Aufbau und Charakterisierung eines flugzeuggetragenen Einzelpartikel-Massenspektrometers

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein flugzeuggetragenes Laserablations-Einzelpartikel-Massenspektrometer von Grund auf entworfen, gebaut, charakterisiert und auf verschiedenen Feldmesskampagnen eingesetzt. Das ALABAMA (Aircraft-based Laser ABlation Aerosol MAss Spectrometer) ist in der Lage die chemische Zusammensetzung und Größe von einzelnen Aerosolpartikeln im submikrometer-Bereich (135 – 900 nm) zu untersuchen.rnNach dem Fokussieren in einer aerodynamischen Linse wird dafür zunächst derrnaerodynamische Durchmesser der einzelnen Partikel mit Hilfe einer Flugzeitmessung zwischen zwei Dauerstrichlasern bestimmt. Anschließend werden die zuvor detektierten und klassifizierten Partikel durch einen gezielten Laserpuls einzeln verdampft und ionisiert. Die Ionen werden in einem bipolaren Flugzeit-Massenspektrometer entsprechend ihrem Masse zu- Ladungs Verhältnisses getrennt und detektiert. Die entstehenden Massenspektren bieten einen detaillierten Einblick in die chemische Struktur der einzelnen Partikel.rnDas gesamte Instrument wurde so konzipiert, dass es auf dem neuen Höhenforschungsflugzeug HALO und anderen mobilen Plattformen eingesetzt werden kann. Um dies zu ermöglichen wurden alle Komponenten in einem Rahmen mit weniger als 0.45 m³ Volumen untergebracht. Das gesamte Instrument inklusive Rahmen wiegt weniger als 150 kg und erfüllt die strengen sicherheitsvorschriften für den Betrieb an Bord von Forschungsflugzeugen. Damit ist ALABAMA das kleinste und leichteste Instrument seiner Art.rnNach dem Aufbau wurden die Eigenschaften und Grenzen aller Komponenten detailliert im Labor und auf Messkampagnen charakterisiert. Dafür wurden zunächst die Eigenschaften des Partikelstrahls, wie beispielsweise Strahlbreite und –divergenz, ausführlich untersucht. Die Ergebnisse waren wichtig, um die späteren Messungen der Detektions- und Ablationseffizienz zu validieren.rnBei den anschließenden Effizienzmessungen wurde gezeigt, dass abhängig von ihrer Größe und Beschaffenheit, bis zu 86 % der vorhandenen Aerosolpartikel erfolgreich detektiert und größenklassifiziert werden. Bis zu 99.5 % der detektierten Partikel konnten ionisiert und somit chemisch untersucht werden. Diese sehr hohen Effizienzen sind insbesondere für Messungen in großer Höhe entscheidend, da dort zum Teil nur sehr geringe Partikelkonzentrationen vorliegen.rnDas bipolare Massenspektrometer erzielt durchschnittliche Massenauflösungen von bis zu R=331. Während Labor- und Feldmessungen konnten dadurch Elemente wie Au, Rb, Co, Ni, Si, Ti und Pb eindeutig anhand ihres Isotopenmusters zugeordnet werden.rnErste Messungen an Bord eines ATR-42 Forschungsflugzeuges während der MEGAPOLI Kampagne in Paris ergaben einen umfassenden Datensatz von Aerosolpartikeln innerhalb der planetaren Grenzschicht. Das ALABAMA konnte unter harten physischen Bedingungen (Temperaturen > 40°C, Beschleunigungen +/- 2 g) verlässlich und präzise betrieben werden. Anhand von charakteristischen Signalen in den Massenspektren konnten die Partikel zuverlässig in 8 chemische Klassen unterteilt werden. Einzelne Klassen konnten dabei bestimmten Quellen zugeordnet werden. So ließen sich beispielsweise Partikel mit starkerrnNatrium- und Kaliumsignatur eindeutig auf die Verbrennung von Biomasse zurückführen.rnALABAMA ist damit ein wertvolles Instrument um Partikel in-situ zu charakterisieren und somit verschiedenste wissenschaftliche Fragestellungen, insbesondere im Bereich der Atmosphärenforschung, zu untersuchen.

Nanopartikelcharakterisierung: Untersuchung des Retentionsverhaltens in der AF-FFF und der bimodalen Größenverteilung sauer katalysierter Poly(organosiloxan)-Dispersionen

Polymere Hohlstrukturen eignen sich um eine große Anzahl an Gastmolekülen zu verkapseln und bieten somit interessante Anwendungsmöglichkeiten, z.B. im Bereich kontrollierter Transportsysteme. Solche wohl definierten Strukturen lassen sich mittels des Sol-Gel-Prozesses durch Hydrolyse und Kondensation von Dialkoxydialkyl- und Trialkoxyalkylsilanen in wässriger Dispersion in Gegenwart von Tensiden synthetisieren. Die Methode ermöglicht den Aufbau verschiedener Kern-Schale-Systeme, inklusive Hohlkugelarchitekturen, mit Durchmessern von 10-100 nm. Abhängig von den eingestellten Parametern wird dabei eine bimodale Größenverteilung der Partikel beobachtet. Die bimodalen Proben wurden mittels der circularen asymmetrischen Fluss Feld-Fluss Fraktionierung (CAFFFE) fraktioniert. NMR-Untersuchungen deuten darauf hin, dass die Ursache der bimodalen Verteilung in der Synthese der Kerndispersion zu liegen scheint. MALDI-TOF-MS und GC-Messungen zeigen, dass der Kern der größeren Partikel ausschließlich aus zyklischen Kondensationsprodukten besteht, während im Kernmaterial der kleineren Partikel zusätzlich noch lineare Polydimethylsiloxan-Ketten vorhanden sind. Unter der Annahme, dass PDMS als Ultrahydrophob wirkt, lässt sich die Ostwaldreifung als Ursache der Bimodalität ausmachen. Eine Erhöhung des PDMS-Anteils, der zur Stabilisierung gegen den Reifungsprozess notwendig ist, führt zu einer monomodalen Verteilung der erhaltenen Partikel.

Plasmons as sensors

“Plasmon” is a synonym for collective oscillations of the conduction electrons in a metal nanoparticle (excited by an incoming light wave), which cause strong optical responses like efficient light scattering. The scattering cross-section with respect to the light wavelength depends not only on material, size and shape of the nanoparticle, but also on the refractive index of the embedding medium. For this reason, plasmonic nanoparticles are interesting candidates for sensing applications. Here, two novel setups for rapid spectral investigations of single nanoparticles and different sensing experiments are presented.rnrnPrecisely, the novel setups are based on an optical microscope operated in darkfield modus. For the fast single particle spectroscopy (fastSPS) setup, the entrance pinhole of a coupled spectrometer is replaced by a liquid crystal device (LCD) acting as spatially addressable electronic shutter. This improvement allows the automatic and continuous investigation of several particles in parallel for the first time. The second novel setup (RotPOL) usesrna rotating wedge-shaped polarizer and encodes the full polarization information of each particle within one image, which reveals the symmetry of the particles and their plasmon modes. Both setups are used to observe nanoparticle growth in situ on a single-particle level to extract quantitative data on nanoparticle growth.rnrnUsing the fastSPS setup, I investigate the membrane coating of gold nanorods in aqueous solution and show unequivocally the subsequent detection of protein binding to the membrane. This binding process leads to a spectral shift of the particles resonance due to the higher refractive index of the protein compared to water. Hence, the nanosized addressable sensor platform allows for local analysis of protein interactions with biological membranes as a function of the lateral composition of phase separated membranes.rnrnThe sensitivity on changes in the environmental refractive index depends on the particles’ aspect ratio. On the basis of simulations and experiments, I could present the existence of an optimal aspect ratio range between 3 and 4 for gold nanorods for sensing applications. A further sensitivity increase can only be reached by chemical modifications of the gold nanorods. This can be achieved by synthesizing an additional porous gold cage around the nanorods, resulting in a plasmon sensitivity raise of up to 50 % for those “nanorattles” compared to gold nanorods with the same resonance wavelength. Another possibility isrnto coat the gold nanorods with a thin silver shell. This reduces the single particle’s resonance spectral linewidth about 30 %, which enlarges the resolution of the observable shift. rnrnThis silver coating evokes the interesting effect of reducing the ensemble plasmon linewidth by changing the relation connecting particle shape and plasmon resonance wavelength. This change, I term plasmonic focusing, leads to less variation of resonance wavelengths for the same particle size distribution, which I show experimentally and theoretically.rnrnIn a system of two coupled nanoparticles, the plasmon modes of the transversal and longitudinal axis depend on the refractive index of the environmental solution, but only the latter one is influenced by the interparticle distance. I show that monitoring both modes provides a self-calibrating system, where interparticle distance variations and changes of the environmental refractive index can be determined with high precision.

Functional hydrogels: ferrogel thin films

Die Kombination magnetischer Nanopartikel (NP) mit temperatursensitiven Polymeren führt zur Bildung neuer Komposit-Materialien mit interessanten Eigenschaften, die auf vielfältige Weise genutzt werden können. Mögliche Anwendungsgebiete liegen in der magnetischen Trennung, der selektiven Freisetzung von Medikamenten, dem Aufbau von Sensoren und Aktuatoren. Als Polymerkomponente können z.B. Hydrogele dienen. Die Geschwindigkeit der Quellgradänderung mittels externer Stimuli kann durch eine Reduzierung des Hydrogelvolumens erhöht werden, da das Quellen ein diffusionskontrollierter Prozess ist. rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde ein durch ultraviolettes Licht vernetzbares Hydrogel aus N-isopropylacrylamid, Methacrylsäure und dem Vernetzer 4-Benzoylphenylmethacrylat hergestellt (PNIPAAm-Hydrogel) und mit magnetischen Nanopartikeln aus Magnetit (Fe3O4) kombiniert. Dabei wurde die Temperatur- und die pH-Abhängigkeit des Quellgrades im Hinblick auf die Verwendung als nanomechanische Cantilever Sensoren (NCS) untersucht. Desweiteren erfolgte eine Charakterisierung durch Oberflächenplasmonen- und optischer Wellenleitermoden-Resonanz Spektroskopie (SPR/OWS). Die daraus erhaltenen Werte für den pKa-Wert und die lower critical solution Temperatur (LCST) stimmten mit den bekannten Literaturwerten überein. Es konnte gezeigt werden, dass eine stärkere Vernetzung zu einer geringeren LCST führt. Die Ergebnisse mittels NCS wiesen zudem auf einen skin-effect während des Heizens von höher vernetzten Polymeren hin.rnDie Magnetit Nanopartikel wurden ausgehend von Eisen(II)acetylacetonat über eine Hochtemperaturreaktion synthetisiert. Durch Variation der Reaktionstemperatur konnte die Größe der hergestellten Nanopartikel zwischen 3.5 und 20 nm mit einer Größenverteilung von 0.5-2.5 nm eingestellt werden. Durch geeignete Oberflächenfunktionalisierung konnten diese in Wasser stabilisiert werden. Dazu wurde nach zwei Strategien verfahren: Zum einen wurden die Nanopartikel mittels einer Silika-Schale funktionalisiert und zum anderen Zitronensäure als Tensid eingesetzt. Wasserstabilität ist vor allem für biologische Anwendungen wünschenswert. Die magnetischen Partikel wurden mit Hilfe von Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), und superconductive quantum interference device (SQUID) charakterisiert. Dabei wurde eine Größenabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften sowie superparamagnetisches Verhalten beobachtet. Außerdem wurde die Wärmeerzeugung der magnetischen Nanopartikel in einem AC Magnetfeld untersucht. rnDie Kombination beider Komponenten in Form eines Ferrogels wurde durch Mischen Benzophenon funktionalisierter magnetischer Nanopartikel mit Polymer erreicht. Durch Aufschleudern (Spin-Coaten) wurden dünne Filme erzeugt und diese im Hinblick auf ihr Verhalten in einem Magnetfeld untersucht. Dabei wurde eine geringes Plastikverhalten beobachtet. Die experimentellen Ergebnisse wurden anschließend mit theoretisch berechneten Erwartungswerten verglichen und mit den unterschiedlichen Werten für dreidimensionale Ferrogele in Zusammenhang gestellt. rn

Water-soluble organic compounds in air particulate matter analyzed by HPLC-DAD-MS and HPLC-MS/MS: abundance, sources and transformation of carboxylic acids, nitrophenols and nitrated proteins

Wasserlösliche organische Verbindungen (WSOCs) sind Hauptbestandteile atmosphärischer Aerosole, die bis zu ~ 50% und mehr der organischen Aerosolfraktion ausmachen. Sie können die optischen Eigenschaften sowie die Hygroskopizität von Aerosolpartikeln und damit deren Auswirkungen auf das Klima beeinflussen. Darüber hinaus können sie zur Toxizität und Allergenität atmosphärischer Aerosole beitragen.In dieser Studie wurde Hochleistungsflüssigchromatographie gekoppelt mit optischen Diodenarraydetektion und Massenspektrometrie (HPLC-DAD-MS und HPLC-MS/MS) angewandt, um WSOCs zu analysieren, die für verschiedene Aerosolquellen und -prozesse charakteristisch sind. Niedermolekulare Carbonsäuren und Nitrophenole wurden als Indikatoren für die Verbrennung fossiler Brennstoffe und die Entstehung sowie Alterung sekundärer organischer Aerosole (SOA) aus biogenen Vorläufern untersucht. Protein-Makromoleküle wurden mit Blick auf den Einfluss von Luftverschmutzung und Nitrierungsreaktionen auf die Allergenität primärer biologischer Aerosolpartikel – wie Pollen und Pilzsporen – untersucht.rnFilterproben von Grob- und Feinstaubwurden über ein Jahr hinweg gesammelt und auf folgende WSOCs untersucht: die Pinen-Oxidationsprodukte Pinsäure, Pinonsäure und 3-Methyl-1,2,3-Butantricarbonsäure (3-MBTCA) sowie eine Vielzahl anderer Dicarbonsäuren und Nitrophenole. Saisonale Schwankungen und andere charakteristische Merkmale werden mit Blick auf Aerosolquellen und -senken im Vergleich zu Daten anderen Studien und Regionen diskutiert. Die Verhätlnisse von Adipinsäure und Phthalsäure zu Azelainsäure deuten darauf hin, dass die untersuchten Aerosolproben hauptsächlich durch biogene Quellen beeinflusst werden. Eine ausgeprägte Arrhenius-artige Korrelation wurde zwischen der 3-MBTCA-¬Konzentration und der inversen Temperatur beobachtet (R2 = 0.79, Ea = 126±10 kJ mol-1, Temperaturbereich 275–300 K). Modellrechnungen zeigen, dass die Temperaturabhängigkeit auf eine Steigerung der photochemischen Produktionsraten von 3-MBTCA durch erhöhte OH-Radikal-Konzentrationen bei erhöhten Temperaturen zurückgeführt werden kann. Im Vergleich zur chemischen Reaktionskinetik scheint der Einfluss von Gas-Partikel-Partitionierungseffekten nur eine untergeordnete Rolle zu spielen. Die Ergebnisse zeigen, dass die OH-initiierte Oxidation von Pinosäure der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Bildung von 3-MBTCA ist. 3-MBTCA erscheint somit als Indikator für die chemische Alterung von biogener sekundärer organischer Aerosole (SOA) durch OH-Radikale geeignet. Eine Arrhenius-artige Temperaturabhängigkeit wurde auch für Pinäure beobachtet und kann durch die Temperaturabhängigkeit der biogenen Pinen-Emissionen als geschwindigkeitsbestimmender Schritt der Pinsäure-Bildung erklärt werden (R2 = 0.60, Ea = 84±9 kJ mol-1).rn rnFür die Untersuchung von Proteinnitrierungreaktionen wurde nitrierte Protein¬standards durch Flüssigphasenreaktion von Rinderserumalbumin (BSA) und Ovalbumin (OVA) mit Tetranitromethan (TNM) synthetisiert.Proteinnitrierung erfolgt vorrangig an den Resten der aromatischen Aminosäure Tyrosin auf, und mittels UV-Vis-Photometrie wurde der Proteinnnitrierungsgrad (ND) bestimmt. Dieser ist definiert als Verhältnis der mittleren Anzahl von Nitrotyrosinresten zur Tyrosinrest-Gesamtzahl in den Proteinmolekülen. BSA und OVA zeigten verschiedene Relationen zwischen ND und TNM/Tyrosin-Verhältnis im Reaktionsgemisch, was vermutlich auf Unterschiede in den Löslichkeiten und den molekularen Strukturen der beiden Proteine zurück zu führen ist.rnDie Nitrierung von BSA und OVA durch Exposition mit einem Gasgemisch aus Stickstoffdioxid (NO2) und Ozon (O3) wurde mit einer neu entwickelten HPLC-DAD-¬Analysemethode untersucht. Diese einfache und robuste Methode erlaubt die Bestimmung des ND ohne Hydrolyse oder Verdau der untersuchten Proteine und ernöglicht somit eine effiziente Untersuchung der Kinetik von Protein¬nitrierungs-Reaktionen. Für eine detaillierte Produktstudien wurden die nitrierten Proteine enzymatisch verdaut, und die erhaltenen Oligopeptide wurden mittels HPLC-MS/MS und Datenbankabgleich mit hoher Sequenzübereinstimmung analysiert. Die Nitrierungsgrade individueller Nitrotyrosin-Reste (NDY) korrelierten gut mit dem Gesamt-Proteinnitrierungsgrad (ND), und unterschiedliche Verhältnisse von NDY zu ND geben Aufschluss über die Regioselektivität der Reaktion. Die Nitrierungmuster von BSA und OVA nach Beahndlung mit TNM deuten darauf hin, dass die Nachbarschaft eines negativ geladenen Aminosäurerestes die Tyrosinnitrierung fördert. Die Behandlung von BSA durch NO2 und O3 führte zu anderend Nitrierungemustern als die Behandlung mit TNM, was darauf hindeutet, dass die Regioselektivität der Nitrierung vom Nitrierungsmittel abhängt. Es zeigt sich jedoch, dass Tyrosinreste in Loop-Strukturen bevorzugt und unabhängig vom Reagens nitriert werden.Die Methoden und Ergebnisse dieser Studie bilden eine Grundlage für weitere, detaillierte Untersuchungen der Reaktionskinetik sowie der Produkte und Mechanismen von Proteinnitrierungreaktionen. Sie sollen helfen, die Zusammenhänge zwischen verkehrsbedingten Luftschadstoffen wie Stickoxiden und Ozon und der Allergenität von Luftstaub aufzuklären.rn

Nanoscopic studies of conjugated polymer blends by (electric) scanning probe microscopy

Conjugated polymers and conjugated polymer blends have attracted great interest due to their potential applications in biosensors and organic electronics. The sub-100 nm morphology of these materials is known to heavily influence their electromechanical properties and the performance of devices they are part of. Electromechanical properties include charge injection, transport, recombination, and trapping, the phase behavior and the mechanical robustness of polymers and blends. Electrical scanning probe microscopy techniques are ideal tools to measure simultaneously electric (conductivity and surface potential) and dielectric (dielectric constant) properties, surface morphology, and mechanical properties of thin films of conjugated polymers and their blends.rnIn this thesis, I first present a combined topography, Kelvin probe force microscopy (KPFM), and scanning conductive torsion mode microscopy (SCTMM) study on a gold/polystyrene model system. This system is a mimic for conjugated polymer blends where conductive domains (gold nanoparticles) are embedded in a non-conductive matrix (polystyrene film), like for polypyrrole:polystyrene sulfonate (PPy:PSS), and poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS). I controlled the nanoscale morphology of the model by varying the distribution of gold nanoparticles in the polystyrene films. I studied the influence of different morphologies on the surface potential measured by KPFM and on the conductivity measured by SCTMM. By the knowledge I gained from analyzing the data of the model system I was able to predict the nanostructure of a homemade PPy:PSS blend.rnThe morphologic, electric, and dielectric properties of water based conjugated polymer blends, e.g. PPy:PSS or PEDOT:PSS, are known to be influenced by their water content. These properties also influence the macroscopic performance when the polymer blends are employed in a device. In the second part I therefore present an in situ humidity-dependence study on PPy:PSS films spin-coated and drop-coated on hydrophobic highly ordered pyrolytic graphite substrates by KPFM. I additionally used a particular KPFM mode that detects the second harmonic electrostatic force. With this, I obtained images of dielectric constants of samples. Upon increasing relative humidity, the surface morphology and composition of the films changed. I also observed that relative humidity affected thermally unannealed and annealed PPy:PSS films differently. rnThe conductivity of a conjugated polymer may change once it is embedded in a non-conductive matrix, like for PPy embedded in PSS. To measure the conductivity of single conjugated polymer particles, in the third part, I present a direct method based on microscopic four-point probes. I started with metal core-shell and metal bulk particles as models, and measured their conductivities. The study could be extended to measure conductivity of single PPy particles (core-shell and bulk) with a diameter of a few micrometers.

Measurement and modeling of cloud condensation nuclei in continental air

Atmospheric aerosol particles serving as cloud condensation nuclei (CCN) are key elements of the hydrological cycle and climate. Knowledge of the spatial and temporal distribution of CCN in the atmosphere is essential to understand and describe the effects of aerosols in meteorological models. In this study, CCN properties were measured in polluted and pristine air of different continental regions, and the results were parameterized for efficient prediction of CCN concentrations.The continuous-flow CCN counter used for size-resolved measurements of CCN efficiency spectra (activation curves) was calibrated with ammonium sulfate and sodium chloride aerosols for a wide range of water vapor supersaturations (S=0.068% to 1.27%). A comprehensive uncertainty analysis showed that the instrument calibration depends strongly on the applied particle generation techniques, Köhler model calculations, and water activity parameterizations (relative deviations in S up to 25%). Laboratory experiments and a comparison with other CCN instruments confirmed the high accuracy and precision of the calibration and measurement procedures developed and applied in this study.The mean CCN number concentrations (NCCN,S) observed in polluted mega-city air and biomass burning smoke (Beijing and Pearl River Delta, China) ranged from 1000 cm−3 at S=0.068% to 16 000 cm−3 at S=1.27%, which is about two orders of magnitude higher than in pristine air at remote continental sites (Swiss Alps, Amazonian rainforest). Effective average hygroscopicity parameters, κ, describing the influence of chemical composition on the CCN activity of aerosol particles were derived from the measurement data. They varied in the range of 0.3±0.2, were size-dependent, and could be parameterized as a function of organic and inorganic aerosol mass fraction. At low S (≤0.27%), substantial portions of externally mixed CCN-inactive particles with much lower hygroscopicity were observed in polluted air (fresh soot particles with κ≈0.01). Thus, the aerosol particle mixing state needs to be known for highly accurate predictions of NCCN,S. Nevertheless, the observed CCN number concentrations could be efficiently approximated using measured aerosol particle number size distributions and a simple κ-Köhler model with a single proxy for the effective average particle hygroscopicity. The relative deviations between observations and model predictions were on average less than 20% when a constant average value of κ=0.3 was used in conjunction with variable size distribution data. With a constant average size distribution, however, the deviations increased up to 100% and more. The measurement and model results demonstrate that the aerosol particle number and size are the major predictors for the variability of the CCN concentration in continental boundary layer air, followed by particle composition and hygroscopicity as relatively minor modulators. Depending on the required and applicable level of detail, the measurement results and parameterizations presented in this study can be directly implemented in detailed process models as well as in large-scale atmospheric and climate models for efficient description of the CCN activity of atmospheric aerosols.

Bestimmung der Hamaker-Konstanten von polymeren Nanopartikeln in organischen Lösungsmitteln und wässrigen Elektrolytlösungen mittels asymmetrischer Fluss-Feld-Fluss-Fraktionierung

Die zwischen allen Objekten vorhandenen Wechselwirkungen können repulsiver und attraktiver Natur sein. Bei den attraktiven Kräften kommt der Bestimmung von Dispersionskräften eine besondere Bedeutung zu, da sie in allen kolloidalen Systemen vorhanden sind und entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften und Prozesse dieser Systeme nehmen. Eine der Möglichkeiten, Theorie und Experiment zu verbinden, ist die Beschreibung der London-Van der Waals-Wechselwirkung durch die Hamaker-Konstante, welche durch Berechnungen der Wechselwirkungsenergie zwischen Objekten erhalten werden kann. Für die Beschreibung von Oberflächenphänomenen wie Adhäsion, die in Termen der totalen potentiellen Energie zwischen Partikeln und Substrat beschrieben werden, benötigt man exakt bestimmte Hamaker-Konstanten. In der vorliegenden Arbeit wurde die asymmetrische Fluss Feld-Fluss Fraktionierung in Kombination mit einem auf dem Newton-Algorithmus basierenden Iterationsverfahren zur Bestimmung der effektiven Hamaker-Konstanten verschiedener Nanopartikeln sowie Polystyrollatex-Partikel in Toluol bzw. Wasser verwendet. Der Einfluss verschiedener Systemparameter und Partikeleigenschaften wurde im Rahmen der klassischen DLVO-Theorie untersucht.

Core-shell particles and their application for superhydrophobic surfaces

During the last years great effort has been devoted to the fabrication of superhydrophobic surfaces because of their self-cleaning properties. A water drop on a superhydrophobic surface rolls off even at inclinations of only a few degrees while taking up contaminants encountered on its way. rnSuperhydrophobic, self-cleaning coatings are desirable for convenient and cost-effective maintenance of a variety of surfaces. Ideally, such coatings should be easy to make and apply, mechanically resistant, and long-term stable. None of the existing methods have yet mastered the challenge of meeting all of these criteria.rnSuperhydrophobicity is associated with surface roughness. The lotus leave, with its dual scale roughness, is one of the most efficient examples of superhydrophobic surface. This thesis work proposes a novel technique to prepare superhydrophobic surfaces that introduces the two length scale roughness by growing silica particles (~100 nm in diameter) onto micrometer-sized polystyrene particles using the well-established Stöber synthesis. Mechanical resistance is conferred to the resulting “raspberries” by the synthesis of a thin silica shell on their surface. Besides of being easy to make and handle, these particles offer the possibility for improving suitability or technical applications: since they disperse in water, multi-layers can be prepared on substrates by simple drop casting even on surfaces with grooves and slots. The solution of the main problem – stabilizing the multilayer – also lies in the design of the particles: the shells – although mechanically stable – are porous enough to allow for leakage of polystyrene from the core. Under tetrahydrofuran vapor polystyrene bridges form between the particles that render the multilayer-film stable. rnMulti-layers are good candidate to design surfaces whose roughness is preserved after scratch. If the top-most layer is removed, the roughness can still be ensured by the underlying layer.rnAfter hydrophobization by chemical vapor deposition (CVD) of a semi-fluorinated silane, the surfaces are superhydrophobic with a tilting angle of a few degrees. rnrnrn

Aeolian geomorphodynamics in endorheic basins of the Mongolian Gobi Desert

Die vorliegende Arbeit ist im Zuge des DFG Projektes Spätpleistozäne, holozäne und aktuelle Geomorphodynamik in abflusslosen Becken der Mongolischen Gobi´´ entstanden. Das Arbeitsgebiet befindet sich in der südlichen Mongolei im nördlichen Teil der Wüste Gobi. Neben einigen Teilen der Sahara (Heintzenberg, 2009), beispielsweise das Bodélé Becken des nördlichen Tschads (z.B. Washington et al., 2006a; Todd et al., 2006; Warren et al., 2007) wird Zentralasien als ein Hauptliefergebiet für Partikel in die globale Zirkulation der Atmosphäre gesehen (Goudie, 2009). Hauptaugenmerk liegt hierbei besonders auf den abflusslosen Becken und deren Sedimentablagerungen. Die, der Deflation ausgesetzten Flächen der Seebecken, sind hauptsächliche Quelle für Partikel die sich in Form von Staub respektive Sand ausbreiten. Im Hinblick auf geomorphologische Landschaftsentwicklung wurde der Zusammenhang von Beckensedimenten zu Hangdepositionen numerisch simuliert. Ein von Grunert and Lehmkuhl (2004) publiziertes Model, angelehnt an Ideen von Pye (1995) wird damit in Betracht gezogen. Die vorliegenden Untersuchungen modellieren Verbreitungsmechanismen auf regionaler Ebene ausgehend von einer größeren Anzahl an einzelnen punktuellen Standorten. Diese sind repräsentativ für die einzelnen geomorphologischen Systemglieder mit möglicherweise einer Beteiligung am Budget aeolischer Geomorphodynamik. Die Bodenbedeckung durch das charakteristische Steinpflaster der Gobi - Region, sowie unter anderem Korngrößenverteilungen der Oberflächensedimente wurden untersucht. Des Weiteren diente eine zehnjährige Zeitreihe (Jan 1998 bis Dez 2007) meteorologischer Daten als Grundlage zur Analyse der Bedingungen für äolische Geomorphodynamik. Die Daten stammen von 32 staatlichen mongolischen Wetterstationen aus der Region und Teile davon wurden für die Simulationen verwendet. Zusätzlich wurden atmosphärische Messungen zur Untersuchung der atmosphärischen Stabilität und ihrer tageszeitlichen Variabilität mit Mess-Drachenaufstiegen vorgenommen. Die Feldbefunde und auch die Ergebnisse der Laboruntersuchungen sowie der Datensatz meteorologischer Parameter dienten als Eingangsparameter für die Modellierungen. Emissionsraten der einzelnen Standorte und die Partikelverteilung im 3D Windfeld wurden modelliert um die Konvektivität der Beckensedimente und Hangdepositionen zu simulieren. Im Falle hoher mechanischer Turbulenz der bodennahen Luftschicht (mit einhergehender hoher Wind Reibungsgeschwindigkeit), wurde generell eine neutrale Stabilität festgestellt und die Simulationen von Partikelemission sowie deren Ausbreitung und Deposition unter neutraler Stabilitätsbedingung berechnet. Die Berechnung der Partikelemission wurde auf der Grundlage eines sehr vereinfachten missionsmodells in Anlehnung an bestehende Untersuchungen (Laurent et al., 2006; Darmenova et al., 2009; Shao and Dong, 2006; Alfaro, 2008) durchgeführt. Sowohl 3D Windfeldkalkulationen als auch unterschiedliche Ausbreitungsszenarien äolischer Sedimente wurden mit dem kommerziellen Programm LASAT® (Lagrange-Simulation von Aerosol-Transport) realisiert. Diesem liegt ein Langargischer Algorithmus zugrunde, mittels dessen die Verbreitung einzelner Partikel im Windfeld mit statistischer Wahrscheinlichkeit berechnet wird. Über Sedimentationsparameter kann damit ein Ausbreitungsmodell der Beckensedimente in Hinblick auf die Gebirgsfußflächen und -hänge generiert werden. Ein weiterer Teil der Untersuchungen beschäftigt sich mit der geochemischen Zusammensetzung der Oberflächensedimente. Diese Proxy sollte dazu dienen die simulierten Ausbreitungsrichtungen der Partikel aus unterschiedlichen Quellregionen nach zu verfolgen. Im Falle der Mongolischen Gobi zeigte sich eine weitestgehende Homogenität der Minerale und chemischen Elemente in den Sedimenten. Laser Bebohrungen einzelner Sandkörner zeigten nur sehr leichte Unterschiede in Abhängigkeit der Quellregionen. Die Spektren der Minerale und untersuchten Elemente deuten auf graitische Zusammensetzungen hin. Die, im Untersuchungsgebiet weit verbreiteten Alkali-Granite (Jahn et al., 2009) zeigten sich als hauptverantwortlich für die Sedimentproduktion im Untersuchungsgebiet. Neben diesen Mineral- und Elementbestimmungen wurde die Leichtmineralfraktion auf die Charakteristik des Quarzes hin untersucht. Dazu wurden Quarzgehalt, Kristallisation und das Elektronen-Spin-Resonanz Signal des E’1 - Centers in Sauerstoff Fehlstellungen des SiO2 Gitters bestimmt. Die Untersuchungen sind mit dem Methodenvorschlag von Sun et al. (2007) durchgeführt worden und sind prinzipiell gut geeignet um Herkunftsanalysenrndurchzuführen. Eine signifikante Zuordnung der einzelnen Quellgebiete ist jedoch auch in dieser Proxy nicht zu finden gewesen.

Polymer brushes - Wetting properties and my-patterning

In this work polymer brushes on both flat and curved substrates were prepared by grafting from and grafting to techniques. The brushes on flat substrates were patterned on the µm-scale with the use of an inkjet printer. Thus it was demonstrated that chemistry with an inkjet printer is feasible. The inkjet printer was used to deposit microdroplets of acid. The saponification of surface-immobilized ATRP initiators containing an ester bond occurred in these microdroplets. The changes in the monolayer of ester molecules due to saponification were amplified by SI-ATRP. It was possible to correlate the polymer brush thickness to effectiveness of saponification. The use of an inkjet printer allowed for simultaneously screening of parameters such as type of acid, concentration of acid, and contact time between acid and surface. A dip-coater was utilized in order to test the saponification independent of droplet evaporation. The advantage of this developed process is its versatility. It can be applied to all surface-immobilized initiators containing ester bonds. The technique has additionally been used to selectively defunctionalize the initiator molecules covering a microcantilever on one side of a cantilever. An asymmetric coating of the cantilever with polymer brushes was thus generated. An asymmetric coating allows the use of a microcantilever for sensing applications. The preparation of nanocomposites comprised of polyorganosiloxane microgel particles functionalized with poly(ethyl methacrylate) (PEMA) brushes and linear, but entangled, PEMA chains is described in the second major part of this thesis. Measurement of the interparticle distance was performed using scanning probe microscopy and grazing incidence small angle X-ray scattering. The matrix molecular weight at which the nanocomposite showed microphase separation was related to abrupt changes in inter-particle distance. Microphase separation occurred once the matrix molecular exceeded the molecular weight of the brushes. The trigger for the microphase separation was a contraction of the polymer brushes, as the measurements of inter-particle distance have revealed. The brushes became impenetrable for the matrix chains upon contraction and thus behaved as hard spheres. The contraction led to a loss of anchoring between particles and matrix, as shown by nanowear tests using an atomic force microscope. Polyorganosiloxane microgel particles were functionalized with 13C enriched poly(ethyl methacrylate) brushes. New synthetic pathways were developed in order to enrich not the entire brush with 13C, but only exclusively selected regions. 13C chemical shift anisotropy, an advanced NMR technique, can thus be used in order to gather information about the extended conformations in the 13C enriched regions of the PEMA chains immobilized on the µ-gel-g-PEMA particles. The third part of this thesis deals with the grafting to of polymeric fullerene materials on silicon substrates. Active ester chemistry was employed in order to prepare the polymeric fullerene materials and graft these materials covalently on amino-functionalized silicon substrates.rn

Characterization of structure and dynamics of submicrometric systems via fluorescence correlation spectroscopy

The presented thesis revolves around the study of thermally-responsive PNIPAAm-based hydrogels in water/based environments, as studied by Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS).rnThe goal of the project was the engineering of PNIPAAm gels into biosensors. Specifically, a gamma of such gels were both investigated concerning their dynamics and structure at the nanometer scale, and their performance in retaining bound bodies upon thermal collapse (which PNIPAAm undergoes upon heating above 32 ºC).rnFCS’s requirements, as a technique, match the limitations imposed by the system. Namely, the need to intimately probe a system in a solvent, which was also fragile and easy to alter. FCS, on the other hand, both requires a fluid environment to work, and is based on the observation of diffusion of fluorescents at nanomolar concentrations. FCS was applied to probe the hydrogels on the nanometer size with minimal invasivity.rnVariables in the gels were addressed in the project including crosslinking degree; structural changes during thermal collapse; behavior in different buffers; the possibility of decreasing the degree of inhomogeneity; behavior of differently sized probes; and the effectiveness of antibody functionalization upon thermal collapse.rnThe evidenced results included the heightening of structural inhomogeneities during thermal collapse and under different buffer conditions; the use of annealing to decrease the inhomogeneity degree; the use of differently sized probes to address different length scale of the gel; and the successful functionalization before and after collapse.rnThe thesis also addresses two side projects, also carried forward via FCS. One, diffusion in inverse opals, produced a predictive simulation model for diffusion of bodies in confined systems as dependent on the bodies’ size versus the characteristic sizes of the system. The other was the observation of interaction of bodies of opposite charge in a water solution, resulting in a phenomenological theory and an evaluation method for both the average residence time of the different bodies together, and their attachment likelihood.

Synthese organisch-anorganischer Hybridmaterialien in Mehrkomponenten-Lösungsmittelsystemen

Die Funktionalisierung anorganischer Nanopartikel stellt einen Schlüsselschritt in der Herstellung von Nanokompositen dar. Nanokomposite erzielen ein wachsendes Interesse im Bereich der Polymer- und der Materialwissenschaften, da die Kombination mehrerer Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften, wie etwa die Kombination anorganischer Nanopartikel mit Polymeren, große Synergieeffekte erhoffen lässt.rnrnDer Einbau anorganischer Nanopartikel in polymere Matrixmaterialien zur Verbesserung oder Einführung mechanischer, optischer oder magnetischer Eigenschaften von Polymeren bedarf allerdings der Modifizierung der Oberfläche des anorganischen Materials, um die für die positiven Synergieeffekte essentielle Kompatibilität zwischen Füllstoff und Matrix zu erreichen.rnrnEine Vielzahl anorganischer Partikel ist bereits als wässrige Dispersion erhältlich (SiO2, Al2O3, CeO2, ZrO2, ...). Mehrkomponenten- Lösungsmittelsysteme ermöglichen den Transfer dieser Partikel in eine unpolare Umgebung und gleichzeitig deren Funktionalisierung mit amphiphilen Copolymeren. Aufgrund der reversiblen Schaltbarkeit dieser Lösungsmittelsysteme zwischen einem einphasigen und zweiphasigen Zustand werden die zu Beginn in zwei nichtmischbaren Phasen vorliegenden Reaktionspartner durch Übergang in einen einphasigen Zustand unter homogenen Bedingungen in Kontakt gebracht und durch eine erneute Phasentrennung isoliert.rnEin weiterer Vorteil dieser Lösungsmittelsysteme ist deren Tolerierung funktioneller Gruppen in den verwendeten amphiphilen Copolymeren, welche nicht in Wechselwirkung mit der Partikeloberfläche stehen. Beispielsweise können Amine in den amphiphilen Copolymeren für die Wechselwirkung der funktionalisierten Partikel mit einer Polyurethanmatrix dienen, Alkine können mittels einer 1,3-dipolaren Cycloaddition umgesetzt werden oder aber perfluorierten Seitenketten in den Seitenketten der amphiphilen Copolymere die Kompatibilisierung der funktionalisierten Partikel mit einem perfluorierten Polymer gewährleisten.

Bottle microresonators for applications in quantum optics and all-optical signal processing

This thesis reports on the experimental realization, characterization and application of a novel microresonator design. The so-called “bottle microresonator” sustains whispering-gallery modes in which light fields are confined near the surface of the micron-sized silica structure by continuous total internal reflection. While whispering-gallery mode resonators in general exhibit outstanding properties in terms of both temporal and spatial confinement of light fields, their monolithic design makes tuning of their resonance frequency difficult. This impedes their use, e.g., in cavity quantum electrodynamics (CQED) experiments, which investigate the interaction of single quantum mechanical emitters of predetermined resonance frequency with a cavity mode. In contrast, the highly prolate shape of the bottle microresonators gives rise to a customizable mode structure, enabling full tunability. The thesis is organized as follows: In chapter I, I give a brief overview of different types of optical microresonators. Important quantities, such as the quality factor Q and the mode volume V, which characterize the temporal and spatial confinement of the light field are introduced. In chapter II, a wave equation calculation of the modes of a bottle microresonator is presented. The intensity distribution of different bottle modes is derived and their mode volume is calculated. A brief description of light propagation in ultra-thin optical fibers, which are used to couple light into and out of bottle modes, is given as well. The chapter concludes with a presentation of the fabrication techniques of both structures. Chapter III presents experimental results on highly efficient, nearly lossless coupling of light into bottle modes as well as their spatial and spectral characterization. Ultra-high intrinsic quality factors exceeding 360 million as well as full tunability are demonstrated. In chapter IV, the bottle microresonator in add-drop configuration, i.e., with two ultra-thin fibers coupled to one bottle mode, is discussed. The highly efficient, nearly lossless coupling characteristics of each fiber combined with the resonator's high intrinsic quality factor, enable resonant power transfers between both fibers with efficiencies exceeding 90%. Moreover, the favorable ratio of absorption and the nonlinear refractive index of silica yields optical Kerr bistability at record low powers on the order of 50 µW. Combined with the add-drop configuration, this allows one to route optical signals between the outputs of both ultra-thin fibers, simply by varying the input power, thereby enabling applications in all-optical signal processing. Finally, in chapter V, I discuss the potential of the bottle microresonator for CQED experiments with single atoms. Its Q/V-ratio, which determines the ratio of the atom-cavity coupling rate to the dissipative rates of the subsystems, aligns with the values obtained for state-of-the-art CQED microresonators. In combination with its full tunability and the possibility of highly efficient light transfer to and from the bottle mode, this makes the bottle microresonator a unique tool for quantum optics applications.

Transport properties of YBa 2 Cu 3 O 7, PrBa 2 Cu 3 O 7-superlattices

The understanding of the coupling between superconducting YBa2Cu3O7 (YBCO) layers decoupled by non superconducting PrBa2Cu3O7 (PBCO) layers in c-axis oriented superlattices was the aim of this thesis. For this purpose two conceptually different kind of transport experiments have been performed. rnrnIn the first type of transport experiments the current is flowing parallel to the layers. Here the coupling is probed indirectly using magnetic vortex lines, which are penetrating the superlattice. Movement of the vortex segments in neighbouring YBCO layers is more or less coherent depending on the thickness of both the superconducting and non superconducting layers. This in-plane transport was measured either by sending an external current through bridges patterned in the superlattice or by an induced internal current. rnThe vortex-creep activation energy U was determined by analysis of the in-plane resistive transition in an external magnetic field B oriented along the c-axis. The activation energies for two series of superlattices were investigated. In one series the thickness of the YBCO layers was constant (nY=4 unit cells) and the number of the PBCO unit cells was varied, while in the other the number of PBCO layers was constant (nP=4) and nY varied. The correlation length of the vortex system was determined to be 80 nm along the c-axis direction. It was found that even a single PBCO unit cell in a superlattice effectively cuts the flux lines into shorter weakly coupled segments, and the coupling of the vortex systems in neighbouring layers is negligible already for a thickness of four unit cells of the PBCO layers. A characteristic variation of the activation energy for the two series of superlattices was found, where U0 is proportional to the YBCO thickness. A change in the variation of U0 with the current I in the specimen was observed, which can be explained in terms of a crossover in the vortex creep process, generated by the transport current. At low I values the dislocations mediated (plastic) vortex creep leads to thermally assisted flux-flow behaviour, whereas at high current the dc transport measurements are dominated by elastic (collective) creep.rnThe analysis of standard dc magnetization relaxation data obtained for a series superlattices revealed the occurrence of a crossover from elastic (collective) vortex creep at low temperature to plastic vortex creep at high T. The crossover is generated by the T dependent macroscopic currents induced in the sample. The existence of this creep crossover suggests that, compared with the well known Maley technique, the use of the normalized vortex creep activation energy is a better solution for the determination of vortex creep parameters.rnrnThe second type of transport experiments was to measure directly a possible Josephson coupling between superconducting CuO2 double planes in the superlattices by investigation of the transport properties perpendicular to the superconducting planes. Here three different experiments have been performed. The first one was to pattern mesa structures photolithographically as in previous works. The second used three-dimensional nanostructures cut by a focused ion beam. For the these two experiments insufficient patterning capabilities prevented an observation of the Josephson effect in the current voltage curves. rnA third experiment used a-axis and (110) oriented YBCO films, where in-plane patterning can in principle be sufficient to measure transport perpendicular to the superconducting planes. Therefore the deposition of films with this unusual growth orientation was optimized and investigated. The structural and microstructural evolution of c-axis to a-axis orientation was monitored using x-ray diffraction, scanning electron microscopy and magnetization measurements. Films with full a-axis alignment parallel to the substrate normal could be achieved on (100)SrTiO3. Due to the symmetry of the substrate the c-axis direction in-plane is twofold. Transferring the deposition conditions to films grown on (110)SrTiO3 allowed the growth of (110) oriented YBCO films with a unique in-plane c-axis orientation. While these films were of high quality by crystallographic and macroscopic visual inspection, electron microscopy revealed a coherent crack pattern on a nanoscale. Therefore the actual current path in the sample was not determined by the macroscopic patterning which prohibited investigations of the in-plane anisotropy in this case.rn