Syntheses and Self-Assembling Characteristics of Amphiphilic Star Diblock Copolymers

Uusien polymeeripohjaisten teknologioiden ja materiaalien myötä räätälöityjen polymeerien tarve on kasvanut. Viime vuosituhannen lopussa kehitetyt kontrolloidut polymerointimenetelmät ovat avanneet uusia mahdollisuuksia paitsi monimutkaisten polymeerien synteesiin, myös itsejärjestyvyyteen perustuvien funktionaalisten nanorakenteiden suunnitteluun ja valmistukseen. Nämä voivat jäljitellä luonnossa esiintyviä rakenteita, joita muodostavat esimerkiksi lipidit ja proteiinit. Itsejärjestyvät molekyylit ovat usein amfifiilisiä eli ne koostuvat hydrofiilisistä ja hydrofobisista osista ja polymeereissä nämä osat voivat olla omina lohkoinaan, jolloin puhutaan amfifiilisistä lohko- tai blokkikopolymeereistä. Riippuen järjestyneiden rakenteiden koostumuksesta ja muodosta, amfifiilisiä blokkikopolymeerejä on tutkittu tai jo käytetty nanoteknologiassa, elastomeereissä, voiteluaineissa, pinta-aktiivisina aineina, lääkkeenannostelussa, maaleissa, sekä elektroniikka-, kosmetiikka- ja elintarviketeollisuudessa. Tavallisimmin käytetyt amfifiiliset blokkikopolymeerit ovat olleet lineaarisia, mutta viime aikoina tutkimus on suuntautunut kohti monimutkaisempia rakenteita. Tällaisia ovat esimerkiksi tähtipolymeerit. Tähtimäisissä polymeereissä miselleille tyypillinen ydin-kuori-rakenne säilyy hyvin alhaisissakin polymeerikonsentraatioissa, koska polymeeriketjut ovat kiinni toisissaan yhdessä pisteessä. Siten ne ovat erityisen kiinnostavia tutkimuskohteita erilaisten hydrofobisten orgaanisten yhdisteiden sitomiseksi ja vapauttamiseksi. Tässä työssä on tarkasteltu amfifiilisten tähtipolymeerien itsejärjestymistä vesiliuoksissa sekä kokeellisesti ja tietokonesimulaatioin. Työ koostuu kahdesta osasta: tähtipolymeerien synteesistä makrosyklisillä initiaattoreilla ja amfifiilisten tähtimäisten blokkikopolymeerien ominaisuuksien tutkimisesta.

Organized Nanostructures of Thermoresponsive Poly(N-isopropylacrylamide) Block Copolymers Obtained Through Controlled RAFT Polymerization

Kontrolloidut radikaalipolymerointimenetelmät, kuten RAFT-polymerointi, ovat moderni tapa valmistaa polymeerejä säädellysti. RAFT-polymeroinnilla polymeerien ketjunpituutta, moolimassajakaumaa, mikrorakennetta (taktisuus, järjestys), koostumusta ja funktionaalisuutta kyetään hallitsemaan. Siten menetelmällä voidaan valmistaa uudenlaisia polymeeriarkkitektuureja, kuten blokki- ja tähtipolymeerejä, sekä hybridimateriaaleja ja biokonjugaatteja. Polymeeristen rakennuspalikoiden itsejärjestyminen, missä huolellisesti syntetisoidut polymeerit järjestyvät halutulla tavalla nanoskaalassa, on suosittu tutkimuskohde materiaalitieteessä. On huomattava, että blokkipolymeerien itsejärjestyminen on vielä suhteellisen nuori tutkimusaihe. Tämän hetkiset polymeeriset nanomateriaalit ovat suhteellisen yksinkertaisia luonnon luomuksiin verrattuina, tarjoten jatkuvasti uusia mahdollisuuksia seuraavan sukupolven polymeereille. Tässä työssä RAFT-polymeroinnilla syntetisoitiin amfifiilisiä di- ja triblokkikopolymeerejä sekä tutkittiin niiden järjestymistä nanorakenteiksi. Kaikissa blokkikopolymeereissä käytettiin lämpöherkkää poly(N-isopropyyliakryyliamidia). Siten polymeerit ja tutkitut materiaalit reagoivat lämpötilanmuutokseen ympäristössä eli ovat ns. ympäristöherkkiä. Työssä tutkittiin taktisuuden kontrollointia N-isopropyyliakryyliamidin RAFT-polymeroinnissa. Polymeerin taktisuutta sekä ketjunpituutta ja blokkijärjestystä säätämällä voitiin hallita polymeerin itsejärjestymistä vesiliuoksessa. Amfifiiliset polymeerit järjestyivät laimeissa vesiliuoksissa erilaisiksi misellirakenteiksi, muodostaen ns. mikrosäiliöitä. Tällaisilla polymeereillä odotetaan olevan sovelluksia esim. lääkeainevapautuksessa. Amfifiilejä käytetään myös esimerkiksi apuaineina pinnoitteissa ja kosmetiikassa. Kiinteässä tilassa tutkitut triblokkikopolymeerit muodostivat teoreettisesti ennustettuja morfologioita. Lämpöherkän materiaalin hydrogeelit toimivat suodatinmembraanina nanokokoluokassa. RAFT-polymeroinnilla syntetisoituja polymeereja voidaan sellaisenaan käyttää kultananopartikkeleiden päällystämiseen. Kultananopartikkelit ovat erittäin kiinostavia mm. niiden stabiilisuuden ja ainutlaatuisten pintaominaisuuksien vuoksi. Kun amfifiilisiä polymeerejä kiinnitettiin kultapartikkelin pinnalle, sen liuos- ja optisia ominaisuuksia voitiin säädellä pH:n ja lämpötilan avulla. Tällaisilla kultananopartikkeleilla on sovelluksia mm. diagnostiikassa, sensoreina ja solukuvauksessa.

Tailoring polyolefin properties by metallocene catalysis

This doctoral thesis deals with the syntheses of olefin homo- and copolymers using different kind of metallocene catalyst. Ethene, propene, 1-hexene, 1-hexadecene, vinylcyclohexane and phenylnorbornene were homo- or copolymerized with the catalysts. The unbridged benzyl substituted zirconium dichloride catalysts (1-4), ansa- bridged acenaphtyl substituted zirconium dichloride catalysts, ( 5, 6), rac- and meso-ethylene-bis(1-indenyl)zirconium dichlorides, (rac- and meso-8), rac-ethylene-bis(1-indenyl)hafnium dichloride, ( 12), bis(9-fluorenyl)hafnium dichloride (14 ) enantiomerically pure (R)- phenylethyl[(9-fluorenyl-1-indenyl)]ZrCl2, (11), 14 and asymmetric dimethylsilyl[(3-benzylindenyl-(2-methylbenzen[e]indenyl)] zirconium dichloride, (13), were prepared in our laboratory. Dimethylsilyl-bis(1-indenyl)zirconium dichloride, (9), isopropylidene(9-fluorenyl-cyclopentadienyl)zirconium dichloride, (10), and were obtained commercially. The solid-state structures of the catalysts rac- and meso-1 were determined by X-ray crystallography. Computational methods were used for the structure optimization of the catalyst rac- and meso-1 in order to compare the theoretical calculations with the experimental results. Polymerization experiments were conducted in a highly purified autoclave system using low pressures (< 5 bar) of gaseous monomers. The experiments were designed to attain the optimal catalytic activity and a uniform copolymer composition. The prepared homo- and copolymers were characterized by the gel permeation chromatography, GPC, differential scanning calorimetry, DSC, nuclear magnetic resonance, NMR, and Fourier transform infrared spectrometry, FTIR . Molar mass (Mw, Mn), molar mass distribution (Mw/Mn), tacticity, comonomer content, melting temperature, glass transition temperature, and end group structures and content were determined. A special attention was paid on the correlation of the polymer properties with the catalyst structures and polymerization conditions. An intramolecular phenyl coordination was found in phenyl substituted benzyl zirconocenes 1-3 explaining the decreased activity of the catalysts. Novel copolymers poly(propene-co-phenylnorbornene) and poly(propene co-vinylcyclohexane), were synthesized and high molar mass poly(ethene-co-1-hexene) and poly(ethene-co-1-hexadecene) copolymers with elastic properties were prepared. Activation of a hafnocene catalyst was studied with UV-Vis spectrometry and activation process for the synthesis of ultra high molar mass poly(1-hexene) was found out.

Inverse Problem for Fractional Brownian Motion with Discrete Data

The problem of recovering information from measurement data has already been studied for a long time. In the beginning, the methods were mostly empirical, but already towards the end of the sixties Backus and Gilbert started the development of mathematical methods for the interpretation of geophysical data. The problem of recovering information about a physical phenomenon from measurement data is an inverse problem. Throughout this work, the statistical inversion method is used to obtain a solution. Assuming that the measurement vector is a realization of fractional Brownian motion, the goal is to retrieve the amplitude and the Hurst parameter. We prove that under some conditions, the solution of the discretized problem coincides with the solution of the corresponding continuous problem as the number of observations tends to infinity. The measurement data is usually noisy, and we assume the data to be the sum of two vectors: the trend and the noise. Both vectors are supposed to be realizations of fractional Brownian motions, and the goal is to retrieve their parameters using the statistical inversion method. We prove a partial uniqueness of the solution. Moreover, with the support of numerical simulations, we show that in certain cases the solution is reliable and the reconstruction of the trend vector is quite accurate.

Paradigms in Statistical Inference for Finite Populations; Up to the 1950s

Modern sample surveys started to spread after statistician at the U.S. Bureau of the Census in the 1940s had developed a sampling design for the Current Population Survey (CPS). A significant factor was also that digital computers became available for statisticians. In the beginning of 1950s, the theory was documented in textbooks on survey sampling. This thesis is about the development of the statistical inference for sample surveys. For the first time the idea of statistical inference was enunciated by a French scientist, P. S. Laplace. In 1781, he published a plan for a partial investigation in which he determined the sample size needed to reach the desired accuracy in estimation. The plan was based on Laplace s Principle of Inverse Probability and on his derivation of the Central Limit Theorem. They were published in a memoir in 1774 which is one of the origins of statistical inference. Laplace s inference model was based on Bernoulli trials and binominal probabilities. He assumed that populations were changing constantly. It was depicted by assuming a priori distributions for parameters. Laplace s inference model dominated statistical thinking for a century. Sample selection in Laplace s investigations was purposive. In 1894 in the International Statistical Institute meeting, Norwegian Anders Kiaer presented the idea of the Representative Method to draw samples. Its idea was that the sample would be a miniature of the population. It is still prevailing. The virtues of random sampling were known but practical problems of sample selection and data collection hindered its use. Arhtur Bowley realized the potentials of Kiaer s method and in the beginning of the 20th century carried out several surveys in the UK. He also developed the theory of statistical inference for finite populations. It was based on Laplace s inference model. R. A. Fisher contributions in the 1920 s constitute a watershed in the statistical science He revolutionized the theory of statistics. In addition, he introduced a new statistical inference model which is still the prevailing paradigm. The essential idea is to draw repeatedly samples from the same population and the assumption that population parameters are constants. Fisher s theory did not include a priori probabilities. Jerzy Neyman adopted Fisher s inference model and applied it to finite populations with the difference that Neyman s inference model does not include any assumptions of the distributions of the study variables. Applying Fisher s fiducial argument he developed the theory for confidence intervals. Neyman s last contribution to survey sampling presented a theory for double sampling. This gave the central idea for statisticians at the U.S. Census Bureau to develop the complex survey design for the CPS. Important criterion was to have a method in which the costs of data collection were acceptable, and which provided approximately equal interviewer workloads, besides sufficient accuracy in estimation.