Adsorption of macromolecules on interfaces studied by isothermal titration calorimetry

The mixing of nanoparticles with polymers to form composite materials has been applied for decades. They combine the advantages of polymers (e.g., elasticity, transparency, or dielectric properties) and inorganic nanoparticles (e.g., specific absorption of light, magneto resistance effects, chemical activity, and catalysis etc.). Nanocomposites exhibit several new characters that single-phase materials do not have. Filling the polymeric matrix with an inorganic material requires its homogeneous distribution in order to achieve the highest possible synergetic effect. To fulfill this requirement, the incompatibility between the filler and the matrix, originating from their opposite polarity, has to be resolved. A very important parameter here is the strength and irreversibility of the adsorption of the surface active compound on the inorganic material. In this work the Isothermal titration calorimetry (ITC) was applied as a method to quantify and investigate the adsorption process and binding efficiencies in organic-inorganic–hybrid-systems by determining the thermodynamic parameters (ΔH, ΔS, ΔG, KB as well as the stoichiometry n). These values provide quantification and detailed understanding of the adsorption process of surface active molecules onto inorganic particles. In this way, a direct correlation between the adsorption strength and structure of the surface active compounds can be achieved. Above all, knowledge of the adsorption mechanism in combination with the structure should facilitate a more rational design into the mainly empirically based production and optimization of nanocomposites.

Miniemulsionen als räumliche Begrenzungen : Synthese von Polymer-Hydroxylapatit-Nanopartikeln, bio-inspirierten Nanokapseln und Polymer-Einzelkettenpartikeln

In der vorliegenden Arbeit wurden Miniemulsionen als räumliche Begrenzungen für die Synthese von unterschiedlichen funktionellen Materialien mit neuartigen Eigenschaften verwendet. Das erste Themengebiet umfasst die Herstellung von Polymer/Calciumphosphat-Hybridpartikeln und –Hybridkapseln über die templatgesteuerte Mineralisation von Calciumphosphat. Die funktionalisierte Oberfläche von Polymernanopartikeln, welche über die Miniemulsionspolymerisation hergestellt wurden, diente als Templat für die Kristallisation von Calciumphosphat auf den Partikeln. Der Einfluss der funktionellen Carboxylat- und Phosphonat-Oberflächengruppen auf die Komplexierung von Calcium-Ionen sowie die Mineralisation von Calciumphosphat auf der Oberfläche der Nanopartikel wurde mit mehreren Methoden (ionenselektive Elektroden, REM, TEM und XRD) detailliert analysiert. Es wurde herausgefunden, dass die Mineralisation bei verschiedenen pH-Werten zu vollkommen unterschiedlichen Kristallmorphologien (nadel- und plättchenförmige Kristalle) auf der Oberfläche der Partikel führt. Untersuchungen der Mineralisationskinetik zeigten, dass die Morphologie der Hydroxylapatit-Kristalle auf der Partikeloberfläche mit der Änderung der Kristallisationsgeschwindigkeit durch eine sorgfältige Wahl des pH-Wertes gezielt kontrolliert werden kann. Sowohl die Eigenschaften der als Templat verwendeten Polymernanopartikel (z. B. Größe, Form und Funktionalisierung), als auch die Oberflächentopografie der entstandenen Polymer/Calciumphosphat-Hybridpartikel wurden gezielt verändert, um die Eigenschaften der erhaltenen Kompositmaterialien zu steuern. rnEine ähnliche bio-inspirierte Methode wurde zur in situ-Herstellung von organisch/anorganischen Nanokapseln entwickelt. Hierbei wurde die flexible Grenzfläche von flüssigen Miniemulsionströpfchen zur Mineralisation von Calciumphosphat an der Grenzfläche eingesetzt, um Gelatine/Calciumphosphat-Hybridkapseln mit flüssigem Kern herzustellen. Der flüssige Kern der Nanokapseln ermöglicht dabei die Verkapselung unterschiedlicher hydrophiler Substanzen, was in dieser Arbeit durch die erfolgreiche Verkapselung sehr kleiner Hydroxylapatit-Kristalle sowie eines Fluoreszenzfarbstoffes (Rhodamin 6G) demonstriert wurde. Aufgrund der intrinsischen Eigenschaften der Gelatine/Calciumphosphat-Kapseln konnten abhängig vom pH-Wert der Umgebung unterschiedliche Mengen des verkapselten Fluoreszenzfarbstoffes aus den Kapseln freigesetzt werden. Eine mögliche Anwendung der Polymer/Calciumphosphat-Partikel und –Kapseln ist die Implantatbeschichtung, wobei diese als Bindeglied zwischen künstlichem Implantat und natürlichem Knochengewebe dienen. rnIm zweiten Themengebiet dieser Arbeit wurde die Grenzfläche von Nanometer-großen Miniemulsionströpfchen eingesetzt, um einzelne in der dispersen Phase gelöste Polymerketten zu separieren. Nach der Verdampfung des in den Tröpfchen vorhandenen Lösungsmittels wurden stabile Dispersionen sehr kleiner Polymer-Nanopartikel (<10 nm Durchmesser) erhalten, die aus nur wenigen oder einer einzigen Polymerkette bestehen. Die kolloidale Stabilität der Partikel nach der Synthese, gewährleistet durch die Anwesenheit von SDS in der wässrigen Phase der Dispersionen, ist vorteilhaft für die anschließende Charakterisierung der Polymer-Nanopartikel. Die Partikelgröße der Nanopartikel wurde mittels DLS und TEM bestimmt und mit Hilfe der Dichte und des Molekulargewichts der verwendeten Polymere die Anzahl an Polymerketten pro Partikel bestimmt. Wie es für Partikel, die aus nur einer Polymerkette bestehen, erwartet wird, stieg die mittels DLS bestimmte Partikelgröße mit steigendem Molekulargewicht des in der Synthese der Partikel eingesetzten Polymers deutlich an. Die Quantifizierung der Kettenzahl pro Partikel mit Hilfe von Fluoreszenzanisotropie-Messungen ergab, dass Polymer-Einzelkettenpartikel hoher Einheitlichkeit hergestellt wurden. Durch die Verwendung eines Hochdruckhomogenisators zur Herstellung der Einzelkettendispersionen war es möglich, größere Mengen der Einzelkettenpartikel herzustellen, deren Materialeigenschaften zurzeit näher untersucht werden.rn

Surface-enhanced vibrational techniques for the detection of synthetic organic colorants

The research project object of this thesis is focused on the development of an advanced analytical system based on the combination of an improved thin layer chromatography (TLC) plate coupled with infrared (FTIR) and Raman microscopies for the detection of synthetic dyes. Indeed, the characterization of organic colorants, which are commonly present in mixtures with other components and in a very limited amount, still represents a challenging task in scientific analyses of cultural heritage materials. The approach provides selective spectral fingerprints for each compound, foreseeing the complementary information obtained by micro ATR-RAIRS-FTIR and SERS-Raman analyses, which can be performed on the same separated spot. In particular, silver iodide (AgI) applied on a gold coated slide is proposed as an efficient stationary phase for the discrimination of complex analyte mixtures, such as dyes present in samples of art-historical interest. The gold-AgI-TLC plate shows high performances related both to the chromatographic separation of analytes and to the spectroscopic detection of components. The use of a mid-IR transparent inorganic salt as the stationary phase avoids interferences of the background absorption in FTIR investigations. Moreover, by ATR microscopy measurements performed on the gold-AgI surface, a considerable enhancement in the intensity of spectra is observed. Complementary information can be obtained by Raman analyses, foreseeing a SERS activity of the AgI substrate. The method has been tested for the characterization of a mixture of three synthetic organic colorants widely used in dyeing processes: Brilliant Green (BG1), Rhodamine B (BV10) and Methylene Blue (BB9).

Charge separation and recombination in novel polymeric absorber materials for organic solar cells : a photophysical study

In dieser Dissertation wird die Ladungsträgergeneration und -rekombination in neuen polymeren Absorbermaterialien für organische Solarzellen untersucht. Das Verständnis dieser Prozesse ist wesentlich für die Entwicklung neuer photoaktiver Materialsysteme, die hohe Effizienzen erzielen und organische Solarzellen konkurrenzfähig im Bereich der erneuerbaren Energien machen. Experimentell verwendet diese Arbeit hauptsächlich die Methode der transienten Absorptionsspektroskopie, die sich für die Untersuchung photophysikalischer Prozesse auf einer Zeitskala von 100 fs bis 1 ms als sehr leistungsfähig erweist. Des Weiteren wird eine soft-modeling Methode vorgestellt, die es ermöglicht, photophysikalische Prozesse aus einer gemessenen transienten Absorptions-Datenmatrix zu bestimmen, wenn wenig a priori Kenntnisse der Reaktionskinetiken vorhanden sind. Drei unterschiedliche Donor:Akzeptor-Systeme werden untersucht; jedes dieser Systeme stellt eine andere Herangehensweise zur Optimierung der Materialien dar in Bezug auf Lichtabsorption über einen breiten Wellenlängenbereich, effiziente Ladungstrennung und schnellen Ladungstransport. Zuerst wird ein Terpolymer untersucht, das aus unterschiedlichen Einheiten für die Lichtabsorption und den Ladungstransport besteht. Es wird gezeigt, dass es möglich ist, den Fluss angeregter Zustände vom Chromophor auf die Transporteinheit zu leiten. Im zweiten Teil wird der Einfluss von Kristallinität auf die freie Ladungsträgergeneration mit einer Folge von ternären Mischungen, die unterschiedliche Anteile an amorphem und semi-kristallinem Polymer enthalten, untersucht. Dabei zeigt es sich, dass mit steigendem amorphen Polymeranteil sowohl der Anteil der geminalen Ladungsträgerrekombination erhöht als auch die nicht-geminale Rekombination schneller ist. Schlussendlich wird ein System untersucht, in dem sowohl Donor als auch Akzeptor Polymere sind, was zu verbesserten Absorptionseigenschaften führt. Die Rekombination von Ladungstransferzuständen auf der unter 100 ps Zeitskala stellt hier den hauptsächliche Verlustkanal dar, da freie Ladungsträger nur an Grenzflächen erzeugt werden können, an denen Donor und Akzeptor face-to-face zueinander orientiert sind. Darüber hinaus wird festgestellt, dass weitere 40-50% der Ladungsträger durch die Rekombination von Grenzflächenzuständen verloren gehen, die aus mobilen Ladungsträgern geminal gebildet werden.

Coating of surfaces of composite materials with enzymatically formed biosilica

Die Bildung kieselsäurehaltiger Spicula in marinen Schwämmen ist nur möglich durch die enzymatische Aktivität des Silicatein- in Verbindung mit der stöchiometrischen Selbstassemblierung des Enzyms mit anderen Schwammproteinen. Die vorliegende Arbeit basiert auf einem biomimetischen Ansatz mit dem Ziel, unterschiedliche Oberflächen für biotechnologische und biomedizinische Anwendungen mit Biosilica und Biotitania zu beschichten und zu funktionalisieren. Für biotechnologische Anwendungen ist dabei das Drucken von Cystein-getaggtem Silicatein auf Gold-Oberflächen von Bedeutung, denn es ermöglichte die Bildung definierter Biotitania-Strukturen (Anatas), welche als Photokatalysator den Abbau eines organischen Farbstoffs bewirkten. Des Weiteren zeigte sich die bio-inspirierte Modifikation von Tyrosin-Resten an rekombinantem Silicatein-(via Tyrosinase) als vielversprechendes Werkzeug zur Beschleunigung der Selbstassemblierung des Enzyms zu mesoskaligen Filamenten. Durch eine solche Modifikation konnte Silicatein auch auf der Oberfläche von anorganischen Partikeln immobilisiert werden, welches die Assemblierung von anorganisch-organischen Verbundwerkstoffen in wäßriger Umgebung förderte. Die resultierenden supramolekularen Strukturen könnten dabei in bio-inspirierten und biotechnologischen Anwendungen genutzt werden. Weiterhin wurde in der vorliegenden Arbeit die Sekundärstruktur von rekombinantem Silicatein- (Monomer und Oligomer) durch Raman Spektroskopie analysiert, nachdem das Protein gemäß einer neu etablierten Methode rückgefaltet worden war. Diese Spektraldaten zeigten insbesondere Änderungen der Proteinkonformation durch Solubilisierung und Oligomerisierung des Enzyms. Außerdem wurden die osteoinduzierenden und osteogenen Eigenschaften unterschiedlicher organischer Polymere, die herkömmlich als Knochenersatzmaterial genutzt werden, durch Oberflächenmodifikation mit Silicatein/Biosilica verbessert: Die bei der Kultivierung knochenbildender Zellen auf derart oberflächenbehandelten Materialien beobachtete verstärkte Biomineralisierung, Aktivierung der Alkalischen Phosphatase, und Ausbildung eines typischen zellulären Phänotyps verdeutlichen das Potential von Silicatein/Biosilica für der Herstellung neuartiger Implantat- und Knochenersatzmaterialien.

Biological materials : Part A. tuning LCST of raft copolymers and gold/copolymer hybrid nanoparticles and Part B. biobased nanomaterials

The research described in this dissertation is comprised of two major parts. The first part studied the effects of asymmetric amphiphilic end groups on the thermo-response of diblock copolymers of (oligo/di(ethylene glycol) methyl ether (meth)acrylates, OEGA/DEGMA) and the hybrid nanoparticles of these copolymers with a gold nanoparticle core. Placing the more hydrophilic end group on the more hydrophilic block significantly increased the cloud point compared to a similar copolymer composition with the end group placement reversed. For a given composition, the cloud point was shifted by as much as 28 °C depending on the placement of end groups. This is a much stronger effect than either changing the hydrophilic/hydrophobic block ratio or replacing the hydrophilic acrylate monomer with the equivalent methacrylate monomer. The temperature range of the coil-globule transition was also altered. Binding these diblock copolymers to a gold core decreased the cloud point by 5-15 °C and narrowed the temperature range of the coil-globule transition. The effects were more pronounced when the gold core was bound to the less hydrophilic block. Given the limited numbers of monomers that are approved safe for in vivo use, employing amphiphilic end group placement is a useful tool to tune a thermo-response without otherwise changing the copolymer composition. The second part of the dissertation investigated the production of value-added nanomaterials from two biorefinery “wastes”: lignin and peptidoglycan. Different solvents and spinning methods (melt-, wet-, and electro-spinning) were tested to make lignin/cellulose blended and carbonized fibers. Only electro-spinning yielded fibers having a small enough diameter for efficient carbonization ( Peptidoglycan (a bacterial cell wall material) was copolymerized with poly-(3-hydroxybutyrate), a common polyhydroxyalkanoate produced by bacteria with the objective of determining if a useful material could be obtained with a less rigorous work-up on harvesting polyhydroxyalkanoates. The copolyesteramide product having 25 wt.% peptidoglycan from a highly purified peptidoglycan increased thermal stability by 100-200 °C compared to the poly-(3-hydroxybutyrate) control, while a less pure peptidoglycan, harvested from B. megaterium (ATCC 11561), gave a 25-50 °C increase in thermal stability. Both copolymers absorbed more moisture than pure poly-(3-hydroxybutyrate). The results suggest that a less rigorously harvested and purified polyhydroxyalkanoate might be useful for some applications.

RESPONSE OF ECTOMYCORRHIZAL FUNGI TO INORGANIC AND ORGANIC FORMS OF NITROGEN AND PHOSPHORUS

The nutrient uptake response of ectomycorrhizal fungi (ECM) to different nutrient substrates is a driving force in ecosystem nutrient cycling. We hypothesized that taxa from low nitrogen (N) soils would be more likely to use organic N compared to taxa from high N soils, and that taxa from high N would be more likely to use organic phosphorus (P) sources when compared to the ECM dominant in low N soils. This study focuses on the growth response of ECM species collected over a N gradient to different forms of N and P nutrient substrates and whether ECM growth in a particular nutrient source can be related to how the ECM fungi have responded to elevated N in the field. This study found a mixed ECM response to organic and inorganic N and P treatments. High affinity N taxa expected to respond positively to inorganic N produced the phosphatase enzyme to take up organic phosphorus, but not all low affinity N taxa expected to negatively respond to organic P produced the protease enzyme to take up organic N. Interspecific variability was displayed by some high and low affinity N taxa responded and ECM intraspecific variability in response to N and P treatments was also noted. Future analysis of may show more evident ECM response patterns to inorganic and organic forms of N and P.

Arsenic and selenium mobilisation from organic matter treated mine spoil with and without inorganic fertilisation

Organic matter amendments are applied to contaminated soil to provide a better habitat for re-vegetation and remediation, and olive mill waste compost (OMWC) has been described as a promising material for this aim. We report here the results of an incubation experiment carried out in flooded conditions to study its influence in As and metal solubility in a trace elements contaminated soil. NPK fertilisation and especially organic amendment application resulted in increased As, Se and Cu concentrations in pore water. Independent of the amendment, dimethylarsenic acid (DMA) was the most abundant As species in solution. The application of OMWC increased pore water dissolved organic-carbon (DOC) concentrations, which may explain the observed mobilisation of As, Cu and Se; phosphate added in NPK could also be in part responsible of the mobilisation caused in As. Therefore, the application of soil amendments in mine soils may be particularly problematic in flooded systems.

Fourier transform infrared spectroscopy, a new method for rapid determination of total organic and inorganic carbon and biogenic silica concentration in lake sediments

Abstract We demonstrate the use of Fourier transform infrared spectroscopy (FTIRS) to make quantitative measures of total organic carbon (TOC), total inorganic carbon (TIC) and biogenic silica (BSi) concentrations in sediment. FTIRS is a fast and costeffective technique and only small sediment samples are needed (0.01 g). Statistically significant models were developed using sediment samples from northern Sweden and were applied to sediment records from Sweden, northeast Siberia and Macedonia. The correlation between FTIRS-inferred values and amounts of biogeochemical constituents assessed conventionally varied between r = 0.84–0.99 for TOC, r = 0.85– 0.99 for TIC, and r = 0.68–0.94 for BSi. Because FTIR spectra contain information on a large number of both inorganic and organic components, there is great potential for FTIRS to become an important tool in paleolimnology.

Synthesis and Structural Elucidation of Triazolylmolybdenum(VI) Oxide Hybrids and Their Behavior as Oxidation Catalysts

A large family of bifunctional 1,2,4-triazole molecular tectons (tr) has been explored for engineering molybdenum(VI) oxide hybrid solids. Specifically, tr ligands bearing auxiliary basic or acidic groups were of the type amine, pyrazole, 1H-tetrazole, and 1,2,4-triazole. The organically templated molybdenum(VI) oxide solids with the general compositions [MoO3(tr)], [Mo2O6(tr)], and [Mo2O6(tr)(H2O)2] were prepared under mild hydrothermal conditions or by refluxing in water. Their crystal structures consist of zigzag chains, ribbons, or helixes of alternating cis-{MoO4N2} or {MoO5N} polyhedra stapled by short [N–N]-tr bridges that for bitriazole ligands convert the motifs into 2D or 3D frameworks. The high thermal (235–350 °C) and chemical stability observed for the materials makes them promising for catalytic applications. The molybdenum(VI) oxide hybrids were successfully explored as versatile oxidation catalysts with tert-butyl hydroperoxide (TBHP) or aqueous H2O2 as an oxygen source, at 70 °C. Catalytic performances were influenced by the different acidic–basic properties and steric hindrances of coordinating organic ligands as well as the structural dimensionality of the hybrid.