Structure and dynamics of supramolecular assemblies studied by advanced solid-state NMR spectroscopy

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Aufklärung von Struktur und Dynamik komplexer supramolekularer Systeme mittels Festkörper NMR Spektroskopie. Die Untersuchung von pi-pi Wechselwirkungen, welche einen entscheidenden Einfluss auf die strukturellen und dynamischen Eigenschaften supra- molekularer Systeme haben, hilft dabei, die Selbst- organisationsprozesse dieser komplexen Materialien besser zu verstehen. Mit dipolaren 1H-1H and 1H-13C Wiedereinkopplungs NMR Methoden unter schnellem MAS können sowohl 1H chemische Verschiebungen als auch dipolare 1H-1H und 1H-13C Kopplungen untersucht werden, ohne dass eine Isotopenmarkierung erforderlich ist. So erhält man detaillierte Informationen über die Struktur und die Beweglichkeit einzelner Molekül- segmente. In Verbindung mit sogenannten nucleus independent chemical shift (NICS) maps (berechnet mit ab-initio Methoden) lassen sich Abstände von Protonen relativ zu pi-Elektronensystemen bestimmen und so Strukturvorschläge ableiten. Mit Hilfe von homo- und heteronuklearen dipolaren Rotationsseitenbandenmustern könnenaußerdem Ordnungs- parameter für verschiedene Molekülsegmente bestimmt werden. Die auf diese Weise gewonnenen Informationen über die strukturellen und dynamischen Eigenschaften supramolekularer Systeme tragen dazu bei, strukturbestimmende Molekül- einheiten und Hauptordnungsphänomene zu identifizieren sowie lokale Wechselwirkungen zu quantifizieren, um so den Vorgang der Selbstorganisation besser zu verstehen.

Quantum effects and dynamics in hydrogen-bonded systems: a first-principles approach to spectroscopic experiments

Computer simulations have become an important tool in physics. Especially systems in the solid state have been investigated extensively with the help of modern computational methods. This thesis focuses on the simulation of hydrogen-bonded systems, using quantum chemical methods combined with molecular dynamics (MD) simulations. MD simulations are carried out for investigating the energetics and structure of a system under conditions that include physical parameters such as temperature and pressure. Ab initio quantum chemical methods have proven to be capable of predicting spectroscopic quantities. The combination of these two features still represents a methodological challenge. Furthermore, conventional MD simulations consider the nuclei as classical particles. Not only motional effects, but also the quantum nature of the nuclei are expected to influence the properties of a molecular system. This work aims at a more realistic description of properties that are accessible via NMR experiments. With the help of the path integral formalism the quantum nature of the nuclei has been incorporated and its influence on the NMR parameters explored. The effect on both the NMR chemical shift and the Nuclear Quadrupole Coupling Constants (NQCC) is presented for intra- and intermolecular hydrogen bonds. The second part of this thesis presents the computation of electric field gradients within the Gaussian and Augmented Plane Waves (GAPW) framework, that allows for all-electron calculations in periodic systems. This recent development improves the accuracy of many calculations compared to the pseudopotential approximation, which treats the core electrons as part of an effective potential. In combination with MD simulations of water, the NMR longitudinal relaxation times for 17O and 2H have been obtained. The results show a considerable agreement with the experiment. Finally, an implementation of the calculation of the stress tensor into the quantum chemical program suite CP2K is presented. This enables MD simulations under constant pressure conditions, which is demonstrated with a series of liquid water simulations, that sheds light on the influence of the exchange-correlation functional used on the density of the simulated liquid.

Structure, organization and dynamics of functional supramolecular materials studied by solid-state NMR

Functional materials have great importance due to their many important applications. The characterization of supramolecular architectures which are held together by non-covalent interactions is of most importance to understand their properties. Solid-state NMR methods have recently been proven to be able to unravel such structure-property relations with the help of fast magic-angle spinning and advanced pulse sequences. The aim of the current work is to understand the structure and dynamics of functional supramolecular materials which are potentially important for fuel-cell (proton conducting membrane materials) and solar-cell or plastic-electronic applications (photo-reactive aromatic materials). In particular, hydrogen-bonding networks, local proton mobility, molecular packing arrangements, and local dynamics will be studied by the use of advanced solid-state NMR methods. The first class of materials studied in this work is proton conducting polymers which also form hydrogen-bonding network. Different materials, which are prepared for high 1H conduction by different approaches are studied: PAA-P4VP, PVPA-ABPBI, Tz5Si, and Triazole-functional systems. The materials are examples of the following major groups; - Homopolymers with specific functional groups (Triazole functional polysiloxanes). - Acid-base polymer blends approach (PAA-P4VP, PVPA-ABPBI). - Acid-base copolymer approach (Triazole-PVPA). - Acid doped polymers (Triazole functional polymer doped with H3PO4). Perylenebisimide (PBI) derivatives, a second type of important functional supramolecular materials with potent applications in plastic electronics, were also investigated by means of solid-state NMR. The preparation of conducting nanoscopic fibers based on the self-assembling functional units is an appealing aim as they may be incorporated in molecular electronic devices. In this category, perylene derivatives have attracted great attention due to their high charge carrier mobility. A detailed knowledge about their supramolecular structure and molecular dynamics is crucial for the understanding of their electronic properties. The aim is to understand the structure, dynamics and packing arrangements which lead to high electron conductivity in PBI derivatives.

Magnetization dynamics in spin valves

Key technology applications like magnetoresistive sensors or the Magnetic Random Access Memory (MRAM) require reproducible magnetic switching mechanisms. i.e. predefined remanent states. At the same time advanced magnetic recording schemes push the magnetic switching time into the gyromagnetic regime. According to the Landau-Lifschitz-Gilbert formalism, relevant questions herein are associated with magnetic excitations (eigenmodes) and damping processes in confined magnetic thin film structures.rnObjects of study in this thesis are antiparallel pinned synthetic spin valves as they are extensively used as read heads in today’s magnetic storage devices. In such devices a ferromagnetic layer of high coercivity is stabilized via an exchange bias field by an antiferromagnet. A second hard magnetic layer, separated by a non-magnetic spacer of defined thickness, aligns antiparallel to the first. The orientation of the magnetization vector in the third ferromagnetic NiFe layer of low coercivity - the freelayer - is then sensed by the Giant MagnetoResistance (GMR) effect. This thesis reports results of element specific Time Resolved Photo-Emission Electron Microscopy (TR-PEEM) to image the magnetization dynamics of the free layer alone via X-ray Circular Dichroism (XMCD) at the Ni-L3 X-ray absorption edge.rnThe ferromagnetic systems, i.e. micron-sized spin valve stacks of typically deltaR/R = 15% and Permalloy single layers, were deposited onto the pulse leading centre stripe of coplanar wave guides, built in thin film wafer technology. The ferromagnetic platelets have been applied with varying geometry (rectangles, ellipses and squares), lateral dimension (in the range of several micrometers) and orientation to the magnetic field pulse to study the magnetization behaviour in dependence of these magnitudes. The observation of magnetic switching processes in the gigahertz range became only possible due to the joined effort of producing ultra-short X-ray pulses at the synchrotron source BESSY II (operated in the so-called low-alpha mode) and optimizing the wave guide design of the samples for high frequency electromagnetic excitation (FWHM typically several 100 ps). Space and time resolution of the experiment could be reduced to d = 100 nm and deltat = 15 ps, respectively.rnIn conclusion, it could be shown that the magnetization dynamics of the free layer of a synthetic GMR spin valve stack deviates significantly from a simple phase coherent rotation. In fact, the dynamic response of the free layer is a superposition of an averaged critically damped precessional motion and localized higher order spin wave modes. In a square platelet a standing spin wave with a period of 600 ps (1.7 GHz) was observed. At a first glance, the damping coefficient was found to be independent of the shape of the spin-valve element, thus favouring the model of homogeneous rotation and damping. Only by building the difference in the magnetic rotation between the central region and the outer rim of the platelet, the spin wave becomes visible. As they provide an additional efficient channel for energy dissipation, spin waves contribute to a higher effective damping coefficient (alpha = 0.01). Damping and magnetic switching behaviour in spin valves thus depend on the geometry of the element. Micromagnetic simulations reproduce the observed higher-order spin wave mode.rnBesides the short-run behaviour of the magnetization of spin valves Permalloy single layers with thicknesses ranging from 3 to 40 nm have been studied. The phase velocity of a spin wave in a 3 nm thick ellipse could be determined to 8.100 m/s. In a rectangular structure exhibiting a Landau-Lifschitz like domain pattern, the speed of the field pulse induced displacement of a 90°-Néel wall has been determined to 15.000 m/s.rn

Structural analysis of the major lightharvesting complex II by electron paramagnetic resonance (EPR) : comparison between monomers and trimers

Der Haupt-Lichtsammenkomplex II (LHCII) höherer Pflanzen ist das häufigsternMembranprotein der Welt und in die chloroplastidäre Thylakoidmembran integriert. DerrnLHCII kann als Modellsystem genutzt werden, um die Funktionsweise vonrnMembranproteinen besser zu verstehen, da 96 % seiner Struktur kristallografisch aufgelöstrnist und er in rekombinanter Form in vitro rückgefaltet werden kann. Hierbei entsteht einrnvoll funktionaler Protein-Pigment.Komplex, der nahezu identisch mit der in vivo Varianternist.rnElektronenparamagnetischen Resonanz (EPR) Spektroskopie ist eine hoch sensitive undrnideal geeignete Methode, um die Strukturdynamik von Proteinen zu untersuchen. Hierzurnist eine ortsspezifische Markierung mit Spinsonden notwendig, die kovalent an Cysteinernbinden. Möglich wird dies, indem sorgfältig ausgewählte Aminosäuren gegen Cysteinerngetauscht werden, ohne dass die Funktionsweise des LHCII beeinträchtigt wird.rnIm Rahmen dieser Arbeit wurden die Stabilität des verwendeten Spinmarkers und diernProbenqualität verbessert, indem alle Schritte der Probenpräparation untersucht wurden.rnMithilfe dieser Erkenntnisse konnte sowohl die Gefahr einer Proteinaggregation als auchrnein Verlust des EPR Signals deutlich vermindert werden. In Kombination mit derrngleichzeitigen Etablierung des Q-Band EPR können nun deutlich geringer konzentrierternProben zuverlässig vermessen werden. Darüber hinaus wurde eine reproduzierbarernMethode entwickelt, um heterogene Trimere herzustellen. Diese bestehen aus einemrndoppelt markierten Monomer und zwei unmarkierten Monomeren und erlauben es, diernkristallografisch unvollständig aufgelöste N-terminale Domäne im monomeren undrntrimeren Assemblierungsgrad zu untersuchen. Die Ergebnisse konnten einerseits diernVermutung bestätigen, dass diese Domäne im Vergleich zum starren Proteinkern sehrrnflexibel ist und andererseits, dass sie in Monomeren noch mobiler ist als in Trimeren.rnZudem wurde die lumenale Schleifenregion bei unterschiedlichen pH Werten undrnvariierender Pigmentzusammensetzung untersucht, da dieser Bereich sehr kontroversrndiskutiert wird. Die Messergebnisse offenbarten, dass diese Region starre und flexiblerernSektionen aufweist. Während der pH Wert keinen Einfluss auf die Konformation hatte,rnzeigte sich, dass die Abwesenheit von Neoxanthin zu einer Änderung der Konformationrnführt. Weiterführende Analysen der strukturellen Dynamik des LHCII in einerrnLipidmembran konnten hingegen nicht durchgeführt werden, da dies eine gerichteternInsertion des rückgefalteten Proteins in Liposomen erfordert, was trotz intensiverrnVersuche nicht zum Erfolg führte.

Excited-state dynamics in donor-acceptor systems for energy conversion

In dieser Arbeit werden die Dynamiken angeregter Zustände in Donor-Akzeptorsystemen für Energieumwandlungsprozesse mit ultraschneller zeitaufgelöster optischer Spektroskopie behandelt. Der Hauptteil dieser Arbeit legt den Fokus auf die Erforschung der Photophysik organischer Solarzellen, deren aktive Schichten aus diketopyrrolopyrrole (DPP) basierten Polymeren mit kleiner Bandlücke als Elektronendonatoren und Fullerenen als Elektronenakzeptoren bestehen. rnEin zweiter Teil widmet sich der Erforschung von künstlichen primären Photosynthesereaktionszentren, basierend auf Porphyrinen, Quinonen und Ferrocenen, die jeweils als Lichtsammeleinheit, Elektronenakzeptor beziehungsweise als Elektronendonatoren eingesetzt werden, um langlebige ladungsgetrennte Zustände zu erzeugen.rnrnZeitaufgelöste Photolumineszenzspektroskopie und transiente Absorptionsspektroskopie haben gezeigt, dass Singulettexzitonenlebenszeiten in den Polymeren PTDPP-TT und PFDPP-TT Polymeren kurz sind (< 20 ps) und dass in Mischungen der Polymere mit PC71BM geminale Rekombination von gebundenen Ladungstransferzuständen ein Hauptverlustkanal ist. Zudem wurde in beiden Systemen schnelle nichtgeminale Rekombination freier Ladungen zu Triplettzuständen auf dem Polymer beobachtet. Für das Donor-Akzeptor System PDPP5T:PC71BM wurde nachgewiesen, dass die Zugabe eines Lösungsmittels mit hohem Siedepunkt, und zwar ortho-Dichlorbenzol, die Morphologie der aktiven Schicht stark beeinflusst und die Solarzelleneffizienz verbessert. Der Grund hierfür ist, dass die Donator- und Akzeptormaterialien besser durchmischt sind und sich Perkolationswege zu den Elektroden ausgebildet haben, was zu einer verbesserten Ladungsträgergeneration und Extraktion führt. Schnelle Bildung des Triplettzustands wurde in beiden PDPP5T:PC71BM Systemen beobachtet, da der Triplettzustand des Polymers über Laungstransferzustände mit Triplettcharakter populiert werden kann. "Multivariate curve resolution" (MCR) Analyse hat eine starke Intensitätsabhängigkeit gezeigt, was auf nichtgeminale Ladungsträgerrekombination in den Triplettzustand hinweist.rnrnIn den künstlichen primären Photosynthesereaktionszentren hat transiente Absorptionsspektroskopie bestätigt, dass photoinduzierter Ladungstransfer in Quinon-Porphyrin (Q-P) und Porphyrin-Ferrocen (P-Fc) Diaden sowie in Quinon-Porphyrin-Ferrocen (Q-P-Fc) Triaden effizient ist. Es wurde jedoch auch gezeigt, dass in den P-Fc unf Q-P-Fc Systemen die ladungsgetrennten Zustände in den Triplettzustand der jeweiligen Porphyrine rekombinieren. Der ladungsgetrennte Zustand konnte in der Q-P Diade durch Zugabe einer Lewissäure signifikant stabilisiert werden.