Atomic-scale characterization of diamond surfaces and fullerene self-assembly

In this thesis, elemental research towards the implantation of a diamond-based molecular quantum computer is presented. The approach followed requires linear alignment of endohedral fullerenes on the diamond C(100) surface in the vicinity of subsurface NV-centers. From this, four fundamental experimental challenges arise: 1) The well-controlled deposition of endohedral fullerenes on a diamond surface. 2) The creation of NV-centers in diamond close to the surface. 3) Preparation and characterization of atomically-flat diamondsurfaces. 4) Assembly of linear chains of endohedral fullerenes. First steps to overcome all these challenges were taken in the framework of this thesis. Therefore, a so-called “pulse injection” technique was implemented and tested in a UHV chamber that was custom-designed for this and further tasks. Pulse injection in principle allows for the deposition of molecules from solution onto a substrate and can therefore be used to deposit molecular species that are not stable to sublimation under UHV conditions, such as the endohedral fullerenes needed for a quantum register. Regarding the targeted creation of NV-centers, FIB experiments were carried out in cooperation with the group of Prof. Schmidt-Kaler (AG Quantum, Physics Department, Johannes Gutenberg-Universität Mainz). As an entry into this challenging task, argon cations were implanted into (111) surface-oriented CaF2 crystals. The resulting implantation spots on the surface were imaged and characterized using AFM. In this context, general relations between the impact of the ions on the surface and their valency or kinetic energy, respectively, could be established. The main part of this thesis, however, is constituted by NCAFM studies on both, bare and hydrogen-terminated diamond C(100) surfaces. In cooperation with the group of Prof. Dujardin (Molecular Nanoscience Group, ISMO, Université de Paris XI), clean and atomically-flat diamond surfaces were prepared by exposure of the substrate to a microwave hydrogen plasma. Subsequently, both surface modifications were imaged in high resolution with NC-AFM. In the process, both hydrogen atoms in the unit cell of the hydrogenated surface were resolved individually, which was not achieved in previous STM studies of this surface. The NC-AFM images also reveal, for the first time, atomic-resolution contrast on the clean, insulating diamond surface and provide real-space experimental evidence for a (2×1) surface reconstruction. With regard to the quantum computing concept, high-resolution NC-AFM imaging was also used to study the adsorption and self-assembly potential of two different kinds of fullerenes (C60 and C60F48) on aforementioned diamond surfaces. In case of the hydrogenated surface, particular attention was paid to the influence of charge transfer doping on the fullerene-substrate interaction and the morphology emerging from self-assembly. Finally, self-assembled C60 islands on the hydrogen-terminated diamond surface were subject to active manipulation by an NC-AFM tip. Two different kinds of tip-induced island growth modes have been induced and were presented. In conclusion, the results obtained provide fundamental informations mandatory for the realization of a molecular quantum computer. In the process it was shown that NC-AFM is, under proper circumstances, a very capable tool for imaging diamond surfaces with highest resolution, surpassing even what has been achieved with STM up to now. Particular attention was paid to the influence of transfer doping on the morphology of fullerenes on the hydrogenated diamond surface, revealing new possibilities for tailoring the self-assembly of molecules that have a high electron affinity.

Numerical modelling of fluid-structure interaction with application in hemodynamics

The thesis deals with numerical algorithms for fluid-structure interaction problems with application in blood flow modelling. It starts with a short introduction on the mathematical description of incompressible viscous flow with non-Newtonian viscosity and a moving linear viscoelastic structure. The mathematical model consists of the generalized Navier-Stokes equation used for the description of fluid flow and the generalized string model for structure movement. The arbitrary Lagrangian-Eulerian approach is used in order to take into account moving computational domain. A part of the thesis is devoted to the discussion on the non-Newtonian behaviour of shear-thinning fluids, which is in our case blood, and derivation of two non-Newtonian models frequently used in the blood flow modelling. Further we give a brief overview on recent fluid-structure interaction schemes with discussion about the difficulties arising in numerical modelling of blood flow. Our main contribution lies in numerical and experimental study of a new loosely-coupled partitioned scheme called the kinematic splitting fluid-structure interaction algorithm. We present stability analysis for a coupled problem of non-Newtonian shear-dependent fluids in moving domains with viscoelastic boundaries. Here, we assume both, the nonlinearity in convective as well is diffusive term. We analyse the convergence of proposed numerical scheme for a simplified fluid model of the Oseen type. Moreover, we present series of experiments including numerical error analysis, comparison of hemodynamic parameters for the Newtonian and non-Newtonian fluids and comparison of several physiologically relevant computational geometries in terms of wall displacement and wall shear stress. Numerical analysis and extensive experimental study for several standard geometries confirm reliability and accuracy of the proposed kinematic splitting scheme in order to approximate fluid-structure interaction problems.

Qualitative and absolute quantitative studies of the cell-nanoparticle interaction

This thesis focused on the polymer’s influence on the interaction of polymeric NPs with epithelial cells. Furthermore, the measurement of single submicron nanoparticles in a commercially available flow cytometer was established, to provide a new method in the toolbox for nanoparticle-cell studies. This gave way to develop a routine for the absolute quantification of intracellular NPs via flow cytometry. rnThe cellular uptake of poly(methyl methacrylate) (PMMA), polystyrene (PS) and poly(L-lactide) (PLLA) nanoparticles was investigated via flow cytometry. PLLA-NPs were internalized the most efficiently. But upon co-incubation of PS and PLLA particles with cells, the two particles mutually influenced their uptake, slightly shifting the relative uptake efficiencies. This phenomenon should be based on specific properties of the different polymer materials. The findings indicated a competition (which is strongly influenced by properties of the respective polymeric material) for the uptake into the cells, allegedly due to competition for specific coatings with serum components that enhances the NPs’ cellular uptake. The fluorescence of single 150 nm particles was determined with a benchtop cytometer, breaching the machine’s detection limit but yielding precise NP fluorescence standardization factors. Up to now, these standardization factors are mostly determined by spectroscopic analysis of the particles’ dye content. Finally a flow cytometric routine for absolute particle counting in cells was devised. This quantitation revealed a low uptake efficiency for un-functionalized PMMA NPs of less than 150 NPs (approx. 0,001 % of added) per cell.rn

On-surface chemical reactions on an insulating substrate

Diese Arbeit beschreibt zum ersten Mal die kovalente Verknüpfung organischer Moleküle auf einer Isolatoroberfläche, motiviert im Hinblick auf die Nutzung der Synthesemethode für die molekulare Elektronik und verwandte Anwendungen. Durch die Verwendung der Nichtkontakt-Rasterkraftmikroskopie und der Kelvinprobe-Mikroskopie bei Raumtemperatur wurden grundlegende molekulare Prozesse der Wechselwirkungen zwischen Molekülen und der Calcit(10.4) Oberfläche sowie die chemische Reaktivität der Moleküle auf der Oberfläche analysiert. Das Zusammenspiel zwischen intermolekularen und Molekül-Oberfläche Wechselwirkungen zeigt sich für Biphenyl-4,4'-dicarbonsäure (BPDCA) durch die Koexistenz zweier unterschiedlicher molekularer Strukturen, die einen Einblick in die treibenden Kräfte der molekularen Selbstorganisation bieten. Die sehr ausgeprägte Reihenstruktur basiert auf der optimalen geometrischen Struktur der BPDCA Moleküle zu den Abmessungen des Substrats, während die zweite Struktur durch Wasserstoffbrücken zwischen den Molekülen gekennzeichnet ist. Der Deprotonierungsvorgang von 2,5-Dihydroxybenzoesäure (DHBA)-Molekülen auf Calcit wird bei Zimmertemperatur gezeigt. Zwei Phasen werden beobachtet, die nach Aufbringen der Moleküle koexistieren. Mit der Zeit geht eine bulk-ähnliche Phase in eine stabile, dicht gepackte Phase über. Der Übergang wird durch Betrachtung des Protonierungszustands der Moleküle erklärt. Die bulk-ähnliche Phase benötigt Wasserstoffbrückbindungen zur Strukturbildung. Werden die Moleküle deprotoniert, so wird die resultierende dicht gepackte Phase durch die elektrostatische Wechselwirkung der deprotonierten Carboxylatgruppen mit den Oberflächen-Calciumkationen stabilisiert. 4-Iodbenzoesäure (IBA)-Moleküle bilden auf Calcit nur Inseln an Stufenkanten, was auf die schwache Molekül-Oberflächen-Wechselwirkung zurückzuführen ist. Für einen stärkeren Einfluss des Substrats durchlaufen die Moleküle einen kontrollierten Übergangsschritt vom protonierten zum deprotonierten Zustand. Im deprotonierten Zustand nehmen die Moleküle eine wohldefinierte Adsorptionsposition auf dem Substrat ein. Die deprotonierte Säuregruppe wird ausgenutzt, um die Desorption der halogensubstituierten Benzoesäure-Moleküle bei der thermischer Aktivierung für die Vernetzungsreaktion zu vermeiden. Darüber hinaus wird die Carboxylatgruppe als starker Elektronendonor verwendet um die Phenyl-Halogen-Bindung zu schwächen und somit die homolytische Spaltung dieser Bindung auch bei moderaten Temperaturen zu ermöglichen. Diesem Konzept folgend ist die erste erfolgreiche kovalente Verknüpfung von 2,5-Diiod-benzoesäure, 2,5-Dichlorbenzoesäure, 3,5-Diiod Salicylsäure und 4-Iod-benzoesäure zu durchkonjugierten molekularen Drähten, Zick-Zack-Strukturen sowie Dimere gezeigt durch Ausnutzen von unterschiedlichen Substitutionsposition sowie Ändern der Anzahl der substituierten Halogenatome. Aufbauend auf diesem Erfolg, wird eine zweistufige Vernetzungsreaktion vorgestellt. Zum Induzieren der ortsspezifischen und sequentiellen kovalenten Verknüpfung wird ein Ausgangsmolekül gewählt, das sowohl eine Bromphenyl als auch eine Chlorphenyl Gruppe mit unterschiedlichen Dissoziationsenergien für die homolytische Spaltung besitzt. Die Reaktionsstellen und sequentielle Reihenfolge für die Reaktion sind somit in der molekularen Struktur einkodiert und bisher unerreichte Reaktionspfade können mithilfe der kovalente Verknüpfung organischer Moleküle auf einer Isolatoroberfläche beschritten werden.

Formation and surface exchange of nitrous acid

Die salpetrige Säure (HONO) ist eine der reaktiven Stickstoffkomponenten der Atmosphäre und Pedosphäre. Die genauen Bildungswege von HONO, sowie der gegenseitige Austausch von HONO zwischen Atmosphäre und Pedosphäre sind noch nicht vollständig aufgedeckt. Bei der HONO-Photolyse entsteht das Hydroxylradikal (OH) und Stickstoffmonooxid (NO), was die Bedeutsamkeit von HONO für die atmosphärische Photochemie widerspiegelt.rnUm die genannte Bildung von HONO im Boden und dessen anschließenden Austausch mit der Atmosphäre zu untersuchen, wurden Messungen von Bodenproben mit dynamischen Kammern durchgeführt. Im Labor gemessene Emissionsflüsse von Wasser, NO und HONO zeigen, dass die Emission von HONO in vergleichbarem Umfang und im gleichen Bodenfeuchtebereich wie die für NO (von 6.5 bis 56.0 % WHC) stattfindet. Die Höhe der HONO-Emissionsflüsse bei neutralen bis basischen pH-Werten und die Aktivierungsenergie der HONO-Emissionsflüsse führen zu der Annahme, dass die mikrobielle Nitrifikation die Hauptquelle für die HONO-Emission darstellt. Inhibierungsexperimente mit einer Bodenprobe und die Messung einer Reinkultur von Nitrosomonas europaea bestärkten diese Theorie. Als Schlussfolgerung wurde das konzeptionelle Model der Bodenemission verschiedener Stickstoffkomponenten in Abhängigkeit von dem Wasserhaushalt des Bodens für HONO erweitert.rnIn einem weiteren Versuch wurde zum Spülen der dynamischen Kammer Luft mit erhöhtem Mischungsverhältnis von HONO verwendet. Die Messung einer hervorragend charakterisierten Bodenprobe zeigte bidirektionale Flüsse von HONO. Somit können Böden nicht nur als HONO-Quelle, sondern auch je nach Bedingungen als effektive Senke dienen. rnAußerdem konnte gezeigt werden, dass das Verhältnis von HONO- zu NO-Emissionen mit dem pH-Wert des Bodens korreliert. Grund könnte die erhöhte Reaktivität von HONO bei niedrigem pH-Wert und die längere Aufenthaltsdauer von HONO verursacht durch reduzierte Gasdiffusion im Bodenporenraum sein, da ein niedriger pH-Wert mit erhöhter Bodenfeuchte am Maximum der Emission einhergeht. Es konnte gezeigt werden, dass die effektive Diffusion von Gasen im Bodenporenraum und die effektive Diffusion von Ionen in der Bodenlösung die HONO-Produktion und den Austausch von HONO mit der Atmosphäre begrenzen. rnErgänzend zu den Messungen im Labor wurde HONO während der Messkampagne HUMPPA-COPEC 2010 im borealen Nadelwald simultan in der Höhe von 1 m über dem Boden und 2 bis 3 m über dem Blätterdach gemessen. Die Budgetberechnungen für HONO zeigen, dass für HONO sämtliche bekannte Quellen und Senken in Bezug auf die übermächtige HONO-Photolyserate tagsüber vernachlässigbar sind (< 20%). Weder Bodenemissionen von HONO, noch die Photolyse von an Oberflächen adsorbierter Salpetersäure können die fehlende Quelle erklären. Die lichtinduzierte Reduktion von Stickstoffdioxid (NO2) an Oberflächen konnte nicht ausgeschlossen werden. Es zeigte sich jedoch, dass die fehlende Quelle stärker mit der HONO-Photolyserate korreliert als mit der entsprechenden Photolysefrequenz, die proportional zur Photolysefrequenz von NO2 ist. Somit lässt sich schlussfolgern, dass entweder die Photolyserate von HONO überschätzt wird oder dass immer noch eine unbekannte, HONO-Quelle existiert, die mit der Photolyserate sehr stark korreliert. rn rn

Chemical interaction between ocean and atmosphere

The exchange of chemical constituents between ocean and atmosphere provides potentially important feedback mechanisms in the climate system. The aim of this study is to develop and evaluate a chemically coupled global atmosphere-ocean model. For this, an atmosphere-ocean general circulation model with atmospheric chemistry has been expanded to include oceanic biogeochemistry and the process of air-sea gas exchange. The calculation of seawater concentrations in the oceanic biogeochemistry submodel has been expanded from DMS, CO₂

Multifunctional polyether architectures : versatile materials for surface attachment and functionalization

Chapter 1 of this thesis comprises a review of polyether polyamines, i.e., combinations of polyether scaffolds with polymers bearing multiple amino moieties. Focus is laid on controlled or living polymerization methods. Furthermore, fields in which the combination of cationic, complexing, and pH-sensitive properties of the polyamines and biocompatibility and water-solubility of polyethers promise enormous potential are presented. Applications include stimuli-responsive polymers with a lower critical solution temperature (LCST) and/or the ability to gel, preparation of shell cross-linked (SCL) micelles, gene transfection, and surface functionalization.rnIn Chapter 2, multiaminofunctional polyethers relying on the class of glycidyl amine comonomers for anionic ring-opening polymerization (AROP) are presented. In Chapter 2.1, N,N-diethyl glycidyl amine (DEGA) is introduced for copolymerization with ethylene oxide (EO). Copolymer microstructure is assessed using online 1H NMR kinetics, 13C NMR triad sequence analysis, and differential scanning calorimetry (DSC). The concurrent copolymerization of EO and DEGA is found to result in macromolecules with a gradient structure. The LCSTs of the resulting copolymers can be tailored by adjusting DEGA fraction or pH value of the environment. Quaternization of the amino moieties by methylation results in polyelectrolytes. Block copolymers are used for PEGylated gold nanoparticle formation. Chapter 2.2 deals with a glycidyl amine monomer with a removable protecting group at the amino moiety, for liberation of primary amines at the polyether backbone, which is N,N-diallyl glycidyl amine (DAGA). Its allyl groups are able to withstand the harsh basic conditions of AROP, but can be cleaved homogeneously after polymerization. Gradient as well as block copolymers poly(ethylene glycol)-PDAGA (PEG-PDAGA) are obtained. They are analyzed regarding their microstructure, LCST behavior, and cleavage of the protecting groups. rnChapter 3 describes applications of multi(amino)functional polyethers for functionalization of inorganic surfaces. In Chapter 3.1, they are combined with an acetal-protected catechol initiator, leading to well-defined PEG and heteromultifunctional PEG analogues. After deprotection, multifunctional PEG ligands capable of attaching to a variety of metal oxide surfaces are obtained. In a cooperative project with the Department of Inorganic and Analytical Chemistry, JGU Mainz, their potential is demonstrated on MnO nanoparticles, which are promising candidates as T1 contrast agents in magnetic resonance imaging. The MnO nanoparticles are solubilized in aqueous solution upon ligand exchange. In Chapter 3.2, a concept for passivation and functionalization of glass surfaces towards gold nanorods is developed. Quaternized mPEG-b-PqDEGA diblock copolymers are attached to negatively charged glass surfaces via the cationic PqDEGA blocks. The PEG blocks are able to suppress gold nanorod adsorption on the glass in the flow cell, analyzed by dark field microscopy.rnChapter 4 highlights a straightforward approach to poly(ethylene glycol) macrocycles. Starting from commercially available bishydroxy-PEG, cyclic polymers are available by perallylation and ring-closing metathesis in presence of Grubbs’ catalyst. Purification of cyclic PEG is carried out using α-cyclodextrin. This cyclic sugar derivative forms inclusion complexes with remaining unreacted linear PEG in aqueous solution. Simple filtration leads to pure macrocycles, as evidenced by SEC and MALDI-ToF mass spectrometry. Cyclic polymers from biocompatible precursors are interesting materials regarding their increased blood circulation time compared to their linear counterparts.rnIn the Appendix, A.1, a study of the temperature-dependent water-solubility of polyether copolymers is presented. Macroscopic cloud points, determined by turbidimetry, are compared with microscopic aggregation phenomena, monitored by continuous wave electron paramagnetic resonance (CW EPR) spectroscopy in presence of the amphiphilic spin probe and model drug (2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-yl)oxyl (TEMPO). These thermoresponsive polymers are promising candidates for molecular transport applications. The same techniques are applied in Chapter A.2 to explore the pH-dependence of the cloud points of PEG-PDEGA copolymers in further detail. It is shown that the introduction of amino moieties at the PEG backbone allows for precise manipulation of complex phase transition modes. In Chapter A.3, multi-hydroxyfunctional polysilanes are presented. They are obtained via copolymerization of the acetal-protected dichloro(isopropylidene glyceryl propyl ether)methylsilane monomer. The hydroxyl groups are liberated through acidic work-up, yielding versatile access to new multifunctional polysilanes.

From anionic polymerization in continuous flow to macromolecular architectures and stimuli-responsive surfaces

The thesis can be divided in four parts and summarized as follows:(i) The investigation and development of a continuous flow synthesis procedure affording end-functional polymers by anionic polymerization and subsequent termination in one reaction step and on a multigram scale was carried out. Furthermore, the implementation of not only a single hydroxyl but multiple orthogonal functionalities at the chain terminus was achieved by utilizing individually designed, functional epoxide-based end-capping reagents.(ii) In an additional step, the respective polymers were used as macroinitiators to prepare in-chain functionalized block copolymers and star polymers bearing intriguing novel structural and material properties. Thus, the second part of this thesis presents the utilization of end-functional polymers as precursors for the synthesis of amphiphilic complex and in some cases unprecedented macromolecular architectures, such as miktoarm star polymers based on poly(vinyl pyridine), poly(vinyl ferrocene) and PEO.(iii) Based on these structures, the third part of this thesis represents a detailed investigation of the preparation of stimuli-responsive ultrathin polymer films, using amphiphilic junction point-reactive block copolymers. The single functionality at the block interface can be employed as anchor group for the covalent attachment on surfaces. Furthermore, the change of surface properties was studied by applying different external stimuli.(iv) An additional topic related to the oxyanionic polymerizations carried out in the context of this thesis was the investigation of viscoelastic properties of different hyperbranched polyethers, inspired by the recent and intense research activities in the field of biomedical applications of multi-functional hyperbranched materials.

Stabilizing molecular self-assemblies via on-surface reactions

Für die Realisierung zukünftiger Technologien, wie z.B. molekulare Elektronik, werden Strategien benötigt, um funktionale Strukturen direkt auf Oberflächen zu erzeugen. Für die Bewältigung dieser Aufgabe ist die molekulare Selbstanordnung ein äußerst vielversprechender Bottom-up-Ansatz. Hierbei ist eine der größten Herausforderungen das Zusammenspiel aus intramolekularer Wechselwirkung und der Wechselwirkung zwischen Substrat und Molekülen in ein Gleichgewicht zu bringen. Da jedoch die wirkenden Kräfte der molekularen Selbstanordnung ausschließlich reversibler Natur sind, ist eine langfristige Stabilität fragwürdig. Somit ist die kovalente Verknüpfung der gebildeten Strukturen durch Reaktionen direkt auf der Oberfläche unerlässlich, um die Stabilität der Strukturen weiter zu erhöhen. Hierzu stellt die vorliegende Arbeit eine ausführliche Studie zu molekularer Selbstanordnung und der zielgerichteten Modifikation ebensolcher Strukturen dar. Durch den Einsatz von hochauflösender Rasterkraftmikroskopie im Ultrahochvakuum, welche es erlaubt einzelne Moleküle auf Nichtleitern abzubilden, wurde der maßgebliche Einfluss von Ankerfunktionalitäten auf den Prozess der molekularen Selbstanordnung gezeigt. Des Weiteren konnte die Stabilität der selbst angeordneten Strukturen durch neue Oberflächenreaktionskonzepte entschieden verbessert werden. Der Einfluss von Ankerfunktionen, die elektrostatische Wechselwirkung zwischen Molekül und Substrat vermitteln, auf den Strukturbildungsprozess der molekularen Selbstanordnung wird eingehend durch den Vergleich eines aromatischen Moleküls und seines vierfach chlorierten Derivates gezeigt. Für diese beiden Moleküle wurde ein deutlich unterschiedliches Verhalten der Selbstanordnung beobachtet. Es wird gezeigt, dass die Fähigkeit zur Bildung selbst angeordneter, stabiler Inseln entscheidend durch die Substituenten und die Abmessungen des Moleküls beeinflusst wird. Auch wird in dieser Arbeit die erste photochemische Reaktion organischer Moleküle auf einem Isolator gezeigt. Qualitative und quantitative Ergebnisse liefern ein detailliertes Bild darüber, wie die Abmessungen des Substratgitters die Richtung der Reaktion gezielt beeinflussen. Des Weiteren wird ein allgemeines Konzept zur selektiven Stabilisierung selbstangeordneter Molekülstrukturen durch den kontrollierten Transfer von Elektronen präsentiert. Durch die gezielte Steuerung der Menge an Dotierungsatomen wird die Desorptionstemperatur der molekularen Inseln signifikant erhöht und das Desorptionsverhalten der Inseln entschieden verändert. Diese Arbeit präsentiert somit erfolgreich durchgeführte Strategien um den Prozess der molekularen Selbstanordnung zu steuern, sowie entscheidende Mechanismen um die Stabilisierung und Modifizierung von selbst angeordneten Strukturen zu gewährleisten.