Theoretical investigation of the interaction of a polymer film with a nanoparticle

The fundamental aim in our investigation of the interaction of a polymer film with a nanoparticle is the extraction of information on the dynamics of the liquid using a single tracking particle. In this work two theoretical methods were used: one passive, where the motion of the particle measures the dynamics of the liquid, one active, where perturbations in the system are introduced through the particle. In the first part of this investigation a thin polymeric film on a substrate is studied using molecular dynamics simulations. The polymer is modeled via a 'bead spring' model. The particle is spheric and non structured and is able to interact with the monomers via a Lennard Jones potential. The system is micro-canonical and simulations were performed for average temperatures between the glass transition temperature of the film and its dewetting temperature. It is shown that the stability of the nanoparticle on the polymer film in the absence of gravity depends strongly on the form of the chosen interaction potential between nanoparticle and polymer. The relative position of the tracking particle to the liquid vapor interface of the polymer film shows the glass transition of the latter. The velocity correlation function and the mean square displacement of the particle has shown that it is caged when the temperature is close to the glass transition temperature. The analysis of the dynamics at long times shows the coupling of the nanoparticle to the center of mass of the polymer chains. The use of the Stokes-Einstein formula, which relates the diffusion coefficient to the viscosity, permits to use the nanoparticle as a probe for the determination of the bulk viscosity of the melt, the so called 'microrheology'. It is shown that for low frequencies the result obtained using microrheology coincides with the results of the Rouse model applied to the polymer dynamics. In the second part of this investigation the equations of Linear Hydrodynamics are solved for a nanoparticle oscillating above the film. It is shown that compressible liquids have mechanical response to external perturbations induced with the nanoparticle. These solutions show strong velocity and pressure profiles of the liquid near the interface, as well as a mechanical response of the liquid-vapor interface. The results obtained with this calculations can be employed for the interpretation of experimental results of non contact AFM microscopy

Theoretical studies of fluid membrane mechanics

Biologische Membranen sind Fettmolekül-Doppelschichten, die sich wie zweidimensionale Flüssigkeiten verhalten. Die Energie einer solchen fluiden Oberfläche kann häufig mit Hilfe eines Hamiltonians beschrieben werden, der invariant unter Reparametrisierungen der Oberfläche ist und nur von ihrer Geometrie abhängt. Beiträge innerer Freiheitsgrade und der Umgebung können in den Formalismus mit einbezogen werden. Dieser Ansatz wird in der vorliegenden Arbeit dazu verwendet, die Mechanik fluider Membranen und ähnlicher Oberflächen zu untersuchen. Spannungen und Drehmomente in der Oberfläche lassen sich durch kovariante Tensoren ausdrücken. Diese können dann z. B. dazu verwendet werden, die Gleichgewichtsposition der Kontaktlinie zu bestimmen, an der sich zwei aneinander haftende Oberflächen voneinander trennen. Mit Ausnahme von Kapillarphänomenen ist die Oberflächenenergie nicht nur abhängig von Translationen der Kontaktlinie, sondern auch von Änderungen in der Steigung oder sogar Krümmung. Die sich ergebenden Randbedingungen entsprechen den Gleichgewichtsbedingungen an Kräfte und Drehmomente, falls sich die Kontaktlinie frei bewegen kann. Wenn eine der Oberflächen starr ist, muss die Variation lokal dieser Fläche folgen. Spannungen und Drehmomente tragen dann zu einer einzigen Gleichgewichtsbedingung bei; ihre Beiträge können nicht mehr einzeln identifiziert werden. Um quantitative Aussagen über das Verhalten einer fluiden Oberfläche zu machen, müssen ihre elastischen Eigenschaften bekannt sein. Der "Nanotrommel"-Versuchsaufbau ermöglicht es, Membraneigenschaften lokal zu untersuchen: Er besteht aus einer porenüberspannenden Membran, die während des Experiments durch die Spitze eines Rasterkraftmikroskops in die Pore gedrückt wird. Der lineare Verlauf der resultierenden Kraft-Abstands-Kurven kann mit Hilfe der in dieser Arbeit entwickelten Theorie reproduziert werden, wenn der Einfluss von Adhäsion zwischen Spitze und Membran vernachlässigt wird. Bezieht man diesen Effekt in die Rechnungen mit ein, ändert sich das Resultat erheblich: Kraft-Abstands-Kurven sind nicht länger linear, Hysterese und nichtverschwindende Trennkräfte treten auf. Die Voraussagen der Rechnungen könnten in zukünftigen Experimenten dazu verwendet werden, Parameter wie die Biegesteifigkeit der Membran mit einer Auflösung im Nanometerbereich zu bestimmen. Wenn die Materialeigenschaften bekannt sind, können Probleme der Membranmechanik genauer betrachtet werden. Oberflächenvermittelte Wechselwirkungen sind in diesem Zusammenhang ein interessantes Beispiel. Mit Hilfe des oben erwähnten Spannungstensors können analytische Ausdrücke für die krümmungsvermittelte Kraft zwischen zwei Teilchen, die z. B. Proteine repräsentieren, hergeleitet werden. Zusätzlich wird das Gleichgewicht der Kräfte und Drehmomente genutzt, um mehrere Bedingungen an die Geometrie der Membran abzuleiten. Für den Fall zweier unendlich langer Zylinder auf der Membran werden diese Bedingungen zusammen mit Profilberechnungen kombiniert, um quantitative Aussagen über die Wechselwirkung zu treffen. Theorie und Experiment stoßen an ihre Grenzen, wenn es darum geht, die Relevanz von krümmungsvermittelten Wechselwirkungen in der biologischen Zelle korrekt zu beurteilen. In einem solchen Fall bieten Computersimulationen einen alternativen Ansatz: Die hier präsentierten Simulationen sagen voraus, dass Proteine zusammenfinden und Membranbläschen (Vesikel) bilden können, sobald jedes der Proteine eine Mindestkrümmung in der Membran induziert. Der Radius der Vesikel hängt dabei stark von der lokal aufgeprägten Krümmung ab. Das Resultat der Simulationen wird in dieser Arbeit durch ein approximatives theoretisches Modell qualitativ bestätigt.

Time-resolved surface enhanced resonance Raman spectro-electrochemistry of heme proteins

The membrane protein Cytochrome c Oxidase (CcO) is one of the most important functional bio-molecules. It appears in almost every eukaryotic cell and many bacteria. Although the different species differ in the number of subunits, the functional differences are merely marginal. CcO is the terminal link in the electron transfer pathway of the mitochondrial respiratory chain. Electrons transferred to the catalytic center of the enzyme conduce to the reduction of molecular oxygen to water. Oxygen reduction is coupled to the pumping of protons into the inter-membrane space and hence generates a difference in electrochemical potential of protons across the inner mitochondrial membrane. This potential difference drives the synthesis of adenosine triphosphate (ATP), which is the universal energy carrier within all biological cells. rnrnThe goal of the present work is to contribute to a better understanding of the functional mechanism of CcO by using time-resolved surface enhanced resonance Raman spectroscopy (TR-SERRS). Despite intensive research effort within the last decades, the functional mechanism of CcO is still subject to controversial discussions. It was the primary goal of this dissertation to initiate electron transfer to the redox centers CuA, heme a, heme a3 and CuB electrochemically and to observe the corresponding redox transitions in-situ with a focus on the two heme structures by using SERRS. A measuring cell was developed, which allowed combination of electrochemical excitation with Raman spectroscopy for the purpose of performing the accordant measurements. Cytochrome c was used as a benchmark system to test the new measuring cell and to prove the feasibility of appropriate Raman measurements. In contrast to CcO the heme protein cc contains only a single heme structure. Nevertheless, characteristic Raman bands of the hemes can be observed for both proteins.rnrnIn order to investigate CcO it was immobilized on top of a silver substrate and embedded into an artificial membrane. The catalytic activity of CcO and therefore the complete functional capability of the enzyme within the biomimetic membrane architecture was verified using cyclic voltammetry. Raman spectroscopy was performed using a special nano-structured silver surface, which was developed within the scope of the present work. This new substrate combined two fundamental properties. It facilitated the formation of a protein tethered bilayer lipid membrane (ptBLM) and it allowed obtaining Raman spectra with sufficient high signal-to-noise ratios.rnSpectro-electrochemical investigations showed that at open circuit potential the enzyme exists in a mixed-valence state, with heme a and and heme a3 in the reduced and oxidized state, respectively. This was considered as an intermediate state between the non-activated and the fully activated state of CcO. Time-resolved SERRS measurements revealed that a hampered electron transfer to the redox center heme a3 characterizes this intermediate state.rn

Theoretical study of correlated systems using hybrid functionals

Diese Arbeit unterstreicht das Potential von Hybridfunktionalen (B3LYP) für die Untersuchung einer großen Bandbreite von Systemen. Durch die Einbeziehung der exakten Hartree-Fock Austauschenergie kann B3LYP für molekulare und kristalline Systeme eingesetzt werden. Zum Beispiel können stark korrelierte Systeme mit B3LYP erfolgreich erforscht werden. Die elektronische Struktur von PAHs wurde mit B3LYP Hybriddichtefunktionalen untersucht. Mit der ∆SCF-Methode wurden Elektronenbindungsenergien bestimmt, welche die mit UPS gewonnenen experimentellen Resultate bestätigen und ergänzen. Symmetrieeigenschaften der molekularen Orbitale wurden analysiert, um eine Zuordnung und Einschätzung der zugehörigen Signalstärke zu ermöglichen. Während σ-artige Orbitale nur schwer durch UPS-Messungen an dünnen Filmen detektiert werden können, bieten Rechnungen eine detaillierte Einsicht in die verborgenen Teile der Spektren.rnWeiterhin wurden π−π-Komplexe untersucht, welche von verschiedenen Donor- und Akzeptor-Molekülen gebildet werden. Die Moleküle basieren auf polyzyklischen, aromatischen Kohlenwasserstoffen. Für Ladungstransferkomplexe finden DFT Rechnungen ein Minimum in der Oberfläche der potentiellen Energie. Diese attraktive Wechselwirkung wird durch Coulombanziehung verursacht. Allerdings ist die Coulombanziehung nicht die stärkste Wechselwirkung in Ladungstransferkomplexen. Die Einbeziehung von van der Waals-Korrekturen verbessert den intermolekularen Abstand und die Bindungsenergie.rnEine Verkleinerung der intermolekularen Abstände führt zu einer großen Verschiebung der HOMO- und LUMO-Energie.rnAus der Klasse der kristallinen korrelierten Systeme wurden Rb4O6 und FeSe untersucht. Im Falle von Rb4O6 führen Ladungsordnung und Korrelationen zu einem isolierenden Grundzustand. Das hypothetische druckabhängige Phasendiagramm wurde untersucht. Eine Erhöhung des Drucks führt zu einer vergrößerten Bandlücke. Bei etwa 75 GPa wird die Bandbreite W größer als der Bandabstand U und das System nimmt einen homogen gemischt valenten Zustand mit teilweise besetzten π−π-Orbitalen an. Für Drücke ab 160 GPa wird W sehr viel größer als U und das System wird metallisch.rnIm Fall von FeSe finden wir eine korrelierte und isolierende Phase bei hohen Drücken, während das System bei niedrigen Drücken supraleitendes Verhalten zeigt. Die Berechnungen der Elektronenstruktur mit dem Hybridfunktional B3LYP führt zum korrekten halbleitenden Grundzustand in der NiAs- und MnP-Struktur von FeSe. Die Rolle der Korrelationen, der Stöchiometrie und der Nähe zum Magnetismus wird besprochen. Im Speziellen wird gezeigt, dass die Phase mit NiAs-Struktur starke lokale Korrelationen aufweist, was zu einem halbleitenden Zustand in einem weiten Druckbereich führt.

Direct electron transfer to cytochrome c oxidase investigated by electrochemistry and time-resolved surface-enhanced infrared absorption spectroscopy

Cytochrom c Oxidase (CcO), der Komplex IV der Atmungskette, ist eine der Häm-Kupfer enthaltenden Oxidasen und hat eine wichtige Funktion im Zellmetabolismus. Das Enzym enthält vier prosthetische Gruppen und befindet sich in der inneren Membran von Mitochondrien und in der Zellmembran einiger aerober Bakterien. Die CcO katalysiert den Elektronentransfer (ET) von Cytochrom c zu O2, wobei die eigentliche Reaktion am binuklearen Zentrum (CuB-Häm a3) erfolgt. Bei der Reduktion von O2 zu zwei H2O werden vier Protonen verbraucht. Zudem werden vier Protonen über die Membran transportiert, wodurch eine elektrochemische Potentialdifferenz dieser Ionen zwischen Matrix und Intermembranphase entsteht. Trotz ihrer Wichtigkeit sind Membranproteine wie die CcO noch wenig untersucht, weshalb auch der Mechanismus der Atmungskette noch nicht vollständig aufgeklärt ist. Das Ziel dieser Arbeit ist, einen Beitrag zum Verständnis der Funktion der CcO zu leisten. Hierzu wurde die CcO aus Rhodobacter sphaeroides über einen His-Anker, der am C-Terminus der Untereinheit II angebracht wurde, an eine funktionalisierte Metallelektrode in definierter Orientierung gebunden. Der erste Elektronenakzeptor, das CuA, liegt dabei am nächsten zur Metalloberfläche. Dann wurde eine Doppelschicht aus Lipiden insitu zwischen die gebundenen Proteine eingefügt, was zur sog. proteingebundenen Lipid-Doppelschicht Membran (ptBLM) führt. Dabei musste die optimale Oberflächenkonzentration der gebundenen Proteine herausgefunden werden. Elektrochemische Impedanzspektroskopie(EIS), Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPR) und zyklische Voltammetrie (CV) wurden angewandt um die Aktivität der CcO als Funktion der Packungsdichte zu charakterisieren. Der Hauptteil der Arbeit betrifft die Untersuchung des direkten ET zur CcO unter anaeroben Bedingungen. Die Kombination aus zeitaufgelöster oberflächenverstärkter Infrarot-Absorptionsspektroskopie (tr-SEIRAS) und Elektrochemie hat sich dafür als besonders geeignet erwiesen. In einer ersten Studie wurde der ET mit Hilfe von fast scan CV untersucht, wobei CVs von nicht-aktivierter sowie aktivierter CcO mit verschiedenen Vorschubgeschwindigkeiten gemessen wurden. Die aktivierte Form wurde nach dem katalytischen Umsatz des Proteins in Anwesenheit von O2 erhalten. Ein vier-ET-modell wurde entwickelt um die CVs zu analysieren. Die Methode erlaubt zwischen dem Mechanismus des sequentiellen und des unabhängigen ET zu den vier Zentren CuA, Häm a, Häm a3 und CuB zu unterscheiden. Zudem lassen sich die Standardredoxpotentiale und die kinetischen Koeffizienten des ET bestimmen. In einer zweiten Studie wurde tr-SEIRAS im step scan Modus angewandt. Dafür wurden Rechteckpulse an die CcO angelegt und SEIRAS im ART-Modus verwendet um Spektren bei definierten Zeitscheiben aufzunehmen. Aus diesen Spektren wurden einzelne Banden isoliert, die Veränderungen von Vibrationsmoden der Aminosäuren und Peptidgruppen in Abhängigkeit des Redoxzustands der Zentren zeigen. Aufgrund von Zuordnungen aus der Literatur, die durch potentiometrische Titration der CcO ermittelt wurden, konnten die Banden versuchsweise den Redoxzentren zugeordnet werden. Die Bandenflächen gegen die Zeit aufgetragen geben dann die Redox-Kinetik der Zentren wieder und wurden wiederum mit dem vier-ET-Modell ausgewertet. Die Ergebnisse beider Studien erlauben die Schlussfolgerung, dass der ET zur CcO in einer ptBLM mit größter Wahrscheinlichkeit dem sequentiellen Mechanismus folgt, was dem natürlichen ET von Cytochrom c zur CcO entspricht.

Functionalization of hyperbranched polycarbosilanes - block copolymers and electrochemistry

Polycarbosilanes are a class of polymers at the interface between organic and inorganic chemistry. They are characterized by a high thermal and chemical inertness and high flexibility, especially pronounced for branched structures. Linear polycarbosilanes are well known as precursors for the preparation of SiCx ceramics. Additionally, more sophisticated architectures like dendrimers, hyperbranched polymers or block copolymers have been the subject of research for more than a decade. The scope of this work was to expand the properties and fields of application for polycarbosilane-containing structures. Thus, the work is divided in two major parts. The first part covers the synthesis and characterization of hyperbranched polycarbosilanes containing organometallic moieties. Hyperbranched poly-carbosilanes were synthesized using hydrosilylation of diallylmethylsilane and methyldiundecenylsilane. The degree of branching for polydiallymethylsilane was determined using standard 1H-NMR spectroscopy. The functional building blocks ferrocenyldimethylsilane and diferrocenylmethylsilane were synthesized which contain an isolated ferrocene unit or two ferrocenes bridged by silicon, respectively. Hyperbranched polycarbosilanes functionalized with ferrocenyl moieties were synthesized by modification of preformed polymers or by copolymerization of AB2 carbosilane monomers with AX-type ferrocenylsilanes. Polymers with Mn = 2500-9000g/mol and ferrocene contents of up to 67wt% were obtained. Electrochemical characterization by cyclic voltammetry revealed that polymers functionalized with isolated ferrocene units showed a single reversible oxidation wave, while voltammograms for polymers functionalized with diferrocenyl silane exhibited two well-separated reversible oxidation-reduction waves. This shows that the polymer bound ferrocenes bridged by silicon are electronically communicating and thus oxidation of the first ferrocene shifts the oxidation potential for the adjacent one. The polymers were utilized successfully for the preparation of modified electrodes with persistent and reproducible electrochemical response in organic solvents as well as in aqueous solution. The presented work has proven that ferrocenyl-functionalized hyperbranched polymers exhibit similar electrochemical properties as the analogous dendrimers. In a further approach it was shown that hyperbranched polymers containing organometallic moieties can be synthesized by polymerization of a new ferrocene-containing AB2 monomer - diallylferrocenylsilane. The second part of this work is dedicated to the preparation of core-functional hyperbranched polycarbosilanes. Low molecular weight ambifunctional molecules were synthesized that contain double bonds for the attachment of a polycarbosilane polymer as well as a second functionality available for further reaction and modification. Reactive vinyl groups in the core molecule allow an efficient attachment of hyperbranched polycarbosilane which was proven by MALDI-ToF and GPC. In combination with slow monomer addition techniques molecular weight and polydispersity of the polymers were controlled successfully. Core-functional polymers were characterized by NMR-spectroscopy, MALDI-ToF and GPC. Polymers with polydispersities <2 and molecular weights up to 5300g/mol were obtained. Transformation of the double bonds of the carbosilane was demonstrated with various silanes using hydrosilylation reaction or hydrogenation. Additionally, the core-functionality was varied resulting in polymers with bromo-, phthalimide-, amine- or azide moieties. Thus, a versatile synthetic strategy was developed that allows the synthesis of tailor-made polymers.A promising approach is the application of the polymer building blocks in copolymer synthesis. Bisglycidolization of amine-functional polycarbosilanes produces macro-initiators that are suitable for the multibranching-ring opening polymerization of glycidol. This experiments lead to the first example of hyperbranched-hyperbranched amphiphilic block copolymers, hb-PG-b-hb-PCS. Furthermore, the implementation of copper-catalyzed cycloaddition between azide-functional polycarbosilane and alkyne-functional poly(ethoxyethyl glycidylether) resulted in linear-hyperbranched block copolymers. The facile removal of acetal protecting groups provided convenient access to lin-PG-b-hb-PCS.

Theoretical analysis of hidden photon searches in high-precision experiments

Although the Standard Model of particle physics (SM) provides an extremely successful description of the ordinary matter, one knows from astronomical observations that it accounts only for around 5% of the total energy density of the Universe, whereas around 30% are contributed by the dark matter. Motivated by anomalies in cosmic ray observations and by attempts to solve questions of the SM like the (g-2)_mu discrepancy, proposed U(1) extensions of the SM gauge group have raised attention in recent years. In the considered U(1) extensions a new, light messenger particle, the hidden photon, couples to the hidden sector as well as to the electromagnetic current of the SM by kinetic mixing. This allows for a search for this particle in laboratory experiments exploring the electromagnetic interaction. Various experimental programs have been started to search for hidden photons, such as in electron-scattering experiments, which are a versatile tool to explore various physics phenomena. One approach is the dedicated search in fixed-target experiments at modest energies as performed at MAMI or at JLAB. In these experiments the scattering of an electron beam off a hadronic target e+(A,Z)->e+(A,Z)+l^+l^- is investigated and a search for a very narrow resonance in the invariant mass distribution of the lepton pair is performed. This requires an accurate understanding of the theoretical basis of the underlying processes. For this purpose it is demonstrated in the first part of this work, in which way the hidden photon can be motivated from existing puzzles encountered at the precision frontier of the SM. The main part of this thesis deals with the analysis of the theoretical framework for electron scattering fixed-target experiments searching for hidden photons. As a first step, the cross section for the bremsstrahlung emission of hidden photons in such experiments is studied. Based on these results, the applicability of the Weizsäcker-Williams approximation to calculate the signal cross section of the process, which is widely used to design such experimental setups, is investigated. In a next step, the reaction e+(A,Z)->e+(A,Z)+l^+l^- is analyzed as signal and background process in order to describe existing data obtained by the A1 experiment at MAMI with the aim to give accurate predictions of exclusion limits for the hidden photon parameter space. Finally, the derived methods are used to find predictions for future experiments, e.g., at MESA or at JLAB, allowing for a comprehensive study of the discovery potential of the complementary experiments. In the last part, a feasibility study for probing the hidden photon model by rare kaon decays is performed. For this purpose, invisible as well as visible decays of the hidden photon are considered within different classes of models. This allows one to find bounds for the parameter space from existing data and to estimate the reach of future experiments.