Self-assembled columns of fullerene

Columnar mesophases based on alternating triphenylene and hexaphenyltriphenylene moieties are exceptionally stable and able to accommodate bulky side-chain substituents within the alkyl chain continuum between the columns. This paper presents a system in which the triphenylene bears a fullerene on its side-chain and the hexaphenyltriphenylene equivalent is the aza-derivative hexakis(4-nonylphenyl)dipyrazino[2,3-f : 2'3'-h] quinoxalene, PDQ9. The mesophase formed was identified as hexagonal columnar (Col(h)) by X-ray diffraction (a = 25.2 angstrom and c = 3.5 angstrom) but, in addition to the expected peaks, there is indication of a two-dimensional hexagonal superlattice with d-spacing 59 angstrom. This superlattice is believed to arise from ordering of the fullerenes within the liquid crystal matrix. It can be explained on the assumption that, to maximise fullerene-fullerene contact, the fullerenes form chains which wrap around the central column in every group of seven columns of the triphenylene : PDQ9 Col(h) array.

Quantitative model for the kinetics of lyotropic phase transitions involving changes in monolayer curvature

We present a kinetic model for transformations between different self-assembled lipid structures. The model shows how data on the rates of phase transitions between mesophases of different geometries can be used to provide information on the mechanisms of the transformations and the transition states involved. This can be used, for example, to gain an insight into intermediate structures in cell membrane fission or fusion. In cases where the monolayer curvature changes on going from the initial to the final mesophase, we consider the phase transition to be driven primarily by the change in the relaxed curvature with pressure or temperature, which alters the relative curvature elastic energies of the two mesophase structures. Using this model, we have analyzed previously published kinetic data on the inter-conversion of inverse bicontinuous cubic phases in the 1-monoolein-30 wt% water system. The data are for a transition between QII(G) and QII(D) phases, and our analysis indicates that the transition state more closely resembles the QII(D) than the QII(G) phase. Using estimated values for the monolayer mean curvatures of the QII(G) and QII(D) phases of -0.123 nm(-1) and -0.133 nm(-1), respectively, gives values for the monolayer mean curvature of the transition state of between -0.131 nm(-1) and -0.132 nm(-1). Furthermore, we estimate that several thousand molecules undergo the phase transition cooperatively within one "cooperative unit", equivalent to 1-2 unit cells of QII(G) or 4-10 unit cells of QII(D).

Kinetics and mechanism of the interconversion of inverse bicontinuous cubic mesophases

This paper describes time-resolved x-ray diffraction data monitoring the transformation of one inverse bicontinuous cubic mesophase into another, in a hydrated lipid system. The first section of the paper describes a mechanism for the transformation that conserves the topology of the bilayer, based on the work of Charvolin and Sadoc, Fogden and Hyde, and Benedicto and O'Brien in this area. We show a pictorial representation of this mechanism, in terms of both the water channels and the lipid bilayer. The second section describes the experimental results obtained. The system under investigation was 2:1 lauric acid: dilauroylphosphatidylcholine at a hydration of 50% water by weight. A pressure-jump was used to induce a phase transition from the gyroid (Q(II)(G)) to the diamond (Q(II)(D)) bicontinuous cubic mesophase, which was monitored by time-resolved x-ray diffraction. The lattice parameter of both mesophases was found to decrease slightly throughout the transformation, but at the stage where the Q(II)(D) phase first appeared, the ratio of lattice parameters of the two phases was found to be approximately constant for all pressure-jump experiments. The value is consistent with a topology-preserving mechanism. However, the polydomain nature of our sample prevents us from confirming that the specific pathway is that described in the first section of the paper. Our data also reveal signals from two different intermediate structures, one of which we have identified as the inverse hexagonal (H-II) mesophase. We suggest that it plays a role in the transfer of water during the transformation. The rate of the phase transition was found to increase with both temperature and pressure-jump amplitude, and its time scale varied from the order of seconds to minutes, depending on the conditions employed.

Cinnamate ester containing liquid crystalline side chain polymers

The synthesis of methacrylate esters of 4-cyanophenyl-(4-(ω-hydroxyalkyloxy)) cinnamates, with spacer lengths of 2 and 6 methylene units and the synthesis of the corresponding acrylate ester with a spacer of 2 methylene units are described. The methacrylate monomers were polymerized by free radical polymerization, both as homopolymers and as copolymers with the analogous benzoate monomer of spacer length 6. The acrylate ester could not be polymerized successfully under the same reaction conditions. Polymers were characterized by NMR spectroscopy, gel permeation chromatography, differential scanning calorimetry, and thermo-optic observations. Of the monomers prepared, only the cinnamate with a hexamethylene spacer shows a mesophase, seen on supercooling of the melt. All of the polymers prepared were liquid crystalline, with smectic behavior predominating in the polymethacrylates with the longer spacer group. A narrow nematic region is seen just below the clearing temperature with a range of 3–9°C, nematic character is increased in the copolymer series with the degree of incorporation of the cinnamate monomer with the spacer group of length 2.

Control and analysis of oriented thin films of lipid inverse bicontinuous cubic phases using grazing incidence small-angle X‑ray scattering

Lipid cubic phases are complex nanostructures that form naturally in a variety of biological systems, with applications including drug delivery and nanotemplating. Most X-ray scattering studies on lipid cubic phases have used unoriented polydomain samples as either bulk gels or suspensions of micrometer-sized cubosomes. We present a method of investigating cubic phases in a new form, as supported thin films that can be analyzed using grazing incidence small-angle X-ray scattering (GISAXS). We present GISAXS data on three lipid systems: phytantriol and two grades of monoolein (research and industrial). The use of thin films brings a number of advantages. First, the samples exhibit a high degree of uniaxial orientation about the substrate normal. Second, the new morphology allows precise control of the substrate mesophase geometry and lattice parameter using a controlled temperature and humidity environment, and we demonstrate the controllable formation of oriented diamond and gyroid inverse bicontinuous cubic along with lamellar phases. Finally, the thin film morphology allows the induction of reversible phase transitions between these mesophase structures by changes in humidity on subminute time scales, and we present timeresolved GISAXS data monitoring these transformations.

Mesomorphic behaviour in copoly(ester-imide)s of poly(butylene-2,6-naphthalate) (PBN)

Copolycondensation of N,N’-bis(4-hydroxybutyl)-biphenyl-3,4,3',4'-tetracarboxylic diimide at 20 and 25 mol% with bis(4-hydroxybutyl)-2,6-naphthalate produces PBN-based copoly(ester-imide)s that not only crystallise but also form a (smectic) mesophase upon cooling from the melt. Incorporation of 25 mol% imide in PBN causes the glass transition temperature (measured by DSC) to rise from 51 to 74 °C, a significant increase relative to PBN. Furthermore, increased storage- (G'), loss- (G'') and elastic (E) moduli are observed for both copoly(ester-imide)s when compared to PBN itself. Structural analysis of the 20 mol% copolymer by X-ray powder and fibre diffraction, interfaced to computational modelling, suggests a crystal structure related to that of α-PBN, in space group P-1, with cell dimensions a = 4.74, b = 6.38, c = 14.45 Å, α = 106.1, β = 122.1, γ = 97.3°, ρ = 1.37 g cm-3.

High performance polyester-based materials

Biaxially oriented films produced from semi-crystalline, semi-aromatic polyesters are utilised extensively as components within various applications, including the specialist packaging, flexible electronic and photovoltaic markets. However, the thermal performance of such polyesters, specifically poly(ethylene terephthalate) (PET) and poly(ethylene-2,6-naphthalate) (PEN), is inadequate for several applications that require greater dimensional stability at higher operating temperatures. The work described in this project is therefore primarily focussed upon the copolymerisation of rigid comonomers with PET and PEN, in order to produce novel polyester-based materials that exhibit superior thermomechanical performance, with retention of crystallinity, to achieve biaxial orientation. Rigid biphenyldiimide comonomers were readily incorporated into PEN and poly(butylene-2,6-naphthalate) (PBN) via a melt-polycondensation route. For each copoly(ester-imide) series, retention of semi-crystalline behaviour is observed throughout entire copolymer composition ratios. This phenomenon may be rationalised by cocrystallisation between isomorphic biphenyldiimide and naphthalenedicarboxylate residues, which enables statistically random copolymers to melt-crystallise despite high proportions of imide sub-units being present. In terms of thermal performance, the glass transition temperature, Tg, linearly increases with imide comonomer content for both series. This facilitated the production of several high performance PEN-based biaxially oriented films, which displayed analogous drawing, barrier and optical properties to PEN. Selected PBN copoly(ester-imide)s also possess the ability to either melt-crystallise, or form a mesophase from the isotropic state depending on the applied cooling rate. An equivalent synthetic approach based upon isomorphic comonomer crystallisation was subsequently applied to PET by copolymerisation with rigid diimide and Kevlar®-type amide comonomers, to afford several novel high performance PET-based copoly(ester-imide)s and copoly(ester-amide)s that all exhibited increased Tgs. Retention of crystallinity was achieved in these copolymers by either melt-crystallisation or thermal annealing. The initial production of a semi-crystalline, PET-based biaxially oriented film with a Tg in excess of 100 °C was successful, and this material has obvious scope for further industrial scale-up and process development.

Crescimento de fibras de zircônia preparadas pela rota sol-gel a partir de moldes de cristal líquido

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Skin Delivery of Kojic Acid-Loaded Nanotechnology-Based Drug Delivery Systems for the Treatment of Skin Aging

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

The 2:1 cycloadducts from [3+2] 1,3-dipolar cycloaddition of nitrile oxide and vinylacetic acid. Synthesis and liquid crystal behaviour

Four liquid crystals (LC) 3,7a-bis(4-alkyloxyphenyl)-7,7a-dihydro-6H-isoxazolo[2,3-d][1,2,4]oxadiazol-6-yl)acetic acid (7a-d) were synthesised and the mesomorphic behaviour reported. The LCs were characterised as 2: 1 bisadducts, which were obtained from a double [3+2] 1,3-dipolar cycloaddition. In the first step, the cycloaddition of 4-alkyloxyphenylnitrile oxide (4a-d) and vinylacetic acid (5) gave the initial unobserved 1:1 cycloadducts 2-[3-(4-alkyloxyphenyl)-4,5-dihydroisoxazol-5-yl]acetic acid (6a-d). In the second step, the addition of a second equivalent of 4 to 6 yielded the 2: 1 bisadducts 7a-d without any traces of 6. All compounds 7a-d were unstable during the transition from the mesophase to the isotropic state upon first heating as evidenced by the large peaks in the differential scanning calorimetry traces. Due to the chemical instability of the compounds upon heating, the transition temperature related to the smectic C to smectic A transitions was acquired by means of an image processing method. X-Ray diffraction experiments were also used to analyse the liquid-crystalline phases. A theoretical calculation was performed using density functional theory (DFT) methods at the PBE1PBE/6-311+G(2d,p) level (with solvent effect) in order to get information about the energetic profile of the 2: 1 cycloaddition. DFT studies revealed that the cycloaddition process is controlled by the HOMO(dipolarophile) - LUMO(1,3-dipole), and that the double [3+2] 1,3-dipolar cycloaddition reaction is quite possible.

Order induced charge carrier mobility enhancement in columnar liquid crystal diodes

Discotic molecules comprising a rigid aromatic core and flexible side chains have been promisingly applied in OLEDs as self-organizing organic semiconductors. Due to their potentially high charge carrier mobility along the columns, device performance can be readily improved by proper alignment of columns throughout the bulk. In the present work, the charge mobility was increased by 5 orders of magnitude due to homeotropic columnar ordering induced by the boundary interfaces during thermal annealing in the mesophase. State-of-the-art diodes were fabricated using spin-coated films whose homeotropic alignment with formation of hexagonal germs was observed by polarizing optical microscopy. The photophysical properties showed drastic changes at the mesophase-isotropic transition, which is supported by the gain of order observed by X-ray diffraction. The electrical properties were investigated by modeling the current−voltage characteristics by a space-charge-limited current transport with a field dependent mobility.

Ferroelektrische Netzwerksynthese und ihre Charakterisierung

Deutsch:Diese Arbeit beschäftigt sich zum einen mit der Synthese neuer, vernetzbarer, ferroelektrischer Verbindungen, welche eine höhere spontane Polarisation und damit ein besseres Schaltverhalten nach Vernetzung aufweisen sollten. Dazu wurde in bekannte Systemen die Halogene Fluor, Chlor und Brom erfolgreich eingebaut. Desweiteren konnten neue Untersuchungmethoden für ferroelektrische, flüssigkristalline Netzwerke erfolgreich angewendet und weiterentwickelt werden. Damit gelang es z. B. neue Erkenntnisse über die elastischen Eigenschaften von LC-Elastomeren zu gewinnen, wobei es erstmalig gelang, Seifenblasen aus LC-Polymeren herzustellen und durch UV-Bestrahlung zu vernetzen. Durch die Messung des Radius in Abhängigkeit des Druckes war es möglich festzustellen, daß sich das Verhalten des Polymers, welches zunächst oberflächenspannungskontrolliert war, nach UV-Bestrahlung, in ein elastisches Verhalten änderte. Aus der Radius vs. Druckbeziehung war es möglich, Daten über die elastischen Eigenschaften zu erhalten. Die Ballone zeigten dabei typische, gummielastische Eigenschaften. Ein Einfluß der Mesophase (d.h. SA oder SC-Phase) auf die Eigenschaften der Ballone konnte dabei nicht festgestellt werden. Für die beiden hier untersuchten Systeme des inter- und intralyer vernetzbaren System konnte festgestellt werden, daß ihr elastisches Verhalten sehr ähnlich ist, ganz im Gegensatz zu den früheren elektrooptischen Untersuchungen. D. h. beide Systeme zeigten nach der Vernetzung bis auf einen Faktor 2 das gleiche elastische Verhalten. Im Gegensatz zu nematischen Elastomeren, welche am Phasenübergang zum Teil große thermoelastische Änderungen zeigen, zeigten die hier untersuchten Elastomere keine Änderung der elastischen Eigenschaften beim Phasenübergang, was sich u.a. auf die relativ hohen Vernetzungsdichten zurückführen läßt. Weiterhin wurde die Elektrostriktion in ferroelektrischen flüssigkristallinen Elastomerenfilmen untersucht, welche zu einem neuen Weltrekord des elektrostriktiven Effektes führte. Es wurden Schichtdickenänderungen von 4% bei einem angelegten Feld von 1,5 kV gemessen. Röntgenstreuexperimente an gespincoateten, vernetzten Polymerfilmen haben überdies gezeigt, daß der gemessene Effekt voll und ganz auf den elektroklinen Effekt zurück zu führen ist. Zum Schluß wurde ein neuer Weg ausgearbeitet, um flüssigkristalline Netzwerke unter Einsatz von weniger präparativer Chemie zu erhalten. Dazu wurde die Möglichkeit der Netzwerkbildung mit organischen Gelbildnern untersucht. In diesem Zusammenhang ist es erstmalig gelungen, ferroelektrische Flüssigkristalle reversibel in dem einen oder anderen Zustand orientiert zu stabilisieren, wobei beliebig oft zwischen den stabilisierten Zuständen gewechselt werden konnte.

Formtreue organische Makrocyclen mit polarem Innenraum

Zusammenfassung Die Arbeit beschreibt die Synthese und Eigenschaften von formtreuen organischen Makrocyclen mit intraannularen polaren Gruppen. Dabei wurden zunächst entsprechende bifunktionalisierte Acetylenbausteine (Halbringe) hergestellt, welche anschließend in einer oxidativen Glaser-Eglington Kupplung zu den Makrocyclen umgesetzt wurden.Am Anfang wurden Sulfonat-funktionalisierte Makrocyclen untersucht. Diese ließen sich mittels der Templatmethode in hohen Ausbeuten synthetisieren. Nach der Abspaltung des Templatbausteins, der gleichzeitig als Schutzgruppe für die Sulfonsäure diente, erhielt man den entsprechenden Makrocyclus als Tetra-n-butylammonium-Salz. Vor dem Hintergrund ionenleitfähige Materialien zu erhalten, wurde anschließend das organische Kation durch anorganische Kationen (z.B. Li+, Na+) ausgetauscht. Dies führte jedoch zur Bildung unlöslicher Produkte, die sich nicht eindeutig charakterisierten ließen.Ein anderer Ansatz zu löslichen Makrocyclen mit polarem Innenraum zu gelangen war die Synthese eines Dipeptid-funktionalisierten Makrocyclus. Dies geschah im Hinblick auf die eventuelle Eignung der Makrocyclen als Rezeptormoleküle für Gäste biologischen Ursprungs. Dabei ließen sich die entsprechenden Dipeptid-funktionalisierten Halbringe auf einfache Weise darstellen, jedoch trat bei der anschließenden Glaser-Kupplung, wahrscheinlich bedingt durch den hohen molaren Überschuß an Kupfersalzen, als Hauptreaktion die Abspaltung des Peptidrests auf. Daher wurde sich nun der Carbonsäuregruppe als polaren Baustein im Inneren der Ringe zugewandt. Diese sollten eine anschließende Peptidankupplung zulassen.Es wurden vier verschiedene Makrocyclen mit intraannularen Carboxylatgruppen synthetisiert. Auch hier waren die Makrocyclen in Form ihrer Methylester noch gut, in Form der Säuren oder deren Salze oftmals nur noch sehr gering löslich. Um die Löslichkeit zu verbessern, wurde dabei die Polaritätsverteilung am Ring (polarer Innenraum, unpolarer Außenraum) durch das Anbringen von löslichkeits-vermittelnden Gruppen zum Teil aufgegeben. Dabei hat sich gezeigt, daß es erst durch die Verwendung von verzweigten (S)-Methylbutoxy-Gruppen innerhalb des Rings oder langen Alkoxyketten außerhalb des Rings möglich war, zu löslichen Systemen zu gelangen. Im ersten Fall ist es zum ersten Mal gelungen, einen löslichen Makrocyclus mit zwei freien intra-annnularen Carbonsäuregruppen zu erhalten. Durch die Optimierung der Syntheseroute ist es nunmehr möglich, den Ring im Grammmaßstab herzustellen. Außerdem wurden als Testreaktion beide Säuregruppen mit Methylamin zum Säureamid vollständig umgesetzt. Somit wurde ein System entwickelt, an das sich in Zukunft beliebige Aminosäuren an den Ring anbinden lassen sollten. Zusätzlich sollte sich die Chiralität der (S)-Methylbutoxygruppen auf das Erkennen von chiralen Gästen auswirken.Im zweiten Fall wurden durch das Anbringen von vier Tris(hexadecyloxy)-benzol- oder Tris(dodecyloxy)-benzol- Gruppen an der Peripherie der Ringe nach Hydrolyse der Methylestergruppen ebenfalls lösliche, Carboxylat-funktionalisierte Makrocyclen erhalten. Eine eingehende Untersuchung der Methylester-geschützten Ringe ergab, daß diese beim Schmelzen das Auftreten einer thermotropen flüssigkristallinen Phase zeigen. Die Natur der Mesophase konnte mittels Polarisations-Lichtmikroskopie sowie Röntgenbeugungsmethoden eindeutig als kolumnar-schiefwinklig (colob) charakterisiert werden. Hierbei ist zu bemerken, daß bei ähnlichen Makrocyclen, die über keinen polar gefüllten Innenraum verfügen, keine Mesophase auftritt. Das bedeutet, daß die Raumerfüllung im Inneren der Makrocyclen, bedingt durch die polaren Gruppen, zur Ausbildung einer flüssigkristallinen Phase unbedingt notwendig ist.

Amalgamersatz

Amalgamersatz:Neue Wege zur Herstellung von Dentalkompositen mit geringem Polymerisationsschrumpf auf (Meth-)Acrylat-Basis Aufgrund der ästhetischen und gesundheitlichen Bedenken wird seit Jahrzehnten nach einer Alternative für Amalgam als Zahnfüllmaterial gesucht. Der größte Nachteil von organischen Monomeren liegt in der Volumenkontraktion während der Aushärtung, welche sich negativ auf die Materialeigenschaften auswirkt. Aus diesem Grund war das Hauptziel dieser Arbeit, eine Minimierung des Schrumpfes bei der radikalischen Polymerisation zu erreichen. Dazu wurden verschiedene, zum Teil neue, (Meth-)Acrylate synthetisiert und auf ihre Einsetzbarkeit als Bestandteil von Dentalkompositen geprüft.Um die Volumenkontraktion während der Polymerisation zu minimieren, wurde die Beweglichkeit der polymerisierbaren Gruppe eingeschränkt. Im ersten Teil der Arbeit wurden dazu flüssigkristalline Substanzen eingesetzt. Durch Mischen von flüssigkristallinen Diacrylaten konnte eine Mesophase im gewünschten Temperaturintervall von 25 bis 35 °C erhalten werden. Der Einsatz dieser Flüssigkristalle zeigte einen positiven Einfluss auf den Polymerisationsschrumpf. Zudem wurden neue Monomere synthetisiert, deren Methacrylgruppe in direkter Nachbarschaft zum Mesogen angebunden wurde, um die Stabilität der erhaltenen Polymere zu erhöhen.Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Beweglichkeit der polymerisierbaren Gruppe durch eine Fixierung an einem starren Kern reduziert. Als Grundkörper wurden Polyphenole, enzymatisch polymerisierte Phenole und ߖCyclodextrin verwendet. Bei den modifizierten Polyphenolen auf Basis von Gallussäure und 3,5-Dihydroxybenzoesäure konnte eine leichte Reduzierung des Polymerisationsschrumpfes erreicht werden. Mit HRP (Horseradish Peroxidase) katalysierten enzymatisch polymerisierten Phenole konnte dagegen nicht photochemisch vernetzt werden, da diese Oligomere in Lösung gefärbt vorlagen. Zudem zeigten die freien, phenolischen Hydroxygruppen eine sehr geringe Reaktivität. Die besten Ergebnisse wurden mit modifizierten ߖCyclodextrinen als Komponente einer Komposite erreicht. Dabei wurde in einem Fall sogar eine leichte Volumenexpansion während der Polymerisation erzielt.

New discotic liquid crystals based on large polycyclic aromatic hydrocarbons as materials for molecular electronics

A series of new columnar discotic liquid crystalline materials based on the superphenalene (C96) core has been synthesized by oxidative cyclodehydrogenation with iron(III) chloride of suitable three-dimensional oligophenylene precursors. These compounds were investigated by means of differential scanning calorimetry (DSC), polarized optical microscopy (POM) and wide angle X-ray scattering (WAXS), and showed highly ordered supramolecular arrays and mesophase behavior over a broad temperature range. Good solubility, through the introduction of long alkyl chains, and the fact that these new superphenalene derivatives were found to be liquid crystalline at room temperature enabled the formation of highly ordered films (using the zone-casting technique), a requirement for application in organic electronic devices. The one-dimensional, intracolumnar charge carrier mobilities of superphenalene derivatives were determined using the pulse-radiolysis time-resolved microwave conductivity technique (PR-TRMC). Electrical properties of different C96-C12 architectures on mica surfaces were examined by using Electrostatic Force Microscopy (EFM) and Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM). Hexa-peri-hexabenzocoronene (C42) derivatives substituted at the periphery with six branched alkyl ether chains were also synthesized. It was found that the introduction of ether groups within the side chains enhances the affinity of the discotic molecules towards polar surfaces, resulting in homeotropic self-assembly (as shown by POM and 2D-WAXS) when the compounds are processed from the isotropic state between two surfaces. A new, insoluble, superphenalene building block bearing six reactive sites was prepared, and was further used for the preparation of dendronized superphenalenes with bulky dendritic substituents around the core. UV/Vis and fluorescence experiments suggest reduced π-π stacking of the superphenalene cores as a result of steric hindrance between the peripheral dendritic units. A new family of graphitic molecules with partial ”zig-zag” periphery has been established. The incorporation of ”zig-zag” edges was shown to have a strong influence on the electronic properties of the new molecules (as studied by solution and solid-state UV/Vis, and fluorescence spectroscopy), leading to a significant bathochromic shift with respect to the parent PAHs (C42 and C96). The reactivity of the additional double bonds was examined. The attachment of long alkyl chains to a ”zig-zag” superphenalene core afforded a new, processable, liquid crystalline material.