841 resultados para proton conductor, crystallinity, self assembly, porous network


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In dieser Arbeit werden zwei Arten von nicht-kovalent verknüpften Netzwerkstrukturen vorgestellt, die aus phosphonsäurehaltigen Molekülen aufgebaut sind. Einerseits sollen diese phosphonsäurehaltigen Moleküle als Protonenleiter in Brennstoffzellen eingesetzt werden. Dies ist durch die Möglichkeit des kooperativen Protonentransports in wasserstoffbrückenhaltigen Netzwerken begründet. Auf der anderen Seite sollen die phosphonsäurehaltigen Moleküle unter Einsatz von Metallkationen zur Darstellung ionischer Netzwerke verwendet werden. In diesem Fall fungieren die phosphonierten Moleküle als Linker in porösen organisch-anorganischen Hybridmaterialien, die sich beispielsweise zur Gasspeicherung eignen.rnEine Brennstoffzelle stellt Energie mit hoher Effizienz und geringer Umweltbelastung bereit. Das Herzstück der Brennstoffzelle ist die Elektrolytmembran, die auch als Separator oder Protonenaustauschmembran (PEM) bezeichnet wird. Es wird davon ausgegangen, daß der Schlüssel zur Weiterentwicklung der PEM-Brennstoffzellen in der Entwicklung von Elektrolyten liegt, die ausschließlich und effizient Protonen transportieren und darüber hinaus chemisch (oxidationsbeständig) und mechanisch stabil sind. Die mechanische Stabilität betrifft insbesondere den Betrieb der Brennstoffzelle bei hohen Temperaturen und niedriger relativer Feuchtigkeit. In dieser Arbeit wird ein neuartiger Ansatz zum Erreichen eines hohen Protonentransports im Festkörper vorgestellt, der auf dem Einsatz kleiner Moleküle beruht, die durch Selbstorganisation eine kontinuierliche protonenleitende Phase erzeugen. Bis jetzt stellt Hexakis(p-phosphonatophenyl)benzol das erste Beispiel eines kristallinen Protonenleiters dar, der im festen Zustand eine hohe und konstante Leistung zeigt. Die Modifizierung von Hexakis(p-phosphonatophenyl)benzol, entweder durch Änderung von para- zu meta-Substitution oder die Einführung von Alkylketten, führt zu Verbindungen geringerer Kristallinität und niedriger Protonenleitfähigkeit.rnIm zweiten Teil der Arbeit wurde 1,3,5-Tris(p-phosphonatophenyl)benzol als Linker in der Synthese von offenen Phosphonat-Netzwerken eingesetzt. Es bilden sich aufgrund der ionischen Wechselwirkung zwischen den positiv geladenen Metallkationen und den negativ geladenen Phosphonsäuregruppen hochstabile Feststoffe. Eines der wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit besteht darin, daß 1,3,5-Tris(p-phosphonatophenyl)benzol als Linker zum Aufbau poröser Hybridmaterialien eingesetzt werden kann. Zum ersten Mal wurde ein dreifach phosphoniertes organisches Molekül zum Aufbau mikroporöser offener Phosphonat-Netzwerke verwendet. Zudem konnte gezeigt werden, daß die Porosität mit dem Wachstumsmechanismus dieser Materialien zusammenhängt. Es ist nur dann möglich ein gleichfalls mikroporöses und kristallines ionisches Netzwerk auf der Grundlage phosphonierter Moleküle zu erhalten, wenn Linker und Konnektor die gleiche Geometrie und Funktionalität besitzen.rn

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Die vorliegende Arbeit umfasst die Synthese und Charakterisierung phosphonsäurehaltiger, organischer Kristalle als ionenleitende Verbindungen in Brennstoffzellen-Anwendungen. Sie zielt dabei einerseits auf die Darstellung von protonenleitenden Polyphenylenverbindungen und deren Verwendung als Linker für den Aufbau protonenleitender Aluminium-Phosphonat-Netzwerke ab und behandelt andererseits die Einführung stark polarer Phosphonsäuregruppen in einen diskreten Nanographenkern sowie deren Einfluss auf die ionen- und elektronenleitenden Eigenschaften, um diese als gemischt-leitende Kompatibilisatoren an der isolierenden Elektrode/ Membran-Grenzfläche in einer Brennstoffzelle zu verwenden. Am Beispiel eines phosphonsäurefunktionalisierten, phenylenisch-expandierten Hexaphenylbenzols konnte ein solvothermisch stabiler Protonenleiter mit einer Selbstorganisation in kolumnare, supramolekulare Strukturen und hoher, temperaturunabhängiger Leitfähigkeit mit dominierendem Grotthuss-Anteil präsentiert werden. Durch einen Wechsel dieser 1D-radialen Phosphonsäureanordnung in der Molekülhülle hin zu 2D- und 3D-H2PO3-funktionalisierten, dendritischen Stäbchen- bzw. Kugelstrukturen konnte gezeigt werden, dass eine kolumnare Molekülanordnung jedoch kein notwendiges Kriterium für einen Grotthuss-artigen Protonentransport darstellt. Durch die mehrdimensionale Orientierung der Phosphonsäuren in der Außenhülle der Dendrimere garantieren die synthetisierten Strukturen hochaggregierte Phosphonsäurecluster, die als dichtes Säurekontinuum die eigentlichen protonenleitfähigen Kanäle darstellen und somit als entscheidendes Kriterium für das Auftreten eines Grotthuss-artigen Mechanismus definiert werden müssen. Eine signifikante Erhöhung der Leitfähigkeit konnte durch den Aufbau poröser, organisch-anorganischer Netzwerke (Al-HPB-NETs) über Komplexierung einer unterstöchiometrischen Menge an Aluminium-Kationen mit der Polyphosphonsäureverbindung Hexakis(p-phosphonatophenyl)benzol als Linkereinheit erfolgen, die anschließend mit kleinen intrinsischen Protonenleitern wie Phosphonsäure dotiert wurden. Diese dotierten Netzwerke wiesen außergewöhnliche Leitfähigkeit auf, da sie die σ-Werte des Referenzpolymers Nafion® bereits in einem Temperaturbereich oberhalb von 135°C übertrafen, aber gleichzeitig ein sehr gutes Säureretentionsverhalten von einem Gew.-% Säuredesorption über eine Immersionsdauer von 14 h gegenüber wässrigem Medium zeigten. Durch Mischen dieser Aluminiumphosphonate mit einer dotierten Polymermatrix wie PBI konnten synergistische Effekte durch zusätzliche attraktive H-Brückenbindungen zwischen molekular angebundener Phosphonsäure und mobiler H3PO4 an Hand eines signifikanten Leitfähigkeitsanstiegs für die resultierenden Membranen beobachtet werden. Die Protonenleitfähigkeit lag in diesen Materialien in dem gesamten untersuchten Temperaturbereich oberhalb von Nafion®. Durch das Einbringen der NETs in PBI konnte ebenfalls die Säureretention von PBI um etwa 9 % bei kurzen Immersionszeiten (bis 1 min) verbessert werden. Darüber hinaus wurde in der vorliegenden Arbeit die synthetische Kombination eines hydrophoben, elektronenleitenden Nanographenkerns mit einer, durch eine isolierende Peripherie getrennten, stark polaren, protonenleitenden Außenhülle realisiert. Am Beispiel von zwei phosphonsäurefunktionalisierten Triphenylenen, die sich in Länge und Planarität der gewählten Peripheriebausteine unterschieden, sollten polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe mit gemischt protonen- und elektronenleitenden Eigenschaften hergestellt werden, die über Impedanzspektroskopie und Vierpunktmessungen untersucht wurden. Da es sich bei der Anwendung solcher gemischtleitenden Verbindungen um grenz-flächenaktive Substanzen handelt, die das ohne verbesserte Anbindung bestehende Dielektrikum zwischen Elektrode und protonenleitender Membran überbrücken sollen, wurde die Untersuchung eines möglichen Elektronentransportes durch eine Molekülmonolage ebenfalls über kombinatorische STM- und STS-Technik durchgeführt.

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Systems biology is a new, emerging and rapidly developing, multidisciplinary research field that aims to study biochemical and biological systems from a holistic perspective, with the goal of providing a comprehensive, system- level understanding of cellular behaviour. In this way, it addresses one of the greatest challenges faced by contemporary biology, which is to compre- hend the function of complex biological systems. Systems biology combines various methods that originate from scientific disciplines such as molecu- lar biology, chemistry, engineering sciences, mathematics, computer science and systems theory. Systems biology, unlike “traditional” biology, focuses on high-level concepts such as: network, component, robustness, efficiency, control, regulation, hierarchical design, synchronization, concurrency, and many others. The very terminology of systems biology is “foreign” to “tra- ditional” biology, marks its drastic shift in the research paradigm and it indicates close linkage of systems biology to computer science. One of the basic tools utilized in systems biology is the mathematical modelling of life processes tightly linked to experimental practice. The stud- ies contained in this thesis revolve around a number of challenges commonly encountered in the computational modelling in systems biology. The re- search comprises of the development and application of a broad range of methods originating in the fields of computer science and mathematics for construction and analysis of computational models in systems biology. In particular, the performed research is setup in the context of two biolog- ical phenomena chosen as modelling case studies: 1) the eukaryotic heat shock response and 2) the in vitro self-assembly of intermediate filaments, one of the main constituents of the cytoskeleton. The range of presented approaches spans from heuristic, through numerical and statistical to ana- lytical methods applied in the effort to formally describe and analyse the two biological processes. We notice however, that although applied to cer- tain case studies, the presented methods are not limited to them and can be utilized in the analysis of other biological mechanisms as well as com- plex systems in general. The full range of developed and applied modelling techniques as well as model analysis methodologies constitutes a rich mod- elling framework. Moreover, the presentation of the developed methods, their application to the two case studies and the discussions concerning their potentials and limitations point to the difficulties and challenges one encounters in computational modelling of biological systems. The problems of model identifiability, model comparison, model refinement, model inte- gration and extension, choice of the proper modelling framework and level of abstraction, or the choice of the proper scope of the model run through this thesis.

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Une compréhension approfondie et un meilleur contrôle de l'auto-assemblage des copolymères diblocs (séquencés) et de leurs complexes à l'interface air/eau permettent la formation contrôlée de nanostructures dont les propriétés sont connues comme alternative à la nanolithographie. Dans cette thèse, des monocouches obtenues par les techniques de Langmuir et de Langmuir-Blodgett (LB) avec le copolymère dibloc polystyrène-poly(4-vinyl pyridine) (PS-PVP), seul ou complexé avec de petites molécules par liaison hydrogène [en particulier, le 3-n-pentadécylphénol (PDP)], ont été étudiées. Une partie importante de notre recherche a été consacrée à l'étude d'une monocouche assemblée atypique baptisée réseau de nanostries. Des monocouches LB composées de nanostries ont déjà été rapportées dans la littérature mais elles coexistent souvent avec d'autres morphologies, ce qui les rend inutilisables pour des applications potentielles. Nous avons déterminé les paramètres moléculaires et les conditions expérimentales qui contrôlent cette morphologie, la rendant très reproductible. Nous avons aussi proposé un mécanisme original pour la formation de cette morphologie. De plus, nous avons montré que l'utilisation de solvants à haut point d’ébullition, non couramment utilisés pour la préparation des films Langmuir, peut améliorer l'ordre des nanostries. En étudiant une large gamme de PS-PVP avec des rapports PS/PVP et des masses molaires différents, avec ou sans la présence de PDP, nous avons établi la dépendance des types principaux de morphologie (planaire, stries, nodules) en fonction de la composition et de la concentration des solutions. Ces observations ont mené à une discussion sur les mécanismes de formation des morphologies, incluant la cinétique, l’assemblage moléculaire et l’effet du démouillage. Nous avons aussi démontré pour la première fois que le plateau dans l'isotherme des PS-PVP/PDP avec morphologie de type nodules est relié à une transition ordre-ordre des nodules (héxagonal-tétragonal) qui se produit simultanément avec la réorientation du PDP, les deux aspects étant clairement observés par AFM. Ces études ouvrent aussi la voie à l'utilisation de films PS-PVP/PDP ultraminces comme masque. La capacité de produire des films nanostructurés bien contrôlés sur différents substrats a été démontrée et la stabilité des films a été vérifiée. Le retrait de la petite molécule des nanostructures a fait apparaître une structure interne à explorer lors d’études futures.

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Single crystal X-ray diffraction studies show that the beta-turn structure of tetrapeptide I, Boc-Gly-Phe-Aib-Leu-OMe (Aib: alpha-amino isobutyric acid) self-assembles to a supramolecular helix through intermolecular hydrogen bonding along the crystallographic a axis. By contrast the beta-turn structure of an isomeric tetrapeptide II, Boc-Gly-Leu-Aib-Phe-OMe self-assembles to a supramolecular beta-sheet-like structure via a two-dimensional (a, b axis) intermolecular hydrogen bonding network and pi-pi interactions. FT-IR studies of the peptides revealed that both of them form intermolecularly hydrogen bonded supramolecular structures in the solid state. Field emission scanning electron micrographs (FE-SEM) of the dried fibrous materials of the peptides show different morphologies, non-twisted filaments in case of peptide I and non-twisted filaments and ribbon-like structures in case of peptide II.

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The effect of poly(ethylene glycol) PEG crystallization on P-sheet fibril formation is studied for a series of three peptide/PEG conjugates containing fragments modified from the amyloid P peptide, specifically KLVFF, FFKLVFF, and AAKLVFF. These are conjugated to PEG with M-n = 3300 g mol(-1). It is found, via small-angle X-ray scattering,X-ray diffraction, atomic force microscopy, and polarized optical microscopy, that PEG crystallinity in dried samples can disturb fibrillization, in particular cross-P amyloid structure formation, for the conjugate containing the weak fibrillizer KLVFF, whereas this is retained for the conjugates containing the stronger fibrillizers AAKLVFF and FFKLVFF. For these two samples, the alignment of peptide fibrils also drives the orientation of the attached PEG chains. Our results highlight the importance of the antagonistic effects of PEG crystallization and peptide fibril formation in PEG/peptide conjugates.

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This paper highlights the key role played by solubility in influencing gelation and demonstrates that many facets of the gelation process depend on this vital parameter. In particular, we relate thermal stability (T-gel) and minimum gelation concentration (MGC) values of small-molecule gelation in terms of the solubility and cooperative self-assembly of gelator building blocks. By employing a van't Hoff analysis of solubility data, determined from simple NMR measurements, we are able to generate T-calc values that reflect the calculated temperature for complete solubilization of the networked gelator. The concentration dependence of T-calc allows the previously difficult to rationalize "plateau-region" thermal stability values to be elucidated in terms of gelator molecular design. This is demonstrated for a family of four gelators with lysine units attached to each end of an aliphatic diamine, with different peripheral groups (Z or Bee) in different locations on the periphery of the molecule. By tuning the peripheral protecting groups of the gelators, the solubility of the system is modified, which in turn controls the saturation point of the system and hence controls the concentration at which network formation takes place. We report that the critical concentration (C-crit) of gelator incorporated into the solid-phase sample-spanning network within the gel is invariant of gelator structural design. However, because some systems have higher solubilities, they are less effective gelators and require the application of higher total concentrations to achieve gelation, hence shedding light on the role of the MGC parameter in gelation. Furthermore, gelator structural design also modulates the level of cooperative self-assembly through solubility effects, as determined by applying a cooperative binding model to NMR data. Finally, the effect of gelator chemical design on the spatial organization of the networked gelator was probed by small-angle neutron and X-ray scattering (SANS/SAXS) on the native gel, and a tentative self-assembly model was proposed.

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Two-component systems capable of self-assembling into soft gel-phase materials are of considerable interest due to their tunability and versatility. This paper investigates two-component gels based on a combination of a L-lysine-based dendron and a rigid diamine spacer (1,4-diaminobenzene or 1,4-diaminocyclohexane). The networked gelator was investigated using thermal measurements, circular dichroism, NMR spectroscopy and small angle neutron scattering (SANS) giving insight into the macroscopic properties, nanostructure and molecular-scale organisation. Surprisingly, all of these techniques confirmed that irrespective of the molar ratio of the components employed, the "solid-like" gel network always consisted of a 1:1 mixture of dendron/diamine. Additionally, the gel network was able to tolerate a significant excess of diamine in the "liquid-like" phase before being disrupted. In the light of this observation, we investigated the ability of the gel network structure to evolve from mixtures of different aromatic diamines present in excess. We found that these two-component gels assembled in a component-selective manner, with the dendron preferentially recognising 1,4-diaminobenzene (>70%). when similar competitor diamines (1,2- and 1,3-diaminobenzene) are present. Furthermore, NMR relaxation measurements demonstrated that the gel based oil 1,4-diaminobenzene was better able to form a selective ternary complex with pyrene than the gel based oil 1,4-diaminocyclohexane, indicative of controlled and selective pi-pi interactions within a three-component assembly. As such, the results ill this paper demonstrate how component selection processes in two-component gel systems call control hierarchical self-assembly.

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The self-assembly of a fragment of the amyloid beta peptide that has been shown to be critical in amyloid fibrillization has been studied in aqueous solution. There are conflicting reports in the literature on the fibrillization of A beta (16-20), i.e., KLVFF, and our results shed light on this. In dilute solution, self-assembly of NH2-KLVFF-COOH is strongly influenced by aromatic interactions between phenylalanine units, as revealed by UV spectroscopy and circular dichroism. Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy reveals beta-sheet features in spectra taken for more concentrated solutions and also dried films. X-ray diffraction and cryo-transmission electron microscopy (cryo-TEM) provide further support for beta-sheet amyloid fibril formation. A comparison of cryo-TEM images with those from conventional dried and negatively stained TEM specimens highlights the pronounced effects of sample preparation on the morphology. A comparison of FTIR data for samples in solution and dried samples also highlights the strong effect of drying on the self-assembled structure. In more concentrated phosphate-buffered saline (PBS) solution, gelation of NH2-KLVFF-COOH is observed. This is believed to be caused by screening of the electrostatic charge on the peptide, which enables beta sheets to aggregate into a fibrillar gel network. The rheology of the hydrogel is probed, and the structure is investigated by light scattering and small-angle X-ray scattering.

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A peptide amphiphile (PA) C16-KTTKS, containing a pentapeptide headgroup based on a sequence from procollagen I attached to a hexadecyl lipid chain, self-assembles into extended nanotapes in aqueous solution. The tapes are based on bilayer structures, with a 5.2 nm spacing. Here, we investigate the effect of addition of the oppositely charged anionic surfactant sodium dodecyl sulfate (SDS) via AFM, electron microscopic methods, small-angle X-ray scattering and X-ray diffraction among other methods. We show that addition of SDS leads to a transition from tapes to fibrils, via intermediate states that include twisted ribbons. Addition of SDS is also shown to enhance the development of remarkable lateral ‘‘stripes’’ on the nanostructures, which have a 4 nm periodicity. This is ascribed to counterion condensation. The transition in the nanostructure leads to changes in macroscopic properties, in particular a transition from sol to gel is noted on increasing SDS (with a further reentrant transition to sol on further increase of SDS concentration). Formation of a gel may be useful in applications of this PA in skincare applications and we show that this can be controlled via development of a network of fine stranded fibrils.

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A thermal transition is observed in the peptide amphiphile C16-KTTKS (TFA salt) from nanotapes at 20 degrees C to micelles at higher temperature (the transition temperature depending on concentration). The formation of extended nanotapes by the acetate salt of this peptide amphiphile, which incorporates a pentapeptide from type I procollagen, has been studied previously [V. Castelletto et al., Chem. Commun., 2010, 46, 9185]. Here, proton NMR and SAXS provide evidence for the TFA salt spherical micelles at high temperature. The phase behavior, with a Krafft temperature separating insoluble aggregates (extended nanotapes) at low temperature from the high temperature micellar phase resembles that for conventional surfactants, however this has not previously been reported for peptide amphiphiles.

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This paper surveys the topology of macroporous silica prepared using latex templates covering the submicrometric range (0.1-0.7 mu m). The behavior of latex spheres in aqueous dispersion has been analyzed by dynamic light scattering (DLS) measurement indicating the most appropriate conditions to form well-defined cubic arrays. The optical behavior of latex spheres has been analyzed by transmittance and reflectance measurements in order to determine their diameter and filling factor when they were assembled in bidimensional arrays. Macroscopic templates have been obtained by a centrifugation process and their crystalline ordering has been confirmed by porosimetry and scanning electron microscopy. These self-assembled structures have been used to produce macroporous silica, whose final topology depends on the pore size distribution of the original template. It has been seen that latex spheres are ordered in a predominant fcc arrangement with slipping of tetragonal pores due to the action of attractive electrostatic interactions. The main effect is to change the spherical shape of voids in macroporous silica into a hexagonal configuration with possible applications to fabricate photonic devices with novel optical properties. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

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Supramolecular two-dimensional engineering epitomizes the design of complex molecular architectures through recognition events in multicomponent self-assembly. Despite being the subject of in-depth experimental studies, such articulated phenomena have not been yet elucidated in time and space with atomic precision. Here we use atomistic molecular dynamics to simulate the recognition of complementary hydrogen-bonding modules forming 2D porous networks on graphite. We describe the transition path from the melt to the crystalline hexagonal phase and show that self-assembly proceeds through a series of intermediate states featuring a plethora of polygonal types. Finally, we design a novel bicomponent system possessing kinetically improved self-healing ability in silico, thus demonstrating that a priori engineering of 2D self-assembly is possible.

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Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-06

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The preparation of a steam-based hydrothermally stable transition alumina is reported. The gel was derived from a synthetic sol-gel route where Al-tri-sec-butoxide is hydrolysed in the presence of a non-ionic surfactant (EO20PO70EO20), HCl as the catalyst and water (H2O/Al = 6); the condensation was enhanced by treating the hydrolysed gel with tetrabutylammonium hydroxide (TBAOH), after which it was dried at 60 °C by solvent evaporation. The so-obtained mesophase was crystallized under argon at 1200 °C (1 h) producing a transition alumina containing δ/α, and possibly θ, alumina phases. Due to its surface acidity, the pyrolysis conditions transform the block copolymer into a cross-linked char structure that embeds the alumina crystallites. Calcination at 650 °C generates a fully porous material by burning the char; a residual carbon of 0.2 wt.% was found, attributed to the formation of surface (oxy)carbides. As a result, this route produces a transition alumina formed by nanoparticles of about 30 nm in size on average, having surface areas in the range of 59-76 m2 g-1 with well-defined mesopores centered at 14 nm. The material withstands steam at 900 °C with a relative surface area rate loss lower than those reported for δ-aluminas, the state-of-the-art MSU-X γ-alumina and other pure γ-aluminas. The hydrothermal stability was confirmed under relevant CH4 steam reforming conditions after adding Ni; a much lower surface area decay and higher CH4 conversion compared to a state-of-the-art MSU-X based Ni catalyst were observed. Two effects are important in explaining the properties of such an alumina: the char protects the particles against sintering, however, the dominant effect is provided by the TBAOH treatment that makes the mesophase more resistant to coarsening and sintering. This journal is © the Partner Organisations 2014.