The nature of Ru-NO bonds in ruthenium tetraazamacrocycle nitrosyl complexes-a computational study

Ruthenium complexes including nitrosyl or nitrite complexes are particularly interesting because they can not only scavenge but also release nitric oxide in a controlled manner, regulating the NO-level in vivo. The judicious choice of ligands attached to the [RuNO] core has been shown to be a suitable strategy to modulate NO reactivity in these complexes. In order to understand the influence of different equatorial ligands on the electronic structure of the Ru-NO chemical bonding, and thus on the reactivity of the coordinated NO, we propose an investigation of the nature of the Ru-NO chemical bond by means of energy decomposition analysis (EDA), considering tetraamine and tetraazamacrocycles as equatorial ligands, prior to and after the reduction of the {RuNO}(6) moiety by one electron. This investigation provides a deep insight into the Ru-NO bonding situation, which is fundamental in designing new ruthenium nitrosyl complexes with potential biological applications.

Exploring the coordination chemistry of isomerizable terpyridine derivatives for successful analyses of cis and trans isomers by travelling wave ion mobility mass spectrometry

The photochemical cis-trans isomerization of the 4-{4-[2-(pyridin-4-yl)ethenyl]phenyl}-2,2': 6',2''-terpyridine ligand (vpytpy) was investigated by UV-vis, NMR and TWIM-MS. Ion mobility mass spectrometry was performed pursuing the quantification of the isomeric composition during photolysis, however an in-source trans-to-cis isomerization process was observed. In order to overcome this inherent phenomenon, the isomerization of the vpytpy species was suppressed by complexation, reacting with iron(II) ions, and forming the [Fe(vpytpy)(2)](2+) complex. The strategy of "freezing" the cis-trans isomerizable ligand at a given geometric conformation was effective, preventing further isomerization, thus allowing the distinction of each one of the isomers in the photolysed mixture. In addition, the experimental drift times were related to the calculated surface areas of the three possible cis-cis, cis-trans and trans-trans iron(II) complex isomers. The stabilization of the ligand in a given conformation also allows us to obtain the cis-cis and cis-trans complexes exhibiting the ligand in the metastable cis-conformation, as well as in the thermodynamically stable trans-conformation.

Dissociative electron attachment to chloromethane.

A low energy electron may attach to a molecule, forming a metastable resonance, which may dissociate into a stable anion and a neutral radical. Chloromethane has been a good target for dissociative electron attachment studies, since it is a small molecule with a clear dissociative ‘sigma*’ shape resonance. We present potential energy curves for CH3Cl and its anion, as a function of the C-Cl distance. Due to the resonant nature of the anion, a correct description requires a treatment based on scattering calculations. In order to compute elastic cross sections and phase shifts we employed the Schwinger multichannel method, implemented with pseudopotentials of Bachelet, Hamann and Schlüter, at the static-exchange plus polarization approximation. At the equilibrium geometry, the resonance was found arround 3.3 eV, in accordance to experience. The incoming electron is captured by a ‘sigma*’ orbital located at the C-Cl bond, which will relax in the presence of this extra electron. We took this bond as the reaction coordinate, and performed several scattering calculations for a series of nuclear conformations. The phase shift obtained in each calculation was fitted by a two component function, consisting in the usual Breit-Wigner profile, which captures the resonant character, and a second order polynomial in the wave number, which accounts for the background contribution. That way, we obtained position and width of the resonance, which allowed us to build the potential energy curve. For larger distances, the anion becomes stable and usual electronic structure calculations suffice. Furthermore, the existence of a dipole-bound anion state is revealed when we employed a set of very diffuse functions. The knowledge on the behaviour of the neutral and anionic electronic states helps us in elucidating how the dissociation takes place.

The β to α phase transition of tantalum coatings deposited by modulated pulsed power magnetron sputtering

Tantalum coatings are of particular interest today as promising candidates to replace potentially hazardous electrodeposited chromium coatings for tribological and corrosion resistant applications, such as the internal lining on large-caliber gun barrels. Tantalum coatings have two crystalline phases, α-Ta (body-centered-cubic) and β-Ta (metastable tetragonal) that exhibit relatively different properties. Alpha-Ta is typically preferred for wear and corrosion resistant applications and unfortunately, is very difficult to deposit without the assistance of substrate heating or post-annealing treatments. Furthermore, there is no general consensus on the mechanism which causes α or β to form or if there is a phase transition or transformation from β → α during coating deposition. In this study, modulated pulsed power (MPP) magnetron sputtering was used to deposit tantalum coatings with thicknesses between 2 and 20 μm without external substrate heating. The MPP Ta coatings showed good adhesion and low residual stress. This study shows there is an abrupt β → α phase transition when the coating is 5–7 μm thick and not a total phase transformation. Thermocouple measurements reveal substrate temperature increases as a function of deposition time until reaching a saturation temperature of ~ 388 °C. The importance of substrate temperature evolution on the β → α phase transition is also explained.

Size-dependent phase transitions in nanostructured zirconia-scandia solid solutions.

Size effects on phase stability and phase transitions in technologically relevant materials have received growing attention. Several works reported that metastable phases can be retained at room temperature in nanomaterials, these phases generally corresponding to the high-temperature polymorph of the same material in bulk state. Additionally, size-dependent shifts in solubility limits and/or in the transition temperatures for on heating or on cooling cycles have been observed. ZrO2-Sc2O3 (zirconia-scandia) solid solutions are known to exhibit very high oxygen ion conductivity provided their structure is composed of cubic and/or pseudocubic tetragonal phases. Unfortunately, for solid zirconia-scandia polycrystalline samples with typical micrometrical average crystal sizes, the high-conductivity cubic phase is only stable above 600°C. Depending on composition, three low-conductivity rhombo-hedral phases (β, γ and δ) are stable below 600°C down to room temperature, within the compositional range of interest for SOFCs. In previous investigations, we showed that the rhombohedral phases can be avoided in nanopowders with average crystallite size lower than 35 nm.

Metamorfismo ercinico di bassa-pressione: evoluzione tettonico-metamorfica del complesso di mandatoriccio (massiccio della Sila - Calabria)

Low-pressure/high-temperature (LP/HT) metamorphic belts are characterised by rocks that experienced abnormal heat flow in shallow crustal levels (T > 600 °C; P < 4 kbar) resulting in anomalous geothermal gradients (60-150 °C/km). The abnormal amount of heat has been related to crustal underplating of mantle-derived basic magmas or to thermal perturbation linked to intrusion of large volumes of granitoids in the intermediate crust. In particular, in this latter context, magmatic or aqueous fluids are able to transport relevant amounts of heat by advection, thus favouring regional LP/HT metamorphism. However, the thermal perturbation consequent to heat released by cooling magmas is responsible also for contact metamorphic effects. A first problem is that time and space relationships between regional LP/HT metamorphism and contact metamorphism are usually unclear. A second problem is related to the high temperature conditions reached at different crustal levels. These, in some cases, can completely erase the previous metamorphic history. Notwithstanding this problem is very marked in lower crustal levels, petrologic and geochronologic studies usually concentrate in these attractive portions of the crust. However, only in the intermediate/upper-crustal levels of a LP/HT metamorphic belt the tectono-metamorphic events preceding the temperature peak, usually not preserved in the lower crustal portions, can be readily unravelled. The Hercynian Orogen of Western Europe is a well-documented example of a continental collision zone with widespread LP/HT metamorphism, intense crustal anatexis and granite magmatism. Owing to the exposure of a nearly continuous cross-section of the Hercynian continental crust, the Sila massif (northern Calabria) represents a favourable area to understand large-scale relationships between granitoids and LP/HT metamorphic rocks, and to discriminate regional LP/HT metamorphic events from contact metamorphic effects. Granulite-facies rocks of the lower crust and greenschist- to amphibolite-facies rocks of the intermediate-upper crust are separated by granitoids emplaced into the intermediate level during the late stages of the Hercynian orogeny. Up to now, advanced petrologic studies have been focused mostly in understanding P-T evolution of deeper crustal levels and magmatic bodies, whereas the metamorphic history of the shallower crustal levels is poorly constrained. The Hercynian upper crust exposed in Sila has been subdivided in two different metamorphic complexes by previous authors: the low- to very low-grade Bocchigliero complex and the greenschist- to amphibolite-facies Mandatoriccio complex. The latter contains favourable mineral assemblages in order to unravel the tectono-metamorphic evolution of the Hercynian upper crust. The Mandatoriccio complex consists mainly of metapelites, meta-arenites, acid metavolcanites and metabasites with rare intercalations of marbles and orthogneisses. Siliciclastic metasediments show a static porphyroblastic growth mainly of biotite, garnet, andalusite, staurolite and muscovite, whereas cordierite and fibrolite are less common. U-Pb ages and internal features of zircons suggest that the protoliths of the Mandatoriccio complex formed in a sedimentary basin filled by Cambrian to Silurian magmatic products as well as by siliciclastic sediments derived from older igneous and metamorphic rocks. In some localities, metamorphic rocks are injected by numerous aplite/pegmatite veins. Small granite bodies are also present and are always associated to spotted schists with large porphyroblasts. They occur along a NW-SE trending transcurrent cataclastic fault zone, which represents the tectonic contact between the Bocchigliero and the Mandatoriccio complexes. This cataclastic fault zone shows evidence of activity at least from middle-Miocene to Recent, indicating that brittle deformation post-dated the Hercynian orogeny. P-T pseudosections show that micaschists and paragneisses of the Mandatoriccio complex followed a clockwise P-T path characterised by four main prograde phases: thickening, peak-pressure condition, decompression and peak-temperature condition. During the thickening phase, garnet blastesis started up with spessartine-rich syntectonic core developed within micaschists and paragneisses. Coevally (340 ± 9.6 Ma), mafic sills and dykes injected the upper crustal volcaniclastic sedimentary sequence of the Mandatoriccio complex. After reaching the peak-pressure condition (≈4 kbar), the upper crust experienced a period of deformation quiescence marked by the static overgrowths of S2 by Almandine-rich-garnet rims and by porphyroblasts of biotite and staurolite. Probably, this metamorphic phase is related to isotherms relaxation after the thickening episode recorder by the Rb/Sr isotopic system (326 ± 6 Ma isochron age). The post-collisional period was mainly characterised by decompression with increasing temperature. This stage is documented by the andalusite+biotite coronas overgrown on staurolite porphyroblasts and represents a critical point of the metamorphic history, since metamorphic rocks begin to record a significant thermal perturbation. Peak-temperature conditions (≈620 °C) were reached at the end of this stage. They are well constrained by some reaction textures and mineral assemblages observed almost exclusively within paragneisses. The later appearance of fibrolitic sillimanite documents a small excursion of the P-T path across the And-Sil boundary due to the heating. Stephanian U-Pb ages of monazite crystals from the paragneiss, can be related to this heating phase. Similar monazite U-Pb ages from the micaschist combined with the lack of fibrolitic sillimanite suggest that, during the same thermal perturbation, micaschists recorded temperatures slightly lower than those reached by paragneisses. The metamorphic history ended with the crystallisation of cordierite mainly at the expense of andalusite. Consequently, the Ms+Bt+St+And+Sill+Crd mineral assemblage observed in the paragneisses is the result of a polyphasic evolution and is characterised by the metastable persistence of the staurolite in the stability fields of the cordierite. Geologic, geochronologic and petrographic data suggest that the thermal peak recorded by the intermediate/upper crust could be strictly connected with the emplacement of large amounts of granitoid magmas in the middle crust. Probably, the lithospheric extension in the relatively heated crust favoured ascent and emplacement of granitoids and further exhumation of metamorphic rocks. After a comparison among the tectono-metamorphic evolutions of the different Hercynian crustal levels exposed in Sila, it is concluded that the intermediate/upper crustal level offers the possibility to reconstruct a more detailed tectono-metamorphic history. The P-T paths proposed for the lower crustal levels probably underestimate the amount of the decompression. Apart from these considerations, the comparative analysis indicates that P-T paths at various crustal levels in the Sila cross section are well compatible with a unique geologic scenario, characterized by post-collisional extensional tectonics and magmas ascent.

Präparation eines reinen metastabilen 7 Li +-Ionenstrahls für die Präzisionsspektroskopie im Speicherring

An dem Schwerionenspeicherring TSR (MPI für Kernphysik, Heidelberg) wurde ein 7 Li +-Ionenstrahl geringer Dichte durch RF-Bunchen und Laserkühlung präpariert.Die Phasenraumverteilung in dem Strahl wurde durch Laser- spektroskopie an Ionen im metastabilen Zustand untersucht. Ein umlaufsynchrones, zeitaufgelöstes Meßverfahren für das Fluoreszenzlicht ermöglichte die Bestimmung der räumlichen Struktur mit dieser rein optischen Methode.Durch einen speziellen Präparationsschritt wurden die Ionen im Grundzustand aus dem Speicherring entfernt. Der sonst dominierende Heizeffekt der strahlinternen Streuung war dadurch vernachlässigbar und es konnte eine Temperatur von 160 mK erreicht werden.Der präparierte Ionenstrahl bietet besondere Eigenschaften im Hinblick auf Präzisionsexperimente, bei denen mit möglichst ungestörten Ionen gearbeitet werden soll. Es wird gezeigt, daß die Phasenraumverteilung der Ionen nicht mehr durch Ion-Ion-Wechselwirkungen bestimmt ist und daß der verbleibende Heizmechanismus durch die Streuung am Restgas erklärt werden kann.1993 wurde durch Laserspektroskopie an 7 Li + im TSR die spezielle Relativitätstheorie im Hinblick auf die relativistische Zeitdilatation experimentell getestet. In diesem Zusammenhang wird das zu erwartende Ergebnis eines Experimentes diskutiert, das, basierend auf den in dieser Arbeit vorgestellten Verfahren, einen erneuten Test der relativistischen Zeitdilatation mit verbesserter Genauigkeit durchführen könnte.

Untersuchungen an gespeicherten 40 Ca +-Ionen in einer linearen Paulfalle

In Experimenten an lasergekühlten, in einer linearen Paulfalle gespeicherten $Ca^+$-Ionen wurde dieLebensdauer des metastabilen $3D_{5/2}$-Niveaus durch Beobachtung von Quantensprüngen einzelner Ionen zu 1100(18)msbestimmt. Systematische Fehler durch quenchende Stöße oder Stark-Mischen durch das Speicherfeld liegen unterhalb dererreichten Genauigkeit. Abweichungen von früheren Messungen konnten durch eine vernachlässigte Abhängigkeit derLebensdauer von der Laserleistung des Rückpumplasers erklärt werden. Das Endergebnis zeigt gute Übereinstimmung mitneueren theoretischen Werten. In weiteren Messungen an zehn Ionen wurde in einigen Messreihen eine deutliche Reduktionder Lebensdauer gegenüber einem einzelnen Ion festgestellt. Dabei wurden mehr koinzidente Zerfälle von zwei und dreiIonen beobachtet als für unabhängige Teilchen zu erwarten. In einem Ionenkristall wurde eine räumliche Trennung atomarer Zustände erreicht. Dabei wurde ein Teil der Ionen einesKristalls aus einigen hundert Ionen in den metastabilen Zustand gepumpt, der von den Kühllasern vollständig entkoppeltist. Durch sympathetische Kühlung werden diese Ionen weiterhin gekühlt und der Kristall schmilzt nicht. Durch denLichtdruck, den die Kühllaser ausgeüben, werden die Ionen nach atomaren Zuständen sortiert, weil die lasergekühltenIonen einen Rückstoß erfahren, die übrigen aber nicht. Für zukünftige Experimente wurden Verbesserungen des experimentellen Aufbaus auf den Weg gebracht. So wurden Methodenund Komponenten für eine verbesserte Frequenzstabilisierung der Diodenlaser entwickelt.

Erzeugung höchster 3 He-Kernspinpolarisation durch metastabiles optisches Pumpen

In dieser Arbeit wird zum Erreichen hoher Kernspinpolarisationen die Methode des metastabilen optischen Pumpens benutzt. Das Verfahren beruht auf dem "Ubertrag des Drehimpulses absorbierter Photonen auf das hierbei angeregte Valenzelektron, welches durch Hyperfeinkopplung den Drehimpuls weiter auf den $^3$He-Kern transferiert. Da der Polarisationsprozess nur bei Dr"ucken von ca. 1~mbar effizient funktioniert, f"ur die meisten Anwendungen aber polarisiertes $^3$He bei einem Druck von $geq 1$~bar ben"otigt wird, muss das Gas nach der Aufpolarisation komprimiert werden. In unserer Arbeitsgruppe steht eine Maschine ("`Polarisator"') zur Verf"ugung, die das Gas polarisiert und anschlie"send komprimiert. Ziel dieser Dissertation ist, einerseits die Leistungsf"ahigkeit des Polarisators bez"uglich Maximalpolarisation und Gasfluss zu verbessern und andererseits den metastabilen Pumpprozess selbst genauer zu untersuchen.\ noindent Durch die Verwendung neuer Laser auf Basis der Fasertechnologie sowie einer systematischen Optimierung der optischen Komponenten konnten in abgeschlossenen Pumpzellen Rekord-Polarisationsgrade von $91pm 2$% erzielt werden.\ noindent Mit der Implementierung neuartiger Optiken und Laser am Mainzer Polarisator konnte die Leistungscharakteristik entscheidend verbessert werden. So wurde die erreichbare Polarisation bei identischer Produktionsrate um 20 Prozentpunkte gesteigert. Zurzeit sind maximale Polarisationsgrade von mehr als 75% im optischen Pumpvolumen erreichbar. Eine am Mainzer Triga-Reaktor durchgef"uhrte Polarisationsbestimmung ergab einen Wert von $72.7pm 0.7$%. Dies veranschaulicht die geringen Polarisationsverluste infolge der Gaskompression, des Transports und einer Lagerung "uber mehrere Stunden.\ noindent Zur Dynamik der geschwindigkeitsver"andernden St"o"se sowie zur Bestimmung der mittleren Photonen-Absorptionsrate wurde ein Modell entwickelt, welches auch experimentell best"atigt wurde. Damit konnte erstmalig das gemessene Absorptionsverhalten einer spektral schmalbandigen Laserdiode korrekt beschrieben werden.\ noindent Zudem stimmen die an so genannten abgeschlossenen Pumpzellen gemessenen extrem hohen Polarisationswerte mit theoretischen Vorhersagen "uberein, sofern der Druck im optischen Pumpvolumen geringer als 1~mbar ist und das $^3$He nicht durch Fremdgase verunreinigt ist. Bei derartigen Pumpzellen ist die gemessene Abh"angigkeit der Polarisation von Laserleistung, Metastabilendichte und falscher Zirkularkomponente mit der Theorie kompatibel.\

Weiterentwicklung einer Produktionsanlage und der Speicherungs- bzw. Transportkonzepte für hochpolarisiertes 3He

Der Bedarf an hyperpolarisiertem 3He in Medizin und physikalischer Grundlagenforschung ist in den letzten ca. 10-15 Jahren sowohl in Bezug auf die zu Verfügung stehende Menge, als auch auf den benötigten Grad der Kernspinpolarisation stetig gestiegen. Gleichzeitig mußten Lösungen für die polarisationserhaltende Speicherung und den Transport gefunden werden, die je nach Anwendung anzupassen waren. Als Ergebnis kann mit dieser Arbeit ein in sich geschlossenes Gesamtkonzept vorgestellt werden, daß sowohl die entsprechenden Mengen für klinische Anwendungen, als auch höchste Polarisation für physikalische Grundlagenfor-schung zur Verfügung stellen kann. Verschiedene unabhängige Polarimetriemethoden zeigten in sich konsistente Ergebnisse und konnten, neben ihrer eigenen Weiterentwicklung, zu einer verläßlichen Charakterisierung des neuen Systems und auch der Transportzellen und –boxen eingesetzt werden. Die Polarisation wird mittels „Metastabilem Optischen Pumpen“ bei einem Druck von 1 mbar erzeugt. Dabei werden ohne Gasfluß Werte von P = 84% erreicht. Im Flußbetrieb sinkt die erreichbare Polarisation auf P ≈ 77%. Das 3He kann dann weitgehend ohne Polarisationsver-luste auf mehrere bar komprimiert und zu den jeweiligen Experimenten transportiert werden. Durch konsequente Weiterentwicklung der vorgestellten Polarisationseinheit an fast allen Komponenten kann somit jetzt bei einem Fluß von 0,8 barl/h eine Polarisation von Pmax = 77% am Auslaß der Apparatur erreicht werden. Diese skaliert linear mit dem Fluß, sodaß bei 3 barl/h die Polarisation immer noch bei ca. 60% liegt. Dabei waren die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Verbesserungen an den Lasern, der Optik, der Kompressionseinheit, dem Zwischenspeicher und der Gasreinigung wesentlich für das Erreichen dieser Polarisatio-nen. Neben dem Einsatz eines neuen Faserlasersystems ist die hohe Gasreinheit und die lang-lebige Kompressionseinheit ein Schlüssel für diese Leistungsfähigkeit. Seit Herbst 2001 er-zeugte das System bereits über 2000 barl hochpolarisiertes 3He und ermöglichte damit zahl-reiche interdisziplinäre Experimente und Untersuchungen. Durch Verbesserungen an als Prototypen bereits vorhandenen Transportboxen und durch weitgehende Unterdrückung der Wandrelaxation in den Transportgefäßen aufgrund neuer Erkenntnisse über deren Ursachen stellen auch polarisationserhaltende Transporte über große Strecken kein Problem mehr dar. In unbeschichteten 1 Liter Kolben aus Aluminosilikatglä-sern werden nun problemlos Speicherzeiten von T1 > 200h erreicht. Im Rahmen des europäi-schen Forschungsprojektes „Polarized Helium to Image the Lung“ wurden während 19 Liefe-rungen 70barl 3He nach Sheffield (UK) und bei 13 Transporten 100 barl nach Kopenhagen (DK) per Flugzeug transportiert. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, daß die Problematik der Kernspinpolarisationser-zeugung von 3He, die Speicherung, der Transport und die Verwendung des polarisierten Ga-ses in klinischer Diagnostik und physikalischen Grundlagenexperimenten weitgehend gelöst ist und das Gesamtkonzept die Voraussetzungen für allgemeine Anwendungen auf diesen Gebieten geschaffen hat.

Tris(trimethylsilyl)silyl stabilized phosphorus and lead clusters

Die Hypersilylgruppe (Me3Si)3Si stellt einen sehr sperrigen, Elektronen liefernden Substituenten dar und kann zur Stabilisierung niedriger Oxidationsstufen sowie ungewöhnlicher Strukturelemente dienen. Durch Reaktionen der base-freien Hypersilanide der Alkalimetalle sowie des Dihypersilylplumbandiyls mit unterschiedlichsten phosphorhaltigen Reagenzien konnten eine Reihe hypersilyl-stabilisierter Phosphor- und Bleicluster-Verbindungen erhalten werden. Kaliumhypersilanid reagiert in Toluol glatt mit weißem Phosphor bei Raumtemperatur in Toluol unter quantitativer Bildung von rotem Kalium-bis(hypersilyl)tetraphosphenid [(Me3Si)3Si]2P4K2 (1), einem Kaliumsalz des Tetraphosphens (Me3Si)3Si-PH-P=P-PH-Si(SiMe3)3. In Benzol oder Toluol steht 1 im Gleichgewicht mit dem dimeren Octaphosphanid [(Me3Si)3Si]4P8K4 (2). Bei längerem Stehen der toluolischen Lösungen zerfällt 1 langsam vermutlich in Folge einer Protolyse zum gelben Pentaphosphanid [(Me3Si)3Si]3P5K2 (4). Aus benzolischer Lösung konnte hingegen ein weiteres Oktaphosphanid, [(Me3Si)3Si]3P8K3 (5), isoliert werden. Führt man die Reaktion Kaliumhypersilanid mit P4 in stärker koordinierenden Lösungsmitteln wie Diethylether durch, so entstehen neben 1 größere Mengen des Triphosphenids [(Me3Si)3Si]2P3K (3); dieses enthält ein Triphosphaallyl-Anion mit partieller P-P-Doppelbindung. Setzt man Lithiumhypersilanid mit weißem Phosphor um, so beobachtet man eine vollständig andere Produktpallette. Als Hauptprodukte lassen Polyphosphane wie beispielsweise [(Me3Si)3Si]2P4 (6) nachweisen, das zu 1 analoge [(Me3Si)3Si]2P4Li2 (7) entsteht nur in vergleichsweise kleinen Mengen. In der Gegenwart von Hexahydro-1,3,5-trimethyl-S-triazin, entsteht aus Lithiumhypersilanid und P4 hingegen im wesentlichen [(Me3Si)3Si]2P3Li (8) neben beträchtlichen Mengen von (Me3Si)4Si. Dessen Bildung erfordert eine Si-Si-Bindungsspaltung im Verlauf der Reaktion. Die Reaktion von Natriumhypersilanid mit P4 verläuft sehr unübersichtlich, das Pentaphosphanid [(Me3Si)3Si]3P5Na2 (9) ist das einzige isolierbare Produkt. Setzt man 1 mit [(Me3Si)2Si]2Sn um, so bilden sich überraschenderweise, je nach verwendetem Solvens [(Me3Si)3Si]3P4SnK (10) oder [(Me3Si)3Si]2[(Me3Si)2N]P4SnK (11). Alle neuen Verbindungen wurden NMR-spektroskopisch charakterisiert, die Phosphenide 1, 7, 8 sowie die Phosphanide 2, 4, 5, 9, 10 darüber hinaus durch Kristallstrukturanalysen. Dihypersilylplumbandiyl und -stannandiyl reagieren bei tiefer Temperatur mit P4, MPH2 (M=Li, K), PMe3, and PH3 zu formalen Lewis-Säure-Base-Addukten. Die Addukte {[(Me3Si)3Si]2PbPH2}M [M = Li (15), K (18)], {{[(Me3Si)3Si]2Pb}2PH2}M [M = Li (19), K (20)], und [(Me3Si)3Si]2EPMe3 [E = Pb (21), Sn (22)] wurden als kristalline Feststoffe erhalten und konnten vollständig charakterisiert werden. Die metastabilen Addukte {[(Me3Si)3Si]2E}4P4 (E = Pb, Sn) und [(Me3Si)3Si]2PbPH3 konnten lediglich NMR-spektroskopisch nachgewiesen werden. Bei Raumtemperatur entstehen in Folge von Ligandenaustausch-Prozessen die kristallographisch charakterisierten Heterokubane [(Me3Si)3Si]4P4E4 [E = Pb (12), Sn (14)], das Diphosphen (Me3Si)3SiP=PSi(SiMe3)3 (13) sowie der Pb2P2-Heterocyclus [(Me3Si)3SiPbP(H)Si(SiMe3)3]2 (17). Bei tiefer Temperatur wird aus einer sehr langsamen Reaktion von Dihypersilylplumbandiyl und PH3 in sehr kleinen Ausbeuten ein weiteres, völlig unerwartetes Produkt gebildet: der Bleicluster [(Me3Si)3Si]6Pb12 (23). Er weist ein verzerrt ikosaedrisches, zentrosymmetrisches Pb12-Gerüst auf. Nach jetzigen Erkenntnissen läuft seine Bildung über das nicht fassbare Hydridoplumbandiyl HPbSi(SiMe3)3, das intermediär durch Substituentenaustausch zwischen Pb[Si(SiMe3)3]2 and PH3 entsteht. Der Ersatz des Phosphans durch andere Hydridquellen wie (Ph3PCuH)6, (iBu)2AlH, and Me3NAlH3 führt ebenfalls zur Bildung von Bleiclustern, allerdings ist jetzt der Cluster [(Me3Si)3Si]6Pb10 (24) das Hauptprodukt. Beide Cluster, 23 und 24, gehorchen den Wade-Regeln.

Molekulardynamik-Computersimulation einer amorph-kristallinen SiO 2 Grenzschicht

In dieser Arbeit werden Molekulardynamik-Computersimulationen zur Untersuchung der statischen und dynamischen Eigenschaften einer amorph/kristallinen Siliziumdioxid(SiO2)-Grenzschicht durchgefuehrt.Die Grenzflaeche wird von der [100]-Ebene des beta-Kristobalit-Kristalls und der fluessigen SiO2-Phase gebildet und in einem Temperaturbereich zwischen 2900K und 3100K im Zustand eines metastabilen Gleichgewichts untersucht. Als Modellpotential zur Beschreibung der mikroskopischen Wechselwirkungen zwischen den Teilchen wird ein einfaches Paarpotential aus der Literatur verwendet, das sowohl die Struktur der kristallinen Phase als auch die der fluessigen Phase gut reproduziert. Bezogen auf die Dichte und die potentielle Energie der Teilchen erstreckt sich der Uebergang von der fluessigen in die kristalline Phase ueber 3-5 Atomlagen. Ein Layering-Effekt der Dichte in der fluessigen Phase in der Naehe der Grenzschicht wird nicht beobachtet. Der Einfluss der Grenzschicht auf statische Groessen, welche das System auf einer mittelreichweitigen Laengenskala beschreiben (z. B. Koordinationszahlverteilung und Ringverteilung) reicht im Vergleich dazu weiter in die fluessige Phase hinein und manifestiert sich in Defektstrukturen, wie z. B. der Erhoehung der Wahrscheinlichkeit fuer das Auftreten von 5-fach koordiniertem Silizium und der vermehrten Bildung von 2er-Ringen in der Fluessigkeit. Dies beguenstigt das Aufbrechen und Umklappen von Si-O-Bindungen und fuehrt zu einer Beschleunigung der Dynamik und einer Erhoehung der Diffusionsgeschwindigkeit in der Fluessigkeit. Im weiteren wird die Hochfrequenzdynamik der reinen SiO2-Fluessigkeit untersucht. Dazu berechnen wir die vibratorische Zustandsdichte in harmonischer Naeherung aus der inhaerenten Struktur. Wir finden einen stark ausgepraegten Peak bei einer Frequenz von 0.6 THz. Dieser Peak kann der niederenergetischsten transversalen akustischen Mode zugeordnet werden, die auch als Scherschwingung des Systems direkt sichtbar ist.

Organokompatible Zinnoxid-Nanopartikel

In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Methoden der Synthese von Zinn(IV)oxid Nanopartikeln, deren Stabilisierung durch unterschiedliche Surfactants und der Einbau der Nanomaterialien in PMMA beschrieben und die erhaltenen Materialien charakterisiert. Die Darstellung der Zinnoxid Nanopartikel wurde über drei verschiedene Synthesewege durchgeführt: a) Polymeric Precursor Methode, b) Solvothermal-Synthese und c) säurekatalysierte Fällungsreaktion. Im Rahmen von a) konnte neben der thermodynamisch stabilen Phase von Zinn(IV)oxid ebenfalls die metastabile orthorhombische Phase synthetisiert werden. Durch eine Analyse der Pyrolysebedingungen konnte der Kristallisationsmechanismus des Zinnoxids ausgehend vom Precursor bis zur tetragonalen Phase des Zinn(IV)oxid diskutiert werden. Die Synthesemethoden b) und c) boten sich zur Darstellung von oberflächenmodifizierten Zinnoxid Nanopartikeln an. Als Surfactant benutzte man unter anderem Alkylphosphonsäuren, da eine hydrophobe Oberfläche die Dispersion in MMA ermöglichte. Abschließend wurde eine radikalische in situ-Polymerisation von MMA in Gegenwart von oberflächenmodifizierten Partikeln durchgeführt. Der erhaltene Verbundwerkstoff zeichnete sich durch eine erhöhte thermische Stabilität aufgrund weniger Strukturdefekte des Polymers aus. Durch eine Untersuchung des Polymerisationsmechanismus konnte die Wirkung der oberflächenmodifizierten Nanopartikel auf die Polymerisation veranschaulicht werden. Aufgrund der nicht homogenen Verteilung der Nanopartikel im Verbundwerkstoff konnte jedoch keine Charakterisierung der optischen Eigenschaften durchgeführt werden.

Structural transformations related to organic solid-state reactions: correlation studies of NMR and X-ray analysis

Eine zielgerichtete Steuerung und Durchführung von organischen Festkörperreaktionen wird unter anderem durch genaue Kenntnis von Packungseffekten ermöglicht. Im Rahmen dieser Arbeit konnte durch den kombinierten Einsatz von Einkristallröntgenanalyse und hochauf-lösender Festkörper-NMR an ausgewählten Beispielen ein tieferes Verständnis und Einblicke in die Reaktionsmechanismen von organischen Festkörperreaktionen auf molekularer Ebene gewonnen werden. So konnten bei der topotaktischen [2+2] Photodimerisierung von Zimt-säure Intermediate isoliert und strukturell charakterisiert werden. Insbesondere anhand statischer Deuteronen- und 13C-CPMAS NMR Spektren konnten eindeutig dynamische Wasserstoffbrücken nachgewiesen werden, die transient die Zentrosymmetrie des Reaktions-produkts aufheben. Ein weiterer Nachweis gelang daraufhin mittels Hochtemperatur-Röntgen-untersuchung, sodass der scheinbare Widerspruch von NMR- und Röntgenuntersuchungen gelöst werden konnte. Eine Veresterung der Zimtsäure entfernt diese Wasserstoffbrücken und erhält somit die Zentrosymmetrie des Photodimers. Weiterhin werden Ansätze zur Strukturkontrolle in Festkörpern basierend auf der molekularen Erkennung des Hydroxyl-Pyridin (OH-N) Heterosynthon in Co-Kristallen beschrieben, wobei vor allem die Stabilität des Synthons in Gegenwart funktioneller Gruppen mit Möglichkeit zu kompetetiver Wasserstoffbrückenbildung festgestellt wurde. Durch Erweiterung dieses Ansatzes wurde die molekulare Spezifität des Hydroxyl-Pyridin (OH-N) Heterosynthons bei gleichzeitiger Co-Kristallisation mit mehreren Komponenten erfolgreich aufgezeigt. Am Beispiel der Co-Kristallisation von trans--1,2-bis(4-pyridyl)ethylen (bpe) mit Resorcinol (res) in Gegenwart von trans-1,2-bis(4-pyridyl)ethan (bpet) konnten Zwischenprodukte der Fest-körperreaktionen und neuartige Polymorphe isoliert werden, wobei eine lückenlose Aufklärung des Reaktionswegs mittels Röntgenanalyse gelang. Dabei zeigte sich, dass das Templat Resorcinol aus den Zielverbindungen entfernbar ist. Ferner gelang die Durchführung einer seltenen, nicht-idealen Einkristall-Einkristall-Umlagerung von trans--1,2-bis(4-pyridyl)ethylen (bpe) mit Resorcinol (res). In allen Fällen konnten die Fragen zur Struktur und Dynamik der untersuchten Verbindungen nur durch gemeinsame Nutzung von Röntgenanalyse und NMR-Spektroskopie bei vergleichbaren Temperaturen eindeutig und umfassend geklärt werden.

Towards a new test of time dilation: Laser spectroscopy on lithium ions stored at a velocity of 33.8 % of the speed of light

The subject of the presented thesis is the accurate measurement of time dilation, aiming at a quantitative test of special relativity. By means of laser spectroscopy, the relativistic Doppler shifts of a clock transition in the metastable triplet spectrum of ^7Li^+ are simultaneously measured with and against the direction of motion of the ions. By employing saturation or optical double resonance spectroscopy, the Doppler broadening as caused by the ions' velocity distribution is eliminated. From these shifts both time dilation as well as the ion velocity can be extracted with high accuracy allowing for a test of the predictions of special relativity. A diode laser and a frequency-doubled titanium sapphire laser were set up for antiparallel and parallel excitation of the ions, respectively. To achieve a robust control of the laser frequencies required for the beam times, a redundant system of frequency standards consisting of a rubidium spectrometer, an iodine spectrometer, and a frequency comb was developed. At the experimental section of the ESR, an automated laser beam guiding system for exact control of polarisation, beam profile, and overlap with the ion beam, as well as a fluorescence detection system were built up. During the first experiments, the production, acceleration and lifetime of the metastable ions at the GSI heavy ion facility were investigated for the first time. The characterisation of the ion beam allowed for the first time to measure its velocity directly via the Doppler effect, which resulted in a new improved calibration of the electron cooler. In the following step the first sub-Doppler spectroscopy signals from an ion beam at 33.8 %c could be recorded. The unprecedented accuracy in such experiments allowed to derive a new upper bound for possible higher-order deviations from special relativity. Moreover future measurements with the experimental setup developed in this thesis have the potential to improve the sensitivity to low-order deviations by at least one order of magnitude compared to previous experiments; and will thus lead to a further contribution to the test of the standard model.