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The retention of actinides in different oxidation states (An(X), X = III, IV, VI) by a calcium-silicate-hydrate (C-S-H) phase with a Ca/Si (C/S) ratio of 0.8 was investigated in the presence of gluconate (GLU). The actinides considered were Am(III), Th(IV), Pu(IV), and U(VI). Eu(III) was investigated as chemical analogue for Am(III) and Cm(III). In addition to the ternary systems An(X)/GLU/C-S-H, also binary systems An(X)/C-S-H, GLU/C-S-H, and An(X)/GLU were studied. Complementary analytical techniques were applied to address the different specific aspects of the binary and ternary systems. Time-resolved laser-induced luminescence spectroscopy (TRLFS) was applied in combination with parallel factor analysis (PARAFAC) to identify retained species and to monitor species-selective sorption kinetics. ¹³C and ²⁹Si magic-angle-spinning (MAS) nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were applied to determine the bulk structure and the composition of the C-S-H surface, respectively, in the absence and presence of GLU. The interaction of Th(IV) with GLU in different electrolytes was studied by capillary electrophoresis-inductively coupled plasma mass spectrometry (CE-ICP-MS). The influence of GLU on An(X) retention was investigated for a large concentration range up to 10⁻² M. The results showed that GLU had little to no effect on the overall An(X) retention by C-S-H with C/S of 0.8, regardless of the oxidation state of the actinides. For Eu(III), the TRLFS investigations additionally implied the formation of a Eu(III)-bearing precipitate with dissolved constituents of the C-S-H phase, which becomes structurally altered by the presence of GLU. For U(VI) sorption on the C-S-H phase, only a small influence of GLU could be established in the luminescence spectroscopic investigations, and no precipitation of U(VI)-containing secondary phases could be identified., Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe; 1318

Ionizing radiation is used in cancer radiation therapy to effectively damage the DNA of tumors. The main damage is due to generation of highly reactive secondary species such as low-energy electrons (LEEs). The accurate quantification of DNA radiation damage of well-defined DNA target sequences in terms of absolute cross sections for LEE-induced DNA strand breaks is possible by the DNA origami technique; however, to date, it is possible only for DNA single strands. In the present work DNA double strand breaks in the DNA sequence 5'-d(CAC)(4)/5'd(GTG)(4) are compared with DNA single strand breaks in the oligonucleotides 5'-d(CAC)(4) and 5'-d(GTG)(4) upon irradiation with LEEs in the energy range from 5 to 20 eV. A maximum of strand break cross section was found around 7 and 10 eV independent of the DNA sequence, indicating that dissociative electron attachment is the underlying mechanism of strand breakage and confirming previous studies using plasmid DNA.

Due to the COVID pandemic, the introductory course on organic chemistry was developed and conducted as anonline course. To ensure methodical variety in this course,educational games and quizzes have been developed, used, and evaluated. The attendance of the course, and therefore also the use of the quizzes and games, was voluntary. The quizzes'main goalwas to give the students the opportunity to check whether they had memorized the knowledge needed in the course. Another goal was to make transparent which knowledge the students shouldmemorize by rote. The evaluation shows that the students hadnot internalized all knowledge which they should apply in severaltasks on organic chemistry. They answered multiselect questions in general less well than single-select questions. The games shouldcombine fun with learning. The evaluation of the games shows that the students rated them very well. The students used thosegames again for their exam preparation, as the monitoring of accessing the games showed. Students'experiences with usingelectronic devices in general or for quizzes and games have also been evaluated, because their experience could influence thestudents'assessment of the quizzes and games used in our study. However, the students used electronic devices regularly and shouldtherefore be technically competent to use our quizzes and games. The evaluation showed that the use of digital games for learningpurposes is not very common, neither at school nor at university, although the students had worked with such tools before. Thestudents are also very interested in using and developing such digital games not only for their own study, but also for their future work at school

Maximizing the efficiency of nanocarrier-mediated co-delivery of genes for co-expression in the same cell is critical for many applications. Strategies to maximize co-delivery of nucleic acids (NA) focused largely on carrier systems, with little attention towards payload composition itself. Here, we investigated the effects of different payload designs: co-delivery of two individual “monocistronic” NAs versus a single bicistronic NA comprising two genes separated by a 2A self-cleavage site. Unexpectedly, co-delivery via the monocistronic design resulted in a higher percentage of co-expressing cells, while predictive co-expression via the bicistronic design remained elusive. Our results will aid the application-dependent selection of the optimal methodology for co-delivery of genes. Graphical abstract

The preparation of stable and efficient electrocatalysts comprising abundant and non-critical row-materials is of paramount importance for its industrial implementation. Herein, we present a simple synthetic route to prepare Mn(II) sub-nanometric active sites over a highly N-doped noble carbonaceous support. This support not only promotes a strong stabilization of the Mn (II) sites, improving its stability against oxidation, but also provides a convenient coordination environment in the Mn (II) sites able to produce CO, HCOOH and CH3COOH from the electrochemically CO2 reduction.

Functional materials, also called "Smart Materials", are described by their ability to fulfill a desired task through targeted interaction with its environment. Due to this functional integration, such materials are of increased interest, especially in areas where the increasing micronization of components is required. Modern manufacturing processes (e.g. microfluidics) and the availability of a wide variety of functional materials (e.g. shape memory materials) now enable the production of particle-based switching components. This category includes micropumps and microvalves, whose basic function is the active control of liquid flows. One approach in realizing those microcomponents as pursued by this work, enables variable size-switching of water-filled microballoons by implementing a stimulus-sensitive switching motif in the capsule's membrane shell, while being under the influence of a constant driving force. The switching motif with its gatekeeper function has a critical influence on one or more material parameters, which modulate the capsule's resistance against the driving force in microballoon expansion process. The advantage of this concept is that even non-variable analyte conditions, such as concentration levels of ions, can be capitalized to generate external force fields that, under the control of the membrane, cause an inflation of the microballoon by an osmotically driven water influx. In case of osmotic pressure gradients as the driving force for the capsule expansion, material parameters associated with the gatekeeper function are specifically the permeability and the mechanical stiffness of the shell material. While a modulation of the shell permeability could be utilized to kinetically impede the water influx on large time scales, a modulation of the shell's mechanical stiffness even might be utilized to completely prevent the capsule inflation due to a possible non-deformability beneath a certain threshold pressure. In polymer networks, which are a suitable material class for the demanded capsule shell because of their excellent elasticity, both the permeability and the mechanical properties are strongly influenced by the crystallinity of the material. Since the permeability is effectively reduced with increasing crystallinity, while the mechanical stiffness is simultaneously greatly increased, both effects point in the same direction in terms of their functional relationship. For this reason and due to a reversible and contactless modulation of the membrane crystallinity by heat input, crystallites may be suitable switching motifs for controlling the capsule expansion. As second design element of reversible expandable microballoons, the capsule geometry, defined by an aqueous core enveloped by the temperature-sensitive polymer network membrane, should allow an osmotic pressure gradient across the membrane layer. The strength of the inflation pressure and the associated inflation velocity upon membrane melting should be controlled by the salt concentration within the aqueous core, while a turn in the osmotic gradient should furthermore allow the reversible process of capsule deflation. Therefore, it should be possible to build either microvalves and micropumps, while their intended action of either pumping or valving is determined by their state of expansion and the direction of the osmotic pressure gradient.. Microballoons of approximately 300 µm in diameter were formed via droplet-based microfluidics from double-emulsion templates (w/o/w). The elastomeric capsule membrane was formed by photo-crosslinking of methacrylate (MA) functionalized oligo(ε-caprolactone) precursors (≈ 3.8 MA-arms, Mn ≈ 12000 g mol-1) within the organic medium layer (o) via UV-exposure after droplet-formation. After removal of the toluene/chloroform mixture by slow extraction via the continuous aqueous phase, the capsules solidified under the development of a characteristic "mushroom"-like shape at specific experimental conditions (e.g. λ = 308 nm, 57 mJ·s-1·cm-2, 16 min). It could be furthermore shown that in dependency to the process parameters: oligomer concentration and curing-time also spherical capsules were accessible. Long curing-times and high oligomer concentrations at a fixed light-intensity favored the formation of "mushroom"-like capsules, whereas the contrary led to spherical shaped capsules. A comparative study on thin polymer network films of same composition and equal treatment proved a correlation between the film's crosslink density and their contraction capability, while stronger crosslinked polymer networks showed a stronger contraction after solvent removal. In combination with observations during capsule solidification via light-microscopy, where a continuous shaping from almost spherical crosslinked templates to "mushroom"-shaped and solidified capsules was stated, the following mechanism was proposed. In case of low oligomer contents and short curing-times, the contraction of the capsule shell during solvent removal is strongly diminished due to a low degree of crosslinking. Therefore, the solidifying shell could freely collapse onto the aqueous core. In the other case, high oligomer concentrations and long curing-times will favor the formation of highly crosslinked capsule membranes with a strong contraction capability. Due to an observed decentered location of the aqueous core within the swollen polymer network, an uneven radial stress along the capsule's circumference is exerted to the incompressible core. This lead to an uneven contraction during solvent removal and a directed flow of the core fluid into the direction of the minimal stress vector. In consequence, the initially thicker spherical cap contracts, whereas the opposing thinner spherical cap get stretched. The "mushroom"-shape over some advantages over their spherical shaped counterparts, why they were selected for the further experiments. Besides the necessity of a high density of crosslinking for the purpose of extraordinary elasticity and toughness, the form-anisotropy promotes a faster microballoon expandability due to a partial reduction of the membrane thickness. Additionally, pre-stretched regions of thin thickness might provide a better resistance against inflation pressure than spherical but non-stretched capsules of equal membrane thickness. The resulting "mushroom"-shaped microcapsules exhibited a melting point of Tm ≈ 50 - 60 °C and a degree of crystallinity of Xc ≈ 29 - 38 % depending on the membrane thickness and internal salt content, which is slightly lower than for the non-crosslinked oligomer and reasoned by a limited chain mobility upon crosslinking. Nonetheless, the melting transition of the polymer network was associated with a strong drop in its mechanical stiffness, which was shown to have a strong influence on the osmotic driven expansion of the microcapsules. Capsules that were subjected to osmotic pressures between 1.5 and 4.7 MPa did not expand if the temperature was well below the melting point of the capsule's membrane, i.e. at room temperature. In contrast, a continuous expansion, while approaching asymptotically to a final capsule size, was observed if the temperature exceeded the melting point, i.e. 60 °C. Microballoons, which were kept for 56 days at ∆Π = 1.5 MPa and room temperature, did not change significantly in diameter, why the impact of the mechanical stiffness on the expansion behavior is considered to be the greater than the influence of the shell permeability. The time-resolved expansion behavior of the microballoons above their Tm was subsequently modeled, using difusion equations that were corrected for shape anisotropy and elastic restoring forces. A shape-related and expansion dependent pre-factor was used to dynamically address the influence of the shell thickness differences along the circumference on the inflation velocity, whereas the microballoon's elastic contraction upon inflation was rendered by the inclusion of a hyperelastic constitutive model. An important finding resulting from this model was the pronounced increase in inflation velocity compared to hypothetical capsules with a homogeneous shell thickness, which stresses the benefit of employing shape anisotropic balloon-like capsules in this study. Furthermore, the model was able to predict the finite expandability on basis of entropy-elastic recovery forces and strain-hardening effects. A comparison of six different microballoons with different shell thicknesses and internal salt contents showed the linear relationship between the volumetric expansion, the shell thickness and the applied osmotic pressure, as represented by the model. As the proposed model facilitates the prediction of the expansion kinetics depending on the membranes mechanical and diffusional characteristics, it might be a screening tool for future material selections. In course of the microballoon expansion process, capsules of intermediate diameters could be isolated by recrystallization of the membrane, which is mainly caused by a restoration of the membrane's mechanical stiffness and is otherwise difficult to achieve with other stimuli-sensitive systems. The capsule's crystallinity of intermediate expansion states was nearly unchanged, whereas the lamellar crystal size tends to decreased with the expansion ratio. Therefore, it was assumed that the elastic modulus was only minimally altered and might increased due to the networks segment-chain extension. In addition to the volume increase achieved by inflation, a turn in the osmotic gradient also facilitated the reversible deflation, which was shown in inflation/deflation cycles. These both characteristics of the introduced microballoons are important parameter regarding the realization of micropumps and microvalves. The fixation of expanded microcapsules via recrystallization enabled the storage of entropy-elastic strain-energy, which could be utilized for pumping actions in non-aqueous media. Here, the pumping velocity depended on both, the type of surrounding medium and the applied temperature. Surrounding media that supported the fast transport of pumped liquid showed an accelerated deflation, while high temperatures further accelerate the pumping velocity. Very fast rejection of the incorporated payload was furthermore realized with pierced expanded microballoons, which were subjected to temperatures above their Tm. The possible fixation of intermediate particle sizes provide opportunities for vent constructions that allowed the precise adjustment of specific flow-rates and multiple valve openings and closings. A valve construction was realized by the insertion of a single or multiple microballoons in a microfluidic channel. A complete and a partial closing of the microballoon-valves was demonstrated as a function of the heating period. In this context, a difference between the inflation and deflation velocity was stated, summarizing slower expansion kinetics. Overall, microballoons, which presented both on-demand pumping and reversible valving by a temperature-triggered change in the capsule's volume, might be suitable components that help to design fully integrated LOC devices, due to the implementation of the control switch and controllable inflation/deflation kinetics. In comparison to other state of the art stimuli-sensitive materials, one has to highlight the microballoons capability of stabilizing almost continuously intermediate capsule sizes by simple recrystallization of the microballoon's membrane. Funktionsmaterialien, auch "Smart Materials" genannt, werden durch ihre Fähigkeit, durch die gezielte Interaktion mit seiner Umgebung eine gewünschte Aufgabe zu erfüllen, beschrieben. Aufgrund dieser Funktionsintegration sind solche Materialien vor allem in Bereichen, in denen die zunehmende Mikronisierung von Bauteilen benötigt wird, von gesteigerten Interesse. Moderne Fertigungsverfahren (z..B. Mikrofluidik) und die Verfügbarkeit verschiedenster Funktionsmaterialien (z.B. Formgedächtnismaterialien) ermöglichen heutzutage die Herstellung partikelbasierter Schaltkomponenten. In diese Kategorie fallen unter anderem Mikropumpen und Mikroventile, deren grundsätzliche Funktion die aktive Steuerung von Flüssigkeitsströmen ist. Ein Ansatz zur Realisierung solcher Mikroschalter, der von dieser Arbeit verfolgt wurde, basiert auf wassergefüllten Mikroballons mit einem integrierten stimuli-sensitiven Schaltelement, welche unter dem Einfluss einer konstanten Antriebskraft eine Gröÿenänderung erfahren. Das Schaltmotiv als kontrollierende Instanz entscheidet dabei über die Auswirkung der einwirkenden Kraft auf die Gröÿenänderung durch ihren Einfluss auf einen oder mehrere Materialparameter. Dies ermöglicht die Ausnutzung nicht-variabler Analytbedingungen, wie zum Beispiel Ionenkonzentrationsunterschiede, zur Erzeugung von Kraftfeldern, welche eine Expansion der Mikroballons durch Osmose hervorrufen. Materialparameter welche mit osmotischen Volumenströmen assoziiert sind und diese steuern, sind im Speziellen die Permeabilität und die mechanische Steifigkeit der Kapselmembran. Durch eine Verringerung der Permeabilität kann die Expansionsgeschwindigkeit der Kapseln kinetisch gehemmt und zu langen Zeitperioden hin verschoben werden, wohingegen eine Verstärkung der mechanischen Steifigkeit die Expansion der Kapseln komplett unterbinden kann, indem der angelegte osmotische Druck unterhalb des zur Dehnung notwendigen Schwellendruck liegt.. In Verbindung mit Polymernetzwerken, welche aufgrund ihrer herausragenden Elastizität und Zähfestigkeit eine geeignete Materialklasse für die Herstellung der Kapselmembran darstellen, sind sowohl die Permeabilität als auch die mechanische Steifigkeit mit der Kristallinität des Materials assoziiert. Grundsätzlich kann festgestellt werden, dass die Permeabilität mit der Kristallinität sinkt, wohingegen die Steifigkeit mit ihr steigt. Die Expansion der Kapseln sollte demnach in Abhängigkeit der Kristallinität des Hüllmaterials ermöglicht oder unterbunden werden können, weswegen sich Kristallite als temperatur-sensitive Schaltmotive eignen sollten. Das zweite Designelement von reversibel expandierbaren Mikroballons wird durch die Kapselgeometrie beschrieben, welche sowohl einen wässrigen Kern als auch eine elastomere, semi-permeable Membran aufweist. Diese Kompartimentierung ermöglicht zum einen die Generierung eines osmotischen Druckgradientens zwischen Kapselkern und Umgebung und zum anderen die Erzeugung einer dünnen und umspannenden Polymermembran. Der osmotische Druck als auch die hiermit einhergehende Expansionsgeschwindigkeit nach Aufschmelzen der Kapselmembran sollte durch das Einstellen des Salzgehaltes des Partikelkerns möglich sein. Eine reversible Kapselschrumpfung nach erfolgter Expansion sollte durch Änderungen des äußeren Salzgehaltes zugänglich sein. Auf Basis dieses Konzepts sollten demnach reversibel schaltbare Mikropumpen und Mikroventile realisierbar sein, wobei die Art ihrer Funktion sowohl von ihrem Expansionszustand als auch von der Richtung des osmotischen Druckgradienten abhängt. Die templat-basierte Erzeugung von Mikroballons mit einem Durchmesser von ca. 300 µm erfolgte aus (w/o/w) Doppelemulsionströpfchen mittels Mikrofluidik. Die elastomere Kapselmembran wurde durch Photovernetzung von Methacrylat funktionalisierten oligo(ϵ-caprolacton) Vorläufern (≈ 3.8 MA-Arme, Mn ≈ 12000 g mol-1) aus der organischen Phase (o) und nach Abschluss der Tröpfchenformierung erzeugt. Nach Verfestigung der Kapselmembran durch langsames extrahieren des Lösungsmittelgemisches (Toluol/Chloroform) über die kontinuierliche wässrige Phase, wurden unter bestimmten Reaktionsbedingungen während der Photovernetzung (e.g. λ = 308 nm, 57 mJ·s-1·cm-2, 16 min) formanisotrope "pilzförmige" Mikrokapseln erhalten. Es wurde festgestellt, dass über die Syntheseparameter der Oligomerkonzentration und Belichtungszeit, die Formgebung zwischen kugelförmigen und "pilzförmigen" Kapseln gesteuert werden konnte. Im Fall von niedrigen Oligomerkonzentrationen und kurzen Belichtungszeiten wurden kugelförmige Mikrokapseln und ansonsten "pilzförmige" Kapseln erzeugt. In einer vergleichenden Studie an dünnen Polymernetzwerkfilmen gleicher Zusammensetzung und Behandlung konnte ein Zusammenhang zwischen den beiden Syntheseparametern und der Kontraktilität der Filme bestätigt werden, wobei im Falle höherer Oligomerkonzentrationen und längeren Belichtungszeiten eine stärkere Kontraktion der Filme nach Abdampfen des Lösungsmittelgemisches beobachtet werden konnte. Zusammen mit Beobachtungen eines kontinuierlichen Ausprägens der "Pilzform" von initial annähernd kugelförmigen Kapseln im Laufe des Verfestigungsprozesses mittels Lichtmikroskopie wird folgender Mechanismus der Formausprägung vorgeschlagen. Kapseln mit niedriger Vernetzungsdichte zeigen nur eine geringe Kontraktilität, wodurch das Polymernetzwerk nach Extraktion des Lösungsmittelgemisches frei auf der Kernoberfläche kollabieren kann. Stark vernetzte Kapseln weisen hingegen eine sehr starke Schrumpfung infolge des Lösungsmittelverlustes auf. Aufgrund der nicht mittigen Positionierung des wässrigen Kerns mit Abschluss der Tröpfchenbildung und der darauf ausgebildeten inhomogenen Schichtdickenverteilung ergeben sich unterschiedlich starke radiale Spannungsunterschiede entlang der Membran. Bereiche großer Materialstärke kontrahieren infolge stärker und sorgen für eine Verformung des inkompressiblen wässrigen Kerns in Richtung dünnerer Membransegmente, welche daraufhin gedehnt werden. Nach Abschluss der Membranverfestigung liegen demnach entspannte und stark vorgedehnte Membransegmente vor, die aufgrund der Kristallisation konserviert werden. Die "Pilzform" bietet hinsichtlich der Expansionseigenschaften der Mikroballons einige Vorteile gegenüber ihrem kugelförmigen Pendant, weswegen diese für die weiteren Experimente verwendet wurden. Neben den Anforderung hoher Vernetzungsdichten zum Zwecke der geforderten Elastizität, wird durch die Formanisotropie und der damit verbundenen Schichtdickenunterschiede die Expansionsgeschwindigkeit der Kapseln gesteigert. Weiterhin könnte die Vorstreckung der dünnen Membranschichten eine zusätzliche Stabilität gegenüber dem angelegten osmotischen Drucks aufweisen und somit ein ungewolltes Expandieren unterhalb der Schmelztemperatur erschweren. Die resultierenden "pilzförmigen" Mikroballons wiesen je nach eingestellter Schichtdicke und innerer Salzkonzentration, einen Schmelzpunkt von Tm ≈ 50 - 60 °C und einen Kristallisationsgrad von Xc ≈ 29 - 38 % auf, welche verglichen mit dem unvernetzten PCL Homopolymer geringfügig kleiner waren. Dies liegt zum einen an der erhöhten Anzahl von Kettenenden und zum anderen an der eingeschränkten Kettenmobilität infolge der Oligomervernetzung. Es konnte jedoch weiterhin eine starke Verringerung der mechanischen Steifigkeit nach dem Überschreiten der Schmelztemperatur beobachtet werden. Der große Einfluss der Temperatur auf die Expansion der Mikroballons konnte für mehrere Kapseln bestätigt werden. Kapseln welche einem osmotischen Druck von 1.5 bis 4.7 MPa ausgesetzt waren zeigten keine Größenveränderung bei Raumtemperatur, d.h. weit unterhalb der Schmelztemperatur. Im Gegensatz hierzu wurde eine starke Volumenzunahme aller Kapseln nach dem Überschreiten der Schmelztemperatur, bei 60 °C festgestellt. Mikroballons welche für 56 Tage einem osmotischen Druck von 1.5 MPa bei Raumtemperatur ausgesetzt waren zeigten keine signifikanten Volumenänderungen, weswegen insbesondere der Effekt der mechanischen Erweichung ausschlaggebend für das Schaltprinzip gemacht werden kann. Das zeitaufgelöste Expansionsverhalten der Mikroballons oberhalb ihres Schmelzpunktes wurde daraufhin unter Verwendung von Diffusionsgleichungen, welche für die Formanisotropie und elastische Rückstellkräfte korrigiert wurden, modelliert. Ein formabhängiger Vorfaktor, der die Expansionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Schichtdickenunterschiede und des Expansionszustandes beschreibt, wurde ebenso eingeführt wie ein Term zur Beschreibung der mechanischen Rückstellkräfte auf Basis eines hyperelastischen Materialmodells. Das Model ermöglichte zum einen eine Beschreibung der endlichen Expandierfähigkeit aufgrund entropie-elastischer Rückstellkräfte sowie aufgrund von Kaltverfestigungen, und zum anderen eine deutliche Beschleunigung des Expandiervorganges aufgrund der Kapselanisotropie. Der Vergleich sechs unterschiedlicher Kapseln mit unterschiedlichen Schichtdicken und inneren Salzgehalten zeigte zudem, in Übereinstimmung mit dem Modell, eine lineare Abhängigkeit von Schichtdicke, osmotischen Druck und der Volumenzunahme. Die mit dem Modell einhergehende Vorhersagemöglichkeit der Expansionskinetik hinsichtlich der mechanischen und diffusionsbedingten Materialcharakteristika stellen somit möglicherweise eine Hilfestellung dar, eine zukünftige Materialauswahl zu treffen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass durch Rekristallisation der Kapselmembran und der damit verbundenen Wiederherstellung der mechanischen Steifigkeit, intermediäre Kapselgrößen isoliert werden konnten, was nach besten Wissen des Standes-der-Technik andernfalls nur schwer zu erreichen ist. Ungeachtet des Expansionsgrades konnten nur geringe Änderungen der Kristallinität festgestellt werden, wohingegen die Kristallgröße mit zunehmender Expansion abnahm. Diesbezüglich wird angenommen dass der Elastizitätsmodulus nur geringfügigen Veränderungen unterliegt oder sogar aufgrund einer Kettenversteifung tendenziell zunimmt. Zusätzlich der Betrachtung einer Volumenzunahme, konnte durch die Änderung des Druckgradienten ebenfalls ein Schrumpfen der Kapseln erreicht werden. Die Reversibilität dieses Prozesses wurde in Expansions/Deflations-Zyklen bestätigt und ist eine wichtige Eigenschaft der Mikroballons hinsichtlich ihrer Verwendung als Mikropumpe und Mikroventil. Die Fixierung expandierter Mikrokapseln durch Rekristallisierung der Membran ermöglichte weiterhin eine Pumpfunktion in nicht-wässrigen Medien. Dabei konnte festgestellt werden, dass die Pumpleistung sowohl von dem umgebenden Medium als auch von der applizierten Temperatur abhingen. Medien, die einen schnellen Abtransport der freigesetzten Flüssigkeit ermöglichten, als auch hohe Temperaturen steigerten hierbei die Pumpleistung. Mikroballons mit einer sehr großen Auswurfleistung konnten durch das Einbringen einer Öffnung in die Membran erzeugt werden. Die Fixierung intermediärer Kapselgrößen ermöglichte Ventilkonstruktionen, welche eine präzise Flussrateneinstellung und ein vielfaches öffnen und Schließen des Ventils ermöglichte. Diese Konstruktionen wurden durch das Einbringen eines oder mehrerer Mikroballons realisiert. Ein teilweises und vollkommenes Schließen dieser Mikroballon-basierten Ventilen wurde mit einem periodischen Versuchsaufbau in Abhängigkeit der Heizperiode gezeigt. Dabei wurden unterschiedliche Expansions- und Deflationskinetiken mit einem schnelleren Schrumpfverhalten bestätigt. Zusammenfassend wurden Mikroballons entwickelt, welche sowohl eine "on-demand" Pumpfunktion als auch eine reversible Ventilfunktion aufweisen. Die Implementierung des Schaltmotives in die Partikelmembran sowie die kontrollierbaren Expansions/Deflationskinetiken machen die Mikroballons gegebenenfalls zu geeigneten Komponenten für hochintegrierbare LOC-Systeme. Im Vergleich zu anderen Stimuli-sensitiven Materialien ist die Möglichkeit der nahezu kontinuierlichen Stabilisierung von intermediärer Partikelgrößen hervorzuheben. Dieses Verhalten wird dabei durch Wechselspiel zwischen Materialeigenschaften und Kapselgeometrie erzeugt.

The urge of light utilization in fabrication of materials is as encouraging as challenging. Steadily increasing energy consumption in accordance with rapid population growth, is requiring a corresponding solution within the same rate of occurrence speed. Therefore, creating, designing and manufacturing materials that can interact with light and in further be applicable as well as disposable in photo-based applications are very much under attention of researchers. In the era of sustainability for renewable energy systems, semiconductor-based photoactive materials have received great attention not only based on solar and/or hydrocarbon fuels generation from solar energy, but also successful stimulation of photocatalytic reactions such as water splitting, pollutant degradation and organic molecule synthesisThe turning point had been reached for water splitting with an electrochemical cell consisting of TiO2-Pt electrode illuminated by UV light as energy source rather than an external voltage, that successfully pursued water photolysis by Fujishima and Honda in 1972. Ever since, there has been a great deal of interest in research of semiconductors (e.g. metal oxide, metal-free organic, noble-metal complex) exhibiting effective band gap for photochemical reactions. In the case of environmental friendliness, toxicity of metal-based semiconductors brings some restrictions in possible applications. Regarding this, very robust and ‘earth-abundant’ organic semiconductor, graphitic carbon nitride has been synthesized and successfully applied in photoinduced applications as novel photocatalyst. Properties such as suitable band gap, low charge carrier recombination and feasibility for scaling up, pave the way of advance combination with other catalysts to gather higher photoactivity based on compatible heterojunction. This dissertation aims to demonstrate a series of combinations between organic semiconductor g-CN and polymer materials that are forged through photochemistry, either in synthesis or in application. Fabrication and design processes as well as applications performed in accordance to the scope of thesis will be elucidated in detail. In addition to UV light, more attention is placed on visible light as energy source with a vision of more sustainability and better scalability in creation of novel materials and solar energy based applications. Die Nutzung von Licht bei der Herstellung von Materialien ist ebenso vielversprechend wie herausfordernd. Der stetig steigende Energieverbrauch in Kombination mit dem rasanten Bevölkerungswachstum erfordert Lösungen in der entsprechenden Geschwindigkeit. Daher stehen Materialien, die mit Licht interagieren können und darüber hinaus in fotobasierten Anwendungen einsetzbar sind, im Mittelpunkt des Interesses der Forscher. In der Ära der Nachhaltigkeit und erneuerbarer Energiesysteme haben halbleiterbasierte photoaktive Materialien nicht nur aufgrund der Erzeugung von Solarenergie oder der Herstellung von Brennstoffen aus Sonnenenergie große Aufmerksamkeit erhalten, sondern auch aufgrund des erfolgreichen Einsatzes in photokatalytischen Reaktionen wie zum Beispiel der Wasserspaltung, des Schadstoffabbaus und der Synthese organischer Moleküle. Die Wasserspaltung mit einer elektrochemischen Zelle führte hier zu einem Wendepunkt in der Forschung. Die Zelle bestand aus einer TiO2-Pt-Elektrode, welche mit UV-Licht als Energiequelle anstatt einer sonst üblichen externen Spannung betrieben wurde. 1972 führten Fujishima und Honda somit erfolgreich die Photolyse von Wasser durch. Seitdem besteht ein großes Interesse an der Erforschung von Halbleitern (z. B. Metalloxide, metallfreie organische Stoffe, Edelmetallkomplexe), die eine effektive Bandlücke für photochemische Reaktionen aufweisen. Was jedoch die Umweltfreundlichkeit anbelangt, so bringt die Toxizität von Halbleitern auf Metallbasis einige Einschränkungen mit sich. Um diese Toxizität zu vermeiden wurde der sehr robuste und bezüglich seiner Ausgangsstoffe häufig vorkommende organische Halbleiter Graphitkohlenstoffnitrid synthetisiert und erfolgreich in photoinduzierten Anwendungen als neuartiger Photokatalysator eingesetzt. Eigenschaften wie eine geeignete Bandlücke, geringe Ladungsträgerrekombination und die Möglichkeit der Skalierung ebnen somit den Weg für Kombinationen mit anderen Katalysatoren, um eine höhere Photoaktivität auf der Grundlage einer kompatiblen Heteroverbindung zu erreichen. Diese Dissertation zielt darauf ab, eine Reihe von Kombinationen zwischen dem organischen Halbleitern g-CN und Polymermaterialien zu demonstrieren. Diese werden entweder durch photochemische Reaktionen synthetisiert oder in solchen angewendet. Die Herstellungs- und Designprozesse sowie die Anwendungen, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden, werden im Detail erläutert. Neben UV-Licht wird auch dem sichtbarem Licht als Energiequelle mehr Aufmerksamkeit gewidmet. Durch die Verwendung von sichtbaren Licht können die Materialen in solarenergetischen Anwendungen genutzt werden und die Nachhaltigkeit und Skalierbarkeit der Materialien wird verbessert.

Despite the popularity of thermoresponsive polymers, much is still unknown about their behavior, how it is triggered, and what factors influence it, hindering the full exploitation of their potential. One particularly puzzling phenomenon is called co-nonsolvency, in which a polymer is soluble in two individual solvents, but counter-intuitively becomes insoluble in mixtures of both. Despite the innumerous potential applications of such systems, including actuators, viscosity regulators and as carrier structures, this field has not yet been extensively studied apart from the classical example of poly(N isopropyl acrylamide) (PNIPAM) in mixtures of water and methanol. Therefore, this thesis focuses on evaluating how changes in the chemical structure of the polymers impact the thermoresponsive, aggregation and co-nonsolvency behaviors of both homopolymers and amphiphilic block copolymers. Within this scope, both the synthesis of the polymers and their characterization in solution is investigated. Homopolymers were synthesized by conventional free radical polymerization, whereas block copolymers were synthesized by consecutive reversible addition fragmentation chain transfer (RAFT) polymerizations. The synthesis of the monomers N isopropyl methacrylamide (NIPMAM) and N vinyl isobutyramide (NVIBAM), as well as a few chain transfer agents is also covered. Through turbidimetry measurements, the thermoresponsive and co-nonsolvency behavior of PNIPMAM and PNVIBAM homopolymers is then compared to the well-known PNIPAM, in aqueous solutions with 9 different organic co-solvents. Additionally, the effects of end-groups, molar mass, and concentration are investigated. Despite the similarity of their chemical structures, the 3 homopolymers show significant differences in transition temperatures and some divergences in their co-nonsolvency behavior. More complex systems are also evaluated, namely amphiphilic di- and triblock copolymers of PNIPAM and PNIPMAM with polystyrene and poly(methyl methacrylate) hydrophobic blocks. Dynamic light scattering is used to evaluate their aggregation behavior in aqueous and mixed aqueous solutions, and how it is affected by the chemical structure of the blocks, the chain architecture, presence of cosolvents and polymer concentration. The results obtained shed light into the thermoresponsive, co-nonsolvency and aggregation behavior of these polymers in solution, providing valuable information for the design of systems with a desired aggregation behavior, and that generate targeted responses to temperature and solvent mixture changes., Trotz der Popularität thermoresponsiver Polymere ist noch vieles über ihr Verhalten, sowie dessen Auslöser und Einflüsse darauf unbekannt, was die volle Nutzung ihres Potenzials behindert. Ein besonders ungewöhnliches Phänomen ist die so genannte Co-Nonsolvency, bei der ein Polymer in zwei reinen Lösungsmitteln löslich ist, aber in Mischungen aus beiden unlöslich wird. Trotz der zahlreichen potenziellen Anwendungen solcher Systeme, wie z.B. Aktuatoren, Viskositätsregulatoren und als Transportmedien, ist dieses Feld, abgesehen vom klassischen Beispiel von Poly(N isopropylacrylamid) (PNIPAM) in Mischungen aus Wasser und Methanol, bisher nicht umfassend untersucht worden. Diese Arbeit untersucht daher, welche Auswirkungen die chemische Struktur der Polymere auf das thermoresponsive, Aggregations- und Co-Nonsolvency Verhalten sowohl von Homopolymeren als auch von amphiphilen Blockcopolymeren hat. Dazu wurden sowohl die Synthese der Polymere als auch deren Verhalten in Lösung untersucht. Die Homopolymere wurden durch konventionelle radikalische Polymerisation hergestellt, wogegen die Blockcopolymere durch konsekutive Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer Polymerisationen (RAFT) synthetisiert wurden. Die Synthese der Monomere N-Isopropylmethacrylamid (NIPMAM) und N Vinylisobutyramid (NVIBAM) sowie einiger Kettenüberträger wird ebenfalls beschrieben. Mittels Trübungs-Messungen wird das thermoresponsive und Co-Nonsolvency Verhalten von PNIPMAM- und PNVIBAM-Homopolymeren mit dem bekannten PNIPAM in wässrigen Lösungen mit 9 verschiedenen organischen Co-Lösungsmitteln verglichen. Außerdem werden die Auswirkungen der Endgruppen, der Molmasse und der Konzentration der Polymere diskutiert. Trotz der Ähnlichkeit ihrer chemischen Strukturen zeigen die drei Homopolymere signifikante Unterschiede bei den Übergangstemperaturen und einige Divergenzen in ihrem Co-Nonsolvency Verhalten. Es wurden auch komplexere Systeme untersucht, nämlich amphiphile Di- und Triblock-Copolymere von PNIPAM und PNIPMAM mit hydrophoben Blöcken aus Polystyrol und Polymethylmethacrylat. Mittels dynamischer Lichtstreuung wird ihr Aggregationsverhalten in wässrigen und gemischten wässrigen Lösungen bewertet und untersucht, wie es von der chemischen Struktur der Blöcke, der Kettenarchitektur, den Co-Lösungsmitteln und der Polymerkonzentration beeinflusst wird. Die Ergebnisse dokumentieren das thermoresponsive, Co-Nonsolvency und Aggregationsverhalten dieser Polymere in Lösung und liefern wertvolle Informationen für die Entwicklung von Systemen mit einem gewünschten Aggregationsverhalten, die gezielt auf Temperatur- und Lösungsmittelgemischänderungen reagieren.

Its properties make copper one of the world’s most important functional metals. Numerous megatrends are increasing the demand for copper. This requires the prospection and exploration of new deposits, as well as the monitoring of copper quality in the various production steps. A promising technique to perform these tasks is Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS). Its unique feature, among others, is the ability to measure on site without sample collection and preparation. In this work, copper-bearing minerals from two different deposits are studied. The first set of field samples come from a volcanogenic massive sulfide (VMS) deposit, the second part from a stratiform sedimentary copper (SSC) deposit. Different approaches are used to analyze the data. First, univariate regression (UVR) is used. However, due to the strong influence of matrix effects, this is not suitable for the quantitative analysis of copper grades. Second, the multivariate method of partial least squares regression (PLSR) is used, which is more suitable for quantification. In addition, the effects of the surrounding matrices on the LIBS data are characterized by principal component analysis (PCA), alternative regression methods to PLSR are tested and the PLSR calibration is validated using field samples., Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe; 1311

Technologically important, environmentally friendly InP quantum dots (QDs) typically used as green and red emitters in display devices can achieve exceptional photoluminescence quantum yields (PL QYs) of near-unity (95-100%) when the-state-of-the-art core/shell heterostructure of the ZnSe inner/ZnS outer shell is elaborately applied. Nevertheless, it has only led to a few industrial applications as QD liquid crystal display (QD–LCD) which is applied to blue backlight units, even though QDs has a lot of possibilities that able to realize industrially feasible applications, such as QD light-emitting diodes (QD‒LEDs) and luminescence solar concentrator (LSC), due to their functionalizable characteristics. Before introducing the main research, the theoretical basis and fundamentals of QDs are described in detail on the basis of the quantum mechanics and experimental synthetic results, where a concept of QD and colloidal QD, a type-I core/shell structure, a transition metal doped semiconductor QDs, the surface chemistry of QD, and their applications (LSC, QD‒LEDs, and EHD jet printing) are sequentially elucidated for better understanding. This doctoral thesis mainly focused on the connectivity between QD materials and QD devices, based on the synthesis of InP QDs that are composed of inorganic core (core/shell heterostructure) and organic shell (surface ligands on the QD surface). In particular, as for the former one (core/shell heterostructure), the ZnCuInS mid-shell as an intermediate layer is newly introduced between a Cu-doped InP core and a ZnS shell for LSC devices. As for the latter one (surface ligands), the ligand effect by 1-octanethiol and chloride ion are investigated for the device stability in QD‒LEDs and the printability of electro-hydrodynamic (EHD) jet printing system, in which this research explores the behavior of surface ligands, based on proton transfer mechanism on the QD surface. Chapter 3 demonstrates the synthesis of strain-engineered highly emissive Cu:InP/Zn–Cu–In–S (ZCIS)/ZnS core/shell/shell heterostructure QDs via a one-pot approach. When this unconventional combination of a ZCIS/ZnS double shelling scheme is introduced to a series of Cu:InP cores with different sizes, the resulting Cu:InP/ZCIS/ZnS QDs with a tunable near-IR PL range of 694–850 nm yield the highest-ever PL QYs of 71.5–82.4%. These outcomes strongly point to the efficacy of the ZCIS interlayer, which makes the core/shell interfacial strain effectively alleviated, toward high emissivity. The presence of such an intermediate ZCIS layer is further examined by comparative size, structural, and compositional analyses. The end of this chapter briefly introduces the research related to the LSC devices, fabricated from Cu:InP/ZCIS/ZnS QDs, currently in progress. Chapter 4 mainly deals with ligand effect in 1-octanethiol passivation of InP/ZnSe/ZnS QDs in terms of incomplete surface passivation during synthesis. This chapter demonstrates the lack of anionic carboxylate ligands on the surface of InP/ZnSe/ZnS quantum dots (QDs), where zinc carboxylate ligands can be converted to carboxylic acid or carboxylate ligands via proton transfer by 1-octanethiol. The as-synthesized QDs initially have an under-coordinated vacancy surface, which is passivated by solvent ligands such as ethanol and acetone. Upon exposure of 1-octanethiol to the QD surface, 1-octanthiol effectively induces the surface binding of anionic carboxylate ligands (derived from zinc carboxylate ligands) by proton transfer, which consequently exchanges ethanol and acetone ligands that bound on the incomplete QD surface. The systematic chemical analyses, such as thermogravimetric analysis‒mass spectrometry and proton nuclear magnetic resonance spectroscopy, directly show the interplay of surface ligands, and it associates with QD light-emitting diodes (QD‒LEDs). Chapter 5 shows the relation between material stability of QDs and device stability of QD‒LEDs through the investigation of surface chemistry and shell thickness. In typical III–V colloidal InP quantum dots (QDs), an inorganic ZnS outermost shell is used to provide stability when overcoated onto the InP core. However, this work presents a faster photo-degradation of InP/ZnSe/ZnS QDs with a thicker ZnS shell than that with a thin ZnS shell when 1-octanethiol was applied as a sulfur source to form ZnS outmost shell. Herein, 1-octanethiol induces the form of weakly-bound carboxylate ligand via proton transfer on the QD surface, resulting in a faster degradation at UV light even though a thicker ZnS shell was formed onto InP/ZnSe QDs. Detailed insight into surface chemistry was obtained from proton nuclear magnetic resonance spectroscopy and thermogravimetric analysis–mass spectrometry. However, the lifetimes of the electroluminescence devices fabricated from InP/ZnSe/ZnS QDs with a thick or a thin ZnS shell show surprisingly the opposite result to the material stability of QDs, where the QD light-emitting diodes (QD‒LEDs) with a thick ZnS shelled QDs maintained its luminance more stable than that with a thin ZnS shelled QDs. This study elucidates the degradation mechanism of the QDs and the QD light-emitting diodes based on the results and discuss why the material stability of QDs is different from the lifetime of QD‒LEDs. Chapter 6 suggests a method how to improve a printability of EHD jet printing when QD materials are applied to QD ink formulation, where this work introduces the application of GaP mid-shelled InP QDs as a role of surface charge in EHD jet printing technique. In general, GaP intermediate shell has been introduced in III–V colloidal InP quantum dots (QDs) to enhance their thermal stability and quantum efficiency in the case of type-I core/shell/shell heterostructure InP/GaP/ZnSeS QDs. Herein, these highly luminescent InP/GaP/ZnSeS QDs were synthesized and applied to EHD jet printing, by which this study demonstrates that unreacted Ga and Cl ions on the QD surface induce the operating voltage of cone jet and cone jet formation to be reduced and stabilized, respectively. This result indicates GaP intermediate shell not only improves PL QY and thermal stability of InP QDs but also adjusts the critical flow rate required for cone-jet formation. In other words, surface charges of quantum dots can have a significant role in forming cone apex in the EHD capillary nozzle. For an industrially convenient validation of surface charges on the QD surface, Zeta potential analyses of QD solutions as a simple method were performed, as well as inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES) for a composition of elements. Beyond the generation of highly emissive InP QDs with narrow FWHM, these studies talk about the connection between QD material and QD devices not only to make it a vital jumping-off point for industrially feasible applications but also to reveal from chemical and physical standpoints the origin that obstructs the improvement of device performance experimentally and theoretically., Umweltfreundliche InP Quantenpunkte (QDs) sind technologisch relevant und werden typischerweise als grüne und rote Emitter in Bildschirmen verwendet. Nach dem Stand der Technik kann eine sorgfältig hergestellte Kern-Schale-Heterostruktur (ZnSe innen/ZnS außen) zu außergewöhnlich hohen Photolumineszenz-Quantenausbeuten (PL-QYs) von nahezu Eins (95 - 100 %) führen. Dennoch gibt es bisher nur einige wenige industrielle Anwendungen wie QD-Flüssigkristall-Bildschirme (liquid crystal display, QD-LCD), in denen die Anregung durch eine blaue Hintergrundbeleuchtung realisiert wird. Dabei haben QDs aufgrund ihrer Modifizierbarkeit noch viele weitere industrielle Einsatzmöglichkeiten, beispielsweise QD basierte lichtemittierende Dioden (QD-LEDs) und lumineszierende Solarkollektoren (luminescence solar concentrator, LSC). Vor dem Hauptteil werden in den Kapiteln 1 und 2 die Grundlagen von QDs und die theoretischen Grundlagen basierend auf quantenmechanischer Beschreibung und experimentellen Ergebnissen eingeführt. Zum besseren Verständnis werden: das Konzept der QDs, kolloidale QDs, Kern-Schale-Strukturen vom Typ I, mit Übergangsmetallen dotierte Halbleiter-QDs, die Oberflächenchemie von QDs und ihre Anwendungen (LSC, QD-LEDs und electrohydrodynamic EHD-Jet-Printing), nacheinander eingeführt. Der Schwerpunkt dieser Doktorarbeit liegt hauptsächlich auf der Kombination von QD-Materialien und QD-Bauelementen, basierend auf der Synthese von InP QDs mit einem anorganischen Kern (Kern-Schale-Heterostruktur) und einer organischen Hülle (Oberflächenliganden auf der QD-Oberfläche). In die Kern-Schale-Heterostruktur wird eine ZnCuInS-Mittelschale als Zwischenschicht zwischen einem Cu-dotierten InP Kern und einer ZnS-Schale für LSC-Bauelemente neu eingeführt. Bei den Oberflächenliganden wird der Ligandeneffekt von 1-Oktanthiol und Chloridionen auf die Stabilität von QD-LEDs und die Druckbarkeit mit EHD-Jet-Printing hin untersucht. Dabei erhält der Protonentransfermechanismus auf der QD-Oberfläche ein besonderes Augenmerk. In Kapitel 3 wird die Eintopfsynthese von hocheffizient emittierenden QDs mit einer Cu:InP/Zn-Cu-In-S (ZCIS)/ZnS Kern/Schale/Schale-Heterostruktur beschrieben. Wenn diese neuartige Kombination einer ZCIS/ZnS-Doppelschalenstruktur mit eine Reihe von Cu:InP-Kerne mit unterschiedlichen Größen kombiniert wird, ergeben die daraus entstehenden Cu:InP/ZCIS/ZnS-QDs die bisher höchsten publizierten PL-QYs von 71,5 – 82,4 % im nahen IR-Bereich von 694 – 850 nm mit einstellbarer PL Wellenlänge. Diese Ergebnisse weisen auf die Wirksamkeit der ZCIS-Zwischenschicht hin, welche die Grenzflächenspannung zwischen Kern und Schale effektiv mildert und damit zu einem solch hohen Emissionsvermögen führt. Diese ZCIS-Zwischenschicht wird durch vergleichende Größen-, Struktur- und Zusammensetzungsanalysen weiter untersucht. Am Ende des Kapitels wird der aktuellen Stand der Forschung auf dem Gebiet der LSC-Bauelemente aus solchen Cu:InP/ZCIS/ZnS-QDs vorgestellt. Kapitel 4 befasst sich hauptsächlich mit dem Ligandeneffekt bei der Passivierung mit 1-Oktanthiol von InP/ZnSe/ZnS-QDs im Hinblick auf die unvollständige Oberflächenpassivierung während der Synthese. Es fehlen anionischen Carboxylat-Liganden auf der InP/ZnSe/ZnS-Oberfläche der QDs, an denen Zink Carboxylat Liganden durch Protonentransfer vom 1-Oktanthiol in Carbonsäure-Liganden umgewandelt werden könnten. Die so synthetisierten QDs haben zunächst eine unterkoordinierte Oberfläche mit Leerstellen, die durch Lösungsmittel-Liganden wie Ethanol oder Aceton passiviert werden. Wenn 1-Octanthiol an die QD-Oberfläche bindet bewirkt der Protonentransfer die Bindung von Carboxylat-Liganden (aus Zink-Carboxylat) an die Oberfläche, wobei Ethanol- oder Aceton-Liganden ausgetauscht werden. Systematische Analysen wie Thermogravimetrie (thermogravimetric analysis TGA), Massenspektrometrie (MS) und Protonen-Kernmagnetresonanz (proton nuclear magnetic resonance 1H-NMR) zeigen direkt den Zusammenhang zwischen Oberflächenliganden und QD-LEDs. Kapitel 5 zeigt den Zusammenhang zwischen der Materialstabilität von QDs und der Bauteilstabilität von QD-LEDs durch Untersuchung der Oberflächenchemie und der Schalendicke. In typischen kolloidalen III-V-InP-QDs wird eine anorganische ZnS-Außenhülle auf den InP Kern aufgetragen, um Stabilität zu gewährleisten. In dieser Arbeit wird jedoch eine schnellere Photodegradation von InP/ZnSe/ZnS-QDs mit einer dickeren statt einer dünneren ZnS-Schale gezeigt, wenn 1-Oktanthiol als Schwefelquelle zur Bildung der äußersten ZnS-Schale verwendet wurde. 1-Oktanthiol induziert die Bildung eines schwach gebundenen Carboxylatliganden durch Protonentransfer auf der QD-Oberfläche, was zu einem schnelleren Abbau unter UV-Licht trotz dickerer ZnS-Schale führt. Detailliertere Einblicke in die Oberflächenchemie werden durch 1H-NMR, TGA und MS gewonnen. Überraschenderweise zeigen jedoch die Lebensdauern der aus InP/ZnSe/ZnS-QDs mit dicken oder dünnen ZnS-Hüllen hergestellten EL-Bauelemente eine gegenteilige Stabilität: Die QD-LEDs mit QDs mit dicker ZnS-Hülle haben eine längere Lebensdauer, als jene mit dünner ZnS-Hülle. Es wird der Degradationsmechanismus der QDs und der QD-Leuchtdioden anhand der Ergebnisse erläutert und der Effekt auf die unterschiedlichen Lebensdauern von Material und Bauteil diskutiert. In Kapitel 6 wird eine Methode vorgeschlagen, wie die Druckbarkeit von QD-Tintenformulierungen beim EHD-Jet-Druck über die QD-Materialien verbessert werden kann. Dazu werden InP-QDs mit GaP-Zwischenschalen erweitert, um die Oberflächenladung zu beeinflussen. Darüber hinaus verbessern GaP-Zwischenschalen in III-V kolloidalen InP-QDs deren thermische Stabilität und PL-QY im Falle von Typ-I-Kern/Schale/Schale-Heterostrukturen (InP/GaP/ZnSeS-QDs). Diese stark lumineszierenden InP/GaP/ZnSeS-QDs wurden synthetisiert und für den EHD-Jet-Druck verwendet. Nicht umgesetzte Ga und Cl-Ionen auf der QD-Oberfläche reduzieren die benötigte Betriebsspannung zur Ausbildung eines Taylor-Kegels und eines stabilen Tinten-Jets. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass die Oberflächenladungen der Quantenpunkte eine wichtige Rolle bei der Ausbildung des Taylor-Kegels spielen. Mittels Zeta-Potenzial-Messung von QD-Tinten wurde eine industriell erprobte und einfache Methode zur Untersuchung der Oberflächenladungen verwendet. Darüber hinaus wurde optische Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (inductively coupled plasma-atomic emission spectroscopy ICP-OES) zur Bestimmung der Elementzusammensetzung durchgeführt. Diese Dissertation beschäftigt sich sowohl mit der Synthese von hocheffizienten InP QDs mit schmalbandiger Emission (full width at half maximum FWHM), als auch den Zusammenhängen zwischen QD-Material und QD-Bauelementen. Die Ergebnisse sind einerseits relevant für die breitere industrielle Anwendung dieser Materialien und andererseits für ein tieferes chemisch-physikalisches, theoretisches und experimentelles Verständnis der Prozesse, die zu langlebigen und stabilen Bauelementen führen.

Complex emulsions are dispersions of kinetically stabilized multiphasic emulsion droplets comprised of two or more immiscible liquids that provide a novel material platform for the generation of active and dynamic soft materials. In recent years, the intrinsic reconfigurable morphological behavior of complex emulsions, which can be attributed to the unique force equilibrium between the interfacial tensions acting at the various interfaces, has become of fundamental and applied interest. As such, particularly biphasic Janus droplets have been investigated as structural templates for the generation of anisotropic precision objects, dynamic optical elements or as transducers and signal amplifiers in chemo- and bio-sensing applications. In the present thesis, switchable internal morphological responses of complex droplets triggered by stimuli-induced alterations of the balance of interfacial tensions have been explored as a universal building block for the design of multiresponsive, active, and adaptive liquid colloidal systems. A series of underlying principles and mechanisms that influence the equilibrium of interfacial tensions have been uncovered, which allowed the targeted design of emulsion bodies that can alter their shape, bind and roll on surfaces, or change their geometrical shape in response to chemical stimuli. Consequently, combinations of the unique triggerable behavior of Janus droplets with designer surfactants, such as a stimuli-responsive photosurfactant (AzoTAB) resulted for instance in shape-changing soft colloids that exhibited a jellyfish inspired buoyant motion behavior, holding great promise for the design of biological inspired active material architectures and transformable soft robotics. In situ observations of spherical Janus emulsion droplets using a customized side-view microscopic imaging setup with accompanying pendant dropt measurements disclosed the sensitivity regime of the unique chemical-morphological coupling inside complex emulsions and enabled the recording of calibration curves for the extraction of critical parameters of surfactant effectiveness. The deduced new "responsive drop" method permitted a convenient and cost-efficient quantification and comparison of the critical micelle concentrations (CMCs) and effectiveness of various cationic, anionic, and nonionic surfactants. Moreover, the method allowed insightful characterization of stimuli-responsive surfactants and monitoring of the impact of inorganic salts on the CMC and surfactant effectiveness of ionic and nonionic surfactants. Droplet functionalization with synthetic crown ether surfactants yielded a synthetically minimal material platform capable of autonomous and reversible adaptation to its chemical environment through different supramolecular host-guest recognition events. Addition of metal or ammonium salts resulted in the uptake of the resulting hydrophobic complexes to the hydrocarbon hemisphere, whereas addition of hydrophilic ammonium compounds such as amino acids or polypeptides resulted in supramolecular assemblies at the hydrocarbon-water interface of the droplets. The multiresponsive material platform enabled interfacial complexation and thus triggered responses of the droplets to a variety of chemical triggers including metal ions, ammonium compounds, amino acids, antibodies, carbohydrates as well as amino-functionalized solid surfaces. In the final chapter, the first documented optical logic gates and combinatorial logic circuits based on complex emulsions are presented. More specifically, the unique reconfigurable and multiresponsive properties of complex emulsions were exploited to realize droplet-based logic gates of varying complexity using different stimuli-responsive surfactants in combination with diverse readout methods. In summary, different designs for multiresponsive, active, and adaptive liquid colloidal systems were presented and investigated, enabling the design of novel transformative chemo-intelligent soft material platforms., Komplexe Emulsionen sind Dispersionen kinetisch stabilisierter mehrphasiger Emulsionströpfchen, die aus zwei oder mehreren nicht mischbaren Flüssigkeiten bestehen und eine neuartige Materialplattform für die Herstellung aktiver und dynamischer weicher Materialien darstellen. In den letzten Jahren haben komplexe Emulsionen aufgrund ihres intrinsisch rekonfigurierbaren morphologischen Verhaltens, dass auf ein einzigartiges Kräftegleichgewicht zwischen den an den verschiedenen Grenzflächen wirkenden Grenzflächenspannungen zurückzuführen ist, zunehmendes wissenschaftliches Interesse erfahren. So wurden insbesondere zweiphasige Janus-Tropfen als strukturelle Vorlagen für die Erzeugung anisotroper Präzisionsobjekte, dynamischer optischer Elemente oder als Wandler und Signalverstärker in Chemo- und Bio-Sensorik-Anwendungen untersucht. In der vorliegenden Arbeit wurden schaltbare interne morphologische Veränderungen komplexer Tröpfchen erforscht, die durch Stimulus-induzierte Verschiebungen des Grenzflächenspannungsgleichgewichts ausgelöst werden. Diese können als universelle Bausteine für das Design multiresponsiver, aktiver und adaptiver flüssiger kolloidaler Systeme dienen. Es wurde eine Reihe von grundlegenden Prinzipien und Mechanismen zur Beeinflussung des Grenzflächenspannungsgleichgewichtes erforscht, die die gezielte Entwicklung von formverändernden, sich an Oberflächen bindenden und in Reaktion auf chemische Stimuli verändernden Emulsionskörpern ermöglicht. Die Kombination des einzigartigen responsiven Verhaltens von Janus-Tropfen mit maßgeschneiderten Tensiden erlaubt die Erschließung von biologisch inspirierten aktiven Materialarchitekturen. So führte beispielsweise die Funktionalisierung von Janus-Tropfen mit einem photo-responsiven Tensid (AzoTAB) zu formverändernden weichen Kolloiden, die ein von Quallen inspiriertes Schwimmverhalten zeigten und damit vielversprechend für die Anwendung im Forschungsfeld der transformierbaren „soft-robotics“ sind. Die In-situ-Beobachtung von sphärischen Janus-Emulsionströpfchen mit einem Seitenansichts-Mikroskop und begleitenden Pendant-Drop-Messungen ermöglichten es das Empfindlichkeitsregime der einzigartigen chemisch-morphologischen Kopplung innerhalb komplexer Emulsionen offenzulegen. Die resultierende Kalibrierungskurve erlaubt die Extraktion von kritischen Parametern der Tensidwirksamkeit. Die daraus abgeleitete neue "responsive drop"-Methode ermöglicht eine einfache, kosteneffiziente Quantifizierung der kritischen Mizellenkonzentrationen (CMCs) und einen Vergleich der Wirksamkeit verschiedener kationischer, anionischer und nichtionischer Tenside. Darüber hinaus ermöglichte die Methode eine aufschlussreiche Charakterisierung Stimuli-responsiver Tenside und die Überwachung des Einflusses anorganischer Salze auf die CMC und die Tensidwirksamkeit ionischer und nichtionischer Tenside. Die Funktionalisierung von Tröpfchen mit synthetischen Kronenether-Tensiden führte zu einer synthetisch minimalen Materialplattform, die in der Lage ist, sich durch verschiedene supramolekulare Wirts-Gast-Erkennungsereignisse selbständig und reversibel an ihre chemische Umgebung anzupassen. Die Zugabe von Metall- oder Ammoniumsalzen hatte eine Aufnahme der resultierenden hydrophoben Komplexe in die Kohlenwasserstoff-Hemisphäre zur Folge, während die Zugabe von hydrophilen Ammoniumverbindungen wie Aminosäuren oder Polypeptiden zu supramolekularen Assemblierungen an der Kohlenwasserstoff-Wasser-Grenzfläche der Tröpfchen führte. Die multiresponsive Materialplattform ermöglicht die Grenzflächenkomplexierung und damit die morphologische Reaktion der Tröpfchen auf eine Vielzahl von chemischen Triggern, darunter Metallionen, Ammoniumverbindungen, Aminosäuren, Antikörper, Kohlenhydrate sowie aminofunktionalisierte feste Oberflächen. Im letzten Kapitel werden die ersten dokumentierten optischen Logikgatter und kombinatorischen Logikschaltungen auf der Grundlage von komplexen Emulsionen vorgestellt. Zur Realisierung von Tropfen-basierten Logikgattern unterschiedlicher Komplexität wurden die einzigartigen rekonfigurierbaren und multiresponsiven Eigenschaften komplexer Emulsionen ausgenutzt. Dabei wurden Stimuli-responsive Tenside in Kombination mit unterschiedlichen Auslesemethoden verwendet. Zusammenfassend wurden verschiedene Designs für multiresponsive, aktive und adaptive flüssige kolloidale Systeme vorgestellt und untersucht, die die Entwicklung neuartiger chemo-intelligenter weicher Materialplattformen ermöglichen.

Eight d-metal-containing N-butylpyridinium ionic liquids (ILs) with the nominal composition (C4Py)2[Ni0.5M0.5Cl4] or (C4Py)2[Zn0.5M0.5Cl4] (M = Cu, Co, Mn, Ni, Zn; C4Py = N-butylpyridinium) were synthesized, characterized, and investigated for their optical properties. Single crystal and powder X-ray analysis shows that the compounds are isostructural to existing examples based on other d-metal ions. Inductively coupled plasma optical emission spectroscopy measurements confirm that the metal/metal ratio is around 50 : 50. UV-Vis spectroscopy shows that the optical absorption can be tuned by selection of the constituent metals. Moreover, the compounds can act as an optical sensor for the detection of gases such as ammonia as demonstrated via a simple prototype setup., Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe; 1316

Fabricating electronic devices from natural, renewable resources has been a common goal in engineering and materials science for many years. In this regard, carbon is of special significance due to its biological compatibility. In the laboratory, carbonized materials and their composites have been proven as promising solutions for a range of future applications in electronics, optoelectronics, or catalytic systems. On the industrial scale, however, their application is inhibited by tedious and expensive preparation processes and a lack of control over the processing and material parameters. Therefore, we are exploring new concepts for the direct utilization of functional carbonized materials in electronic applications. In particular, laser-induced carbonization (carbon laser-patterning (CLaP)) is emerging as a new tool for the precise and selective synthesis of functional carbon-based materials for flexible on-chip applications. We developed an integrated approach for on-the-spot laser-induced synthesis of flexible, carbonized films with specific functionalities. To this end, we design versatile precursor inks made from naturally abundant starting compounds and reactants to cast films which are carbonized with an infrared laser to obtain functional patterns of conductive porous carbon networks. In our studies we obtained deep mechanistic insights into the formation process and the microstructure of laser-patterned carbons (LP-C). We shed light on the kinetic reaction mechanism based on the interplay between the precursor properties and the reaction conditions. Furthermore, we investigated the use of porogens, additives, and reactants to provide a toolbox for the chemical and physical fine-tuning of the electronic and surface properties and the targeted integration of functional sites into the carbon network. Based on this knowledge, we developed prototype resistive chemical and mechanical sensors. In further studies, we show the applicability of LP-C as electrode materials in electrocatalytic and charge-storage applications. To put our findings into a common perspective, our results are embedded into the context of general carbonization strategies, fundamentals of laser-induced materials processing, and a broad literature review on state-of-the-art laser-carbonization, in the general part., Die Herstellung elektronischer Geräte aus natürlichen, erneuerbaren Ressourcen ist seit vielen Jahren ein gemeinsames Ziel in den Ingenieurs- und Materialwissenschaften. Kohlenstoff kommt dabei aufgrund seiner biologischen Verträglichkeit eine besondere Bedeutung zu. Im Labor haben sich karbonisierte Materialien und ihre Verbundwerkstoffe als vielversprechende Lösungen für eine Reihe zukünftiger Anwendungen in der Elektronik, Optoelektronik oder katalytischen Systemen erwiesen. Im industriellen Maßstab wird ihre Anwendung jedoch durch langwierige und teure Herstellungsverfahren und mangelnde Kontrolle über die Verarbeitungs- und Materialparameter gehemmt. Daher erforschen wir neue Konzepte für die direkte Nutzung funktionaler karbonisierter Materialien in elektronischen Anwendungen. Insbesondere die laserinduzierte Karbonisierung / Kohlenstoff-Laserstrukturierung (KoLaSt) entwickelt sich zu einem neuen Werkzeug für die präzise und selektive Synthese von funktionellen Materialien auf Kohlenstoffbasis für flexible On-Chip-Anwendungen. Wir haben einen integrierten Ansatz für die direkte laserinduzierte Synthese von flexiblen, karbonisierten Filmen mit spezifischen Funktionalitäten entwickelt. Zu diesem Zweck haben wir vielseitige Vorläufertinten aus natürlich vorkommenden organischen Ausgangsstoffen und Reaktanten entwickelt, um Filme aufzutragen, die mit einem Infrarotlaser karbonisiert werden um dadurch funktionelle Muster aus leitfähigen porösen Kohlenstoffnetzwerken zu erhalten. In unseren Studien haben wir tiefe mechanistische Einblicke in den Bildungsprozess und die Mikrostruktur von laserstrukturierten Kohlenstoffen (LP-C) erhalten. Wir beleuchten den kinetischen Reaktionsmechanismus basierend auf dem Zusammenspiel zwischen den Vorläufereigenschaften und den Reaktionsbedingungen. Darüber hinaus untersuchen wir die Verwendung von Porogenen, Additiven und Reaktanten, um eine Toolbox für die chemische und physikalische Feineinstellung der elektronischen und Oberflächeneigenschaften und die gezielte Integration von funktionellen Einheiten in das Kohlenstoffnetzwerk bereitzustellen. Basierend auf diesem Wissen haben wir Prototypen resistiver chemischer und mechanischer Sensoren entwickelt. In weiteren Studien zeigen wir die Anwendbarkeit von LP-C als Elektrodenmaterialien in elektrokatalytischen und Ladungsspeicheranwendungen. Um unsere Erkenntnisse in eine allgemeine Perspektive zu bringen, betten wir unsere Ergebnisse im allgemeinen Teil in den Kontext bekannter Karbonisierungsstrategien, Grundlagen der laserinduzierten Materialbearbeitung und einer breiten Literaturübersicht zum Stand der Technik der Laserkarbonisierung ein.

Diese Doktorarbeit untersucht anhand dreier Beispiele, wie digitale Werkzeuge wie Programmierung, Modellierung, 3D-Konstruktions-Werkzeuge und additive Fertigung in Verbindung mit einer auf Biomimetik basierenden Design\-strategie zu neuen Analysemethoden und Produkten führen können, die in Wissenschaft und Medizin Anwendung finden. Das Verfahren der Funkenerosion (EDM) wird häufig angewandt, um harte Metalle zu verformen oder zu formen, die mit normalen Maschinen nur schwer zu bearbeiten sind. In dieser Arbeit wird eine neuartige Krümmungsanalysemethode als Alternative zur Rauheitsanalyse vorgestellt. Um besser zu verstehen, wie sich die Oberfläche während der Bearbeitungszeit des EDM-Prozesses verändert, wurde außerdem ein digitales Schlagmodell erstellt, das auf einem ursprünglich flachen Substrat Krater auf Erhebungen erzeugte. Es wurde festgestellt, dass ein Substrat bei etwa 10.000 Stößen ein Gleichgewicht erreicht. Die vorgeschlagene Krümmungsanalysemethode hat das Potenzial, bei der Entwicklung neuer Zellkultursubstrate für die Stammzellenforschung eingesetzt zu werden. Zwei Arten, die in dieser Arbeit aufgrund ihrer interessanten Mechanismen analysiert wurden, sind die Venusfliegenfalle und der Bandwurm. Die Venusfliegenfalle kann ihr Maul mit einer erstaunlichen Geschwindigkeit schließen. Der Schließmechanismus kann für die Wissenschaft interessant sein und ist ein Beispiel für ein so genanntes mechanisch bi-stabiles System - es gibt zwei stabile Zustände. Der Bandwurm ist bei Säugetieren meist im unteren Darm zu finden und heftet sich mit seinen Saugnäpfen an die Darmwände. Wenn der Bandwurm eine geeignete Stelle gefunden hat, stößt er seine Haken aus und heftet sich dauerhaft an die Wand. Diese Funktion könnte in der minimalinvasiven Medizin genutzt werden, um eine bessere Kontrolle der Implantate während des Implantationsprozesses zu ermöglichen. Für beide Projekte wurde ein mathematisches Modell, das so genannte Chained Beam Constraint Model (CBCM), verwendet, um das nichtlineare Biegeverhalten zu modellieren und somit vorherzusagen, welche Strukturen ein mechanisch bi-stabiles Verhalten aufweisen könnten. Daraufhin konnten zwei Prototypen mit einem 3D-Drucker gedruckt und durch Experimente veranschaulicht werden, dass sie beide ein bi-stabiles Verhalten aufweisen. Diese Arbeit verdeutlicht das hohe Anwendungspotenzial für neue Analysenmethoden in der Wissenschaft und für neue Medizinprodukte in der minimalinvasiven Medizin., Biomimicry is the art of mimicking nature to overcome a particular technical or scientific challenge. The approach studies how evolution has found solutions to the most complex problems in nature. This makes it a powerful method for science. In combination with the rapid development of manufacturing and information technologies into the digital age, structures and material that were before thought to be unrealizable can now be created with simple sketch and the touch of a button. This doctoral thesis had as its primary goal to investigate how digital tools, such as programming, modelling, 3D-Design tools and 3D-Printing, with the help from biomimicry, could lead to new analysis methods in science and new medical devices in medicine. The Electrical Discharge Machining (EDM) process is applied commonly to deform or mold hard metals that are difficult to work using normal machinery. A workpiece submerged in an electrolyte is deformed while being in close vicinity to an electrode. When high voltage is put between the workpiece and the electrode it will cause sparks that create cavitations on the substrate which in turn removes material and is flushed away by the electrolyte. Usually, such surfaces are analysed based on roughness, in this work another method using a novel curvature analysis method is presented as an alternative. In addition, to better understand how the surface changes during process time of the EDM process, a digital impact model was created which created craters on ridges on an originally flat substrate. These substrates were then analysed using the curvature analysis method at different processing times of the modelling. It was found that a substrate reaches an equilibrium at around 10000 impacts. The proposed curvature analysis method has potential to be used in the design of new cell culture substrates for stem cell. The Venus flytrap can shut its jaws at an amazing speed. The shutting mechanism may be interesting to use in science and is an example of a so-called mechanical bi-stable system – there are two stable states. In this work two truncated pyramid structures were modelled using a non-linear mechanical model called the Chained Beam Constraint Model (CBCM). The structure with a slope angle of 30 degrees is not bi-stable and the structure with a slope angle of 45 degrees is bi-stable. Developing this idea further by using PEVA, which has a shape-memory effect, the structure which is not bi-stable could be programmed to be bi-stable and then turned off again. This could be used as an energy storage system. Another species which has interesting mechanism is the tapeworm. Some species of this animal has a crown of hooks and suckers located on its side. The parasite commonly is found in mammals in the lower intestine and attaches to the walls by using its suckers. When the tapeworm has found a suitable spot, it ejects its hooks and permanently attaches to the wall. This function could be used in minimally invasive medicine to have better control of implants during the implantation process. By using the CBCM model and a 3D-printer capable of tuning how hard or soft a printed part is, a design strategy was developed to investigate how one could create a device that mimics the tapeworm. In the end a prototype was created which was able attach to a pork loin at an under pressure of 20 kPa and to ejects its hooks at an under pressure of 50 kPa or above. These three projects is an exhibit of how digital tools and biomimicry can be used together to come up with applicable solutions in science and in medicine.

Facing the environmental crisis, new technologies are needed to sustain our society. In this context, this thesis aims to describe the properties and applications of carbon-based sustainable materials. In particular, it reports the synthesis and characterization of a wide set of porous carbonaceous materials with high nitrogen content obtained from nucleobases. These materials are used as cathodes for Li-ion capacitors, and a major focus is put on the cathode preparation, highlighting the oxidation resistance of nucleobase-derived materials. Furthermore, their catalytic properties for acid/base and redox reactions are described, pointing to the role of nitrogen speciation on their surfaces. Finally, these materials are used as supports for highly dispersed nickel loading, activating the materials for carbon dioxide electroreduction., Angesichts der Umweltkrise werden neue Technologien benötigt, um unsere Gesellschaft zu erhalten. In diesem Zusammenhang zielt diese Arbeit darauf ab, die Eigenschaften und Anwendungen von nachhaltigen Materialien auf Kohlenstoffbasis zu untersuchen. Insbesondere wird über die Synthese und Charakterisierung eines breiten Spektrums poröser, kohlenstoffhaltiger Materialien berichtet, welche einen hohen Stickstoffgehalt, besitzen und aus Nukleobasen gewonnen werden. Diese Materialien werden als Kathoden für Li-Ionen-Kondensatoren verwendet, wobei der Schwerpunkt auf der Kathodenherstellung liegt und die Oxidationsbeständigkeit, der aus Nukleobasen gewonnenen Materialien, hervorgehoben wird. Darüber hinaus werden ihre katalytischen Eigenschaften für Säure/Base- und Redoxreaktionen beschrieben, wobei die Rolle der Speziierung des Stickstoffs auf ihren Oberflächen hervorgehoben wird. Schließlich werden diese Materialien als Träger für eine hochdisperse Beladung mit Nickel verwendet, wodurch die Materialien für die Kohlendioxid Elektroreduktion aktiviert werden.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Energie induzierte Nanopartikel-Substrat Interaktionen untersucht. Dazu wurden Goldnanopartikelanordnungen (AuNPA) auf verschiedenen Silizium-basierten Substraten hergestellt und der Einfluss eines Energieeintrages, genauer gesagt einer thermischen Behandlung oder des Metall-assistierten chemischen Ätzens (MaCE) getestet. Die Nanopartikelanordnungen, welche für die thermische Behandlung eingesetzt wurden, wurden nass-chemisch in Toluol synthetisiert, mit Thiol-terminiertem Polystyrol funktionalisiert und mittels Schleuderbeschichtung auf verschiedenen Substraten (drei Gläser und ein Siliziumwafer) in quasi-hexagonalen Mustern angeordnet. Diese AuNP-Anordnungen wurden mit Temperaturen zwischen 475 °C – 792 °C über verschiedene Zeiträume thermisch behandelt. Generell sanken die Nanopartikel in die Substrate ein, und es wurde festgestellt, dass mit Erhöhung der Glasübergangstemperatur der Substrate die Einsinktiefe der Nanopartikel abnahm. Die AuNPA auf Siliziumwafern wurden auf Temperaturen von 700 °C – 900 °C erhitzt. Die Goldnanopartikel sanken dabei bis zu 2,5 nm in das Si-Substrat ein. Ein Sintern der Nanopartikel fand ab einer Temperatur über 660 °C statt. Welcher Sintermechanismus der dominante ist konnte abschließend nicht eindeutig geklärt werden. Für die Untersuchung des Einflusses des zweiten Energieeintrages mittels MaCE wurden AuNPA sowie Goldkern-Silberschale-Anordnungen auf Siliziumsubstraten genutzt. Die AuNPA wurden mit Hilfe von Poly-N-Isopropylacrylamid Mikrogelen und Natriumcitrat-stabilisierten Goldnanopartikeln (Na-AuNP) bzw. Tetrachloridogoldsäure (TCG) präpariert. Es ergaben sich Nanopartikelanordnungen mit hemisphärischen Partikeln (aus Na-AuNP) und zum anderen Nanopartikelanordnungen mit sphärischen Partikeln (aus TCG). Durch eine anschließende Silberwachstumsreaktion konnten dann die dazugehörigen Goldkern-Silberschale Nanopartikelanordnungen erhalten werden. Beim MaCE konnten signifikante Unterschiede im Verhalten dieser vier Nanopartikelanordnungen festgestellt werden, z.B. mussten bei den hemisphärischen Partikelanordnungen höhere Wasserstoffperoxidkonzentrationen (0,70 M – 0,91 M) als bei den sphärischen Partikelanordnungen (0,08 M – 0,32 M) für das Ätzen eingesetzt werden, um ein Einsinken der Nanopartikel in das Substrat zu erreichen., In this work, energy-induced nanoparticle-substrate interactions were investigated. For this purpose, gold nanoparticle arrays (AuNPA) were fabricated on different silicon-based substrates and the influence of energy input, more specifically thermal treatment or metal-assisted chemical etching (MaCE), was tested. The nanoparticle arrays used for thermal treatment were wet-chemically synthesized in toluene, functionalized with thiol-terminated polystyrene and arranged in quasi-hexagonal patterns on different substrates (three glasses and one silicon wafer) by spin coating. These AuNP arrays were thermally treated with temperatures ranging from 475 °C - 792 °C for different time periods. In general, the nanoparticles sank into the substrates, and it was found that as the glass transition temperature of the substrates increased, the sinking depth of the nanoparticles decreased. The AuNPA on silicon wafers were heated to temperatures of 700 °C - 900 °C. The gold nanoparticles sank into the Si substrate by up to 2.5 nm. Sintering of the nanoparticles occurred at temperatures above 660 °C. It could not be clarified conclusively which sintering mechanism is dominant. For the investigation of the influence of the second energy input by means of MaCE, AuNPA as well as gold core-silver shell arrays on silicon substrates were used. The AuNPA were prepared using poly-N-isopropylacrylamide microgels and sodium citrate-stabilized gold nanoparticles (Na-AuNP) and tetrachloridoauric acid (TCG), respectively. Nanoparticle arrays with hemispherical particles (from Na-AuNP) or nanoparticle arrays with spherical particles (from TCG) resulted. A subsequent silver growth reaction was utilized for obtaining the corresponding gold core-silver shell nanoparticle assemblies. MaCE showed significant differences in the behavior of these four nanoparticle arrays, e.g., higher hydrogen peroxide concentrations (0.70 M - 0.91 M) had to be used for etching the hemispherical particle arrays than for the spherical particle arrays (0.08 M - 0.32 M) to achieve sinking of the nanoparticles into the substrate.

Lithium-ion capacitors (LICs) are promising energy storage devices by asymmetrically combining anode with a high energy density close to lithium-ion batteries and cathode with a high power density and long-term stability close to supercapacitors. For the further improvement of LICs, the development of electrode materials with hierarchical porosity, nitrogen-rich lithiophilic sites, and good electrical conductivity is essential. Nitrogen-rich all-carbon composite hybrids are suitable for these conditions along with high stability and tunability, resulting in a breakthrough to achieve the high performance of LICs. In this thesis, two different all-carbon composites are suggested to unveil how the pore structure of lithiophilic composites influences the properties of LICs. Firstly, the composite with 0-dimensional zinc-templated carbon (ZTC) and hexaazatriphenylene-hexacarbonitrile (HAT) is examined how the pore structure is connected to Li-ion storage property as LIC electrode. As the pore structure of HAT/ZTC composite is easily tunable depending on the synthetic factor and ratio of each component, the results will allow deeper insights into Li-ion dynamics in different porosity, and low-cost synthesis by optimization of the HAT:ZTC ratio. Secondly, the composite with 1-dimensional nanoporous carbon fiber (ACF) and cost-effective melamine is proposed as a promising all-carbon hybrid for large-scale application. Since ACF has ultra-micropores, the numerical structure-property relationships will be calculated out not only from total pore volume but more specifically from ultra-micropore volume. From these results above, it would be possible to understand how hybrid all-carbon composites interact with lithium ions in nanoscale as well as how structural properties affect the energy storage performance. Based on this understanding derived from the simple materials modeling, it will provide a clue to design the practical hybrid materials for efficient electrodes in LICs., Lithium-Ionen-Kondensatoren (LICs) sind vielversprechende Energiespeicher, indem sie eine Anode mit einer vergleichsweise hohen Energiedichte wie die von Lithium-Ionen-Batterien und eine Kathode mit hoher Leistungsdichte und Langzeitstabilität wie die Superkondensatoren asymmetrisch kombinieren. Für die weitere Verbesserung von LICs ist die Entwicklung von Elektrodenmaterialien mit hierarchischer Porosität, stickstoffreichen lithiophilen Zentren und guter elektrischer Leitfähigkeit unerlässlich. Stickstoffreiche Vollcarbon-Verbundwerkstoffe sind für diese Bedingungen zusammen mit hoher Stabilität geeignet, was zu einem Durchbruch bei der Erzielung der hohen Leistung von LICs führt. In dieser Dissertation werden zwei verschiedene All-Carbon-Komposite vorgeschlagen, um aufzudecken, wie die Porenstruktur von lithiophilen Kompositen die Eigenschaften von LICs beeinflusst. Zunächst wird der Verbund mit 0-dimensionalem Zink-Templat-Kohlenstoff (ZTC) und Hexaazatriphenylen-Hexacarbonitril (HAT) untersucht, wie die Porenstruktur mit der Li-Ionen-Speichereigenschaft als LIC-Elektrode verbunden ist. Da die Porenstruktur von HAT/ZTC-Kompositen je nach Synthesefaktor und Verhältnis jeder Komponente leicht einstellbar ist, werden die Ergebnisse tiefere Einblicke in die Li-Ionen-Dynamik verschiedener Porositäten und eine kostengünstige Synthese durch Optimierung des Verhältnisses ermöglichen. Zweitens wird der Verbund mit 1-dimensionaler nanoporöser Kohlefaser (ACF) und kostengünstigem Melamin als vielversprechender All-Carbon-Hybrid für die großtechnische Anwendung vorgeschlagen. Da ACF Ultra-Mikroporen aufweist, werden die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen nicht nur aus der Gesamtporen, sondern insbesondere aus Ultra-Mikroporen berechnet. Aus den obigen Ergebnissen wäre es möglich zu verstehen, wie hybride All-Carbon-Komposite mit Lithiumionen im Nanomaßstab interagieren und wie sich strukturelle Eigenschaften auf die Energiespeicherleistung auswirken. Basierend auf diesem aus der einfachen Materialmodellierung abgeleiteten Verständnis wird es einen Anhaltspunkt für das Design praktischer Hybridmaterialien für effiziente Elektroden in LICs liefern.

The increasing demand for energy in the current technological era and the recent political decisions about giving up on nuclear energy diverted humanity to focus on alternative environmentally friendly energy sources like solar energy. Although silicon solar cells are the product of a matured technology, the search for highly efficient and easily applicable materials is still ongoing. These properties made the efficiency of halide perovskites comparable with silicon solar cells for single junctions within a decade of research. However, the downside of halide perovskites are poor stability and lead toxicity for the most stable ones. On the other hand, chalcogenide perovskites are one of the most promising absorber materials for the photovoltaic market, due to their elemental abundance and chemical stability against moisture and oxygen. In the search of the ultimate solar absorber material, combining the good optoelectronic properties of halide perovskites with the stability of chalcogenides could be the promising candidate. Thus, this work investigates new techniques for the synthesis and design of these novel chalcogenide perovskites, that contain transition metals as cations, e.g., BaZrS3, BaHfS3, EuZrS3, EuHfS3 and SrHfS3. There are two stages in the deposition techniques of this study: In the first stage, the binary compounds are deposited via a solution processing method. In the second stage, the deposited materials are annealed in a chalcogenide atmosphere to form the perovskite structure by using solid-state reactions. The research also focuses on the optimization of a generalized recipe for a molecular ink to deposit precursors of chalcogenide perovskites with different binaries. The implementation of the precursor sulfurization resulted in either binaries without perovskite formation or distorted perovskite structures, whereas some of these materials are reported in the literature as they are more favorable in the needle-like non-perovskite configuration. Lastly, there are two categories for the evaluation of the produced materials: The first category is about the determination of the physical properties of the deposited layer, e.g., crystal structure, secondary phase formation, impurities, etc. For the second category, optoelectronic properties are measured and compared to an ideal absorber layer, e.g., band gap, conductivity, surface photovoltage, etc., Der stetig wachsende Energieverbrauch in der aktuellen technologischen Ära und die kürzliche Entscheidung der Politik auf Nuklearenergie zu verzichten hat die Menschheit dazu geleitet sich auf alternative umweltfreundliche Energiequellen wie Solare Energie zu fokussieren. Obwohl Silizium Solarzellen das Produkt einer ausgereiften Technologie sind geht die Suche nach hocheffizienten Materialien, die einfach umzusetzen sind weiter. Diese Eigenschaften führten zur Vergleichbarkeit von Halogeniden Perowskiten mit Silizium in Einfachsolarzellen innerhalb eines Jahrzehnts der Forschung. Allerdings mangelt es bei Halogeniden Perowskiten an Stabilität und jene stabile haben eine Blei-Toxizität. Andererseits bieten Chalkogenide Perowskite aussichtsreiche Eigenschaften als Absorber Materialien für den Photovoltaik Markt auf Grund des hohen Vorkommens der Elemente auf dem Planeten und ihrer chemischen Stabilität in Luft. Auf der Suche nach dem ultimativen Absorber Material für Solarzellen könnte sich eine Kombination der guten optoelektronischen Eigenschaften von Halogeniden Perowskiten mit der Stabilität von Chalkogeniden als guter Kandidat herausstellen. Infolgedessen untersucht diese Arbeit neue Methoden für die Synthese und das Design dieser neuartigen Chalkogeniden Perowskite, welche Übergangsmetalle als Kationen enthalten, z.B. BaZrS3, BaHfS3, EuZrS3, EuHfS3 and SrHfS3. Es gibt zwei Schritte in den Methoden der Deposition in dieser Untersuchung: Im ersten Schritt werden die binären Verbindungen durch eine Lösungsmittelprozessierung auf dem Substrat aufgebracht. Daraufhin wird im zweiten Schritt das aufgetragene Material in einer Chalkogeniden Atmosphäre getempert, um die Perowskit Struktur durch Festkörperreaktion zu bilden. Die Untersuchung fokussiert sich außerdem auf die Optimierung eines generalisierten Rezeptes für molekulare Tinte zur Deposition eines Präkursors aus unterschiedlichen binären Verbindungen. Die Implementierung der Präkursor Schwefelung führt entweder zu einer Formation der binären Verbindungen ohne Perowskit Struktur oder in der verzerrten Perowskit Struktur, obwohl für manche dieser Materialien laut Literatur die nadelförmige nicht-Perowskit Struktur günstiger sein sollte. Zuletzt gibt es zwei Kategorien für die Evaluierung der hergestellten Materialien: Die erste Kategorie behandelt die Determinierung der physikalischen Eigenschaften der deponierten Dünnschicht, z.B. Kristallstruktur, Sekundärphasen, Unreinheiten. In der zweiten Kategorie werden die optoelektronischen Eigenschaften gemessen und mit einem idealen Absorber verglichen, z.B. Bandlücke, Leitfähigkeit, Oberflächen Photospannung, etc.

Im Rahmen dieser Dissertation wurden die erstmaligen Totalsynthesen der Arylnaphthalen-Lignane Alashinol D, Vitexdoin C, Vitrofolal E, Noralashinol C1 und Ternifoliuslignan E vorgestellt. Der Schlüsselschritt der entwickelten Methode, basiert auf einer regioselektiven intramolekularen Photo-Dehydro-Diels-Alder (PDDA)-Reaktion, die mittels UV-Strahlung im Durchflussreaktor durchgeführt wurde. Bei der Synthese der PDDA-Vorläufer (Diarylsuberate) wurde eine Synthesestrategie nach dem Baukastenprinzip verfolgt. Diese ermöglicht die Darstellung asymmetrischer komplexer Systeme aus nur wenigen Grundbausteinen und die Totalsynthese einer Vielzahl an Lignanen. In systematischen Voruntersuchungen konnte zudem die klare Überlegenheit der intra- gegenüber der intermolekularen PDDA-Reaktion aufgezeigt werden. Dabei stellte sich eine Verknüpfung der beiden Arylpropiolester über einen Korksäurebügel, in para-Position, als besonders effizient heraus. Werden asymmetrisch substituierte Diarylsuberate, bei denen einer der endständigen Estersubstituenten durch eine Trimethylsilyl-Gruppe oder ein Wasserstoffatom ersetzt wurde, verwendet, durchlaufen diese Systeme eine regioselektive Cyclisierung und als Hauptprodukt werden Naphthalenophane mit einem Methylester in 3-Position erhalten. Mit Hilfe von umfangreichen Experimenten zur Funktionalisierung der 4-Position, konnte zudem gezeigt werden, dass die Substitution der nucleophilen Cycloallen-Intermediate, während der PDDA-Reaktion, generell durch die Zugabe von N-Halogen-Succinimiden möglich ist. In Anbetracht der geringen Ausbeuten haben diese intermolekularen Abfangreaktionen, jedoch keinen präparativen Nutzen für die Totalsynthesen von Lignanen. Mit dem Ziel die allgemeinen photochemischen Reaktionsbedingungen zu optimieren, wurde erstmalig die triplettsensibilisierte PDDA-Reaktion vorgestellt. Durch die Verwendung von Xanthon als Sensibilisator wurde der Einsatz von effizienteren UVA-Lichtquellen ermöglicht, wodurch die Gefahr einer Photozersetzung durch Überbestrahlung minimiert wurde. Im Vergleich zur direkten Anregung mit UVB-Strahlung, konnten die Ausbeuten mit indirekter Anregung durch einen Photokatalysator signifikant gesteigert werden. Die grundlegenden Erkenntnisse und die entwickelten Synthesestrategien dieser Arbeit, können dazu beitragen zukünftig die Erschließung neuer pharmakologisch interessanter Lignane voranzutreiben. 1 Bisher ist nur die semisynthetische Darstellung von Noralashinol C ausgehend von Hydroxymatairesinol literaturbekannt., In this dissertation, the first total syntheses of the arylnaphthalene lignans alashinol D, vitexdoin C, vitrofolal E, noralashinol C (1) and ternifoliuslignan E were presented. The key step of the developed method, is based on a regioselective intramolecular photo-dehydro-Diels-Alder (PDDA) reaction, which was carried out using UV radiation in a flow reactor. For the synthesis of the PDDA precursors (diaryl suberates), a synthesis strategy based on the modular principle was followed. This allows the preparation of asymmetric complex systems from only a few basic building blocks and the total synthesis of a large number of lignans. Systematic preliminary studies have also demonstrated the clear superiority of the intra- versus intermolecular PDDA reaction. In this context, linking the two arylpropiol esters via a subaric acide linker, in the para position, was found to be particularly efficient. If asymmetrically substituted diaryl suberates, in which one of the terminal ester substituents has been replaced by a trimethylsilyl group or a hydrogen atom, are used, these systems undergo regioselective cyclization and naphthalenophanes with a methyl ester in the 3-position are obtained as the main product. With the help of extensive experiments on the functionalization of the 4-position, it was also shown that the substitution of the nucleophilic cycloallen intermediates, during the PDDA reaction, is generally possible by the addition of N-halogen succinimides. Considering the low yields, these intermolecular interception reactions, however, have no preparative utility for the total syntheses of lignans. With the aim of optimizing the general photochemical reaction conditions, the triplet-sensitized PDDA reaction was presented for the first time. The use of xanthone as a sensitizer enabled the use of more efficient UVA light sources, minimizing the risk of photodecomposition due to overirradiation. Compared to direct excitation with UVB radiation, yields were significantly increased with indirect excitation by a photocatalyst. The basic findings and the developed synthesis strategies of this work, may contribute to the future development of new pharmacologically interesting lignans. (1) So far, only the semisynthetic preparation of noralashinol C starting from hydroxymatairesinol is is known from the literature.

We report a modified approach to the batch scale preparation of completely engulfed core-shell emulsions or partially engulfed Janus emulsions with colorful optical properties, containing water, olive oil, and silicone oil. The in situ reduction of gold chloride, forming gold nanoparticles (AuNPs) at the olive oil interface in the absence or presence of chitosan, leads to the formation of compartmentalized olive-silicone oil emulsion droplets in water. In the absence of additional reducing components, time-dependent morphological transformations from partial engulfment to complete engulfment were observed. Similar experiments in the presence of chitosan or presynthesized AuNPs show an opposite time-dependent trend of transformation of core-shell structures into partially engulfed ones. This behavior can be understood by a time-dependent rearrangement of the AuNPs at the interface and changes of the interfacial tension. The Pickering effect of AuNPs at oil-water and oil-oil interfaces brings not only color effects to individual microdroplets, which are of special relevance for the preparation of new optical elements, but also a surprising self-assembly of droplets.

A convenient method for the synthesis of γ-spirolactones in only 2–3 steps is described. Birch reduction of inexpensive and commercially available aromatic carboxylic acids in the presence of ethylene oxide affords hydroxy acids, which undergo direct lactonization during work-up. Suitable precursors are methyl-substituted benzoic acids, naphthoic, and dicarboxylic acids. Subsequent hydrogenation proceeds smoothly with Pd/C as catalyst and saturated γ-spirolactones are isolated in excellent yields and stereoselectivities. Thus, up to 3 new stereogenic centers can be constructed as sole diastereomers from achiral benzoic acids. Furthermore, it is possible to control the degree of saturation with Raney nickel or Wilkinson's catalyst to obtain products with 1 double bond. Overall, more than 30 new γ-spirolactones have been synthesized in analytically pure form.

In this paper, we describe a study on tasks following the construct of school-related content knowledge. We know from previous studies that such tasks were rated by the preservice chemistry teachers as important for their future profession. Those studies were conducted in a traditional course on organic chemistry which was organized around chemical families. Therefore, we used and evaluated the tasks again in a new course on organic chemistry which is organized around basic concepts in organic chemistry. The results of this evaluation show that the students rate the tasks equally well but use other arguments for their rating. They do not focus only on the content of the tasks and whether this content belongs to the school curriculum or not. The students of the conceptual course rated the content more often (95%) as important for their future profession compared with the students in the traditional course (57%). Both groups of students rated the importance of the nature of the task the same way.

Cardiovascular diseases are the main cause of death worldwide, and their prevalence is expected to rise in the coming years. Polymer-based artificial replacements have been widely used for the treatment of cardiovascular diseases. Coagulation and thrombus formation on the interfaces between the materials and the human physiological environment are key issues leading to the failure of the medical device in clinical implantation. The surface properties of the materials have a strong influence on the protein adsorption and can direct the blood cell adhesion behavior on the interfaces. Furthermore, implant-associated infections will be induced by bacterial adhesion and subsequent biofilm formation at the implantation site. Thus, it is important to improve the hemocompatibility of an implant by altering the surface properties. One of the effective strategies is surface passivation to achieve protein/cell repelling ability to reduce the risk of thrombosis. This thesis consists of synthesis, functionalization, sterilization, and biological evaluation of bulk poly(glycerol glycidyl ether) (polyGGE), which is a highly crosslinked polyether-based polymer synthesized by cationic ring-opening polymerization. PolyGGE is hypothesized to be able to resist plasma protein adsorption and bacterial adhesion due to analogous chemical structure as polyethylene glycol and hyperbranched polyglycerol. Hydroxyl end groups of polyGGE provide possibilities to be functionalized with sulfates to mimic the anti-thrombogenic function of the endothelial glycocalyx. PolyGGE was synthesized by polymerization of the commercially available monomer glycerol glycidyl ether, which was characterized as a mixture of mono-, di- and tri-glycidyl ether. Cationic ring opening-polymerization of this monomer was carried out by ultraviolet (UV) initiation of the photo-initiator diphenyliodonium hexafluorophosphate. With the increased UV curing time, more epoxides in the side chains of the monomers participated in chemical crosslinking, resulting in an increase of Young’s modulus, while the value of elongation at break of polyGGE first increased due to the propagation of the polymer chains then decreased with the increase of crosslinking density. Eventually, the chain propagation can be effectively terminated by potassium hydroxide aqueous solution. PolyGGE exhibited different tensile properties in hydrated conditions at body temperature compared to the values in the dry state at room temperature. Both Young’s modulus and values of elongation at break were remarkably reduced when tested in water at 37 °C, which was above the glass transition temperature of polyGGE. At physiological conditions, entanglements of the ployGGE networks unfolded and the free volume of networks were replaced by water molecules as softener, which increased the mobility of the polymer chains, resulting in a lower Young’s modulus. Protein adsorption analysis was performed on polyGGE films with 30 min UV curing using an enzyme-linked immunosorbent assay. PolyGGE could effectively prevent the adsorption of human plasma fibrinogen, albumin, and fibronectin at the interface of human plasma and polyGGE films. The protein resistance of polyGGE was comparable to the negative controls: the hemocompatible polydimethylsiloxane (PDMS), showing its potential as a coating material for cardiovascular implants. Moreover, antimicrobial tests of bacterial activity using isothermal microcalorimetry and the microscopic image of direct bacteria culturing demonstrated that polyGGE could directly interfere biofilm formation and growth of both Gram-negative and antibiotic-resistant Gram-positive bacteria, indicating the potential application of polyGGE for combating the risk of hospital-acquired infections and preventing drug-resistant superbug spreading. To investigate its cell compatibility, polyGGE films were extracted by different solvents (ethanol, chloroform, acetone) and cell culture medium. Indirect cytotoxicity tests showed extracted polyGGE films still had toxic effects on L929 fibroblast cells. High-performance liquid chromatography/electrospray ionization mass spectrometry revealed the occurrence of organochlorine-containing compounds released during the polymer-cell culture medium interaction. A constant level of those organochlorine-containing compounds was confirmed from GGE monomer by a specific peak of C-Cl stretching in infrared spectra of GGE. This is assumed to be the main reason causing the increased cell membrane permeability and decreased metabolic activity, leading to cell death. Attempts as changing solvents were made to remove toxic substances, however, the release of these small molecules seems to be sluggish. The densely crosslinked polyGGE networks can possibly contribute to the trapping of organochlorine-containing compounds. These results provide valuable information for exploring the potentially toxic substances, leaching from polyGGE networks, and propose a feasible strategy for minimizing the cytotoxicity via reducing their crosslinking density. Sulfamic acid/ N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) were selected as the reagents for the sulfation of polyGGE surfaces. Fourier transform attenuated total reflection infrared spectroscopy (ATR-FT-IR) was used to monitor the functionalization kinetics and the results confirmed the successful sulfate grafting on the surface of polyGGE with the covalent bond -C-O-S-. X-ray photoelectron spectroscopy was used to determine the element composition on the surface and the cross-section of the functionalized polyGGE and sulfation within 15 min guarantees the sulfation only takes place on the surface while not occurring in the bulk of the polymer. The concentration of grafted sulfates increased with the increasing reaction time. The hydrophilicity of the surface of polyGGE was highly increased due to the increase of negatively charged end groups. Three sterilization techniques including autoclaving, gamma irradiation, and ethylene oxide (EtO) sterilization were used for polyGGE sulfates. Results from ATR-FT-IR and Toluidine Blue O quantitative assay demonstrated the total loss of the sulfates after autoclave sterilization, which was also confirmed by the increased water contact angle. Little influence on the concentration of sulfates was found for gamma-irradiated and autoclaving sterilized polyGGE sulfates. To investigate the thermal influence on polyGGE sulfates, one strategy was to use poly(hydroxyethyl acrylate) sulfates (PHEAS) for modeling. The thermogravimetric analysis profile of PHEAS demonstrated that sulfates are not thermally stable independent of the substrate materials and decomposition of sulfates occurs at around 100 °C. Although gamma irradiation also showed little negative effect on the sulfate content, the color change in the polyGGE sulfates indicates chemical or physical change might occur in the polymer. EtO sterilization was validated as the most suitable sterilization technique to maintain the chemical structure of polyGGE sulfates. In conclusion, the conducted work proved that bulk polyGGE can be used as an antifouling coating material and shows its antimicrobial potential. Sulfates functionalization can be effectively realized using sulfamic acid/NMP. EtO sterilization is the most suitable sterilization technique for grafted sulfates. Besides, this thesis also offers a good strategy for the analysis of toxic leachable substances using suitable physicochemical characterization techniques. Future work will focus on minimizing/eliminating the release of toxic substances via reducing the crosslinking density. Another interesting aspect is to study whether grafted sulfates can meet the need for anti-thrombogenicity. Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind weltweit die Haupttodesursache, und es wird erwartet, dass ihre Prävalenz in den kommenden Jahren zunehmen wird. Künstlicher Ersatz auf Polymerbasis wird in großem Umfang für die Behandlung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen eingesetzt. Gerinnung und Thrombenbildung an den Grenzflächen zwischen den Materialien und der menschlichen physiologischen Umgebung sind ein Hauptproblem, das zum Versagen des Medizinprodukts bei der klinischen Implantation führt. Die Oberflächeneigenschaften der Materialien haben einen starken Einfluss auf die Proteinadsorption und können das Adhäsionsverhalten von Blutzellen an den Grenzflächen steuern. Darüber hinaus werden Implantat-assoziierte Infektionen durch bakterielle Adhäsion und anschließende Biofilmbildung an der Implantationsstelle ausgelöst. Daher ist es wichtig, die Hämokompatibilität eines Implantats durch Veränderung der Oberflächeneigenschaften zu verbessern. Eine der wirksamen Strategien ist die Oberflächenpassivierung, um die Fähigkeit zur Protein-/Zellabweisung zu erreichen und so das Thromboserisiko zu verringern. Diese Arbeit befasst sich mit der Synthese, Funktionalisierung, Sterilisation und biologischen Bewertung von Poly(glycerin glycidyl ether) (polyGGE), einem stark vernetzten Polymer auf Polyetherbasis, das durch kationische Ringöffnungspolymerisation hergestellt wird. Es wird angenommen, dass PolyGGE aufgrund seiner ähnlichen chemischen Struktur wie Polyethylenglykol und hyperverzweigtes Polyglycerin der Adsorption von Plasmaproteinen und der Anhaftung von Bakterien widerstehen kann. Die Hydroxyl-Endgruppen von PolyGGE können mit Sulfaten funktionalisiert werden, um die antithrombogene Funktion der endothelialen Glykokalyx zu imitieren. PolyGGE wurde durch Polymerisation des kommerziell erhältlichen Monomers Glycerin Glycidyl ether synthetisiert, das als Mischung aus Mono-, Di- und Triglycidylether charakterisiert wurde. Die kationische Ringöffnungspolymerisation dieses Monomers wurde mit Hilfe des Photoinitiators Diphenyliodoniumhexafluorophosphat durch Ultraviolett (UV) ausgelöst. Mit zunehmender UV-Härtungszeit nahmen mehr Epoxide in den Seitenketten der Monomere an der chemischen Vernetzung teil, was zu einem Anstieg des Elastizitätsmoduls führte, während der Wert der Bruchdehnung von polyGGE zunächst aufgrund der Ausbreitung der Polymerketten anstieg und dann mit zunehmender Vernetzungsdichte abnahm. Schließlich kann die Kettenausbreitung durch wässrige Kaliumhydroxidlösung wirksam gestoppt werden. PolyGGE wies im hydratisierten Zustand bei Körpertemperatur andere Zugeigenschaften auf als im trockenen Zustand bei Raumtemperatur. Sowohl der Elastizitätsmodul als auch die Werte der Bruchdehnung waren deutlich reduziert, wenn sie in Wasser bei 37 °C getestet wurden, was oberhalb der Glasübergangstemperatur von PolyGGE lag. Unter physiologischen Bedingungen entfalteten sich die Verflechtungen der PolyGGE-Netzwerke und das freie Volumen der Netzwerke wurde durch Wassermoleküle als Weichmacher ersetzt, was die Mobilität der Polymerketten erhöhte und zu einem niedrigeren Elastizitätsmodul führte. Die Proteinadsorptionsanalyse wurde an PolyGGE-Filmen mit 30-minütiger UV-Härtung unter Verwendung eines Enzymimmunoassays durchgeführt. PolyGGE konnte die Adsorption von Fibrinogen, Albumin und Fibronektin aus menschlichem Plasma an der Grenzfläche zwischen menschlichem Plasma und PolyGGE-Filmen wirksam verhindern. Die Proteinresistenz von PolyGGE war vergleichbar mit den Negativkontrollen: dem hämokompatiblen Polydimethylsiloxan, was sein Potenzial als Beschichtungsmaterial für kardiovaskuläre Implantate zeigt. Darüber hinaus zeigten antimikrobielle Tests der bakteriellen Aktivität mittels isothermischer Mikrokalorimetrie und das mikroskopische Bild der direkten Bakterienkultur, dass PolyGGE die Biofilmbildung und das Wachstum sowohl von gramnegativen als auch von antibiotikaresistenten grampositiven Bakterien direkt stören kann, was auf die potenzielle Anwendung von PolyGGE zur Bekämpfung des Risikos von Krankenhausinfektionen und zur Verhinderung der Ausbreitung arzneimittelresistenter Superbugs hinweist. Um die Zellkompatibilität zu untersuchen, wurden polyGGE-Folien mit verschiedenen Lösungsmitteln (Ethanol, Chloroform, Aceton) und Zellkulturmedium extrahiert. Indirekte Zytotoxizitätstests zeigten, dass die extrahierten polyGGE-Filme immer noch eine toxische Wirkung auf L929-Fibroblastenzellen hatten. Die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie/Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometrie zeigte das Auftreten von chlororganischen Derivaten, die während der Interaktion zwischen Polymer und Zellkulturmedium freigesetzt wurden. Ein konstantes Niveau dieser chlororganischen Derivate wurde vom GGE-Monomer durch einen spezifischen C-Cl-Streckungspeak im Infrarotspektrum von GGE bestätigt. Es wird angenommen, dass dies der Hauptgrund für die erhöhte Permeabilität der Zellmembran und die verringerte Stoffwechselaktivität ist, was zum Zelltod führt. Es wurden Versuche unternommen, die Lösungsmittel zu wechseln, um die toxischen Substanzen zu entfernen, aber die Freisetzung dieser kleinen Moleküle scheint nur langsam zu erfolgen. Die dicht vernetzten polyGGE-Netzwerke können möglicherweise zum Einschluss chloridhaltiger Verbindungen beitragen. Diese Ergebnisse liefern wertvolle Informationen für die Erforschung potenzieller toxischer Substanzen, die aus PolyGGE-Netzwerken ausgewaschen werden, und schlagen eine praktikable Strategie zur Minimierung der Zytotoxizität durch Verringerung der Vernetzungsdichte vor. Als Reagenzien für die Sulfatierung von PolyGGE-Oberflächen wurden Sulfaminsäure und N-Methyl-2-Pyrrolidon (NMP) gewählt. Die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie mit abgeschwächter Totalreflexion (ATR-FT-IR) wurde zur Überwachung der Funktionalisierungskinetik eingesetzt, und die Ergebnisse bestätigten die erfolgreiche Sulfatpfropfung auf der Oberfläche von PolyGGE mit der kovalenten Bindung -C-O-S-. Mit Hilfe der Röntgen-Photoelektronenspektroskopie wurde die Elementzusammensetzung auf der Oberfläche und der Querschnitt des funktionalisierten PolyGGE bestimmt, und die Sulfatierung innerhalb von 15 Minuten garantiert, dass die Sulfatierung nur auf der Oberfläche stattfindet, während sie in der Masse des Polymers nicht vorkommt. Die Konzentration der gepfropften Sulfate nahm mit zunehmender Reaktionszeit zu. Die Hydrophilie der Oberfläche von polyGGE wurde durch die Zunahme negativ geladener Endgruppen stark erhöht. Für die PolyGGE-Sulfate wurden drei Sterilisationstechniken verwendet: Autoklavieren, Gammastrahlenbestrahlung und Ethylenoxid (EtO)-Sterilisation. Die Ergebnisse der quantitativen ATR-FT-IR und Toluidinblau O-Untersuchung zeigten den vollständigen Verlust der Sulfate nach der Sterilisation im Autoklaven, was auch durch den erhöhten Wasserkontaktwinkel bestätigt wurde. Bei den mit Gammastrahlen und im Autoklaven sterilisierten PolyGGE-Sulfaten wurde nur ein geringer Einfluss auf die Sulfatkonzentration festgestellt. Um den thermischen Einfluss auf PolyGGE-Sulfate zu untersuchen, bestand eine Strategie darin, ein Poly(hydroxyethylacrylat)-Sulfat (PHEAS) für die Modellierung zu verwenden. Das Profil der thermogravimetrischen Analyse von PHEAS zeigte, dass Sulfate unabhängig von den Substratmaterialien thermisch nicht stabil sind und die Zersetzung der Sulfate bei etwa 100 °C stattfindet. Obwohl die Gammasterilisation ebenfalls kaum negative Auswirkungen auf den Sulfatgehalt hat, deutet die Farbveränderung der PolyGGE-Sulfate darauf hin, dass chemische oder physikalische Veränderungen im Polymer auftreten könnten. Die EtO-Sterilisation erwies sich als die am besten geeignete Sterilisationstechnik, um die chemische Struktur der PolyGGE-Sulfate zu erhalten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die durchgeführte Arbeit bewiesen hat, dass PolyGGE als Antifouling-Beschichtungsmaterial verwendet werden kann und sein antimikrobielles Potenzial zeigt. Die Funktionalisierung der Sulfate kann mit Sulfaminsäure/NMP effektiv durchgeführt werden. Die EtO-Sterilisation ist die am besten geeignete Sterilisationstechnik für gepfropfte Sulfate. Darüber hinaus bietet diese Arbeit auch eine gute Strategie für die Analyse toxischer auslaugbarer Substanzen mit Hilfe geeigneter physikalisch-chemischer Charakterisierungstechniken. Zukünftige Arbeiten werden sich darauf konzentrieren, die Freisetzung toxischer Substanzen durch Verringerung der Vernetzungsdichte zu minimieren bzw. zu eliminieren. Ein weiterer interessanter Aspekt ist die Untersuchung, ob gepfropfte Sulfate den Anforderungen an die Anti-Thrombogenität gerecht werden können.

Photosensitive azobenzene-containing surfactants have attracted great attention in past years because they offer a means to control soft-matter transformations with light. At concentrations higher than the critical micelle concentration (CMC), the surfactant molecules aggregate and form micelles, which leads to a slowdown of the photoinduced trans -> cis azobenzene isomerization. Here, we combine nonadiabatic dynamics simulations for the surfactant molecules embedded in the micelles with absorption spectroscopy measurements of micellar solutions to uncover the reasons responsible for the reaction slowdown. Our simulations reveal a decrease of isomerization quantum yields for molecules inside the micelles. We also observe a reduction of extinction coefficients upon micellization. These findings explain the deceleration of the trans -> cis switching in micelles of the azobenzene-containing surfactants.

Abstract The Venus flytrap is a fascinating plant with a finely tuned mechanical bi-stable system, which can switch between mono- and bi-stability. Here, we combine geometrical design of compliant mechanics and the function of shape-memory polymers to enable switching between bi- and mono-stable states. Digital design and modelling using the Chained Beam Constraint Model forecasted two geometries, which were experimentally realized as structured films of cross-linked poly[ethylene-co-(vinyl acetate)] supported by digital manufacturing. Mechanical evaluation confirmed our predicted features. We demonstrated that a shape-memory effect could switch between bi- and mono-stability for the same construct, effectively imitating the Venus flytrap. Graphic Abstract

Active fibers can serve as artificial muscles in robotics or components of smart textiles. Here, we present an origami hand robot, where single fibers control the reversible movement of the fingers. A recovery/contracting force of 0.2 N with a work capacity of 0.175 kJ kg−1 was observed in crosslinked poly[ethylene-co-(vinyl acetate)] (cPEVA) fibers, which could enable the bending movement of the fingers by contraction upon heating. The reversible opening of the fingers was attributed to a combination of elastic recovery force of the origami structure and crystallization-induced elongation of the fibers upon cooling. Graphic abstract

The molecular structures of three closely related isoflavones have been determined by single crystal X-ray diffraction and have been analysed by geometry matching with the CSD, Hirshfeld surface analysis and analysis of stacking interactions with the Aromatic Analyser program (CSD). The formation of the supramolecular structure by non-covalent interactions was studied and substantial differences in the macroscopic properties e.g., the solubility, were correlated with hydrogen bonding and pi-stacking interactions. Moreover, a correlation between the supramolecular structure, the torsion angle (between benzopyran group and aryl group), and macroscopic properties was determined in the three compounds.

The photooxygenation of 1,4-cyclohexadienes has been studied with a special focus on regio- and stereoselectivities. In all examples, only the methyl-substituted double bond undergoes an ene reaction with singlet oxygen, to afford hydroperoxides in moderate to good yields. We explain the high regioselectivities by a "large-group effect" of the adjacent quaternary stereocenter. Nitriles decrease the reactivity of singlet oxygen, presumably by quenching, but can stabilize proposed per-epoxide intermediates by polar interactions resulting in different stereoselectivities. Spiro lactams and lactones show an interesting effect on regio- and stereoselectivities of the ene reactions. Thus, singlet oxygen attacks the double bond preferentially anti to the carbonyl group, affording only one regioisomeric hydroperoxide. If the reaction occurs from the opposite face, the other regioisomer is exclusively formed by severe electrostatic repulsion in a perepoxide intermediate. We explain this unusual behavior by the fixed geometry of spiro compounds and call it a "spiro effect" in singlet oxygen ene reactions.

The palladium-catalyzed oxidative Heck-reaction, also referred to as Fujiwara-Moritani-reaction, has been investigated for the synthesis of styrenylsulfonyl compounds. Acetanilides and vinylsulfonyl compounds undergo dehydrogenative coupling reactions in moderate to quantitative yields, using benzoquinone as the oxidant of choice. Potassium peroxodisulfate, which had previously been identified as a superior oxidant for the coupling with acrylates, did not provide any coupling products with these olefins. Traceless removal of the catalyst directing group through a deacetylation-diazotation-coupling (DDC) sequence was demonstrated for 2-arylethene sulfones.

Effective temporary shape fixation by strain-induced formation of supramolecular nanostructures enables high energy density one-way shape-memory polymers.

A convenient method for the synthesis of gamma-spirolactams in only three steps is described. Birch reduction of inexpensive and commercially available aromatic carboxylic acids in the presence of chloroacetonitrile affords nitriles in moderate to good yields. Suitable precursors are methyl-substituted benzoic acids, naphthoic, and anthroic acid. Subsequent catalytic hydrogenation proceeds smoothly with PtO2 or Raney Ni as catalysts and lactams are isolated in excellent yields and stereoselectivities. Thus, up to 3 new stereogenic centers can be constructed as sole diastereomers from achiral benzoic acids. Furthermore, it is possible to control the degree of saturation at different pressures, affording products with 0, 1, or 2 double bonds. Overall, more than 15 new gamma-spirolactams have been synthesized in analytically pure form.

The acyclic monoterpene beta-myrcene is polymerized by anionic polymerization at room temperature using sec-butyllithium as the initiator and the cyclic monoterpene DL-limonene as an unsaturated hydrocarbon solvent. The polymerization is a living process and allows production of polymyrcenes with narrow molar mass distribution ((sic) similar to 1.06) and high content of 1,4 units (similar to 90%) as well as block copolymers.

The replacement of oxygen by sulfur atoms of [1,3]-dioxolo[4.5-f]benzodioxole (DBD) fluorescent dyes is an efficient way to adjust the photophysical properties (sulfur tuning). While previously developed S-4-DBD dyes exhibit considerably red-shifted absorption and emission wavelength, the heavy atom effect of four sulfur atoms cause low fluorescence quantum yields and short fluorescence lifetimes. Herein, we demonstrate that the replacement of less than four sulfur atoms (S-1-DBD, 1,2-S-2-DBD, and 1,4-S-2-DBD dyes) permits a fine-tuning of the photophysical properties. In some cases, a similar influence on the wavelength without the detrimental effect on the quantum yields and lifetimes is observed. Furthermore, the synthetic accessibility of S-1- and S-2-DBD dyes is improved, compared with S-4-DBD dyes. For coupling with biomolecules a series of reactive derivatives of the new dyes were developed (azides, OSu esters, alkynes, maleimides).

Electrochemical fluorination in anhydrous HF, also known as the Simons process, is a widely used industrial method for fluorination of organic compounds. Its mechanism, being not so well understood, has long been debated and is believed to involve higher valent nickel fluorides formed on the nickel-plated anode during the process. One of these is speculated to be Ni2F5, which was previously reported in the literature and assigned via infrared spectroscopy, but its crystal structure is not yet known. We have identified known crystal structures of compounds with similar stoichiometries as Ni2F5 and utilized them as a starting point for our periodic DFT investigations, applying the PBE+U method. Ni2F5 as the most stable polymorph was found to be of the same crystal structure as another mixed valent fluoride, Cr2F5. The calculated lattice parameters are a = 7.24 Å, b = 7.40 Å, c = 7.08 Å and β = 118.9° with an antiferromagnetic ordering of the nickel magnetic moments.

The use of a catalyst support for the design of nanoscale heterogeneous catalysts based on cerium oxide offers vast possibilities for future catalyst development, particularly with regard to an increased focus on the use of renewable biogas and an emerging hydrogen economy. In this study, zirconia-supported ceria catalysts were synthesized, activated by using different thermochemical treatments, and characterized by way of temperature-programmed reduction (TPR), oxygen storage capacity, Xray diffraction, electron microscopy, and luminescence spectroscopy using Eu3+ as a spectroscopic probe. Through reduction-oxidation pretreatment routines, reactive pyrochlore structures were created at temperatures as low as 600 degrees C and identified through TPR and electron microscopy experiments. A structural relationship and alignment of the crystal planes is revealed in high-resolution scanning transmission electron microscopy experiments through the digital diffraction patterns. Low-temperature pretreatment induces the formation of reactive pyrochlore domains under retention of the surface area of the catalyst system, and no further morphological changes are detected. Furthermore, the formation of pyrochlore domains achieved through severe reduction and mild reoxidation (SRMO) treatments is reversible. Over multiple alternating SRMO and severe reduction and severe reoxidation (SRSO) treatments, europium spectroscopy and TPR results indicate that pyrochlore structures are recreated over consecutive treatments, whenever the mild oxidation step at 500 degrees C is the last treatment (SRMO, SRMO-SRSO-SRMO, etc.).

Attractive label-free plasmonic optical fiber sensors can be developed by cleverly choosing the arrangement of plasmonic nanostructures and other building blocks. Here, the final response depends very much on the alignment and position (stacking) of the individual elements. In this work, three different types of fiber optic sensing geometries fabricated by simple layer-by-layer stacking are presented, consisting of stimulus-sensitive poly-N-isopropylacrylamide (polyNIPAM) microgel arrays and plasmonic nanohole arrays (NHAs), namely NHA/polyNIPAM, polyNIPAM/NHA, polyNIPAM/NHA/polyNIPAM. Their optical response to a representative stimulus, namely temperature, is investigated. NHA/polyNIPAM monitors the volume phase transition of polyNIPAM microgels through changes in the spectral position and the amplitude of the reflection minimum of plasmonic NHA. In contrast, polyNIPAM/NHA shows a more complex response to the swelling and collapse of polyNIPAM microgels in their reflectance spectra. The most pronounced changes in optical response are observed by monitoring the amplitude of the reflectance minimum of this sensor during heating/cooling cycles. Finally, the triple stack of polyNIPAM/NHA/polyNIPAM at the end of a optical fiber tip combines the advantages of the NHA/polyNIPAM, polyNIPAM/NHA double stacks for optical sensing. The unique layer-by-layer stacking of microgel and nanostructure is customizable and can be easily adopted for other applications.

An efficient method for the preparation of arylnaphthalene lignans (ANLs) was developed, which is based on the Photo-Dehydro-Diels-Alder (PDDA) reaction. While intermolecular PDDA reactions turned out to be inefficient, the intramolecular variant using suberic acid as tether linking two aryl propiolic esters smoothly provided naphthalenophanes. The irradiations were performed with a previously developed annular continuous-flow reactor and UVB lamps. In this way, the natural products Alashinol D, Taiwanin C, and an unnamed ANL could be prepared.

The incorporation of proteins in artificial materials such as membranes offers great opportunities to avail oneself the miscellaneous qualities of proteins and enzymes perfected by nature over millions of years. One possibility to leverage proteins is the modification with artificial polymers. To obtain such protein-polymer conjugates, either a polymer can be grown from the protein surface (grafting-from) or a pre-synthesized polymer attached to the protein (grafting-to). Both techniques were used to synthesize conjugates of different proteins with thermo-responsive polymers in this thesis. First, conjugates were analyzed by protein NMR spectroscopy. Typical characterization techniques for conjugates can verify the successful conjugation and give hints on the secondary structure of the protein. However, the 3-dimensional structure, being highly important for the protein function, cannot be probed by standard techniques. NMR spectroscopy is a unique method allowing to follow even small alterations in the protein structure. A mutant of the carbohydrate binding module 3b (CBM3bN126W) was used as model protein and functionalized with poly(N-isopropylacrylamide). Analysis of conjugates prepared by grafting-to or grafting-from revealed a strong impact of conjugation type on protein folding. Whereas conjugates prepared by grafting a pre-formed polymer to the protein resulted in complete preservation of protein folding, grafting the polymer from the protein surface led to (partial) disruption of the protein structure. Next, conjugates of bovine serum albumin (BSA) as cheap and easily accessible protein were synthesized with PNIPAm and different oligoethylene glycol (meth)acrylates. The obtained protein-polymer conjugates were analyzed by an in-line combination of size exclusion chromatography and multi-angle laser light scattering (SEC-MALS). This technique is particular advantageous to determine molar masses, as no external calibration of the system is needed. Different SEC column materials and operation conditions were tested to evaluate the applicability of this system to determine absolute molar masses and hydrodynamic properties of heterogeneous conjugates prepared by grafting-from and grafting-to. Hydrophobic and non-covalent interactions of conjugates lead to error-prone values not in accordance to expected molar masses based on conversions and extents of modifications. As alternative to this method, conjugates were analyzed by sedimentation velocity analytical ultracentrifugation (SV-AUC) to gain insights in the hydrodynamic properties and how they change after conjugation. Within a centrifugal field, a sample moves and fractionates according to the mass, density, and shape of its individual components. Conjugates of BSA with PNIPAm were analyzed below and above the cloud point temperature of the thermo-responsive polymer component. It was identified that the polymer characteristics were transferred to the conjugate molecule which than showed a decreased ideality – defined as increased deviation from a perfect sphere model – below and increased ideality above the cloud point temperature. This effect can be attributed to an arrangement of the polymer chain pointing towards the solvent (expanded state) or snuggling around the protein surface depending on the applied temperature. The last project dealt with the synthesis of ferric hydroxamate uptake protein component A (FhuA)-polymer conjugates as building blocks for novel membrane materials. The shape of FhuA can be described as barrel and removal of a cork domain inside the protein results in a passive channel aimed to be utilized as pores in the membrane system. The polymer matrix surrounding the membrane protein is composed of a thermo-responsive and a UV-crosslinkable part. Therefore, an external trigger for covalent immobilization of these building blocks in the membrane and switchability of the membrane between different states was incorporated. The overall performance of membranes prepared by a drying-mediated self-assembly approach was evaluated by permeability and size exclusion experiments. The obtained membranes displayed an insufficiency in interchain crosslinking and therefore a lack in performance. Furthermore, the aimed switch between a hydrophilic and hydrophobic state of the polymer matrix did not occur. Correspondingly, size exclusion experiments did not result in a retention of analytes larger than the pores defined by the dimension of the used FhuA variant. Overall, different paths to generate protein-polymer conjugates by either grafting-from or grafting-to the protein surface were presented paving the way to the generation of new hybrid materials. Different analytical methods were utilized to describe the folding and hydrodynamic properties of conjugates providing a deeper insight in the overall characteristics of these seminal building blocks., Der Einbau von Proteinen in künstliche Materialien wie zum Beispiel Membranen ist eine vielversprechende Möglichkeit sich die besonderen Eigenschaften dieser Biomakromoleküle zunutze zu machen. Eine Möglichkeit, solche Membranen herzustellen, ist die Nutzung von Protein-Polymer-Konjugaten als universelle Bausteine. Für die Synthese solcher Konjugate stehen zwei Ansätze zur Verfügung. Bei grafting-to wird ein endgruppenfunktionalisiertes Polymer an das Protein angebunden. Dagegen wird bei grafting-from das Protein in einem ersten Schritt mit Initiatoren funktionalisiert und in einem zweiten Schritt das Polymer ausgehend von diesen sogenannten Makroinitiatoren synthetisiert. Innerhalb der hier vorliegenden Dissertation wurden vier Hauptprojekte bearbeitet, die sich entweder mit der tiefergehenden Charakterisierung von Protein-Polymer-Konjugaten oder deren Nutzung als Bausteine für Biohybrid-Membranen beschäftigten. Im ersten Projekt wurde der Einfluss der Konjugation auf die Proteinstruktur mittels NMR-Spektroskopie untersucht. Viele Analysemethoden geben Aufschluss über die Erhaltung großer, lokal ausgebildeter Strukturelemente nach Modifizierung. Kleine strukturelle Änderungen bleiben dort meist unerkannt. NMR-Spektroskopie ist eine der wenigen Methoden, die auch solche kleinen Änderungen aufzeigen kann. Innerhalb dieser Dissertation konnte gezeigt werden, dass die Modifizierung von Proteinen mit Polymeren je nach Konjugationsmethode einen enormen Einfluss auf die Proteinstruktur hat. Während Konjugate, die durch grafting-to hergestellt wurden, nahezu keine strukturellen Änderungen aufwiesen, führte die Modifizierung mit Initiatoren bereits zu deutlichen Änderungen, die sich nach der Polymerisation verstärkten. Das zweite Projekt widmetete sich der Analyse der hydrodynamischen Eigenschaften und der absoluten Molmassenbestimmung von Konjugaten mittels einer Kombination aus Größenausschlusschromatographie und Mehrwinkellichtstreuung. Während der Chromatographie werden die Konjugate entsprechend ihrer Größe aufgetrennt und anschließend durch Lichtstreuung vermessen. Damit diese Vermessung zu realistischen Werten führt, muss die vorangehende Chromatographie gewisse Anforderungen erfüllen. Eine davon ist, dass die Probe die Säule rein entsprechend ihrer Größe passiert und keine anderen Wechselwirkungen auftreten. Leider konnte diese Anforderung unter den getesteten Bedingungen nicht erfüllt werden, sodass die erhaltenen hydrodynamischen Werte und Molmassen stark fehlerbehaftet waren. Als Alternative zu dieser Methode wurden im dritten Projekt Konjugate in einer analytischen Ultrazentrifuge untersucht. Im Zentrifugalfeld wird eine Probe entsprechend der Größe, Masse und Dichte der Einzelbestandteile getrennt und detektiert. Solche Messungen wurden an Konjugaten modifiziert mit einem temperaturschaltbaren Polymer durchgeführt. Bei Temperaturen unterhalb des Schaltpunkts des Polymers sedimentierten die Konjugate langsamer als oberhalb dieses Punkts. Da sich die Molmasse während des Prozesses nicht ändert, kann dieses Verhalten auf die Form des Konjugats und den Einfluss des Polymers zurückgeführt werden. Die Messungen werden so interpretiert, dass das Polymer unterhalb der Schalttemperatur vom Protein weg zeigt und wie eine Art Fallschirm fungiert. Oberhalb der Temperatur schmiegt es sich an das Protein, ähnlich einem Fallschirmspringer, der die Arme an den Körper zieht. Das letzte Projekt strebte die Immobilisierung von Membranproteinen als funktionelle Poren in Membranmaterialien an. Dazu wurden Membranprotein-Polymer-Konjugate mit einem thermoresponsiven, UV-verlinkbaren Polymer hergestellt, welches einerseits durch einen externen Auslöser für eine kovalente Immobilisierung der Bausteine in der Membran und andererseits durch einen zweiten Auslöser die Membraneigenschaften modulieren sollte. Die Performance der hergestellten Membranen wurde durch Permeabilitäts- und Größenausschlussexperimente bewertet. Allerdings fand der angestrebte Wechsel zwischen einem hydrophilen und einem hydrophoben Zustand der Polymermatrix unter den getesteten Bedingungen nicht statt. Dementsprechend führten Größenausschlussexperimente nicht zu einer Retention von Analyten, die theoretisch größer sind als die durch die Dimension der verwendeten FhuA-Variante definierten Poren. Insgesamt wurden verschiedene Wege zur Synthese von Protein-Polymer-Konjugaten durch grafting-from und grafting-to vorgestellt. Die entwickelten Methoden und gewonnenen Erkenntnisse sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu neuen Hybridmaterialien. Verschiedene analytische Methoden wurden eingesetzt, um die Faltung und die hydrodynamischen Eigenschaften der Konjugate zu untersuchen, was einen tieferen Einblick in die allgemeinen Eigenschaften dieser zukunftsträchtigen Bausteine ermöglicht.

The visible-light photocatalytic E/Z isomerization of olefins can be mediated by a wide spectrum of triplet sensitizers (photocatalysts). However, the search for the most efficient photocatalysts through screenings in photo batch reactors is material and time consuming. Capillary and microchip flow reactors can accelerate this screening process. Combined with a fast analytical technique for isomer differentiation, these reactors can enable high-throughput analyses. Ion mobility (IM) spectrometry is a cost-effective technique that allows simple isomer separation and detection on the millisecond timescale. This work introduces a hyphenation method consisting of a microchip reactor and an infrared matrix-assisted laser desorption ionization (IR-MALDI) ion mobility spectrometer that has the potential for high-throughput analysis. The photocatalyzed E/Z isomerization of ethyl-3-(pyridine-3-yl)but-2-enoate (E-1) as a model substrate was chosen to demonstrate the capability of this device. Classic organic triplet sensitizers as well as Ru-, Ir-, and Cu-based complexes were tested as catalysts. The ionization efficiency of the Z-isomer is much higher at atmospheric pressure which is due to a higher proton affinity. In order to suppress proton transfer reactions by limiting the number of collisions, an IM spectrometer working at reduced pressure (max. 100 mbar) was employed. This design reduced charge transfer reactions and allowed the quantitative determination of the reaction yield in real time. Among 14 catalysts tested, four catalysts could be determined as efficient sensitizers for the E/Z isomerization of ethyl cinnamate derivative E-1. Conversion rates of up to 80% were achieved in irradiation time sequences of 10 up to 180 s. With respect to current studies found in the literature, this reduces the acquisition times from several hours to only a few minutes per scan.

Arsenolipids include a wide range of organic arsenic species that occur naturally in seafood and thereby contribute to human arsenic exposure. Recently arsenic-containing phosphatidylcholines (AsPCs) were identified in caviar, fish, and algae. In this first toxicological assessment of AsPCs, we investigated the stability of both the oxo- and thioxo-form of an AsPC under experimental conditions, and analyzed cell viability, indicators of genotoxicity and biotransformation in human liver cancer cells (HepG2). Precise toxicity data could not be obtained owing to the low solubility in the cell culture medium of the thioxo-form, and the ease of hydrolysis of the oxo-form, and to a lesser degree the thioxo-form. Hydrolysis resulted amongst others in the respective constituent arsenic-containing fatty acid (AsFA). Incubation of the cells with oxo-AsPC resulted in a toxicity similar to that determined for the hydrolysis product oxo-AsFA alone, and there were no indices for genotoxicity. Furthermore, the oxo-AsPC was readily taken up by the cells resulting in high cellular arsenic concentrations (50 μM incubation: 1112 ± 146 μM As cellular), whereas the thioxo-AsPC was substantially less bioavailable (50 μM incubation: 293 ± 115 μM As cellular). Speciation analysis revealed biotransformation of the AsPCs to a series of AsFAs in the culture medium, and, in the case of the oxo-AsPC, to as yet unidentified arsenic species in cell pellets. The results reveal the difficulty of toxicity studies of AsPCs in vitro, indicate that their toxicity might be largely governed by their arsenic fatty acid content and suggest a multifaceted human metabolism of food derived complex arsenolipids.

Cryo-electron microscopy (cryo-EM) is a powerful structure determination technique that is well-suited to the study of protein and polymer self-assembly in solution. In contrast to conventional transmission electron microscopy (TEM) sample preparation, which often times involves drying and staining, the frozen-hydrated sample preparation allows the specimens to be kept and imaged in a state closest to their native one. Here, we give a short overview of the basic principles of Cryo-EM and review our results on applying it to the study of different protein and polymer self-assembled nanostructures. More specifically, we show how we have applied cryo-electron tomography (cryo-ET) to visualize the internal morphology of self-assembled poly(ionic liquid) nanoparticles and cryo-EM single particle analysis (SPA) to determine the three-dimensional (3D) structures of artificial protein microtubules.

Lanthanide resonance energy transfer (LRET) was used to investigate the motion of dopant ions during the synthesis of core-shell-shell-nanocrystals (NCs) that are frequently used as frequency upconversion materials. Reaction conditions (temperature, solvent) as well as lattice composition and precursors were adapted from a typical hydrothermal synthesis approach used to obtain upconversion nanoparticles (UCNPs). Instead of adding the lanthanide ions Yb3+/Er3+ as the sensitizer/activator couple, Eu3+/Nd3+ as the donor/acceptor were added as the LRET pair to the outer shell (Eu-3) and the core (Nd-3). By tailoring the thickness of the insulation shell ("middle shell"), the expected distance between the donor and the acceptor was increased beyond 2 R-0, a distance for which no LRET is expected. The successful synthesis of core- shell-shell NCs with different thicknesses of the insulation layer was demonstrated by high-resolution transmission electron microscopy measurement. The incorporation of the Eu3+ ions into the NaYF4 lattice was investigated by high-resolution time-resolved luminescence measurements. Two major Eu3+ species (bulk and surface) were found. This was supported by steady-state as well as time-resolved luminescence data. Based on the luminescence decay kinetics, the intermixing of lanthanides during synthesis of core- shell UCNPs was evaluated. The energy transfer between Eu3+ (donor) and Nd3+ (acceptor) ions was exploited to quantify the motion of the dopant ions. This investigation reveals the migration of Ln(3+) ions between different compatiments in core-shell NCs and affects the concept of using core-shell architectures to increase the efficiency of UCNPs. In order to obtain well-separated core and shell structures with different dopants, alternative concepts are needed.

Polyester-based shape-memory polymer actuators are multifunctional materials providing reversible macroscopic shape shifts as well as hydrolytic degradability. Here, the function-function interdependencies (between shape shifts and degradation behaviour) will determine actuation performance and its life time. In this work, glycolide units were incorporated in poly(epsilon-caprolactone) based actuator materials in order to achieve an accelerated hydrolytic degradation and to explore the function-function relationship. Three different oligo[(epsilon-caprolactone)-co-glycolide] copolymers (OCGs) with similar molecular weights (10.5 +/- 0.5 kg center dot mol(-1)) including a glycolide content of 8, 16, and 26 mol% (ratio 1:1:1 wt%) terminated with methacrylated moieties were crosslinked. The obtained actuators provided a broad melting transition in the range from 27 to 44 degrees C. The hydrolytic degradation of programmed OCG actuators (200% of elongation) resulted in a reduction of sample mass to 51 wt% within 21 days at pH = 7.4 and 40 degrees C. Degradation results in a decrease of T-m associated to the actuating units and increasing T-m associated to the skeleton forming units. The actuation capability decreased almost linear as function of time. After 11 days of hydrolytic degradation the shape-memory functionality was lost. Accordingly, a fast degradation behaviour as required, e.g., for actuator materials intended as implant material can be realized.

A series of polystyrene- and poly(methyl methacrylate)-dithioesters was subjected to aminolysis under ambient atmospheric conditions, i.e., in the presence of oxygen. Polymer disulfide coupling by oxidation occurred within tens of minutes and the yield of disulfide-coupled polymer increased with decreasing polymer molar mass. Oxidation of thiolates is usually an unwanted side reaction, here it is employed to obtain exclusively polymeric mixed disulfides through in situ aminolysis/functionalization in the presence of a thiol. The in situ aminolysis/functionalization in the presence of a disulfide, Ellman's reagent or polymer disulfide, resulted in the exclusive formation of polymer-dithionitrobenzoic acid, which can be further reacted with a thiol to exchange the terminal functionality, or block copolymer with dynamic disulfide linker, respectively.

The synthesis of sp2-conjugated, heteroatom-rich, "carbonaceous" materials from economically feasible raw materials and salt templates is reported. Low cost citrazinic acid (2,6-dihydroxy-4-pyridinecarboxylic acid) and melamine are used as components to form a microporous, amorphous framework, where edges of the covalent frameworks are tightly terminated with nitrogen and oxygen moieties. ZnCl2 as the porogen stabilizes structural microporosity as well as nitrogen and oxygen heteroatoms up to comparably high condensation temperatures of 750 and 950 °C. The specific surface area up to 1265 m2 g−1 is mainly caused by micropores and typical of heteroatom-rich carbon materials with such structural porosity. The unusually high heteroatom content reveals that the edges and pores of the covalent structures are tightly lined with heteroatoms, while C–C or C–H bonds are expected to have a minor contribution as compared to typical carbon materials without or with minor content of heteroatoms. Adsorption of water vapor and carbon dioxide are exemplarily chosen to illustrate the impact of this heteroatom functionalization under salt-templating conditions on the adsorption properties of the materials. 27.10 mmol g−1 of H2O uptake (at p/p0 = 0.9) can be achieved, which also proves the very hydrophilic character of the pore walls, while the maximum CO2 uptake (at 273 K) is 5.3 mmol g−1. At the same time the CO2/N2 adsorption selectivity at 273 K can reach values of up to 60. All these values are beyond those of ordinary high surface area carbons, also differ from those of N-doped carbons, and are much closer to those of organized framework species, such as C2N.

Structure and spatial magnetic properties, through-space NMR shieldings (TSNMRSs), of all ten cycl[2.2.2]azine to cycl[4.4.4]azine, hetero-analogues and the corresponding hydrocarbons have been calculated at the B3LYP/6-311G(d,p) theory level using the GIAO perturbation method and employing the nucleus independent chemical shift (NICS) concept. The TSNMRS values (actually, the ring current effect as measurable in H-1 NMR spectroscopy) are visualized as iso-chemical-shielding surfaces (ICSS) of various size and direction, and employed to readily qualify and quantify the degree of (anti)aromaticity. Results are confirmed by NMR [delta(H-1)/ppm, delta(N-15)/ppm] and geometry (planar, twisted, bow-shaped) data. The cyclazines N[2.2.2](-) up to N[2.4.4](-) are planar or at most slightly bowl-shaped and, due to coherent peripheral ring currents (except in N[2.3.3](-), N[2.3.4], N[3.3.4](+) and N[2.4.4](+)), develop aromaticity or anti-aromaticity of the whole molecules dependent on the number of peripheral conjugated pi electrons. The cyclazines N[2.3.3](-), N[2.3.4], N[3.3.4](+) and N[2.4.4](+) develop two ring currents of different direction within the same molecule, in which the dominating ring current proves to be paratropic (in N[3.3.4](+) diatropic) including the nodal N p(z) lone pair into the conjugation. The residual cyclazines N[3.4.4], N[4.4.4](-) and N[4.4.4](+) are heavily twisted and, therefore, are not developing peripheral or diverse ring currents. The TSNMRS information about cyclazines and the parent tricyclic annulene analogues is congruent subject to structure and number of peripheral or internal conjugated pi electrons, the corresponding (anti)aromaticity is in unequivocal accordance with Huckel's rule.

Ammonia (NH3) synthesis by the electrochemical N-2 reduction reaction (NRR) is increasingly studied and proposed as an alternative process to overcome the disadvantages of Haber-Bosch synthesis by a more energy-efficient, carbon-free, delocalized, and sustainable process. An ever-increasing number of scientists are working on the improvement of the faradaic efficiency (FE) and NH3 production rate by developing novel catalysts, electrolyte concepts, and/or by contributing theoretical studies. The present Minireview provides a critical view on the interplay of different crucial aspects in NRR from the electrolyte, over the mechanism of catalytic activation of N-2, to the full electrochemical cell. Five critical questions are asked, discussed, and answered, each coupled with a summary of recent developments in the respective field. This article is not supposed to be a complete summary of recent research about NRR but provides a rather critical personal view on the field. It is the major aim to give an overview over crucial influences on different length scales to shine light on the sweet spots into which room for revolutionary instead of incremental improvements may exist.

Four combinations of type-I olefins isoeugenol and 4-hydroxy-3-methoxystyrene with type-II olefins acrolein and crotonaldehyde were investigated in cross-metathesis (CM) reactions. While both type-I olefins are suitable CM partners for this transformation, we observed synthetically useful conversions only with type-II olefin crotonaldehyde. For economic reasons, isoeugenol, a cheap xylochemical available from renewable lignocellulose or from clove oil, is the preferred type-I CM partner. Nearly quantitative conversions to coniferyl aldehyde by the CM reaction of isoeugenol and crotonaldehyde can be obtained at ambient temperature without a solvent or at high substrate concentrations of 2 mol.L-1 with the second-generation Hoveyda-Grubbs catalyst. Under these conditions, the ratio of reactants can be reduced to 1:1.5 and catalyst loadings as low as 0.25 mol % are possible. The high reactivity of the isoeugenol/crotonaldehyde combination in olefin metathesis reactions was demonstrated by a short synthesis of the natural product 7-methoxywutaifuranal, which was obtained from isoeugenol in a 44% yield over five steps. We suggest that the superior performance of crotonaldehyde in the CM reactions investigated can be rationalized by "methylene capping", i.e., the steric stabilization of the propagating Ru-alkylidene species.

Infrared matrix-assisted desorption and ionization (IR-MALDI) enables the transfer of sub-micron particles (sMP) directly from suspensions into the gas phase and their characterization with differential mobility (DM) analysis. A nanosecond laser pulse at 2940 nm induces a phase explosion of the aqueous phase, dispersing the sample into nano- and microdroplets. The particles are ejected from the aqueous phase and become charged. Using IR-MALDI on sMP of up to 500 nm in diameter made it possible to surpass the 100 nm size barrier often encountered when using nano-electrospray for ionizing supramolecular structures. Thus, the charge distribution produced by IR-MALDI could be characterized systematically in the 50-500 nm size range. Well-resolved signals for up to octuply charged particles were obtained in both polarities for different particle sizes, materials, and surface modifications spanning over four orders of magnitude in concentrations. The physicochemical characterization of the IR-MALDI process was done via a detailed analysis of the charge distribution of the emerging particles, qualitatively as well as quantitatively. The Wiedensohler charge distribution, which describes the evolution of particle charging events in the gas phase, and a Poisson-derived charge distribution, which describes the evolution of charging events in the liquid phase, were compared with one another with respect to how well they describe the experimental data. Although deviations were found in both models, the IR-MALDI charging process seems to resemble a Poisson-like charge distribution mechanism, rather than a bipolar gas phase charging one.