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Ihre außergewöhnlich hohen Konversionseffizienzen von über 20 % und die einfache Zellherstellung machen Hybridperowskite zu heißen Kandidaten für alternative Solarzellenmaterialien. CH3NH3PbI3 als Archetyp dieser Materialklasse besitzt außergewöhnliche Eigenschaften wie eine sehr effiziente Umwandlung von Solarenergie, wobei besonders Ferroelektrizität als mögliche Erklärung in den Fokus gerückt ist. Diese erfordert allerdings eine nicht-zentrosymmetrische Kristallstruktur als notwendige Voraussetzung. Wir stellen hier eine Erklärung des Symmetriebruchs in diesem Material auf kristallographischem, d. h. fernordnungs-basiertem, Wege vor. Während das Molekülkation CH3NH3+ intrinsisch polar ist, ist es extrem fehlgeordnet und kann deshalb nicht die einzige Erklärung darstellen. Es verzerrt allerdings das umgebende Kristallgitter und ruft dadurch eine Verschiebung der Iod-Atome von den zentrosymmetrischen Positionen hervor.
Vom Monomer zum Glykopolymer
(2019)
Glykopolymere sind synthetische und natürlich vorkommende Polymere, die eine Glykaneinheit in der Seitenkette des Polymers tragen. Glykane sind durch die Glykan-Protein-Wechselwirkung verantwortlich für viele biologische Prozesse. Die Beteiligung der Glykanen in diesen biologischen Prozessen ermöglicht das Imitieren und Analysieren der Wechselwirkungen durch geeignete Modellverbindungen, z.B. der Glykopolymere. Dieses System der Glykan-Protein-Wechselwirkung soll durch die Glykopolymere untersucht und studiert werden, um die spezifische und selektive Bindung der Proteine an die Glykopolymere nachzuweisen. Die Proteine, die in der Lage sind, Kohlenhydratstrukturen selektiv zu binden, werden Lektine genannt.
In dieser Dissertationsarbeit wurden verschiedene Glykopolymere synthetisiert. Dabei sollte auf einen effizienten und kostengünstigen Syntheseweg geachtet werden.
Verschiedene Glykopolymere wurden durch funktionalisierte Monomere mit verschiedenen Zuckern, wie z.B. Mannose, Laktose, Galaktose oder N-Acetyl-Glukosamin als funktionelle Gruppe, hergestellt. Aus diesen funktionalisierten Glykomonomeren wurden über ATRP und RAFT-Polymerisation Glykopolymere synthetisiert.
Die erhaltenen Glykopolymere wurden in Diblockcopolymeren als hydrophiler Block angewendet und die Selbstassemblierung in wässriger Lösung untersucht. Die Polymere formten in wässriger Lösung Mizellen, bei denen der Zuckerblock an der Oberfläche der Mizellen sitzt. Die Mizellen wurden mit einem hydrophoben Fluoreszenzfarbstoff beladen, wodurch die CMC der Mizellenbildung bestimmt werden konnte.
Außerdem wurden die Glykopolymere als Oberflächenbeschichtung über „Grafting from“ mit SI-ATRP oder über „Grafting to“ auf verschiedene Oberflächen gebunden. Durch die glykopolymerbschichteten Oberflächen konnte die Glykan Protein Wechselwirkung über spektroskopische Messmethoden, wie SPR- und Mikroring Resonatoren untersucht werden. Hierbei wurde die spezifische und selektive Bindung der Lektine an die Glykopolymere nachgewiesen und die Bindungsstärke untersucht.
Die synthetisierten Glykopolymere könnten durch Austausch der Glykaneinheit für andere Lektine adressierbar werden und damit ein weites Feld an anderen Proteinen erschließen. Die bioverträglichen Glykopolymere wären alternativen für den Einsatz in biologischen Prozessen als Transporter von Medikamenten oder Farbstoffe in den Körper. Außerdem könnten die funktionalisierten Oberflächen in der Diagnostik zum Erkennen von Lektinen eingesetzt werden. Die Glykane, die keine selektive und spezifische Bindung zu Proteinen eingehen, könnten als antiadsorptive Oberflächenbeschichtung z.B. in der Zellbiologie eingesetzt werden.
Untersuchungen an neuartigen sauerstoffsubstituierten Donoren und Akzeptoren für Singulettsauerstoff
(2019)
Im Verlauf dieser Arbeit wurden Aromaten wie Naphthaline und Anthracene mit Singulettsauerstoff, einer reaktiven Form des gewöhnlichen Sauerstoffs, zu sogenannten Endoperoxiden umgesetzt. Die hier eingesetzten Systeme wurden mit funktionellen Gruppen modifiziert, die über eine Sauerstoffbrücke mit dem Aromaten verknüpft sind. Die daraus entstandenen Endoperoxide sind meist besonders labil und konnten in dieser Arbeit isoliert und umfassend untersucht werden.
Hierbei wurde zum einen das Reaktionsverhalten untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Aromaten in Abhängigkeit ihrer funktionellen Gruppen unterschiedlich schnell mit Singulettsauerstoff reagieren. Die so ermittelten Reaktivitäten wurden zusätzlich durch theoretische Berechnungen gestützt.
Die resultierenden Endoperoxide wurden unter verschiedenen Bedingungen wie erhöhter Temperatur oder einem sauren bzw. basischen Milieu auf ihre Stabilität hin untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die auf Naphthalinen basierenden Endoperoxiden den gebundenen Singulettsauerstoff in guten Ausbeuten oft schon bei sehr niedrigen Temperaturen (−40 bis 0 °C) freisetzen. Diese Verbindungen können daher als milde Quellen dieser reaktiven Sauerstoffspezies eingesetzt werden. Weiterhin konnten bei den Anthracenendoperoxiden Zerfallsmechanismen aufgeklärt und andere reaktive Sauerstoffspezies wie Wasserstoffperoxid oder Persäuren nachgewiesen werden.
Zu den Modifikationen der Aromaten gehören auch Glucosereste. Dadurch könnten sich die hier hergestellten Endoperoxide als vielversprechende Verbindungen in der Krebstherapie herausstellen, da Krebszellen deutlich stärker als gesunde Zellen kohlenhydratreiche Verbindungen für ihren Stoffwechsel benötigen. Bei der Spaltung von Endoperoxiden mit Glucosesubstituenten werden ebenfalls reaktive Sauerstoffspezies frei, die so zum Zelltod führen könnten.
A one-step moderate energy vibrational emulsification method was successfully employed to produce thermo-responsive olive/silicone-based Janus emulsions stabilized by poly(N,N-diethylacrylamide) carrying 0.7 mol% oleoyl side chains. Completely engulfed emulsion droplets remained stable at room temperature and could be destabilized on demand upon heating to the transition temperature of the polymeric stabilizer. Time-dependent light micrographs demonstrate the temperature-induced breakdown of the Janus droplets, which opens new aspects of application, for instance in biocatalysis.
The impact of the orientation of zwitterionic groups, with respect to the polymer backbone, on the antifouling performance of thin hydrogel films made of polyzwitterions is explored. In an extension of the recent discussion about differences in the behavior of polymeric phosphatidylcholines and choline phosphates, a quasi-isomeric set of three poly(sulfobetaine methacrylate)s is designed for this purpose. The design is based on the established monomer 3-[N-2-(methacryloyloxy)ethyl-N,N-dimethyl]ammonio-propane-1-sulfonate and two novel sulfobetaine methacrylates, in which the positions of the cationic and the ionic groups relative to the polymerizable group, and thus also to the polymer backbone, are altered. The effect of the varied segmental dipole orientation on their water solubility, wetting behavior by water, and fouling resistance is compared. As model systems, the adsorption of the model proteins bovine serum albumin (BSA), fibrinogen, and lysozyme onto films of the various polyzwitterion surfaces is studied, as well as the settlement of a diatom (Navicula perminuta) and barnacle cyprids (Balanus improvisus) as representatives of typical marine fouling communities. The results demonstrate the important role of the zwitterionic group's orientation on the polymer behavior and fouling resistance
The fabrication of 1D nanostrands composed of stimuli responsive microgels has been shown in this work. Microgels are well known materials able to respond to various stimuli from outer environment. Since these microgels respond via a volume change to an external stimulus, a targeted mechanical response can be achieved. Through carefully choosing the right composition of the polymer matrix, microgels can be designed to react precisely to the targeted stimuli (e.g. drug delivery via pH and temperature changes, or selective contractions through changes in electrical current125).
In this work, it was aimed to create flexible nano-filaments which are capable of fast anisotropic contractions similar to muscle filaments. For the fabrication of such filaments or strands, nanostructured templates (PDMS wrinkles) were chosen due to a facile and low-cost fabrication and versatile tunability of their dimensions. Additionally, wrinkling is a well-known lithography-free method which enables the fabrication of nanostructures in a reproducible manner and with a high long-range periodicity.
In Chapter 2.1, it was shown for the first time that microgels as soft matter particles can be aligned to densely packed microgel arrays of various lateral dimensions. The alignment of microgels with different compositions (e.g. VCL/AAEM, NIPAAm, NIPAAm/VCL and charged microgels) was shown by using different assembly techniques (e.g. spin-coating, template confined molding). It was chosen to set one experimental parameter constant which was the SiOx surface composition of the templates and substrates (e.g. oxidized PDMS wrinkles, Si-wafers and glass slides). It was shown that the fabrication of nanoarrays was feasible with all tested microgel types. Although the microgels exhibited different deformability when aligned on a flat surface, they retained their thermo-responsivity and swelling behavior.
Towards the fabrication of 1D microgel strands interparticle connectivity was aspired. This was achieved via different cross-linking methods (i.e. cross-linking via UV-irradiation and host-guest complexation) discussed in Chapter 2.2. The microgel arrays created by different assembly methods and microgel types were tested for their cross-linking suitability. It was observed that NIPAAm based microgels cannot be cross-linked with UV light. Furthermore, it was found that these microgels exhibit a strong surface-particle-interaction and therefore could not be detached from the given substrates. In contrast to the latter, with VCL/AAEM based microgels it was possible to both UV cross-link them based on the keto-enol tautomerism of the AAEM copolymer, and to detach them from the substrate due to the lower adhesion energy towards SiOx surfaces. With VCL/AAEM microgels long, one-dimensional microgel strands could be re-dispersed in water for further analysis. It has also been shown that at least one lateral dimension of the free dispersed 1D microgel strands is easily controllable by adjusting the wavelength of the wrinkled template. For further work, only VCL/AAEM based microgels were used to focus on the main aim of this work, i.e. the fabrication of 1D microgel nanostrands.
As an alternative to the unspecific and harsh UV cross-linking, the host-guest complexation via diazobenzene cross-linkers and cyclodextrin hosts was explored. The idea behind this approach was to give means to a future construction kit-like approach by incorporation of cyclodextrin comonomers in a broad variety of particle systems (e.g. microgels, nanoparticles). For this purpose, VCL/AAEM microgels were copolymerized with different amounts of mono-acrylate functionalized β-cyclodextrin (CD). After successfully testing the cross-linking capability in solution, the cross-linking of aligned VCL/AAEM/CD microgels was tried. Although the cross-linking worked well, once the single arrays came into contact to each other, they agglomerated. As a reason for this behavior residual amounts of mono-complexed diazobenzene linkers were suspected. Thus, end-capping strategies were tried out (e.g. excess amounts of β-cyclodextrin and coverage with azobenzene functionalized AuNPs) but were unsuccessful. With deeper thought, entropy effects were taken into consideration which favor the release of complexed diazobenzene linker leading to agglomerations. To circumvent this entropy driven effect, a multifunctional polymer with 50% azobenzene groups (Harada polymer) was used. First experiments with this polymer showed promising results regarding a less pronounced agglomeration (Figure 77). Thus, this approach could be pursued in the future. In this chapter it was found out that in contrast to pearl necklace and ribbon like formations, particle alignment in zigzag formation provided the best compromise in terms of stability in dispersion (see Figure 44a and Figure 51) while maintaining sufficient flexibility.
For this reason, microgel strands in zigzag formation were used for the motion analysis described in Chapter 2.3. The aim was to observe the properties of unrestrained microgel strands in solution (e.g. diffusion behavior, rotational properties and ideally, anisotropic contraction after temperature increase). Initially, 1D microgel strands were manipulated via AFM in a liquid cell setup. It could be observed that the strands required a higher load force compared to single microgels to be detached from the surface. However, with the AFM it was not possible to detach the strands in a controllable manner but resulted in a complete removal of single microgel particles and a tearing off the strands from the surface, respectively. For this reason, to observe the motion behavior of unrestrained microgel strands in solution, confocal microscopy was used. Furthermore, to hinder an adsorption of the strands, it was found out that coating the surface of the substrates with a repulsive polymer film was beneficial. Confocal and wide-field microscopy videos showed that the microgel strands exhibit translational and rotational diffusive motion in solution without perceptible bending. Unfortunately, with these methods the detection of the anisotropic stimuli responsive contraction of the free moving microgel strands was not possible. To summarize, the flexibility of microgel strands is more comparable to the mechanical behavior of a semi flexible cable than to a yarn. The strands studied here consist of dozens or even hundreds of discrete submicron units strung together by cross-linking, having few parallels in nanotechnology.
With the insights gained in this work on microgel-surface interactions, in the future, a targeted functionalization of the template and substrate surfaces can be conducted to actively prevent unwanted microgel adsorption for a given microgel system (e.g. PVCL and polystyrene coating235). This measure would make the discussed alignment methods more diverse. As shown herein, the assembly methods enable a versatile microgel alignment (e.g. microgel meshes, double and triple strands). To go further, one could use more complex templates (e.g. ceramic rhombs and star shaped wrinkles (Figure 14) to expand the possibilities of microgel alignment and to precisely control their aspect ratios (e.g. microgel rods with homogeneous size distributions).
Im Rahmen dieser Dissertation konnten neue Kalium- und Natrium-Ionen Fluoreszenzfarbstoffe von der Klasse der Fluoroionophore synthetisiert und charakterisiert werden. Sie bestehen aus einem N Phenylazakronenether als Ionophor und unterschiedlichen Fluorophoren und sind über einen π-konjugierten 1,2,3-Triazol-1,4-diyl Spacer verbunden. Dabei lag der Fokus während ihrer Entwicklung darauf, diese in ihrer Sensitivität, Selektivität und in ihren photophysikalischen Eigenschaften so zu funktionalisieren, dass sie für intra- bzw. extrazelluläre Konzentrationsbestimmungen geeignet sind.
Durch Variation der in ortho Position der N-Phenylazakronenether befindlichen Alkoxy-Gruppen und der fluorophoren Gruppe der Fluoroionophore konnte festgestellt werden, dass die Sensitivität und Selektivität für Kalium- bzw. Natrium-Ionen jeweils durch eine bestimmte Isomerie der 1,2,3-Triazol-1,4-diyl-Einheit erhöht wird. Des Weiteren wurde gezeigt, dass durch eine erhöhte Einschränkung der N,N-Diethylamino-Gruppe des Fluorophors eine Steigerung der Fluoreszenzquantenausbeute und eine Verschiebung des Emissionsmaximums auf über 500 nm erreicht werden konnte. Die Einführung einer Isopropoxy-Gruppe an einem N-Phenylaza-[18]krone-6-ethers resultierte dabei in einem hoch selektiven Kalium-Ionen Fluoroionophor und ermöglichte eine in vitro Überwachung von 10 – 80 mM Kalium-Ionen. Die Substitution einer Methoxy-Gruppe an einem N-Phenylaza-[15]krone-5-ether kombiniert mit unterschiedlich N,N-Diethylamino-Coumarinen lieferte hingegen zwei Natrium-Ionen Fluoroionophore, die für die Überwachung von intra- bzw. extrazellulären Natrium-Ionen Konzentrationen geeignet sind.
In einem weiteren Schritt wurden N-Phenylaza-[18]krone-6-ether mit einem Fluorophor, basierend auf einem [1,3]-Dioxolo[4,5-f][1,3]benzodioxol-(DBD)-Grundgerüst, funktionalisiert. Die im Anschluss durchgeführten spektroskopischen Untersuchungen ergaben, dass die Isopropoxy-Gruppe in ortho Position des N-Phenylaza-[18]krone-6-ether in einen für extrazelluläre Kalium-Ionen Konzentrationen selektiven Fluoroionophor resultierte, der die Konzentrationsbestimmungen über die Fluoreszenzintensität und -lebensdauer ermöglicht.
In einem abschließenden Schritt konnte unter Verwendung eines Pyrens als fluorophore Gruppe ein weiterer für extrazelluläre Kalium-Ionen Konzentrationen geeigneter Fluoroionophor entwickelt werden. Die Bestimmung der Kalium-Ionen Konzentration erfolgte hierbei anhand der Fluoreszenzintensitätsverhältnisse bei zwei Emissionswellenlängen.
Insgesamt konnten 17 verschiedene neue Fluoroionophore für die Bestimmung von Kalium- bzw. Natrium-Ionen synthetisiert und charakterisiert werden. Sechs dieser neuen Moleküle ermöglichen in vitro Messungen der intra- oder extrazellulären Kalium- und Natrium-Ionen Konzentrationen und könnten zukünftig für in vivo Konzentrationsmessungen verwendet werden.
Precision agriculture (PA) strongly relies on spatially differentiated sensor information. Handheld instruments based on laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) are a promising sensor technique for the in-field determination of various soil parameters. In this work, the potential of handheld LIBS for the determination of the total mass fractions of the major nutrients Ca, K, Mg, N, P and the trace nutrients Mn, Fe was evaluated. Additionally, other soil parameters, such as humus content, soil pH value and plant available P content, were determined. Since the quantification of nutrients by LIBS depends strongly on the soil matrix, various multivariate regression methods were used for calibration and prediction. These include partial least squares regression (PLSR), least absolute shrinkage and selection operator regression (Lasso), and Gaussian process regression (GPR). The best prediction results were obtained for Ca, K, Mg and Fe. The coefficients of determination obtained for other nutrients were smaller. This is due to much lower concentrations in the case of Mn, while the low number of lines and very weak intensities are the reason for the deviation of N and P. Soil parameters that are not directly related to one element, such as pH, could also be predicted. Lasso and GPR yielded slightly better results than PLSR. Additionally, several methods of data pretreatment were investigated.
Excellent conversion efficiencies of over 20% and facile cell production have placed hybrid perovskites at the forefront of novel solar cell materials, with CH3NH3PbI3 being an archetypal compound. The question why CH3NH3PbI3 has such extraordinary characteristics, particularly a very efficient power conversion from absorbed light to electrical power, is hotly debated, with ferroelectricity being a promising candidate. This does, however, require the crystal structure to be non-centrosymmetric and we herein present crystallographic evidence as to how the symmetry breaking occurs on a crystallographic and, therefore, long-range level. Although the molecular cation CH3NH3+ is intrinsically polar, it is heavily disordered and this cannot be the sole reason for the ferroelectricity. We show that it, nonetheless, plays an important role, as it distorts the neighboring iodide positions from their centrosymmetric positions.