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.

Eigenschaftskorrelationen in kolloidalen Festkörpern und Fluiden aus optischen Experimenten

Die Arbeit beschäftigt sich mit ein- und zweikomponentigen, geladenen Kolloidsystemen, die in vollentsalzten wässrigen und organischen Dispersionen kristalline Strukturen ausbilden. Im ersten Teil der Arbeit wird die Wechselwirkung der Kolloide mit verschiedenen Methoden charakterisiert. Dabei zeigten sich quantitative Übereinstimmungen zwischen den Resultaten aus Zellenmodellrechnungen und aus elektrokinetischen Messungen einerseits und Messungen des Phasenverhaltens und der Elastizität andererseits. Diese nunmehr gut gesicherten Diskrepanzen und Korrelationen bedürfen des theoretischen Verständnisses. Im zweiten Teil der Arbeit wurde das Erstarrungsverhalten kolloidaler Scherschmelzen in den kristallinen Zustand mit (zeitaufgelöster) statischer Lichtstreuung und mikroskopischen Methoden untersucht. Dies erlaubte zunächst die kritische Überprüfung klassischer Modelle zur Kristallisationskinetik (Wilson- Frenkel- Gesetz, klassische Nukleationstheorie, Kolmogorov- Johnson- Mehl- Avrami (KJMA)- Modell). Es zeigte sich, dass diese Modelle gut geeignet sind die Verfestigung auch geladener kolloidaler Schmelzen zu beschreiben, wenn die diffusive Einteilchendynamik korrekt berücksichtigt wird. Erstmals wurden Oberflächenspannungen zwischen Kristallkeim und Schmelze für geladene Systeme bestimmt, die im Gegensatz zu Hartkugel- Systemen eine lineare Zunahme mit der Partikelkonzentration aufweisen. Der Methodenpark und die Auswerteverfahren wurden sodann auf binäre kolloidale Mischungen übertragen. Entsprechend den Einzelkomponenten kristallisieren alle Mischungen in einer kubischen Struktur. Leitfähigkeitsmessungen und Elastizität stehen meist im Einklang mit der Nukleation zufallsgeordneter Substitutionskristalle. Für mehrere Proben mit unterschiedlichen Größenverhältnissen wurde mit statischer Lichtstreuung der Einfluss der Komposition und der Partikelkonzentration auf das Nukleationsverhalten untersucht. Im Allgemeinen wurde das Nukleationsszenario einkomponentiger Systeme mit einigen unerwarteten, quantitativen Unterschieden reproduziert. Für eine Probe, die eine Kompositionsordnung andeutet, wurden interessante Korrelationen zwischen der Nukleationskinetik und den Eigenschaften des resultierenden Festkörpers gefunden.

Structuring of polymer surface by evaporation of sessile microdrops

In this thesis, we investigated the evaporation of sessile microdroplets on different solid substrates. Three major aspects were studied: the influence of surface hydrophilicity and heterogeneity on the evaporation dynamics for an insoluble solid substrate, the influence of external process parameters and intrinsic material properties on microstructuring of soluble polymer substrates and the influence of an increased area to volume ratio in a microfluidic capillary, when evaporation is hindered. In the first part, the evaporation dynamics of pure sessile water drops on smooth self-assembled monolayers (SAMs) of thiols or disulfides on gold on mica was studied. With increasing surface hydrophilicity the drop stayed pinned longer. Thus, the total evaporation time of a given initial drop volume was shorter, since the drop surface, through which the evaporation occurs, stays longer large. Usually, for a single drop the volume decreased linearly with t1.5, t being the evaporation time, for a diffusion-controlled evaporation process. However, when we measured the total evaporation time, ttot, for multiple droplets with different initial volumes, V0, we found a scaling of the form V0 = attotb. The more hydrophilic the substrate was, the more showed the scaling exponent a tendency to an increased value up to 1.6. This can be attributed to an increasing evaporation rate through a thin water layer in the vicinity of the drop. Under the assumption of a constant temperature at the substrate surface a cooling of the droplet and thus a decreased evaporation rate could be excluded as a reason for the different scaling exponent by simulations performed by F. Schönfeld at the IMM, Mainz. In contrast, for a hairy surface, made of dialkyldisulfide SAMs with different chain lengths and a 1:1 mixture of hydrophilic and hydrophobic end groups (hydroxy versus methyl group), the scaling exponent was found to be ~ 1.4. It increased to ~ 1.5 with increasing hydrophilicity. A reason for this observation can only be speculated: in the case of longer hydrophobic alkyl chains the formation of an air layer between substrate and surface might be favorable. Thus, the heat transport to the substrate might be reduced, leading to a stronger cooling and thus decreased evaporation rate. In the second part, the microstructuring of polystyrene surfaces by drops of toluene, a good solvent, was investigated. For this a novel deposition technique was developed, with which the drop can be deposited with a syringe. The polymer substrate is lying on a motorized table, which picks up the pendant drop by an upward motion until a liquid bridge is formed. A consecutive downward motion of the table after a variable delay, i.e. the contact time between drop and polymer, leads to the deposition of the droplet, which can evaporate. The resulting microstructure is investigated in dependence of the processes parameters, i.e. the approach and the retraction speed of the substrate and the delay between them, and in dependence of the intrinsic material properties, i.e. the molar mass and the type of the polymer/solvent system. The principal equivalence with the microstructuring by the ink-jet technique was demonstrated. For a high approach and retraction speed of 9 mm/s and no delay between them, a concave microtopology was observed. In agreement with the literature, this can be explained by a flow of solvent and the dissolved polymer to the rim of the pinned droplet, where polymer is accumulated. This effect is analogue to the well-known formation of ring-like stains after the evaporation of coffee drops (coffee-stain effect). With decreasing retraction speed down to 10 µm/s the resulting surface topology changes from concave to convex. This can be explained with the increasing dissolution of polymer into the solvent drop prior to the evaporation. If the polymer concentration is high enough, gelation occurs instead of a flow to the rim and the shape of the convex droplet is received. With increasing delay time from below 0 ms to 1s the depth of the concave microwells decreases from 4.6 µm to 3.2 µm. However, a convex surface topology could not be obtained, since for longer delay times the polymer sticks to the tip of the syringe. Thus, by changing the delay time a fine-tuning of the concave structure is accomplished, while by changing the retraction speed a principal change of the microtopolgy can be achieved. We attribute this to an additional flow inside the liquid bridge, which enhanced polymer dissolution. Even if the pendant drop is evaporating about 30 µm above the polymer surface without any contact (non-contact mode), concave structures were observed. Rim heights as high as 33 µm could be generated for exposure times of 20 min. The concave structure exclusively lay above the flat polymer surface outside the structure even after drying. This shows that toluene is taken up permanently. The increasing rim height, rh, with increasing exposure time to the solvent vapor obeys a diffusion law of rh = rh0  tn, with n in the range of 0.46 ~ 0.65. This hints at a non-Fickian swelling process. A detailed analysis showed that the rim height of the concave structure is modulated, unlike for the drop deposition. This is due to the local stress relaxation, which was initiated by the increasing toluene concentration in the extruded polymer surface. By altering the intrinsic material parameters i.e. the polymer molar mass and the polymer/solvent combination, several types of microstructures could be formed. With increasing molar mass from 20.9 kDa to 1.44 MDa the resulting microstructure changed from convex, to a structure with a dimple in the center, to concave, to finally an irregular structure. This observation can be explained if one assumes that the microstructuring is dominated by two opposing effects, a decreasing solubility with increasing polymer molar mass, but an increasing surface tension gradient leading to instabilities of Marangoni-type. Thus, a polymer with a low molar mass close or below the entanglement limit is subject to a high dissolution rate, which leads to fast gelation compared to the evaporation rate. This way a coffee-rim like effect is eliminated early and a convex structure results. For high molar masses the low dissolution rate and the low polymer diffusion might lead to increased surface tension gradients and a typical local pile-up of polymer is found. For intermediate polymer masses around 200 kDa, the dissolution and evaporation rate are comparable and the typical concave microtopology is found. This interpretation was supported by a quantitative estimation of the diffusion coefficient and the evaporation rate. For a different polymer/solvent system, polyethylmethacrylate (PEMA)/ethylacetate (EA), exclusively concave structures were found. Following the statements above this can be interpreted with a lower dissolution rate. At low molar masses the concentration of PEMA in EA most likely never reaches the gelation point. Thus, a concave instead of a convex structure occurs. At the end of this section, the optically properties of such microstructures for a potential application as microlenses are studied with laser scanning confocal microscopy. In the third part, the droplet was confined into a glass microcapillary to avoid evaporation. Since here, due to an increased area to volume ratio, the surface properties of the liquid and the solid walls became important, the influence of the surface hydrophilicity of the wall on the interfacial tension between two immiscible liquid slugs was investigated. For this a novel method for measuring the interfacial tension between the two liquids within the capillary was developed. This technique was demonstrated by measuring the interfacial tensions between slugs of pure water and standard solvents. For toluene, n-hexane and chloroform 36.2, 50.9 and 34.2 mN/m were measured at 20°C, which is in a good agreement with data from the literature. For a slug of hexane in contact with a slug of pure water containing ethanol in a concentration range between 0 and 70 (v/v %), a difference of up to 6 mN/m was found, when compared to commercial ring tensiometry. This discrepancy is still under debate.

Using sulfur isotope fractionation to understand the atmospheric oxidation of SO 2

Sulfate aerosol plays an important but uncertain role in cloud formation and radiative forcing of the climate, and is also important for acid deposition and human health. The oxidation of SO2 to sulfate is a key reaction in determining the impact of sulfate in the environment through its effect on aerosol size distribution and composition. This thesis presents a laboratory investigation of sulfur isotope fractionation during SO2 oxidation by the most important gas-phase and heterogeneous pathways occurring in the atmosphere. The fractionation factors are then used to examine the role of sulfate formation in cloud processing of aerosol particles during the HCCT campaign in Thuringia, central Germany. The fractionation factor for the oxidation of SO2 by ·OH radicals was measured by reacting SO2 gas, with a known initial isotopic composition, with ·OH radicals generated from the photolysis of water at -25, 0, 19 and 40°C (Chapter 2). The product sulfate and the residual SO2 were collected as BaSO4 and the sulfur isotopic compositions measured with the Cameca NanoSIMS 50. The measured fractionation factor for 34S/32S during gas phase oxidation is αOH = (1.0089 ± 0.0007) − ((4 ± 5) × 10−5 )T (°C). Fractionation during oxidation by major aqueous pathways was measured by bubbling the SO2 gas through a solution of H2 O2

Synthese und Charakterisierung von multivalenten kationischen Tensiden und Polymeren

Der Einsatz von den Polyelektrolytkomplexen von DNA / RNA mit Polykationen oder Lipiden in der Gen-Therapie ist für Wissenschaftler von besonderem Interesse, da sie als Träger für den Transport von genetischem Material in lebende Zellen fungieren können. Interessant ist auch die Komplexbildung aus Gadolinium und Polykation, hier können die stabil gebildeten Aggregate als Kontrastmittel zur Anwendung in der Magnetresonanztomographie eingeführt werden. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, strukturdefinierte, positiv geladene, polyvalente sperminanaloge Polymere zu synthetisieren. Durch die polyelektrolytische Natur erlauben solche Polymere die Komplexierung von mehr Gadolinium-Polyoxometalaten und wären deshalb sehr gut als Kontrastmittel geeignet. Aufbauend auf den Vorarbeiten, wurde insbesondere die Komplexbildung von kationischem Polymer mit der Green Fluorescent Protein DNA in physiologischem Salzgehalt untersucht. Die Beschreibung der Synthese im Rahmen dieser Arbeit zeigt, dass es mit dem entwickelten Syntheseprinzip, also unter Einsatz von orthogonaler Schutzgruppenchemie und funktionaler Transformation gelungen ist, durch einfache nukleophile Substitution die Kopplung der Elementareinheiten zu komplexeren, auch ionischen Tensiden durchzuführen. Die Komplexierung von Gadolinium-Polyoxometalat mit kationisch geladenem Polymer in reinem Wasser und in physiologischem Salzgehalt hat gezeigt, dass bei einem Ladungsverhältnis von ungefähr 2:1 stabile sphärische Komplexe gebildet werden. HeLa-Zellen zeigen keine hohe Empfindlichkeit gegenüber Polykation-POM-Komplexen, da deren toxische Wirkung nur einen Anteil toter Zellen von maximal 24 % zur Folge hatte. Die Bildqualität einer MRT-Aufnahme der gebildeten Polykation-POM-Komplexe wurde im Vergleich zu den reinen Gadolinium-Polyoxometalat-Lösungen erheblich verbessert. Die Komplexierung von DNA mit dem im Überschuss vorliegenden kationisch geladenen Polymer wurde mittels Rasterkraftmikroskopie, statischer sowie dynamischer Lichtstreuung untersucht. Die Molmasse und Größe der Polykation-DNA-Komplexe geben eindeutige Hinweise darauf, dass sich in physiologischer Salzlösung Multi-Ketten-Komplexe bilden. Neben der Untersuchung der Polymer-Komplexe wurde eine Reihe neuartiger multivalenter kationischer Tenside hergestellt, wobei ihre Eigenschaften beispielsweise mit Tensid B (C12N4), Tensid C (EG8N4) und Tensid F (EG8C12N4) in wässriger Lösung bei verschiedener Salzkonzentration im Vordergrund stehen.

Entwicklung von chiralen- sowie RP-HPLC-Methoden in Verbindung mit hochauflösender MS und deren Anwendung zur Analyse sekundärer organischer Aerosole in der Atmosphäre

Die Erdatmosphäre besteht hauptsächlich aus Stickstoff (78%), Sauerstoff (21%) und Edelga¬sen. Obwohl Partikel weniger als 0,1% ausmachen, spielen sie eine entscheidende Rolle in der Chemie und Physik der Atmosphäre, da sie das Klima der Erde sowohl direkt als auch indirekt beeinflussen. Je nach Art der Bildung unterscheidet man zwischen primären und sekundären Partikeln, wobei primäre Partikel direkt in die Atmosphäre eingetragen werden. Sekundäre Partikel hingegen entstehen durch Kondensation von schwerflüchtigen Verbindungen aus der Gasphase, welche durch Reaktionen von gasförmigen Vorläufersubstanzen (volatile organic compounds, VOCs) mit atmosphärischen Oxidantien wie Ozon oder OH-Radikalen gebildet werden. Da die meisten Vorläufersubstanzen organischer Natur sind, wird das daraus gebil¬dete Aerosol als sekundäres organisches Aerosol (SOA) bezeichnet. Anders als die meisten primären Partikel stammen die VOCs überwiegend aus biogenen Quellen. Es handelt sich da¬bei um ungesättigte Kohlenwasserstoffe, die bei intensiver Sonneneinstrahlung und hohen Temperaturen von Pflanzen emittiert werden. Viele der leichtflüchtigen Vorläufersubstanzen sind chiral, sowohl die Vorläufer als auch die daraus gebildeten Partikel werden aber in den meisten Studien als eine Verbindung betrachtet und gemeinsam analysiert. Die mit Modellen berechneten SOA-Konzentrationen, welche auf dieser traditionellen Vorstellung der SOA-Bil¬dung beruhen, liegen deutlich unterhalb der in der Atmosphäre gefundenen, so dass neben diesem Bildungsweg auch noch andere SOA-Bildungsarten existieren müssen. Aus diesem Grund wird der Fokus der heutigen Forschung vermehrt auf die heterogene Chemie in der Partikelphase gerichtet. Glyoxal als Modellsubstanz kommt hierbei eine wichtige Rolle zu. Es handelt sich bei dieser Verbindung um ein Molekül mit einem hohen Dampfdruck, das auf Grund dieser Eigenschaft nur in der Gasphase zu finden sein sollte. Da es aber über zwei Alde¬hydgruppen verfügt, ist es sehr gut wasserlöslich und kann dadurch in die Partikelphase über¬gehen, wo es heterogenen chemischen Prozessen unterliegt. Unter anderem werden in An¬wesenheit von Ammoniumionen Imidazole gebildet, welche wegen der beiden Stickstoff-He¬teroatome lichtabsorbierende Eigenschaften besitzen. Die Verteilung von Glyoxal zwischen der Gas- und der Partikelphase wird durch das Henrysche Gesetz beschrieben, wobei die Gleichgewichtskonstante die sogenannte Henry-Konstante ist. Diese ist abhängig von der un¬tersuchten organischen Verbindung und den im Partikel vorhandenen anorganischen Salzen. Für die Untersuchung chiraler Verbindungen im SOA wurde zunächst eine Filterextraktions¬methode entwickelt und die erhaltenen Proben anschließend mittels chiraler Hochleistungs-Flüssigchromatographie, welche an ein Elektrospray-Massenspektrometer gekoppelt war, analysiert. Der Fokus lag hierbei auf dem am häufigsten emittierten Monoterpen α-Pinen und seinem Hauptprodukt, der Pinsäure. Da bei der Ozonolyse des α-Pinens das cyclische Grund¬gerüst erhalten bleibt, können trotz der beiden im Molekül vorhanden chiralen Zentren nur zwei Pinsäure Enantiomere gebildet werden. Als Extraktionsmittel wurde eine Mischung aus Methanol/Wasser 9/1 gewählt, mit welcher Extraktionseffizienzen von 65% für Pinsäure Enan¬tiomer 1 und 68% für Pinsäure Enantiomer 2 erreicht werden konnten. Des Weiteren wurden Experimente in einer Atmosphärensimulationskammer durchgeführt, um die Produkte der α-Pinen Ozonolyse eindeutig zu charakterisieren. Enantiomer 1 wurde demnach aus (+)-α-Pinen gebildet und Enantiomer 2 entstand aus (-)-α-Pinen. Auf Filterproben aus dem brasilianischen Regenwald konnte ausschließlich Pinsäure Enantiomer 2 gefunden werden. Enantiomer 1 lag dauerhaft unterhalb der Nachweisgrenze von 18,27 ng/mL. Im borealen Nadelwald war das Verhältnis umgekehrt und Pinsäure Enantiomer 1 überwog vor Pinsäure Enantiomer 2. Das Verhältnis betrug 56% Enantiomer 1 zu 44% Enantiomer 2. Saisonale Verläufe im tropischen Regenwald zeigten, dass die Konzentrationen zur Trockenzeit im August höher waren als wäh¬rend der Regenzeit im Februar. Auch im borealen Nadelwald wurden im Sommer höhere Kon¬zentrationen gemessen als im Winter. Die Verhältnisse der Enantiomere änderten sich nicht im jahreszeitlichen Verlauf. Die Bestimmung der Henry-Konstanten von Glyoxal bei verschiedenen Saataerosolen, nämlich Ammoniumsulfat, Natriumnitrat, Kaliumsulfat, Natriumchlorid und Ammoniumnitrat sowie die irreversible Produktbildung aus Glyoxal in Anwesenheit von Ammoniak waren Forschungs¬gegenstand einer Atmosphärensimulationskammer-Kampagne am Paul-Scherrer-Institut in Villigen, Schweiz. Hierzu wurde zunächst das zu untersuchende Saataerosol in der Kammer vorgelegt und dann aus photochemisch erzeugten OH-Radikalen und Acetylen Glyoxal er¬zeugt. Für die Bestimmung der Glyoxalkonzentration im Kammeraerosol wurde zunächst eine beste¬hende Filterextraktionsmethode modifiziert und die Analyse mittels hochauflösender Mas¬senspektrometrie realisiert. Als Extraktionsmittel kam 100% Acetonitril, ACN zum Einsatz wo¬bei die Extraktionseffizienz bei 85% lag. Für die anschließende Derivatisierung wurde 2,4-Di¬nitrophenylhydrazin, DNPH verwendet. Dieses musste zuvor drei Mal mittels Festphasenex¬traktion gereinigt werden um störende Blindwerte ausreichend zu minimieren. Die gefunde¬nen Henry-Konstanten für Ammoniumsulfat als Saataerosol stimmten gut mit in der Literatur gefundenen Werten überein. Die Werte für Natriumnitrat und Natriumchlorid als Saataerosol waren kleiner als die von Ammoniumsulfat aber größer als der Wert von reinem Wasser. Für Ammoniumnitrat und Kaliumsulfat konnten keine Konstanten berechnet werden. Alle drei Saataerosole führten zu einem „Salting-in“. Das bedeutet, dass bei Erhöhung der Salzmolalität auch die Glyoxalkonzentration im Partikel stieg. Diese Beobachtungen sind auch in der Litera¬tur beschrieben, wobei die Ergebnisse dort nicht auf der Durchführung von Kammerexperi¬menten beruhen, sondern mittels bulk-Experimenten generiert wurden. Für die Trennung der Imidazole wurde eine neue Filterextraktionsmethode entwickelt, wobei sich ein Gemisch aus mit HCl angesäuertem ACN/H2O im Verhältnis 9/1 als optimales Extrak¬tionsmittel herausstellte. Drei verschiedenen Imidazole konnten mit dieser Methode quanti¬fiziert werden, nämlich 1-H-Imidazol-4-carbaldehyd (IC), Imidazol (IM) und 2,2‘-Biimidazol (BI). Die Effizienzen lagen für BI bei 95%, für IC bei 58% und für IM bei 75%. Kammerexperimente unter Zugabe von Ammoniak zeigten höhere Imidazolkonzentrationen als solche ohne. Wurden die Experimente ohne Ammoniak in Anwesenheit von Ammoni¬umsulfat durchgeführt, wurden höhere Imidazol-Konzentrationen gefunden als ohne Ammo¬niumionen. Auch die relative Luftfeuchtigkeit spielte eine wichtige Rolle, da sowohl eine zu hohe als auch eine zu niedrige relative Luftfeuchtigkeit zu einer verminderten Imidazolbildung führte. Durch mit 13C-markiertem Kohlenstoff durchgeführte Experimente konnte eindeutig gezeigt werden, dass es sich bei den gebildeten Imidazolen und Glyoxalprodukte handelte. Außerdem konnte der in der Literatur beschriebene Bildungsmechanismus erfolgreich weiter¬entwickelt werden. Während der CYPHEX Kampagne in Zypern konnten erstmalig Imidazole in Feldproben nach¬gewiesen werden. Das Hauptprodukt IC zeigte einen tageszeitlichen Verlauf mit höheren Kon¬zentrationen während der Nacht und korrelierte signifikant aber schwach mit der Acidität und Ammoniumionenkonzentration des gefundenen Aerosols.