Self-Assembly of Poly(4-vynil-N-alkylpyridinium) Bromide onto Silica: Effect of Side-Chain Length on Structural Aspects at a Molecular Level

Self-assembly of poly(4-vynil-N-alkyl)pyridinium bromide with alkyl side chains of 2, 5, 7, 10, or 16 carbons from ethanolic solutions onto flat silica surfaces was studied by means of ellipsometry, atomic force microscopy (AFM), contact angle measurements, and sum-frequency generation (SFG) vibrational spectroscopy in the CH3 and CH2 stretch region. Ab initio quantum-chemical calculations on the N-alkylpyridinium side-group with restricted Hartree-Fock (RHF) method and 6-311G (d,p) basis set were C one to estimate the charge distribution along the pyridinium ring and the alkyl side-chain. SFG results showed that longer side chains promote the disorientation of the alkyl groups at the surface, corroborating with the contact angle values. AFM images revealed film homogeneity, regardless the alkyl side group. However, after 24 h contact with water, ringlike structures appeared on the film surfaces, when the polycation alkyl side chain had 7 or less carbons, and as the alkyl chain increased to 10 or 16 carbons, the films dewetted because the hydrophobic interactions prevailed over the electrostatic interactions between the pyridinium charged groups and the negatively charged SiO2 surface. Under acid conditions (HCl 0.1 mol.L-1), the film mean thickness values decreased up to 50% of original values when the alkyl side chains were ethyl or pentyl groups due to ion-pair disruption, but for longer groups they remained unchanged. Quantum-chemical optimization and Mulliken electron population showed that (i) from C2 to C15 the positive charge at the headgroup (HG) decreased 0.025, while the charge at combined HG + alpha-CH2 increased 0.037; and (ii) for C6 or longer, the alkyl side group presents a tilt in the geometry, moving away from the plane. Such effects summed up over the whole polymer chain give support to suggest that when the side chains are longer than 7 carbons, the hydrophobic interaction decreases film stability and increases acid resistance.

Polymer controlled mineralization of zinc phosphate hydrates and applications in corrosion protection, catalysis and biomedicine

ZUSAMMENFASSUNG Die Tauglichkeit von Hybridmaterialien auf der Basis von Zinkphosphathydrat-Zementen zum Einsatz als korrosionshemmende anorganische Pigmente oder zur prothetischen und konservierenden Knochen- und Zahntherapie wird weltweit empirisch seit den neunziger Jahren intensiv erforscht. In der vorliegenden Arbeit wurden zuerst Referenzproben, d.h. alpha-und beta-Hopeite (Abk. a-,b-ZPT) dank eines hydrothermalen Kristallisationsverfahrens in wässerigem Milieu bei 20°C und 90°C hergestellt. Die Kristallstruktur beider Polymorphe des Zinkphosphattetrahydrats Zn3(PO4)2  4 H2O wurde komplett bestimmt. Einkristall-strukturanalyse zeigt, daß der Hauptunterschied zwischen der alpha-und beta-Form des Zinkphosphattetrahydrats in zwei verschiedenen Anordnungen der Wasserstoffbrücken liegt. Die entsprechenden drei- und zweidimensionalen Anordnungen der Wasserstoffbrücken der a-und b-ZPT induzieren jeweils unterschiedliches thermisches Verhalten beim Aufwärmen. Während die alpha-Form ihr Kristallwasser in zwei definierten Stufen verliert, erzeugt die beta-Form instabile Dehydratationsprodukt. Dieses entspricht zwei unabhängigen, aber nebeneinander ablaufenden Dehydratationsmechanismen: (i) bei niedrigen Heizraten einen zweidimensionalen Johnson-Mehl-Avrami (JMA) Mechanismus auf der (011) Ebene, der einerseits bevorzugt an Kristallkanten stattfindet und anderseits von existierenden Kristalldefekten auf Oberflächen gesteuert wird; (ii) bei hohen Heizraten einem zweidimensionalen Diffusionsmechanismus (D2), der zuerst auf der (101) Ebene und dann auf der (110) Ebene erfolgt. Durch die Betrachtung der ZPT Dehydratation als irreversibele heterogene Festkörperstufenreaktion wurde dank eines „ähnlichen Endprodukt“-Protokolls das Dehydratationsphasendiagramm aufgestellt. Es beschreibt die möglichen Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Hydratationszuständen und weist auf die Existenz eines Übergangszustandes um 170°C (d.h. Reaktion b-ZPT  a-ZPT) hin. Daneben wurde auch ein gezieltes chemisches Ätzverfahren mit verdünnten H3PO4- und NH3 Lösungen angewendet, um die ersten Stufe des Herauslösens von Zinkphosphat genau zu untersuchen. Allerdings zeigen alpha- und beta-Hopeite charakteristische hexagonale und kubische Ätzgruben, die sich unter kristallographischer Kontrolle verbreitern. Eine zuverlässige Beschreibung der Oberfächenchemie und Topologie konnte nur durch AFM und FFM Experimente erfolgen. Gleichzeitig konnte in dieser Weise die Oberflächendefektdichte und-verteilung und die Volumenauflösungsrate von a-ZPT und b-ZPT bestimmt werden. Auf einem zweiten Weg wurde eine innovative Strategie zur Herstellung von basischen Zinkphosphatpigmenten erster und zweiter Generation (d.h. NaZnPO4  1H2O und Na2ZnPO4(OH)  2H2O) mit dem Einsatz von einerseits oberflächenmodifizierten Polystyrolatices (z.B. produziert durch ein Miniemulsionspolymerisationsverfahren) und anderseits von Dendrimeren auf der Basis von Polyamidoamid (PAMAM) beschritten. Die erhaltene Zeolithstruktur (ZPO) hat in Abhängigkeit von steigendem Natrium und Wassergehalt unterschiedliche kontrollierte Morphologie: hexagonal, würfelförmig, herzförmig, sechsarmige Sterne, lanzettenförmige Dendrite, usw. Zur quantitativen Evaluierung des Polymereinbaus in der Kristallstruktur wurden carboxylierte fluoreszenzmarkierte Latices eingesetzt. Es zeigt sich, daß Polymeradditive nicht nur das Wachstum bis zu 8 µm.min-1 reduzierten. Trotzdem scheint es auch als starker Nukleationsbeschleuniger zu wirken. Dank der Koordinationschemie (d.h. Bildung eines sechszentrigen Komplexes L-COO-Zn-PO4*H2O mit Ligandenaustausch) konnten zwei einfache Mechanismen zur Wirkung von Latexpartikeln bei der ZPO Kristallisation aufgezeigt werden: (i) ein Intrakorona- und (ii) ein Extrakorona-Keimbildungsmechanismus. Weiterhin wurde die Effizienz eines Kurzzeit- und Langzeitkorrosionschutzes durch maßgeschneiderte ZPO/ZPT Pigmente und kontrollierte Freisetzung von Phosphationen in zwei Näherungen des Auslösungsgleichgewichts abgeschätzt: (i) durch eine Auswaschungs-methode (thermodynamischer Prozess) und (ii) durch eine pH-Impulsmethode (kinetischer Prozess. Besonders deutlich wird der Ausflösungs-Fällungsmechanismus (d.h. der Metamorphismus). Die wesentliche Rolle den Natriumionen bei der Korrosionshemmung wird durch ein passendes zusammensetzungsabhängiges Auflösungsmodell (ZAAM) beschrieben, das mit dem Befund des Salzsprühteste und der Feuchtigkeitskammertests konsistent ist. Schließlich zeigt diese Arbeit das herausragende Potential funktionalisierter Latices (Polymer) bei der kontrollierten Mineralisation zur Herstellung maßgeschneiderter Zinkphosphat Materialien. Solche Hybridmaterialien werden dringend in der Entwicklung umweltfreundlicher Korrosionsschutzpigmente sowie in der Dentalmedizin benötigt.

Theoretical investigation of the interaction of a polymer film with a nanoparticle

The fundamental aim in our investigation of the interaction of a polymer film with a nanoparticle is the extraction of information on the dynamics of the liquid using a single tracking particle. In this work two theoretical methods were used: one passive, where the motion of the particle measures the dynamics of the liquid, one active, where perturbations in the system are introduced through the particle. In the first part of this investigation a thin polymeric film on a substrate is studied using molecular dynamics simulations. The polymer is modeled via a 'bead spring' model. The particle is spheric and non structured and is able to interact with the monomers via a Lennard Jones potential. The system is micro-canonical and simulations were performed for average temperatures between the glass transition temperature of the film and its dewetting temperature. It is shown that the stability of the nanoparticle on the polymer film in the absence of gravity depends strongly on the form of the chosen interaction potential between nanoparticle and polymer. The relative position of the tracking particle to the liquid vapor interface of the polymer film shows the glass transition of the latter. The velocity correlation function and the mean square displacement of the particle has shown that it is caged when the temperature is close to the glass transition temperature. The analysis of the dynamics at long times shows the coupling of the nanoparticle to the center of mass of the polymer chains. The use of the Stokes-Einstein formula, which relates the diffusion coefficient to the viscosity, permits to use the nanoparticle as a probe for the determination of the bulk viscosity of the melt, the so called 'microrheology'. It is shown that for low frequencies the result obtained using microrheology coincides with the results of the Rouse model applied to the polymer dynamics. In the second part of this investigation the equations of Linear Hydrodynamics are solved for a nanoparticle oscillating above the film. It is shown that compressible liquids have mechanical response to external perturbations induced with the nanoparticle. These solutions show strong velocity and pressure profiles of the liquid near the interface, as well as a mechanical response of the liquid-vapor interface. The results obtained with this calculations can be employed for the interpretation of experimental results of non contact AFM microscopy

Functional hydrogels: ferrogel thin films

Die Kombination magnetischer Nanopartikel (NP) mit temperatursensitiven Polymeren führt zur Bildung neuer Komposit-Materialien mit interessanten Eigenschaften, die auf vielfältige Weise genutzt werden können. Mögliche Anwendungsgebiete liegen in der magnetischen Trennung, der selektiven Freisetzung von Medikamenten, dem Aufbau von Sensoren und Aktuatoren. Als Polymerkomponente können z.B. Hydrogele dienen. Die Geschwindigkeit der Quellgradänderung mittels externer Stimuli kann durch eine Reduzierung des Hydrogelvolumens erhöht werden, da das Quellen ein diffusionskontrollierter Prozess ist. rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde ein durch ultraviolettes Licht vernetzbares Hydrogel aus N-isopropylacrylamid, Methacrylsäure und dem Vernetzer 4-Benzoylphenylmethacrylat hergestellt (PNIPAAm-Hydrogel) und mit magnetischen Nanopartikeln aus Magnetit (Fe3O4) kombiniert. Dabei wurde die Temperatur- und die pH-Abhängigkeit des Quellgrades im Hinblick auf die Verwendung als nanomechanische Cantilever Sensoren (NCS) untersucht. Desweiteren erfolgte eine Charakterisierung durch Oberflächenplasmonen- und optischer Wellenleitermoden-Resonanz Spektroskopie (SPR/OWS). Die daraus erhaltenen Werte für den pKa-Wert und die lower critical solution Temperatur (LCST) stimmten mit den bekannten Literaturwerten überein. Es konnte gezeigt werden, dass eine stärkere Vernetzung zu einer geringeren LCST führt. Die Ergebnisse mittels NCS wiesen zudem auf einen skin-effect während des Heizens von höher vernetzten Polymeren hin.rnDie Magnetit Nanopartikel wurden ausgehend von Eisen(II)acetylacetonat über eine Hochtemperaturreaktion synthetisiert. Durch Variation der Reaktionstemperatur konnte die Größe der hergestellten Nanopartikel zwischen 3.5 und 20 nm mit einer Größenverteilung von 0.5-2.5 nm eingestellt werden. Durch geeignete Oberflächenfunktionalisierung konnten diese in Wasser stabilisiert werden. Dazu wurde nach zwei Strategien verfahren: Zum einen wurden die Nanopartikel mittels einer Silika-Schale funktionalisiert und zum anderen Zitronensäure als Tensid eingesetzt. Wasserstabilität ist vor allem für biologische Anwendungen wünschenswert. Die magnetischen Partikel wurden mit Hilfe von Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), und superconductive quantum interference device (SQUID) charakterisiert. Dabei wurde eine Größenabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften sowie superparamagnetisches Verhalten beobachtet. Außerdem wurde die Wärmeerzeugung der magnetischen Nanopartikel in einem AC Magnetfeld untersucht. rnDie Kombination beider Komponenten in Form eines Ferrogels wurde durch Mischen Benzophenon funktionalisierter magnetischer Nanopartikel mit Polymer erreicht. Durch Aufschleudern (Spin-Coaten) wurden dünne Filme erzeugt und diese im Hinblick auf ihr Verhalten in einem Magnetfeld untersucht. Dabei wurde eine geringes Plastikverhalten beobachtet. Die experimentellen Ergebnisse wurden anschließend mit theoretisch berechneten Erwartungswerten verglichen und mit den unterschiedlichen Werten für dreidimensionale Ferrogele in Zusammenhang gestellt. rn

A review of air–ice chemical and physical interactions (AICI): liquids, quasi-liquids, and solids in snow

Snow in the environment acts as a host to rich chemistry and provides a matrix for physical exchange of contaminants within the ecosystem. The goal of this review is to summarise the current state of knowledge of physical processes and chemical reactivity in surface snow with relevance to polar regions. It focuses on a description of impurities in distinct compartments present in surface snow, such as snow crystals, grain boundaries, crystal surfaces, and liquid parts. It emphasises the microscopic description of the ice surface and its link with the environment. Distinct differences between the disordered air–ice interface, often termed quasi-liquid layer, and a liquid phase are highlighted. The reactivity in these different compartments of surface snow is discussed using many experimental studies, simulations, and selected snow models from the molecular to the macro-scale. Although new experimental techniques have extended our knowledge of the surface properties of ice and their impact on some single reactions and processes, others occurring on, at or within snow grains remain unquantified. The presence of liquid or liquid-like compartments either due to the formation of brine or disorder at surfaces of snow crystals below the freezing point may strongly modify reaction rates. Therefore, future experiments should include a detailed characterisation of the surface properties of the ice matrices. A further point that remains largely unresolved is the distribution of impurities between the different domains of the condensed phase inside the snowpack, i.e. in the bulk solid, in liquid at the surface or trapped in confined pockets within or between grains, or at the surface. While surface-sensitive laboratory techniques may in the future help to resolve this point for equilibrium conditions, additional uncertainty for the environmental snowpack may be caused by the highly dynamic nature of the snowpack due to the fast metamorphism occurring under certain environmental conditions. Due to these gaps in knowledge the first snow chemistry models have attempted to reproduce certain processes like the long-term incorporation of volatile compounds in snow and firn or the release of reactive species from the snowpack. Although so far none of the models offers a coupled approach of physical and chemical processes or a detailed representation of the different compartments, they have successfully been used to reproduce some field experiments. A fully coupled snow chemistry and physics model remains to be developed.

The influence of physical state on shikimic acid ozonolysis: a case for in situ microspectroscopy

Atmospheric soluble organic aerosol material can become solid or semi-solid. Due to increasing viscosity and decreasing diffusivity, this can impact important processes such as gas uptake and reactivity within aerosols containing such substances. This work explores the dependence of shikimic acid ozonolysis on humidity and thereby viscosity. Shikimic acid, a proxy for oxygenated reactive organic material, reacts with O3 in a Criegee-type reaction. We used an environmental microreactor embedded in a scanning transmission X-ray microscope (STXM) to probe this oxidation process. This technique facilitates in situ measurements with single micron-sized particles and allows to obtain near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) spectra with high spatial resolution. Thus, the chemical evolution of the interior of the particles can be followed under reaction conditions. The experiments show that the overall degradation rate of shikimic acid is depending on the relative humidity in a way that is controlled by the decreasing diffusivity of ozone with decreasing humidity. This decreasing diffusivity is most likely linked to the increasing viscosity of the shikimic acid–water mixture. The degradation rate was also depending on particle size, most congruent with a reacto-diffusion limited kinetic case where the reaction progresses only in a shallow layer within the bulk. No gradient in the shikimic acid concentration was observed within the bulk material at any humidity indicating that the diffusivity of shikimic acid is still high enough to allow its equilibration throughout the particles on the timescale of hours at higher humidity and that the thickness of the oxidized layer under dry conditions, where the particles are solid, is beyond the resolution of STXM.

X-Ray Diffraction, Calorimetric and Dielectric Relaxation Study of the Amorphous and Smectic States of a Main Chain Liquid Crystalline Polymer

Los polímeros cristales líquidos (LCP) son sistemas complejos que forman mesofases que presentan orden orientacional y polímeros amorfos. Con frecuencia, el estado amorfo isotrópico no puede ser estudiado debido a la rápida formación de mesofases. En este trabajo se ha sintetizado y estudiado un nuevo LCP: poli(trietilenglicol metil p, p '-bibenzoato), PTEMeB. Este polímero presenta una formación de mesofase bastante lenta haciendo posible estudiar de forma independiente tanto los estados amorfo y de cristal líquidos. La estructura y las transiciones de fase del PTEMeB han sido investigados por calorimetría (DSC), con MAXS / WAXS con temperatura variable que emplean radiación de sincrotrón y con difracción de rayos X. Estos estudios han mostrado la existencia de dos transiciones vítreas, relacionadas con las fases amorfa y cristal líquido. Se ha realizado un estudio de relajación dieléctrica en amplios intervalos de temperatura y presión. Se ha encontrado que la transición vítrea dinámica de la fase amorfa es más lenta que la del cristal líquido. El estudio de la relajación ? nos ha permitido seguir la formación isoterma de la mesofase a presión atmosférica. Además, con el estudio el comportamiento dinámico a alta presión se ha encontrado que se produce la formación rápida de la mesofase inducida por cambios bruscos de presión. Liquid crystalline polymers (LCPs) are complex systems that include features of both orientationally ordered mesophases and amorphous polymers. Frequently, the isotropic amorphous state cannot be studied due to the rapid mesophase formation. Here, a new main chain LCP, poly(triethyleneglycol methyl p,p'-bibenzoate), PTEMeB, has been synthesized. It shows a rather slow mesophase formation making possible to study independently both the amorphous and the liquid crystalline states. The structure and phase transitions of PTEMeB have been investigated by calorimetry, variable-temperature MAXS/WAXS employing synchrotron radiation, and X-ray diffraction in oriented fibers. These experiments have pointed out the presence of two glass transitions, related to the amorphous or to the liquid crystal phases. Additionally, the mesophase seems to be a coexistence of orthogonal and tilted smectic phases. A dielectric relaxation study of PTEMeB over broad ranges of temperature and pressure has been performed. The dynamic glass transition turns out to be slower for the amorphous state than for the liquid crystal. Monitoring of the α relaxation has allowed us to follow the isothermal mesophase formation at atmospheric pressure. Additionally, the dynamical behavior at high pressures has pointed out the fast formation of the mesophase induced by sudden pressure changes.

Abridged scientific publications from Kodak Laboratories.

An abridgement of articles previously published in various scientific journals.

Fluorinated-plasma modification of polyetherimide films

Ultem 1000 polyetherimide films prepared by cast-evaporating technique were covered with a 1H,1H,2H-tridecafluoro-oct-1-ene (PFO) plasma-polymerized layer. The effects of the plasma exposure time on the surface composition were studied by X-ray photoelectron spectroscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, and surface energy analysis. The surface topography of the plasma layer was deduced from scanning electron microscopy. The F/C ratio for plasma-polymerized PFO under the input RF power of 50 W can be as high as 1.30 for 480 s and similar to 0.4-2 at % of oxygen was detected, resulting from the reaction of long-lived radicals in the plasma polymer with atmospheric oxygen. The plasma deposition of fluorocarbon coating from plasma PFO reduces the surface energy from 46 to 18.3 mJ m(-2). (c) 2006 Wiley Periodicals, Inc.

Single-molecule dynamic triangulation

A proposal for using single molecules as nanoprobes capable of detecting the trajectory of an elementary charge is discussed in detail. Presented numerical simulations prove that this singlemolecule technique allows determination of a three-dimensional single-electron displacement within a few seconds with an accurocy better than 0.006 nm. Surprisingly, this significantly exceeds the accuracy with which the probe;, molecule itself can be localized (given the same measuring time by means of single-molecule microscopy. It is also shown that the optimal concentration of probe molecules in the vicinity of:the electron (i.e. the concentration which provides the best accuracy of the inferred electron displacement) is of the order of 10(-5) m.

Hydrogen generation from liquid phase catalytic reforming of sugar solutions using metal-supported catalysts

Most of the hydrogen production processes are designed for large-scale industrial uses and are not suitable for a compact hydrogen device to be used in systems like solid polymer fuel cells. Integrating the reaction step, the gas purification and the heat supply can lead to small-scale hydrogen production systems. The aim of this research is to study the influence of several reaction parameters on hydrogen production using liquid phase reforming of sugar solution over Pt, Pd, and Ni supported on nanostructured supports. It was found that the desired catalytic pathway for H-2 production involves cleavage of C-C, C-H and O-H bonds that adsorb on the catalyst surface. Thus a good catalyst for production of H2 by liquid-phase reforming must facilitate C-C bond cleavage and promote removal of adsorbed CO species by the water-gas shift reaction, but the catalyst must not facilitate C-O bond cleavage and hydrogenation of CO or CO2. Apart from studying various catalysts, a commercial Pt/gamma-alumina catalyst was used to study the effect of temperature at three different temperatures of 458, 473 and 493 K. Some of the spent catalysts were characterised using TGA, SEM and XRD to study coke deposition. The amorphous and organised form of coke was found on the surface of the catalyst. (C) 2006 International Association for Hydrogen Energy. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Unravelling the photodegradation mechanisms of a low bandgap polymer by combining experimental and modeling approaches

Large-scale introduction of Organic Solar Cells (OSCs) onto the market is currently limited by their poor stability in light and air, factors present in normal working conditions for these devices. Thus, great efforts have to be undertaken to understand the photodegradation mechanisms of their organic materials in order to find solutions that mitigate these effects. This study reports on the elucidation of the photodegradation mechanisms occurring in a low bandgap polymer, namely, Si-PCPDTBT (poly[(4,4′-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2′,3′-d]silole)-2,6-diyl-alt-(4,7-bis(2-thienyl)-2,1,3-benzothiadiazole)-5,5′-diyl]). Complementary analytical techniques (AFM, HS-SPME-GC-MS, UV-vis and IR spectroscopy) have been employed to monitor the modification of the chemical structure of the polymer upon photooxidative aging and the subsequent consequences on its architecture and nanomechanical properties. Furthermore, these different characterization techniques have been combined with a theoretical approach based on quantum chemistry to elucidate the evolution of the polymer alkyl side chains and backbone throughout exposure. Si-PCPDTBT is shown to be more stable against photooxidation than the commonly studied p-type polymers P3HT and PCDTBT, while modeling demonstrated the benefits of using silicon as a bridging atom in terms of photostability. (Figure Presented).