Atomistic simulations of cosolvent/water mixtures

In this thesis, atomistic simulations are performed to investigate hydrophobic solvation and hydrophobic interactions in cosolvent/water binary mixtures. Many cosolvent/water binary mixtures exhibit non-ideal behavior caused by aggregation at the molecular scale level although they are stable and homogenous at the macroscopic scale. Force-field based atomistic simulations provide routes to relate atomistic-scale structure and interactions to thermodynamic solution properties. The predicted solution properties are however sensitive to the parameters used to describe the molecular interactions. In this thesis, a force field for tertiary butanol (TBA) and water mixtures is parameterized by making use of the Kirkwood-Buff theory of solution. The new force field is capable of describing the alcohol-alcohol, water-water and alcohol-water clustering in the solution as well as the solution components’ chemical potential derivatives in agreement with experimental data. With the new force field, the preferential solvation and the solvation thermodynamics of a hydrophobic solute in TBA/water mixtures have been studied. First, methane solvation at various TBA/water concentrations is discussed in terms of solvation free energy-, enthalpy- and entropy- changes, which have been compared to experimental data. We observed that the methane solvation free energy varies smoothly with the alcohol/water composition while the solvation enthalpies and entropies vary nonmonotonically. The latter occurs due to structural solvent reorganization contributions which are not present in the free energy change due to exact enthalpy-entropy compensation. It is therefore concluded that the enthalpy and entropy of solvation provide more detailed information on the reorganization of solvent molecules around the inserted solute. Hydrophobic interactions in binary urea/water mixtures are next discussed. This system is particularly relevant in biology (protein folding/unfolding), however, changes in the hydrophobic interaction induced by urea molecules are not well understood. In this thesis, this interaction has been studied by calculating the free energy (potential of mean force), enthalpy and entropy changes as a function of the solute-solute distance in water and in aqueous urea (6.9 M) solution. In chapter 5, the potential of mean force in both solution systems is analyzed in terms of its enthalpic and entropic contributions. In particular, contributions of solvent reorganization in the enthalpy and entropy changes are studied separately to better understand what are the changes in interactions in the system that contribute to the free energy of association of the nonpolar solutes. We observe that in aqueous urea the association between nonpolar solutes remains thermodynamically favorable (i.e., as it is the case in pure water). This observation contrasts a long-standing belief that clusters of nonpolar molecules dissolve completely in the presence of urea molecules. The consequences of our observations for the stability of proteins in concentrated urea solutions are discussed in the chapter 6 of the thesis.

Electron spectroscopy of novel charge transfer systems based on polycyclic aromatic hydrocarbons

Organische Ladungstransfersysteme weisen eine Vielfalt von konkurrierenden Wechselwirkungen zwischen Ladungs-, Spin- und Gitterfreiheitsgraden auf. Dies führt zu interessanten physikalischen Eigenschaften, wie metallische Leitfähigkeit, Supraleitung und Magnetismus. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der elektronischen Struktur von organischen Ladungstransfersalzen aus drei Material-Familien. Dabei kamen unterschiedliche Photoemissions- und Röntgenspektroskopietechniken zum Einsatz. Die untersuchten Moleküle wurden z.T. im MPI für Polymerforschung synthetisiert. Sie stammen aus der Familie der Coronene (Donor Hexamethoxycoronen HMC und Akzeptor Coronen-hexaon COHON) und Pyrene (Donor Tetra- und Hexamethoxypyren TMP und HMP) im Komplex mit dem klassischen starken Akzeptor Tetracyanoquinodimethan (TCNQ). Als dritte Familie wurden Ladungstransfersalze der k-(BEDT-TTF)2X Familie (X ist ein monovalentes Anion) untersucht. Diese Materialien liegen nahe bei einem Bandbreite-kontrollierten Mottübergang im Phasendiagramm.rnFür Untersuchungen mittels Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS) wurden UHV-deponierte dünne Filme erzeugt. Dabei kam ein neuer Doppelverdampfer zum Einsatz, welcher speziell für Milligramm-Materialmengen entwickelt wurde. Diese Methode wies im Ladungstransferkomplex im Vergleich mit der reinen Donor- und Akzeptorspezies energetische Verschiebungen von Valenzzuständen im Bereich weniger 100meV nach. Ein wichtiger Aspekt der UPS-Messungen lag im direkten Vergleich mit ab-initio Rechnungen.rnDas Problem der unvermeidbaren Oberflächenverunreinigungen von lösungsgezüchteten 3D-Kristallen wurde durch die Methode Hard-X-ray Photoelectron Spectroscopy (HAXPES) bei Photonenenergien um 6 keV (am Elektronenspeicherring PETRA III in Hamburg) überwunden. Die große mittlere freie Weglänge der Photoelektronen im Bereich von 15 nm resultiert in echter Volumensensitivität. Die ersten HAXPES Experimente an Ladungstransferkomplexen weltweit zeigten große chemische Verschiebungen (mehrere eV). In der Verbindung HMPx-TCNQy ist die N1s-Linie ein Fingerabdruck der Cyanogruppe im TCNQ und zeigt eine Aufspaltung und einen Shift zu höheren Bindungsenergien von bis zu 6 eV mit zunehmendem HMP-Gehalt. Umgekehrt ist die O1s-Linie ein Fingerabdruck der Methoxygruppe in HMP und zeigt eine markante Aufspaltung und eine Verschiebung zu geringeren Bindungsenergien (bis zu etwa 2,5eV chemischer Verschiebung), d.h. eine Größenordnung größer als die im Valenzbereich.rnAls weitere synchrotronstrahlungsbasierte Technik wurde Near-Edge-X-ray-Absorption Fine Structure (NEXAFS) Spektroskopie am Speicherring ANKA Karlsruhe intensiv genutzt. Die mittlere freie Weglänge der niederenergetischen Sekundärelektronen (um 5 nm). Starke Intensitätsvariationen von bestimmten Vorkanten-Resonanzen (als Signatur der unbesetzte Zustandsdichte) zeigen unmittelbar die Änderung der Besetzungszahlen der beteiligten Orbitale in der unmittelbaren Umgebung des angeregten Atoms. Damit war es möglich, präzise die Beteiligung spezifischer Orbitale im Ladungstransfermechanismus nachzuweisen. Im genannten Komplex wird Ladung von den Methoxy-Orbitalen 2e(Pi*) und 6a1(σ*) zu den Cyano-Orbitalen b3g und au(Pi*) und – in geringerem Maße – zum b1g und b2u(σ*) der Cyanogruppe transferiert. Zusätzlich treten kleine energetische Shifts mit unterschiedlichem Vorzeichen für die Donor- und Akzeptor-Resonanzen auf, vergleichbar mit den in UPS beobachteten Shifts.rn

Tailoring molecular weight of the conjugated model polymer MEH-PPV and its structure-property relations

In der vorliegenden Arbeit wurden Struktur-Eigenschaftsbeziehungen des konjugierten Modell-Polymers MEH-PPV untersucht. Dazu wurde Fällungs-fraktionierung eingesetzt, um MEH-PPV mit unterschiedlichem Molekulargewicht (Mw) zu erhalten, insbesondere MEH-PPV mit niedrigem Mw, da dieses für optische Wellenleiterbauelemente optimal geeignet ist Wir konnten feststellen, dass die Präparation einer ausreichenden Menge von MEH-PPV mit niedrigem Mw und geringer Mw-Verteilung wesentlich von der geeigneten Wahl des Lösungsmittels und der Temperatur während der Zugabe des Fällungsmittels abhängt. Alternativ dazu wurden UV-induzierte Kettenspaltungseffekte untersucht. Wir folgern aus dem Vergleich beider Vorgehensweisen, dass die Fällungsfraktionierung verglichen mit der UV-Behandlung besser geeignet ist zur Herstellung von MEH-PPV mit spezifischem Mw, da das UV-Licht Kettendefekte längs des Polymerrückgrats erzeugt. 1H NMR and FTIR Spektroskopie wurden zur Untersuchung dieser Kettendefekte herangezogen. Wir konnten außerdem beobachten, dass die Wellenlängen der Absorptionsmaxima der MEH-PPV Fraktionen mit der Kettenlänge zunehmen bis die Zahl der Wiederholeinheiten n  110 erreicht ist. Dieser Wert ist signifikant größer als früher berichtet. rnOptische Eigenschaften von MEH-PPV Wellenleitern wurden untersucht und es konnte gezeigt werden, dass sich die optischen Konstanten ausgezeichnet reproduzieren lassen. Wir haben die Einflüsse der Lösungsmittel und Temperatur beim Spincoaten auf Schichtdicke, Oberflächenrauigkeit, Brechungsindex, Doppelbrechung und Wellenleiter-Dämpfungsverlust untersucht. Wir fanden, dass mit der Erhöhung der Siedetemperatur der Lösungsmittel die Schichtdicke und die Rauigkeit kleiner werden, während Brechungsindex, Doppelbrechung sowie Wellenleiter-Dämpfungsverluste zunahmen. Wir schließen daraus, dass hohe Siedetemperaturen der Lösungsmittel niedrige Verdampfungsraten erzeugen, was die Aggregatbildung während des Spincoatings begünstigt. Hingegen bewirkt eine erhöhte Temperatur während der Schichtpräparation eine Erhöhung von Schichtdicke und Rauhigkeit. Jedoch nehmen Brechungsindex und der Doppelbrechung dabei ab.rn Für die Schichtpräparation auf Glassubstraten und Quarzglas-Fasern kam das Dip-Coating Verfahren zum Einsatz. Die Schichtdicke der Filme hängt ab von Konzentration der Lösung, Transfergeschwindigkeit und Immersionszeit. Mit Tauchbeschichtung haben wir Schichten von MEH-PPV auf Flaschen-Mikroresonatoren aufgebracht zur Untersuchung von rein-optischen Schaltprozessen. Dieses Verfahren erweist sich insbesondere für MEH-PPV mit niedrigem Mw als vielversprechend für die rein-optische Signalverarbeitung mit großer Bandbreite.rn Zusätzlich wurde auch die Morphologie dünner Schichten aus anderen PPV-Derivaten mit Hilfe von FTIR Spektroskopie untersucht. Wir konnten herausfinden, dass der Alkyl-Substitutionsgrad einen starken Einfluss auf die mittlere Orientierung der Polymerrückgrate in dünnen Filmen hat.rn

Investigation of P3HT PCBM particle-based solar cells

Die Herstellung von Polymer-Solarzellen aus wässriger Phase stellt eine attraktive Alternative zu der konventionellen lösemittelbasierten Formulierung dar. Die Vorteile der aus wässriger Lösung hergestellten Solarzellen liegen besonders in dem umweltschonenden Herstellungsprozess und in der Möglichkeit, druckbare optoelektronische Bauteile zu generieren. Die Prozessierbarkeit von hydrophoben Halbleitern im wässrigen Milieu wird durch die Dispergierung der Materialien, in Form von Nanopartikeln, erreicht. Der Transfer der Halbleiter in eine Dispersion erfolgt über die Lösemittelverdampfungsmethode. Die Idee der Verwendung von partikelbasierte Solarzellen wurde bereits umgesetzt, allerdings blieben eine genaue Charakterisierung der Partikel sowie ein umfassendes Verständnis des gesamten Fabrikationsvorgangs aus. Deshalb besteht das Ziel dieser Arbeit darin, einen detaillierten Einblick in den Herstellungsprozess von partikelbasierten Solarzellen zu erlangen, mögliche Schwächen aufzudecken, diese zu beseitigen, um so zukünftige Anwendungen zu verbessern. Zur Herstellung von Solarzellen aus wässrigen Dispersionen wurde Poly(3-hexylthiophen-2,5-diyl)/[6,6]-Phenyl-C61-Buttersäure-Methylester (P3HT/PCBM) als Donor/Akzeptor-System verwendet. Die Kernpunkte der Untersuchungen richteten sich zum einen die auf Partikelmorphologie und zum anderen auf die Generierung einer geeigneten Partikelschicht. Beide Parameter haben Auswirkungen auf die Solarzelleneffizienz. Die Morphologie wurde sowohl spektroskopisch über Photolumineszenz-Messungen, als auch visuell mittels Elektronenmikroskopie ermittelt. Auf diese Weise konnte die Partikelmorphologie vollständig aufgeklärt werden, wobei Parallelen zu der Struktur von lösemittelbasierten Solarzellen gefunden wurden. Zudem wurde eine Abhängigkeit der Morphologie von der Präparationstemperatur beobachtet, was eine einfache Steuerung der Partikelstruktur ermöglicht. Im Zuge der Partikelschichtausbildung wurden direkte sowie grenzflächenvermittelnde Beschichtungsmethoden herangezogen. Von diesen Techniken hatte sich aber nur die Rotationsbeschichtung als brauchbare Methode erwiesen, Partikel aus der Dispersion in einen homogenen Film zu überführen. Des Weiteren stand die Aufarbeitung der Partikelschicht durch Ethanol-Waschung und thermische Behandlung im Fokus dieser Arbeit. Beide Maßnahmen wirkten sich positiv auf die Effizienz der Solarzellen aus und trugen entscheidend zu einer Verbesserung der Zellen bei. Insgesamt liefern die gewonnen Erkenntnisse einen detaillierten Überblick über die Herausforderungen, welche bei dem Einsatz von wasserbasierten Dispersionen auftreten. Die Anforderungen partikelbasierter Solarzellen konnten offengelegt werden, dadurch gelang die Herstellung einer Solarzelle mit einer Effizienz von 0.53%. Dieses Ergebnis stellt jedoch noch nicht das Optimum dar und lässt noch Möglichkeiten für Verbesserungen offen.

Prediction of new crystal structures under extreme conditions

One of the most important challenges in chemistry and material science is the connection between the contents of a compound and its chemical and physical properties. In solids, these are greatly influenced by the crystal structure.rnrnThe prediction of hitherto unknown crystal structures with regard to external conditions like pressure and temperature is therefore one of the most important goals to achieve in theoretical chemistry. The stable structure of a compound is the global minimum of the potential energy surface, which is the high dimensional representation of the enthalpy of the investigated system with respect to its structural parameters. The fact that the complexity of the problem grows exponentially with the system size is the reason why it can only be solved via heuristic strategies.rnrnImprovements to the artificial bee colony method, where the local exploration of the potential energy surface is done by a high number of independent walkers, are developed and implemented. This results in an improved communication scheme between these walkers. This directs the search towards the most promising areas of the potential energy surface.rnrnThe minima hopping method uses short molecular dynamics simulations at elevated temperatures to direct the structure search from one local minimum of the potential energy surface to the next. A modification, where the local information around each minimum is extracted and used in an optimization of the search direction, is developed and implemented. Our method uses this local information to increase the probability of finding new, lower local minima. This leads to an enhanced performance in the global optimization algorithm.rnrnHydrogen is a highly relevant system, due to the possibility of finding a metallic phase and even superconductor with a high critical temperature. An application of a structure prediction method on SiH12 finds stable crystal structures in this material. Additionally, it becomes metallic at relatively low pressures.

Polymer properties measured by micromechanical cantilever technique

Surface stress changes induced by specific adsorption of molecules were investigated using a micromechanical cantilever sensor (MCS) device. 16 MCS are grouped within four separate wells. Each well can be addressed independently by different liquid enabling functionalization of MCS separately by flowing different solutions through each well and performing sensing and reference experiments simultaneously. In addition, each well contains a fixed reference mirror, which allows measuring the absolute bending of MCS. The effect of the flow rate on the MCS bending change was found to be dependent on the absolute bending value of MCS. In addition, the signal from the reference mirror can be used to follow refractive index changes upon mixing different solutions. Finite element simulation of solution exchange in wells was compared with experiment results. Both revealed that one solution can be exchanged by another one after a total volume of 200 µl has flown through. Using MCS, the adsorption of thiolated deoxyribonucleic acid (DNA) molecules and 6-mercapto-1-hexanol (MCH) on gold surfaces, and the DNA hybridization were performed. The nanomechanical response is in agreement with data reported by Fritz et al.1 Thus, the multiwell device is readily applicable for sensing of multiple chemical and biological recognition events in a single step. In this context controlled release and uptake of drugs are currently widely discussed. As a model system, we have used polystyrene (PS) spheres with diameters in the order of µm. The swelling behavior of individual PS spheres in toluene vapor was studied via mass loading by means of micromechanical cantilever sensors. For 4–8% cross-linked PS a mass increase of 180% in saturated toluene vapor was measured. In addition, the diameter change in saturated toluene vapor was measured and the corresponding volume increase of 200% was calculated. The mass of the swollen PS sphere decreases with increasing exposure time to ultraviolet (UV) light. The swelling response is significantly different between the first and the second exposure to toluene vapor. This is attributed to the formation of a cross-linked shell at the surface of the PS spheres. Shape persistent parts were observed for locally UV irradiated PS spheres. These PS spheres were found to be fluorescent and cracks occur after exposure in toluene liquid. The diffusion time of dye molecules in PS spheres increases with increasing chemical cross-linking density. This concept of locally dissolving non cross-linked PS from the sphere was applied to fabricate donut structures on surfaces. Arrays of PS spheres were fabricated using spin coating. The donut structure was produced simply after liquid solvent rinsing. The complete cross-linking of PS spheres was found after long exposure time to UV. We found that stabilizers play a major role in the formation of the donut nanostructures.

Developments for transactinide chemistry experiments behind the gas-filled separator TASCA

Topic of this thesis is the development of experiments behind the gas-filled separator TASCA(TransActinide Separator and Chemistry Apparatus) to study the chemical properties of the transactinide elements.rnIn the first part of the thesis, the electrodepositions of short-lived isotopes of ruthenium and osmium on gold electrodes were studied as model experiments for hassium. From literature it is known that the deposition potential of single atoms differs significantly from the potential predicted by the Nernst equation. This shift of the potential depends on the adsorption enthalpy of therndeposited element on the electrode material. If the adsorption on the electrode-material is favoured over the adsorption on a surface made of the same element as the deposited atom, the electrode potential is shifted to higher potentials. This phenomenon is called underpotential deposition.rnPossibilities to automatize an electro chemistry experiment behind the gas-filled separator were explored for later studies with transactinide elements.rnThe second part of this thesis is about the in-situ synthesis of transition-metal-carbonyl complexes with nuclear reaction products. Fission products of uranium-235 and californium-249 were produced at the TRIGA Mainz reactor and thermalized in a carbon-monoxide containing atmosphere. The formed volatile metal-carbonyl complexes could be transported in a gas-stream.rnFurthermore, short-lived isotopes of tungsten, rhenium, osmium, and iridium were synthesised at the linear accelerator UNILAC at GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt. The recoiling fusion products were separated from the primary beam and the transfer products in the gas-filled separator TASCA. The fusion products were stopped in the focal plane of TASCA in a recoil transfer chamber. This chamber contained a carbon-monoxide – helium gas mixture. The formed metal-carbonyl complexes could be transported in a gas stream to various experimental setups. All synthesised carbonyl complexes were identified by nuclear decay spectroscopy. Some complexes were studied with isothermal chromatography or thermochromatography methods. The chromatograms were compared with Monte Carlo Simulations to determine the adsorption enthalpyrnon silicon dioxide and on gold. These simulations based on existing codes, that were modified for the different geometries of the chromatography channels. All observed adsorption enthalpies (on silcon oxide as well as on gold) are typical for physisorption. Additionally, the thermalstability of some of the carbonyl complexes was studied. This showed that at temperatures above 200 °C therncomplexes start to decompose.rnIt was demonstrated that carbonyl-complex chemistry is a suitable method to study rutherfordium, dubnium, seaborgium, bohrium, hassium, and meitnerium. Until now, only very simple, thermally stable compounds have been synthesized in the gas-phase chemistry of the transactindes. With the synthesis of transactinide-carbonyl complexes a new compound class would be discovered. Transactinide chemistry would reach the border between inorganic and metallorganic chemistry.rnFurthermore, the in-situ synthesised carbonyl complexes would allow nuclear spectroscopy studies under low background conditions making use of chemically prepared samples.