Excited-state dynamics in donor-acceptor systems for energy conversion

In dieser Arbeit werden die Dynamiken angeregter Zustände in Donor-Akzeptorsystemen für Energieumwandlungsprozesse mit ultraschneller zeitaufgelöster optischer Spektroskopie behandelt. Der Hauptteil dieser Arbeit legt den Fokus auf die Erforschung der Photophysik organischer Solarzellen, deren aktive Schichten aus diketopyrrolopyrrole (DPP) basierten Polymeren mit kleiner Bandlücke als Elektronendonatoren und Fullerenen als Elektronenakzeptoren bestehen. rnEin zweiter Teil widmet sich der Erforschung von künstlichen primären Photosynthesereaktionszentren, basierend auf Porphyrinen, Quinonen und Ferrocenen, die jeweils als Lichtsammeleinheit, Elektronenakzeptor beziehungsweise als Elektronendonatoren eingesetzt werden, um langlebige ladungsgetrennte Zustände zu erzeugen.rnrnZeitaufgelöste Photolumineszenzspektroskopie und transiente Absorptionsspektroskopie haben gezeigt, dass Singulettexzitonenlebenszeiten in den Polymeren PTDPP-TT und PFDPP-TT Polymeren kurz sind (< 20 ps) und dass in Mischungen der Polymere mit PC71BM geminale Rekombination von gebundenen Ladungstransferzuständen ein Hauptverlustkanal ist. Zudem wurde in beiden Systemen schnelle nichtgeminale Rekombination freier Ladungen zu Triplettzuständen auf dem Polymer beobachtet. Für das Donor-Akzeptor System PDPP5T:PC71BM wurde nachgewiesen, dass die Zugabe eines Lösungsmittels mit hohem Siedepunkt, und zwar ortho-Dichlorbenzol, die Morphologie der aktiven Schicht stark beeinflusst und die Solarzelleneffizienz verbessert. Der Grund hierfür ist, dass die Donator- und Akzeptormaterialien besser durchmischt sind und sich Perkolationswege zu den Elektroden ausgebildet haben, was zu einer verbesserten Ladungsträgergeneration und Extraktion führt. Schnelle Bildung des Triplettzustands wurde in beiden PDPP5T:PC71BM Systemen beobachtet, da der Triplettzustand des Polymers über Laungstransferzustände mit Triplettcharakter populiert werden kann. "Multivariate curve resolution" (MCR) Analyse hat eine starke Intensitätsabhängigkeit gezeigt, was auf nichtgeminale Ladungsträgerrekombination in den Triplettzustand hinweist.rnrnIn den künstlichen primären Photosynthesereaktionszentren hat transiente Absorptionsspektroskopie bestätigt, dass photoinduzierter Ladungstransfer in Quinon-Porphyrin (Q-P) und Porphyrin-Ferrocen (P-Fc) Diaden sowie in Quinon-Porphyrin-Ferrocen (Q-P-Fc) Triaden effizient ist. Es wurde jedoch auch gezeigt, dass in den P-Fc unf Q-P-Fc Systemen die ladungsgetrennten Zustände in den Triplettzustand der jeweiligen Porphyrine rekombinieren. Der ladungsgetrennte Zustand konnte in der Q-P Diade durch Zugabe einer Lewissäure signifikant stabilisiert werden.

Strukturbildung in Polyurethandispersionen und -filmen

Mechanische Eigenschaften nach Verfilmen sind häufig die wichtigsten Anforderungen für Polyurethandispersionen, so werden beispielsweise in den Hauptanwendungen im Beschichtungs- und Klebstoffsektor oftmals hohe Festigkeiten benötigt. Diese Anforderungen werden in der Dissertation durch eine gezielte Strukurbildung in den Polymeren adressiert. Mit einer hohen Kontrolle über den Polymeraufbau, durch die Ausbildung von kristallinen Bereichen, sowie mit phasenseparierten Morphologien werden drei Konzepte für die Modifikation der mechanischen Eigenschaften vorgestellt: Eine chemische bzw. kovalente Vernetzung wird mit funktionalisierten Polyurethanen erreicht, die physikalische Vernetzung kann reversibel die mechanische Festigkeit von Filmen erhöhen und Hybride mit kontrollierter Morphologie zeigen eine Kombination von Vorteilen ihrer Einzelbestandteile. Ferner zeichnen sich die synthetisierten Polyurethane gegenüber anderen Polymerklassen durch ihre relativ einfache Synthese und die Möglichkeit zur Herstellung multifunktionaler Materialien aus.

Computer simulation of rod-coil block copolymers and tetrapod,polymer mixtures

In this thesis I present a new coarse-grained model suitable to investigate the phase behavior of rod-coil block copolymers on mesoscopic length scales. In this model the rods are represented by hard spherocylinders, whereas the coil block consists of interconnected beads. The interactions between the constituents are based on local densities. This facilitates an efficient Monte-Carlo sampling of the phase space. I verify the applicability of the model and the simulation approach by means of several examples. I treat pure rod systems and mixtures of rod and coil polymers. Then I append coils to the rods and investigate the role of the different model parameters. Furthermore, I compare different implementations of the model. I prove the capability of the rod-coil block copolymers in our model to exhibit typical micro-phase separated configurations as well as extraordinary phases, such as the wavy lamellar state, percolating structuresrnand clusters. Additionally, I demonstrate the metastability of the observed zigzag phase in our model. A central point of this thesis is the examination of the phase behavior of the rod-coil block copolymers in dependence of different chain lengths and interaction strengths between rods and coil. The observations of these studies are summarized in a phase diagram for rod-coil block copolymers. Furthermore, I validate a stabilization of the smectic phase with increasing coil fraction.rnIn the second part of this work I present a side project in which I derive a model permitting the simulation of tetrapods with and without grafted semiconducting block copolymers. The effect of these polymers is added in an implicit manner by effective interactions between the tetrapods. While the depletion interaction is described in an approximate manner within the Asakura-Oosawa model, the free energy penalty for the brush compression is calculated within the Alexander-de Gennes model. Recent experiments with CdSe tetrapods show that grafted tetrapods are clearly much better dispersed in the polymer matrix than bare tetrapods. My simulations confirm that bare tetrapods tend to aggregate in the matrix of excess polymers, while clustering is significantly reduced after grafting polymer chains to the tetrapods. Finally, I propose a possible extension enabling the simulation of a system with fluctuating volume and demonstrate its basic functionality. This study is originated in a cooperation with an experimental group with the goal to analyze the morphology of these systems in order to find the ideal morphology for hybrid solar cells.

Die sonographische Inzidenz der ungewundenen Nabelschnur im Verlauf der Schwangerschaft

Einleitung: Pathologische Untersuchungen haben gezeigt, dass ungewundene Nabelschnüre gehäuft im Zusammenhang mit Frühaborten, beim plötzlichen intrauterinen Tod, Aneuploidien, Strukturdefekten und fetal distress vorkommen. Aus diesem Grund erscheint es wichtig, auch die Angioarchitektur der Nabelschnur im Rahmen der antenatalen Sonographie zu beurteilen. Angaben zur sonographischen Inzidenz solch ungewundener Nabelschnüre im Normalkollektiv liegen jedoch nicht vor. Material und Methode: Es wurden konsekutiv Frauen mit Einlingsschwangerschaften und normalen Feten für die Studie ausgewählt, wobei jede Schwangere nur einmal eingeschlossen wurde. Das Aufsuchen der Nabelschnurgefässe wurde durch den Einsatz der Farbdoppler-Methode erleichtert. Eine Nabelschnur wurde als ungewunden definiert, wenn die Umbilikalgefässe parallel zueinander verliefen. Die Inzidenz der ungewundenen Nabelschnur wurde im zweiwöchentlichen Intervall kalkuliert. Die statistischen Auswertung erfolgte mittels der Spearman rank correlation. Ergebnisse: Insgesamt wurden 340 Frauen mit einem mittleren Gestationsalter (range) von 17,5 (7,2–40,1) Wochen eingeschlossen. Die Gesamtinzidenz ungewundener Nabelschnüre betrug in unserem Kollektiv 13,5%. Es zeigte sich eine signifikante Korrelation zwischen dem Gestationsalter und der Inzidenz ungewundener Nabelschnüre (r = –0,65 [95% CI –0,87 bis –0,23]; p ! 0,01). Unter 8 Schwangerschaftswochen zeigten 85,7% der Fälle eine ungewundene Nabelschnur. Diese Inzidenz verringert sich drastisch mit Fortschreiten der Schwangerschaft. Nach 14 Schwangerschaftswochen wurden nur noch 9,6 8 5,8% der Nabelschnüre als ungewunden klassifiziert. Schlussfolgerung: Die Morphologie der Nabelschnur zeigt in Abhängigkeit vom Gestationsalter markante Veränderungen. Dies gilt besonders für das erste Trimenon, in welchem sich das Erscheinungsbild der Nabelschnurgefässe rasch von einem prädominant parallelen zu dem typisch gewundenen verändert. Es ist überaus interessant, dass diese Art der Reifung der Nabelschnurmorphologie gleichzeitig mit anderen wichtigen Ereignissen geschieht, wie z.B. der Formation des intervillösen Raumes und dem Erscheinen der diastolischen Doppler-Flussgeschwindigkeiten in den Umbilicalarterien.

Funktionalisierte Bauteile durch Selektives Maskensintern

Das Selektive Maskensintern ist ein neues, pulverbasiertes Additives Fertigungsverfahren. Das schichtweise aufgebrachte Kunststoffpulver wird hier flächig über einen Infrarotstrahler belichtet und aufgeschmolzen. Das Verfahren bietet ein großes Potential dreidimensionale, wärmeleitfähige Bauteile mit beliebiger Geometrie herzustellen. In diesem Beitrag wird darauf eingegangen, wie kommerziell erhältliches Polyamid 12-Pulver mit thermisch leitfähigen Füllstoffen, wie Aluminiumgrieß und Kupferkugeln, modifiziert und funktionalisierte Bauteile hergestellt werden können. Prozessrelevante Materialeigenschaften werden mittels Differential Scanning Kalorimetrie, Rotationsviskosimetrie und der Wärmeleitfähigkeit der modifizierten Pulver bestimmt. An den gefertigten Bauteilen wird die ausgebildete Morphologie, die mechanischen Eigenschaften als auch die Bauteilwärmeleitfähigkeit untersucht.

Mechano-Biologie von bovinen Bandscheiben belastet unter Kompression und Torsion

Einleitung: Bandscheiben wirken als Schockabsorbierer in der Wirbelsäule und auf diese wirken meistens komplexe Kräfte, zusammengesetzt aus Kompression, Torsion und Flexion. Die biomechanishe Umgebung einer Bandscheibe ist denn auch geprägt von komplexen Belastungen. Die Forschung über die in vitro Bandscheibenbiologie hat sich bisher um die axiale Kompression konzentriert, wobei die Bedeutung von Torsion und insbesondere dem Zusammenspiel von Kompression und Torsion (="Twisting") praktisch noch nie untersucht wurde an lebenden Organkultur-Explantaten. Wir präsentieren neue mechanobiologische Daten über die Überlebenswahrscheinlichkeit von Bandscheibenzellen kultiviert in einem neuartigen, kompakten Design eines bi-axialen Bioreaktors, um die Bedeutung von Kompression und Torsion zu verstehen. Material/Methode: Bovine Schwanzbandscheiben mit den Endplatten wurden isoliert wie bereits beschrieben [2] und mechanische Belastung wurde angewendet mit einem 2 DoF Bioreaktor für 14 Tage [3]. Die Bandscheiben wurden in verschiedene Belastungsgruppen eingeteilt: 1) Keine Belastung (NL), 2) zyklische Kompression (CC) [8h: axiale Kompression mit 0.6 ± 0.2 MPa, 0.2 Hz], 3) zyklische Torsion (CT) [8h: ± 2° torsion, 0.2 Hz, 0.2 MPa compression], 4) zyklische Kompression und Torsion (CCT) [8h: 0.6 ± 0.2 MPa, 0.2 Hz & ± 2° torsion, 0.2 Hz]. Das Bandscheibengewebe wurde mit LIVE/DEAD gefärbt und miteinem konfokalen Mikroskop visualisiert um die Überlebensrate zu bestimmen. Zell Apoptosis wurde quantifiziert mit einem Caspase 3/7 Kit normalisiert zum totalen Proteingehalt (Bradford). Relative Gen-Expression von wichtigen Genen für die Bandscheibe wurde bestimmt von anabolischen, katabolischen und inflammatorischen Genen mittels real-time RT-PCR. Die Morphologie der Bandscheibenzellen wurde mittels Histologie bestimmt. Ergebnisse: Die Resultate zeigten einen starken Abfall der Zellüberlebenswahrscheinlichkeit im Zentrum der Bandscheiben, dem Nulceus Pulposus (NP), i.e. 10%, in der Gruppe mit CCT. Hingegen die Überlebenswahrscheinlichkeit im Annulus fibrosus (AF) war stabilisiert bei über 60% im NP und im AF in allen anderen Gruppen (Fig 1). Apoptotische Aktivität war statistisch signifikant erhöht in der CC-Gruppe, aber nicht in der CCT-Gruppe, was die Vermutung nahe legt, dass der erhöhte Zellverlust im NP nicht mit Apoptose sondern mit Nekrose erklärt werden kann. Die Gen Expression der anabolischen Gene COL1, COL2 und Biglycan war signifikant erhöht im AF in der CCT Gruppe, ebenfalls waren Remodeling-Gene angeschaltet wie ADAMTS4 und MMP-13 in der CCT Gruppe (Fig. 2). Der Glykosaminoglykan (GAG) Gehalt war generell im AF erhöht in den Gruppen unter mechanischer Belastung, jedoch nicht statistisch signifikant. Schlussfolgerung: Zyklische Torsion kombiniert mit zyklischer Kompression waren in dieser Studie erfolgreich und nach unserem besten Wissen zum ersten Mal an Bandscheibenexplantaten in einer 14- tägigen Organkultur angewendet worden in einem dafür speziell konzipierten Bioreaktor. Die Resultezeigten überraschend einen negativen Effekt bei physiologischen Parametern, was die Belastung (0.6MPa ± 0.2MPa) und die Torsion (± 2°) angeht. Dieser negative Effekt des "Twistings" auf die Überlebenswahrscheinlichkeit der Zellen war jedoch nur regional im NP von Bedeutung, wohingegen im AF keine Effekte zu detektieren waren.