Surfactant-assisted intercalation of high molecular weight poly(ethylene oxide) into vanadyl phosphate di-hydrate

A high molecular weight poly(ethylene oxide)/layered vanadyl phosphate di-hydrate intercalation compound was synthesized via the surfactant-assisted approach. Results confirmed that surfactant molecules were replaced with the polymer, while the lamellar structure of the matrix was retained, and that the material presents high specific surface area. In addition, intercalation produced a more thermally stable polymer as evidenced by thermal analysis. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Hybrid Materials Based on Smectite Clays and Nutraceutical Anthocyanins from the Acai Fruit

Hybrid materials were prepared by combining clay mineral (montmorillonite SWy-2 and saponite SapCa-1) and dyes extracted from the acai (Euterpe oleracea Mart.) fruit, which contains mainly anthocyanins from the 3-glucoside class, to increase the stability of the dye and facilitate its handling and storage. Clay minerals are common ingredients in therapeutic and pharmaceutical products and acai phytochemicals show disease prevention properties. The extract of the acai fruit was mixed with water suspensions of layered silicates in different proportions. The dyeclay hybrids presented incorporated organic material in amounts up to 24 wt.-%. X ray diffractometry and vibrational (FTIR and Raman) and electronic spectroscopic data showed that flavylium cations were successfully intercalated between the inorganic layers. Mass-coupled thermogravimetric analysis (TGA-MS) data showed a significant gain in the thermostability of the organic species in relation to anthocyanins in the extract. MS curves related to CO2 release (m/z = 44) are ascendant above 200 degrees C when the dye cations are confined to the inorganic structure. The radical scavenging activity of the hybrid materials was monitored by electron paramagnetic resonance (EPR) toward the stable radical DPPH (1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl) and compared to the activity of the acai extract. In addition to the fact that interaction with clay minerals improves the stability of the acai dyes against heat, their properties as radical scavengers are preserved after intercalation. The improvement in the properties of the nutraceutical species by intercalation by using biocompatible inorganic structures can be valuable for human therapy.

Effect of the vanadium(V) concentration on the spectroscopic properties of nanosized europium-doped yttrium phosphates

Nanosized rare earth phosphovanadate phosphors (Y(P,V)O-4:Eu3+) have been prepared by applying the organic-inorganic polymeric precursors methodology. Luminescent powders with tetragonal structure and different vanadate concentrations (0%, 1%, 5%, 10%, 20%, 50%, and 100%, with regard to the phosphate content) were then obtained for evaluation of their structural and spectroscopic properties. The solids were characterized by scanning electron microscopy, X-ray diffractometry, vibrational spectroscopy (Raman and infrared), and electronic spectroscopy (emission, excitation, luminescence lifetimes, chromaticity, quantum efficiencies, and Judd-Ofelt intensity parameters). The solids exhibited very intense D-5(0) -> F-7(J) Eu3+ transitions, and it was possible to control the luminescent characteristics, such as excitation maximum, lifetime and emission colour, through the vanadium(V) concentration. The observed luminescent properties correlated to the characteristics of the chemical environments around the Eu3+ ions with respect to the composition of the phosphovanadates. The Eu3+ luminescence spectroscopy results indicated that the presence of larger vanadium(V) amounts in the phosphate host lattice led to more covalent and polarizable chemical environments. So, besides allowing for control of the luminescent properties of the solids, the variation in the vanadate concentration in the obtained YPO4:Eu3+ phosphors enabled the establishment of a strict correlation between the observable spectroscopic features and the chemical characteristics of the powders.

Preparação e caracterização de materiais híbridos celulose/NbOPO4.nH2O a partir de celulose branqueada de bagaço de cana-de-açúcar

Este trabalho descreve a preparação e caracterização do híbrido celulose/fosfato de nióbio hidratado (Cel/NbOPO4.nH2O) utilizando como material de partida a celulose branqueada de bagaço de cana-de-açúcar e o nióbio metálico. O híbrido foi preparado por dois métodos: denominados métodos I e II. O método I consistiu na dissolução do nióbio metálico em solução de ácido fluorídrico/nítrico (100:10), com tempo de contato de 16 horas entre a celulose branqueada do bagaço de cana-de-açúcar e a solução ácida. Adicionou-se a essa solução ácido fosfórico para precipitação do material. O método II foi semelhante, com proporções diferentes da solução ácida fluorídrico/nítrico (160/100), sem tempo de contato da celulose com a solução ácida. Os métodos I e II utilizaram as seguintes proporções de cel/ Nb2O5.nH2O: (10:10);(10:6) e (10:2). Os materiais preparados pelos métodos I e II foram caracterizados por difração de raios X (DRX), termogravimetria (TG/DTG) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Observou-se aumento do índice do grau de cristalinidade e mudanças na morfologia dos materiais preparados.

Characterization and modeling of the barrier properties in nanostructured systems

The object of the present study is the process of gas transport in nano-sized materials, i.e. systems having structural elements of the order of nanometers. The aim of this work is to advance the understanding of the gas transport mechanism in such materials, for which traditional models are not often suitable, by providing a correct interpretation of the relationship between diffusive phenomena and structural features. This result would allow the development new materials with permeation properties tailored on the specific application, especially in packaging systems. The methods used to achieve this goal were a detailed experimental characterization and different simulation methods. The experimental campaign regarded the determination of oxygen permeability and diffusivity in different sets of organic-inorganic hybrid coatings prepared via sol-gel technique. The polymeric samples coated with these hybrid layers experienced a remarkable enhancement of the barrier properties, which was explained by the strong interconnection at the nano-scale between the organic moiety and silica domains. An analogous characterization was performed on microfibrillated cellulose films, which presented remarkable barrier effect toward oxygen when it is dry, while in the presence of water the performance significantly drops. The very low value of water diffusivity at low activities is also an interesting characteristic which deals with its structural properties. Two different approaches of simulation were then considered: the diffusion of oxygen through polymer-layered silicates was modeled on a continuum scale with a CFD software, while the properties of n-alkanthiolate self assembled monolayers on gold were analyzed from a molecular point of view by means of a molecular dynamics algorithm. Modeling transport properties in layered nanocomposites, resulting from the ordered dispersion of impermeable flakes in a 2-D matrix, allowed the calculation of the enhancement of barrier effect in relation with platelets structural parameters leading to derive a new expression. On this basis, randomly distributed systems were simulated and the results were analyzed to evaluate the different contributions to the overall effect. The study of more realistic three-dimensional geometries revealed a prefect correspondence with the 2-D approximation. A completely different approach was applied to simulate the effect of temperature on the oxygen transport through self assembled monolayers; the structural information obtained from equilibrium MD simulations showed that raising the temperature, makes the monolayer less ordered and consequently less crystalline. This disorder produces a decrease in the barrier free energy and it lowers the overall resistance to oxygen diffusion, making the monolayer more permeable to small molecules.

New polymeric materials for vascular surgery

The dramatic impact that vascular diseases have on human life quality and expectancy nowadays is the reason why both medical and scientific communities put great effort in discovering new and effective ways to fight vascular pathologies. Among the many different treatments, endovascular surgery is a minimally-invasive technique that makes use of X-ray fluoroscopy to obtain real-time images of the patient during interventions. In this context radiopaque biomaterials, i.e. materials able to absorb X-ray radiation, play a fundamental role as they are employed both to enhance visibility of devices during interventions and to protect medical staff and patients from X-ray radiations. Organic-inorganic hybrids are materials that combine characteristics of organic polymers with those of inorganic metal oxides. These materials can be synthesized via the sol-gel process and can be easily applied as thin coatings on different kinds of substrates. Good radiopacity of organic-inorganic hybrids has been recently reported suggesting that these materials might find applications in medical fields where X-ray absorption and visibility is required. The present PhD thesis aimed at developing and characterizing new radiopaque organic-inorganic hybrid materials that can find application in the vascular surgery field as coatings for the improvement of medical devices traceability as well as for the production of X-ray shielding objects and garments. Novel organic-inorganic hybrids based on different polyesters (poly-lactic acid and poly-ε-caprolactone) and polycarbonate (poly-trimethylene carbonate) as the polymeric phase and on titanium oxide as the inorganic phase were synthesized. Study of the phase interactions in these materials allowed to demonstrate that Class II hybrids (where covalent bonds exists between the two phases) can be obtained starting from any kind of polyester or polycarbonate, without the need of polymer pre-functionalization, thanks to the occurrence of transesterification reactions operated by inorganic molecules on ester and carbonate moieties. Polyester based hybrids were successfully coated via dip coating on different kinds of textiles. Coated textiles showed improved radiopacity with respect to the plain fabric while remaining soft to the touch. The hybrid was able to coat single fibers of the yarn rather than coating the yarn as a whole. Openings between yarns were maintained and therefore fabric breathability was preserved. Such coatings are promising for the production of light-weight garments for X-ray protection of medical staff during interventional fluoroscopy, which will help preventing pathologies that stem from chronic X-ray exposure. A means to increase the protection capacity of hybrid-coated fabrics was also investigated and implemented in this thesis. By synthesizing the hybrid in the presence of a suspension of radiopaque tantalum nanoparticles, PDMS-titania hybrid materials with tunable radiopacity were developed and were successfully applied as coatings. A solution for enhancing medical device radiopacity was also successfully investigated. High metal radiopacity was associated with good mechanical and protective properties of organic-inorganic hybrids in the form of a double-layer coating. Tantalum was employed as the constituent of the first layer deposited on sample substrates by means of a sputtering technique. The second layer was composed of a hybrid whose constituents are well-known biocompatible organic and inorganic components, such as the two polymers PCL and PDMS, and titanium oxide, respectively. The metallic layer conferred to the substrate good X-ray visibility. A correlation between radiopacity and coating thickness derived during this study allows to tailor radiopacity simply by controlling the metal layer sputtering deposition time. The applied metal deposition technique also permits easy shaping of the radiopaque layer, allowing production of radiopaque markers for medical devices that can be unambiguously identified by surgeons during implantation and in subsequent radiological investigations. Synthesized PCL-titania and PDMS-titania hybrids strongly adhered to substrates and show good biocompatibility as highlighted by cytotoxicity tests. The PDMS-titania hybrid coating was also characterized by high flexibility that allows it to stand large substrate deformations without detaching nor cracking, thus being suitable for application on flexible medical devices.

Polymer controlled mineralization of zinc phosphate hydrates and applications in corrosion protection, catalysis and biomedicine

ZUSAMMENFASSUNG Die Tauglichkeit von Hybridmaterialien auf der Basis von Zinkphosphathydrat-Zementen zum Einsatz als korrosionshemmende anorganische Pigmente oder zur prothetischen und konservierenden Knochen- und Zahntherapie wird weltweit empirisch seit den neunziger Jahren intensiv erforscht. In der vorliegenden Arbeit wurden zuerst Referenzproben, d.h. alpha-und beta-Hopeite (Abk. a-,b-ZPT) dank eines hydrothermalen Kristallisationsverfahrens in wässerigem Milieu bei 20°C und 90°C hergestellt. Die Kristallstruktur beider Polymorphe des Zinkphosphattetrahydrats Zn3(PO4)2  4 H2O wurde komplett bestimmt. Einkristall-strukturanalyse zeigt, daß der Hauptunterschied zwischen der alpha-und beta-Form des Zinkphosphattetrahydrats in zwei verschiedenen Anordnungen der Wasserstoffbrücken liegt. Die entsprechenden drei- und zweidimensionalen Anordnungen der Wasserstoffbrücken der a-und b-ZPT induzieren jeweils unterschiedliches thermisches Verhalten beim Aufwärmen. Während die alpha-Form ihr Kristallwasser in zwei definierten Stufen verliert, erzeugt die beta-Form instabile Dehydratationsprodukt. Dieses entspricht zwei unabhängigen, aber nebeneinander ablaufenden Dehydratationsmechanismen: (i) bei niedrigen Heizraten einen zweidimensionalen Johnson-Mehl-Avrami (JMA) Mechanismus auf der (011) Ebene, der einerseits bevorzugt an Kristallkanten stattfindet und anderseits von existierenden Kristalldefekten auf Oberflächen gesteuert wird; (ii) bei hohen Heizraten einem zweidimensionalen Diffusionsmechanismus (D2), der zuerst auf der (101) Ebene und dann auf der (110) Ebene erfolgt. Durch die Betrachtung der ZPT Dehydratation als irreversibele heterogene Festkörperstufenreaktion wurde dank eines „ähnlichen Endprodukt“-Protokolls das Dehydratationsphasendiagramm aufgestellt. Es beschreibt die möglichen Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Hydratationszuständen und weist auf die Existenz eines Übergangszustandes um 170°C (d.h. Reaktion b-ZPT  a-ZPT) hin. Daneben wurde auch ein gezieltes chemisches Ätzverfahren mit verdünnten H3PO4- und NH3 Lösungen angewendet, um die ersten Stufe des Herauslösens von Zinkphosphat genau zu untersuchen. Allerdings zeigen alpha- und beta-Hopeite charakteristische hexagonale und kubische Ätzgruben, die sich unter kristallographischer Kontrolle verbreitern. Eine zuverlässige Beschreibung der Oberfächenchemie und Topologie konnte nur durch AFM und FFM Experimente erfolgen. Gleichzeitig konnte in dieser Weise die Oberflächendefektdichte und-verteilung und die Volumenauflösungsrate von a-ZPT und b-ZPT bestimmt werden. Auf einem zweiten Weg wurde eine innovative Strategie zur Herstellung von basischen Zinkphosphatpigmenten erster und zweiter Generation (d.h. NaZnPO4  1H2O und Na2ZnPO4(OH)  2H2O) mit dem Einsatz von einerseits oberflächenmodifizierten Polystyrolatices (z.B. produziert durch ein Miniemulsionspolymerisationsverfahren) und anderseits von Dendrimeren auf der Basis von Polyamidoamid (PAMAM) beschritten. Die erhaltene Zeolithstruktur (ZPO) hat in Abhängigkeit von steigendem Natrium und Wassergehalt unterschiedliche kontrollierte Morphologie: hexagonal, würfelförmig, herzförmig, sechsarmige Sterne, lanzettenförmige Dendrite, usw. Zur quantitativen Evaluierung des Polymereinbaus in der Kristallstruktur wurden carboxylierte fluoreszenzmarkierte Latices eingesetzt. Es zeigt sich, daß Polymeradditive nicht nur das Wachstum bis zu 8 µm.min-1 reduzierten. Trotzdem scheint es auch als starker Nukleationsbeschleuniger zu wirken. Dank der Koordinationschemie (d.h. Bildung eines sechszentrigen Komplexes L-COO-Zn-PO4*H2O mit Ligandenaustausch) konnten zwei einfache Mechanismen zur Wirkung von Latexpartikeln bei der ZPO Kristallisation aufgezeigt werden: (i) ein Intrakorona- und (ii) ein Extrakorona-Keimbildungsmechanismus. Weiterhin wurde die Effizienz eines Kurzzeit- und Langzeitkorrosionschutzes durch maßgeschneiderte ZPO/ZPT Pigmente und kontrollierte Freisetzung von Phosphationen in zwei Näherungen des Auslösungsgleichgewichts abgeschätzt: (i) durch eine Auswaschungs-methode (thermodynamischer Prozess) und (ii) durch eine pH-Impulsmethode (kinetischer Prozess. Besonders deutlich wird der Ausflösungs-Fällungsmechanismus (d.h. der Metamorphismus). Die wesentliche Rolle den Natriumionen bei der Korrosionshemmung wird durch ein passendes zusammensetzungsabhängiges Auflösungsmodell (ZAAM) beschrieben, das mit dem Befund des Salzsprühteste und der Feuchtigkeitskammertests konsistent ist. Schließlich zeigt diese Arbeit das herausragende Potential funktionalisierter Latices (Polymer) bei der kontrollierten Mineralisation zur Herstellung maßgeschneiderter Zinkphosphat Materialien. Solche Hybridmaterialien werden dringend in der Entwicklung umweltfreundlicher Korrosionsschutzpigmente sowie in der Dentalmedizin benötigt.

Luminophores and Carbon nanostructures: towards new functional materials

In the scenario of depleting fossil fuels, finding new energy technologies and conserving conventional energy resources have become essential to sustain modern civilization. While renewable energies are on the rise, considerable interest has been turned also to reduce energy consumption of conventional devices and appliances, which are often not yet optimized for this purpose. Modern nanotechnology provides a platform to build such devices by using nanomaterials showing exceptional physico-chemical properties. In particular, carbon materials (fullerenes, carbon nanotubes, graphene etc.), which show high thermal and electrical conductivity, aspect ratio, shear strength and chemical/mechanical resistance, are quite promising for a wide range of applications. However, the problem of solubility often hampers their handling and industrial utilization. These limitations can be mitigated by functionalizing carbon nanostructures, either covalently or non covalently, with organic or inorganic compounds. The exo- and endohedral functionalization of carbon nanotubes (CNTs) with organic/inorganic moieties to produce luminescent materials with desired properties are the main focus of this doctoral work. These hybrids have been thoroughly designed and characterized with chemical, microscopic and photophysical analyses. All the materials based on carbon nanostructures described in this thesis are innovative examples of photoactive and luminescent hybrids, and their morphological and photophysical properties help understanding the nature of interactions between the active units. This may prompt the design and fabrication of new functional materials for applications in the fields of optoelectronics and photovoltaics.

Abscheidung und Charakterisierung von Plasmapolymerschichten auf Fluorkohlenstoff- und Siloxan-Basis

In dieser Arbeit wurden Fluorkohlenstoff-basierte und siliziumorganische Plasmapolymerfilme hergestellt und hinsichtlich ihrer strukturellen und funktionalen Eigenschaften untersucht. Beide untersuchten Materialsysteme sind in der Beschichtungstechnologie von großem wissenschaftlichen und anwendungstechnischen Interesse. Die Schichtabscheidung erfolgte mittels plasmachemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) an Parallelplattenreaktoren. Bei den Untersuchungen zur Fluorkohlenstoff-Plasmapolymerisation stand die Herstellung ultra-dünner, d. h. weniger als 5 nm dicker Schichten im Vordergrund. Dies wurde durch gepulste Plasmaanregung und Verwendung eines Gasgemisches aus Trifluormethan (CHF3) und Argon realisiert. Die Bindungsstruktur der Schichten wurden in Abhängigkeit der eingespeisten Leistung, die den Fragmentationsgrad der Monomere im Plasma bestimmt, analysiert. Hierzu wurden die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS), Rasterkraftmikroskopie (AFM), Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometrie (ToF-SIMS) und Röntgenreflektometrie (XRR) eingesetzt. Es zeigte sich, dass die abgeschiedenen Schichten ein homogenes Wachstumsverhalten und keine ausgeprägten Interfacebereiche zum Substrat und zur Oberfläche hin aufweisen. Die XPS-Analysen deuten darauf hin, dass Verkettungsreaktionen von CF2-Radikalen im Plasma eine wichtige Rolle für den Schichtbildungsprozess spielen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass der gewählte Beschichtungsprozess eine gezielte Reduzierung der Benetzbarkeit verschiedener Substrate ermöglicht. Dabei genügen Schichtdicken von weniger als 3 nm zur Erreichung eines teflonartigen Oberflächencharakters mit Oberflächenenergien um 20 mN/m. Damit erschließen sich neue Applikationsmöglichkeiten ultra-dünner Fluorkohlenstoffschichten, was anhand eines Beispiels aus dem Bereich der Nanooptik demonstriert wird. Für die siliziumorganischen Schichten unter Verwendung des Monomers Hexamethyldisiloxan (HMDSO) galt es zunächst, diejenigen Prozessparameter zu identifizieren, die ihren organischen bzw. glasartigen Charakter bestimmen. Hierzu wurde der Einfluss von Leistungseintrag und Zugabe von Sauerstoff als Reaktivgas auf die Elementzusammensetzung der Schichten untersucht. Bei niedrigen Plasmaleistungen und Sauerstoffflüssen werden vor allem kohlenstoffreiche Schichten abgeschieden, was auf eine geringere Fragmentierung der Kohlenwasserstoffgruppen zurückgeführt wurde. Es zeigte sich, dass die Variation des Sauerstoffanteils im Prozessgas eine sehr genaue Steuerbarkeit der Schichteigenschaften ermöglicht. Mittels Sekundär-Neutralteilchen-Massenspektrometrie (SNMS) konnte die prozesstechnische Realisierbarkeit und analytische Quantifizierbarkeit von Wechselschichtsystemen aus polymerartigen und glasartigen Lagen demonstriert werden. Aus dem Intensitätsverhältnis von Si:H-Molekülen zu Si-Atomen im SNMS-Spektrum ließ sich der Wasserstoffgehalt bestimmen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass durch Abscheidung von HMDSO-basierten Gradientenschichten eine deutliche Reduzierung von Reibung und Verschleiß bei Elastomerbauteilen erzielt werden kann.

Conductive Polymer Composites

In recent years, nanotechnologies have led to the production of materials with new and sometimes unexpected qualities through the manipulation of nanoscale components. This research aimed primarily to the study of the correlation between hierarchical structures of hybrid organic-inorganic materials such as conductive polymer composites (CPCs). Using a bottom-up methodology, we could synthesize a wide range of inorganic nanometric materials with a high degree of homogeneity and purity, such as thiol capped metal nanoparticles, stoichiometric geomimetic chrysotile nanotubes and metal dioxide nanoparticles. It was also possible to produce inorganic systems formed from the interaction between the synthesized materials. These synthesized materials and others like multiwalled carbon nanotubes and grapheme oxide were used to produce conductive polymer composites. Electrospinning causes polymer fibers to become elongated using an electric field. This technique was used to produce fibers with a nanometric diameter of a polymer blend based on two different intrinsically conducting polymers polymers (ICPs): polyaniline (PANI) and poly(3-hexylthiophene) (P3HT). Using different materials as second phase in the initial electrospun polymer fibers caused significant changes to the material hierarchical structure, leading to the creation of CPCs with modified electrical properties. Further study of the properties of these new materials resulted in a better understanding of the electrical conductivity mechanisms in these electrospun materials.

Hyperbranched polyether polyols as building blocks for complex macromolecular architectures

The present thesis deals with the development of new branched polymer architectures containing hyperbranched polyglycerol. Materials investigated include hyperbranched oligomers, hyperbranched polyglycerols containing functional initiator-cores at the focal point, well-defined linear-hyperbranched block copolymers and also negatively charged hyperbranched polyelectrolytes.rnHyperbranched oligoglycerols (DPn = 7 and 14) have been synthesized for the first time. The materials show narrow polydispersity (Mw/Mn ca. 1.45) and a very low content in cyclic homopolymers. 13C NMR evidences the dendritic structure of the oligomers and the DB could be calculated (44% and 52%). These new oligoglycerols were compared with the industrial products obtained by polycondensation which exhibit narrow polydispersity (Mw/Mn<1.3) butrnmultimodal distribution in SEC. Detailed 13C NMR and Maldi-ToF studies reveal the presence of branched units and cyclic compounds. In comparison, the hyperbranched oligoglycerols comprise a very low proportion of cyclic homopolymer which render them very interesting materials for biomedical applications for example.rnThe site isolation of the core moiety in dendritic structure offers intriguing potential with respect to peculiar electro-optical properties. Various initiator-cores (n-alkyl amines, UVabsorbing amines and benzophenone) for the ROMBP of glycidol have been tested. The bisglycidolized amine initiator-cores show the best control over the molecular weight and the molecular weight distribution. The photochemical analyses of the naphthalene containingrnhyperbranched polyglycerols show a slight red shift, a pronounced hypochromic effect (decrease of the intensity of the band) compared with the parent model compound and the formation of a relative compact structure. The benzophenone containing polymers adopt an open structure in polar solvents. The fluorescence measurements show a clear “dendritic effect” on the fluorescence intensities and the quantum yield of the encapsulated benzophenone.rnA convenient 3-step strategy has been developed for the preparation of well-defined amphiphilic, linear-hyperbranched block copolymers via hypergrafting. The procedure represents a combination of carbanionic polymerization with the alkoxide-based, controlled ring-opening multibranching polymerization of glycidol. Materials consisting of a polystyrene linear block and a hyperbranched polyglycerol block exhibit narrow polydispersity (1.01-1.02rnfor 5.4% to 27% wt. PG and 1.74 for 52% wt. PG) with a high grafting efficiency. The strategy was also extended to materials with a linear polyisoprene block.rnDetailed investigations of the solution properties of the block copolymers with linear polystyrene blocks show that block copolymer micelles are stabilized by the highly branched block. The morphology of the aggregates is depending on the solvent: in chloroform monodisperse spherical shape aggregates and in toluene ellipsoidal aggregates are formed. On graphite these aggregates show interesting features, giving promising potential applications with respect to the presence of a very dense, functional and stable hyperbranched block.rnThe bulk morphology of the linear-hyperbranched block copolymers has been investigated. The materials with a linear polyisoprene block only behave like complex liquids due to the low Tg and the disordered nature of both components. For the materials with polystyrene, only the sample with 27% wt. hyperbranched polyglycerol forms some domains showing lamellae.rnThe preparation of hyperbranched polyelectrolytes was achieved by post-modification of the hydroxyl groups via Michael addition of acrylonitrile, followed by hydrolysis. In aqueous solution materials form large aggregates with size depending on the pH value. After deposition on mica the structures observed by AFM show the coexistence of aggregates andrnunimers. For the low molecular weight sample (PG 520 g·mol-1) extended and highly ordered terrace structures were observed. Materials were also successfully employed for the fabrication of composite organic-inorganic multilayer thin films, using electrostatic layer-bylayer self-assembly coupled with chemical vapor deposition.

Phosphonic acid-containing molecules as proton conductors and linkers for hybrid materials

In dieser Arbeit werden zwei Arten von nicht-kovalent verknüpften Netzwerkstrukturen vorgestellt, die aus phosphonsäurehaltigen Molekülen aufgebaut sind. Einerseits sollen diese phosphonsäurehaltigen Moleküle als Protonenleiter in Brennstoffzellen eingesetzt werden. Dies ist durch die Möglichkeit des kooperativen Protonentransports in wasserstoffbrückenhaltigen Netzwerken begründet. Auf der anderen Seite sollen die phosphonsäurehaltigen Moleküle unter Einsatz von Metallkationen zur Darstellung ionischer Netzwerke verwendet werden. In diesem Fall fungieren die phosphonierten Moleküle als Linker in porösen organisch-anorganischen Hybridmaterialien, die sich beispielsweise zur Gasspeicherung eignen.rnEine Brennstoffzelle stellt Energie mit hoher Effizienz und geringer Umweltbelastung bereit. Das Herzstück der Brennstoffzelle ist die Elektrolytmembran, die auch als Separator oder Protonenaustauschmembran (PEM) bezeichnet wird. Es wird davon ausgegangen, daß der Schlüssel zur Weiterentwicklung der PEM-Brennstoffzellen in der Entwicklung von Elektrolyten liegt, die ausschließlich und effizient Protonen transportieren und darüber hinaus chemisch (oxidationsbeständig) und mechanisch stabil sind. Die mechanische Stabilität betrifft insbesondere den Betrieb der Brennstoffzelle bei hohen Temperaturen und niedriger relativer Feuchtigkeit. In dieser Arbeit wird ein neuartiger Ansatz zum Erreichen eines hohen Protonentransports im Festkörper vorgestellt, der auf dem Einsatz kleiner Moleküle beruht, die durch Selbstorganisation eine kontinuierliche protonenleitende Phase erzeugen. Bis jetzt stellt Hexakis(p-phosphonatophenyl)benzol das erste Beispiel eines kristallinen Protonenleiters dar, der im festen Zustand eine hohe und konstante Leistung zeigt. Die Modifizierung von Hexakis(p-phosphonatophenyl)benzol, entweder durch Änderung von para- zu meta-Substitution oder die Einführung von Alkylketten, führt zu Verbindungen geringerer Kristallinität und niedriger Protonenleitfähigkeit.rnIm zweiten Teil der Arbeit wurde 1,3,5-Tris(p-phosphonatophenyl)benzol als Linker in der Synthese von offenen Phosphonat-Netzwerken eingesetzt. Es bilden sich aufgrund der ionischen Wechselwirkung zwischen den positiv geladenen Metallkationen und den negativ geladenen Phosphonsäuregruppen hochstabile Feststoffe. Eines der wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit besteht darin, daß 1,3,5-Tris(p-phosphonatophenyl)benzol als Linker zum Aufbau poröser Hybridmaterialien eingesetzt werden kann. Zum ersten Mal wurde ein dreifach phosphoniertes organisches Molekül zum Aufbau mikroporöser offener Phosphonat-Netzwerke verwendet. Zudem konnte gezeigt werden, daß die Porosität mit dem Wachstumsmechanismus dieser Materialien zusammenhängt. Es ist nur dann möglich ein gleichfalls mikroporöses und kristallines ionisches Netzwerk auf der Grundlage phosphonierter Moleküle zu erhalten, wenn Linker und Konnektor die gleiche Geometrie und Funktionalität besitzen.rn

Phosphonsäurehaltige polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe für Anwendungen in Brennstoffzellen

Die vorliegende Arbeit umfasst die Synthese und Charakterisierung phosphonsäurehaltiger, organischer Kristalle als ionenleitende Verbindungen in Brennstoffzellen-Anwendungen. Sie zielt dabei einerseits auf die Darstellung von protonenleitenden Polyphenylenverbindungen und deren Verwendung als Linker für den Aufbau protonenleitender Aluminium-Phosphonat-Netzwerke ab und behandelt andererseits die Einführung stark polarer Phosphonsäuregruppen in einen diskreten Nanographenkern sowie deren Einfluss auf die ionen- und elektronenleitenden Eigenschaften, um diese als gemischt-leitende Kompatibilisatoren an der isolierenden Elektrode/ Membran-Grenzfläche in einer Brennstoffzelle zu verwenden. Am Beispiel eines phosphonsäurefunktionalisierten, phenylenisch-expandierten Hexaphenylbenzols konnte ein solvothermisch stabiler Protonenleiter mit einer Selbstorganisation in kolumnare, supramolekulare Strukturen und hoher, temperaturunabhängiger Leitfähigkeit mit dominierendem Grotthuss-Anteil präsentiert werden. Durch einen Wechsel dieser 1D-radialen Phosphonsäureanordnung in der Molekülhülle hin zu 2D- und 3D-H2PO3-funktionalisierten, dendritischen Stäbchen- bzw. Kugelstrukturen konnte gezeigt werden, dass eine kolumnare Molekülanordnung jedoch kein notwendiges Kriterium für einen Grotthuss-artigen Protonentransport darstellt. Durch die mehrdimensionale Orientierung der Phosphonsäuren in der Außenhülle der Dendrimere garantieren die synthetisierten Strukturen hochaggregierte Phosphonsäurecluster, die als dichtes Säurekontinuum die eigentlichen protonenleitfähigen Kanäle darstellen und somit als entscheidendes Kriterium für das Auftreten eines Grotthuss-artigen Mechanismus definiert werden müssen. Eine signifikante Erhöhung der Leitfähigkeit konnte durch den Aufbau poröser, organisch-anorganischer Netzwerke (Al-HPB-NETs) über Komplexierung einer unterstöchiometrischen Menge an Aluminium-Kationen mit der Polyphosphonsäureverbindung Hexakis(p-phosphonatophenyl)benzol als Linkereinheit erfolgen, die anschließend mit kleinen intrinsischen Protonenleitern wie Phosphonsäure dotiert wurden. Diese dotierten Netzwerke wiesen außergewöhnliche Leitfähigkeit auf, da sie die σ-Werte des Referenzpolymers Nafion® bereits in einem Temperaturbereich oberhalb von 135°C übertrafen, aber gleichzeitig ein sehr gutes Säureretentionsverhalten von einem Gew.-% Säuredesorption über eine Immersionsdauer von 14 h gegenüber wässrigem Medium zeigten. Durch Mischen dieser Aluminiumphosphonate mit einer dotierten Polymermatrix wie PBI konnten synergistische Effekte durch zusätzliche attraktive H-Brückenbindungen zwischen molekular angebundener Phosphonsäure und mobiler H3PO4 an Hand eines signifikanten Leitfähigkeitsanstiegs für die resultierenden Membranen beobachtet werden. Die Protonenleitfähigkeit lag in diesen Materialien in dem gesamten untersuchten Temperaturbereich oberhalb von Nafion®. Durch das Einbringen der NETs in PBI konnte ebenfalls die Säureretention von PBI um etwa 9 % bei kurzen Immersionszeiten (bis 1 min) verbessert werden. Darüber hinaus wurde in der vorliegenden Arbeit die synthetische Kombination eines hydrophoben, elektronenleitenden Nanographenkerns mit einer, durch eine isolierende Peripherie getrennten, stark polaren, protonenleitenden Außenhülle realisiert. Am Beispiel von zwei phosphonsäurefunktionalisierten Triphenylenen, die sich in Länge und Planarität der gewählten Peripheriebausteine unterschieden, sollten polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe mit gemischt protonen- und elektronenleitenden Eigenschaften hergestellt werden, die über Impedanzspektroskopie und Vierpunktmessungen untersucht wurden. Da es sich bei der Anwendung solcher gemischtleitenden Verbindungen um grenz-flächenaktive Substanzen handelt, die das ohne verbesserte Anbindung bestehende Dielektrikum zwischen Elektrode und protonenleitender Membran überbrücken sollen, wurde die Untersuchung eines möglichen Elektronentransportes durch eine Molekülmonolage ebenfalls über kombinatorische STM- und STS-Technik durchgeführt.

Synthesis of PDMS-metal oxide hybrid nanocomposites using an in situ sol-gel route

Organic-inorganic hybrid nanocomposites are widely studied and applied in broad areas because of their ability to combine the flexibility, low density of the organic materials with the hardness, strength, thermal stability, good optical and electronic properties of the inorganic materials. Polydimethylsiloxane (PDMS) due to its excellent elasticity, transparency, and biocompatibility has been extensively employed as the organic host matrix for nanocomposites. For the inorganic component, titanium dioxide and barium titanate are broadly explored as they possess outstanding physical, optical and electronic properties. In our experiment, PDMS-TiO2 and PDMS-BaTiO3 hybrid nanocomposites were fabricated based on in-situ sol-gel technique. By changing the amount of metal precursors, transparent and homogeneous PDMS-TiO2 and PDMS-BaTiO3 hybrid films with various compositions were obtained. Two structural models of these two types of hybrids were stated and verified by the results of characterization. The structures of the hybrid films were examined by a conjunction of FTIR and FTRaman. The morphologies of the cross-sectional areas of the films were characterized by FESEM. An Ellipsometer and an automatic capacitance meter were utilized to evaluate the refractive index and dielectric constant of these composites respectively. A simultaneous DSC/TGA instrument was applied to measure the thermal properties. For PDMS-TiO2 hybrids, the higher the ratio of titanium precursor added, the higher the refractive index and the dielectric constant of the composites are. The highest values achieved of refractive index and dielectric constant were 1.74 and 15.5 respectively for sample PDMS-TiO2 (1-6). However, when the ratio of titanium precursor to PDMS was as high as 20 to 1, phase separation occurred as evidenced by SEM images, refractive index and dielectric constant decreased. For PDMS-BaTiO3 hybrids, with the increase of barium and titanium precursors in the system, the refractive index and dielectric constant of the composites increased. The highest value was attained in sample PDMS-BaTiO3 (1-6) with a refractive index of 1.6 and a dielectric constant of 12.2. However, phase separation appeared in SEM images for sample PDMS-BaTiO3 (1-8), the refractive index and dielectric constant reduced to lower values. Different compositions of PDMS-TiO2 and PDMS-BaTiO3 hybrid films were annealed at 60 °C and 100 °C, the influences on the refractive index, dielectric constant, and thermal properties were investigated.

Human impacts and aridity differentially alter soil N availability in drylands worldwide

Aims Climate and human impacts are changing the nitrogen (N) inputs and losses in terrestrial ecosystems. However, it is largely unknown how these two major drivers of global change will simultaneously influence the N cycle in drylands, the largest terrestrial biome on the planet. We conducted a global observational study to evaluate how aridity and human impacts, together with biotic and abiotic factors, affect key soil variables of the N cycle. Location Two hundred and twenty-four dryland sites from all continents except Antarctica widely differing in their environmental conditions and human influence. Methods Using a standardized field survey, we measured aridity, human impacts (i.e. proxies of land uses and air pollution), key biophysical variables (i.e. soil pH and texture and total plant cover) and six important variables related to N cycling in soils: total N, organic N, ammonium, nitrate, dissolved organic:inorganic N and N mineralization rates. We used structural equation modelling to assess the direct and indirect effects of aridity, human impacts and key biophysical variables on the N cycle. Results Human impacts increased the concentration of total N, while aridity reduced it. The effects of aridity and human impacts on the N cycle were spatially disconnected, which may favour scarcity of N in the most arid areas and promote its accumulation in the least arid areas. Main conclusions We found that increasing aridity and anthropogenic pressure are spatially disconnected in drylands. This implies that while places with low aridity and high human impact accumulate N, most arid sites with the lowest human impacts lose N. Our analyses also provide evidence that both increasing aridity and human impacts may enhance the relative dominance of inorganic N in dryland soils, having a negative impact on key functions and services provided by these ecosystems.