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.

Liquid crystalline elastomers as stimuli-responsive microactuators

Liquid crystalline elastomers (LCEs) are known to perform a reversible change of shape upon the phase transition from the semi-ordered liquid crystalline state to the chaotic isotropic state. This unique behavior of these “artificial muscles” arises from the self-organizing properties of liquid crystals (mesogens) in combination with the entropy-elasticity of the slightly crosslinked elastomer network. In this work, micrometer-sized LCE actuators are fabricated in a microfluidic setup. The microtubular shear flow provides for a uniform orientation of the mesogens during the crosslinking, a perquisite for obtaining actuating LCE samples. The scope of this work was to design different actuator geometries and to broaden the applicability of the microfluidic device for different types of liquid crystalline mesogens, ranging from side-chain to main-chain systems, as well as monomer and polymer precursors. For example, the thiol-ene “click” mechanism was used for the polymerization and crosslinking of main-chain LCE actuators. The main focus was, however, placed on acrylate monomers and polymers with LC side chains. A LC polymer precursor, comprising mesogenic and crosslinkable side-chains was synthesized. Used in combination with an LC monomer, the polymeric crosslinker promoted a stable LC phase, which allowed the mixture to be isothermally handled in the microfluidic reactor. If processed without the additional LC components, the polymer precursor yielded actuating fibers. A suitable co-flowing continuous phase facilitates the formation of a liquid jet and lowers the tendency for drop formation. By modification of the microfluidic device, it was further possible to prepare core-shell particles, comprised of an LCE shell and filled with an isotropic liquid. In analogy to the heart, a hollow muscle, the elastomer shell expels the inner liquid core upon its contraction. The feasibility of the core-shell particles as micropumps was demonstrated. In general, the synthesized LCE microactuators may be utilized as active components in micromechanical and lab-on-chip systems.

Untersuchung der Auswirkungen verschiedener Variationsbereiche des differenziellen Lernens und Lehrens im weiten Sinn auf ausgewählte technische Grundfertigkeiten im Hallenhockey

Die Frage wie großmotorische Bewegungen gelernt werden beschäftigt nicht nur Sportler, Trainer und Sportlehrer sondern auch Ärzte und Physiotherapeuten. Die sportwissenschaftlichen Teildisziplinen Bewegungs- und Trainingswissenschaft versuchen diese Frage sowohl im Sinne der Grundlagenforschung (Wie funktioniert Bewegungslernen?) als auch hinsichtlich der praktischen Konsequenzen (Wie lehrt man Bewegungen?) zu beantworten. Innerhalb dieser Themenfelder existieren Modelle, die Bewegungslernen als gezielte und extern unterstützte Ausbildung zentralnervöser Bewegungsprogramme verstehen und solche, die Lernen als Selbstorganisationsprozess interpretieren. Letzteren ist das Differenzielle Lernen und Lehren (Schöllhorn, 1999) zuzuordnen, das die Notwendigkeit betont, Bewegungen durch die Steigerung der Variationen während der Aneignungsphase zu lernen und zu lehren. Durch eine Vielzahl an Variationen, so die Modellannahme, findet der Lernende ohne externe Vorgaben selbstorganisiert ein individuelles situatives Optimum. Die vorliegende Arbeit untersucht, welchen Einfluss Variationen verschiedener Art und Größe auf die Lern- und Aneignungsleistung großmotorischer Bewegungen haben und in wie fern personenübergreifende Optima existieren. In zwei Experimenten wird der Einfluss von räumlichen (Bewegungsausführung, Bewegungsergebnis) und zeitlichen Variationen (zeitliche Verteilung der Trainingsreize) auf die Aneignungs- und Lernleistung großmotorischer sportlicher Bewegungen am Beispiel zweier technischer Grundfertigkeiten des Hallenhockeys untersucht. Die Ergebnisse der Experimente stützen die bisherige Befundlage zum Differenziellen Lernen und Lehren, wonach eine Zunahme an Variation in der Aneignungsphase zu größeren Aneignungs- und Lernleistungen führt. Zusätzlich wird die Annahme bestätigt, dass ein Zusammenhang von Variationsbereich und Lernrate in Form eines Optimaltrends vorliegt. Neu sind die Hinweise auf die Dynamik von motorischen Lernprozessen (Experiment 1). Hier scheinen individuelle Faktoren (z. B. die Lernbiografie) als auch die Phase im Lernprozess (Aneignung, Lernen) Einfluss zu haben auf den Umfang und die Struktur eines für die optimale Adaptation notwendigen Variationsbereichs. Darüber hinaus weisen die Befunde auf verschiedene Aneignungs- und Lerneffekte aufgrund alleiniger Variation der zeitlichen Verteilung bei ansonsten gleichen Trainingsreizen hin (Experiment 2). Für zukünftige Forschungsarbeiten zum Erlernen großmotorischer Bewegungen und für die sportliche Praxis dürfte es daher erkenntnisreich sein, die Historie der intrinsischen Dynamik der lernenden Systeme stärker zu berücksichtigen. Neben Fragestellungen für die Grundlagenforschung zum (Bewegungs-)Lernen ließen sich hieraus unmittelbar praxisrelevante Erkenntnisse darüber ableiten, wie Bewegungslernprozesse mittels verschiedener Variationsbereiche strukturiert und gesteuert werden könnten.

Integration von Heizern in thermotrope flüssigkristalline Elastomer-Aktoren und deren Anwendung beim technischen Nachbau eines menschlichen Auges

Flüssigkristalline Elastomere (LCE) zeigen eine reversible Kontraktion und werden in der Literatur auch als „künstliche Muskeln“ bezeichnet. In dieser Arbeit werden sie mit einem integrierten Heizer versehen, um eine schnelle und präzise Ansteuerung zu ermöglichen. Anschließend werden diese als Aktoren zur Realisierung eines technischen Nachbaus des menschlichen Auges verwendet. rnDas einzigartige Verhalten der flüssigkristallinen Elastomere beruht auf der Kombination der Entropie Elastizität des Elastomers mit der Selbstorganisation der flüssigkristallinen Einheiten (Mesogene). Diese beiden Eigenschaften ermöglichen eine reversible, makroskopische Verformung beim Phasenübergang des Flüssigkristalls in die isotrope Phase. Hierbei ist es wichtig eine homogene Orientierung der Mesogene zu erzeugen, was in dieser Arbeit durch ein Magnetfeld erreicht wird. Da es sich um ein thermotropes flüssigkristallines Elastomer handelt, werden in dieser Arbeit zwei Ansätze vorgestellt, um den LCE intern zu heizen. Zum einen werden Kohlenstoffnanoröhren integriert, um diese über Strahlung oder Strom zu heizen und zum anderen wird ein flexibler Heizdraht integriert, welcher ebenfalls über Strom geheizt wird. rnUm den technischen Nachbau des menschlichen Auges zu realisieren, ist die Herstellung einer flüssigkristallinen Iris gezeigt. Hierzu wird ein radiales Magnetfeld aufgebaut, welches eine radiale Orientierung des Mesogene ermöglicht, wodurch wiederum eine radiale Kontraktion ermöglicht wird. Außerdem sind zwei Konzepte vorgestellt, um eine Elastomer Linse zu verformen. Zum einen wird diese mit einem ringförmigen LCE auseinandergezogen und somit abgeflacht. Zum anderen sind acht Aktoren über Anker an einer Linse angebracht, welche ebenfalls eine Vergrößerung der Linse bewirken. In beiden Fällen werden LCE mit dem zuvor präsentierten integrierten Heizdraht verwendet. Abschließend ist das Zusammensetzen des technische Nachbaus des menschlichen Auges dargestellt, sowie Aufnahmen, welche mit diesem erzeugt wurden.

The swelling behaviour of polyelectrolyte networks

Being basic ingredients of numerous daily-life products with significant industrial importance as well as basic building blocks for biomaterials, charged hydrogels continue to pose a series of unanswered challenges for scientists even after decades of practical applications and intensive research efforts. Despite a rather simple internal structure it is mainly the unique combination of short- and long-range forces which render scientific investigations of their characteristic properties to be quite difficult. Hence early on computer simulations were used to link analytical theory and empirical experiments, bridging the gap between the simplifying assumptions of the models and the complexity of real world measurements. Due to the immense numerical effort, even for high performance supercomputers, system sizes and time scales were rather restricted until recently, whereas it only now has become possible to also simulate a network of charged macromolecules. This is the topic of the presented thesis which investigates one of the fundamental and at the same time highly fascinating phenomenon of polymer research: The swelling behaviour of polyelectrolyte networks. For this an extensible simulation package for the research on soft matter systems, ESPResSo for short, was created which puts a particular emphasis on mesoscopic bead-spring-models of complex systems. Highly efficient algorithms and a consistent parallelization reduced the necessary computation time for solving equations of motion even in case of long-ranged electrostatics and large number of particles, allowing to tackle even expensive calculations and applications. Nevertheless, the program has a modular and simple structure, enabling a continuous process of adding new potentials, interactions, degrees of freedom, ensembles, and integrators, while staying easily accessible for newcomers due to a Tcl-script steering level controlling the C-implemented simulation core. Numerous analysis routines provide means to investigate system properties and observables on-the-fly. Even though analytical theories agreed on the modeling of networks in the past years, our numerical MD-simulations show that even in case of simple model systems fundamental theoretical assumptions no longer apply except for a small parameter regime, prohibiting correct predictions of observables. Applying a "microscopic" analysis of the isolated contributions of individual system components, one of the particular strengths of computer simulations, it was then possible to describe the behaviour of charged polymer networks at swelling equilibrium in good solvent and close to the Theta-point by introducing appropriate model modifications. This became possible by enhancing known simple scaling arguments with components deemed crucial in our detailed study, through which a generalized model could be constructed. Herewith an agreement of the final system volume of swollen polyelectrolyte gels with results of computer simulations could be shown successfully over the entire investigated range of parameters, for different network sizes, charge fractions, and interaction strengths. In addition, the "cell under tension" was presented as a self-regulating approach for predicting the amount of swelling based on the used system parameters only. Without the need for measured observables as input, minimizing the free energy alone already allows to determine the the equilibrium behaviour. In poor solvent the shape of the network chains changes considerably, as now their hydrophobicity counteracts the repulsion of like-wise charged monomers and pursues collapsing the polyelectrolytes. Depending on the chosen parameters a fragile balance emerges, giving rise to fascinating geometrical structures such as the so-called pear-necklaces. This behaviour, known from single chain polyelectrolytes under similar environmental conditions and also theoretically predicted, could be detected for the first time for networks as well. An analysis of the total structure factors confirmed first evidences for the existence of such structures found in experimental results.

Self assembled materials for solar cell application

In der vorliegenden Arbeit wurden Materialien und Aufbauten für Hybrid Solarzellen entwickelt und erforscht. rnDer Vergleich zweier bekannter Lochleitermaterialien für Solarzellen in einfachen Blend-Systemen brachte sowohl Einsicht zur unterschiedlichen Eignung der Materialien für optoelektronische Bauelemente als auch neue Erkenntnisse in Bereichen der Langzeitstabilität und Luftempfindlichkeit beider Materialien.rnWeiterhin wurde eine Methode entwickelt, um Hybrid Solarzelle auf möglichst unkomplizierte Weise aus kostengünstigen Materialien darzustellen. Die „Eintopf“-Synthese ermöglicht die unkomplizierte Darstellung eines funktionalen Hybridmaterials für die optoelektronische Anwendung. Mithilfe eines neu entwickelten amphiphilen Blockcopolymers, das als funktionelles Templat eingesetzt wurde, konnten mit einem TiO2-Precursor in einem Sol-Gel Ansatz verschiedene selbstorganisierte Morphologien des Hybridmaterials erhalten werden. Verschiedene Morphologien wurden auf ihre Eignung in Hybrid Solarzellen untersucht. Ob und warum die Morphologie des Hybridsystems die Effizienz der Solarzelle beeinflusst, konnte verdeutlicht werden. Mit der Weiterentwicklung der „Eintopf“-Synthese, durch den Austausch des TiO2-Precursors, konnte die Solarzelleneffizienz von 0.15 auf 0.4 % gesteigert werden. Weiterhin konnte die Übertragbarkeit des Systems durch den erfolgreichen Austausch des Halbleiters TiO¬2 mit ZnO bewiesen werden.rn

Structure and properties of nanostructures from polyelectrolytes and porphyrins: Self-Assembly in aqueous solution

In this work self-assembling model systems in aqueous solution were studied. The systems contained charged polymers, polyelectrolytes, that were combined with oppositely charged counterions to build up supramolecular structures. With imaging, scattering and spectroscopic techniques it was investigated how the structure of building units influences the structure of their assemblies. Polyelectrolytes with different chemical structure, molecular weight and morphology were investigated. In addition to linear polyelectrolytes, semi-flexible cylindrical bottle-brush polymers that possess a defined cross-section and a relatively high persistence along the backbone were studied. The polyelectrolytes were combined with structural organic counterions having charge numbers one to four. Especially the self-assembly of polyelectrolytes with different tetravalent water-soluble porphyrins was studied. Porphyrins have a rigid aromatic structure that has a structural effect on their self-assembly behavior and through which porphyrins are capable of self-aggregation via π-π interaction. The main focus of the thesis is the self-assembly of cylindrical bottle-brush polyelectrolytes with tetravalent porphyrins. It was shown that the addition of porphyrins to oppositely charged brush molecules induces a hierarchical formation of stable nanoscale brush-porphyrin networks. The networks can be disconnected by addition of salt and single porphyrin-decoratedrncylindrical brush polymers are obtained. These two new morphologies, brush-porphyrin networks and porphyrin-decorated brush polymers, may have potential as functional materials with interesting mechanical and optical properties.

From large polycyclic aromatic hydrocarbons to extended aromate-rich networks

The common ground of this study is the development of novel synthetic strategies to extended one-, two- and three-dimensional aromate-rich systems for which a number of applications are envisaged. rnThe point of departure is the synthesis and characterization of highly symmetric macrocyclic PAHs (polycyclic aromatic hydrocarbons) for which various aspects of supramolecular chemistry will be investigated. The versatility of the Yamamoto macrocyclization will be demonstrated on the basis of a set of cyclic trimers that exhibit a rich supramolecular chemistry. 1,10-phenanthroline, triphenylene and ortho-terphenyl building blocks have been successfully assembled to the corresponding macrocycles following the newly developed synthetic route. Scanning-tunneling microscopy (STM) and two-dimensional wide-angle X-ray scattering (2D-WAXS) were used to study the two- and three-dimensional self-assembly, respectively.rnSecondly, the development of chemical approaches to highly shape-anisotropic graphene nanoribbons (GNRs) and related nanographene molecules shall be discussed. Aryl-aryl coupling was used for the bottom-up fabrication of dendronized monomers, polymers and model compounds. Subsequently, these structures were converted into the final graphene material using oxidative (Scholl-type) cyclodehydrogenation. The GNRs thus obtained are characterized by an unprecedented length and lateral extension. The relevance of structural tailoring in the field of well-defined graphene materials is discussed in detail as only the chemical approach provides full geometry control. rnLastly, novel pathways towards the synthesis of extended three-dimensional networks that are dominated by nitrogen-rich motifs will be presented. If porous, these materials hold a great potential in the fields of gas and energy storage as well as for applications in catalysis. Hence, poly(aminal) networks based on melamine as crosslinking unit were synthesized and characterized with respect to the applications mentioned above. As set of conjugated poly(azomethine) networks was investigated regarding their use as a novel class of organic semiconductors for photocatalytic water splitting. The network structures described in this chapter can also be subjected to a controlled pyrolysis yielding mesoporous, nitrogen-rich carbon materials that were evaluated as active component for supercapacitors.rn