Simulations of charge transport in organic compounds

To aid the design of organic semiconductors, we study the charge transport properties of organic liquid crystals, i.e. hexabenzocoronene and carbazole macrocycle, and single crystals, i.e. rubrene, indolocarbazole and benzothiophene derivatives (BTBT, BBBT). The aim is to find structure-property relationships linking the chemical structure as well as the morphology with the bulk charge carrier mobility of the compounds. To this end, molecular dynamics (MD) simulations are performed yielding realistic equilibrated morphologies. Partial charges and molecular orbitals are calculated based on single molecules in vacuum using quantum chemical methods. The molecular orbitals are then mapped onto the molecular positions and orientations, which allows calculation of the transfer integrals between nearest neighbors using the molecular orbital overlap method. Thus we obtain realistic transfer integral distributions and their autocorrelations. In case of organic crystals the differences between two descriptions of charge transport, namely semi-classical dynamics (SCD) in the small polaron limit and kinetic Monte Carlo (KMC) based on Marcus rates, are studied. The liquid crystals are investigated solely in the hopping limit. To simulate the charge dynamics using KMC, the centers of mass of the molecules are mapped onto lattice sites and the transfer integrals are used to compute the hopping rates. In the small polaron limit, where the electronic wave function is spread over a limited number of neighboring molecules, the Schroedinger equation is solved numerically using a semi-classical approach. The results are compared for the different compounds and methods and, where available, with experimental data. The carbazole macrocycles form columnar structures arranged on a hexagonal lattice with side chains facing inwards, so columns can closely approach each other allowing inter-columnar and thus three-dimensional transport. When taking only intra-columnar transport into account, the mobility is orders of magnitude lower than in the three-dimensional case. BTBT is a promising material for solution-processed organic field-effect transistors. We are able to show that, on the time-scales of charge transport, static disorder due to slow side chain motions is the main factor determining the mobility. The resulting broad transfer integral distributions modify the connectivity of the system but sufficiently many fast percolation paths remain for the charges. Rubrene, indolocarbazole and BBBT are examples of crystals without significant static disorder. The high mobility of rubrene is explained by two main features: first, the shifted cofacial alignment of its molecules, and second, the high center of mass vibrational frequency. In comparsion to SCD, only KMC based on Marcus rates is capable of describing neighbors with low coupling and of taking static disorder into account three-dimensionally. Thus it is the method of choice for crystalline systems dominated by static disorder. However, it is inappropriate for the case of strong coupling and underestimates the mobility of well-ordered crystals. SCD, despite its one-dimensionality, is valuable for crystals with strong coupling and little disorder. It also allows correct treatment of dynamical effects, such as intermolecular vibrations of the molecules. Rate equations are incapable of this, because simulations are performed on static snapshots. We have thus shown strengths and weaknesses of two state of the art models used to study charge transport in organic compounds, partially developed a program to compute and visualize transfer integral distributions and other charge transport properties, and found structure-mobility relations for several promising organic semiconductors.

Automatische objektive Identifikation und Berechnung der Eigenschaften von Rossbywellenzügen

In dieser Arbeit wird eine Methode entwickelt, die Rossbywellenzüge automatisch identifiziert und und deren Eigenschaften quantifiziert. Mit dieser Methode wird der Wellenzug als eine Einheit in Raum und Zeit interpretiert. Einheit im Raum heißt, dass nicht die einzelnen Tröge und Rücken eines Wellenzugs betrachtet werden, sondern deren Einhüllende. Einheit in der Zeit bedeutet, dass der Wellenzug nicht nur zu einem Zeitpunkt betrachtet wird, sondern über seine gesamte Lebensdauer hinweg. Um den Wellenzug als räumliche und zeitliche Einheit zu erhalten, werden die Einhüllenden der Wellenzüge in Längengrad-Zeit Diagrammen, sogenannten Hovmöllerdiagrammen, betrachtet. Dort werden zusammenhängende Regionen als Objekte, die jeweils einen Wellenzug repräsentieren, identifiziert. Deren Eigenschaften werden dann automatisch berechnet. Diese Eigenschaften können nun direkt dem zugrunde liegenden Rossbywellenzug zugeordnet werden.rnDie neue Methode wird in zwei verschiedenen Szenarien angewendet: erstens zur Beurteilung der Vorhersagequalität eines einzelnen Rossbywellenzugs und zweitens für die klimatologische Betrachtung von Rossbywellenzügen im ERA-40 Reanalysedatensatz. Sie wurde weiterhin mit bisher verwendeten Methoden zur Identifikation und Quantifizierung von Rossbywellenzügen verglichen.rnDie Untersuchung der Vorhersagequalität ergab, dass in dem betrachteten Fall die Übereinstimmung der Vorhersage mit der Analyse des Wellenzugs gering war, sofern das Modell initialisiert wurde, bevor der Rossbywellenzug eingesetzt hatte. Im Gegensatz dazu nahm die Vorhersagequalität deutlich zu, wenn der Wellenzug bereits in den Vorhersagedaten enthalten war. Dies deutet darauf hin, dass es in dem vorliegenden Fall problematisch ist, mit dem Modell den Auslösemechanismus korrekt voherzusagen. Für die weitere Untersuchung der Vorhersagequalität wurde eine spezielle Art der Darstellung der Daten verwendet, mit deren Hilfe deutlich wurde, dass das verwendete Modell in der Lage ist, diesen Wellenzug ungefähr sechs Tage im Voraus vorherzusagen. Diese Zeitspanne ist deutlich kürzer als die Lebensdauer des Wellenzugs, die etwa 10 Tage beträgt.rnIm Rahmen der klimatologischen Studie ergab sich eine positive Korrelation zwischen der Lebensdauer eines Rossbywellenzugs und des Bereichs den dieser Wellenzug während seiner gesamten Existenz in zonaler Richtung überstreicht. Für Wellenzüge mit einer kurzen Lebensdauer ergab sich eine ebenfalls positive Korrelation zwischen der mittleren Amplitude und der Dauer des Wellenzugs. Für eine längere Lebensdauer geht diese Korrelation aber in eine Sättigung über und die mittlere Amplitude steigt nicht mehr weiter an. Als eine mögliche Erklärung für dieses Verhalten wird angeführt, dass eine gewisse Stärke der Amplitude benötigt wird um stromabwärtige Entwicklung zu erhalten aber zu große Amplituden im Allgemeinen zum Brechen der Welle führen. Das Brechen leitet den letzten Abschnitt im Lebenszyklus eines Rossbywellenzuges ein, welcher im Anschluss meist zerfällt. Ein weiteres Ergebnis der klimatologischen Untersuchung ist das Auffinden bevorzugter Regionen der Entstehung und des Abklingens von Rossbywellenzügen. Diese Regionen unterscheiden sich erheblich für Rossbywellenzüge unterschiedlicher minimaler Lebensdauer. Langlebige Rossbywellenzüge entstehen demnach hauptsächlich über Ostasien und dem Westpazifik und vergehen dann über Europa.rnSchließlich wurde die entwickelte Methode in einen systematischen Vergleich anderer Methoden zur Identifikation und Quantifizierung von Rossbywellenzügen eingereiht. Die betrachteten Methoden beinhalten verschiedene Trog-und-Rücken Hovmöllerdiagramme des Meridionalwindes, Methoden die Rossbywellenzüge als eine Einheit identifizieren und Methoden die den Beitrag verschiedener physikalischer Aspekte zu der Entwicklung von Rossbywellenenzügen quantifizieren. Der Vergleich macht deutlich, dass jede Methode ihre individuellen Stärken und Schwächen hat. Dies bedeutet insbesondere, dass die Eignung der Methode von dem Stadium des Lebenszyklus, in dem sich der Rossbywellenzug befindet und dem Fokus, den man bei der Betrachtung hat, abhängt. Ideal ist eine Kombination mehrerer Methoden, da dies ein vollständigeres Bild eines Rossbywellenzuges ergibt als einzelne Methoden es zu liefern vermögen. Obwohl alle Methoden für die Anwendungen, für die sie jeweils konzipiert wurden, geeignet sind, ergeben sich bei der Diagnose der Rossbywellenzüge beträchtliche Unterschiede. Letztendlich stellt sich heraus, dass sogar die Defintion eines Rossbywellenzugs bis zu einem gewissen Grad von der zu seiner Identifizierung verwendeten Methode abhängt.

Evaluation of polymeric nanocarriers for RNA delivery

Therapeutic RNAs, especially siRNAs, are a promising approach for treating diseases like cancer, neurodegenerative disorders and viral infections. Their application, however, is limited due to a lack of safe and efficient delivery systems. Nanosized carriers with the ability to either complex or entrap RNA species are a promising option. rn rn rnSuch a carrier has to meet a lot of requirements, some of which are even partly contradictive. Understanding and controlling the interplay between the different demands would advance a strategic design at an early stage of therapeutic development. rn rn This work is centered around a systematic evaluation of polyplexes, such carriers that are able to complex siRNA due to electrostatic interactions. Six structurally and chemically diverse candidates, poly-L-lysine brushes, block copolymers, cationic peptides, cationic lipids, nanohydrogels, and manganese oxide particles, were tested in a simultaneous fashion. The assays, mostly based on fluorescently labeled siRNA, ranged from the evaluation of polyplex formation and stability to in vitro parameters like cellular uptake and knockdown capability. The analysis from several perspectives offered insight into the interplay between the specifications of one polyplex. Assessing the different carriers under exactly the same experimental conditions also allowed conclusions about favourable traits and starting points for further optimization. This comparative approach also revealed weaknesses of some of the conventional protocols, which were therefore contrasted with alternative methods. In addition, in vitro knockdown assays were optimized and the impact of fluorescently labeled siRNA on knockdown efficiency was assessed. rn rn rn A second class of carriers, which share the ability to entrap siRNA inside their matrix, are briefly addressed. Nanocapsules, dextran particles and liposomes were assessed for basic features like siRNA encapsulation and knockdown capability. rn rn rn rn In an approach towards targeted delivery of RNA, liposomes were endowed with mitochondriotropic tags. Despite successful functionalization, no colocalization between the liposomal cargo and mitochondria was so far observed, which makes further optimization necessary.