Electron spectroscopy of novel charge transfer systems based on polycyclic aromatic hydrocarbons

Organische Ladungstransfersysteme weisen eine Vielfalt von konkurrierenden Wechselwirkungen zwischen Ladungs-, Spin- und Gitterfreiheitsgraden auf. Dies führt zu interessanten physikalischen Eigenschaften, wie metallische Leitfähigkeit, Supraleitung und Magnetismus. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der elektronischen Struktur von organischen Ladungstransfersalzen aus drei Material-Familien. Dabei kamen unterschiedliche Photoemissions- und Röntgenspektroskopietechniken zum Einsatz. Die untersuchten Moleküle wurden z.T. im MPI für Polymerforschung synthetisiert. Sie stammen aus der Familie der Coronene (Donor Hexamethoxycoronen HMC und Akzeptor Coronen-hexaon COHON) und Pyrene (Donor Tetra- und Hexamethoxypyren TMP und HMP) im Komplex mit dem klassischen starken Akzeptor Tetracyanoquinodimethan (TCNQ). Als dritte Familie wurden Ladungstransfersalze der k-(BEDT-TTF)2X Familie (X ist ein monovalentes Anion) untersucht. Diese Materialien liegen nahe bei einem Bandbreite-kontrollierten Mottübergang im Phasendiagramm.rnFür Untersuchungen mittels Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS) wurden UHV-deponierte dünne Filme erzeugt. Dabei kam ein neuer Doppelverdampfer zum Einsatz, welcher speziell für Milligramm-Materialmengen entwickelt wurde. Diese Methode wies im Ladungstransferkomplex im Vergleich mit der reinen Donor- und Akzeptorspezies energetische Verschiebungen von Valenzzuständen im Bereich weniger 100meV nach. Ein wichtiger Aspekt der UPS-Messungen lag im direkten Vergleich mit ab-initio Rechnungen.rnDas Problem der unvermeidbaren Oberflächenverunreinigungen von lösungsgezüchteten 3D-Kristallen wurde durch die Methode Hard-X-ray Photoelectron Spectroscopy (HAXPES) bei Photonenenergien um 6 keV (am Elektronenspeicherring PETRA III in Hamburg) überwunden. Die große mittlere freie Weglänge der Photoelektronen im Bereich von 15 nm resultiert in echter Volumensensitivität. Die ersten HAXPES Experimente an Ladungstransferkomplexen weltweit zeigten große chemische Verschiebungen (mehrere eV). In der Verbindung HMPx-TCNQy ist die N1s-Linie ein Fingerabdruck der Cyanogruppe im TCNQ und zeigt eine Aufspaltung und einen Shift zu höheren Bindungsenergien von bis zu 6 eV mit zunehmendem HMP-Gehalt. Umgekehrt ist die O1s-Linie ein Fingerabdruck der Methoxygruppe in HMP und zeigt eine markante Aufspaltung und eine Verschiebung zu geringeren Bindungsenergien (bis zu etwa 2,5eV chemischer Verschiebung), d.h. eine Größenordnung größer als die im Valenzbereich.rnAls weitere synchrotronstrahlungsbasierte Technik wurde Near-Edge-X-ray-Absorption Fine Structure (NEXAFS) Spektroskopie am Speicherring ANKA Karlsruhe intensiv genutzt. Die mittlere freie Weglänge der niederenergetischen Sekundärelektronen (um 5 nm). Starke Intensitätsvariationen von bestimmten Vorkanten-Resonanzen (als Signatur der unbesetzte Zustandsdichte) zeigen unmittelbar die Änderung der Besetzungszahlen der beteiligten Orbitale in der unmittelbaren Umgebung des angeregten Atoms. Damit war es möglich, präzise die Beteiligung spezifischer Orbitale im Ladungstransfermechanismus nachzuweisen. Im genannten Komplex wird Ladung von den Methoxy-Orbitalen 2e(Pi*) und 6a1(σ*) zu den Cyano-Orbitalen b3g und au(Pi*) und – in geringerem Maße – zum b1g und b2u(σ*) der Cyanogruppe transferiert. Zusätzlich treten kleine energetische Shifts mit unterschiedlichem Vorzeichen für die Donor- und Akzeptor-Resonanzen auf, vergleichbar mit den in UPS beobachteten Shifts.rn

Direct electron transfer to cytochrome c oxidase investigated by electrochemistry and time-resolved surface-enhanced infrared absorption spectroscopy

Cytochrom c Oxidase (CcO), der Komplex IV der Atmungskette, ist eine der Häm-Kupfer enthaltenden Oxidasen und hat eine wichtige Funktion im Zellmetabolismus. Das Enzym enthält vier prosthetische Gruppen und befindet sich in der inneren Membran von Mitochondrien und in der Zellmembran einiger aerober Bakterien. Die CcO katalysiert den Elektronentransfer (ET) von Cytochrom c zu O2, wobei die eigentliche Reaktion am binuklearen Zentrum (CuB-Häm a3) erfolgt. Bei der Reduktion von O2 zu zwei H2O werden vier Protonen verbraucht. Zudem werden vier Protonen über die Membran transportiert, wodurch eine elektrochemische Potentialdifferenz dieser Ionen zwischen Matrix und Intermembranphase entsteht. Trotz ihrer Wichtigkeit sind Membranproteine wie die CcO noch wenig untersucht, weshalb auch der Mechanismus der Atmungskette noch nicht vollständig aufgeklärt ist. Das Ziel dieser Arbeit ist, einen Beitrag zum Verständnis der Funktion der CcO zu leisten. Hierzu wurde die CcO aus Rhodobacter sphaeroides über einen His-Anker, der am C-Terminus der Untereinheit II angebracht wurde, an eine funktionalisierte Metallelektrode in definierter Orientierung gebunden. Der erste Elektronenakzeptor, das CuA, liegt dabei am nächsten zur Metalloberfläche. Dann wurde eine Doppelschicht aus Lipiden insitu zwischen die gebundenen Proteine eingefügt, was zur sog. proteingebundenen Lipid-Doppelschicht Membran (ptBLM) führt. Dabei musste die optimale Oberflächenkonzentration der gebundenen Proteine herausgefunden werden. Elektrochemische Impedanzspektroskopie(EIS), Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPR) und zyklische Voltammetrie (CV) wurden angewandt um die Aktivität der CcO als Funktion der Packungsdichte zu charakterisieren. Der Hauptteil der Arbeit betrifft die Untersuchung des direkten ET zur CcO unter anaeroben Bedingungen. Die Kombination aus zeitaufgelöster oberflächenverstärkter Infrarot-Absorptionsspektroskopie (tr-SEIRAS) und Elektrochemie hat sich dafür als besonders geeignet erwiesen. In einer ersten Studie wurde der ET mit Hilfe von fast scan CV untersucht, wobei CVs von nicht-aktivierter sowie aktivierter CcO mit verschiedenen Vorschubgeschwindigkeiten gemessen wurden. Die aktivierte Form wurde nach dem katalytischen Umsatz des Proteins in Anwesenheit von O2 erhalten. Ein vier-ET-modell wurde entwickelt um die CVs zu analysieren. Die Methode erlaubt zwischen dem Mechanismus des sequentiellen und des unabhängigen ET zu den vier Zentren CuA, Häm a, Häm a3 und CuB zu unterscheiden. Zudem lassen sich die Standardredoxpotentiale und die kinetischen Koeffizienten des ET bestimmen. In einer zweiten Studie wurde tr-SEIRAS im step scan Modus angewandt. Dafür wurden Rechteckpulse an die CcO angelegt und SEIRAS im ART-Modus verwendet um Spektren bei definierten Zeitscheiben aufzunehmen. Aus diesen Spektren wurden einzelne Banden isoliert, die Veränderungen von Vibrationsmoden der Aminosäuren und Peptidgruppen in Abhängigkeit des Redoxzustands der Zentren zeigen. Aufgrund von Zuordnungen aus der Literatur, die durch potentiometrische Titration der CcO ermittelt wurden, konnten die Banden versuchsweise den Redoxzentren zugeordnet werden. Die Bandenflächen gegen die Zeit aufgetragen geben dann die Redox-Kinetik der Zentren wieder und wurden wiederum mit dem vier-ET-Modell ausgewertet. Die Ergebnisse beider Studien erlauben die Schlussfolgerung, dass der ET zur CcO in einer ptBLM mit größter Wahrscheinlichkeit dem sequentiellen Mechanismus folgt, was dem natürlichen ET von Cytochrom c zur CcO entspricht.

Double electron transfer reactions of CO22+ ions

Time-of-flight techniques have been used to measure fast neutral CO2 products from double electron transfer reactions of CO22+ ions with 4.0–7.0 keV impact energies. Double electron transfer cross sections have been determined to be in the range of (1.1–12.5) × 10−16 cm2 for reactions of CO22+ ions with CO2, CO, N2, Ar and O2.

Single- and double-electron transfer reactions of ground and metastable state Ar2+ ions

Electron transfer cross sections have been measured for reactions of Ar2+ ions with Ar, N2, O2, CO2, CH4 and C2H6. Time-of-flight techniques have been used to measure both fast neutral Ar0 and fast Ar+ products from single- and double-electron transfer processes involving Ar2+ ions with 4.0 to 7.0 keV impact energies. Incident Ar2+ ions have produced by controlled electron impact ionisation of argon atoms. Reactions have been examined as a function of ionising electron energy and cross sections determined for ground state Ar2+(3P) ions. Charge transfer cross sections have been determined to be in the range of 3*10-16 cm2 for the systems examined. Double-electron transfer cross sections are the same order of magnitude as those measured for the corresponding single-electron transfer reactions. The state distribution of the reactant ion beam has been estimated and electron transfer cross sections obtained for single- and double-electron transfer reactions of metastable Ar2+ions. The magnitudes of electron transfer cross sections in individual systems are similar for both ground and metastable state Ar2+ reactions.

Doubly charged ion mass spectra of alkyl-substituted furans and pyrroles

Doubly charged ion mass spectra of alkyl-substituted furans and pyrroles were obtained using a double-focusing magnetic mass spectrometer operated at 3.2 kV accelerating voltage. Molecular ions were the dominant species found in doubly charged spectra of lower molecular weight heterocydic compounds, whereas the spectra of the higher weight homologues were typified by abundant fragment ions from extensive decomposition. Measured doubly charged ionization and appearance energies ranged from 22.8 to 47.9 eV. Ionization energies were correlated with values calculated using self-consistent field–molecular orbital techniques. A multichannel diabatic curve-crossing model was developed to investigate the fundamental organic ion reactions responsible for development of doubly charged ion mass spectra. Probabilities for Landau–Zener type transitions between reactant and product curves were determined and used in the collision model to predict charge-transfer cross-sections, which compared favorably with experimental cross-sections obtained using time-of-flight techniques.

Charge transfer reactions of organic ions containing oxygen: Correlation between reaction energetics and cross sections

Cross sections for charge transfer reactions of organic ions containing oxygen have been obtained using time-of-flight techniques. Charge transfer cross sections have been determined for reactions of 2.0 to 3.4 keV ions produced by electron impact ionization of oxygen containing molecules such as methanol, ethanal and ethanol. Experimental cross section magnitudes have been correlated with reaction energy defects computed from ion recombination energies and target ionization energies. Large cross sections are observed for reacting systems with small energy defects.

Radiation doses along selected flight profiles during two extreme solar cosmic ray events

The radiation dose rates at flight altitudes may be hazardously increased during solar cosmic ray events. Within the scope of this paper we investigate the total accumulated radiation doses, i.e. the contribution of galactic and solar cosmic rays, during the two extreme solar cosmic ray events on 29 September 1989 and on 20 January 2005 along selected flight profiles. In addition, the paper discusses the consequences of possible solar cosmic ray flux approximations on the results of the radiation dose computations.

Systemically transferred hematopoietic stem cells home to the subretinal space and express RPE-65 in a mouse model of retinal pigment epithelium damage

Stem cell regeneration of damaged tissue has recently been reported in many different organs. Since the loss of retinal pigment epithelium (RPE) in the eye is associated with a major cause of visual loss - specifically, age-related macular degeneration - we investigated whether hematopoietic stem cells (HSC) given systemically can home to the damaged subretinal space and express markers of RPE lineage. Green fluorescent protein (GFP) cells of bone marrow origin were used in a sodium iodate (NaIO(3)) model of RPE damage in the mouse. The optimal time for adoptive transfer of bone marrow-derived stem cells relative to the time of injury and the optimal cell type [whole bone marrow, mobilized peripheral blood, HSC, facilitating cells (FC)] were determined by counting the number of GFP(+) cells in whole eye flat mounts. Immunocytochemistry was performed to identify the bone marrow origin of the cells in the RPE using antibodies for CD45, Sca-1, and c-kit, as well as the expression of the RPE-specific marker, RPE-65. The time at which bone marrow-derived cells were adoptively transferred relative to the time of NaIO(3) injection did not significantly influence the number of cells that homed to the subretinal space. At both one and two weeks after intravenous (i.v.) injection, GFP(+) cells of bone marrow origin were observed in the damaged subretinal space, at sites of RPE loss, but not in the normal subretinal space. The combined transplantation of HSC+FC cells appeared to favor the survival of the homed stem cells at two weeks, and RPE-65 was expressed by adoptively transferred HSC by four weeks. We have shown that systemically injected HSC homed to the subretinal space in the presence of RPE damage and that FC promoted survival of these cells. Furthermore, the RPE-specific marker RPE-65 was expressed on adoptively transferred HSC in the denuded areas.

An Instrument Design for Space-Based Optical Observation of Space Debris

Currently, observations of space debris are primarily performed with ground-based sensors. These sensors have a detection limit at some centimetres diameter for objects in Low Earth Orbit (LEO) and at about two decimetres diameter for objects in Geostationary Orbit (GEO). The few space-based debris observations stem mainly from in-situ measurements and from the analysis of returned spacecraft surfaces. Both provide information about mostly sub-millimetre-sized debris particles. As a consequence the population of centimetre- and millimetre-sized debris objects remains poorly understood. The development, validation and improvement of debris reference models drive the need for measurements covering the whole diameter range. In 2003 the European Space Agency (ESA) initiated a study entitled “Space-Based Optical Observation of Space Debris”. The first tasks of the study were to define user requirements and to develop an observation strategy for a space-based instrument capable of observing uncatalogued millimetre-sized debris objects. Only passive optical observations were considered, focussing on mission concepts for the LEO, and GEO regions respectively. Starting from the requirements and the observation strategy, an instrument system architecture and an associated operations concept have been elaborated. The instrument system architecture covers the telescope, camera and onboard processing electronics. The proposed telescope is a folded Schmidt design, characterised by a 20 cm aperture and a large field of view of 6°. The camera design is based on the use of either a frame-transfer charge coupled device (CCD), or on a cooled hybrid sensor with fast read-out. A four megapixel sensor is foreseen. For the onboard processing, a scalable architecture has been selected. Performance simulations have been executed for the system as designed, focussing on the orbit determination of observed debris particles, and on the analysis of the object detection algorithms. In this paper we present some of the main results of the study. A short overview of the user requirements and observation strategy is given. The architectural design of the instrument is discussed, and the main tradeoffs are outlined. An insight into the results of the performance simulations is provided.

Reconstruction of Skull Base and Fronto-orbital Defects following Tumor Resection

Reconstruction of the anterior skull base and fronto-orbital framework following extensive tumor resection is both challenging and controversial. Dural defects are covered with multiple sheets of fascia lata that provide sufficient support and avoid herniation. Plating along the skull base is contraindicated. After resection of orbital walls, grafting is necessary if the periosteum or parts of the periorbital tissue had to be removed, to avoid enophthalmus or strabism. Free bone grafts exposed to the sinonasal or pharyngeal cavity are vulnerable to infection or necrosis: therefore, covering the grafts with vascularized tissue, such as the Bichat fat-pad or pedicled temporalis flaps, should reduce these complications. Alloplastic materials are indispensable in cranial defects, whereas microsurgical free tissue transfer is indicated in cases of orbital exenteration and skin defects. The authors review their experience and follow-up of 122 skull base reconstructions following extensive subcranial tumor resection. Most significant complications were pneumocranium in 4.9%, CSF leaks in 3.2%, and partial bone resorption in 8.1%.

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF CERTAIN INTERNAL CONDENSING AND BOILING FLOWS: THEIR SENSITIVITY TO PRESSURE FLUCTUATIONS AND HEAT TRANSFER ENHANCEMENTS

Space-based (satellite, scientific probe, space station, etc.) and millimeter – to – microscale (such as are used in high power electronics cooling, weapons cooling in aircraft, etc.) condensers and boilers are shear/pressure driven. They are of increasing interest to system engineers for thermal management because flow boilers and flow condensers offer both high fluid flow-rate-specific heat transfer capacity and very low thermal resistance between the fluid and the heat exchange surface, so large amounts of heat may be removed using reasonably-sized devices without the need for excessive temperature differences. However, flow stability issues and degradation of performance of shear/pressure driven condensers and boilers due to non-desirable flow morphology over large portions of their lengths have mostly prevented their use in these applications. This research is part of an ongoing investigation seeking to close the gap between science and engineering by analyzing two key innovations which could help address these problems. First, it is recommended that the condenser and boiler be operated in an innovative flow configuration which provides a non-participating core vapor stream to stabilize the annular flow regime throughout the device length, accomplished in an energy-efficient manner by means of ducted vapor re-circulation. This is demonstrated experimentally. Second, suitable pulsations applied to the vapor entering the condenser or boiler (from the re-circulating vapor stream) greatly reduce the thermal resistance of the already effective annular flow regime. For experiments reported here, application of pulsations increased time-averaged heat-flux up to 900 % at a location within the flow condenser and up to 200 % at a location within the flow boiler, measured at the heat-exchange surface. Traditional fully condensing flows, reported here for comparison purposes, show similar heat-flux enhancements due to imposed pulsations over a range of frequencies. Shear/pressure driven condensing and boiling flow experiments are carried out in horizontal mm-scale channels with heat exchange through the bottom surface. The sides and top of the flow channel are insulated. The fluid is FC-72 from 3M Corporation.