Synthesis of PTSH-modified CeO2 nanoparticles: Effect of the modifier on structure, optical properties, and dispersibility

CeO2 nanoparticles were synthesized by the precipitation method and modified with para-toluene sulfonic acid (PTSH), either in situ or post-synthesis. The presence of PTSH in the samples was confirmed by FTIR. PXRD and FTIR analyses showed that the post-synthesis PTSH modification altered the CeO2 structure, whereas the in situ modification maintained intact the crystalline structure and UV-vis absorbance properties. For both in situ and post-synthesis modifications, TEM images revealed the presence of nanoparticles that were 5nm in size. The dispersibility of the in situ PTSH-modified material in a hydrophilic ureasil-poly(ethylene oxide) matrix was investigated using SAXS measurements, which indicated that CeO2 nanoparticles modified with PTSH in situ were less aggregated within the matrix, compared to unmodified CeO2 nanoparticles. © 2013 Elsevier B.V.

Structural characteristics of P123-modified supercritical drying and hydrophobic ambient pressure drying aerogels

Supercritical drying (SCD) and hydrophobic ambient pressure drying (APD) aerogels were prepared from hydrolysis of tetraethoxysilane in solutions of poly(ethylene oxide)-poly(propylene oxide)-poly(ethylene oxide) (P123) in the range of composition below the threshold for the ordered mesoporous silica precipitation. APD was carried out after silylation of wet gels with trimethylchlorosilane (TMCS) or hexamethyldisilazane (HMDZ). The samples were analyzed by small-angle X-ray scattering and nitrogen adsorption. Wet gels are formed by mass-fractal domains, with fractal dimension close to 2, and larger pores superposing the pores belonging to the fractal structure in case of high P123 concentrations. Aerogels exhibit smaller-sized mass-fractal domains with larger mass-fractal dimension accounting for some porosity elimination on drying. The pore volume of the aerogels increases significantly with the P123 amount and it is even larger in the APD aerogels than in the SCD aerogels. © 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Utilização de uma matriz híbrida orgânica-inorgânica na dinâmica de liberação controlada de fármacos

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Fine-tuning of a nanostructure, swelling, and drug delivery profile by blending ureasil-PEO and ureasil-PPO hybrids

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Ureasil-polyether hybrid blend with tuneable hydrophilic/hydrophobic features based on U-PEO1900 and U-PPO400 mixtures

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Controlled swollen and drug release from urea-cross-linked polyether/siloxane hybrids

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Photo luminescent polymer electrolyte based on agar and containing europium picrate for electrochemical devices

Dispersion of photoluminescent rare earth metal complexes in polymer matrices is of great interest due to the possibility of avoiding the saturation of the photoluminescent signal. The possibility of using a natural ionic conducting polymer matrix was investigated in this study. Samples of agar-based electrolytes containing europium picrate were prepared and characterized by physical and chemical analyses. The FTIR spectra indicated strong interaction of agar O-H and 3.6-anhydro-galactose C-O groups with glycerol and europium picrate. The DSC analyses revealed no glass transition temperature of the samples in the -60 to 250 degrees C range. From the thermogravimetry (TG), a thermal stability of the samples of up to 180 degrees C was stated. The membranes were subjected to ionic conductivity measurement, which provided the values of 2.6 x 10(-6) S/cm for the samples with acetic acid and 1.6 x 10(-5) S/cm for the samples without acetic acid. Moreover, the temperature-dependent ionic conductivity measurements revealed both Arrhenius and VTF models of the conductivity depending on the sample. Surface visualization through scanning electron microscopy (SEM) demonstrated good uniformity. The samples were also applied in small electrochromic devices and showed good electrochemical stability. The present work confirmed that these materials may perform as satisfactory multifunctional component layers in the field of electrochemical devices. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Characterization of flexible DNA films

Polymer electrolytes (PEs) are currently the focus of much attention as potential electrolytes in electrochemical devices such as batteries, display devices and sensors. Deoxyribonucleic acid (DNA) as an important biological macromolecule has electric conducting electrochemical properties and unique three dimensional structures. With the goal of developing a new family of environmentally friendly multifunctional biohybrid materials displaying simultaneously high ionic conductivity we have produced in the present work, flexible films based on DNA, incorporating ionic liquids (ILs). Over the last decade ILs have been employed as a new media in electrochemistry and electroanalysis. The materials studied here have been characterized by means of Differential Scanning Calorimetry, Complex Impedance Spectroscopy and Cyclic Voltammetry. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Methodische Entwicklung der MALDI-TOF-Massenspektrometrie für Grenzbereiche der Polymeranalytik

Zusammenfassung der DoktorarbeitDie MALDI-TOF-Massenspektrometrie (Matrix Assisted Laser Desorption and Ionisation–Time Of Flight) ist in der Lage, Moleküle mit einem Molekulargewicht bis zu mehreren Hunderttausend Da intakt in die Gasphase zu überführen. Dabei wird die Fragmentierung des Analyten stark eingeschränkt bzw. gänzlich vermieden. Diese Methode findet daher zunehmend Verwendung für die Charakterisierung von Biopolymeren und synthetischen Polymeren. Ziel dieser Arbeit war, die MALDI-TOF-Massenspektrometrie zur Charakterisierung von Makromolekülen einzusetzen, bei denen die konventionellen polymeranalytischen Methoden nur unzureichende Informationen oder gar falsche bzw. gar keine Ergebnisse liefern. Mittels einer methodischen Entwicklung der MALDI-TOF-Massenspektrometrie gelang es, die bisherigen Grenzen der Methode zu erweitern und neue Anwendungsbereiche der Polymeranalytik aufzuzeigen. Anhand der erzielten Ergebnisse wurden darüber hinaus neue Erklärungsansätze formuliert, die zu einem besseren Verständnis des noch immer ungeklärten MALDI-Prozesses beitragen können. Besonders vielversprechend sind zum einen die Ergebnisse der Fragmentionenanalyse synthetischer Polymere und zum anderen die Charakterisierung von unlöslichen PAHs (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons). Die Möglichkeiten und Aussagekraft der Fragmentionenanalyse wurde an synthetischen Polymeren getestet. Mit Hilfe dieser neuen Technik konnte die komplizierte Endgruppenverteilung einer Polycarbonat-Probe sowie die Zusammensetzung eines Poly-para-phenylenethynylen-b-Polyethylenoxid-Diblock-Copolymers eindeutig bestimmen werden, während die konventionellen MALDI-Massenspektren nur über einen wesentlich geringeren Informationsgehalt verfügten. Auf dem Gebiet der Analytik von unlöslichen PAHs wurde mit der Entwicklung einer neuen MALDI-Probenvorbereitung eine Methode gefunden, die über die PAH Analytik hinaus von großem Nutzen ist. Diese erstmalig angewendete Probenvorbereitung unterscheidet sich von den üblichen MALDI-Probenpräparationen, indem sie auf die Beteiligung eines Lösungsmittels vollkommen verzichtet. Damit konnte speziell ein unlöslicher, zuvor nicht nachweisbarer PAH von ca. 2700 Da mit MALDI eindeutig charakterisiert werden.

Core-shell macromolecules with dendritic polyphenylene core and polymer shells

Core-shell macromolecules with dendritic polyphenylene core and polymer shell Zusammenfassung / Abstract Core-shell macromolecular structures have become of great interest in materials science because they gave an opportunity to combine a large variety of chemical and physical properties in the single molecule, by combination of different (in terms of chemistry and physics) cores and shells. The interest in such complex structures was provoked by their potential applications in the coating and painting industry (latexes), as supports for catalysts in polymer industry, or as nano-containers and transporters for genes or drug delivery. The aim of this study was the synthesis, characterization and further application of core-shell macromolecules possessing a hydrophobic stiff core (polyphenylene dendrimers) surrounded with a hydrophilic, soft, covalently bonded polymer shell (poly(ethylene oxide) and its copolymers). The requirements for such complex substances were that they should be well-defined in terms of molecular weight (narrow molecular weight distribution) and in molecular structure. The preparation of core-shell molecules containing dendrimer as a core was possible via two synthetic routs: “grafting-onto” and “grafting-from”. The resulting core-shell macromolecules possessed narrow polydispersity as guaranteed by the excellent structural and functional definition of the dendrimer and the narrow polydispersity of the PEO, PS-b-PEO and PI-b-PEO attached to the dendrimer surface. Additional investigation of the size of the particles indicated a relation between both the length and the number of the polymer chains and the hydrodynamic radius determined by Dynamic Light Scattering and Fluorescent Correlation Spectroscopy. Core-shell nano-particles were applied as metallocene supports in heterogeneous olefin polymerizations. Our results indicate that such catalyst systems, that have a size of at least one order of magnitude smaller than the used by now organic supports, could be very useful as model compounds for investigations on catalyst fragmentation and its influence on the product parameters.

Hydrophobe und hydrophile Beladung polymerer Vesikel

Polymere Vesikel, gebildet durch Selbstorganisation des amphiphilen Blockcopolymers Polybutadien-b-Polyethylenoxid in Wasser, wurden in der vorliegenden Arbeit erfolgreich mit hydrophoben und hydrophilen Substraten beladen und detailliert charakterisiert. Über verschiedene Präparationsmethoden sind unilamellare PB130-PEO66-Vesikel unterschiedlicher Größen und Verteilungsbreiten zugänglich, die aber alle eine konstante hydrophobe Schalendicke von etwa 15nm aufweisen, wie aus TEM-Messungen hervorgeht. Die hydrophoben Farbstoffe Oil Red EGN, Oil Blue N, Nilrot sowie ein Perylen-Derivat wurden in diese hydrophobe Schale eingelagert. Durch Absorptions-, Emissions-, (cryo)TEM- und Fluoreszenzmikroskopie-Messungen konnte gezeigt werden, dass die selbstorganisierte Struktur durch die Einlagerung der hydrophoben Farbstoffe in die Schale nicht beeinflusst wird. Als zusätzliche hydrophobe Modell-Substrate wurden Halbleiter-Nanokristalle, sogenannte Quantum Dots (QDs, d=5.7nm), erfolgreich in die polymere Vesikelschale eingelagert und durch Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) in Kombination mit dynamischer Lichtstreuung (DLS) nachgewiesen. Die Position der QDs in der Mitte der polymeren Doppelmembran konnte durch cryogene TEM-Abbildungen aufgezeigt werden. Darüber hinaus wurde die hydrophile Beladung des Vesikelkerns mit dem wasserlöslichen Farbstoff Phloxin B erfolgreich realisiert.

How different is water crystallization from polymer crystallization under confinement?

Ziel der vorliegenden Dissertation war es, Einblicke in das Kristallisationsverhalten weicher Materie („soft matter“), wie verschiedener Polymere oder Wasser, unter räumlicher Einschränkung („confinement“) zu erlangen. Dabei sollte untersucht werden, wie, weshalb und wann die Kristallisation in nanoporösen Strukturen eintritt. Desweiteren ist Kristallisation weicher Materie in nanoporösen Strukturen nicht nur aus Aspekten der Grundlagenforschung von großem Interesse, sondern es ergeben sich zahlreiche praktische Anwendungen. Durch die gezielte Steuerung der Kristallinität von Polymeren könnten somit Materialien mit verschiendenen mechanischen und optischen Eigenschaften erhalten werden. Desweiteren wurde auch räumlich eingeschränktes Wasser untersucht. Dieses spielt eine wichtige Rolle in der Molekularbiologie, z.B. für das globuläre Protein, und als Wolkenkondensationskeime in der Atmosphärenchemie und Physik. Auch im interstellaren Raum ist eingeschränktes Wasser in Form von Eispartikeln anzutreffen. Die Kristallisation von eingeschränktem Wasser zu verstehen und zu beeinflussen ist letztlich auch für die Haltbarkeit von Baumaterialien wie etwa Zement von großem Interesse.rnUm dies zu untersuchen wird Wasser in der Regel stark abgekühlt und das Kristallisationsverhalten in Abhängigkeit des Volumens untersucht. Dabei wurde beobachtet, dass Mikro- bzw. Nanometer große Volumina erst ab -38 °C bzw. -70 °C kristallisieren. Wasser unterliegt dabei in der Regel dem Prozess der homogenen Nukleation. In der Regel gefriert Wasser aber bei höheren Temperaturen, da durch Verunreinigungen eine vorzeitige, heterogene Nukleation eintritt.rnDie vorliegende Arbeit untersucht die sachdienlichen Phasendiagramme von kristallisierbaren Polymeren und Wasser unter räumlich eingeschränkten Bedingungen. Selbst ausgerichtetes Aluminiumoxid (AAO) mit Porengrößen im Bereich von 25 bis 400 nm wurden als räumliche Einschränkung sowohl für Polymere als auch für Wasser gewählt. Die AAO Nanoporen sind zylindrisch und parallel ausgerichtet. Außerdem besitzen sie eine gleichmäßige Porenlänge und einen gleichmäßigen Durchmesser. Daher eignen sie sich als Modelsystem um Kristallisationsprozesse unter wohldefinierter räumlicher Einschränkung zu untersuchen.rnEs wurden verschiedene halbkristalline Polymere verwendet, darunter Poly(ethylenoxid), Poly(ɛ-Caprolacton) und Diblockcopolymere aus PEO-b-PCL. Der Einfluss der Porengröße auf die Nukleation wurde aus verschiedenen Gesichtspunkten untersucht: (i) Einfluss auf den Nukleationmechanismus (heterogene gegenüber homogener Nukleation), (ii) Kristallorientierung und Kristallinitätsgrad und (iii) Zusammenhang zwischen Kristallisationstemperatur bei homogener Kristallisation und Glasübergangstemperatur.rnEs konnte gezeigt werden, dass die Kristallisation von Polymeren in Bulk durch heterogene Nukleation induziert wird und das die Kristallisation in kleinen Poren hauptsächlich über homogene Nukleation mit reduzierter und einstellbarer Kristallinität verläuft und eine hohe Kristallorientierung aufweist. Durch die AAOs konnte außerdem die kritische Keimgröße für die Kristallisation der Polymere abgeschätzt werden. Schließlich wurde der Einfluss der Polydispersität, von Oligomeren und anderen Zusatzstoffen auf den Nukleationsmechanismus untersucht.rn4rnDie Nukleation von Eis wurde in den selben AAOs untersucht und ein direkter Zusammenhang zwischen dem Nukleationstyp (heterogen bzw. homogen) und der gebildeten Eisphase konnte beobachtet werden. In größeren Poren verlief die Nukleation heterogen, wohingegen sie in kleineren Poren homogen verlief. Außerdem wurde eine Phasenumwandlung des Eises beobachtet. In den größeren Poren wurde hexagonales Eis nachgewiesen und unter einer Porengröße von 35 nm trat hauptsächlich kubisches Eis auf. Nennenswerter Weise handelte es sich bei dem kubischem Eis nicht um eine metastabile sondern eine stabile Phase. Abschließend wird ein Phasendiagramm für räumlich eingeschränktes Wasser vorgeschlagen. Dieses Phasendiagramm kann für technische Anwendungen von Bedeutung sein, so z.B. für Baumaterial wie Zement. Als weiteres Beispiel könnten AAOs, die die heterogene Nukleation unterdrücken (Porendurchmesser ≤ 35 nm) als Filter für Reinstwasser zum Einsatz kommen.rnNun zur Anfangs gestellten Frage: Wie unterschiedlich sind Wasser und Polymerkristallisation voneinander unter räumlicher Einschränkung? Durch Vergleich der beiden Phasendiagramme kommen wir zu dem Schluss, dass beide nicht fundamental verschieden sind. Dies ist zunächst verwunderlich, da Wasser ein kleines Molekül ist und wesentlich kleiner als die kleinste Porengröße ist. Wasser verfügt allerdings über starke Wasserstoffbrückenbindungen und verhält sich daher wie ein Polymer. Daher auch der Name „Polywasser“.

Rapid polyether cleavage via extracellular one-electron oxidation by a brown-rot basidiomycete

Fungi that cause brown rot of wood are essential biomass recyclers and also the principal agents of decay in wooden structures, but the extracellular mechanisms by which they degrade lignocellulose remain unknown. To test the hypothesis that brown-rot fungi use extracellular free radical oxidants as biodegradative tools, Gloeophyllum trabeum was examined for its ability to depolymerize an environmentally recalcitrant polyether, poly(ethylene oxide) (PEO), that cannot penetrate cell membranes. Analyses of degraded PEOs by gel permeation chromatography showed that the fungus cleaved PEO rapidly by an endo route. 13C NMR analyses of unlabeled and perdeuterated PEOs recovered from G. trabeum cultures showed that a major route for depolymerization was oxidative C—C bond cleavage, a reaction diagnostic for hydrogen abstraction from a PEO methylene group by a radical oxidant. Fenton reagent (Fe(II)/H2O2) oxidized PEO by the same route in vitro and therefore might account for PEO biodegradation if it is produced by the fungus, but the data do not rule out involvement of less reactive radicals. The reactivity and extrahyphal location of this PEO-degrading system suggest that its natural function is to participate in the brown rot of wood and that it may enable brown-rot fungi to degrade recalcitrant organopollutants.

Investigating polymer-peptide conjugates and electrospinning for the production of advanced materials

This thesis describes the production of advanced materials comprising a wide array of polymer-based building blocks. These materials include bio-hybrid polymer-peptide conjugates, based on phenylalanine and poly(ethylene oxide), and polymers with intrinsic microporosity (PIMs). Polymer-peptides conjugates were previously synthesised using click chemistry. Due to the inherent disadvantages of the reported synthesis, a new, simpler, inexpensive protocol was sought. Three synthetic methods based on amidation chemistry were investigated for both oligopeptide and polymerpeptide coupling. The resulting conjugates produced were then assessed by various analytical techniques, and the new synthesis was compared with the established protocol. An investigation was also carried out focussing on polymer-peptide coupling via ester chemistry, involving deprotection of the carboxyl terminus of the peptide. Polymer-peptide conjugates were also assessed for their propensity to self-assemble into thixotropic gels in an array of solvent mixtures. Determination of the rules governing this particular self-assembly (gelation) was required. Initial work suggested that at least four phenylalanine peptide units were necessary for self-assembly, due to favourable hydrogen bond interactions. Quantitative analysis was carried out using three analytical techniques (namely rheology, FTIR, and confocal microscopy) to probe the microstructure of the material and provided further information on the conditions for self-assembly. Several polymers were electrospun in order to produce nanofibres. These included novel materials such as PIMs and the aforementioned bio-hybrid conjugates. An investigation of the parameters governing successful fibre production was carried out for PIMs, polymer-peptide conjugates, and for nanoparticle cages coupled to a polymer scaffold. SEM analysis was carried out on all material produced during these electrospinning experiments.

Noncovalent coatings for the separation of synthetic polypeptides by nonaqueous capillary electrophoresis

Recently, we demonstrated the possibility to extend the range of capillary electrophoresis (CE) applications to the separation of non-water-soluble synthetic polymers. This work focuses on the control of the electro-osmotic flow (EOF) and on the limitation of the solute adsorption in nonaqueous electrolytes. For these purposes, different strategies were investigated. For the initial, a viscous additive (ethylene glycol or glycerol) was used in the electrolyte in order to decrease the EOF magnitude and, possibly, to compete with solute adsorption. A second strategy was to modify, before separation, the fused-silica capillary wall by the adsorption of poly(ethylene oxide) (PEO) via hydrogen bonding. The influence of the molecular mass of the adsorbed PEO on the EOF magnitude and direction was studied in electrolytes based on methanol/acetonitrile mixtures containing ammonium ions. For PEO molecular masses above 1000 g/mol, reversed (anodic) EOF were reported in accordance with previous results obtained with PEO covalently bonded capillaries. The influence of the nature and the concentration of the background electrolyte cation on the EOF magnitude and direction were also investigated. A third strategy consisted in modifying the capillary wall by the adsorption of a cationic polyelectrolyte layer. Advantageously, this polyelectrolyte layer suppressed the adsorption of the polymer solutes onto the capillary wall. The results obtained in this work confirm the high potential and the versatility of CE for the characterization of ionizable organic polymers in nonaqueous media.