Thin nanostructured crystalline TiO 2 films and their applications in solar cells

Research on thin nanostructured crystalline TiO2 films has attracted considerable interests because of their intriguing physical properties and potential applications in photovoltaics. Nanostructured TiO2 film plays an important role in the TiO2 based dye-sensitized solar cells because they act as a substrate for the adsorption of dye molecules and a matrix for the transportation of electrons as well. Thus they can influence the solar cell performance significantly. Consequently, the control of the morphology including the shape, size and size distribution of the TiO2 nanostructures is critical to tune and optimize the performance of the solar cells. To control the TiO2 morphology, a strategy using amphiphilic block copolymer as templating agent coupled with sol-gel chemistry has been applied. Especially, a good-poor solvent pair induced phase separation process has been developed to guide the microphase separation behavior of the block copolymers. The amphiphilic block copolymers used include polystyrene-block-poly (ethylene oxide) (PS-b-PEO), poly (methyl methacrylate)-block-poly (ethylene oxide) (PMMA-b-PEO), and poly (ethylene oxide)-block-polystyrene-block-poly (ethylene oxide) (PEO-b-PS-b-PEO). The block copolymer undergoes a good-poor-solvent pair induced phase separation in a mixed solution of 1, 4-dioxane or N, N’-dimethyl formamide (DMF), concentrated hydrochloric acid (HCl) and Titanium tetraisopropoxide (TTIP). Specifically, in the system of PS-b-PEO, a morphology phase diagram of the inorganic-copolymer composite films was mapped by adjusting the weight fractions among 1, 4-dioxane, HCl, and TTIP in solution. The amorphous TiO2 within the titania-block copolymer composite films was crystallized by calcination at temperatures above 400C, where the organic block copolymer was simultaneously burned away. This strategy is further extended to other amphiphilic block copolymers of PMMA-b-PEO and PEO-b-PS-b-PEO, where the morphology of TiO2 films can also be controlled. The local and long range structures of the titania films were investigated by the combination of imaging techniques (AFM, SEM) and x-ray scattering techniques (x-ray reflectivity and grazing incidence small-angle x-ray scattering). Based on the knowledge of the morphology control, the crystalline TiO2 nanostructured films with different morphologies were introduced into solid state dye-sensitized solar cells. It has been found that all of the morphologies help to improve the performance of the solar cells. Especially, clustered nanoparticles, worm-like structures, foam-like structures, large collapsed nanovesicles show more pronounced performance improvement than other morphologies such as nanowires, flakes, and nanogranulars.

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.

Biomimetic bilayer membranes made from polymers and lipids

Amphiphile Blockcopolymere sind in der Lage in Wasser Morphologien auszubilden, die analog sind zur hydrophil-hydrophob-hydrophil-Struktur von natürlichen Lipiddoppelschichten. In dieser Arbeit wird zum ersten Mal die Präparation und Charakterisierung von oberflächengestützten Polymerdoppelschichten aus Polybutadien-b-Polyethylenoxid (PB-PEO) beschrieben. Für die Herstellung dieser Strukturen wurden zwei unterschiedliche Präparationsstrategien verfolgt. Der erste Weg besteht aus einer zweistufigen Methode, bei der im ersten Schritt organisierte Monoschichten mittels Langmuir-Blodgett-Transfer auf Gold übertragen und kovalent angebunden werden. Im zweiten Schritt werden hydrophobe Wechselwirkungen ausgenutzt, um über Langmuir-Schaefer-Transfer eine weitere Schicht aufzubringen. Somit wurden homogene Architekturen erzeugt, die oberflächengestützten Lipiddoppelschichten gleichen. Als alternativer, einstufiger Ansatz zur Herstellung von Polymerdoppelschichten wurde das Spreiten von Polymervesikeln auf Gold verfolgt. Auch hierdurch ließen sich Doppelschichtstrukturen mit einer vollständigen Oberflächenbedeckung erzeugen. Die hergestellten Polymerdoppelschichten besitzen eine Dicke von 11-14 nm, die von der Präparationsmethode abhängt. Die Polymerstrukturen weisen bei Trocknung für 1.5 h eine Stabilität gegenüber Luft auf. Bei längeren Trocknungszeiten von ca. 12 h kommt es zu einer Reorganisation der Oberfläche. Dies deutet darauf hin, dass Wasser dazu notwendig ist die Strukturen auf lange Sicht zu stabilisieren. Um die Biokompatibilität der Polymerschichten nachzuweisen, wurden die Wechselwirkungen mit dem membranaktiven Peptid Polymyxin B und dem Transmembranprotein α-Haemolysin gezeigt. Mobilität ist ein wichtiger Faktor für die korrekte Funktion vieler Transmembranproteine. Um die laterale Diffusionsdynamik innerhalb der künstlichen Strukturen zu untersuchen, wurde die Mobilität eines integralen Modellpeptids und von fluoreszierenden Membransonden gemessen. Es konnte mit einzelmolekülempfindlichen Techniken gezeigt werden, dass das α-helikale Peptid und die kleinen Fluoreszenzfarbstoffe frei im hydrophoben Kern der Polymerdoppelschicht diffundieren können. Die Diffusion von beiden Spezies scheint stark von der Fluidität der Polymermatrix beeinflusst zu sein. Ein weiterer Teil dieser Arbeit widmet sich der Entwicklung eines angemessenen, lipidbasierten Referenzsystems für zukünftige Proteinuntersuchungen. Hierzu wurde eine neue Methode zu Herstellung von peptidgestützten Lipiddoppelschichtmembranen entwickelt. Dies wurde durch kovalente Befestigung eines Thiopeptids an einen Goldfilm und darauffolgende Anbindung eines Lipids erreicht. Zur Ausbildung der Lipiddoppelschicht auf dem Lipopeptidunterbau wurder der Rapid Solvent Exchange verwendet. Die Ausbildung der Lipiddoppelschicht wurde sowohl auf microskopischer als auch auf makroskopischer Ebene nachgewiesen. Im letzten Schritt wurde die Anwendbarkeit des Modelsystems für elektrochemische Messungen durch den funktionalen Einbau des Ionentransporters Valinomycin unter Beweis gestellt.

Synthesis and characterization of oligo(thiophene carboxamide)s

Die vorliegende Arbeit besteht aus zwei Teilen: Im ersten Teil der Arbeit werden supramolekulare Strukturen betrachtet, die durch unterschiedliche Fällungsbedingungen von Polyethylenoxid-block-oligo-p-benzamid-copolymeren erhalten wurden. Durch tropfenweise Zugabe des gelösten Polymers zu Chloroform, ein für Polyethylenoxid selektives Lösemittel, konnten verschiedenste Aggregate hergestellt werden. Von großen Hohlkugel mit einem Durchmesser von mehreren Mikrometern, bis zu kleinen Stäbchen mit den Abmessungen von zehn Nanometern in der Breite und einigen hundert Nanometern Länge, konnten beobachtet werden.rnDer Hauptteil der Arbeit handelt von der Synthese und Charakterisierung eines neuen, konjugierten Oligomers: Oligothiophencarbonsäureamid. Das hierfür nötige Monomer, eine 2-Aminothiophen-5-carbonsäure konnte mittels Gewald-Synthese, eine multikomponenten Ringschlussreaktion dargestellt werden. Diese Methode erlaubt die Herstellung von vierfach substituierten Thiophenen, wobei 3- und 4-Position meist Alkylketten und Ester sind. Das so hergestellte Material konnte in der stufenweise Synthese von Oligothiophencarbonsäureamiden genutzt werden. Die neuen Oligomere zeigten interessante Absorptions- und Fluoreszenzeigenschaften. In Dichlormethan wurde eine bathochrome Verschiebung der Absorptionsbande in Abhängigkeit der Oligomerlänge beobachtet. Das Pentamer erreichte eine Absorptionsenergie, die der Bande des Polythiophencarbonsäureamids entspricht, was bedeutetet, dass die effektive Konjugationslänge erreicht wurde. Im Gegensatz zu den Messungen in Dichlormethan, zeigten die Oligomere Aggregationstendenzen ab dem Trimer in N,N-Dimethylformamid. Die auftretende Charge-Transfer Bande verschwand mit steigenden Konzentrationen. Eine mögliche hypsochrome Verschiebung dieser Bande, deutet auf eine Bildung von H Aggregaten hin. Fluoreszenz und zeitaufgelöste Fluoreszenzmessungen ergaben die für konjugierte Systeme zu erwartenden Effekte. Die Konjugation entlang des Amids konnte ebenfalls mittels quantenmechanischer Berechnung nachgewiesen werden.

Application of a hybrid blocking layer in dye-sensitized solar cells

In dye-sensitized solar cells a blocking layer between the transparent electrode and the mesoporous titanium dioxide film is used to prevent short-circuits between the hole-conductor and the front electrode. The conventional approach is to use a compact layer of titanium dioxide prepared by spin coating or spray pyrolysis. The thickness of the blocking layer is critical. On one hand, the layer has to be thick enough to cover the rough substrate completely. On the other hand, the serial resistance increases with increasing film thickness, because the layer acts as an ohmic resistance itself. In this thesis an amphiphilic diblock copolymer is used as a functional template to produce an alternative, hybrid blocking layer. The hybrid blocking layer is thinner than the conventional, compact titanium dioxide film and thereby possesses a higher conductivity. Still, this type of blocking layer covers the rough electrode material completely and avoids current loss through charge recombination. The novel blocking layer is prepared using a tailored, amphiphilic block copolymer in combination with sol-gel chemistry. While the hydrophilic poly(ethylene oxide) part of the polymer coordinates a titanium dioxide precursor to form a percolating network of titania particles, the hydrophobic poly(dimethylsiloxane) part turns into an insulating ceramic layer. With this technique, crack-free films with a thickness down to 24 nm are obtained. The presence of a conductive titanium dioxide network for current flow, which is embedded in an insulating ceramic material, is validated by conductive scanning force microscopy. This is the first time that such a hybrid blocking layer is implemented in a solar cell. With this approach the efficiency could be increased up to 27 % compared to the conventional blocking layer. Thus, it is demonstrated that the hybrid blocking layer represents a competitive alternative to the classical approach.

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.

Clay-based polymer nanocomposites: Research and commercial development

This paper reviews the recent research and development of clay-based polymer nanocomposites. Clay minerals, due to their unique layered structure, rich intercalation chemistry and availability at low cost, are promising nanoparticle reinforcements for polymers to manufacture low-cost, lightweight and high performance nanocomposites. We introduce briefly the structure, properties and surface modification of clay minerals, followed by the processing and characterization techniques of polymer nanocomposites. The enhanced and novel properties of such nanocomposites are then discussed, including mechanical, thermal, barrier, electrical conductivity, biodegradability among others. In addition, their available commercial and potential applications in automotive, packaging, coating and pigment, electrical materials, and in particular biomedical fields are highlighted. Finally, the challenges for the future are discussed in terms of processing, characterization and the mechanisms governing the behaviour of these advanced materials.

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.

Facile synthesis of polymer-peptide conjugates via direct amino acid coupling chemistry

Polymer-peptide conjugates (also known as biohy-brids) are attracting considerable attention as injectable materials owing to the self-assembling behavior of the peptide and the ability to control the material properties using the polymer component. To this end, a simple method for preparing poly(ethylene oxide)-oligophenylalanine polymer-peptide conjugates (mPEOm-F n-OEt) using isobutylchloroformate as the activating reagent has been identified and developed. The synthetic approach reported employs an industrially viable route to produce conjugates with high yield and purity. Moreover, the approach allows judicious selection of the precursor building blocks to produce libraries of polymer-peptide conjugates with complete control over the molecular composition. Control over the molecular make-up of the conjugates allows fine control of the physicochemical properties, which will be exploited in future studies into the prominent self-assembling behavior of such materials. © 2013 Wiley Periodicals, Inc.

Design and performance assessment of aortic heart valve for tissue engineering

Current artificial heart valves are classified as mechanical and bioprosthetic. An appealing pathway that promises to overcome the shortcomings of commercially available heart valves is offered by the interdisciplinary approach of cardiovascular tissue engineering. However, the mechanical properties of the Tissue Engineering Heart Valves (TEHV) are limited and generally fail in the long-term use. To meet this performance challenge novel biodegradable triblock copolymer poly(ethylene oxide)-polypropylene oxide)-poly(ethylene oxide) (PEO-PPO-PEO or F108) crosslinked to Silk Fibroin (F108-SilkC) to be used as tri-leaflet heart valve material was investigated. ^ Synthesis of ten polymers with varying concentration and thickness (55 µm, 75 µm and 100 µm) was achieved via a covalent crosslinking scheme using bifunctional polyethylene glycol diglycidyl ether (PEGDE). Static and fatigue testing were used to assess mechanical properties of films, and hydrodynamic testing was performed to determine performance under a simulated left ventricular flow regime. The crosslinked copolymer (F108-Silk C) showed greater flexibility and resilience, but inferior ultimate tensile strength, by increasing concentration of PEGDE. Concentration molar ratio of 80:1 (F108: Silk) and thickness of 75 µm showed longer fatigue life for both tension-tension and bending fatigue tests. Four valves out of twelve designed satisfactorily complied with minimum performance requirement ISO 5840, 2005. ^ In conclusion, it was demonstrated that the applicability of a degradable polymer in conjugation with silk fibroin for tissue engineering cardiovascular use, specifically for aortic valve leaflet design, met the performance demands. Thinner thicknesses (t<75 µm) in conjunction with stiffness lower than 320 MPa (80:1, F108: Silk) are essential for the correct functionality of proposed heart valve biomaterial F108-SilkC. Fatigue tests were demonstrated to be a useful tool to characterize biomaterials that undergo cyclic loading. ^

An experimental and modelling study of the capture of CO2 from gas mixtures with different techniques, with focus on multicomponent effects.

In the present work, the deviations in the solubility of CO2, CH4, and N2 at 30 °c in the mixed gases (CO2/CH4) and (CO2/N2) from the pure gas behavior were studied using the dual-mode model over a wide range of equilibrium composition and pressure values in two glassy polymers. The first of which was PI-DAR which is the polyimide formed by the reaction between 4, 6-diaminoresorcinol dihydrochloride (DAR-Cl) and 2, 2’-bis-(3, 4-dicarboxyphenyl) hexafluoropropane dianhydride (6FDA). The other glassy polymer was TR-DAR which is the corresponding thermally rearranged polymer of PI-DAR. Also, mixed gas sorption experiments for the gas mixture (CO2/CH4) in TR-DAR at 30°c took place in order to assess the degree of accuracy of the dual-mode model in predicting the true mixed gas behavior. The experiments were conducted on a pressure decay apparatus coupled with a gas chromatography column. On the other hand, the solubility of CO2 and CH4 in two rubbery polymers at 30⁰c in the mixed gas (CO2/CH4) was modelled using the Lacombe and Sanchez equation of state at various values of equilibrium composition and pressure. These two rubbery polymers were cross-linked poly (ethylene oxide) (XLPEO) and poly (dimethylsiloxane) (PDMS). Moreover, data about the sorption of CO2 and CH4 in liquid methyl dietahnolamine MDEA that was collected from literature65-67 was used to determine the deviations in the sorption behavior in the mixed gas from that in the pure gases. It was observed that the competition effects between the penetrants were prevailing in the glassy polymers while swelling effects were predominant in the rubbery polymers above a certain value of the fugacity of CO2. Also, it was found that the dual-mode model showed a good prediction of the sorption of CH4 in the mixed gas for small pressure values but in general, it failed to predict the actual sorption of the penetrants in the mixed gas.

Theranostic Fibers for Simultaneous Imaging and Drug Delivery

New methods for creating theranostic systems with simultaneous encapsulation of therapeutic, diagnostic, and targeting agents are much sought after. This work reports for the first time the use of coaxial electrospinning to prepare such systems in the form of core–shell fibers. Eudragit S100 was used to form the shell of the fibers, while the core comprised poly(ethylene oxide) loaded with the magnetic resonance contrast agent Gd(DTPA) (Gd(III) diethylenetriaminepentaacetate hydrate) and indomethacin as a model therapeutic agent. The fibers had linear cylindrical morphologies with clear core–shell structures, as demonstrated by electron microscopy. X-ray diffraction and differential scanning calorimetry proved that both indomethacin and Gd(DTPA) were present in the fibers in the amorphous physical form. This is thought to be a result of intermolecular interactions between the different components, the presence of which was suggested by infrared spectroscopy. In vitro dissolution tests indicated that the fibers could provide targeted release of the active ingredients through a combined mechanism of erosion and diffusion. The proton relaxivities for Gd(DTPA) released from the fibers into tris buffer increased (r1 = 4.79–9.75 s–1 mM–1; r2 = 7.98–14.22 s–1 mM–1) compared with fresh Gd(DTPA) (r1 = 4.13 s–1 mM–1 and r2 = 4.40 s–1 mM–1), which proved that electrospinning has not diminished the contrast properties of the complex. The new systems reported herein thus offer a new platform for delivering therapeutic and imaging agents simultaneously to the colon.

Protein encapsulation and release from PEO-b-polyphosphoester templated calcium carbonate particles

International audience