wurde mit Ellipsometrie untersucht. Sie ist größer je geringer der Vernetzeranteil in den Copolymeren ist. Schichten aus thermoresponsiven OEG Copolymeren zeigen einen Volumenphasenübergang vom Typ der LCST. Der thermoresponsive Kollaps der Schichten ist komplett reversibel, die Kollapstemperatur kann über die Zusammensetzung der Copolymere eingestellt werden. Für einen Vergleich dieser Eigenschaften mit dem gut charakterisierten und derzeit wohl am häufigsten untersuchten thermoresponsiven Polymer Poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPAM) wurden zusätzlich photovernetzte Schichten aus PNIPAM hergestellt und ebenfalls ellipsometrisch vermessen. Im Vergleich zu PNIPAM verläuft der Phasenübergang der Schichten aus den Copolymeren mit Oligo(ethylenglykol)-seitenketten (OEG Copolymere) über einen größeren Temperaturbereich. Mit Licht einer Wellenlänge > 300 nm wurden die photosensitiven Benzophenongruppen selektiv angeregt. Bei der Verwendung kleinerer Wellenlängen vernetzten die Copolymerschichten auch ohne die Anwesenheit der lichtempfindlichen Benzophenongruppen. Dieser Effekt ließ sich zur kontrollierten Immobilisierung und Vernetzung der OEG Copolymere einsetzen. Als weitere Methode zur Immobilisierung der Copolymere wurde die Anbindung über Amidbindungen untersucht. Dazu wurden OEG Copolymere mit dem carboxylgruppenhaltigen 2 Succinyloxyethylmethacrylat (MES) auf mit 3 Aminopropyldimethylethoxysilan (APDMSi) silanisierte Siliziumwafer rotationsbeschichtet, und mit dem oligomeren α, ω Diamin Jeffamin® ED 900 vernetzt. Die Vernetzungsreaktion erfolgte ohne weitere Zusätze durch Erhitzen der Proben. Die Hydrogelschichten waren anschließend stabil und zeigten neben thermoresponsivem auch pH responsives Verhalten. Um zu untersuchen, ob die Phasenübergangstemperatur durch eine Proteinbindung beeinflusst werden kann, wurde ein polymerisierbares Biotinderivat 2 Biotinyl-aminoethylmethacrylat (BAEMA) in das thermoresponsive Copolymer eingebaut. Der Einfluss des biotinbindenen Proteins Avidin auf das thermoresponsive Verhalten des Copolymers in Lösung wurde untersucht. Die spezifische Bindung von Avidin an das biotinylierte Copolymer verschob die Übergangstemperatur deutlich zu höheren Temperaturen. Kontrollversuche zeigten, dass dieses Verhalten auf eine selektive Proteinbindung zurückzuführen ist. Thermoresponsive OEG Copolymere mit photovernetzbaren Gruppen aus BPEM und Biotingruppen aus BAEMA wurden über Rotationsbeschichtung auf Gold- und auf Siliziumoberflächen aufgetragen und durch UV Strahlung vernetzt. Die spezifische Bindung von Avidin an die Copolymerschicht wurde mit Oberflächenplasmonenresonanz und Ellipsometrie untersucht. Die Bindungskapazität der Schichten war umso größer, je kleiner der Vernetzeranteil, d. h. je größer die Maschenweite des Netzwerkes war. Die Quellbarkeit der Schichten wurde durch die Avidinbindung erhöht. Bei hochgequollenen Systemen verursachte eine Mehrfachbindung des tetravalenten Avidins allerdings eine zusätzliche Quervernetzung des Polymernetzwerkes. Dieser Effekt wirkt der erhöhten Quellbarkeit durch die Avidinbindung entgegen und lässt die Polymernetzwerke schrumpfen.
We consider diffusion processes with a spatially varying diffusivity giving rise to anomalous diffusion. Such heterogeneous diffusion processes are analysed for the cases of exponential, power-law, and logarithmic dependencies of the diffusion coefficient on the particle position. Combining analytical approaches with stochastic simulations, we show that the functional form of the space-dependent diffusion coefficient and the initial conditions of the diffusing particles are vital for their statistical and ergodic properties. In all three cases a weak ergodicity breaking between the time and ensemble averaged mean squared displacements is observed. We also demonstrate a population splitting of the time averaged traces into fast and slow diffusers for the case of exponential variation of the diffusivity as well as a particle trapping in the case of the logarithmic diffusivity. Our analysis is complemented by the quantitative study of the space coverage, the diffusive spreading of the probability density, as well as the survival probability.
The supercapacitor is one of the most important energy storage devices as its construction allows for addressing many of the drawbacks related to batteries, but the low energy density of current systems is a major issue. In this doctoral dissertation, with a view to attaining high energy density supercapacitor systems that can be comparable to those for batteries, new heteroatom-containing carbons in the form of particles and three-dimensional films were investigated. A nitrogen-containing material, acrodam, was chosen as the carbon precursor due to the inexpensiveness, high carbonization yield, oligomerizability, etc. The carbon particles were prepared from acrodam together with caesium acetate as a meltable flux agent, and disclosed excellent properties in hydroquinone-loaded sulphuric acid electrolyte with high energy densities (up to 133.0 Wh kg–1) and sufficient cycle stabilities. These properties are already now comparable to those of batteries. Besides, conductive carbon three-dimensional films were fabricated using acrodam oligomer as the precursor by the inexpensive spin coating method. The films were found to be homogeneous, flat, void- and crack-free, and high conductivities (up to 334 S cm–1) could be obtained at the carbonization temperature of 1000 ºC. Furthermore, a porous carbon three-dimensional film could be formed using an organic template at the first attempt. This finding demonstrates the film’s potentiality for various applications such as supercapacitor electrode; the essential absence of contact resistance within the network should contribute to effective transportation of electron within the electrode. The progress made in this dissertation will open a new way to further enhancement of energy density for supercapacitor as well as other applications that exceeds the current properties.
We have used polarized confocal Raman microspectroscopy and scanning near-field optical microscopy with a resolution of 60 nm to characterize photoinscribed grating structures of azobenzene doped polymer films on a glass support. Polarized Raman microscopy allowed determining the reorientation of the chromophores as a function of the grating phase and penetration depth of the inscribing laser in three dimensions. We found periodic patterns, which are not restricted to the surface alone, but appear also well below the surface in the bulk of the material. Near-field optical microscopy with nanoscale resolution revealed lateral two-dimensional optical contrast, which is not observable by atomic force and Raman microscopy.
In many biological and environmental applications spatially resolved sensing of molecular oxygen is desirable. A powerful tool for distributed measurements is optical time domain reflectometry (OTDR) which is often used in the field of telecommunications. We combine this technique with a novel optical oxygen sensor dye, triangular-[4] phenylene (TP), immobilized in a polymer matrix. The TP luminescence decay time is 86 ns. The short decay time of the sensor dye is suitable to achieve a spatial resolution of some meters. In this paper we present the development and characterization of a reflectometer in the UV range of the electromagnetic spectrum as well as optical oxygen sensing with different fiber arrangements.
We demonstrate new fluorophore-labelled materials based on acrylamide and on oligo(ethylene glycol) (OEG) bearing thermoresponsive polymers for sensing purposes and investigate their thermally induced solubility transitions. It is found that the emission properties of the polarity-sensitive (solvatochromic) naphthalimide derivative attached to three different thermoresponsive polymers are highly specific to the exact chemical structure of the macromolecule. While the dye emits very weakly below the LCST when incorporated into poly(N-isopropylacrylamide) (pNIPAm) or into a polyacrylate backbone bearing only short OEG side chains, it is strongly emissive in polymethacrylates with longer OEG side chains. Heating of the aqueous solutions above their cloud point provokes an abrupt increase of the fluorescence intensity of the labelled pNIPAm, whereas the emission properties of the dye are rather unaffected as OEG-based polyacrylates and methacrylates undergo phase transition. Correlated with laser light scattering studies, these findings are ascribed to the different degrees of pre-aggregation of the chains at low temperatures and to the extent of dehydration that the phase transition evokes. It is concluded that although the temperature-triggered changes in the macroscopic absorption characteristics, related to large-scale alterations of the polymer chain conformation and aggregation, are well detectable and similar for these LCST-type polymers, the micro-environment provided to the dye within each polymer network differs substantially. Considering sensing applications, this finding is of great importance since the temperature-regulated fluorescence response of the polymer depends more on the macromolecular architecture than the type of reporter fluorophore.
A water soluble fluorescent polymer as a dual colour sensor for temperature and a specific protein
(2013)
We present two thermoresponsive water soluble copolymers prepared via free radical statistical copolymerization of N-isopropylacrylamide (NIPAm) and of oligo(ethylene glycol) methacrylates (OEGMAs), respectively, with a solvatochromic 7-(diethylamino)-3-carboxy-coumarin (DEAC)- functionalized monomer. In aqueous solutions, the NIPAm-based copolymer exhibits characteristic changes in its fluorescence profile in response to a change in solution temperature as well as to the presence of a specific protein, namely an anti-DEAC antibody. This polymer emits only weakly at low temperatures, but exhibits a marked fluorescence enhancement accompanied by a change in its emission colour when heated above its cloud point. Such drastic changes in the fluorescence and absorbance spectra are observed also upon injection of the anti-DEAC antibody, attributed to the specific binding of the antibody to DEAC moieties. Importantly, protein binding occurs exclusively when the polymer is in the well hydrated state below the cloud point, enabling a temperature control on the molecular recognition event. On the other hand, heating of the polymer–antibody complexes releases a fraction of the bound antibody. In the presence of the DEAC-functionalized monomer in this mixture, the released antibody competitively binds to the monomer and the antibody-free chains of the polymer undergo a more effective collapse and inter-aggregation. In contrast, the emission properties of the OEGMA-based analogous copolymer are rather insensitive to the thermally induced phase transition or to antibody binding. These opposite behaviours underline the need for a carefully tailored molecular design of responsive polymers aimed at specific applications, such as biosensing.
Calcium phosphate nanofibers with a diameter of only a few nanometers and a cotton-ball-like aggregate morphology have been reported several times in the literature. Although fiber formation seems reproducible in a variety of conditions, the crystal structure and chemical composition of the fibers have been elusive. Using scanning transmission electron microscopy, low dose electron (nano)diffraction, energy-dispersive X-ray spectroscopy, and energy-filtered transmission electron microscopy, we have assigned crystal structures and chemical compositions to the fibers. Moreover, we demonstrate that the mineralization process yields true polymer/calcium phosphate hybrid materials where the block copolymer template is closely associated with the calcium phosphate.
Modifizierung von Silikonelastomeren mit organischen Dipolen für Dielektrische Elastomer Aktuatoren
(2013)
Ein Dielektrischer Elastomer Aktuator (DEA) ist ein dehnbarer Kondensator, der aus einem Elastomerfilm besteht, der sich zwischen zwei flexiblen Elektroden befindet. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung, ziehen sich die Elektroden aufgrund elektrostatischer Wechselwirkungen an, wodurch das Elastomer in z-Richtung zusammengepresst wird und sich dementsprechend in der x-,y-Ebene ausdehnt. Hierdurch werden Aktuationsbewegungen erreicht, welche sehr präzise über die Spannung gesteuert werden können. Zusätzlich sind DEAs kostengünstig, leicht und aktuieren geräuschlos. DEAs können beispielsweise für Produkte im medizinischen Bereich oder für optischer Komponenten genutzt werden. Ebenso kann aus diesen Bauteilen Strom erzeugt werden. Das größte Hindernis für eine weite Implementierung dieser Materialien liegt in den erforderlichen hohen Spannungen zum Erzeugen der Aktuationsbewegung, welche sich tendenziell im Kilovolt-Bereich befinden. Dies macht die Elektronik teuer und die Bauteile unsicher für Anwender. Um geringere Betriebsspannungen für die DEAs zu erreichen, sind signifikante Materialverbesserungen - insbesondere des verwendeten Elastomers - erforderlich. Um dies zu erreichen, können die dielektrischen Eigenschaften (Permittivität) der Elastomere gesteigert und/oder deren Steifigkeit (Young-Modul) gesenkt werden. In der vorliegenden Arbeit konnte die Aktuationsleistung von Silikonfilmen durch die Addition organischer Dipole erheblich verbessert werden. Hierfür wurde ein Verfahren etabliert, um funktionalisierte Dipole kovalent an das Polymernetzwerk zu binden. Dieser als "One-Step-Verfahren" bezeichnete Ansatz ist einfach durchzuführen und es werden homogene Filme erhalten. Die Dipoladdition wurde anhand verschiedener Silikone erprobt, die sich hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften unterschieden. Bei maximalem Dipolgehalt verdoppelte sich die Permittivität aller untersuchten Silikone und die Filme wurden deutlich weicher. Hierbei war festzustellen, dass die Netzwerkstruktur der verwendeten Silikone einen erheblichen Einfluss auf die erreichte Aktuationsdehnung hat. Abhängig vom Netzwerk erfolgte eine enorme Steigerung der Aktuationsleistung im Bereich von 100 % bis zu 4000 %. Dadurch können die Betriebsspannungen in DEAs deutlich abgesenkt werden, so dass sie tendenziell bei Spannungen unterhalb von einem Kilovolt betrieben werden können.