Self assembled monolayers for engineering of structured inorganic materials in the micrometer and submicrometer range

Deutsch:In der vorliegenden Arbeit konnten neue Methoden zur Synthese anorganischer Materialien mit neuartiger Architektur im Mikrometer und Nanometer Maßstab beschrieben werden. Die zentrale Rolle der Formgebung basiert dabei auf der templatinduzierten Abscheidung der anorganischen Materialien auf selbstorganisierten Monoschichten. Als Substrate eignen sich goldbedampfte Glasträger und Goldkolloide, die eine Mittelstellung in der Welt der Atome bzw. Moleküle und der makroskopischen Welt der ausgedehnten Festkörper einnehmen. Auf diesen Substraten lassen sich Thiole zu einer monomolekularen Schicht adsorbieren und damit die Oberflächeneigenschaften des Substrates ändern. Ein besonderer Schwerpunkt bei dieser Arbeit stellt die Synthese speziell auf die Bedürfnisse der jeweiligen Anwendung ausgerichteten Thiole dar.Im ersten Teil der Arbeit wurden goldbedampfte Glasoberflächen als Template verwendet. Die Abscheidung von Calciumcarbonat wurde in Abhängigkeit der Schichtdicke der adsorbierten Monolage untersucht. Aragonit, eine der drei Hauptphasen des Calciumcarbonat Systems, wurde auf polyaromatischen Amid - Oberflächen mit Schichtdicken von 5 - 400 nm Dicke unter milden Bedingung abgeschieden. Die einstellbaren Parameter waren dabei die Kettenlänge des Polymers, der w-Substituent, die Bindung an die Goldoberfläche über Verwendung verschiedener Aminothiole und die Kristallisationstemperatur. Die Schichtdickeneinstellung der Polymerfilme erfolgte hierbei über einen automatisierten Synthesezyklus.Titanoxid Filme konnten auf Oberflächen strukturiert werden. Dabei kam ein speziell synthetisiertes Thiol zum Einsatz, das die Funktionalität einer Styroleinheit an der Oberflächen Grenze als auch eine Möglichkeit zur späteren Entfernung von der Oberfläche in sich vereinte. Die PDMS Stempeltechnik erzeugte dabei Mikrostrukturen auf der Goldoberfläche im Bereich von 5 bis 10 µm, die ihrerseits über die Polymerisation und Abscheidung des Polymers in den Titanoxid Film überführt werden konnten. Drei dimensionale Strukturen wurden über Goldkolloid Template erhalten. Tetraethylenglykol konnte mit einer Thiolgruppe im Austausch zu einer Hydroxylgruppe monofunktionalisiert werden. Das erhaltene Molekül wurde auf kolloidalem Gold selbstorganisiert; es entstand dabei ein wasserlösliches Goldkolloid. Die Darstellung erfolgte dabei in einer Einphasenreaktion. Die so erhaltenen Goldkolloide wurden als Krstallisationstemplate für die drei dimensionale Abscheidung von Calciumcarbonat verwendet. Es zeigte sich, dass Glykol die Kristallisation bzw. den Habitus des krsitalls bei niedrigem pH Wert modifiziert. Bei erhöhtem pH Wert (pH = 12) jedoch agieren die Glykol belegten Goldkolloide als Template und führen zu sphärisch Aggregaten. Werden Goldkolloide langkettigen Dithiolen ausgesetzt, so führt dies zu einer Aggregation und Ausfällung der Kolloide aufgrund der Vernetzung mehrer Goldkolloide mit den Thiolgruppen der Alkyldithiole. Zur Vermeidung konnte in dieser Arbeit ein halbseitig geschütztes Dithiol synthetisiert werden, mit dessen Hilfe die Aggregation unterbunden werden konnte. Das nachfolgende Entschützten der Thiolfunktion führte zu Goldkolloiden, deren Oberfläche Thiol funktionalisiert werden konnte. Die thiolaktiven Goldkolloide fungierten als template für die Abscheidung von Bleisulfid aus organisch/wässriger Lösung. Die Funktionsweise der Schutzgruppe und die Entschützung konnte mittels Plasmonenresonanz Spektroskopie verdeutlicht werden. Titanoxid / Gold / Polystyrol Komposite in Röhrenform konnten synthetisiert werden. Dazu wurde ein menschliches Haar als biologisches Templat für die Formgebung gewählt.. Durch Bedampfung des Haares mit Gold, Assemblierung eines Stryrolmonomers, welches zusätzlich eine Thiolfunktionalität trug, Polymerisation auf der Oberfläche, Abscheidung des Titanoxid Films und anschließendem Auflösen des biologischen Templates konnte eine Röhrenstruktur im Mikrometer Bereich dargestellt werden. Goldkolloide fungierten in dieser Arbeit nicht nur als Kristallisationstemplate und Formgeber, auch sie selbst wurden dahingehend modifiziert, dass sie drahtförmige Agglormerate im Nanometerbereich ausbilden. Dazu wurden Template aus Siliziumdioxid benutzt. Zum einen konnten Nanoröhren aus amorphen SiO2 in einer Sol Gel Methode dargestellt werden, zum anderen bediente sich diese Arbeit biologischer Siliziumoxid Hohlnadeln aus marinen Schwämmen isoliert. Goldkolloide wurden in die Hohlstrukturen eingebettet und die Struktur durch Ausbildung von Kolloid - Thiol Netzwerken mittels Dithiol Zugabe gefestigt. Die Gold-Nanodrähte im Bereich von 100 bis 500 nm wurden durch Auflösen des SiO2 - Templates freigelegt.

Investigating the role of Copy Number Variants in Specific Language Impairment and identification of new candidate genes

Specific language impairment (SLI) is a complex neurodevelopmental disorder defined as an unexpected failure to develop normal language abilities for no obvious reason. Copy number variants (CNVs) are an important source of variation in the susceptibility to neuropsychiatric disorders. Therefore, a CNV study within SLI families was performed to investigate the role of structural variants in SLI. Among the identified CNVs, we focused on CNVs on chromosome 15q11-q13, recurrently observed in neuropsychiatric conditions, and a homozygous exonic microdeletion in ZNF277. Since this microdeletion falls within the AUTS1 locus, a region linked to autism spectrum disorders (ASD), we investigated a potential role of ZNF277 in SLI and ASD. Frequency data and expression analysis of the ZNF277 microdeletion suggested that this variant may contribute to the risk of language impairments in a complex manner, that is independent of the autism risk previously described in this region. Moreover, we identified an affected individual with a dihydropyrimidine dehydrogenase (DPD) deficiency, caused by compound heterozygosity of two deleterious variants in the gene DPYD. Since DPYD represents a good candidate gene for both SLI and ASD, we investigated its involvement in the susceptibility to these two disorders, focusing on the splicing variant rs3918290, the most common mutation in the DPD deficiency. We observed a higher frequency of rs3918290 in SLI cases (1.2%), compared to controls (~0.6%), while no difference was observed in a large ASD cohort. DPYD mutation screening in 4 SLI and 7 ASD families carrying the splicing variant identified six known missense changes and a novel variant in the promoter region. These data suggest that the combined effect of the mutations identified in affected individuals may lead to an altered DPD activity and that rare variants in DPYD might contribute to a minority of cases, in conjunction with other genetic or non-genetic factors.

Material properties of common suture materials in orthopaedic surgery

Suture materials in orthopaedic surgery are used for closure of wounds, repair of fascia, muscles, tendons, ligaments, joint capsules, and cerclage or tension band of certain fractures. The purpose of this study was to compare the biomechanical properties of eleven commonly used sutures in orthopaedic surgery. Three types of braided non-absorbable and one type of braided absorbable suture material with different calibers (n=77) underwent biomechanical testing for maximum load to failure, strain, and stiffness. All samples were tied by one surgeon with a single SMC (Seoul Medical Center) knot and three square knots. The maximum load to failure and strain were highest for #5 FiberWire and lowest for #0 Ethibond Excel (p<0.001). The stiffness was highest for #5 FiberWire and lowest for #2-0 Vicryl (p<0.001). In all samples, the failure of the suture material occurred at the knot There was no slippage of the knot in any of the samples tested. This data will assist the orthopaedic surgeon in selection and application of appropriate suture materials and calibers to specific tasks.

Structural plasticity in the language system related to increased second language proficiency

While functional changes linked to second language learning have been subject to extensive investigation, the issue of learning-dependent structural plasticity in the fields of bilingualism and language comprehension has so far received less notice. In the present study we used voxel-based morphometry to monitor structural changes occurring within five months of second language learning. Native English-speaking exchange students learning German in Switzerland were examined once at the beginning of their stay and once about five months later, when their German language skills had significantly increased. We show that structural changes in the left inferior frontal gyrus are correlated with the increase in second language proficiency as measured by a paper-and-pencil language test. Contrary to the increase in proficiency and grey matter, the absolute values of grey matter density and second language proficiency did not correlate (neither on first nor on second measurement). This indicates that the individual amount of learning is reflected in brain structure changes, regardless of absolute proficiency.

THE USE OF LIFE-CYCLE ANALYSIS TO REDUCE THE ENVIRONMENTAL IMPACT OF MATERIALS IN MANUFACTURING

This thesis is composed of three life-cycle analysis (LCA) studies of manufacturing to determine cumulative energy demand (CED) and greenhouse gas emissions (GHG). The methods proposed could reduce the environmental impact by reducing the CED in three manufacturing processes. First, industrial symbiosis is proposed and a LCA is performed on both conventional 1 GW-scaled hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H)-based single junction and a-Si:H/microcrystalline-Si:H tandem cell solar PV manufacturing plants and such plants coupled to silane recycling plants. Using a recycling process that results in a silane loss of only 17 versus 85 percent, this results in a CED savings of 81,700 GJ and 290,000 GJ per year for single and tandem junction plants, respectively. This recycling process reduces the cost of raw silane by 68 percent, or approximately $22.6 and $79 million per year for a single and tandem 1 GW PV production facility, respectively. The results show environmental benefits of silane recycling centered around a-Si:H-based PV manufacturing plants. Second, an open-source self-replicating rapid prototype or 3-D printer, the RepRap, has the potential to reduce the environmental impact of manufacturing of polymer-based products, using distributed manufacturing paradigm, which is further minimized by the use of PV and improvements in PV manufacturing. Using 3-D printers for manufacturing provides the ability to ultra-customize products and to change fill composition, which increases material efficiency. An LCA was performed on three polymer-based products to determine the CED and GHG from conventional large-scale production and are compared to experimental measurements on a RepRap producing identical products with ABS and PLA. The results of this LCA study indicate that the CED of manufacturing polymer products can possibly be reduced using distributed manufacturing with existing 3-D printers under 89% fill and reduced even further with a solar photovoltaic system. The results indicate that the ability of RepRaps to vary fill has the potential to diminish environmental impact on many products. Third, one additional way to improve the environmental performance of this distributed manufacturing system is to create the polymer filament feedstock for 3-D printers using post-consumer plastic bottles. An LCA was performed on the recycling of high density polyethylene (HDPE) using the RecycleBot. The results of the LCA showed that distributed recycling has a lower CED than the best-case scenario used for centralized recycling. If this process is applied to the HDPE currently recycled in the U.S., more than 100 million MJ of energy could be conserved per annum along with significant reductions in GHG. This presents a novel path to a future of distributed manufacturing suited for both the developed and developing world with reduced environmental impact. From improving manufacturing in the photovoltaic industry with the use of recycling to recycling and manufacturing plastic products within our own homes, each step reduces the impact on the environment. The three coupled projects presented here show a clear potential to reduce the environmental impact of manufacturing and other processes by implementing complimenting systems, which have environmental benefits of their own in order to achieve a compounding effect of reduced CED and GHG.

The Presence of Asbestos-Contaminated Vermiculite Attic Insulation and/or Other Asbestos Containing Materials in Homes and the Potential for Living Space Contamination

Asbestos-contaminated vermiculite attic insulation (VAI) produced from a mine near Libby, Montana, may be present in millions of homes along with other commercial asbestos-containing materials (ACM). The primary goal of the research described here was to develop and test procedures that would allow for the safe and effective weatherization of low-income homes with asbestos. The presence of asbestos insulation was confirmed by bulk sampling of the suspect asbestos material. The homes were then tested for the presence of asbestos fibers in the living spaces. All 40 homes containing VAI revealed the presence of amphibole asbestos in bulk samples. Asbestos (primarily chrysotile) was confirmed in bulk samples of ACM collected from 18 homes. Amphibole asbestos was detected in the living space of 12 (26%) homes, while chrysotile asbestos was detected in the living space of 45 (98%) homes. These results suggest that asbestos sources in homes can contribute to living space contamination