Synthese und Charakterisierung von Oxidchalkogeniden und Bronzen für die Nanostrukturierung

Ausgehend von der Entdeckung der reversiblen Strukturierung mittels Rastersondenmethoden im Phasensystem Na2O/V2O5/P2O5 wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei Ansatzpunkte verfolgt. Einerseits sollten mittels der Schmelzflußelektrolyse einige bereits existierende niederdimensionale Molybdänbronzen mit bekannten elektronischen Übergängen in ausreichend großen Kristallen gezüchtet werden, um sie auf ihre Strukturierungseigenschaften hin zu untersuchen. Gleichzeitig sollte durch Variation versucht werden, neue, bisher unbekannte Bronzen oder reduzierte Oxide zu synthetisieren und charakterisieren. Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit lag in der Synthese und Charakterisierung von Oxidchalkogeniden, bestehend aus einem Seltenerdmetall und einem 3d-Metall von Titan bis hin zu den mittleren Übergangsmetallen. Diese Verbindungen können durch die Kombination der jeweiligen Eigenschaften der oxidischen und chalkogeniden Teilstrukturen völlig neue elektronische und/oder magnetische Eigenschaften aufweisen. Mögliche auftretende Phasenübergänge sind wiederum für Strukturierungsversuche interessant. Die zu den Oxidchalkogeniden durchgeführten Untersuchungen ergaben im Phasensystem Ln/Ti/S/O (Ln = Lanthanoide) insgesamt sechs Verbindungen. Zwei von ihnen, La8Ti9S24O4 und Nd20Ti11S44O6, besitzen als gemeinsames Strukturelement tetranukleare [Ti4(u4-S)2(u2-O)4]-Cluster, bestehend aus vier miteinander über gemeinsame Flächen kondensierte TiS4O2-Oktaeder. Die Titanpositionen innerhalb der Cluster sind mit Ti+3-Ionen besetzt. Beide Verbindungen weisen in einem Temperaturbereich zwischen 150 K und 250 K eine deutlich ausgeprägte Hysterese der magnetischen Suszeptibilität auf, die sich im Falle von La8Ti9S24O4 auf einen Jahn-Teller-Übergang zurückführen läßt. Daneben konnte erstmals eine Serie oxidisch/sulfidisch gemischter Ruddlesden-Popper-Verbindungen mit Ln2Ti2S2O5 (Ln = Pr, Nd, Sm) synthetisiert und charakterisiert werden. Titan liegt als vierwertiges Ion in aus TiSO5-Oktaedern gebildeten Perowskit-Doppelschichten vor. Die neunfach koordinierten Positionen sind mit den Seltenerdmetallionen gefüllt, die zwölffach koordinierten Lagen sind unbesetzt. Bei dem sechsten erhaltene Titanoxidsulfid, La4TiS6.5O1.5, handelt es sich um einen Halbleiter mit einer Bandlücke von etwa 2 eV. Weiterhin gelang es, die Serie Ln2M3S2O8 (Ln = La, Ce, Pr, Nd, Sm; M = Nb, Ta) zu synthetisieren und in ihren physikalischen Eigenschaften zu charakterisieren. Es handelt sich ausnahmslos um Halbleiter mit Bandlücken zwischen E=0.125 eV für La2Nb3S2O8 und E=0.222 eV für Pr2Ta3S2O8. Die Struktur der Oxidsulfide Ce2Ta3S2O8, Pr2Ta3S2O8, Nd2Nb3S2O8 sowie Sm2Ta3S2O8 weist im Gegensatz zu den anderen Verbindungen eine Fehlordnung eines der beiden kristallographisch unabhängigen Nb- bzw. Ta-Atome auf. Daraus resultiert eine Symmetrieerniedrigung von Pnma zu Pbam. Der Einsatz von Europium führte zu einer neuen Modifikation des bronzoiden Oxids EuTa2O6, in der das Europium als Eu+2 vorliegt, wie 151Eu-Mößbauer-Untersuchungen bestätigten. Vor der Durchführung der Kristallzüchtungen mittels der Schmelzflußelektrolysen mußten die benutzen Öfen und Elektrolysezellen geplant und angefertigt werden. Es konnten dann verschiedene blaue, rote und violette Moybdänbronzen (sowie La2Mo2O7) in Kristallen bis zu 25 mm Länge dargestellt werden. Ferner gelang die erste exakte Einkristalluntersuchung der roten Bronze Rb0.33MoO3. Sie verfügt über die höchste d-Elektronen-Lokalisierungsrate aller bekannten roten Bronzen. Die erhaltenen Bronzen wurden teilweise von der Arbeitsgruppe Fuchs, Physikalisches Institut der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster, auf ihre Nanostrukturierbarkeit hin untersucht. Dabei ergaben sich zwei verschiedene Strukturierungsmechanismen. Sind es im Fall der blauen Alkalimetall-Molybdänbronzen ausschließlich Lochstrukturen, die entstehen, handelt es sich bei La2Mo2O7 um Hügelstrukturen. Mittels der Schmelzflußelektrolyse konnte auch das gemischtvalente Alkalimetall-Eisenmolybdat NaFe2(MoO4)3 synthetisiert werden. Daneben gelang die Synthese dreier weiterer Alkalimetall-Eisenmolybdate: Cs2Fe2(MoO4)3, NaFe4(MoO4)5 und CsFe5(MoO4)7. Bis auf Cs2Fe2(MoO4)3, welches in der bekannten Langbeinit-Struktur kristallisiert, handelt es sich bei den übrigen Alkalimetall-Eisenmolybdaten um völlig neuartige Käfigverbindungen, bzw. bei CsFe5(MoO4)7 um eine Tunnelverbindung. Die Kristallstrukturen beinhalten kondensierte FeO6-Oktaeder. Im Fall von NaFe2(MoO4)3 lassen sich [Fe2O10]-Einheiten, für NaFe4(MoO4)5 [Fe2O10]- sowie [Fe3O14]-Einheiten, und für CsFe5(MoO4)7 [Fe4O18]-Baueinheiten beobachten. Die Positionen der Fe+2- und Fe+3-Atome in NaFe4(MoO4)5 wurden mit Hilfe einer 57Fe-Mößbauer-Untersuchung bestimmt.

The long-term stability of a possible aqueous ammonium sulfate ocean inside Titan

We model the thermal evolution of a subsurface ocean of aqueous ammonium sulfate inside Titan using a parameterized convection scheme. The cooling and crystallization of such an ocean depends on its heat flux balance, and is governed by the pressure-dependent melting temperatures at the top and bottom of the ocean. Using recent observations and previous experimental data, we present a nominal model which predicts the thickness of the ocean throughout the evolution of Titan; after 4.5 Ga we expect an aqueous ammonium sulfate ocean 56 km thick, overlain by a thick (176 km) heterogeneous crust of methane clathrate, ice I and ammonium sulfate. Underplating of the crust by ice I will give rise to compositional diapirs that are capable of rising through the crust and providing a mechanism for cryovolcanism at the surface. We have conducted a parameter space survey to account for possible variations in the nominal model, and find that for a wide range of plausible conditions, an ocean of aqueous ammonium sulfate can survive to the present day, which is consistent with the recent observations of Titan's spin state from Cassini radar data [Lorenz, R.D., Stiles, B.W., Kirk, R.L., Allison, M.D., del Marmo, P.P., Iess, L., Lunine, J.I., Ostro, S.J., Hensley, S., 2008. Science 319, 1649–1651].

An N2: CH4: H2O DC glow discharge plasma probed by optical and electric techniques: significance to the radiation chemistry of Titan's upper atmosphere in the presence of meteoritic water

This paper presents optical and electrical measurements on plasma generated by DC excited glow discharges in mixtures composed of 95% N2, 4.8% CH4 and 0.2% H2O at pressures varying from 1.064 mbar to 4.0 mbar. The discharges simulate the chemical reactions that may occur in Titan's atmosphere in the presence of meteorites and ice debris coming from Saturn's systems, assisted by cosmic rays and high energy charged particles. The results obtained from actinometric optical emission spectroscopy, combined with the results from a pulsed Langmuir probe, show that chemical species CH, CN, NH and OH are important precursors in the synthesis of the final solid products and that the chemical kinetics is essentially driven by electronic collision processes. It is shown that the presence of water is sufficient to produce complex solid products whose components are important in prebiotic compound synthesis. © 1998 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Possible tropical lakes on Titan from observations of dark terrain

Titan has clouds, rain and lakes-like Earth-but composed of methane rather than water. Unlike Earth, most of the condensable methane (the equivalent of 5 m depth globally averaged(1)) lies in the atmosphere. Liquid detected on the surface (about 2 m deep) has been found by radar images only poleward of 50 degrees latitude(2,3), while dune fields pervade the tropics(4). General circulation models explain this dichotomy, predicting that methane efficiently migrates to the poles from these lower latitudes(5-7). Here we report an analysis of near-infrared spectral images(8) of the region between 20 degrees N and 20 degrees S latitude. The data reveal that the lowest fluxes in seven wavelength bands that probe Titan's surface occur in an oval region of about 60 x 40 km(2), which has been observed repeatedly since 2004. Radiative transfer analyses demonstrate that the resulting spectrum is consistent with a black surface, indicative of liquid methane on the surface. Enduring low-latitude lakes are best explained as supplied by subterranean sources (within the last 10,000 years), which may be responsible for Titan's methane, the continual photochemical depletion of which furnishes Titan's organic chemistry(9).

Radiative transfer analyses of Titan's tropical atmosphere

Titan's optical and near-IR spectra result primarily from the scattering of sunlight by haze and its absorption by methane. With a column abundance of 92 km amagat (11 times that of Earth), Titan's atmosphere is optically thick and only similar to 10% of the incident solar radiation reaches the surface, compared to 57% on Earth. Such a formidable atmosphere obstructs investigations of the moon's lower troposphere and surface, which are highly sensitive to the radiative transfer treatment of methane absorption and haze scattering. The absorption and scattering characteristics of Titan's atmosphere have been constrained by the Huygens Probe Descent Imager/Spectral Radiometer (DISR) experiment for conditions at the probe landing site (Tomasko, M.G., Bezard, B., Doose, L., Engel, S., Karkoschka, E. 120084 Planet. Space Sci. 56, 624-247: Tomasko, M.G. et al. [2008b] Planet. Space Sci. 56, 669-707). Cassini's Visual and Infrared Mapping Spectrometer (VIMS) data indicate that the rest of the atmosphere (except for the polar regions) can be understood with small perturbations in the high haze structure determined at the landing site (Penteado, P.F., Griffith, CA., Tomasko, M.G., Engel, S., See, C., Doose, L, Baines, K.H., Brown, R.H., Buratti, B.J., Clark, R., Nicholson, P., Sotin, C. [2010]. Icarus 206, 352-365). However the in situ measurements were analyzed with a doubling and adding radiative transfer calculation that differs considerably from the discrete ordinates codes used to interpret remote data from Cassini and ground-based measurements. In addition, the calibration of the VIMS data with respect to the DISR data has not yet been tested. Here, VIMS data of the probe landing site are analyzed with the DISR radiative transfer method and the faster discrete ordinates radiative transfer calculation; both models are consistent (to within 0.3%) and reproduce the scattering and absorption characteristics derived from in situ measurements. Constraints on the atmospheric opacity at wavelengths outside those measured by DISR, that is from 1.6 to 5.0 mu m, are derived using clouds as diffuse reflectors in order to derive Titan's surface albedo to within a few percent error and cloud altitudes to within 5 km error. VIMS spectra of Titan at 2.6-3.2 mu m indicate not only spectral features due to CH4 and CH3D (Rannou, P., Cours, T., Le Mouelic, S., Rodriguez, S., Sotin, C., Drossart, P., Brown, R. [2010]. Icarus 208, 850-867), but also a fairly uniform absorption of unknown source, equivalent to the effects of a darkening of the haze to a single scattering albedo of 0.63 +/- 0.05. Titan's 4.8 mu m spectrum point to a haze optical depth of 0.2 at that wavelength. Cloud spectra at 2 mu m indicate that the far wings of the Voigt profile extend 460 cm(-1) from methane line centers. This paper releases the doubling and adding radiative transfer code developed by the DISR team, so that future studies of Titan's atmosphere and surface are consistent with the findings by the Huygens Probe. We derive the surface albedo at eight spectral regions of the 8 x 12 km(2) area surrounding the Huygens landing site. Within the 0.4-1.6 mu m spectral region our surface albedos match DISR measurements, indicating that DISR and VIMS measurements are consistently calibrated. These values together with albedos at longer 1.9-5.0 mu m wavelengths, not sampled by DISR, resemble a dark version of the spectrum of Ganymede's icy leading hemisphere. The eight surface albedos of the landing site are consistent with, but not deterministic of, exposed water ice with dark impurities. (C) 2011 Elsevier Inc. All rights reserved.

Anwendung der konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopie zur Charakterisierung der Struktur von Zähnen und von oberflächenmodifiziertem Titan für Knochenimplantate

Zusammenfassung Mittels Fluoreszenzfarbstoffen können Strukturen sichtbar gemacht werden, die auf kon-ventionellem Weg nicht, oder nur schwer darzustellen sind. Besonders in Kombination mit der Konfokalen Laser Scanning Mikroskopie eröffnen sich neue Wege zum spezifischen Nachweis unterschiedlichster Komponenten biologischer Proben und gegebenenfalls deren dreidimensionale Widergabe.Die Visualisierung des Proteinanteils des Zahnhartgewebes kann mit Hilfe chemisch kopplungsfähiger Fluorochrome durchgeführt werden. Um zu zeigen, daß es sich bei dieser Markierung nicht um unspezifische Adsorption des Farbstoffes handelt, wurde zur Kontrolle die Proteinkomponente der Zahnproben durch enzymatischen Verdau beseitigt. Derartig behandelte Präparate wiesen eine sehr geringe Anfärbbarkeit auf.Weiterführend diente diese enzymatische Methode als Negativkontrolle zum Nachweis der Odontoblastenfortsätze im Dentin bzw. im Bereich der Schmelz-Dentin-Grenze. Hiermit konnte differenziert werden zwischen reinen Reflexionsbildern der Dentinkanäle und den Zellausläufern deren Membranen gezielt durch lipophile Fluoreszenzfarbstoffe markiert wurden.In einem weiteren Ansatz konnte gezeigt werden, daß reduzierte und daher nichtfluoreszente Fluoresceinabkömmlinge geeignet sind, die Penetration von Oxidationsmitteln (hier H2O2) in den Zahn nachzuweisen. Durch Oxidation dieser Verbindungen werden fluoreszierende Produkte generiert, die den Nachweis lieferten, daß die als Zahnbleichmittel eingesetzten Mittel rasch durch Schmelz und Dentin bis in die Pulpahöhle gelangen können.Die Abhängigkeit der Fluoreszenz bestimmter Fluorochrome von deren chemischer Um-gebung, im vorliegenden Fall dem pH-Wert, sollte eingesetzt werden, um den Säuregrad im Zahninneren fluoreszenzmikroskopisch darzustellen. Hierbei wurde versucht, ein ratio-metrisches Verfahren zu entwickeln, mit dem die pH-Bestimmung unter Verwendung eines pH-abhängigen und eines pH-unabhängigen Fluorochroms erfolgt. Diese Methode konnte nicht für diese spezielle Anwendung verifiziert werden, da Neutralisationseffekte der mineralischen Zahnsubstanz (Hydroxylapatit) die pH-Verteilung innerhalb der Probe beeinflußen. Fluoreszenztechniken wurden ebenfalls ergänzend eingesetzt zur Charakterisierung von kovalent modifizierten Implantatoberflächen. Die, durch Silanisierung von Titantestkörpern mit Triethoxyaminopropylsilan eingeführten freien Aminogruppen konnten qualitativ durch den Einsatz eines aminspezifischen Farbstoffes identifiziert werden. Diese Art der Funktionalisierung dient dem Zweck, Implantatoberflächen durch chemische Kopplung adhäsionsvermittelnder Proteine bzw. Peptide dem Einheilungsprozeß von Implantaten in den Knochen zugänglicher zu machen, indem knochenbildende Zellen zu verbessertem Anwachsverhalten stimuliert werden. Die Zellzahlbestimmung im Adhäsionstest wurde ebenfalls mittels Fluoreszenzfarbstoffen durchgeführt und lieferte Ergebnisse, die belegen, daß die durchgeführte Modifizierung einen günstigen Einfluß auf die Zelladhäsion besitzt.

Polymerisationskatalysatoren auf Basis von Titan- und Vanadiumkomplexen mit Bisphenolato-Liganden

Die Synthese und Charakterisierung von Bisphenolato-Komplexen des Titans und Vanadiums werden beschrieben.Neben dem Methylkomplex wurde eine Reihe von Bisphenolato-Komplexen des Titan(IV) der Zusammensetzung (tbmp)(o-C6H4CH2NMe2)TiX (mit X = CH2SiMe3, CH2Ph, OTf) synthetisiert. Der Methylkomplex wurde mit B(C6F5)3 oder (tbmp)(tbmpH)Al zum Komplexkation [(tbmp)(o-C6H4CH2NMe2)Ti]+ umgesetzt und dessen Reaktivität gegenüber 1-Olefinen untersucht.Ausgehend von (tbmp)TiCl2 wurden der Dimethylkomplex (tbmp)TiMe2 und der Dibenzylkomplex (tbmp)Ti(CH2Ph)2 dargestellt und strukturell charakterisiert. Der Dibenzylkomplex liegt im Kristall als Dimer vor, verbrückt über ein Dioxan-Molekül, während der Dimethylkomplex auch im Feststoff monomer ist. Dies ist das erste Beispiel für die Koordinationszahl fünf bei Bisphenolato-Titan-Komplexen.Polymerisationsversuche mit (tbmp)TiMe2 und B(C6F5)3 weisen auf eine hohe Reaktivität und geringe Stabilität des aktivierten Komplexes hin, die zu geringen Polymer-Ausbeuten führt.Im Falle des Vanadiums konnten trotz Schwierigkeiten aufgrund der hohen Redoxaktivität dieses Elements mehrere Komplexe dargestellt werden. Synthetisiert und strukturell charakterisiert wurden der Komplex (mbmp)V(O)(CH2SiMe3)·B(C6F5)3, das erste Beispiel für ein Boranaddukt eines Oxokomplexes des fünfwertigen Vanadiums, und der erste Di(bisphenolato)-Komplex des vierwertigen Vanadiums, (tbmp)2V.Desweiteren gelang die Darstellung von (mbmp)V(O)(CH2SiMe2Ph)·B(C6F5)3, (tbmp)VCl(THF)2 und (mbmp)2V. Die Alkylkomplexe des fünfwertigen Vanadiums waren mit B(C6F5)3 für die Polymerisation von Ethen nicht aktivierbar. Hingegen bildete (tbmp)VCl(THF)2 mit DEAC ein sehr aktives System für die Polymerisation von Ethen.

Die Kristallstruktur zweier Atmungsproteine: das Hämoglobin des Meerschweinchens und das 24-mere Hämocyanin des Kaiserskorpions

Im Verlauf der vorgestellten Arbeit konnten die Kristallstrukturen zweier Atmungsproteine gelöst werden. Da diese Strukturen mit verschiedenen Auflösungen gelöst wurden, wurden für die beiden Modelle unterschiedliche Methoden verwendet.rnrnDie Kristalle des Hämoglobins des Meerschweinchens Cavia porcellus erlaubten eine Messung von Streureflexen bis zu einer Auflösung von 1.7 Ǻ. Damit konnten das Molecular Replacement und das folgende Refinement mit geringen Vorgaben durchgeführt werden.rnAnhand der ermittelten Struktur konnte gezeigt werden, dass die Höhenadaptation des Hämoglobins des Meerschweinchens auf einer Stabilisierung des R2-Zustandes und einer gleichzeitigen Destabilisierung des T-Zustandes beruht. Die zu Grunde liegenden Aminosäureaustausche konnten identifiziert und der resultierende Mechanismus postuliert werden. Die Durchführung von Mutagenese-Experimenten am Hämoglobin des Meerschweinchens könnte die vorgestellte Hypothese bestätigen.rnrnDie Kristallstruktur des 24-meren Hämocyanins aus Pandinus imperator konnte durch eine Kombination von Röntgenkristallographie und Homologiemodellierung mit einer Auflösung von 6.5 Ǻ gelöst werden. Allerdings wäre die Bestimmung der Phasen durch Molecular Replacement ohne die vor kurzem publizierte Kryo-EM Struktur nicht möglich gewesen [Cong et al., 2009].rnDamit ist es durch die Kombination verschiedener Methoden erstmalig gelungen die Struktur eines Hämocyanins dieser Größe (Mw = 1.7 MDa) zu lösen. Die Auflösung von 6.5 Ǻ, eine für die Kristallographie relativ geringe Auflösung, erlaubte die Bestimmung des Cα-Traces des Proteins mit hoher Genauigkeit.rnDurch die Kristallstruktur konnte das zu Grunde liegende Kryo-EM Modell aus [Cong et al., 2009] bestätigt werden. Insbesondere die Position der α-Helices konnte mittels Kristallographie mit einer höheren Genauigkeit bestimmt werden. Durch die Verwendung von OMIT-Maps wurde sichergestellt, dass die Struktur nicht "kopiert" wurde. Die Übereinstimmung ist deshalb auf die Struktur des Hämocyanins im gemessenen Kristall zurückzuführen, nicht auf einen Bias bei der Auswertung.rnAnhand der Kristallstruktur konnten für die Kooperativität im Trimer potentiell entscheidende Aminosäuren identifiziert werden. Diese Aminosäuren könnten im Vergleich zur bekannten trimeren Struktur aus Limulus polyphemus zur Ausbildung zusätzlicher Bindungen zwischen den Untereinheiten führen. Diese Bindungen könnten eine wichtige Rolle beim Konformationsübergang zwischen dem T- und R-Zustand spielen.rn