Comparison of model potentials for molecular dynamics simulation of crystalline silica

Simulationen von SiO2 mit dem von van Beest, Kramer und vanSanten (BKS) entwickelten Paarpotenzial erzeugen vielezufriedenstellende Ergebnisse, aber auch charakteristischeSchwachstellen. In dieser Arbeit wird das BKS-Potenzial mitzwei kürzlich vorgeschlagenen Potenzialen verglichen, dieeffektiv Mehrteilchen-Wechselwirkungen beinhalten. Der ersteAnsatz erlaubt dazu fluktuierende Ladungen, der zweiteinduzierbare Polarisierungen auf den Sauerstoffatomen. Die untersuchten Schwachstellen des BKS Potenzialsbeinhalten das Verhältnis der zwei Gitterkonstanten a und cim Quarzübergang, das von BKS falsch beschrieben wird.Cristobalit und Tridymit erscheinen instabil mit BKS.Weiterhin zeigt die BKS-Zustandsdichte charakteristischeAbweichungen von der wahren Zustandsdichte. DerÜbergangsdruck für den Stishovit I-II Übergang wird deutlichüberschätzt. Das Fluktuierende-Ladungs-Modell verbesserteinige der genannten Punkte, reproduziert aber viele andereEigenschaften schlechter als BKS. DasFluktierende-Dipol-Modell dagegen behebt alle genanntenArtefakte. Zusätzlich wird der druckinduzierte Phasenübergang imalpha-Quarz untersucht. Alle Potentiale finden die selbeStruktur für Quarz II. Bei anschliessender Dekompressionerzeugt BKS eine weitere Phase, während die beiden anderenPotentiale wieder zum alpha-Quarz zurückkehren. Weiterhinwerden zwei Methoden entwickelt, um die piezoelektrischenKonstanten bei konstantem Druck zu bestimmen. Die Ergebnissegeben Hinweise auf eine möglicherweisenicht-elektrostatische Natur der Polarisierungen imFluktuierende-Dipole-Modell. Mit dieser Interpretation scheint das Fluktuierende-DipolPotential alle verfügbaren experimentellen Daten am bestenvon allen drei untersuchten Ansätzen zu reproduzieren.

Synthesis and characterisation of photoreactive silanes for the self-assembly on functionalised silica surfaces

The aim of this thesis was to investigate novel techniques to create complex hierarchical chemical patterns on silica surfaces with micro to nanometer sized features. These surfaces were used for a site-selective assembly of colloidal particles and oligonucleotides. To do so, functionalised alkoxysilanes (commercial and synthesised ones) were deposited onto planar silica surfaces. The functional groups can form reversible attractive interactions with the complementary surface layers of the opposing objects that need to be assembled. These interactions determine the final location and density of the objects onto the surface. Photolithographically patterned silica surfaces were modified with commercial silanes, in order to create hydrophilic and hydrophobic regions on the surface. Assembly of hydrophobic silica particles onto these surfaces was investigated and finally, pH and charge effects on the colloidal assembly were analysed. In the second part of this thesis the concept of novel, "smart" alkoxysilanes is introduced that allows parallel surface activation and patterning in a one-step irradiation process. These novel species bear a photoreactive head-group in a protected form. Surface layers made from these molecules can be irradiated through a mask to remove the protecting group from selected regions and thus generate lateral chemical patterns of active and inert regions on the substrate. The synthesis of an azide-reactive alkoxysilane was successfully accomplished. Silanisation conditions were carefully optimised as to guarantee a smooth surface layer, without formation of micellar clusters. NMR and DLS experiments corroborated the absence of clusters when using neither water nor NaOH as catalysts during hydrolysis, but only the organic solvent itself. Upon irradiation of the azide layer, the resulting nitrene may undergo a variety of reactions depending on the irradiation conditions. Contact angle measurements demonstrated that the irradiated surfaces were more hydrophilic than the non-irradiated azide layer and therefore the formation of an amine upon irradiation was postulated. Successful photoactivation could be demonstrated using condensation patterns, which showed a change in wettability on the wafer surface upon irradiation. Colloidal deposition with COOH functionalised particles further underlined the formation of more hydrophilic species. Orthogonal photoreactive silanes are described in the third part of this thesis. The advantage of orthogonal photosensitive silanes is the possibility of having a coexistence of chemical functionalities homogeneously distributed in the same layer, by using appropriate protecting groups. For this purpose, a 3',5'-dimethoxybenzoin protected carboxylic acid silane was successfully synthesised and the kinetics of its hydrolysis and condensation in solution were analysed in order to optimise the silanisation conditions. This compound was used together with a nitroveratryl protected amino silane to obtain bicomponent surface layers. The optimum conditions for an orthogonal deprotection of surfaces modified with this two groups were determined. A 2-step deprotection process through a mask generated a complex pattern on the substrate by activating two different chemistries at different sites. This was demonstrated by colloidal adsorption and fluorescence labelling of the resulting substrates. Moreover, two different single stranded oligodeoxynucleotides were immobilised onto the two different activated areas and then hybrid captured with their respective complementary, fluorescent labelled strand. Selective hybridisation could be shown, although non-selective adsorption issues need to be resolved, making this technique attractive for possible DNA microarrays.

Development of empirical potentials for amorphous silica

Development of empirical potentials for amorphous silica Amorphous silica (SiO2) is of great importance in geoscience and mineralogy as well as a raw material in glass industry. Its structure is characterized as a disordered continuous network of SiO4 tetrahedra. Many efforts have been undertaken to understand the microscopic properties of silica by classical molecular dynamics (MD) simulations. In this method the interatomic interactions are modeled by an effective potential that does not take explicitely into account the electronic degrees of freedom. In this work, we propose a new methodology to parameterize such a potential for silica using ab initio simulations, namely Car-Parrinello (CP) method [Phys. Rev. Lett. 55, 2471 (1985)]. The new potential proposed is compared to the BKS potential [Phys. Rev. Lett. 64, 1955 (1990)] that is considered as the benchmark potential for silica. First, CP simulations have been performed on a liquid silica sample at 3600 K. The structural features so obtained have been compared to the ones predicted by the classical BKS potential. Regarding the bond lengths the BKS tends to underestimate the Si-O bond whereas the Si-Si bond is overestimated. The inter-tetrahedral angular distribution functions are also not well described by the BKS potential. The corresponding mean value of theSiOSi angle is found to be ≃ 147◦, while the CP yields to aSiOSi angle centered around 135◦. Our aim is to fit a classical Born-Mayer/Coulomb pair potential using ab initio calculations. To this end, we use the force-matching method proposed by Ercolessi and Adams [Europhys. Lett. 26, 583 (1994)]. The CP configurations and their corresponding interatomic forces have been considered for a least square fitting procedure. The classical MD simulations with the resulting potential have lead to a structure that is very different from the CP one. Therefore, a different fitting criterion based on the CP partial pair correlation functions was applied. Using this approach the resulting potential shows a better agreement with the CP data than the BKS ones: pair correlation functions, angular distribution functions, structure factors, density of states and pressure/density were improved. At low temperature, the diffusion coefficients appear to be three times higher than those predicted by the BKS model, however showing a similar temperature dependence. Calculations have also been carried out on crystalline samples in order to check the transferability of the potential. The equilibrium geometry as well as the elastic constants of α-quartz at 0 K are well described by our new potential although the crystalline phases have not been considered for the parameterization. We have developed a new potential for silica which represents an improvement over the pair potentials class proposed so far. Furthermore, the fitting methodology that has been developed in this work can be applied to other network forming systems such as germania as well as mixtures of SiO2 with other oxides (e.g. Al2O3, K2O, Na2O).

Pore structure and column efficiency of silica monoliths in high performance liquid chromatography (HPLC)

Five different methods were critically examined to characterize the pore structure of the silica monoliths. The mesopore characterization was performed using: a) the classical BJH method of nitrogen sorption data, which showed overestimated values in the mesopore distribution and was improved by using the NLDFT method, b) the ISEC method implementing the PPM and PNM models, which were especially developed for monolithic silicas, that contrary to the particulate supports, demonstrate the two inflection points in the ISEC curve, enabling the calculation of pore connectivity, a measure for the mass transfer kinetics in the mesopore network, c) the mercury porosimetry using a new recommended mercury contact angle values. rnThe results of the characterization of mesopores of monolithic silica columns by the three methods indicated that all methods were useful with respect to the pore size distribution by volume, but only the ISEC method with implemented PPM and PNM models gave the average pore size and distribution based on the number average and the pore connectivity values.rnThe characterization of the flow-through pore was performed by two different methods: a) the mercury porosimetry, which was used not only for average flow-through pore value estimation, but also the assessment of entrapment. It was found that the mass transfer from the flow-through pores to mesopores was not hindered in case of small sized flow-through pores with a narrow distribution, b) the liquid penetration where the average flow-through pore values were obtained via existing equations and improved by the additional methods developed according to Hagen-Poiseuille rules. The result was that not the flow-through pore size influences the column bock pressure, but the surface area to volume ratio of silica skeleton is most decisive. Thus the monolith with lowest ratio values will be the most permeable. rnThe flow-through pore characterization results obtained by mercury porosimetry and liquid permeability were compared with the ones from imaging and image analysis. All named methods enable a reliable characterization of the flow-through pore diameters for the monolithic silica columns, but special care should be taken about the chosen theoretical model.rnThe measured pore characterization parameters were then linked with the mass transfer properties of monolithic silica columns. As indicated by the ISEC results, no restrictions in mass transfer resistance were noticed in mesopores due to their high connectivity. The mercury porosimetry results also gave evidence that no restrictions occur for mass transfer from flow-through pores to mesopores in the small scaled silica monoliths with narrow distribution. rnThe prediction of the optimum regimes of the pore structural parameters for the given target parameters in HPLC separations was performed. It was found that a low mass transfer resistance in the mesopore volume is achieved when the nominal diameter of the number average size distribution of the mesopores is appr. an order of magnitude larger that the molecular radius of the analyte. The effective diffusion coefficient of an analyte molecule in the mesopore volume is strongly dependent on the value of the nominal pore diameter of the number averaged pore size distribution. The mesopore size has to be adapted to the molecular size of the analyte, in particular for peptides and proteins. rnThe study on flow-through pores of silica monoliths demonstrated that the surface to volume of the skeletons ratio and external porosity are decisive for the column efficiency. The latter is independent from the flow-through pore diameter. The flow-through pore characteristics by direct and indirect approaches were assessed and theoretical column efficiency curves were derived. The study showed that next to the surface to volume ratio, the total porosity and its distribution of the flow-through pores and mesopores have a substantial effect on the column plate number, especially as the extent of adsorption increases. The column efficiency is increasing with decreasing flow through pore diameter, decreasing with external porosity, and increasing with total porosity. Though this tendency has a limit due to heterogeneity of the studied monolithic samples. We found that the maximum efficiency of the studied monolithic research columns could be reached at a skeleton diameter of ~ 0.5 µm. Furthermore when the intention is to maximize the column efficiency, more homogeneous monoliths should be prepared.rn

The relevance of the silica metabolizing enzyme silicatein-alpha to biomineralization and the formation of biogenic silica in siliceous sponges

Die technische Silikatproduktion erfordert in der Regel hohe Temperaturen und extreme pH-Werte. In der Natur hingegen haben insbesondere Kieselschwämme die außergewöhnliche Fähigkeit, ihr Silikatskelett, das aus einzelnen sogenannten Spiculae besteht, enzymatisch mittels des Proteins Silicatein zu synthetisieren. rnIm Inneren der Spiculae, im zentralen Kanal, befindet sich das Axialfilament, welches hauptsächlich aus Silicatein-α aufgebaut ist. Mittels Antikörperfärbungen und Elektronenmikroskopischen Analysen konnte festgestellt werden, dass Silicatein in mit Kieselsäure-gefüllten Zellorganellen (silicasomes) nachzuweisen ist. Mittels dieser Vakuolen kann das Enzym und die Kieselsäure aus der Zelle zu den Spiculae im extrazellulären Raum befördert werden, wo diese ihre endgültige Länge und Dicke erreichen. Zum ersten Mal konnte nachgewiesen werden, dass rekombinant hergestelltes Silicatein-α sowohl als Siliciumdioxid-Polymerase als auch Siliciumdioxid-Esterase wirkt. Mittels Massenspektroskopie konnte die enzymatische Polymerisation von Kieselsäure nachverfolgt werden. Durch Spaltung der Esterbindung des künstlichen Substrates Bis(p-aminophenoxy)-dimethylsilan war es möglich kinetische Parameter der Siliciumdioxid-Esterase-Aktivität des rekombinanten Silicateins zu ermitteln.rnZu den größten biogenen Silikatstukuren auf der Erde gehören die Kieselnadeln der Schwammklasse Hexactinellida. Nadelextrakte aus den Schwammklassen Demospongien (S. domuncula) und Hexactinellida (M. chuni) wurden miteinander verglichen um die potentielle Existenz von Silicatein oder Silicatein-ähnliche Molekülen und die dazu gehörige proteolytischen Aktivität nachzuweisen. Biochemische Analysen zeigten, dass das 27 kDA große isolierte Polypeptid in Monoraphis mehrere gemeinsame Merkmale mit den Silicateinen der Demospongien teilt. Dazu gehören die Größe und die Proteinase-Aktivität. rnUm die Frage zu klären, ob das axiale Filament selbst zur Formbildung der Skelettelemente beiträgt, wurde ein neues mildes Extraktionsverfahren eingeführt. Dieses Verfahren ermöglichte die Solubilisierung des nativen Silicateins aus den Spiculae. Die isolierten Silicateine lagen als Monomere (24 kDa) vor, die Dimere durch nicht-kovalente Bindungen ausbildeten. Darüber hinaus konnten durch PAGE-Gelelektrophorese Tetramere (95 kDa) und Hexamere (135 kDa) nachgewiesen werden. Die Monomere zeigten eine beträchtliche proteolytische Aktivität, die sich während der Polymerisationsphase des Proteins weiter erhöhte. Mit Hilfe der Lichtmikroskopie und Elektronenmikroskopie (TEM) konnte die Assemblierung der Proteine zu filamentartigen Strukturen gezeigt werden. Die Selbstorganisation der Silicatein-α-Monomeren scheint eine Basis für Form- und Musterbildung der wachsenden Nadeln zu bilden.rn Um die Rolle des kürzlich entdeckten Proteins Silintaphin-1, ein starker Interaktionspartner des Silicatein-α, während der Biosilifizierung zu klären, wurden Assemblierungs-Experimente mit den rekombinanten Proteinen in vitro durchgeführt. Zusätzlich wurde deren Effekt auf die Biosilikatsynthese untersucht. Elektronenmikroskopische Analysen ergaben, dass rekombinantes Silicatein-α zufällig verteilte Aggregate bildet, während die Koinkubation beider Proteine (molekulares Verhältnis 4:1) über fraktal artige Strukturen zu Filamenten führt. Auch die enzymatische Aktivität der Silicatein-α-vermittelte Biosilikatsynthese erhöhte sich in Gegenwart von Silintaphin-1 um das 5,3-fache. rn

Controlled wetting on silica-based nano- and microstructured surfaces

Der Fokus dieser Doktorarbeit liegt auf der kontrollierten Benetzung von festen Oberflächen, die in vielen Bereichen, wie zum Beispiel in der Mikrofluidik, für Beschichtungen und in biologischen Studien von Zellen oder Bakterien, von großer Bedeutung ist.rnDer erste Teil dieser Arbeit widmet sich der Frage, wie Nanorauigkeit das Benetzungsverhalten, d.h. die Kontaktwinkel und die Pinningstärke, von hydrophoben und superhydrophoben Beschichtungen beeinflusst. Hierfür wird eine neue Methode entwickelt, um eine nanoraue Silika-Beschichtung über die Gasphase auf eine superhydrophobe Oberfläche, die aus rauen Polystyrol-Silika-Kern-Schale-Partikeln besteht, aufzubringen. Es wird gezeigt, dass die Topographie und Dichte der Nanorauigkeiten bestimmt, ob sich die Superhydrophobizität verringert oder erhöht, d.h. ob sich ein Flüssigkeitstropfen im Nano-Wenzel- oder Nano-Cassie-Zustand befindet. Das verstärkte Pinning im Nano-Wenzel-Zustand beruht auf dem Eindringen von Flüssigkeitsmolekülen in die Nanoporen der Beschichtung. Im Nano-Cassie-Zustand dagegen sitzt der Tropfen auf den Nanorauigkeiten, was das Pinning vermindert. Die experimentellen Ergebnisse werden mit molekulardynamischen Simulationen in Bezug gesetzt, die den Einfluss der Oberflächenbeschichtungsdichte und der Länge von fluorinierten Silanen auf die Hydrophobizität einer Oberfläche untersuchen. rnEs wurden bereits verschiedenste Techniken zur Herstellung von transparenten superhydrophoben, d.h. extrem flüssigkeitsabweisenden, Oberflächen entwickelt. Eine aktuelle Herausforderung liegt darin, Funktionalitäten einzuführen, ohne die superhydrophoben Eigenschaften einer Oberfläche zu verändern. Dies ist extrem anspruchsvoll, da funktionelle Gruppen in der Regel hydrophil sind. In dieser Arbeit wird eine innovative Methode zur Herstellung von transparenten superhydrophoben Oberflächen aus Janus-Mikrosäulen mit variierenden Dimensionen und Topographien entwickelt. Die Janus-Säulen haben hydrophobe Seitenwände und hydrophile Silika-Oberseiten, die anschließend selektiv und ohne Verlust der superhydrophoben Eigenschaften der Oberfläche funktionalisiert werden können. Diese selektive Oberflächenfunktionalisierung wird mittels konfokaler Mikroskopie und durch das chemische Anbinden von fluoreszenten Molekülen an die Säulenoberseiten sichtbar gemacht. Außerdem wird gezeigt, dass das Benetzungsverhalten durch Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Festkörper in der Nähe der Benetzungslinie bestimmt wird. Diese Beobachtung widerlegt das allgemein akzeptierte Modell von Cassie und Baxter und beinhaltet, dass hydrophile Flächen, die durch mechanischen Abrieb freigelegt werden, nicht zu einem Verlust der Superhydrophobizität führen müssen, wie allgemein angenommen.rnBenetzung kann auch durch eine räumliche Beschränkung von Flüssigkeiten kontrolliert werden, z.B. in mikrofluidischen Systemen. Hier wird eine modifizierte Stöber-Synthese verwendet, um künstliche und natürliche Faser-Template mit einer Silika-Schicht zu ummanteln. Nach der thermischen Zersetzung des organischen Templat-Materials entstehen wohldefinierte Silika-Kanäle und Kanalkreuzungen mit gleichmäßigen Durchmessern im Nano- und Mikrometerbereich. Auf Grund ihrer Transparenz, mechanischen Stabilität und des großen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnisses sind die Kanäle sehr gut geeignet, um die Füllgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten mit variierenden Oberflächenspannungen und Viskositäten zu untersuchen. Konfokale Mikroskopie ermöglicht es hierbei, die Füllgeschwindigkeiten über eine Länge von mehreren Millimetern, sowie direkt am Kanaleingang zu messen. Das späte Füllstadium kann sehr gut mit der Lucas-Washburn-Gleichung beschrieben werden. Die anfänglichen Füllgeschwindigkeiten sind jedoch niedriger als theoretisch vorhergesagt. Wohingegen die vorhergehenden Abschnitte dieser Arbeit sich mit der quasistatischen Benetzung beschäftigen, spielt hier die Dynamik der Benetzung eine wichtige Rolle. Tatsächlich lassen sich die beobachteten Abweichungen durch einen geschwindigkeitsabhängigen Fortschreitkontaktwinkel erklären und durch dynamische Benetzungstheorien modellieren. Somit löst diese Arbeit das seit langem diskutierte Problem der Abweichungen von der Lucas-Washburn-Gleichung bei kleinen Füllgeschwindigkeiten.