Phosphate functionalization of spongiolite surface

Spongiolite from Mato Grosso do Sul (Brazil), natural inorganic composite constituted of silica needles, was treated with concentrated phosphoric acid at high temperatures. Superficial coating of the needles was proved to be constituted of silicon diphosphate, a compound offering six-coordinated silicon sites. Owing to the affinity of three charged ions to phosphate groups, this coating acts as specific adsorbent for the rare earth elements which prefer octahedral coordination (starting from samarium, yttrium included). The uptake of lanthanum and neodymium are significantly lower due to different coordination tendencies. Lanthanide fixation upon silica with PO4 groups anchored on its surface may be useful in the manufacturing of special phosphate-silicate glasses. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

Influence of ionic interactions on the photoinduced Birefringence of poly[1-[4-(3-carboxy-4 hydroxyphenylazo) benzene sulfonamido]-1 2-ethanediyl, sodium salt] films

Electrostatic interactions govern most properties of polyelectrolyte films, as in the photoinduced bire-fringence of azo-containing polymers. In this paper we report a systematic investigation of optical storage characteristics of cast and layer-by-layer (LbL) films of poly[1 -[4-(3-carboxy-4 hydroxypheny-lazo) benzene sulfonamido]-1,2-ethanediyl, sodium salt] (PAZO). Birefringence was photoinduced faster in PAZO cast films prepared at high pHs, with the characteristic writing times decreasing almost linearly with the pH in the range between 4 and 9. This was attributed to an increased free volume for the azochromophores with the enhanced electrostatic repulsion in PAZO charged to a greater extent. In contrast, in LbL films of PAZO alternated with poly(allylamine hydrochloride) (PAH), the electrostatic interactions between the oppositely charged polymers hampered photoisomerization and molecular rearrangement, thus leading to a slower writing kinetics for highly charged PAH or PAZO.

A critical investigation of the Tanford-Kirkwood scheme by means of Monte Carlo simulations

Monte Carlo simulations are used to assess the adequacy of the Tanford-Kirkwood prescription for electrostatic interactions in macromolecules. Within a continuum dielectric framework, the approach accurately describes salt screening of electrostatic interactions for moderately charged systems consistent with common proteins at physiological conditions. The limitations of the Debye-Huckel theory, which forms the statistical mechanical basis for the Tanford-Kirkwood result, become apparent for highly charged systems. It is shown, both by an analysis of the Debye-Huckel theory and by numerical simulations, that the difference in dielectric permittivity between macromolecule and surrounding solvent does not play a significant role for salt effects if the macromolecule is highly charged. By comparison to experimental data, the continuum dielectric model (combined with either an approximate effective Hamiltonian as in the Tanford-Kirkwood treatment or with exact Monte Carlo simulations) satisfactorily predicts the effects of charge mutation on metal ion binding constants, but only if the macromolecule and solvent are assigned the same or similar permittivities.

Síntese, caracterização e estudo físico-químico de nanopartículas formadas pela interação de derivados hidrofílicos de quitosana com DNA

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Síntese e caracterização de hidrogéis de amido retrogradado e goma gelana utilizados como matriz em sistemas de liberação cólon específica de fármacos

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

What can light scattering spectroscopy do for membrane-active peptide studies

Highly charged peptides are important components of the immune system and belong to an important family of antibiotics. Although their therapeutic activity is known, most of the molecular level mechanisms are controversial. A wide variety of different approaches are usually applied to understand their mechanisms, but light scattering techniques are frequently overlooked. Yet, light scattering is a noninvasive technique that allows insights both on the peptide mechanism of action as well as on the development of new antibiotics. Dynamic light scattering (DLS) and static light scattering (SLS) are used to measure the aggregation process of lipid vesicles upon addition of peptides and molecular properties (shape, molecular weight). The high charge of these peptides allows electrostatic attraction toward charged lipid vesicles, which is studied by zeta potential (zeta-potential) measurements. Copyright (c) 2008 European Peptide Society and John Wiley & Sons, Ltd.

Light scattering on the structural characterization of DMPG vesicles along the bilayer anomalous phase transition

Highly charged vesicles of the saturated anionic lipid dimyristoyl phosphatidylglycerol (DMPG) in low ionic strength medium exhibit a very peculiar thermo-structural behavior. Along a wide gel-fluid transition region, DMPG dispersions display several anomalous characteristics, like low turbidity, high electrical conductivity and viscosity. Here, static and dynamic light scattering (SLS and DLS) were used to characterize DMPG vesicles at different temperatures. Similar experiments were performed with the largely studied zwitterionic lipid dimyristoyl phosphatidylcholine (DMPC). SLS and DLS data yielded similar dimensions for DMPC vesicles at all studied temperatures. However, for DMPG, along the gel-fluid transition region, SLS indicated a threefold increase in the vesicle radius of gyration, whereas the hydrodynamic radius, as obtained from DLS, increased 30% only. Despite the anomalous increase in the radius of gyration, DMPG lipid vesicles maintain isotropy, since no light depolarization was detected. Hence, SLS data are interpreted regarding the presence of isotropic vesicles within the DMPG anomalous transition, but highly perforated vesicles, with large holes. DLS/SLS discrepancy along the DMPG transition region is discussed in terms of the interpretation of the Einstein-Stokes relation for porous vesicles. Therefore, SLS data are shown to be much more appropriate for measuring porous vesicle dimensions than the vesicle diffusion coefficient. The underlying nanoscopic process which leads to the opening of pores in charged DMPG bilayer is very intriguing and deserves further investigation. One could envisage biotechnological applications, with vesicles being produced to enlarge and perforate in a chosen temperature and/or pH value. (C) 2012 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

A theoretical study of SnF2+, SnCl2+, and SnO2+ and their experimental search

We present a detailed theoretical study of the stability of the gas-phase diatomic dications SnF2+, SnCl2+, and SnO2+ using ab initio computer calculations. The ground states of SnF2+, SnCl2+, and SnO2+ are thermodynamically stable, respectively, with dissociation energies of 0.45, 0.30, and 0.42 eV. Whereas SnF2+ dissociates into Sn2+ + F, the long range behaviour of the potential energy curves of SnCl2+ and SnO2+ is repulsive and wide barrier heights due to avoided crossing act as a kind of effective dissociation energy. Their equilibrium internuclear distances are 4.855, 5.201, and 4.852 a(0), respectively. The double ionisation energies (T-e) to form SnF2+, SnCl2+, and SnO2+ from their respective neutral parents are 25.87, 23.71, and 25.97 eV. We combine our theoretical work with the experimental results of a search for these doubly positively charged diatomic molecules in the gas phase. SnO2+ and SnF2+ have been observed for prolonged oxygen (O-16(-)) ion beam sputtering of a tin metal foil and of tin (II) fluoride (SnF2) powder, respectively, for ion flight times of about 10(-5) s through a magnetic-sector mass spectrometer. In addition, SnCl2+ has been detected for O-16(-) ion surface bombardment of stannous (tin (II)) chloride (SnCl2) powder. To our knowledge, SnF2+ is a novel gas-phase molecule, whereas SnCl2+ had been detected previously by electron-impact ionization mass spectrometry, and SnO2+ had been observed before by spark source mass spectrometry as well as by atom probe mass spectrometry. We are not aware of any previous theoretical studies of these molecular systems. (C) 2012 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.4758475]

Darstellung und Charakterisierung perlenkettenartiger und zylindrischer Polyelektrolyte

Zusammenfassung: Es sollten zum einen strukturell fixierte, perlenkettenartige Polyelektrolyte dargestellt werden. Dazu wurde lineares Poly-2-vinylpyridin(PVP) mit vinylfunktionalisierten, hydrophoben Quaternisierungsagentien zu einer Polyseife umgesetzt. Bei der Quaternisierungsreaktion ließ sich der Gehalt an hydrophoben Gruppen variieren, wodurch Polyseifen mit unterschiedlichen Ladungsdichten zugänglich wurden. Trotz vielfältiger Versuche war es dennoch nicht möglich, eine polymerisationsfähige Polyseife herzustellen, welche in wäßriger Lösung intramolekular micellisiert und die Überstruktur einer Perlenkette annimmt. Durch die Herstellung hochreiner PVP-Makromonomere konnten zylindrische Bürsten hergestellt werden. Durch Umsetzung der PVP-Bürsten mit Methyltosylat sind unter milden Reaktionsbedingungen nahezu vollständig umgesetzte positiv geladene Polyelektrolyte zugänglich. Durch eine Sulfonierung von Polystyrol-Polymakromonomeren wurden negativ geladene zylindrische Polyelektrolyte erhalten.Das Verhalten dieser Polyelektrolyte in verdünnter wäßriger Lösung wurde mit der statischen und der dynamischen Lichtstreuung untersucht. Dabei deuten die statischen Messungen darauf hin, daß deren Verhalten in verdünnter wäßriger Lösung maßgeblich durch die osmotische Aktivität der Gegenionen bestimmt wird.Durch eine Quaternisierung der PVP-Bürsten mit langkettigen Reagentien konnten hochverzweigte Polyelektrolytarchitekturen hergestellt werden. Dabei läßt sich die Tatsache, daß eine Quaternisierung mit solchen Reagentien einen nur unwesentlichen Einfluß auf die Struktur der Bürste hat, nicht durch einfache Überlegungen erklären. Dennoch scheinen die langkettigen Seitenketten die Ausbildung geordneter Strukturen innerhalb von Domänen an der Oberfläche zu induzieren.

Ionomere zum Aufbau funktioneller Oberflächen

Im ersten Teil der Arbeit wurden Ionomere durch aufeinanderfolgende polymeranaloge Reaktionen eines Reaktivesterpolymers mit verschiedenen primären bzw. sekundären Aminen synthetisiert. Polarisationsmikroskopische Untersuchungen zeigten, dass diese Ionomere sowohl über thermotrope als auch über lyotrope flüssigkristalline Eigenschaften verfügen. Anschließend wurden mit der 'self-assembly'-Methode Multischichtfilme aus den Ionomeren und hochgeladenen Polyelektrolyten sowie aus entgegengesetzt geladenen Ionomeren aufgebaut. Bei Röntgen-reflexionsmessungen an den Multischichtfilmen konnten winkelabhängige Modulationen der Strahlungsintensität beobachtet werden. Es ist zu vermuten, dass es sich bei diesen Modulationen um Überlagerungen von Kiessig-Ringen und Bragg-Peaks handelt, was ein Indiz dafür ist, dass regel-mäßige Subschichten in den Filmen existieren. Das Konzept der polymeranalogen Reaktionen eines Reaktivesterpolymers mit verschiedenen primären Aminen wurde außerdem dazu benutzt, Polymere zur Modifikation von Cadmiumselenid-Nanokristallen herzustellen. Hierbei konnte zum einen gezeigt werden, dass Nanokristalle direkt mit aminogruppenhaltigen Polymeren modifiziert werden können, zum anderen ist es auch möglich kationische Ionomere auf Nanokristallen mit Mercaptoessigsäure-Liganden zu adsorbieren. Im letzten Teil der Arbeit wurden ionische triazinhaltige Polymere hergestellt und elektrochemisch charakterisiert. Die hergestellten Polymere sind sehr leicht reduzierbar. Anschließend wurden aus den triazinhaltigen Polymeren und entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten ebenfalls Multischichtfilme hergestellt.

Ground state properties of neutron-rich Mg isotopes

Studies in regions of the nuclear chart in which the model predictions of properties of nuclei fail can bring a better understanding of the strong interaction in the nuclear medium. To such regions belongs the so called "island of inversion" centered around Ne, Na and Mg isotopes with 20 neutrons in which unexpected ground-state spins, large deformations and dense low-energy spectra appear. This is a strong argument that the magic N = 20 is not a closed shell in this area. In this thesis investigations of isotope shifts of stable 24,25,26Mg, as well as spins and magnetic moments of short-lived 29,31Mg are presented. The successful studies were performed at the ISOLDE facility at CERN using collinear laser and beta-NMR spectroscopy techniques. The isotopes were investigated as single-charged ions in the 280-nm transition from the atomic ground state 2S1/2 to one of the two lowest excited states 2P1/2,3/2 using continuous wave laser beams. The isotope-shift measurements with fluorescence detection for the three stable isotopes show that it is feasible to perform the same studies on radioactive Mg isotopes up to the "island of inversion". This will allow to determine differences in the mean charge square radii and interpret them in terms of deformation. The high detection efficiency for beta particles and optical pumping close to saturation allowed to obtain very good beta-asymmetry signals for 29Mg and 31Mg with half-lives around 1 s and production yields about 10^5 ions/s. For this purpose the ions were implanted into a host crystal lattice. Such detection of the atomic resonances revealed their hyperfine structure, which gives the sign and a first estimate of the value of the magnetic moment. The nuclear magnetic resonance gave also their g-factors with the relative uncertainty smaller than 0.2 %. By combining the two techniques also the nuclear spin of both isotopes could be unambiguously determined. The measured spins and g-factors show that 29Mg with 17 neutrons lies outside the "island of inversion". On the other hand, 31Mg with 19 neutrons has an unexpected ground-state spin which can be explained only by promoting at least two neutrons across the N = 20 shell gap. This places the above nucleus inside the "island". However, modern shell-model approaches cannot predict this level as the ground state but only as one of the low-lying states, even though they reproduce very well the experimental g-factor. This indicates that modifications to the available interactions are required. Future measurements include isotope shift measurements on radioactive Mg isotopes and beta-NMR studies on 33Mg.

Interpolyelektrolytkomplexe zylindrischer Bürstenpolymere

Die elektrostatische Wechselwirkung zwischen entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten führt zur spontanen Bildung von Interpolyelektrolytkomplexen. Besonders im Fokus des akademischen und biotechnologischen Interesses stehen derzeit Komplexe aus DNA und synthetischen Polykationen, da eine Anwendung dieser speziellen Interpolyelektrolytkomplexe in der nicht-viralen Gentherapie vielfältig diskutiert wird. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den Einfluss von Kettensteifheit auf die Bildung von Interpolyelektrolytkomplexen zu untersuchen und dabei Wege aufzuzeigen, die eine Kontrolle der Topologie von Interpolyelektrolytkomplexen ermöglichen. Neben dem topologischen Einfluss wurde untersucht, wie durch Komplexierung hochmolekularer Polyelektrolyte equilibrierbare Strukturen erhalten werden können. Als Modellsystem für diese Untersuchungen wurden zylindrische Bürstenpolymere verwendet, denen als topologischer „Kontrast“ das Komplexierungsverhalten kommerzieller PAMAM-G5-Dendrimere mit kugelförmiger Topologie gegenüber gestellt wurde. Um den Ladungsgrad des Bürstenpolymers beliebig variieren zu können, wurden Bürstenpolymere mit Poly(ethylenimin)-Seitenketten synthetisiert, deren Ladungsdichte über den Protonierungsgrad einstellbar ist. Die vorliegende Arbeit zeigt, wie diese mit Hilfe der Makromonomermethode hergestellt werden konnten. Die Komplexbildung von DNA mit semiflexiblen zylindrischen Bürstenpolymeren mit unterschiedlichen Seitenketten und Ladungsdichten in wässriger Lösung hat gezeigt, dass diese in allen untersuchten Fällen unter kinetischer Kontrolle verläuft und Nicht-Gleichgewichtsstrukturen gebildet werden. Sehr überraschend wurde festgestellt, dass die Größen der mit vorgelegter DNA gebildeten Komplexe ungeachtet des verwendeten Polykations identisch sind und DNA-Komplexe mit einem Radius von 30 bis 50 nm und einer kugelförmigen Topologie resultieren. Diese kinetisch kontrollierte Komplexbildung konnte in nicht-wässriger Lösung durch starke Reduktion der Anzahl wechselwirkender Ladungen verhindert werden, so dass eine thermodynamische Kontrolle möglich wurde. Unter diesen Bedingungen ist es gelungen, aus hochgeladenen Poly(styrolsulfonat)-Bürsten mit modifizierten Poly(ethylenimin)-Bürsten oder PAMAM-Dendrimeren Komplexe zylindrischer Topologie herzu-stellen. Für letztere konnte darüber hinaus postuliert werden, dass diese Komplexe eine dichteste Packung der PAMAM-Dendrimere darstellen, für deren Bildung das Polyanion mit seiner größeren Konturlänge und seiner zylindrischen Topologie als Templat dient.

Tensid- und Interpolyelektrolytkomplexe semiflexibler Polyelektrolyte

Hochgeladene semiflexible kationische und anionische Polyelektrolyte wurden mit niedermolekularen Tensiden zu Polyelektrolyt-Tensid-Komplexen (PETK) umgesetzt und in organischen Lösungsmitteln mit Streumethoden und Rasterkraftmikroskopie charakterisiert. Die synthetisierten PETK wurden anschließend, mit dem Ziel einer strukturkontrollierten Komplexbildung, für die Bildung von Interpolyelektrolytkomplexen (IPEK) in organischen Lösungsmitteln verwendet und anhand ihres Komplexbildungsverhaltens mit wässrigen Systemen verglichen. Die Umsetzung von zylindrischen Polymerbürsten mit Poly(styrolsulfonat)-, bzw. Poly(2-vinylpyridinium)-Seitenketten mit entgegengesetzt geladenen Tensiden verlief, trotz einer Graftingdichte von eins, quantitativ. Mit Streumethoden konnte gezeigt werden, dass die gebildeten PETK in Lösung als molekulare Zylinder vorliegen. Die Synthese von pUC19-DNA-Tensidkomplexen (DNA-TK), die sich in Alkoholen gut lösen, ist nur in stark basischer Lösung gelungen. Während der Charakterisierung der DNA-TK mit Streumethoden zeigte sich eine starke Abhängigkeit des Trägheitsradius von dem Verhältnis DNA-/Salz+. Die Bildung von IPEK aus hochgeladenen Polyelektrolyt-Bürsten bzw. PETK-Bürsten wurde an verschiedenen Beispielen in Wasser und DMF durchgeführt und mit Streumethoden verfolgt. Alle Systeme zeigten ein zu der IPEK-Bildung von linearen Polyelektrolyten analoges Komplexbildungsverhalten. Bei der Komplexierung von Poly(styrolsulfonat)-Bürsten-Tensidkomplexen mit kommerziellen Polyamidoamin-G5-Dendrimeren (PAMAM) oder Poly(ethylenoxid) modifizierten Poly(ethylenimin)-Bürsten hingegen wurden über den gesamten Gewichtsbruchbereich mit Streumethoden und AFM zylindrische Aggregate gefunden, die den Dimensionen der Poly(styrolsulfonat)-Bürsten-Tensidkomplexe entsprechen. Durch statistische Höhenanalyse der AFM-Bilder wurde ein linearer Zusammenhang zwischen der Komplexhöhe und dem Gewichtsbruch an PAMAM, bzw. PEI-PEO gefunden, der auf die Zunahme der Molmasse der Komplexe durch Wachstum entlang des Zylinderdurchmessers hindeutet. Die Bildung von Aggregaten, mit mehr als einem Polyanion, wurde nicht beobachtet.

Statistische Betrachtungen und mößbauerspektroskopische Untersuchungen von Ordnungszuständen in Biotiten

Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit standen Untersuchungen zu strukturellen Ordnungs- und Unordnungsphänomenen an natürlichen, substitutionellen Mischkristallen. Aufgrund der enormen Vielfalt an potentiellen Austauschpartnern wurden hierfür Vertreter der Biotit-Mischkristallreihe "Phlogopit-Annit" ausgewählt. Ihr modulartiger Aufbau ermöglichte die gezielte Beschreibung von Verteilungsmustern anionischer und kationischer Merkmalsträger innerhalb der Oktaederschicht der Biotit-Mischkristalle. Basierend auf der postulierten Bindungsaffinität zwischen Mg2+ und F- einerseits und Fe2+ und OH- andererseits, wurde die strukturelle Separation einer Fluor-Phlogopit-Komponente als primäre Ausprägungsform des Mg/F-Ordnungsprinzips abgeleitet. Im Rahmen dieser Modellvorstellung koexistieren im makroskopisch homogenen Biotit-Mischkristall Domänen zweier chemisch divergenter Phasen nebeneinander: Eine rein Mg2+/F- - führende Phlogopit-Phase und eine Wirtskristallphase, die mit fortschreitender Separation bzw. Entmischung der erstgenannten Phase sukzessive reicher an einer hydroxylführenden eisenreichen Annit-Komponente wird. Zwecks numerischer Beschreibung diverser Stadien der Entmischungsreaktion wurden die Begriffe der "Relativen" und "Absoluten Domänengröße" eingeführt. Sie stellen ein quantitatives Maß zur Beurteilung der diskutierten Ordnungsphänomene dar. Basierend auf einem sich stetig ändernden Chemismus der Wirtskristallphase kann jeder Übergangszustand zwischen statistischer Verteilung und vollständiger Ordnung durch das korrespondierende Verteilungsmuster der interessierenden Merkmalsträger ( = Nahordnungskonfiguration und Besetzungswahrscheinlichkeit) charakterisiert und beschrieben werden. Durch mößbauerspektroskopische Untersuchungen konnten die anhand der entwickelten Modelle vorhergesagten Ausprägungsformen von Ordnungs-/Unordnungsphänomenen qualitativ und quantitativ verifiziert werden. Es liessen sich hierbei zwei Gruppen von Biotit-Mischkristallen unterscheiden. Eine erste Gruppe, deren Mößbauer-Spektren durch den OH/F-Chemismus als dominierendes Differenzierungsmerkmal geprägt wird, und eine zweite Gruppe, deren Mößbauer-Spektren durch Gruppierungen von höherwertigen Kationen und Vakanzen ( = Defektchemie) geprägt wird. Auf der Basis von Korrelationsdiagrammen, die einen numerischen und graphischen Bezug zwischen absoluter und relativer Domänengröße einerseits und experimentell zugänglichem Mößbauer-Parameter A (= relativer Flächenanteil, korrespondierend mit der Besetzungswahrscheinlichkeit einer bestimmten Nahordnungs-konstellation) andererseits herstellen, konnten für die erste Gruppe die Volumina der beiden miteinander koexistierenden Komponenten "Hydroxyl-Annit reicher Wirtskristall" und "Fluor-Phlogopit" exakt quantifiziert werden. Das Spektrum der untersuchten Proben umfasste hierbei Kristallspezies, die einerseits durch geringe bis mittlere Mg2+/F- - bzw. Fe2+/OH- -Ordnungsgrade gekennzeichnet sind, andererseits eine nahezu vollständige Ordnung der interessierenden Merkmalsträger Mg2+, Fe2+, OH- und F- widerspiegeln. Desweiteren konnte der Nachweis geführt werden, dass für ausgewählte Proben eine quantitative Bestimmung der Defektvolumina möglich ist.

Fluorenbasierende amphiphile Kammpolymere zur Ausbildung definierter Strukturen an Oberflächen und in Lösungen

Die Dissertation beschreibt die Darstellung und Charakterisierung von neuartigen, amphiphilen Carbazol- und Fluoren-(co)-polymeren, die infolge ihres strukturellen Aufbaus sowohl selbstorganisierende als auch optoelektronische Eigenschaften kombinierten. Zum einen wurden Kammpolymere mit konjugierten, steifen Rückgraten und flexiblen sowie konformativ schaltbaren Polyelektrolytseitenketten dargestellt und auf eine pH-abhängige Selbstorganisation in Lösung und an Oberflächen untersucht. Des Weiteren wurden neutrale, methanollösliche Polyfluorene synthetisiert, die in Kombination mit einem unpolaren Polyindenofluorenderivat zum Aufbau mehrschichtiger PLEDs mittels nasschemischer Verfahren eingesetzt wurden. Zum anderen fand die Synthese von amphiphilen Polyfluorenen statt, die als Emulgatoren zur Stabilisierung von inversen Emulsionen eingesetzt wurden. Dabei konnten mit Hilfe eines bereits für die Darstellung von anorganisch-organischen Kern-Schale-Partikeln etablierten in situ-Verfahrens formanisotrope, kristalline Zinkoxidkerne mit konjugierter Polymerhülle erhalten werden.