Electrochemical studies based on local interfacial ph changes of gold nanoparticles immobilized on polystyrene brushes

The electrochemical behavior of polystyrene modified with gold nanoparticle (Au NPs) was investigated in terms of pH-responsive polymer brush. A pH-responsive of modified polymer brush from tethered polystyrene was prepared and used for selective gating transport of anions andcations across the thin-film. An ITO-coated glass electrode was used as substrate and applied to study the switchable permeability of the polymer brush triggered by changes in pH of the aqueous environment. The pH-sensitive behavior of the polymer brush interface has been demonstrated by means of cyclic voltammetry (CV) and Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR). CV experiments showed at ph values of 4 and 8 induces swelling and shrinking of the grafted polymer brushes, respectively, and this behavior is fast and reversible. LSPR measurements showed a blue shift of 33 nm in the surface resonance band changes by local pH. The paper brings an easy methodology to fabrication a variety of nanosensors based on the polymer brushes-nanoparticle assemblies. © 2013 by ESG.

Toward pH-controllable bioelectrocatalysis for hydrogen peroxide based on polymer brushes

In the present work, a biosensor was built with smart material based on polymer brushes. The biosensor demonstrated a pH-sensitive on-off property, and it was further used to control or modulate the electrochemical responses of the biosensor. This property could be used to realize pH-controlled electrochemical reaction of hydrogen peroxide and HRP immobilized on polymer brushes. The composite film also showed excellent amperometric i-t response toward hydrogen peroxide in the concentration range of 0-13 μM. In future, this platform might be used for self-regulating targeted diagnostic, drug delivery and biofuel cell based on controllable bioelectrocatalysis. © 2013 Elsevier B.V.

Electrochemical studies based on local interfacial ph changes of gold nanoparticles immobilized on polystyrene brushes

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

Einfluss verschiedener nanopartikulärer Systeme auf die zelluläre Aufnahme und Zytotoxizität

Die vorliegende Dissertation untersucht Nanopartikel und Nanokapseln aus verschiedenen Materialien mit verschiedenen Modifikationen für einen zielgerichteten Medikamententransport (Drug Targeting). Obwohl bisher zahlreiche Nanopartikel und -kapseln synthetisiert wurden, besteht nach wie vor hinsichtlich der zellulären Verträglichkeit, Biokompatibilität und Aufnahme kein allumfassendes Verständnis. Mit Hilfe der in dieser Arbeit vorgestellten Untersuchungen und Ergebnissen soll ein Beitrag zur Schließung dieser Lücke geleistet werden.rnIm Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde der Einfluss der Herstellungsmaterialien PS, PLLA, PMMA, Biomakromoleküle (BSA, DNA), ggf. stabilisiert durch HPMA-LMA-Copolymere und neu-synthetisierte Surfmere, der Formmodifikationen Streckung und Kristallisierung, der Oberflächenmodifikationen mittels verschiedener Tenside und PEG auf die zelluläre Aufnahme und Verträglichkeit hin untersucht.rnZusammenfassend lässt sich die Aussage treffen, dass zahlreiche Materialien zur Herstellung von Trägersystemen geeignet sind und sich als biokompatibel und nicht-zytotoxisch erwiesen haben, sich jedoch stark hinsichtlich der Aufnahmeeffizienz in verschiedene Zelllinien unterscheiden. rnIm ersten Abschnitt (Kapitel 5.1) wurden in der ersten und zweiten Untersuchung auf allgemeine Parameter, die die Aufnahme von Nanopartikeln beeinflussen, eingegangen. Hier wurde der Einfluss des Alters von PLLA-Partikeln auf die zelluläre Aufnahme und Toxizität untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass mit zunehmender Materialalterung die zelluläre Aufnahme abnimmt. Eine Zytotoxizität konnte nicht gezeigt werden.rnWeiterhin wurde der Einfluss des FCS-Gehalts des Zell-Mediums auf die zelluläre Aufnahme von PMMA-Partikeln untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass mit einer steigenden FCS-Konzentration eine Abnahme der zellulären Aufnahme von PMMA-Partikeln einhergeht. Die höchste zelluläre Aufnahme konnte bei einem FCS-Gehalt des Zellmediums von 0,05% verzeichnet werden. rnIm zweiten Abschnitt (Kapitel 5.2) wurde die Stabilisierung von Nanopartikeln mittels neusynthetisierter Tenside und deren Einfluss auf die Zelle-Nanopartikel-Interaktionen untersucht. Dazu wurde zum einen die Oberflächenfunktionalisierung von Nanopartikeln mit Hilfe neu-synthetisierter „Surfmere“ und deren Einfluss auf die zelluläre Aufnahme und Toxizität untersucht. Die hergestellten Surfmere bewirken gleichzeitig eine Stabilisierung und Funktionalisierung der Nanopartikeloberfläche mit Phosphonatgruppen. Hier wurden kovalente „Surfmer“ stabilisierte Nanopartikel mit Tensid- (SDP) stabilisierten Nanopartikeln verglichen. Zudem wurden dialysierte Nanopartikel mit nicht-dialysierten verglichen. Bezüglich der zellulären Aufnahme konnte für die mittels Dialyse gereinigten Nanopartikel eine gute Aufnahme ohne Unterschiede zwischen den kovalent und nicht-kovalent Phosphonat-funktionalisierten Partikeln beobachtet werden. Die ungereinigten, SDP-stabilisierte, nicht-kovalent gebundene Nanopartikel zeigten hingegen eine bis zu 30% stärkere Aufnahme in die HeLa-Zellen und hMSCs.rnWeiterhin der Einsatz von mit HPMA-LMA-Copolymeren stabilisierte Polystyrol- und PLLA-Partikel, die den Einsatz von Tensiden während des Miniemulsionsprozesses überflüssig machen, untersucht. Auch hier konnte keine Zytotoxizität nachgewiesen werden. Die Aufnahme in HeLa-Zellen scheint mehr von der Größe der Nanopartikel als vom verwendeten Material und in hMSCs mehr von den Oberflächeneigenschaften der Nanopartikel abzuhängen.rnIm dritten Abschnitt (Kapitel 5.3) wird auf die Möglichkeit der Formmodifikation von Polystyrol-Partikeln und deren Einfluss auf die Nanopartikel-Zelle-Interaktionen eingegangen. Es geht dabei um die Aufnahme und Zytotoxizität von verstreckten (elongierten) Polystyrol-Partikeln im Vergleich zu sphärischen Nanopartikeln, sowie die Aufnahme und Zytotoxizität von kristallinen Polystyrol-Partikeln in verschiedene Zelllinien. Bei den verstreckten Partikeln nimmt die Aufnahme-Effizienz in HeLa-Zellen und hMSCs mit zunehmender Verstreckung ab. Eine Zytotoxizität konnte für keinen der erwähnten Nanopartikel nachgewiesen werden. Bei den Polystyrol-Partikeln unterschiedlicher Taktizität zeigen die kristallierten Polystyrol-Partikel eine geringfügig besser Aufnahme-Rate als die nicht-kristallierten Polystyrol-Partikel. Dabei zeigen die nach dem Herstellungsprozess mittels der Lösemittelverdampfungstechnik der wässrigen Phase entnommenen Partikel eine bessere Aufnahme als die nach der Verdampfung des Chloroforms verfügbaren Partikel. Insgesamt konnte jedoch für alle Polystyrol-Partikel trotz der unterschiedlichen Taktizitäten nach der Aufnahme in HeLa-Zellen und hMSCs mittels Durchflusszytometrie hohe Fluoreszenz-Intensitäten verzeichnet werden. Setzt man hohe Fluoreszenz-Intensitäten bei in Zellen aufgenommenen Partikeln mit guten Aufnahmeraten gleich, sind die hier dargestellten Aufnahmeraten als sehr gut zu bezeichnen. rnAuf Nanosysteme mit einer reduzierten zellulären Aufnahme wird im letzten Abschnitt (Kapitel 5.4) eingegangen. Dabei wird zum einen die unterschiedliche Oberflächenmodifikation von Polystyrol-Partikeln mit dem Co-Monomer PEG-MA und den Tensiden SDS und Lutensol AT50 untersucht. Von PEG-MA wurden zudem verschiedene Molekulargewichte (Mn=300 g•mol-1 und Mn=2080 g•mol-1) und verschiedene Konzentrationen (1,5%, 5%, 10%) eingesetzt. Ein Teil der Partikel wurde mit SDS und der andere Teil mit Lutensol AT50 hergestellt. In einem weiteren Schritt wurde das jeweilig gegenteilige Tensid (statt SDS Lutensol AT50 und umgekehrt) eingesetzt, um zu überprüfen, ob sich der zuvor beobachtete Effekt umkehren lässt. Anschließend wurde ein erst mit SDS stabilisierter Nanopartikel (BR01) mit verschiedenen Lutensol AT50-Anteilen (5%, 10%, 25%, 50%, 100%) redispergiert. Die effizienteste Aufnahme zeigte der unmodifizierte, mit SDS stabilisierte Nanopartikel BR01, die niedrigste der ebenfalls unmodifizierte, mit Lutensol AT50 stabilisierte Nanopartikel BR02. Eine steigende Konzentration des PEG-MA Mn=300 g•mol-1 hemmt die Aufnahme von mit SDS stabilisierten Partikeln konstant. Für PEG-MA Mn=2080 g•mol-1 konnte hingegen kein Einfluss nachgewiesen werden. Für die mit Lutensol AT50 stabilisierten Partikel konnte kein Einfluss von PEG-MA nachgewiesen werden. Daraus resultiert, dass der Einsatz von physikalisch adsorbiertem Lutensol AT50 die zelluläre Aufnahme effektiver hemmt als der Einsatz von kovalent gebundenem PEG-MA unterschiedlicher Kettenlänge.rnDer Einsatz von mit Biomakromolekülen hergestellten Nanokapseln, die mit zwei verschiedenen Tensiden (SDS und Lutensol AT50) stabilisiert wurden, wurde im Weiteren näher untersucht. Bei den mit SDS stabilisierten Kapseln erwiesen sich die mit ssDNA hergestellten Kapseln BN-54 und BN-55 als leicht toxisch für die HeLa-Zellen. Dagegen sind alle eingesetzten, mit Lutensol AT50 redispergierten Nanokapseln sowohl für HeLa-Zellen als auch für hMSCs zytotoxisch. Hier ist die toxische Wirkung auf das nicht-ionische Tensid Lutensol AT50 zurückzuführen. Eine zelluläre Aufnahme konnte für keine mit Biomakromolekülen hergestellten Nanokapsel nachgewiesen werden.rnDen Abschluss der Untersuchungen bildet die vergleichende Analyse der in dieser Arbeit mit dem Fluoreszenzfarbstoff PMI versehenen Partikeln hinsichtlich deren Aufnahme in HeLa-Zellen und hMSCs und deren zytotoxische Auswirkungen. In der vergleichenden Analyse werden die zuvor vorgestellten Ergebnisse für PMI-Partikeln nochmal im Kontext betrachtet. Dabei erwies sich sowohl für die HeLa-Zellen als auch für die hMSCs, dass die meisten Partikel eine geringe bis keine zelluläre Aufnahme zeigen. Eine gute Aufnahme konnte nur für wenige Nanopartikel (vor allem für die kristallinen Nanopartikel) verzeichnet werden. Eine Korrelation zwischen der Aufnahmeeffizienz und der Zytotoxizität konnte nicht nachgewiesen werden. rn

THERMORESPONSIVE PROPERTIES OF GOLD HYBRID NANOPARTICLES OF POLY(DI(ETHYLENE GLYCOL) METHYL ETHER METHACRYLATE) (PDEGMA) AND ITS BLOCK COPOLYMERS WITH DIFFERENT ANCHORING REGIMES

Thermo-responsive materials have been of interest for many years, and have been studied mostly as thermally stimulated drug delivery vehicles. Recently acrylate and methacrylates with pendant ethylene glycol methyl ethers been studied as thermo responsive materials. This work explores thermo response properties of hybrid nanoparticles of one of these methacrylates (DEGMA) and a block copolymer with one of the acrylates (OEGA), with gold nanoparticle cores of different sizes. We were interested in the effects of gold core size, number and type of end groups that anchored the chains to the gold cores, and location of bonding sites on the thermo-response of the polymer. To control the number and location of anchoring groups we using a type of controlled radical polymerization called Reversible Addition Fragmentation Transfer (RAFT) Polymerization. Smaller gold cores did not show the thermo responsive behavior of the polymer but the gold cores did seem to self-assemble. Polymer anchored to larger gold cores did show thermo responsivity. The anchoring end group did not alter the thermoresponsivity but thiol-modified polymers stabilized gold cores less well than chains anchored by dithioester groups, allowing gold cores to grow larger. Use of multiple bonding groups stabilized the gold core. Using block copolymers we tested the effects of number of thiol groups and the distance between them. We observed that the use of multiple anchoring groups on the block copolymer with a sufficiently large gold core did not prevent thermo responsive behavior of the polymer to be detected which allows a new type of thermo-responsive hybrid nanoparticle to be used and studied for new applications.

Almacenamiento de energía térmica por calor latente en los edificios: bases para la optimización de aplicaciones pasivas, opacas y traslúcidas

La principal motivación para la elección del tema de la tesis es nuestra realidad energética y ambiental. Y más específicamente, la necesidad urgente de dar una respuesta a esta realidad desde el sector de la edificación. Por lo que, el trabajo parte de la búsqueda de soluciones pasivas que ayuden a la reducción del consumo energético y de las emisiones de C02 de los edificios, tanto nuevos como existentes. El objeto de estudio son aplicaciones innovadoras, basadas en el uso de materiales reactivos, con un efecto térmico de memoria bidireccional. La energía es un elemento imprescindible para el desarrollo. Sin embargo, el modelo energético predominante, basado principalmente en la utilización de combustibles de origen fósil, es uno de los importantes responsables del deterioro ambiental que sufre el planeta. Además, sus reservas son limitadas y están concentradas en unas pocas regiones del mundo, lo que genera problemas de dependencia, competitividad y de seguridad de suministro. Dado el gran potencial de ahorro energético del sector de la edificación, la Unión Europea en sus directivas enfatiza la necesidad de mejorar la eficiencia energética de los edificios. Añadiendo, además, la obligatoriedad de desarrollar edificios “energía casi nula”, cuyo prerrequisito es tener un muy alto rendimiento energético. En España, los edificios son responsables del 31% del consumo de energía primaria. La mayor parte de este consumo se relaciona a la utilización de sistemas activos de acondicionamiento. Una medida efectiva para reducir la demanda es mejorar la envolvente. Sin embargo, hay que buscar estrategias adicionales para aumentar aún más la eficiencia de los edificios nuevos y existentes. Para los climas de España, el uso de la inercia térmica ha probado ser una estrategia válida. Sin embargo, su funcionamiento está vinculado al peso y al volumen de los materiales utilizados. Esto limita sus posibilidades en la rehabilitación energética y en los nuevos edificios basados en la construcción ligera. Una alternativa es el uso de aplicaciones de almacenamiento térmico por calor latente, utilizando materiales de cambio de fase (PCM). Los PCM son sustancias con un muy alto calor de fusión, capaces de almacenar una gran cantidad de energía térmica sin requerir aumentos significativos de peso o volumen. Estas características los hacen idóneos para reducir el consumo relacionado con el acondicionamiento térmico, en edificios nuevos y existentes. En la parte preliminar de la investigación, se encontró que para lograr un aprovechamiento óptimo de las aplicaciones con PCM es necesario tener un conocimiento profundo de su funcionamiento y de las variables del sistema. De ahí que el objetivo principal de la presente tesis sea: establecer las bases para la optimizatión integral de las aplicaciones con almacenamiento de energía térmica por calor latente, identificando y validando sus variables más relevantes. La investigación consta de tres partes. La primera, documental, sistematizando y jerarquizando la información científica publicada; la segunda, numérica, basada en un análisis paramétrico de una aplicación con PCM, utilizando simulaciones térmicas; y la tercera, experimental, monitorizando el funcionamiento térmico y energético de diferentes aplicaciones con PCM en módulos a escala real. Los resultados brindan un más profundo entendimiento del funcionamiento de las aplicaciones evaluadas. Han permitido identificar sus variables relevantes, cuantificar su influencia, y determinar condiciones óptimas para su utilización así como situaciones en las que sería muy difícil justificar su uso. En el proceso, se realizó la caracterización térmica y energética de aplicaciones con PCM, tanto opacas como traslúcidas. Además, se ha encontrado que las aplicaciones con PCM son capaces de aumentar la eficiencia energética inclusive en recintos con diseños optimizados, demostrando ser una de las estrategias adecuadas para lograr el muy alto desempeño energético requerido en los edificios energía nula. ABSTRACT The main motivation for choosing the theme of the thesis is our energy and environmental reality. And more specifically, the urgent need to respond to this reality from the building sector. This is why, the work start with the search of passive solutions that help reduce energy consumption and C02 emissions of buildings, in both new and existing ones. The object of study is innovative applications based on the use of responsive materials, with bidirectional thermal memory. Energy is an essential element for development. However, the predominant energy model, based primarily on the use of fossil fuels, is one of the major responsible for the environmental deterioration of the planet, the cause of most of the CO2 emissions. Furthermore, reserves of fossil fuels are limited and are concentrated in a few regions of the world, which creates issues related to dependency, competitiveness, and security of supply. Given the large potential for energy savings in the building sector, the European Union in its directives emphasizes the need to improve energy efficiency in buildings. Also, adding the obligation to develop "nearly zero energy" buildings, whose first prerequisite is to achieve a very high energy efficiency. In Spain, buildings are responsible for 31% of primary energy consumption and most of this consumption is related to the used of HVAC systems. One of the most effective measures to reduce demand is to improve the envelope. However, it is necessary to look for additional strategies to further increase the efficiency of new and existing buildings. For the predominant climates in Spain, use of the thermal inertia may be a valid strategy. Nevertheless, its operation is linked to weight and volume of the materials used. This limits their possibilities in the existing buildings energy retrofitting and in the new buildings based on lightweight construction. An alternative is the use of latent heat thermal energy storage applications (LHTES), using phase change materials (PCM). PCM are substances with a high heat of fusion, capable of storing a large amount of thermal energy without requiring significant increases in weight or volume. These features make them ideal for reducing energy consumption associated with thermal conditioning in both new and existing buildings. In the preliminary part of the investigation, it was found that to get optimum utilization of the PCM applications is needed to have a deep understanding of its operation and, in particular, how the system variables affect its performance. Hence, the main objective of this thesis is: to establish the basis for the integral optimization of applications with latent heat thermal energy storage, identifying and validating the most relevant variables. The research comprises of three parts. The first, documentary, systematizing and prioritizing published scientific information. The second, numeric, based on a parametric analysis of an application PCM using thermal simulations. The third, experimental, monitoring the thermal and energy performance of different applications with PCM on real scale test cells. The results provide a complete understanding of the functioning of the evaluated LHTES application. They have allowed to identify their relevant variables, quantify their influence and determine optimum conditions for use as well as situations where it would be very difficult to justify its use. In the process, it was carried out the power and thermal characterization of various opaque and translucent PCM applications. Furthermore, it has been found that applications with PCM can increase the energy efficiency, even in buildings with optimized designs; proving to be one of the appropriate measures to achieve the high energy performance required in zero energy buildings.

Novel high water content hydrogels

Hydrogels may be described as cross-linked hydrophilic polymers that swell but do not dissolve in water. The production of high water content hydrogels was the subject of investigation. Based upon copolymer compositions that had already achieved commercial success as biomaterials, new monomers were added or substituted in and the effects observed. The addition of N-isopropyl acrylamide to an acrylamide-based composition that had previously been designed to become a contact lens, produced materials that showed smart effects in that the water content showed dependence on the temperature of the hydrating solution. Such thermo-responsive materials have potential uses in drug delivery, ultrafiltration and cell culture surfaces. Proteoglycans in nature have an important role to play in structural support where a highly hydrophilic structure maintains lubricious surfaces. Certain functional groups that impart this hydrophilicity are present in certain sulphonate monomers, Bis(3-sulphopropyl ester) itaconate, dipotassium salt (SPI), 3-Sulphopropyl ester acrylate, potassium salt (SPA) and Sodium 2-(acrylamido)-2-methyl propane sulphonate (NaAMPS). These monomers were incorporated into a HEMA-based copolymer that had been designed initially as a contact lens and the resulting effects examined. Highly hydrophilic materials resulted that showed reduced protein deposition over the neutral core material. It is postulated that a sulphonate group would have a larger number of hydration shells around it than for example methacrylic acid, leading to more dynamic exchange and so reducing the adsorption of biological solutes. A cationic monomer was added to bring back the net anionic nature of the sulphonate hydrogels and the effects studied. Ionic interactions were found to cause a reduction in the water content of the resulting materials as the mobility of the network decreased, leading to stiffer but less extensible materials. The presence of a net dominant charge, whether negative or positive, appeared to act to reduce protein deposition, but increasing equivalence in the amount of both charges served to present a more 'neutral' surface and deposition subsequently increased. The grafting of hydrophilic hydrogel layers onto silicone elastomer was attempted and the results evaluated using dynamic contact angle measurements. Following plasma oxidation to reduce the surface energy barrier to aqueous grafting chemistry, it was found that the wettability of the modified elastomers could be significantly enhanced by such treatment. The SPA-grafted material in particular hinted at an osmotic drive for rehydration that may be exploited in biomaterials.

Advanced Aerogel Composites for Oil Remediation and Recovery

Oil spills in marine environments often damage marine and coastal life if not remediated rapidly and efficiently. In spite of the strict enforcement of environmental legislations (i.e., Oil Pollution Act 1990) following the Exxon Valdez oil spill (June 1989; the second biggest oil spill in U.S. history), the Macondo well blowout disaster (April 2010) released 18 times more oil. Strikingly, the response methods used to contain and capture spilled oil after both accidents were nearly identical, note that more than two decades separate Exxon Valdez (1989) and Macondo well (2010) accidents.

The goal of this dissertation was to investigate new advanced materials (mechanically strong aerogel composite blankets-Cabot® Thermal Wrap™ (TW) and Aspen Aerogels® Spaceloft® (SL)), and their applications for oil capture and recovery to overcome the current material limitations in oil spill response methods. First, uptake of different solvents and oils were studied to answer the following question: do these blanket aerogel composites have competitive oil uptake compared to state-of-the-art oil sorbents (i.e., polyurethane foam-PUF)? In addition to their competitive mechanical strength (766, 380, 92 kPa for Spaceloft, Thermal Wrap, and PUF, respectively), our results showed that aerogel composites have three critical advantages over PUF: rapid (3-5 min.) and high (more than two times of PUF’s uptake) oil uptake, reusability (over 10 cycles), and oil recoverability (up to 60%) via mechanical extraction. Chemical-specific sorption experiments showed that the dominant uptake mechanism of aerogels is adsorption to the internal surface, with some contribution of absorption into the pore space.

Second, we investigated the potential environmental impacts (energy and chemical burdens) associated with manufacturing, use, and disposal of SL aerogel and PUF to remove the oil (i.e., 1 m3 oil) from a location (i.e., Macondo well). Different use (single and multiple use) and end of life (landfill, incinerator, and waste-to-energy) scenarios were assessed, and our results demonstrated that multiple use, and waste-to-energy choices minimize the energy and material use of SL aerogel. Nevertheless, using SL once and disposing via landfill still offers environmental and cost savings benefits relative to PUF, and so these benefits are preserved irrespective of the oil-spill-response operator choices.

To inform future aerogel manufacture, we investigated the different laboratory-scale aerogel fabrication technologies (rapid supercritical extraction (RSCE), CO2 supercritical extraction (CSCE), alcohol supercritical extraction (ASCE)). Our results from anticipatory LCA for laboratory-scaled aerogel fabrication demonstrated that RSCE method offers lower cumulative energy and ecotoxicity impacts compared to conventional aerogel fabrication methods (CSCE and ASCE).

The final objective of this study was to investigate different surface coating techniques to enhance oil recovery by modifying the existing aerogel surface chemistries to develop chemically responsive materials (switchable hydrophobicity in response to a CO2 stimulus). Our results showed that studied surface coating methods (drop casting, dip coating, and physical vapor deposition) were partially successful to modify surface with CO2 switchable chemical (tributylpentanamidine), likely because of the heterogeneous fiber structure of the aerogel blankets. A possible solution to these non-uniform coatings would be to include switchable chemical as a precursor during the gel preparation to chemically attach the switchable chemical to the pores of the aerogel.

Taken as a whole, the implications of this work are that mechanical deployment and recovery of aerogel composite blankets is a viable oil spill response strategy that can be deployed today. This will ultimately enable better oil uptake without the uptake of water, potential reuse of the collected oil, reduced material and energy burdens compared to competitive sorbents (e.g., PUF), and reduced occupational exposure to oiled sorbents. In addition, sorbent blankets and booms could be deployed in coastal and open-ocean settings, respectively, which was previously impossible.

Nanocapsules for self-healing materials

Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue Ansätze für das Konzept der kapselbasierten Selbstheilungsmaterialien untersucht. Die Verkapselung von Selbstheilungsreagenzien in funktionellen Nanokapseln wurde dabei mittels drei verschiedener Herstellungsmethoden in Miniemulsion durchgeführt. Zunächst wurde die Synthese von Kern-Schale-Partikeln mit verkapselten Monomeren für die Ringöffnungs-Metathese-Polymerisation über freie radikalische Polymerisation in Miniemulsionstropfen beschrieben. Durch orthogonale Reaktionen wurden dabei verschiedene chemische Funktionalisierungen in die Schale eingebracht. Die Rolle des Tensides, das Verhältnis von Kernmaterial zu Monomer sowie die Variation der Lösungsmittelqualität hatte dabei einen Einfluss auf die Struktur der Kolloide. Die Heilungsreagenzien blieben auch nach der Verkapselung aktiv, was durch erfolgreich durchgeführte Selbstheilungsexperimente gezeigt werden konnte. Im zweiten Abschnitt wurde die Synthese von Silica-Nanocontainern für Selbstheilungsmaterialien über Hydrolyse und Polykondensation von Alkoxysilanen an der Grenzfläche der Miniemulsionstropfen beschrieben. Dieser Ansatz ermöglichte die effiziente Verkapselung sowohl von Monomeren als auch von Lösungen der Katalysatoren für die Metathese-Polymerisation in einem Einstufenprozess. Die Größe der Kapseln, die Dicke der Schale und der Feststoffgehalt der Dispersionen konnte dabei in einem weiten Bereich variiert werden. Anhand von erfolgreich durchgeführten Selbstheilungsreaktionen, die über Thermogravimetrie und 13C-NMR-Spektroskopie verfolgt wurden, konnte gezeigt werden, dass die Selbstheilungsreagenzien nach der Verkapselung aktiv blieben. Das dritte Konzept behandelte die Herstellung von polymeren Nanokapseln mittels Emulsions-Lösungsmittelverdampfungstechnik, welche eine milde Methode zur Verkapselung darstellt. Es wurde eine allgemeine und einfache Vorgehensweise beschrieben, in der Selbstheilungsreagenzien in polymeren Nanokapseln unter Verwendung von kommerziell erhältlichen Polymeren als Schalenmaterial verkapselt wurden. Zudem wurden Copolymere aus Styrol und verschiedenen hydrophilen Monomeren über freie radikalische Polymerisation sowie über polymeranaloge Reaktionen hergestellt. Diese statistischen Copolymere waren ebenso wie Blockcopolymere zur Herstellung von wohldefinierten Kern-Schale-Nanopartikeln mittels Emulsions-Lösungsmittelverdampfungsprozess geeignet. rnrnDes Weiteren wurde ein neues Konzept für die Synthese von pH-responsiven Nanokapseln aus tensidfreien Emulsionen unter Verwendung von Copolymeren aus Styrol und Trimethylsilylmethacrylat beschrieben. Der vorgeschlagene synthetische Ansatz ermöglicht dabei die erste Synthese von Nanokapseln über den Emulsions-Lösungsmittelverdampfungsprozess in Abwesenheit eines Tensides. Eine vollständig reversible Aggregation ermöglichte eine leichte Trennung der Nanokapseln von der kontinuierlichen Phase sowie eine Erhöhung der Konzentration der Nanokapseldispersionen auf das bis zu fünffache. Darüber hinaus war es möglich, Selbstheilungsreagenzien in stabilem Zustand zu verkapseln. Abschließend wurde die elektrochemische Abscheidung von mit Monomer gefüllten Nanokapseln in eine Zinkschicht zur Anwendung im Korrosionsschutz behandelt.

Chromic materials for responsive surface-enhanced resonance Raman scattering systems: a nanometric pH sensor

The use of chromic materials for responsive surface-enhanced resonance Raman scattering (SERRS) based nanosensors is reported. The potential of nano-chromic SERRS is demonstrated with the use of the halochrome methyl yellow to fabricate an ultrasensitive pH optical sensor. Some of the challenges of the incorporation of chromic materials with metal nanostructures are addressed through the use of computational calculations and a comparison to measured SERRS and surface-enhanced Raman scattering (SERS) spectra is presented. A strong correlation between the measured SERRS and the medium's proton concentration is demonstrated for the pH range 2-6. The high sensitivity achieved by the use of resonance Raman conditions is shown through responsive SERRS measurements from only femtolitres of volume and with the concentration of the reporting molecules approaching the single molecule regime.

One-step in situ synthesis of polyamide microcapsules with inorganic payload and their transformation into responsive thermoplastic composite materials

Well-dispersed loads of finely powdered metals, metal oxides, several carbon allotropes or nanoclays are incorporated into highly porous polyamide 6 microcapsules in controllable amounts via an original one-step in situ fabrication technique. It is based on activated anionic polymerization (AAP) of ε-caprolactam in a hydrocarbon solvent performed in the presence of the respective micro- or nanosized loads. The forming microcapsules with typical diameters of 25-50 µm entrap up to 40 wt% of load. Their melt processing produces hybrid thermoplastic composites. Mechanical, electric conductivity and magnetic response measurements show that transforming of in situ loaded microcapsules into composites by melt processing (MP) is a facile and rapid method to fabricate materials with high mechanical resistance and electro-magnetic characteristics sufficient for many industrial applications. This novel concept requires low polymerization temperatures, no functionalization or compatibilization of the loads and it is easy to scale up at industrial production levels.

Optimal behavior of responsive residential demand considering hybrid phase change materials

Due to communication and technology developments, residential consumers are enabled to participate in Demand Response Programs (DRPs), control their consumption and decrease their cost by using Household Energy Management (HEM) systems. On the other hand, capability of energy storage systems to improve the energy efficiency causes that employing Phase Change Materials (PCM) as thermal storage systems to be widely addressed in the building applications. In this paper, an operational model of HEM system considering the incorporation of more than one type of PCM in plastering mortars (hybrid PCM) is proposed not only to minimize the customerâ s cost in different DRPs but also to guaranty the habitantsâ  satisfaction. Moreover, the proposed model ensures the technical and economic limits of batteries and electrical appliances. Different case studies indicate that implementation of hybrid PCM in the buildings can meaningfully affect the operational pattern of HEM systems in different DRPs. The results reveal that the customerâ s electricity cost can be reduced up to 48% by utilizing the proposed model.

Capacitive electrolyte-insulator-semiconductor structures functionalised with a polyelectrolyte/enzyme multilayer: New strategy for enhanced field-effect biosensing

A novel strategy for enhanced field-effect biosensing using capacitive electrolyte-insulator-semiconductor (EIS) structures functionalised with pH-responsive weak polyelectrolyte/enzyme or dendrimer/enzyme multilayers is presented. The feasibility of the proposed approach is exemplarily demonstrated by realising a penicillin biosensor based on a capacitive p-Si-SiO(2) EIS structure functionalised with a poly(allylamine hydrochloride) (PAH)/penicillinase and a poly(amidoamine) dendrimer/penicillinase multilayer. The developed sensors response to changes in both the local pH value near the gate surface and the charge of macromolecules induced via enzymatic reaction, resulting in a higher sensitivity. For comparison, an EIS penicillin biosensor with adsorptively immobilised penicillinase has been also studied. The highest penicillin sensitivity of 100 mV/dec has been observed for the EIS sensor functionalised with the PAH/penicillinase multilayer. The lower and upper detection limit was around 20 mu M and 10 mM, respectively. In addition, an incorporation of enzymes in a multilayer prepared by layer-by-layer technique provides a larger amount of immobilised enzymes per sensor area, reduces enzyme leaching effects and thus, enhances the biosensor lifetime (the loss of penicillin sensitivity after 2 months was 10-12%). (C) 2010 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

Morphological and mechanical properties of hybrid matrices of polysiloxane-polyvinyl alcohol prepared by sol-gel technique and their potential for immobilizing enzyme

Hybrid matrices of polysiloxane-polyvinyl alcohol (POS-PVA) were prepared by sol-gel technique using different concentrations of the organic component (polyvinyl alcohol, PVA) in the synthesis medium. The goal was to prepare carriers for immobilizing enzyme by taking into consideration properties as hardness, mean pore diameter, specific surface area and pore size distribution. The matrices were activated with sodium metaperiodate to render functional groups for binding the lipase from Candida rugosa, used here as a study model. Results showed that low proportion of PVA gave POS-PVA with low surface area and pore volume, although with higher hardness. The chemical activation decreased the pore volume and increased the pore size with a decrease on the surface area of about 60-75%. The matrices for enzyme immobilization were chosen considering the best combination of high surface area and hardness. Thus, the POS-PVA prepared with 5.56 x 10(-5) M of PVA with a surface area of 123 m(2)/g and hardness of 71 HV (50 gf 30 s) was shown to be suitable to immobilize the lipase, with an immobilization yield of about 40%. (c) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.