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.

Synthese von grenzflächenaktiven Monomeren zur Herstellung von funktionalen Metall-Chalkogenid,Polymer-Hybridnanopartikeln

In dieser Arbeit wurde gezeigt, wie oberflächenfunktionalisierte Polystyrolnanopartikel zur Herstellung von Metallchalkogenid/Polymer-Hybridnanopartikeln eingesetzt werden können. Dazu wurden zunächst phosphonsäure- und phosphorsäurefunktionalisierte Surfmere synthetisiert, die anschließend bei der Miniemulsionspolymerisation von Styrol verwendet wurden. Die Surfmere dienten dabei zugleich zur Stabilisierung und als Comonomer. Die oberflächenfunktionalisierten Polystyrolnanopartikel wurden anschließend als Trägerpartikel für die Kristallisation von Metalloxiden eingesetzt. Dabei wurden Metalloxid/Polymer-Hybridnanopartikel mit einer „himbeerartigen“ Morphologie erhalten. Um die vielseitige Modifizierbarkeit der phosphonat- und phosphat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel zu demonstrieren, wurden Cer-, Eisen- sowie Zinkoxid auf der Partikeloberfläche kristallisiert. Dazu wurden sowohl wässrige als auch alkoholische Metalloxid-Präkursorlösungen eingesetzt. Die synthetisierten Metall¬oxid/Polymer-Hybridpartikel wurden detailliert mit REM, TEM und PXRD analysiert. Die Untersuchung des Kristallisationsmechanismus hatte erwiesen, dass die komplexierten Metallkationen auf der Partikeloberfläche als Nukleationszentren wirkten und die Zutropfrate des Fällungsreagenz entscheidend für die Oberflächenkristallisation ist. Durch Mischungsexperimente von Metalloxidnanopartikeln und den oberflächen¬funktionalisierten Polymerpartikeln konnte die Hybridpartikelbildung über Hetero¬koagulation ausgeschlossen werden. Außerdem wurde festgestellt, dass die Polarität der funktionellen Gruppe über die Stärke der Komplexierung der Metalloxid-Präkursor bestimmt. Darüber hinaus wurde ein Modell zur Erklärung der kolloidalen Stabilisierung der Metalloxid/Polymer-Hybridsysteme aufgestellt und ein Zusammenhang zwischen dem gemessenen Zeta-Potential und der Oberflächenbedeckung der Polymerpartikel durch Metalloxid gefunden. Mit der Methode der Oberflächenkristallisation konnten frühe Stadien der Nukleation auf der Partikeloberfläche fixiert werden. Weiterhin wurden die individuellen physikalisch-chemischen Eigenschaften der hergestellten Metall¬oxid/Polymer-Hybridnano¬partikel untersucht. Dabei zeigten die CeO2/Polymer-Hybridpartikel eine hohe katalytische Aktivität bezüglich der photokatalytischen Oxidation von Rhodamin B, die als Modellreaktion durchgeführt wurde. Des Weiteren wurde die Magnetisierung der Magnetit/Polymer-Hybridpartikel gemessen. Die Fe3O4-Hybrid¬partikelsysteme wiesen eine vergleichbare Sättigungsmagnetisierung auf. Die Zinkoxid/Polymer-Hybridsysteme zeigten eine starke Lumineszenz im sichtbaren Bereich bei Anregung mit UV-Licht. Die Metalloxid/Polymer-Hybridpartikel, die mit den phosphonat- oder phosphatfunktion¬alisierten Polystyrolpartikeln hergestellt wurden, zeigten keine signifikanten Unterschiede in ihren physikochemischen Eigenschaften. Im Allgemeinen lässt sich schlussfolgern, dass sowohl Phosphonat- als auch Phosphatgruppen gleichermaßen für die Oberflächenkristallisation von Metalloxiden geeignet sind. Die Zink¬oxid/Polymer-Hybridsysteme stellen eine Ausnahme dar. Die Verwendung der phosphonat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel führte zur Entstehung einer Zinkhydroxidphase, die neben der Zinkoxidphase gebildet wurde. Aufgrund dessen zeigten die ZnO/RPO3H2-Hybridpartikel eine geringere Lumineszenz im sichtbaren Bereich als die ZnO/RPO4H2-Hybridsysteme.rnDie Erkenntnisse, die bei der Oberflächenkristallisation von Metalloxiden gewonnen wurden, konnten erfolgreich auf Cadmiumsulfid übertragen werden. Dabei konnte Cadmiumsulfid auf der Oberfläche von phosphonatfunktionalisierten Polystyrolpartikeln kristallisiert werden. Mit Hilfe des RPO3H2-Surfmers konnten phosphonatfunktion¬alisierte Polystyrolpartikel mit superparamagnetischem Kern synthetisiert werden, die zur Herstellung von multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikeln mit Magnetitkern verwendet wurden. Die Kristallphase und die Oberflächenbedeckung der multi¬funktionalen Hybridsysteme wurden mit den CdS/Polymer-Hybridsystemen ohne magnetischen Kern verglichen. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass in beiden Fällen Cadmiumsulfid in der Greenockit-Modifikation gebildet wurde. Die multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikel mit superparamagnetischem Kern konnten sowohl mit einem optischen als auch einem magnetischen Stimulus angeregt werden.rnrn

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.

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.

Collection of data on particulate and dissolved soil phosphorus in the Jena Experiment (Main Experiment, time series since 2002)

This data set contains two time series of measurements of dissolved phosphorus (organic, inorganic and total with a biweekly resolution) and dissolved inorganic phosphorus with a seasonal resolution. In addition, data on phosphorus from soil samples measured in 2007 and fractionated by different acid-extrations (Hedley fractions) are provided. All data measured at the main experiment plots of a large grassland biodiversity experiment (the Jena Experiment; see further details below). In the main experiment, 82 grassland plots of 20 x 20 m were established from a pool of 60 species belonging to four functional groups (grasses, legumes, tall and small herbs). In May 2002, varying numbers of plant species from this species pool were sown into the plots to create a gradient of plant species richness (1, 2, 4, 8, 16 and 60 species) and functional richness (1, 2, 3, 4 functional groups). Plots were maintained by bi-annual weeding and mowing. 1. Dissolved phosphorus in soil solution: Suction plates installed on the field site in 10, 20, 30 and 60 cm depth were used to sample soil pore water. Cumulatively extracted soil solution was collected every two weeks from October 2002 to May 2006. The biweekly samples from 2002, 2003 and 2004 were analyzed for dissolved organic phosphorus (DOP), dissolved inorganic phosphorus (PO4P) and dissolved total phosphorus (TDP) by Continuous Flow Analyzer (CFA SAN ++, SKALAR [Breda, The Netherlands]). 2. Seasonal values of dissolved inorganic phosphorus in soil solution were calculated as volume-weighted mean values of the biweekly measurements (spring = March to May, summer = June to August, fall = September to November, winter = December to February). 3. Phosphorus fractions in soil: Five independent soil samples per plot were taken in a depth of 0-15 cm using a soil corer with an inner diameter of 1 cm. The five samples per plot were combined to one composite sample per plot. A four-step sequential P fractionation (Hedley fractions) was applied and concentrations of P fractions in soil were measured photometrically (molybdenum blue-reactive P) with a Continuous Flow Analyzer (Bran&Luebbe, Germany).

Seawater carbonate chemistry, growth rate and processes during experiments with Coccolithus pelagicus and Calcidiscus leptoporus, 2006

Uptake of half of the fossil fuel CO2 into the ocean causes gradual seawater acidification. This has been shown to slow down calcification of major calcifying groups, such as corals, foraminifera, and coccolithophores. Here we show that two of the most productive marine calcifying species, the coccolithophores Coccolithus pelagicus and Calcidiscus leptoporus, do not follow the CO2-related calcification response previously found. In batch culture experiments, particulate inorganic carbon (PIC) of C. leptoporus changes with increasing CO2 concentration in a nonlinear relationship. A PIC optimum curve is obtained, with a maximum value at present-day surface ocean pCO2 levels (?360 ppm CO2). With particulate organic carbon (POC) remaining constant over the range of CO2 concentrations, the PIC/POC ratio also shows an optimum curve. In the C. pelagicus cultures, neither PIC nor POC changes significantly over the CO2 range tested, yielding a stable PIC/POC ratio. Since growth rate in both species did not change with pCO2, POC and PIC production show the same pattern as POC and PIC. The two investigated species respond differently to changes in the seawater carbonate chemistry, highlighting the need to consider species-specific effects when evaluating whole ecosystem responses. Changes of calcification rate (PIC production) were highly correlated to changes in coccolith morphology. Since our experimental results suggest altered coccolith morphology (at least in the case of C. leptoporus) in the geological past, coccoliths originating from sedimentary records of periods with different CO2 levels were analyzed. Analysis of sediment samples was performed on six cores obtained from locations well above the lysocline and covering a range of latitudes throughout the Atlantic Ocean. Scanning electron micrograph analysis of coccolith morphologies did not reveal any evidence for significant numbers of incomplete or malformed coccoliths of C. pelagicus and C. leptoporus in last glacial maximum and Holocene sediments. The discrepancy between experimental and geological results might be explained by adaptation to changing carbonate chemistry.

Seawater carbonate chemistry and processes during experiments with Emiliania huxleyi (PML B93/11A)

The formation of calcareous skeletons by marine planktonic organisms and their subsequent sinking to depth generates a continuous rain of calcium carbonate to the deep ocean and underlying sediments. This is important in regulating marine carbon cycling and ocean-atmosphere CO2 exchange. The present rise in atmospheric CO2 levels causes significant changes in surface ocean pH and carbonate chemistry. Such changes have been shown to slow down calcification in corals and coralline macroalgae, but the majority of marine calcification occurs in planktonic organisms. Here we report reduced calcite production at increased CO2 concentrations in monospecific cultures of two dominant marine calcifying phytoplankton species, the coccolithophorids Emiliania huxleyi and Gephyrocapsa oceanica . This was accompanied by an increased proportion of malformed coccoliths and incomplete coccospheres. Diminished calcification led to a reduction in the ratio of calcite precipitation to organic matter production. Similar results were obtained in incubations of natural plankton assemblages from the north Pacific ocean when exposed to experimentally elevated CO2 levels. We suggest that the progressive increase in atmospheric CO2 concentrations may therefore slow down the production of calcium carbonate in the surface ocean. As the process of calcification releases CO2 to the atmosphere, the response observed here could potentially act as a negative feedback on atmospheric CO2 levels.