Precipitation of barium sulphate nanoparticles in microemulsion : experiments and modelling

Nanopartikel, BaSO4, Mikroemulsion, Fällung, Modellierung

Untersuchung der Brand- und Explosionsgefahren von Nanostäuben

Magdeburg, Univ., Fak. für Verfahrens- und Systemtechnik, Diss., 2015

Assessment of the occurrence of nanoparticles in Swiss industry and evaluation of the appropriatenesss of the measurement devices to determine the workforce exposure

Abstract : The occupational health risk involved with handling nanoparticles is the probability that a worker will experience an adverse health effect: this is calculated as a function of the worker's exposure relative to the potential biological hazard of the material. Addressing the risks of nanoparticles requires therefore knowledge on occupational exposure and the release of nanoparticles into the environment as well as toxicological data. However, information on exposure is currently not systematically collected; therefore this risk assessment lacks quantitative data. This thesis aimed at, first creating the fundamental data necessary for a quantitative assessment and, second, evaluating methods to measure the occupational nanoparticle exposure. The first goal was to determine what is being used where in Swiss industries. This was followed by an evaluation of the adequacy of existing measurement methods to assess workplace nanopaiticle exposure to complex size distributions and concentration gradients. The study was conceived as a series of methodological evaluations aimed at better understanding nanoparticle measurement devices and methods. lt focused on inhalation exposure to airborne particles, as respiration is considered to be the most important entrance pathway for nanoparticles in the body in terms of risk. The targeted survey (pilot study) was conducted as a feasibility study for a later nationwide survey on the handling of nanoparticles and the applications of specific protection means in industry. The study consisted of targeted phone interviews with health and safety officers of Swiss companies that were believed to use or produce nanoparticles. This was followed by a representative survey on the level of nanoparticle usage in Switzerland. lt was designed based on the results of the pilot study. The study was conducted among a representative selection of clients of the Swiss National Accident Insurance Fund (SUVA), covering about 85% of Swiss production companies. The third part of this thesis focused on the methods to measure nanoparticles. Several pre- studies were conducted studying the limits of commonly used measurement devices in the presence of nanoparticle agglomerates, This focus was chosen, because several discussions with users and producers of the measurement devices raised questions about their accuracy measuring nanoparticle agglomerates and because, at the same time, the two survey studies revealed that such powders are frequently used in industry. The first preparatory experiment focused on the accuracy of the scanning mobility particle sizer (SMPS), which showed an improbable size distribution when measuring powders of nanoparticle agglomerates. Furthermore, the thesis includes a series of smaller experiments that took a closer look at problems encountered with other measurement devices in the presence of nanoparticle agglomerates: condensation particle counters (CPC), portable aerosol spectrometer (PAS) a device to estimate the aerodynamic diameter, as well as diffusion size classifiers. Some initial feasibility tests for the efficiency of filter based sampling and subsequent counting of carbon nanotubes (CNT) were conducted last. The pilot study provided a detailed picture of the types and amounts of nanoparticles used and the knowledge of the health and safety experts in the companies. Considerable maximal quantities (> l'000 kg/year per company) of Ag, Al-Ox, Fe-Ox, SiO2, TiO2, and ZnO (mainly first generation particles) were declared by the contacted Swiss companies, The median quantity of handled nanoparticles, however, was 100 kg/year. The representative survey was conducted by contacting by post mail a representative selection of l '626 SUVA-clients (Swiss Accident Insurance Fund). It allowed estimation of the number of companies and workers dealing with nanoparticles in Switzerland. The extrapolation from the surveyed companies to all companies of the Swiss production sector suggested that l'309 workers (95%-confidence interval l'073 to l'545) of the Swiss production sector are potentially exposed to nanoparticles in 586 companies (145 to l'027). These numbers correspond to 0.08% (0.06% to 0.09%) of all workers and to 0.6% (0.2% to 1.1%) of companies in the Swiss production sector. To measure airborne concentrations of sub micrometre-sized particles, a few well known methods exist. However, it was unclear how well the different instruments perform in the presence of the often quite large agglomerates of nanostructured materials. The evaluation of devices and methods focused on nanoparticle agglomerate powders. lt allowed the identification of the following potential sources of inaccurate measurements at workplaces with considerable high concentrations of airborne agglomerates: - A standard SMPS showed bi-modal particle size distributions when measuring large nanoparticle agglomerates. - Differences in the range of a factor of a thousand were shown between diffusion size classifiers and CPC/SMPS. - The comparison between CPC/SMPS and portable aerosol Spectrometer (PAS) was much better, but depending on the concentration, size or type of the powders measured, the differences were still of a high order of magnitude - Specific difficulties and uncertainties in the assessment of workplaces were identified: the background particles can interact with particles created by a process, which make the handling of background concentration difficult. - Electric motors produce high numbers of nanoparticles and confound the measurement of the process-related exposure. Conclusion: The surveys showed that nanoparticles applications exist in many industrial sectors in Switzerland and that some companies already use high quantities of them. The representative survey demonstrated a low prevalence of nanoparticle usage in most branches of the Swiss industry and led to the conclusion that the introduction of applications using nanoparticles (especially outside industrial chemistry) is only beginning. Even though the number of potentially exposed workers was reportedly rather small, it nevertheless underscores the need for exposure assessments. Understanding exposure and how to measure it correctly is very important because the potential health effects of nanornaterials are not yet fully understood. The evaluation showed that many devices and methods of measuring nanoparticles need to be validated for nanoparticles agglomerates before large exposure assessment studies can begin. Zusammenfassung : Das Gesundheitsrisiko von Nanopartikel am Arbeitsplatz ist die Wahrscheinlichkeit dass ein Arbeitnehmer einen möglichen Gesundheitsschaden erleidet wenn er diesem Stoff ausgesetzt ist: sie wird gewöhnlich als Produkt von Schaden mal Exposition gerechnet. Für eine gründliche Abklärung möglicher Risiken von Nanomaterialien müssen also auf der einen Seite Informationen über die Freisetzung von solchen Materialien in die Umwelt vorhanden sein und auf der anderen Seite solche über die Exposition von Arbeitnehmenden. Viele dieser Informationen werden heute noch nicht systematisch gesarnmelt und felilen daher für Risikoanalysen, Die Doktorarbeit hatte als Ziel, die Grundlagen zu schaffen für eine quantitative Schatzung der Exposition gegenüber Nanopartikel am Arbeitsplatz und die Methoden zu evaluieren die zur Messung einer solchen Exposition nötig sind. Die Studie sollte untersuchen, in welchem Ausmass Nanopartikel bereits in der Schweizer Industrie eingesetzt werden, wie viele Arbeitnehrner damit potentiel] in Kontakt komrrien ob die Messtechnologie für die nötigen Arbeitsplatzbelastungsmessungen bereits genügt, Die Studie folcussierte dabei auf Exposition gegenüber luftgetragenen Partikel, weil die Atmung als Haupteintrittspforte iïlr Partikel in den Körper angesehen wird. Die Doktorarbeit besteht baut auf drei Phasen auf eine qualitative Umfrage (Pilotstudie), eine repräsentative, schweizerische Umfrage und mehrere technische Stndien welche dem spezitischen Verständnis der Mëglichkeiten und Grenzen einzelner Messgeräte und - teclmikeri dienen. Die qualitative Telephonumfrage wurde durchgeführt als Vorstudie zu einer nationalen und repräsentativen Umfrage in der Schweizer Industrie. Sie zielte auf Informationen ab zum Vorkommen von Nanopartikeln, und den angewendeten Schutzmassnahmen. Die Studie bestand aus gezielten Telefoninterviews mit Arbeit- und Gesundheitsfachpersonen von Schweizer Unternehmen. Die Untemehmen wurden aufgrund von offentlich zugànglichen lnformationen ausgewählt die darauf hinwiesen, dass sie mit Nanopartikeln umgehen. Der zweite Teil der Dolctorarbeit war die repräsentative Studie zur Evalniernng der Verbreitnng von Nanopaitikelanwendungen in der Schweizer lndustrie. Die Studie baute auf lnformationen der Pilotstudie auf und wurde mit einer repräsentativen Selektion von Firmen der Schweizerischen Unfall Versicherungsanstalt (SUVA) durchgeüihxt. Die Mehrheit der Schweizerischen Unternehmen im lndustrieselctor wurde damit abgedeckt. Der dritte Teil der Doktorarbeit fokussierte auf die Methodik zur Messung von Nanopartikeln. Mehrere Vorstudien wurden dnrchgefîihrt, um die Grenzen von oft eingesetzten Nanopartikelmessgeräten auszuloten, wenn sie grösseren Mengen von Nanopartikel Agglomeraten ausgesetzt messen sollen. Dieser F okns wurde ans zwei Gründen gewählt: weil mehrere Dislcussionen rnit Anwendem und auch dem Produzent der Messgeràte dort eine Schwachstelle vermuten liessen, welche Zweifel an der Genauigkeit der Messgeräte aufkommen liessen und weil in den zwei Umfragestudien ein häufiges Vorkommen von solchen Nanopartikel-Agglomeraten aufgezeigt wurde. i Als erstes widmete sich eine Vorstndie der Genauigkeit des Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS). Dieses Messgerät zeigte in Präsenz von Nanopartikel Agglorneraten unsinnige bimodale Partikelgrössenverteilung an. Eine Serie von kurzen Experimenten folgte, welche sich auf andere Messgeräte und deren Probleme beim Messen von Nanopartikel-Agglomeraten konzentrierten. Der Condensation Particle Counter (CPC), der portable aerosol spectrometer (PAS), ein Gerät zur Schàtzung des aerodynamischen Durchniessers von Teilchen, sowie der Diffusion Size Classifier wurden getestet. Einige erste Machbarkeitstests zur Ermittlnng der Effizienz von tilterbasierter Messung von luftgetragenen Carbon Nanotubes (CNT) wnrden als letztes durchgeiührt. Die Pilotstudie hat ein detailliiertes Bild der Typen und Mengen von genutzten Nanopartikel in Schweizer Unternehmen geliefert, und hat den Stand des Wissens der interviewten Gesundheitsschntz und Sicherheitsfachleute aufgezeigt. Folgende Typen von Nanopaitikeln wurden von den kontaktierten Firmen als Maximalmengen angegeben (> 1'000 kg pro Jahr / Unternehrnen): Ag, Al-Ox, Fe-Ox, SiO2, TiO2, und ZnO (hauptsächlich Nanopartikel der ersten Generation). Die Quantitäten von eingesetzten Nanopartikeln waren stark verschieden mit einem ein Median von 100 kg pro Jahr. ln der quantitativen Fragebogenstudie wurden l'626 Unternehmen brieflich kontaktiert; allesamt Klienten der Schweizerischen Unfallversicherringsanstalt (SUVA). Die Resultate der Umfrage erlaubten eine Abschätzung der Anzahl von Unternehmen und Arbeiter, welche Nanopartikel in der Schweiz anwenden. Die Hochrechnung auf den Schweizer lndnstriesektor hat folgendes Bild ergeben: ln 586 Unternehmen (95% Vertrauensintervallz 145 bis 1'027 Unternehmen) sind 1'309 Arbeiter potentiell gegenüber Nanopartikel exponiert (95%-Vl: l'073 bis l'545). Diese Zahlen stehen für 0.6% der Schweizer Unternehmen (95%-Vl: 0.2% bis 1.1%) und 0.08% der Arbeiternehmerschaft (95%-V1: 0.06% bis 0.09%). Es gibt einige gut etablierte Technologien um die Luftkonzentration von Submikrometerpartikel zu messen. Es besteht jedoch Zweifel daran, inwiefern sich diese Technologien auch für die Messurrg von künstlich hergestellten Nanopartikeln verwenden lassen. Aus diesem Grund folcussierten die vorbereitenden Studien für die Arbeitsplatzbeurteilnngen auf die Messung von Pulverri, welche Nan0partike1-Agg10merate enthalten. Sie erlaubten die ldentifikation folgender rnöglicher Quellen von fehlerhaften Messungen an Arbeitsplätzen mit erhöhter Luft-K0nzentrati0n von Nanopartikel Agglomeratenz - Ein Standard SMPS zeigte eine unglaubwürdige bimodale Partikelgrössenverteilung wenn er grössere Nan0par'til<e1Agg10merate gemessen hat. - Grosse Unterschiede im Bereich von Faktor tausend wurden festgestellt zwischen einem Diffusion Size Classiîier und einigen CPC (beziehungsweise dem SMPS). - Die Unterschiede zwischen CPC/SMPS und dem PAS waren geringer, aber abhängig von Grosse oder Typ des gemessenen Pulvers waren sie dennoch in der Grössenordnung von einer guten Grössenordnung. - Spezifische Schwierigkeiten und Unsicherheiten im Bereich von Arbeitsplatzmessungen wurden identitiziert: Hintergrundpartikel können mit Partikeln interagieren die während einem Arbeitsprozess freigesetzt werden. Solche Interaktionen erschweren eine korrekte Einbettung der Hintergrunds-Partikel-Konzentration in die Messdaten. - Elektromotoren produzieren grosse Mengen von Nanopartikeln und können so die Messung der prozessbezogenen Exposition stören. Fazit: Die Umfragen zeigten, dass Nanopartikel bereits Realitàt sind in der Schweizer Industrie und dass einige Unternehmen bereits grosse Mengen davon einsetzen. Die repräsentative Umfrage hat diese explosive Nachricht jedoch etwas moderiert, indem sie aufgezeigt hat, dass die Zahl der Unternehmen in der gesamtschweizerischen Industrie relativ gering ist. In den meisten Branchen (vor allem ausserhalb der Chemischen Industrie) wurden wenig oder keine Anwendungen gefunden, was schliessen last, dass die Einführung dieser neuen Technologie erst am Anfang einer Entwicklung steht. Auch wenn die Zahl der potentiell exponierten Arbeiter immer noch relativ gering ist, so unterstreicht die Studie dennoch die Notwendigkeit von Expositionsmessungen an diesen Arbeitsplätzen. Kenntnisse um die Exposition und das Wissen, wie solche Exposition korrekt zu messen, sind sehr wichtig, vor allem weil die möglichen Auswirkungen auf die Gesundheit noch nicht völlig verstanden sind. Die Evaluation einiger Geräte und Methoden zeigte jedoch, dass hier noch Nachholbedarf herrscht. Bevor grössere Mess-Studien durgefîihrt werden können, müssen die Geräte und Methodem für den Einsatz mit Nanopartikel-Agglomeraten validiert werden.

Silbernanoteilchen auf Magnesiumoxid - Über den Vergleich von optischer Spektroskopie, Rasterkraftmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie

In der vorliegenden Arbeit wurde das Wachstum von Silbernanoteilchen auf Magnesiumoxid und dabei insbesondere deren Größen- und Formrelation untersucht. Hierzu wurden Silbernanoteilchen auf ausgedehnten Magnesiumoxidsubstraten sowie auf Magnesiumoxid-Nanowürfeln präpariert. Zur Charakterisierung wurde die optische Spektroskopie, die Rasterkraftmikroskopie und die Transmissionselektronenmikroskopie eingesetzt. Während die Elektronenmikroskopie direkt sehr exakte Daten bezüglich der Größe und Form der Nanoteilchen liefert, kann mit den beiden anderen in dieser Arbeit verwendeten Charakterisierungsmethoden jeweils nur ein Parameter bestimmt werden. So kann man die Größe der Nanoteilchen indirekt mit Hilfe des AFM, durch Messung der Teilchananzahldichte, bestimmen. Bei der Bestimmung der Form mittels optischer Spektroskopie nutzt man aus, dass die spektralen Positionen der Plasmonresonanzen in dem hier verwendeten Größenbereich von etwa 2 - 10~nm nur von der Form aber nicht von der Größe der Teilchen abhängen. Ein wesentliches Ziel dieser Arbeit war es, die Ergebnisse bezüglich der Form und Größe der Nanoteilchen, die mit den unterschiedlichen Messmethoden erhalten worden sind zu vergleichen. Dabei hat sich gezeigt, dass die mit dem AFM und dem TEM bestimmten Größen signifikant voneinander Abweichen. Zur Aufklärung dieser Diskrepanz wurde ein geometrisches Modell aufgestellt und AFM-Bilder von Nanoteilchen simuliert. Bei dem Vergleich von optischer Spektroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie wurde eine recht gute Übereinstimmung zwischen den ermittelten Teilchenformen gefunden. Hierfür wurden die gemessenen optischen Spektren mit Modellrechnungen verglichen, woraus man die Relation zwischen Teilchengröße und -form erhielt. Eine Übereinstimmung zwischen den erhaltenen Daten ergibt sich nur, wenn bei der Modellierung der Spektren die Form- und Größenverteilung der Nanoteilchen berücksichtigt wird. Insgesamt hat diese Arbeit gezeigt, dass die Kombination von Rasterkraftmikroskopie und optischer Spektroskopie ein vielseitiges Charakterisierungsverfahren für Nanoteilchen. Die daraus gewonnenen Ergebnisse sind innerhalb gewisser Fehlergrenzen gut mit der Transmissionselektronenmikroskopie vergleichbar.

Goldnanoteilchen auf Titandioxid

In dieser Arbeit wurde das Wachstum sowie die ultraschnelle Elektronendynamik des Oberflächenplasmon Polaritons von Goldnanoteilchen auf Titandioxid untersucht. Die Messung der Dephasierungszeit des Oberflächenplasmons von Nanoteilchen mit definierter Form und Größe erfolgte dabei mit der Methode des spektralen Lochbrennens. Die Nanoteilchen wurden durch Deposition von Goldatomen aus einem thermischen Atomstrahl mit anschließender Diffussion und Nukleation, d.h. Volmer-Weber-Wachstum, auf Titandioxidsubstraten hergestellt und mittels einer Kombination aus optischer Spektroskopie und Rasterkraftmikroskopie systematisch untersucht. Dabei lässt sich das Nanoteilchenensemble durch das mittlere Achsverhältnis und den mittleren Äquivalentradius charakterisieren. Die Messungen zeigen, dass die Proben große Größen- und Formverteilungen aufweisen und ein definierter Zusammenhang zwischen Größe und Form der Teilchen existiert. Während kleine Goldnanoteilchen nahezu kugelförmig sind, flachen die Teilchen mit zunehmender Größe immer mehr ab. Des Weiteren wurde in dieser Arbeit die Methode des lasergestützten Wachstums auf das System Gold auf Titandioxid angewendet. Systematische Untersuchungen zeigten, dass sich das Achsverhältnis der Teilchen durch geeignete Wahl von Photonenenergie und Fluenz des eingestrahlten Laserlichts definiert und gezielt vorgeben lässt. Die Methode des lasergestützten Wachstums erschließt damit den Bereich außerhalb der Zugänglichkeit des natürlichen Wachstums. Aufgrund der Formabhängigkeit der spektrale Lage der Plasmonresonanz ist man somit in der Lage, die optischen Eigenschaften der Nanoteilchen gezielt einzustellen und z.B. für technische Anwendungen zu optimieren. Die Untersuchung der ultraschnellen Elektronendynamik von Goldnanoteilchen auf Titandioxid mit äquivalenten Radien zwischen 8 bis 15 nm erfolgte in dieser Arbeit mit der Methode des spektralen Lochbrennes. Hierzu wurde die Dephasierungszeit des Oberflächenplasmons systematisch als Funktion der Photonenenergie in einem Bereich von 1,45 bis 1,85 eV gemessen. Es zeigte sich, dass die gemessenen Dephasierungszeiten von 8,5 bis 16,2 fs deutlich unter den in der dielektrischen Funktion von Gold enthaltenen Werten lagen, was den erwarteten Einfluss der reduzierten Dimension der Teilchen demonstriert. Um die Messwerte trotz verschiedener Teilchengrößen untereinander vergleichen und den Einfluss der intrinsischen Dämpfung quantifizieren zu können, wurde zusätzlich der Dämpfungsparameter A bestimmt. Die ermittelten A-Faktoren zeigten dabei eine starke Abhängigkeit von der Plasmonenergie. Für Teilchen mit Plasmonenergien von 1,45 bis 1,55 eV wurde ein Dämpfungsfaktor von A ~ 0,2 nm/fs ermittelt, der lediglich Oberflächenstreuung als dominierenden Dämpfungsmechanismus widerspiegelt. Hingegen wurde für Teilchen mit Plasmonenergien oberhalb von 1,55 eV ein drastischer Anstieg der Dämpfung auf A ~ 0,4 nm/fs beobachtet. Die erhöhte Dämpfung wurde dabei dem zusätzlichen Vorliegen einer chemischen Dämpfung durch das Titandioxidsubstrat zugeschrieben. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse somit, dass eine starke Abhängigkeit der chemischen Dämpfung von der Photonenenergie vorliegt. Es konnte erstmals nachgewiesen werden, dass die chemische Dämpfung erst ab einer bestimmten unteren Schwelle der Photonenenergie einsetzt, die für Goldnanoteilchen auf Titandioxid bei etwa 1,6 eV liegt.

Preparation and applications of periodical gold nanoparticle arrays

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Anwendungen von periodischen Goldnanopartikel-Arrays (PPAs), die mit Hilfe von Nanosphären-Lithografie hergestellt wurden. In Abhängigkeit der verwendeten Nanosphären-Größe wurden dabei entweder kleine dreieckige Nanopartikel (NP) (bei Verwendung von Nanosphären mit einem Durchmesser von 330 nm) oder große dreieckige NPD sowie leicht gestreckte NP (bei Verwendung von Nanosphären mit einem Durchmesser von 1390 nm) hergestellt. Die Charakterisierung der PPAs erfolgte mit Hilfe von Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und optischer Spektroskopie. Die kleinen NP besitzen ein Achsverhältnis (AV) von 2,47 (Kantenlänge des NPs: (74+/-6) nm, Höhe: (30+/-4) nm. Die großen dreieckigen NP haben ein AV von 3 (Kantenlänge des NPs:(465+/-27) nm, Höhe: (1530+/-10) nm) und die leicht gestreckten NP (die aufgrund der Ausbildung von Doppelschichten ebenfalls auf der gleichen Probe erzeugt wurden) haben eine Länge von (364+/-16)nm, eine Breite von (150+/-20) nm und eine Höhe von (150+/-10)nm. Die optischen Eigenschaften dieser NP werden durch lokalisierte Oberflächenplasmon-Polariton Resonanzen (LPPRs) dominiert, d.h. von einem eingestrahlten elektromagnetischen Feld angeregte kollektive Schwingungen der Leitungsbandelektronen. In dieser Arbeit wurden drei signifikante Herausforderungen für Plasmonik-Anwendungen bearbeitet, welche die einzigartigen optischen Eigenschaften dieser NP ausnutzen. Erstens wurden Ergebnisse der selektiven und präzisen Größenmanipulation und damit einer Kontrolle der interpartikulären Abstände von den dreieckigen Goldnanopartikel mit Hilfe von ns-gepulstem Laserlicht präsentiert. Die verwendete Methode basiert hierbei auf der Größen- und Formabhängigkeit der LPPRs der NP. Zweitens wurde die sensorischen Fähigkeiten von Gold-NP ausgenutzt, um die Bildung von molekularen Drähten auf den PPAs durch schrittweise Zugabe von unterschiedlichen molekularen Spezies zu untersuchen. Hierbei wurde die Verschiebung der LSPPR in den optischen Spektren dazu ausgenutzt, die Bildung der Nanodrähte zu überwachen. Drittens wurden Experimente vorgestellt, die sich die lokale Feldverstärkung von NP zu nutze machen, um eine hochgeordnete Nanostrukturierung von Oberflächen mittels fs-gepulstem Laserlicht zu bewerkstelligen. Dabei zeigt sich, dass neben der verwendeten Fluenz die Polarisationsrichtung des eingestrahlten Laserlichts in Bezug zu der NP-Orientierung sowie die Größe der NP äußerst wichtige Parameter für die Nanostrukturierung darstellen. So konnten z.B. Nanolöcher erzeugt werden, die bei höheren Fluenzen zu Nanogräben und Nanokanälen zusammen wuchsen. Zusammengefasst lässt sich sagen, dass die in dieser Arbeit gewonnen Ergebnisse von enormer Wichtigkeit für weitere Anwendungen sind.

Polyphenylen-Dendrimere

Polyphenylen-Dendrimere Alexander Josef Berresheim Zusammenfassung der Dissertation Die vorliegende Arbeit mit dem Thema 'Polyphenylen-Dendrimere' ist synthetisch orientiert und behandelt im Wesentlichen den Aufbau neuer Polyphenylen-Dendrimere durch die Anwendung wiederholter Diels-Alder- und Desilylierungs-Reaktionen. Diskutiert wird die Synthese der einzelnen Bausteine, die Synthese der verschiedenen Dendrimere sowie deren Charakterisierung. Außerdem wird die oxidative Cyclodehydrierung geeigneter Dendrimere zu polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen beschrieben. Die Synthese der Dendrimere beruht auf einer wiederholten Diels-Alder-Reaktion eines Tetraphenylcyclopentadienons mit einem aromatischen Acetylen. Durch die Variation des Kerns und des Verzweigungsbausteins werden die Wachstumsgrenzen, denen dieser Dendrimer-Typ unterliegt, demonstriert. Es wird gezeigt, dass ein Dendrimer, bei dessen Synthese 3,4-Di-[4-(tri-iso-propylsilylethinyl)phenyl]-2,5-diphenylcyclopentadienon als Verzweigungsbaustein verwendet wird, bis zur vierten Generation wachsen kann. Wird bei der Synthese 3,3',5,5'-Tetraethinylbiphenyl als Kern verwendet, entsteht ein Oligophenylen, das aus 302 Benzolringen besteht.Bei Dendrimeren, deren Synthese auf dem A4B-Baustein 2,3,4,5-Tetrakis-[4-(tri-iso-propylsilylethinyl)phenyl]cyclopentadienon beruht, hängt die höchste Generation, die monodispers hergestellt werden kann, von der Art des Kerns ab. Wird 1,4-Diethinylbenzol verwendet, lassen sich die ersten drei Generationen synthetisieren. Hat der Kern jedoch die Multiplizität 'vier' oder 'sechs' ist bereits bei der zweiten Generation das Ende des monodispersen Wachstums erreicht.Die Charakterisierung der Dendrimere zeigt, dass es sich um Nanopartikel mit einer stabilen Form handelt. Der Durchmesser wächst linear mit der Generation. In einem Fall war es möglich einen Einkristall zu erhalten, dessen Kristallstruktur ermittelt werden konnte. Hierbei zeigt sich, dass es zu einer hohen Einlagerung von Lösungsmitteln in der Festphase kommen kann. Dieses Ergebnis wurde auch durch gezielte Versuche zum Einlagerungsverhalten von Lösungsmitteln in der Festphase bestätigt.Der letzte Teil dieser Arbeit widmet sich der Möglichkeit, die Polyphenylen-Dendrimere zu großen zweidimensionalen Graphitausschnitten zu cyclodehydrieren. Es war generell möglich, polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe mit bis zu 306 Kohlenstoffatomen herzustellen. Es zeigt sich aber auch, dass mit zunehmender Größe des Aromaten, die Intensität der Nebenreaktionen zunimmt.

Maßgeschneiderte Kieselgelträger für die metallocen-katalysierte Polyolefinsynthese

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung von porösen Kieselgelen und ihrem Einsatz als Träger in der heterogenen metallocen-katalysierten Polymerisation von Ethylen. Im Vordergrund stand die Optimierung dieses Prozesses durch das Maßscheidern der Trägereigenschaften unter sonst identischen Polymerisationsbedingungen und das Erforschen des heterogenen Polymerisationsprozesses. Das verwendete Katalysatorsystem (Methylaluminoxan mit Dicyclopentadienylzirkoniumdichlorid) besitzt sehr hohe Aktivitäten und verbleibt im Falle der heterogenen Reaktionsführung im Produkt. Der Mechanismus verläuft über mehrere Phasen, wobei besonderes Augenmerk auf die Trägerpartikelfragmentierung gelenkt wurde. Es wurden zwei Synthesekonzepte für die Herstellung der Träger verfolgt. Im ersten Teil der Arbeit wurden monodisperse unporöse Kieselgel-Nanopartikel (Monosphere) zu Agglomeratträgern über einen Sprühtrocknungsprozess aufgebaut. Die Stabilität der Agglomerate wurde über den Zusatz von monodispersen Kieselgel-Binderpartikeln während der Herstellung variiert. Es wurden sowohl die porenstrukturellen als auch morphologischen Eigenschaften der Agglomeratprodukte untersucht und mit den physiko-chemischen Eigenschaften der Nanopartikel korreliert. In einem zweiten Ansatz wurden sphärische hochporöse Kieselgele mit abgestufter Porosität bei konstanter spezifischer Oberfläche hergestellt und als Träger in der Polyethylensynthese getestet.

Nanosized polymer carriers for metallocene catalysts in heterogeneous olefin polymerization

Das Ziel der vorgelegten Arbeit war die Synthese von definierten, sphärischen Polystyrolpartikeln im Größenbreichen von Nanometern, die als Träger für die Immobilisierung von Metallocenkatalysatoren verwendet werden sollten. Ein wichtiger Anspruch an das System war dabei die Möglichkeit einer homogene Verteilung des Metallocenes auf dem Träger and eine homogene Fragmentierung des geträgerten Katalysators während der Polymerisation im Polymerprodukt. Für diese Zielsetzung wurden unterschiedliche Polystyrolnanopartikel hergestellt. Die Polystyrolnanopartikel waren mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen wie Polyethylenoxid- und Polypropylenoxidketten oder Hydroxygruppen auf der Oberfläche versehen, um den Metallocenkatalysator und den Cokatalysator MAO immobilisieren zu können. In verschiedenen Experimenten wurde der Einfluss dieser Polystyrolnanopartikel als Träger auf die Katalysatoreigenschaften wie Aktivität oder Produktivität und die Eigenschaften des produzierten Polyolefins wie z.B. Molekulargewicht und Morphologie untersucht. Im Vergleich zu den PS- Nanopartikeln wurden außerdem PS-Mikropartikel, Silica und Dendrimere als Träger in der heterogenen Olefinpolymerisation eingesetzt. Von all diesen Trägersystemen wurde das Fragmentierungsverhalten durch konfocale Fluoreszenzmikroskopie untersucht. Aus den erhaltenen Ergebnissen kann geschlossen werden, dass die hergestellten Polystyrolnanopartikel neuartige und leistungsfähige Träger für heterogene Polymerisationsprozesse darstellen. Die hergestellten Polystyrolnanopartikel besaßen eine wohldefinierte sphärische Struktur, die eine homogene Verteilung des immobilisierten Metallocenkatalysators und somit auch eine vollständige Fragmentierung des geträgerten Katalysators im hergestellten Polyolefin ermöglichte. Die Katalysatorsysteme, die aus den PS- Nanopartikeln und dem Metallocenkatalysator zusammengesetzt waren, wurden in verschiedenen Polymerisationen wie der Ethylen- oder Propylenhomopolymersation und der Copolymerisation von Ethen mit α- Olefinen getestet. Die Oberflächen- funktionalisierten PS Nanopartikel immobilisierten den Metallocenkatalysator ausreichend gut, so dass kein „Leachen“ (Ablösen) des Katalysators von der Trägeroberfläche festgestellt werden konnte und deshalb Polymer von sehr guter Morphologie erhalten wurde. Um die Fragmentierung des Katalysators und den inneren Aufbau des Polymers näher untersuchen zu können, wurde die konfocale Fluoreszenzmikroskopie für das PS- Nanopartikelträgersystem angewendet. Durch farbstoffmarkierte Trägerpartikel konnte die Verteilung des fragmentierten Katalysators innerhalb des Polymers sichtbar gemacht und analysiert werden. Dabei wurde festgestellt, dass sich PS- Nanopartikel und auch Dendrimere als Träger ähnlich verhalten wie Ziegler- Natta- Katalysatoren, die auf MgCl2 immobilisiert für die heterogene Olefinpolymerisation verwendet werden. Das Fragmentierungsverhalten der Silica oder PS- Mirkopartikel geträgerten Systeme entsprach dagegen dem schichtweisen Fragmentierungsverhalten wie es bereits von Fink und Mitarbeitern beschrieben wurde.

Plasmonenresonanzen von sichelförmigen metallischen Nanoobjekten

Metallische Objekte in der Größenordnung der optischen Wellenlänge zeigen Resonanzen im optischen Spektralbereich. Mit einer Kombination aus Kolloidlithographie, Metallfilmbedampfung und reaktivem Ionenstrahl¨atzen wurden Nanosicheln aus Gold bzw. Silber mit identischer Form und Orientierung in Sichelform mit einer Größe von 60nm bis 400nm hergestellt. Der Öffnungswinkel der Nanosicheln lässt sich kontinuierlich einstellen. Durch die einheitliche Orientierung lassen sich Messungen am Ensemble direkt auf das Verhalten des Einzelobjektes übertragen, wie ein Vergleich der Extinktionsspektren einer Ensemblemessung am UV/Vis/NIR-Spektrometer mit einer Einzelpartikelmessung in einem konfokalen Mikroskop zeigt. Die optische Antwort der Nanosicheln wurde als zwei-dimensionales Modell mit einer Finite Elemente Methode berechnet. Das Ergebnis sind mehrere polarisationsabhängige Resonanzen im optischen Spektrum. Diese lassen sich durch Variation des Öffnungswinkels und der Gr¨oße der Nanosichel verschieben. Durch Beleuchten lassen sich plasmonische Schwingungen anregen, die ein stark lokalisiertes Nahfeld an den Spitzen und in der Öffnung der Nanosicheln erzeugen. Das Nahfeld der Partikelresonanz wurde mit einer Fotolackmethode nachgewiesen. Die Untersuchungen am UV/Vis/NIR-Spektrometer zeigen mehrere polarisationsabhängige Resonanzen im Spektralbereich von 300 nm bis 3200 nm. Die Resonanzen der Nanosicheln lassen sich durch den Öffnungswinkel und den Durchmesser in der Größenordnung der Halbwertbreite im optischen Spektrum verschieben. In der Anwendung als Chemo- bzw. Biosensor zeigen Gold-Nanosicheln eine ähnliche Empfindlichkeit wie vergleichbare Sensoren auf der Basis von dünnen Metallstrukturen. Das Nahfeld zeichnet sich durch eine starke Lokalisierung aus und dringt, je nach Multipolordnung, zwischen 14 nm und 70 nm in die Umgebung ein. Quantenpunkte wurden an das Nahfeld der Nanosicheln gekoppelt. Die Emission der Quantenpunkte bei einer Wellenlänge von 860nm wird durch die Resonanz der Nanosicheln verstärkt. Die Nanosicheln wurden als optische Pinzette eingesetzt. Bei einer Anregung mit einem Laser bei einer Wellenlänge von 1064 nm wurden Polystyrolkolloide mit einem Durchmesser von 40 nm von den resonanten Nanosicheln eingefangen. Die Nanosicheln zeigen außergewöhnliche optische Eigenschaften, die mithilfe der Geometrieparameter über einen großen Bereich verändert werden können. Die ersten Anwendungen haben Anknüpfungspunkte zur Verwendung in der Sensorik, Fluoreszenzspektroskopie und als optische Pinzette aufgezeigt.

Reaktive Polymere zur funktionellen Oberflächenbeschichtung

Ziel dieser Arbeit war die gezielte Modifizierung von Oberflächen mittels multifunktioneller Polymere, die ausgehend von Aktivesterpolymeren durch polymeranaloge Reaktionen unter milden Bedingungen hergestellt werden konnten. Dazu wurden die neuartigen Akivestermonomere Pentafluorphenylacrylat PFA und Pentafluorphenylmethacrylat PFMA hergestellt und polymerisiert. PFMA konnte unter RAFT-Bedingungen mittels Cumyldithiobenzoat bzw. 4-Cyano-4-((thiobenzoyl)sulfanyl)pentansäure kontrolliert polymerisiert werden. Durch den RAFT-Prozess wurden weiterhin reaktive Blockcopolymere aus PFMA und Methylmethacrylat, N Acryloylmorpholin bzw. N,N Diethylacrylamid synthetisiert. Zur Herstellung alpha, omega-endfunktionalisierter Polymere wurde PFA mit Dithiobenzoesäure-(4-dodecylbenzyl)ester polymerisiert und durch anschließende polymeranaloge Reaktionen zu thermoschaltbaren Polymeren mit unterschiedlichem LCST-Verhalten umgesetzt, die den Aufbau polymerunterstützter Lipiddoppelschichten ermöglichen. Ausgehend von poly(PFA) wurden oberflächenaktiven multifunktionellen Polymeren hergestellt und zur Oberflächenmodifizierung von anorganischen TiO2 Nanopartikeln, TiO2-Nanodrähten und MoS2-Nanopartikeln eingesetzt. Es konnten so lösliche fluoreszierende TiO2-Nanopartikel sowohl durch in situ- als auch post-Funktionalisierung hergestellt werden. Zudem konnte durch Verwendung eines multifunktionellen Polymers mit NTA-Einheiten das Enzym Silicatein auf TiO2-Nanodrähten immobilisert werden, das durch Biokristallisation Aggregate aus TiO2-Nanodrähten und Goldnanopartikeln erzeugte.

Synthese und Photochemie von Dendrimeren mit stilbenoiden Chromophoren

Dendrimere spielen als strukturtreue Nanopartikel eine herausragende Rolle. Ziel dieser Arbeit war, Dendrimere mit einer hohen Dichte an photoaktiven Chromophoren herzu-stellen und zu untersuchen. Dazu wurden die terminalen Aminogruppen von Poly(propylenimin)dendrimeren 1. und 2. Generation, Astramol DAB-Am-4R und DAB-Am-8R, mit Stilbenen und Styrylstilbenen als Chromophor verknüpft. Mittels Wittig-Horner- und Heck-Reaktion wurden (E)-Stilbene aufgebaut, die auf der einen Seite drei Propoxygruppen zur Verbesserung der Löslichkeit und auf der anderen Seite eine passende Funktionalität zur Verknüpfung mit dem dendritischen Core tragen. Als Verknüpfungsmethoden wurden die Verknüpfung als Amid (PSDA), Schiffsche Base (PSDS) und Harnstoff (PSDH) getestet. Die Schiffschen Basen wurden außerdem zur Erhöhung der Hydrolysestabilität zum sekundären Amin reduziert (PSDR und PQDR). Durch die Verknüpfung mit dem Core werden die stilbenoiden Chromophore sehr stark photoaktiviert. Das beruht auf einem Singulett-Energietransfer (Förster-Mechanismus) von Chromophor zu Chromophor. Dieser Prozeß konkurriert zu den Deaktivierungsprozessen, verlängert die mittlere S1-Lebensdauer und erhöht somit die Chancen der Photochemie. Der Styrylstilben-Chromophor hat darüber hinaus einen erheblichen Teil seiner UV-Absorbtion bereits im Tageslicht und photopolymerisiert daher bereits im Tageslicht. Vor allem bei den Dendrimeren 2. Generation stellte sich die Frage nach der vollständigen, d.h. achtfachen Umsetzung; das Core sollte als Knäuel vorliegen, die Arme zum Teil nach innen gefaltet und somit dem Reaktand nur bedingt zugänglich. Auch dort konnten unter optimierten Reaktionsbedingungen alle Aminogruppen umgesetzt werden. Die vollständige Umsetzung der Dendrimere wurde mittels NMR und massenspektroskopischen Methoden untersucht. Bei den Absorptionsspektren der Dendrimere 1. Generation ändert sich die Lage der Maxima je nach Art der Verknüpfung der Chromophore mit dem Core. Die Verlängerung des Chromophors um eine Styryleinheit bedingt eine beträchtliche Rotverschiebung. Die Lage der Emissionsmaxima differiert stärker als die Lage der Absorptionsmaxima. Den geringsten Stokes-Shift weist der Harnstoff auf, dann folgt das sekundäre Amin, dann die Schiffsche Base. Dies weist auf unterschiedlich relaxierte S1-Geometrien hin. Die Verbindungen PSDS1, PSDR1 und PSDH1 aus 3,4,5-Tripropoxystilbeneinheit und Astramol-Core 1. Generation DAB-Am-4 wurden in einer Konzentration von 10-5 mol/L belichtet. Der vollständige Photoabbau durch Belichtung in Chloroform mit einer Xenon-Lampe erfolgte ohne jeglichen Filter innerhalb von zehn Minuten (PSDH1), 20 Minuten (PSDR1) und einer Stunde (PSDS1). Allen drei Verbindungen gemeinsam ist das Entstehen eines intermediären neuen Maximums geringer Intensität, das um etwa 100 nm bathochrom verschoben ist. Das Harnstoffsystem weist außerdem ein weiteres intermediäres Maximum bei 614 nm auf. Diese Maxima können (laut früherer Untersuchungen) durch Oxidation entstandenen chinoiden Strukturen zugeordnet werden, deren Lebensdauer (im Sekundenbereich) zu kurz für eine NMR-Charakterisierung ist. PSDR1 wurde außerdem bei höheren Konzentrationen (10-4 und 10-3 mol/L) mit einer Quecksilberlampe mit Pyrex-Filter (lambda > 300 nm) belichtet. Dabei wird, wie erwartet, eine Verbreiterung der NMR-Signale beobachtet. Es bildet sich zunächst cis-Stilben. Außerdem läßt sich bei 4.3 ppm ein Signal beobachten, das von inter- oder intramolekular gebildeten Methinprotonen herrührt. Auch wenn laut MOPAC- und Kraftfeldrechnung die Doppelbindungen ungünstig für eine [pi2s + pi2s]-Cyclodimerisierung zueinander stehen, kann im photochemisch angeregten Zustand eine Geometrie vorherrschen, die die intramolekulare Kopf-Kopf-Cyclobutanbildung ermöglicht. Die massenspektrometrischen Untersuchungen der Belichtungsprodukte (FD, ESI, MALDI-TOF) zeigen als höchste Masse lediglich das Monomer. Allerdings kann dadurch nicht auf eine rein intramolekulare Reaktion geschlossen werden. Die fortschreitende statistische CC-Verknüpfung kann schnell zu vernetzten Nanopartikeln führen, die im Massenspektrometer nicht fliegen. Die NMR-Spektren der mit zunehmender Vernetzung immer schlechter löslich werdenden Teilchen belegen die Oligomerisierung.

Functionalized surfaces and surface functionalization of nanomaterials

Nature leads, we follow. But nanotechnologists are in hot pursuit, in designing controllable structures that can mimic naturally occurring and artificially synthesized materials on a common platform. The supramolecular chemistry concerns the investigation of nature principles to produce fascinating complexed and functional molecular assemblies, as well as the utilization of these principles to generate novel devices and materials, potentially useful for sensing, catalysis, transport and other applications in medical or engineering science. The work presented in this thesis is a compilation of different synthetic methods to achieve inorganic-organic hybrid nanomaterials. Silicatein, a protein enzyme, which acts both as a catalyst and template for the formation of silica needles in marine sponges, has been used for the biosynthesis of semiconductor metal oxides on surfaces. Silicatein was immobilized on gold (111) surfaces using alkane thiol, as well as on a novel self-assembly of NTA on top of a “cushion” of reactive ester polymer has been successfully employed to make functionalised surfaces. The immobilization of silicatein on surfaces was monitored by surface plasmon spectroscopy, atomic force microscopy and confocal laser scanning microscopy. Surface bound silicatein retains its biocatalytic activity, which was demonstrated by monitoring its hydrocatalytic activity to catalyse the synthesis of biosilica, biotitania, and biozirconia. The synthesis of semiconductor metal oxides was characterized using scanning electron microscopy. This hydrolytic biocatalyst is used to synthesize the gold nanoparticles. The gold nanoparticles are formed by reduction of tetrachloroaurate, AuCl4-, by the action of sulfhydryl groups hidden below the surface groups of the protein. The resulting gold nanoparticles which are stabilized by surface bound silicatein further aggregate to form Au nanocrystals. The shape of the nanocrystals obtained by using recombinant silicatein is controlled through chiral induction by the protein during the nucleation of the nanocrystals. As an extension of this work, TiO2 nanowires were functionalized using polymeric ligand which incorporates the nitrilotriacetic acid (NTA) linker in the back bone to immobilize His-tagged silicatein onto the TiO2 nanowires. The surface bound protein not only retains its original hydrolytic properties, but also acts as a reductant for AuCl4- in the synthesis of hybrid TiO2/silicatein/Au nanocomposites. Functionalized, monocrystalline rutile TiO2 nanorods were prepared from TiCl4 in aqueous solution in the presence of dopamine. The surface bound organic ligand controls the morphology as well as the crystallinity and the phase selection of TiO2. The surface amine groups can be tailored further with functional molecules such as dyes. As an example, this surface functionality is used for the covalent binding of a fluorescent dye,4-chloro-7- nitrobenzylurazene (NBD) to the TiO2 nanorods. The polymeric ligands have been used successfully for the in-situ and post-functionalization of TiO2 nanoparticles. Besides to chelating dopamine anchor group the multifunctional ligand system presented here incorporates a modifier molecule which allows the binding of functional molecules (here the dyes pyrene, NBD, and Texas Red) as well as additional entities which allow tailoring the solubility of inorganic nanocrystals in different solvents. A novel method for the surface functionalization of fullerene-type MoS2 nanoparticles and subsequently binding these nanoparticles onto TiO2 nanowires has been reported using polymeric ligands. The procedure involves the complexation of IF-MoS2 with a combination of Ni2+ via an umbrella-type nitrilotriacetic acid (NTA) and anchoring them to the sidewalls of TiO2 nanowires utilizing the hydroxyl groups of dopamine present in the main contents of polymeric ligand. A convenient method for the synthesis of Au/CdS nanocomposites has been presented, which were achieved through the novel method of thiol functionalization of gold colloids. The thermodynamically most stable phase of ZrO2 (cubic) has been obtained at much lower temperature (180°C). These nanoparticles are highly blue fluorescent, with a high surface area.

Polyphenylene dendrimers

The main goals of this work were the design, synthesis, and characterization of new functional polyphenylene dendrimers. Polyphenylene dendrimers are highly branched, monodisperse macromolecules consisting exclusively of benzene rings. They can be obtained in high yield by a repetitive Diels-Alder cycloaddition - deprotection protocol. Their shape-persistent dendritic scaffold allows to obtain nanoparticles with functional groups in defined relative orientation. In the first chapter polyphenylene dendrimers with a pyrene core are presented. The focus of the investigations was upon the shielding efficiency of dendritic shells of different generations upon the pyrene-functionality in the core. The herein presented materials combine high quantum efficiency, good solubility and improved film forming properties making them possible candidates for several applications in electronic devices. The defined functionalization of polyphenylene dendrimers often requires a great synthetic effort, since for every desired function the appropriate building block has to be synthesized. To overcome these disadvantages, a new functionalization concept based upon benzophenone precursors has been developed. This new concept has successfully been applied for the functionalization of the dendritic core, the dendrimer shell, and the dendrimer surface. To investigate the accessibility and reactivity of the embedded groups, many functions of different size and nature were introduced. Moreover, suitable precursors for the synthesis of dendrimer entrapped species, trityl cations, trityl radicals, and ketyl radical anions, were obtained. The combination of the synthetic protocols of core- and surface-functionalization resulted in a new type of functional molecules, highly interesting from the point of electron transfer processes. A polyphenylene dendron was used to arrange a triphenylamine donor and a perylene acceptor moiety in a defined spatial distance and orientation. The in-depth photophysical investigation of a first model compound is reported. The herein presented functionalized dendrimers are highly interesting as well from the point of view of fundamental research (looking into the optic and electronic properties of such unique shape persistent structures) as from the point of view of their potential application as tailor-made nanomaterials in the field of optoelectronics.