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Template-Controlled Synthesis of Magnetic/Semiconducting Nanoparticles within Amphiphilic Core-Shell Cylindrical Polymer Brushes
(2004)
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Mingfu Zhang
- Core-shell cylindrical polymer brushes with poly(t-butyl acrylate)-b-poly(n-butyl acrylate) (PtBA-b-PnBA) diblock copolymer side chains were synthesized via the “grafting from” technique using a combination of anionic polymerization (for the synthesis of the backbone) and atom transfer radical polymerization (ATRP, for the synthesis of the side chains). The formation of well-defined brushes was confirmed by 1H-NMR and GPC. The selective hydrolysis of the PtBA block of the side chains resulted in novel amphiphilic core-shell cylindrical polymer brushes with poly(acrylic acid)-b-poly(n-butyl acrylate) (PAA-b-PnBA) side chains. The characteristic core-shell cylindrical structure of the brushes was directly visualized on mica by scanning force microscopy (SFM). Amphiphilic brushes with 1500 block copolymer side chains and a length distribution of lw/ln = 1.04 at a total length ln = 179 nm were obtained. These amphiphilic polymer brushes can be regarded as unimolecular cylindrical micelles, because of the core-shell structure and the amphiphilicity of side chains. The amphiphilic brushes can be used as single molecular templates for the synthesis of inorganic nanoparticles, because the carboxylic acid groups (or carboxylate groups, after neutralization) in the polymer core can coordinate with various metal ions. The hydrophilic core of polymer brushes, poly(acrylic acid), was neutralized by NaOH and afterward iron cations (Fe3+ and Fe2+) were loaded into the polymer core via ion exchange. The formation of the polychelates of polymer brushes and iron cations was confirmed and characterized by various techniques such as Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), UV/vis spectroscopy, transmission electron microscopy (TEM) and SFM. A peculiar “pearl necklace” morphology was observed for the polychelates, which is caused by the physical cross-linking of the side chains via multivalent iron cations. Formation of crystalline alpha-Fe2O3 (hematite) was observed during the He-Ne laser irradiation in the confocal Raman microscopy measurement of the polychelate containing Fe3+ ions. Magnetic nanoparticles were successfully produced from the coordinated iron cations within polymer brushes via single molecule templating technique, as confirmed by various techniques such as SFM, TEM, and UV/visible spectroscopy. Superconducting quantum interference device (SQUID) magnetization measurements show that the hybrid nanocylinders are superparamagnetic at room temperature. The polymer shell provides not only the stability of the nanoparticles but also the solubility of the hybrid nanocylinders. After the formation of the magnetic nanoparticles, the carboxylate coordination sites within the polymer brushes are liberated and ready for further coordination with more iron ions, thus it is possible to increase the amount and/or particle size of the nanoparticles by multi-cycles of iron ion loading and particle formation. The as-prepared hybrid nanocylinders combine the promising properties of polymers and superparamagnetic nanoparticles, and may find potential applications such as in ferrofluids. Similarly, using the amphiphilic core-shell cylindrical polymer brush with PAA core and PnBA shell as template, wire-like assemblies of CdS nanoparticles were successfully synthesized under mild solution conditions, as confirmed by various characterization techniques. Quantum confinement of the CdS nanoparticles was observed, indicated by the blue shift of the absorbance edge in UV/visible spectrum. The technique using a single cylindrical molecule as template for inorganic nanoparticle fabrication presented in this thesis is not restricted to magnetic/semiconductor nanoparticles, but can also be used for the preparation of a number of metal, metal oxide, and metal chalcogenide nanoparticles.
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New Applications of Fluorescence Correlation Spectroscopy in Materials Science
(2006)
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Heiko Zettl
- In this work we have developed new concepts for the usage of fluorescence correlation spectroscopy. A classical FCS setup was modified in such a way that fluorescent species in aqueous as well as organic environments can be studied at varying temperature. We have synthesised a set of dye-labelled polymers that served as a well-defined system to study polymer diffusion and that was used to characterise the beam path and focal volume in environments with refractive indices different from that of water. Furthermore a new method for the labelling of ionic species was developed. The adaptation of the microscope optics to non-aqueous environments was done by replacing the present microscope objective by a multi-immersion objective. Secondly, a sample chamber was developed that was not only resistant to organic solvents in all parts but also allowed temperature control of the solution. Determining diffusion coefficients of polymers in solution and their concentrations requires the exact knowledge of shape and size of the observation volume. For this purpose we have synthesised a set of polystyrenes with molecular weights ranging from 4 to 1550 kg/mol each chain being labelled with a single dye molecule. All species were anionically polymerised in order to grant a very low polydispersity and with this a high reliability in the determination of the observation volume. This concept can be transferred to other solvents and, hence, shows an easy way to calibrate fluorescence correlation microscopes to different solvents and to investigate non-aqueous solutions. Furthermore, we have shown exemplarily for polystyrene that FCS is capable of determining the crossover between the dilute and the semi-dilute concentration regime. Dye-labelled polymer chains were mixed with unlabelled polymer chains of the same length and their mobility was measured by FCS for different mixing ratios. The change of the mobilities leads to the respective overlap concentrations, which are shown to follow a scaling law in a range of molecular weights from 4 to 1550 kg/mol. This is in excellent agreement with the predictions made by Flory and Huggins. The data shown demonstrate that FCS can measure diffusion properties in ranges that were not accessible before. Another part of this work focusses on concepts to monitor the aggregation of molecules by FCS. Taking low-molecular-weight surfactants as an example it is shown that with the help of Coulomb interaction cationic surfactants can be labelled with anionic dye molecules and vice versa. Moreover, micelle formation is observed already at concentrations slightly below the critical micelle concentration found with classical methods. This findings are in excellent agreement with the predictions made by Israeliachvili in the 1990ies. Additionally, it was demonstrated that by using insoluble dye molecules, which are incorporated by the forming aggregates, aggregate formation can be followed by FCS on a single-molecule level. This procedure was shown to work in both aqueous and organic polymer solutions. The high sensitivity of FCS permitted to determine the critical aggregation concentration of Janus micelles in THF to the very low value of around 8 mg/L. No other experimental method available today is capable of determining aggregation concentrations in such a low concentration regime. In the same way the critical aggregation concentration of block copolymer polystyrene-Amylose in THF was determined. Finally, temperature-dependent correlation curves allowed the determination of reaction constants and enthalpies. This is of particular interest in biochemical contexts, as the amount of available material can be minute. Exemplarily, the binding enthalpy of an RPA protein to a single-stranded DNA strain is determined by temperature-dependent correlation curves. The modifications made to a classical FCS setup were shown to enhance the spectrum of possible applications to new experimental fields. The methods and concepts developed in the framework of this thesis are expected to play an important role in meeting future challenges of polymer physics and microbiology.
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Silika-Hybridmaterialien für Antifogging-Beschichtungen
(2008)
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Ingo Zeitler
- Ausgehend von einem wasserlöslichen Silica-Precursor wurden zunächst die Eigenschaften der reinen Silicagele näher untersucht. Von Interesse war hierbei der Einfluss von Salzen, die Bestimmung der Schrumpfung der Gele während der Trocknung (bis zu 70%), die Ermittlung der spezifischen Oberfläche der Aerogele mittels BET (300 – 1200m²/g), die Netzwerkstrukturen, die mittels Rasterelektronenmikroskop abgebildet wurden, das Verhalten der Gele bei Temperaturerhöhung, sowie die Wasserdampf-Adsorptionseigenschaften der Aerogele. Im zweiten Teil der Arbeit wurden zusätzliche Precursormoleküle in die Gele eingebaut, die eine nicht hydrolysierbare, hydrophile Seitenkette besitzen. Auf diese Weise konnte die Schrumpfung der nassen Gele während der Alterung unterdrückt werden, nicht jedoch während der Trocknung, bei der die Schrumpfung zwar auf nur noch ca. 3 vol% deutlich abnimmt, aber nicht gänzlich ausbleibt. An den REM-Aufnahmen konnte gezeigt werden, dass die Netzwerkstruktur aus 1-2 nm kleinen SiO2-Clustern besteht, die sich zunächst zu 10-20 nm großen Partikeln zusammenlagern, welche wiederum das 3D-Netzwerk bilden. Die Erhöhung der Hydrophilie der Aerogele durch die hydrophilen Seitenketten hat jedoch keinen Einfluss auf die absolute Wasseradsorption der Aerogele. Diese Additive können auch die Schrumpfung der Aerogele während der Wasserdampf-Absorption nicht verringern. Im dritten Teil der Arbeit wurde der Einbau von Polymerpartikeln aus PE bzw. PTFE in die Silicagele durchgeführt. Auf diese Weise wurden neuartige Hybridmaterialien synthetisiert, die aus organischen Polymeren in einer festen anorganischen Matrix bestehen. Durch Tempern der Materialien konnten die organischen Partikeln miteinander verschmolzen werden, was zu verbesserten mechanischen Eigenschaften der Aerogele führt. In REM-Aufnahmen wurde gezeigt, dass dieses Hybridmaterial aus „Interpenetrierenden Netzwerken – IPN´s“, einer Koexistenz eines organischen in einem anorganischen Netzwerk, besteht. Die Hydrophilie und die Adsorptionseigenschaften des SiO2-Netzwerks bleiben dadurch nahezu unverändert. Im vierten Teil der Arbeit gelang es Hybridmaterialien aus SiO2 und hydrophilen organischen Polymeren wie z.B. Polyacrylsäure oder Polydiallydimethylammoniumchlorid als monolitische Gelkörper mittels Sol-Gel-Prozess herzustellen. So konnten neuartige hydrophile Systeme entwickelt werden. Aufgrund der Wasserlöslichkeit des verwendeten Precursors und der Tatsache, dass dieser kein Ethanol oder Methanol während der Hydrolyse freisetzt, konnten nun neben neutralen Polymeren auch Polyelektrolyte eingebaut werden, ohne dass es zu Ausfallerscheinungen des Polyelektrolyten kommt. Die Porosität des Aerogels geht dabei mit steigendem Polymeranteil verloren, wohingegen die Wasserdampf-Absorptionsleistung gegenüber den reinen SiO2-Aerogelen deutlich gesteigert wird. Durch kovalente oder ionische Bindung können die Polymere an das SiO2-Gerüst gebunden werden, wodurch eine Auswaschung der Polymere bei Wasserkontakt effektiv verhindert wird. Im letzten Teil der Arbeit wurden aus den Silica-Solen mit hydrophilen Polymeren neuartige Antifogging-Beschichtungen auf Wasserbasis entwickelt. Die Beschichtungen können an Luft getrocknet werden, wobei sie auf ca. 1/100 ihrer Nassfilmdicke schrumpfen. Die Trockenfilmdicken betragen zwischen 0,5 und 10 µm. Die Beschichtungen zeigen einen sehr guten Antifogging-Effekt und sind nach dem Trocknen nicht mehr aus- bzw. abwaschbar. Die Universalhärte HU der Filme liegt bei ca. 1500 – 2400 N/mm². Diese ist zwar etwas geringer als die von reinem Glas (ca. 4000 N/mm²), übersteigt jedoch die von organischen Gläsern wie z.B. Plexiglas oder Polycarbonat (300 – 400 N/mm²) um ein Vielfaches. Die Kratzfestigkeit der Filme ist dadurch sehr gut. Im Gegensatz zu Filmen aus den reinen Polymeren sind die Hybridfilme sowohl im trockenen als auch im nassen Zustand nicht klebrig. Während der Adsorption nimmt der Film Wasser aus der umgebenden Atmosphäre auf und quillt dadurch um bis zu 100 % seiner Filmdicke. Beim Übergang der Beschichtungen von einer trockenen, kalten Atmossphäre in eine Atmosphähre mit Raumtemperatur bei 60% rel. Luftfeuchte – eine für Brillenträger im Winter typische Situation - bleibt bis zu einer Ausgangstemperatur von -7 °C eine Antifogging Wirkung erhalten. Es kommt im Gegensatz zu anderen aus der Literatur bekannten Antifogging-Filmen zu keiner Wasserfilmbildung auf der Beschichtung. Die hergestellten Antifogging Filme erfüllen demnach einen Großteil der bereits genannten gewünschten Eigenschaften.
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Strukturbiologische Untersuchungen und Faltungsstudien von Modellproteinen mittels NMR-Spektroskopie
(2004)
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Markus Wolfgang Zeeb
- Die biologische Funktion von Proteinen basiert in den meisten Fällen auf einer definierten dreidimensionalen Struktur, die sich im Verlauf der Proteinfaltung ausbildet. In dieser Arbeit wurden die Modellproteine CspB aus B. subtilis, RNase T1 aus A. oryzae, ORF56 aus S. islandicus sowie des humanen CDK-Inhibitors p19INK4d mit einer Reihe biophysikalischer Methoden ausführlich charakterisiert. Die schnelle interne Dynamik von CspB wurde bei verschiedenen Lösungsmittelviskositäten untersucht, wobei durch eine erweiterte Lipari-Szabo-Analyse der 15N-Relaxationsparameter die Rotationskorrelationszeit iterativ optimiert. Diese stellt einen empfindlichen Sensor gegenüber der unmittelbaren Umgebung des Proteins innerhalb der Hydratationshülle dar, wobei die Geschwindigkeit der Gesamtbewegung nicht von der Größe des Proteins inklusive seiner Hydratationshülle sondern vielmehr von deren Mikroviskosität abhängt. Die Dynamik im ps- bis ns-Bereich bleibt bei steigender Viskosität nahezu unverändert. Der Beitrag des chemischen Austauschs (Rex) zur transversalen Relaxationsrate ist über das gesamte Protein verteilt und korreliert nicht mit Sekundärstrukturelementen oder flexiblen Schleifen. Rex repräsentiert daher nicht die lokale Dynamik einzelner Reste sondern ist auf die globale Faltungsreaktion von CspB im Millisekundenbereich zurückzuführen. Durch die Erhöhung der Viskosität wird die Größe und Anzahl der Rex-Beiträge signifikant reduziert. Die Kooperativität der Millisekundenfaltung von CspB wurde anhand dynamischer NMR-Methoden untersucht, wobei die Bestimmung der Faltungsraten mit R2-Dispersionsmessungen die verlässlichsten Ergebnisse lieferte. Die 24 analysierten ortsspezifischen Sonden zeigen sehr ähnliche apparente Faltungsraten und stimmen gut mit stopped flow Fluoreszenz detektierten Faltungsraten überein. Die Faltung verläuft kooperativ und über einen wenig heterogenen Übergangszustand. Die Wechselwirkung von CspB mit einzelsträngiger DNA wurde auf struktureller Ebene charakterisiert. Die aus Sequenzvergleichen postulierte potentielle Bindungsregion von CspB wurde mittels NMR-Titrationsexperimenten verifiziert. Dabei konnten zusätzliche Aminosäuren außerhalb der Bindungsmotive identifiziert werden, die für die Interaktion sehr wichtig sind. Die Beiträge einzelner Reste zur Bindungsaffinität wurden anhand einer Mutationsanalyse bestimmt, wobei die Lösungsmittel-exponierten Phenylalanine essentiell für eine feste Bindung sind. Aus der Strukturbestimmung von CspB im Komplex mit dem ssDNA-Fragment dT7 folgte, dass das Proteinrückgrat nahezu unverändert vorliegt und die Hauptunterschiede in der relativen Orientierung der aromatischen Seitenketten liegen. Die Modellierung der Struktur des Komplexes mit HADDOCK weist auf die vermuteten Stapel-Wechselwirkungen der aromatischen Seitenketten mit den Basen der ssDNA hin. Die Bindung der Nukleinsäure stabilisiert CspB. Das homodimere Protein ORF56 aus dem acidohyperthermophilen Archaeon Sulfolobus islandicus wurde mit einer Fülle von biophysikalischen Methoden studiert und dessen dreidimensionale Struktur mittels NMR bestimmt. Diese ähnelt der des Arc-Repressor sehr. Die Faltung von ORF56 kann sowohl im Gleichgewicht als auch in der Faltungskinetik mit dem Zweizustandsmodell für dimere Proteine beschrieben werden. Das Protein besitzt eine außerordentlich hohe Stabilität, was in dem extrapolierten Schmelzpunkt der thermischen Entfaltung von 107 °C zum Ausdruck kommt. Diese extreme Stabilität wird von der schnellen simultanen Assoziations-/Faltungsreaktion aber vor allem durch die besonders langsame Entfaltungsreaktion (5.7 pro Jahr) bestimmt. Die Entwicklung höherdimensionaler Echtzeit NMR-Techniken zum Studium langsamer Faltungsreaktionen wurde mit S54G/P55N RNase T1 durchgeführt. Die geschwindigkeitsbestimmende trans/cis Isomerisierung der Y38-P39 Peptidbindung synchronisiert die kooperative Rückfaltung des Faltungsintermediats, was anhand einer Vielzahl von ortsspezifischen Sonden gezeigt wurde. Die Aufnahme von 3D Echtzeit NOESY-HSQC-Spektren ermöglichte die Zuordnung des Proteinrückgrats des Faltungsintermediats und die Identifizierung von NOE-Kreuzsignalen, die die Basis für eine zukünftige Strukturbestimmung des transienten Zustands bilden. Die Faltung des humanen CDK-Inhibitors p19INK4d, der weder Trp noch Tyr enthält, wurde mit Circulardichroismus und Phenylalanin-Fluoreszenz beobachtet. Mittels dieser optischen Sonden wurde im Gleichgewicht ein apparentes Zweizustandsmodell gefunden. Allerdings wurde in einem NMR-detektierten Entfaltungsübergang ein dritter Zustand bei mittleren Harnstoffkonzentrationen detektiert. Unter stark nativen Bedingungen konnten drei Rückfaltungsphasen aufgelöst werden. Die langsamste Phase kann mit PPIasen signifikant beschleunigt werden, was auf eine Prolyl-cis/trans-Isomerisierung hindeutet, die mittels 1D Echtzeit NMR-Spektroskopie verfolgt werden konnte.
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Untersuchungen zum Verhalten von hochgequollenen lyotropen Phasen mit Calcium-, Magnesium- und Natriumdodecylsulfat
(2008)
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Amelie Sabine Zapf
- Calciumdodecylsulfat (CDS) besitzt einen Krafftpunkt von 50°C und ist deshalb bei Raumtemperatur in Wasser als Tensid völlig inaktiv. Mit Cotensiden wie Hexanol oder Oktanol wird aber die kritische Mizellbildungskonzentration unter die Löslichkeit von CDS gedrückt, so dass quellende lyotrope lamellare Phasen gebildet werden. Das Phasenverhalten der Systeme aus CDS/Wasser mit Hexanol bis Dekanol wurde im hochverdünnten Bereich bei 25°C ermittelt. Alle Mehrphasengebiete konnten nach der Phasenregel richtig eingeordnet werden. So wurde nachgewiesen, dass die als L3m bezeichnete isotrope Phase eine zweiphasige "stabile" Dispersion von lamellaren Fragmenten in der wässrigen L1-Phase ist. Genau untersucht wurden die mit Heptanol bis Dekanol erhältlichen Schillerphasen. Es wurde festgestellt, dass diese Phasen stark durch den Restgehalt von Elektrolyt im Tensid verschoben werden können. Der Weg zur optimalen Ermittlung der Schillerphasen wird aufgezeigt. Das Cotensidkonzentrationsfenster der Existenz von Schillerphasen wird mit steigender Kettenlänge des Cotensids drastisch enger. Beim Dekanolsystem ist dabei die Grenze mit einer Cotensidtoleranz von nur noch etwa 0,2% erreicht. Die Schillerphasen sind stark temperaturabhängig. Sie existieren beim Dekanolsystem nur zwischen 23 und 32-37°C, je nach Tensidgehalt. Nach Hitze-/Kälteschock erfolgt Rückbildung erst nach etwa einem Monat. Während bei Heptanol, Oktanol, Nonanol und Dekanol Farben gefunden werden, aus denen auf gewöhnliche Lamellendicken geschlossen werden kann, weisen die Farberscheinungen beim Dekanolsystem bei Salzzusatz scheinbar auf Lamellen doppelter Dicke hin. Der "ungewöhnliche Effekt" tritt hier erstmals auf. Beim Ersatz des CDS durch Magnesiumdodecylsulfat (MDS) wurde zwar ein analoges Phasenverhalten wie beim CDS-System erhalten. Mit Heptanol als Cotensid werden bei etwa der doppelten als aufgrund der Lamellendicken erwarteten Konzentration Schillerphasen mit leuchtend roten Farben gefunden, die allerdings nur kurze Zeit stabil bleiben. Wegen der schnellen Effekte wurde eine Methode entwickelt, mit der die UV-vis-Peakposition aus photographischen Aufnahmen über die RGB-Werte genau ermittelt werden kann. Durch Salzzusatz wird das Verschwinden der transienten Farben stark verlangsamt. Zwischen verdünnten und kondensierten La-Phasen liegt eine Mischungslücke, die sich mit sinkender Cotensidkettenlänge schließt. Bei Hexanol ist der Grenzfall erreicht: ein enger Einphasenkanal existiert bei 23-33°C. Die Mischungslücke entsteht im Wesentlichen durch die Wechselwirkung aus Undulationsabstoßung und van der Waals-Attraktion. Da L3-Phasen in ionischen Systemen ohne Öl nicht erwartet werden, wurden Neutronenstreumessungen und elektronenmikroskopische Untersuchungen durchgeführt, die die L3-Struktur klar bestätigten. Die Peakpositionen von lamellarer und benachbarter L3-Phase sind aber nur wenig gegeneinander verschoben. Aus den Neutronenstreudaten wurden für die L3-Phasen stets um 15-35% höhere Lamellendicken als für die entsprechenden lamellaren Phasen ermittelt. Es wird eine sichere Methode angegeben, die ungeeichte 16 m-Messung automatisch an die geeichte 4 m-Messung anzupassen. Zudem wird ein Verfahren beschrieben, mit dem Messungen bei verschiedenen Detektorweiten automatisch zweidimensional aufgetragen und ausgewertet werden können. Mit Dekanol wird bei 25°C keine L3-Phase mehr gefunden. Im Natriumdodecylsulfat (SDS)/Oktanol/Wasser-System kann die Coulombwechselwirkung durch NaCl-Zusatz verringert werden, so dass ebenfalls Schillerphasen entstehen. Die Farben passen wieder nur zu Lamellen doppelter Dicke, die Farben bleiben hier aber wochenlang erhalten, bis sich wieder die gewöhnliche lamellare Phase bildet. Das Quellungsverhalten der lamellaren und der transienten Phasen kann durch UV-vis-Spektroskopie untersucht werden. In Küvetten mit einer Schichtdicke unter 2 mm sind die Phasen so stark wandorientiert, dass Licht nahezu ausschließlich in Rückwärtsrichtung gestreut wird. Sowohl die gewöhnliche lamellare Phase als auch die neue transiente Phase zeigen in allen Fällen Quellungsverhalten proportional zum Volumenbruch des Tensids. Bei den Systemen CDS/Dekanol/NaCl/Wasser, MDS/SDS/Heptanol/Wasser und SDS/NaCl/Oktanol/Wasser sind sogar die Peaks beider Phasen gleichzeitig vorhanden. Der transiente Peak verschwindet, der kurzwellige stationäre Peak bleibt erhalten. Die transienten Farben können nach dem Verschwinden durch geeignete Scherung wiederhergestellt werden. Die elektrische Leitfähigkeit der transienten Phasen liegt deutlich über der der gewöhnlichen lamellaren Phasen. Daraus wird geschlossen, dass die transiente Phase aus einer hochgeordneten monodispersen Vesikeldispersion besteht. Die Ordnungsbildung erfolgt durch hydrodynamische Wechselwirkung unmittelbar nach dem Abschalten der Scherung. Geringe Coulomb- und Undulationskräfte können die Rückbildung der planaren lamellaren Phase verzögern.
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One-dimensional hybrid nanomaterials based on cylindrical polymer brushes
(2009)
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Jiayin Yuan
- Cylindrical polymer brushes (CPBs) have been synthesized via the combination of anionic polymerization (for the backbone) and atom transfer radical polymerization (for the side chains) via the "grafting from" technique to achieve a narrow molecular weight distribution in both the backbone and the side chains. They were employed as template for the preparation of various types of one-dimensional (1D) polymer-inorganic hybrid nanomaterials. In the case of well-defined core-shell superstructured CPBs, depending on the aimed func-tional 1D hybrid nanostructures, different combinations of core and shell have been chosen. CPBs with a poly(3-acryloylpropyl trimethoxysilane) core and a poly(oligo(ethylene glycol) methacrylate) (POEGMA) shell were hydrolyzed by aqueous ammonia to produce water-soluble organo-silica hybrid nanowires. Since the trimethoxysilyl group was directly incorporated into the structure of the CPB, the addition of an external inorganic precursor in this case is avoided. These hybrid nanowires can form a lyotropic phase and serve as in-situ template for the pyrolytic formation of inorganic silica nanowires. Amphiphilic CPBs with a hydrophilic poly(acrylic acid) (PAA) core and a hydrophobic poly(n-butyl acrylate) (PnBA) shell were used as cylindrical templates and nanoreactors for the fabrication of CdSe semiconductor nanowires, due to the coordination ability of PAA with Cd2+ ions. Since the chemical structure of the PAA core was resumed, a double-loading process was carried out to load more CdSe nanoparticles into the CPB. AFM, TEM and UV-Vis characteriza-tions have proven the increasing amount of CdSe in the hybrids. Bishydrophilic CPBs with a poly(2-hydroxyethyl methacrylate) (PHEMA) core and a POEGMA shell were employed for the fabrication of a wormlike assembly of TiO2 semiconductor nanoparticles, forming a kind of titania-CPB hybrid nanowires. The titanium alkoxide precursor was introduced into the CPB via a transalcoholysis reaction between Ti(OC4H9)4 and the PHEMA block. The titania-CPB hybrid nanowires were used to generate anatase titania nanowires via pyrolysis at 550 °C. In general, all these inorganic nanowires templated by the core-shell CPB showed very uni-form size in length as well as diameter, due to the low molecular weight distribution of the CPB backbone and the side chains. The shell of the CPBs protects the fabricated inorganic nanowires from agglomeration, and in addition, renders the hybrid nanomaterials soluble in various sol-vents, including water. Poly(tert-methyl methacrylate) (PtBMA) homopolymer CPBs were used to support the forma-tion of uniform single-crystalline tellurium nanorods (length up to 822 nm, D ~ 36.1 + - 7.9 nm, aspect ratio from 2.7 to 22) at room temperature in THF. These rods with polymer attached on their surface are very stable in THF, and able to assemble tellurium or magnetite (Fe3O4) nanoparticles on the Te nanorods. The strategy to synthesize the Te nanorods was further ex-tended to linear PtBMA polymers with high molecular weight. The assembly of Fe3O4 nanoparti-cles on these Te nanorods was controlled by the stoichiometric ratio of the nanoparticles and nanorods. The Fe3O4-decorated Te nanorods are superparamagnetic. They were aligned in the presence of an external magnetic field when deposited from THF solution on a solid substrate. These novel one-dimensional hybrid nanomaterials based on CPBs can have many potential applications due to their electronic, optical, catalytic, semiconducting, and magnetic properties.
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New Approaches to the Synthesis of Porous and/or High Surface Area Transition Metal Oxides
(2009)
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Ram Sai Yelamanchili
- We have explored the applicability of hypothesized approaches to the synthesis of porous and/or high surface area transition metal oxides. In addition, applicability and advantage of charged templates where strong Coulomb interactions favour the supramolecular arrangements/assembly were studied. The problems related with the dynamics of polymeric nanostructures for the synthesis of predesigned mesostructures could be avoided by crosslinking micelles, strictly speaking non-continuous phase in the bulk structure. Thereby, we presented a new approach for the grafting of Keggin POMs around the core-crosslinked PB-P2VP worm-like polymer templates (A 1 and 2). The produced POM-1 exhibits high dispersion, improved surface area and is thus expected to be useful in catalytic, electrochemical and biotechnology related applications. The general applicability of the method to other Keggin POMs and spherical polymer nanostructures were studied. Developed Keggin POMs-1 to 6 showed high dispersion of Keggin POM and surface areas. To the best of our knowledge, our approaches lead to Keggin POM nanocomposites with the highest surface areas reported todate. As-synthesized Keggin POM nanocomposites are amorphous. We have studied the removal of polymer template and crystallization of hybrid to corresponding metal oxides through step-wise calcinations under argon followed by air. We have presented another approach to the synthesis of high surface area and mesoporous keggin POM framework materials using amphiphilic PI-PDMAEMA block copolymers (A 3). The calcined mesoporous materials exhibit Keggin POM hexagonal pore structure with high keggin POM dispersion, improved surface area. These developed materials are expected to be useful in catalytic applications. A fundamental principle involved in this method is that an attractive interaction between the organic block copolymer and the keggin POM precursors is obtained via Coulombic interactions through in situ quaternization (protonation) of PDMAEMA part, which also ensure the formation of a homogeneous hybrid material without any macrophase separation. Further, step-wise calcinations under argon and air lead to evolution of mesoporous keggin POM material. To the best of our knowledge, this is the first hexagonally ordered mesoporous Keggin POM framework material. We have presented a low-temperature, non-hydrothermal synthesis route to rutile nanocrystals. Both rutile and anatase nanocrystals exhibit positive surface charges. In contrary to the above approaches where polymer templates are cationic and inorganic precursors are anionic, in this case, inorganic nanocrystals are cationic and polymer templates are anionic. In this approach, we have demonstrated that crystalline TiO2 nanocomposites with well-defined crystalline form could be directly synthesized at temperatures as low as 40 oC by mesostructuring the positively charged crystalline titania colloids over anionic spherical polyelectrolyte brush particles under aqueous conditions. Stepwise calcinations first under argon followed with a second calcination in air lead to the complete removal of polymer template without collapse and hollow porous spheres with crystalline framework are obtained. Porosity and surface areas increased dramatically after stepwise calcinations. Moreover, the porous rutile nanomaterials are photocatalytically active. We proved that our hypothesis to the synthesis of crystalline TiO2 nanocomposites with well-defined crystalline form and morphologie is feasible.
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The Aggregation Behavior of Mixture of Alkylmethylaminoxides with Their Protonated Analogues in Aqueous Solution
(2005)
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Yuji Yamashita
- The C12C8MAO aqueous solution at 100 mM consisted of two phases which were optically isotropic and low viscous. Addition of chloric acid induced a phase transition, and the following lamellar (L-alpha) phase was formed in the range of low protonation degree, X = 0.007 – 0.35. When the surfactant was protonated further (X > 0.35), the single L-alpha phase separated again into two isotropic phases. The abnormal phase sequence could be interpreted by the result that mixtures of protonated and non-protonated C12C8MAO were more surface active than each component. The surface and interfacial measurements showed synergism of mixing two components. This synergistic effect arised from the peculiar interaction of hydrogen bonding between protonated and non-protonated head groups. This short-range interaction would cause the C12C8MAO molecules to be more lipophilic with protonation, resulting in the phase separation at high protonation degree. The SAXS measurements in the L-alpha phase also showed the synergistic effect between the head groups. The rheological measurements and microscope observations demonstrated that the morphologies of L-alpha phase could be controlled by preparation routes. It was found that the vesicles were transformed into the classical lamellar phase by the simple process of heating and cooling through the phase transition (L-alpha <-> L-alpha;/L1) temperature. Furthermore, the classical, planar lamellar morphology could be prepared by means of kinetic protonation of the C12C8MAO molecules using hydrolysis reaction. Any classical L phase was modified to the vesicle form under shearing, and its transformation was irreversible in terms of shear force. Various acids were treated as protonation agent in 100mM C14DMAO aqueous solution, and their contributions to the viscosity of solution were examined ranging X = 0 to 1. It was elucidated that the aggregate structure remarkably depended on the ion-pair (counte-ion) thermodynamics. For the Cl-, HCOO-, and H2PO4- ions, no remarkable structural change took place with increasing protonation. For the Br-, NO3-, Oxalate, Tartarate, Tartronate, and SO42- ions, the small micelles of C14DMAO grew up with protonation. For the ClO4-, SCN-, and Salicylate ions, the L-alpha phase was formed with protonation. The interfacial curvature thus followed mostly the sequence of Hofmeister series, while the sulfuric ion was completely excluded from the series because of its divalency. The viscosity change was interpreted quantitatively by the hydration free energy (Delta-Ghyd) of counter-ion. However the divalent counter-ions did not arrange in the same order as the monovalent ones, that could be considered to arise from (1) depressing pKa of C14DMAO with increasing amount of acid and (2) electrostatic force within the diffuse double layer. For different counter-ions, the characteristic scaling laws of viscosity evolution against X were observed. The scaling laws also obeyed Delta-Ghyd. Sulfate, however, could not be manipulated by Delta-Ghyd: regardless of its strong hydrophilicity (high Delta-Ghyd), the excess amount of SO42- caused the micelles to grow up. The micelle growth therefore would be attributed by counter-ion condensation onto the micelles rather than hydrophilicity itself. Comprehensively it was proved that Delta-Ghyd and the ionic valency (electrostatic force) of counter-ion played strikingly significant roles in the structural properties. Trifluoro acetic acid CF3COOH behaved as hydrophobic acid, however, the viscosity trend could stand in neither the sequence of Delta-Ghyd nor the Hofmeister series. The interfacial tension measurments suggested that the CF3COO- ion was incorporated into the micelle, behaving like co-surfactant. Synergism on mixing was also observed in the CF3COOH system, by which the minimal CMC was obtained. The interaction parameter beta indicated that CF3COOH caused the stronger synergistic effect than HNO3. However, some experiments showed the successively hydrophobic C14DMAO with protonation. This would be due to the orientation of hydrophobic trifluoro group in the palisade layer of micelle. The increasing volume fraction of hydrophobic moiety in the surfactant molecule (OleylDMAO) built up the bilayer structure even using the strongly hydrated acids. The L-alpha formation was referred to synergism because the isotropic micellar phase was present on both the sides of high and low protonation degrees. The L-alpha phase melted on elevating temperature, and the subsequent L1 phase was highly viscoelastic. The L-alpha - L1 transition temperatures for different acids were almost correlated by the enthalpy of hydration (DeltaHhyd). And the viscoelastic properties of the L-alpha phases were dependent on the Hofmeister series.
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Functional Cylindrical Polymer Brushes and Their Hybrids with Inorganic Nanoparticles
(2008)
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Youyong Xu
- Various cylindrical polymer brushes were synthesized via a grafting-from strategy. Very long poly(2-hydroxylethyl methacrylate) backbones of the brushes were prepared by anionic polymerization (DPn=1500), esterified with an ATRP initiator, and subsequently the side-chains were grafted by atom transfer radical polymerizations (ATRP). Cylindrical brushes with different architectures, such as brushes of single component, double-grafted brushes and core-shell brushes, were built according to the need of applications. A number of functional monomers were involved in the preparations of the brushes, providing possibilities for further functionalizations and uses. Nano-hybrids comprising organic cylindrical brushes and inorganic nanoparticles such as magnetite and polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) were fabricated through non-covalent inclusion and covalent attachment respectively. Double-grafted poly(lauryl methacrylate) brushes carry side-chains containing dodecyl short grafts. The long alkyl chains provided good solubility in hydro-carbon solvents like n-hexane and paraffin oil. DSC measurements revealed that they undergo side-chain crystallizations. Grafting of N,N-dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA) to the macro-initiator by ATRP yielded weak polyelectrolyte cylindrical brushes. They showed responsiveness to pH and salinity in solution. Strong cationic polyelectrolyte brushes were obtained by further quaternization of the PDMAEMA brushes. Their responses to counterions of different valencies were investigated. The addition of a sufficient amount of mono-valent salt induced the collapse of these brushes. When di- and tri-valent counterions were added, helical transition morphologies were recorded before the brushes collapsed into sphere-like structures. Special trivalent counterions, which can change valency through photo-aquation reactions, allowed switching the morphologies of the cationic brushes from worms to globules and back to worms. The morphologies of the cationic brushes could also be tuned by forming ionic complexes with the anionic surfactant sodium dedecyl sulfonate (SDS) and supramolecular inclusion complexes between cyclodextrins (CDs) and SDS. The brushes underwent transitions from worms, over pearl-necklace structures to totally collapsed spheres when SDS was added. Introducing alpha- or beta-cyclodextrins could bring the collapsed spheres back to worms. Adamantyl ammonium chloride, a more competitive inclusion agent, deprived SDS of CDs, and re-induced the spherical collapse of the brushes. The morphologies of the cationic brushes could be regulated in a similar way by forming inter-polyelectrolyte complexes (IPECs) with anionic linear poly(sodium styrene sulfonate) (PSS) in highly diluted solutions. Worm-to-sphere switching with helix-like transition states was also observed. A new strategy for the direct preparation of strong anionic polyelectrolyte cylindrical brushes without protection was introduced by forming supramolecular complexes between the monomer potassium sulfopropyl methacrylate (SPMA) and crown ether 18-crown-6 in DMSO using ATRP for the grafting-from processes. Well-defined worm-like morphologies were proven by atomic force microscopy (AFM) and cryogenic transmission microscopy (cryo-TEM). Water soluble double-hydrophilic core-shell cylindrical brushes were prepared and showed pH responsiveness. Magnetic hybrid cylinders were formed by introducing magnetite nanoparticles into the core. They could be aligned on a large scale on the substrates by applying magnetic fields. Finally, single-molecular hybrid cylinders were created by covalently attaching thiol-functionalized polyhedral oligomeric silsequioxane (POSS) to poly(glycidyl methacrylate) brushes. Their pyrolysis in air resulted in porous silica materials.
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Thermodynamische Stabilisierung von Proteinen durch in vitro Evolution und biophysikalische Analyse ihrer molekularen Grundlagen
(2006)
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Michael Wunderlich
- Proteine sind zentrale Bausteine des Lebens und ihre dreidimensionale Struktur ist für die Funktion von entscheidender Bedeutung. Deswegen ist das Verständnis der konformationellen Stabilität von Proteinen von großem Interesse. In der vorliegenden Arbeit wurde das Selektionssystem Proside zur Stabilisierung von Proteinen genutzt. Proside basiert auf der phage display Technologie und verknüpft die thermodynamische Stabilität von Proteinen mit der Infektiosität von filamentösen Phagen. Die bakteriellen Kälteschockproteine werden sowohl von experimenteller, als auch theoretischer Seite als Modellproteine zur Untersuchung der Stabilität von Proteinen genützt. Es ist bekannt, dass elektrostatische Wechselwirkungen auf der Oberfläche von sehr großer Bedeutung für ihre Stabilität sind. Deswegen sollte versucht werden, alternative Ladungsnetzwerke auf der Oberfläche des Kälteschockproteins Bs-CspB aus B. subtilis unter Verwendung von in vitro Evolution zu etablieren. Zu diesem Zweck wurden Reste anhand von Sequenz- und Strukturvergleichen mit homologen Proteinen ausgewählt und diese Positionen partiell randomisiert. In einem zweiten Ansatz wurden zufällig Mutationen in das Gen von Bs-CspB eingeführt. Nach erfolgter in vitro Evolution der jeweiligen Bibliotheken konnten an sechs oberflächenexponierten Positionen stabilisierende Mutationen identifiziert werden. Die Beiträge dieser Mutationen zur thermodynamischen Stabilität von Bs-CspB wurden analysiert. Die beste Kombination war, mit einem Schmelzpunkt von 83,7°C im Vergleich zu 53,8°C vom Wildtypprotein, sogar stabiler war als das hyperthermophile Homologe Tm-Csp aus T. maritima. Einen beachtlichen Beitrag zu dieser deutlichen Stabilisierung liefern dabei verbesserte Coulomb´sche Wechselwirkungen. Die Beiträge sind dabei jedoch sehr stark von der Umgebung abhängig. Vergleiche der experimentellen Daten mit vorhandenen theoretischen Betrachtungen offenbarten die Schwierigkeiten, Coulombsche Wechselwirkungen auf der Proteinoberfläche korrekt zu berechnen und deren Einfluss auf die thermodynamische Proteinstabilität zu bestimmen. Ein theoretischer Ansatz, welcher unter Verwendung eines quasi-elektrischen Dipolmomentes die Einflüsse von Veränderungen der Ladungsverteilung auf die Stabilität vorhersagte, konnte experimentell nicht verifiziert werden. Ebenso konnten keine Korrelationen zwischen Veränderungen der Stabilität und der Nettoladung des Proteins festgestellt werden und auch keine Korrelation mit der Bildung von Ionenpaaren hergestellt werden. Ebenso wie Bs-CspB stellt auch die b1 Domäne des Streptokokkenproteins G ein Modellprotein zur Untersuchung von thermodynamischer Stabilität dar. In der Gruppe von S. Mayo wurde dieses Protein unter Verwendung von computational design untersucht. Dabei zeigte sich, dass die vier teilweise exponierten Reste ein sehr großes Stabilisierungspotential besitzen. Eine in vitro Evolution dieser vier Positionen durch das Selektionssystem Proside bot somit die Möglichkeit, die Leistungsfähigkeit der beiden Methoden direkt zu vergleichen. Die Selektionen lieferten eine Vielzahl von deutlich stabilisierten Proteinvarianten. Für die stabilste Variante war der Mittelpunkt des thermischen Überganges um 24,7°C erhöht. Die beste Variante aus dem computational design lag von allen untersuchten Varianten auf dem dritten Platz. Sieben der zehn berechneten Varianten, welche in den Kalkulationen alle annähernd gleich stabil waren, enthielten einzeln oder in Kombination die Aminosäurereste L18 und K29. Diese beiden Reste erwiesen sich bei der experimentellen Charakterisierung als sehr ungünstig. Um die Ursachen für diese Unterschiede zu ergründen, wurde von zwei Varianten die dreidimensionale Struktur bestimmt. Zusätzlich wurden die enthaltenen Mutationen einzeln und in unterschiedlicher Kombination thermodynamisch charakterisiert. Dabei zeigten sich bei der Analyse die Schwierigkeiten, strukturelles Verhalten in experimentelle energetische Terme zu übersetzen, was der Grund für die unterschiedlichen Ergebnisse bei der Stabilisierung durch in vitro Evolution und computational design sein dürfte. Im Folgenden sollten für beide Schritte auf dem Weg zur Stabilisierung, der Auswahl von Positionen und dem Finden der besten Aminosäurereste, ein experimentelles Herangehen genützt werden. Durch Selektion von Bibliotheken mit zufälligen Mutationen, erstellt mittels fehlerhafter PCR, konnten viel versprechende Positionen identifiziert werden. Diese wurden dann einer Sättigungmutagenese mit anschließender Selektion unterworfen und die gefundenen Mutationen der beiden stabilsten Varianten wurden abschließend manuell kombiniert. Die erhaltene Variante besaß einen um 35,1°C erhöhten Übergangsmittelpunkt. Bei der Analyse der Ursachen zeigte sich, dass in diesem Fall starke hydrophobe Wechselwirkungen zwischen den durch diese Mutationen eingeführten Seitenketten wirken. Dies zeigt, dass zur Stabilisierung von Proteinen vielfältige Wege beschritten werden können.
