Kolloide und ihre Überstrukturen als Bausteine zur Herstellung funktioneller Materialien

In dieser Arbeit wird die Synthese von Polymerkolloiden mit unterschiedlichen Formen und Funktionalitäten sowie deren Verwendung zur Herstellung kolloidaler Überstrukturen beschrieben. Über emulgatorfreie Emulsionspolymerisation (SFEP) erzeugte monodisperse sphärische Kolloide dienen als Bausteine von Polymeropalen, die durch die Selbstorganisation dieser Kolloide über vertikale Kristallisation (mit Hilfe einer Ziehmaschine) oder horizontale Kristallisation (durch Aufschleudern oder Aufpipettieren) entstehen. Durch die Kontrolle der Kugelgröße über die Parameter der Emulsionspolymerisation sowie die Einstellung der Schichtdicke der Kolloidkristalle über die Anpassung der Kristallisationsparameter ist die Erzeugung von qualitativ hochwertigen Opalen mit definierter Reflektionswellenlänge möglich. Darüber hinaus kann die chemische und thermische Beständigkeit der Opale durch den Einbau von Vernetzern oder vernetzbaren Gruppen in die Polymere erhöht werden. Die Opalfilme können als wellenlängenselektive Reflektoren in auf Fluoreszenzkonzentratoren basierenden Solarzellensystemen eingesetzt werden, um Lichtverluste in diesen Systemen zu reduzieren. Sie können auch als Template für die Herstellung invertierter Opale aus verschiedenen anorganischen Oxiden (TiO2, Al2O3, ZnO) dienen. Über einen CVD-Prozess erzeugte ZnO-Replika besitzen dabei den Vorteil, dass sie nicht nur eine hohe optische Qualität sondern auch eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Dies ermöglicht sowohl deren Einsatz als Zwischenreflektor in Tandemsolarzellen als auch die Herstellung hierarchischer Strukturen über die Elektroabscheidung von Nanokristallen. In einem weiteren Teil der Arbeit wird die Herstellung funktioneller formanisotroper Partikel behandelt. Durch die Entmischung von mit Monomer gequollenen vernetzten Partikeln in einer Saatpolymerisation sind mehrere Mikrometer große Kolloide zugänglich, die aus zwei interpenetrierenden Halbkugeln aus gleichen oder verschiedenen Polymeren bestehen. Dadurch sind unter anderem Glycidyl-, Alkin- und Carbonsäuregruppen in die eine oder die andere Halbkugel integrierbar. Diese funktionellen Gruppen erlauben die Markierung bestimmter Partikelhälften mit Farbstoffen, die Beschichtung von Partikelbereichen mit anorganischen Oxiden wie SiO2 sowie die Erzeugung amphiphiler formanisotroper Partikel, die sich an Grenzflächen ausrichten lassen. Das Synthesekonzept kann - ausgehend von mittels SFEP erzeugten stark vernetzten PMMA-Partikeln - auch auf kleine Kolloide mit Größen von mehreren hundert Nanometern übertragen werden.

Phosphonsäurehaltige polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe für Anwendungen in Brennstoffzellen

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.

Darstellung von fluorierten Amphiphilen zur Modifikation von Grenzflächeneigenschaften

Die vorliegende Arbeit behandelt die Darstellung von neuen fluorierten Amphiphilen in Hinblick auf deren spätere Anwendung zur Modifikation von flüssig-gasförmigen, flüssig-flüssigen und flüssig-festen Grenzflächen. Jedes der drei Themengebiete richtete sich an eine andere Grenzfläche. Die erste Aufgabe wurde mit der Darstellung und Charakterisierung von Fluortensiden kurzen Perfluoralkyl-Ketten erfüllt, welche als möglichen umweltfreundlichen Ersatz für die Derivate der langkettigen Perfluoroktancarbonsäure und Perfluoroktansulfonsäure Anwendung finden. Es wurden Fluortenside entwickelt, welche die Oberflächenspannung von Wasser auf bis zu 18 mN/m absenken können. Der zweite Fokus lag auf der Stabilisierung einer fluorierten Emulsion, die sich für die carbo-kationische Polymerisationen eignete. Im Rahmen der Arbeit wurde das neue Blockcopolymer Poly(isobutylen-b-pentafluorstyrol) dargestellt. Neben der Homopolymerisation von Isobutylen zur PIB-Partikelsynthese wurde die Eignung des Stabilisator-Emulsionssystems durch die Darstellung von hart-weichen PS-PIB-Hybridpartikeln erfolgreich verfolgt. Dazu wurde die Synthese von quervernetzten PS-Kernpartikeln und der anschließenden Umhüllung durch PIB in einem weiteren Schritt. Im dritten Teil wurde die Adsorption von amphiphilen Fluorpolymeren zur Solvophobierung von rauen anorganischen Oberflächen untersucht. Es konnten sowohl superhydrophobe als auch superoleophobe Eigenschaften erzielt werden.

Phosphonate ligands in extended inorganic hybrids and as radical units in complexes

Phosphonatliganden in erweiterten anorganischen Hybridmaterialien undrnals Radikalträgern in KomplexenrnrnAnorganisch-organische Hybridmaterialien sind in der Regel extrem vielseitig. Die systematische Darstellung von niederdimensionalen Materialien (eindimensionale Kettenverbindungen oder zweidimensionalen Schichtverbindungen) mit einer Kontrolle über die Art der Verbindung,rnbietet neue Möglichkeiten im Bereich des molekularen Magnetismus. Hier im Fall von Metall-Phosphonat Verbindungen in erweiterten anorganischen Hybriden wurde der pH - Wert während der Reaktion eingestellt, wodurch der Grad der Protonierung des Phosphonatliganden kontrolliert wurde. Aufgrund der Tatsache, dass alle erhaltenen Metall Phosphonatverbindungen neutral waren, konnte das Ligand zu Metallverhältnis erstmals vorhergesagt werden. So wurden mehrere neue Metall–Phosphonat Verbindungen im Bereich von Null-dimensionalen (I0O0, Co-Kristallisation von M(H2O)6 mitrndeprotonierten Phosphonatligand), über eindimensionalen (I1O0, Kettenstrukturen) bis hin zu zweidimensionalen (I2O0, Schichtstrukturen) ausführlich diskutiert in Bezug auf ihr magnetisches Verhalten. Im Allgemeinen sind die erwarteten Austauschwechselwirkungen in einem erweiterten anorganischen Hybridmaterial stark, weil oft ein Superaustausch durch ein einzelnes Sauerstoffatom möglich ist. Hier waren oft mehrere konkurrierende Austauschwechselwirkungen vorhanden, so dass kompliziertere magnetische Verhalten beobachtet wurden.rnrnDarüber hinaus wurden drei neue Beispiele von Nitronyl-Nitroxidradikale dargestellt, in denen eine zusätzliche saure Funktionalität eingeführt war. Die Auswirkungen des sauren Charakters der zusätzlich eingeführten Sulfonsäure oder Phosphonsäure-Gruppe auf das Nitronyl-Nitroxidradikal wurden im Detail zum ersten Mal untersucht. Die mit der Phosphonsäure-Gruppe versehenen Nitronyl-Nitroxidradikale sind perfekte Proben für die Untersuchung einer Spin-Verschiebung in Nitronyl-Nitroxidradikale durch EPR-Spektroskopie, aufgrund des eingeführten Phosphors. Auch der Protonierungsgrad der zusätzlich eingeführten Phosphonsäure-Gruppe wurde berücksichtigt. In dieser Arbeit wurden die ersten Metallkomplexe der neuen substituierten sauren Nitronyl-Nitroxidradikale vorgestellt. Die Koordination von Nickel(II) Metallionen an die saure, zweite funktionelle Gruppe des Nitronyl–Nitroxid Radikal wurde beschrieben. Die magnetische Austauschwechselwirkung der Metallionen untereinander und die Metall-Radikal-Austauschwechselwirkungen wurden untersucht. rnrnIm Allgemeinen können interessante molekulare magnetische Materialien dadurch dargestellt werden, dass die Dimension der Metall-Phosphonat-Verbindungen als Beispiele für die erweiterten anorganischen Hybridmaterialien gesteuert werden kann. Mit Nitronyl-Nitroxidradikale als organische Liganden können in Zukunft noch mehr Spin-Träger in anorganisch-organischen Gerüstmaterialien integriert werden um die magnetischen Eigenschaften zu verbesseren.rn

Classification of suppressor additives based on synergistic and antagonistic ensemble effects

Three fundamental types of suppressor additives for copper electroplating could be identified by means of potential Transient measurements. These suppressor additives differ in their synergistic and antagonistic interplay with anions that are chemisorbed on the metallic copper surface during electrodeposition. In addition these suppressor chemistries reveal different barrier properties with respect to cupric ions and plating additives (Cl, SPS). While the type-I suppressor selectively forms efficient barriers for copper inter-diffusion on chloride-terminated electrode surfaces we identified a type-II suppressor that interacts non-selectively with any kind of anions chemisorbed on copper (chloride, sulfate, sulfonate). Type-I suppressors are vital for the superconformal copper growth mode in Damascene processing and show an antagonistic interaction with SPS (Bis-Sodium-Sulfopropyl-Disulfide) which involves the deactivation of this suppressor chemistry. This suppressor deactivation is rationalized in terms of compositional changes in the layer of the chemisorbed anions due to the competition of chloride and MPS (Mercaptopropane Sulfonic Acid) for adsorption sites on the metallic copper surface. MPS is the product of the dissociative SPS adsorption within the preexisting chloride matrix on the copper surface. The non-selectivity in the adsorption behavior of the type-II suppressor is rationalized in terms of anion/cation pairing effects of the poly-cationic suppressor and the anion-modified copper substrate. Atomic-scale insights into the competitive Cl/MPS adsorption are gained from in situ STM (Scanning Tunneling Microscopy) using single crystalline copper surfaces as model substrates. Type-III suppressors are a third class of suppressors. In case of type-land type-II suppressor chemistries the resulting steady-state deposition conditions are completely independent on the particular succession of additive adsorption. In contrast to that a strong dependence of the suppressing capabilities on the sequence of additive adsorption ("first comes, first serves" principle) is observed for the type-IIIsuppressor. This behavior:is explained by a suppressor barrier that impedes not only the copper inter-diffusion but also the transport of other additives (e.g. SPS) to the copper surface. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

LRH-1-mediated glucocorticoid synthesis in enterocytes protects against inflammatory bowel disease

Liver receptor homolog-1 (LRH-1) is a nuclear receptor involved in intestinal lipid homeostasis and cell proliferation. Here we show that haploinsufficiency of LRH-1 predisposes mice to the development of intestinal inflammation. Besides the increased inflammatory response, LRH-1 heterozygous mice exposed to 2,4,6-trinitrobenzene sulfonic acid show lower local corticosterone production as a result of an impaired intestinal expression of the enzymes CYP11A1 and CYP11B1, which control the local synthesis of corticosterone in the intestine. Local glucocorticoid production is strictly enterocyte-dependent because it is robustly reduced in epithelium-specific LRH-1-deficient mice. Consistent with these findings, colon biopsies of patients with Crohn's disease and ulcerative colitis show reduced expression of LRH-1 and genes involved in the production of glucocorticoids. Hence, LRH-1 regulates intestinal immunity in response to immunological stress by triggering local glucocorticoid production. These findings underscore the importance of LRH-1 in the control of intestinal inflammation and the pathogenesis of inflammatory bowel disease.

The transcription factor IFN regulatory factor-4 controls experimental colitis in mice via T cell-derived IL-6

The proinflammatory cytokine IL-6 seems to have an important role in the intestinal inflammation that characterizes inflammatory bowel diseases (IBDs) such as Crohn disease and ulcerative colitis. However, little is known about the molecular mechanisms regulating IL-6 production in IBD. Here, we assessed the role of the transcriptional regulator IFN regulatory factor-4 (IRF4) in this process. Patients with either Crohn disease or ulcerative colitis exhibited increased IRF4 expression in lamina propria CD3+ T cells as compared with control patients. Consistent with IRF4 having a regulatory function in T cells, in a mouse model of IBD whereby colitis is induced in RAG-deficient mice by transplantation with CD4+CD45RB(hi) T cells, adoptive transfer of wild-type but not IRF4-deficient T cells resulted in severe colitis. Furthermore, IRF4-deficient mice were protected from T cell-dependent chronic intestinal inflammation in trinitrobenzene sulfonic acid- and oxazolone-induced colitis. In addition, IRF4-deficient mice with induced colitis had reduced mucosal IL-6 production, and IRF4 was required for IL-6 production by mucosal CD90+ T cells, which it protected from apoptosis. Finally, the protective effect of IRF4 deficiency could be abrogated by systemic administration of either recombinant IL-6 or a combination of soluble IL-6 receptor (sIL-6R) plus IL-6 (hyper-IL-6). Taken together, our data identify IRF4 as a key regulator of mucosal IL-6 production in T cell-dependent experimental colitis and suggest that IRF4 might provide a therapeutic target for IBDs.

Covalent immobilisation of VEGF on plasma-coated electrospun scaffolds for tissue engineering applications.

Recent findings in the field of biomaterials and tissue engineering provide evidence that surface immobilised growth factors display enhanced stability and induce prolonged function. Cell response can be regulated by material properties and at the site of interest. To this end, we developed scaffolds with covalently bound vascular endothelial growth factor (VEGF) and evaluated their mitogenic effect on endothelial cells in vitro. Nano- (254±133 nm) or micro-fibrous (4.0±0.4 μm) poly(ɛ-caprolactone) (PCL) non-wovens were produced by electrospinning and coated in a radio frequency (RF) plasma process to induce an oxygen functional hydrocarbon layer. Implemented carboxylic acid groups were converted into amine-reactive esters and covalently coupled to VEGF by forming stable amide bonds (standard EDC/NHS chemistry). Substrates were analysed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), enzyme-linked immuno-assays (ELISA) and immunohistochemistry (anti-VEGF antibody and VEGF-R2 binding). Depending on the reaction conditions, immobilised VEGF was present at 127±47 ng to 941±199 ng per substrate (6mm diameter; concentrations of 4.5 ng mm(-2) or 33.3 ng mm(-2), respectively). Immunohistochemistry provided evidence for biological integrity of immobilised VEGF. Endothelial cell number of primary endothelial cells or immortalised endothelial cells were significantly enhanced on VEGF-functionalised scaffolds compared to native PCL scaffolds. This indicates a sustained activity of immobilised VEGF over a culture period of nine days. We present a versatile method for the fabrication of growth factor-loaded scaffolds at specific concentrations.

Combined Secondary Ion Mass Spectrometry Depth Profiling and Focused Ion Beam Analysis of Cu Films Electrodeposited under Oscillatory Conditions

The recrystallization behavior of Cu films electrodeposited under oscillatory conditions in the presence of plating additives was studied by means of secondary ion mass spectrometry (SIMS) and focused ion beam analysis. When combined with bis-(sodium-sulfopropyl)-disulfide (SPS), Imep levelers (polymerizates of imidazole and epichlorohydrin) show characteristic oscillations in the galvanostatic potential/time transient measurements. These are related to the periodic degradation and restoration of the active leveler ensemble at the interface. The leveler action relies on adduct formation between the Imep and MPS (mercaptopropane sulfonic acid)-stabilized CuI complexes that appear as intermediates of the copper deposition when SPS is present in the electrolyte. SIMS depth profiling proves that additives are incorporated into the growing film preferentially under transient conditions during the structural breakdown of the leveler ensemble and its subsequent restoration. In contrast, Cu films electrodeposited in the presence of a structurally intact Imep–CuI–MPS ensemble remain largely contamination free.

Chemistry record of icecore BER11C95_25

A 181 m deep ice core drilled in 1994/95 on the south dome of Berkner Island, Antarctica, was analyzed for stable isotopes, major ions and microparticle concentrations. Samples for ion chromatography were prepared by using a novel technique of filling decontaminated sample from a device for continuous ice-core melting directly into the sample vials. The core was dated through identification of volcanic horizons and interpolative layer counting. The core, together with a similar core from the north dome, reveals a 1000 year history of relatively stable climate. Temporal variations in the two cores deviate from each other owing to changing patterns of regional-scale circulation; the best correspondence between them is found for MSA-. delta18O, accumulation rate and a sea-salt proxy show only negligible correlation, which suggests a complex meteorological setting. Increasing annual accumulation is observed for the last 100 years. A period of increased sea-salt concentrations started around AD 1405, as has also been observed in other cores. Microparticle concentrations are on average 1220 particles (>=1.0 ?m diameter)/mL; they are enhanced from AD 1200 to 1350, possibly because of a higher atmospheric mineral dust load or because local volcanic activity was stronger than previously thought. Microparticles and NH4+show marked but multiple and very irregular sub-annual peaks; long-term stacking of 1 year data intervals yields seasonal maxima in austral spring or mid-summer, respectively. Post-depositional redistribution was observed for MSA, NO3- and F- at volcanic horizons.

Continuous 25-years aerosol records at coastal Antarctica: Part I. Variability and climate implications of ionic compounds

The aerosol climatology at the coastal Antarctic Neumayer Station (NM) was investigated based on continuous, 25-yr long observations of biogenic sulphur components (methanesulfonate and non-sea salt sulphate), sea salt and nitrate. Although significant long-term trends could only be detected for nitrate (-3.6 ± 2.5% per year between 1983 and 1993 and +4.0 ± 3.2% per year from 1993-2007), non-harmonic periodicities between 2 and 5 yr were typical for all species. Dedicated time series analyses revealed that relations to sea ice extent and various circulation indices are weak at best or not significant. In particular, no consistent link between sea ice extent and sea salt loadings was evident suggesting only a rather local relevance of the NM sea salt record. Nevertheless, a higher Southern Annular Mode index tended to entail a lower biogenic sulphur signal. In examining the spatial uniformity of the NM findings we contrasted them to respective 17 yr records from the coastal Dumont d'Urville Station. We found similar long-term trends for nitrate, indicating an Antarctic-wide but not identifiable atmospheric signal, although any significant impact of solar activity or pollution could be ruled out. No inter-site variability on the multiannual scale was evident for the other ionic compounds.