Design and development of new green catalytic methodologies for the synthesis of enantiomerically enriched molecules

The following Ph.D work was mainly focused on catalysis, as a key technology, to achieve the objectives of sustainable (green) chemistry. After introducing the concepts of sustainable (green) chemistry and an assessment of new sustainable chemical technologies, the relationship between catalysis and sustainable (green) chemistry was briefly discussed and illustrated via an analysis of some selected and relevant examples. Afterwards, as a continuation of the ongoing interest in Dr. Marco Bandini’s group on organometallic and organocatalytic processes, I addressed my efforts to the design and development of novel catalytic green methodologies for the synthesis of enantiomerically enriched molecules. In the first two projects the attention was focused on the employment of solid supports to carry out reactions that still remain a prerogative of omogeneous catalysis. Firstly, particular emphasis was addressed to the discovery of catalytic enantioselective variants of nitroaldol condensation (commonly termed Henry reaction), using a complex consisting in a polyethylene supported diamino thiopene (DATx) ligands and copper as active species. In the second project, a new class of electrochemically modified surfaces with DATx palladium complexes was presented. The DATx-graphite system proved to be efficient in promoting the Suzuki reaction. Moreover, in collaboration with Prof. Wolf at the University of British Columbia (Vancouver), cyclic voltammetry studies were reported. This study disclosed new opportunities for carbon–carbon forming processes by using heterogeneous, electrodeposited catalyst films. A straightforward metal-free catalysis allowed the exploration around the world of organocatalysis. In fact, three different and novel methodologies, using Cinchona, Guanidine and Phosphine derivatives, were envisioned in the three following projects. An interesting variant of nitroaldol condensation with simple trifluoromethyl ketones and also their application in a non-conventional activation of indolyl cores by Friedel-Crafts-functionalization, led to two novel synthetic protocols. These approaches allowed the preparation of synthetically useful trifluoromethyl derivatives bearing quaternary stereocenters. Lastly, in the sixth project the first γ-alkylation of allenoates with conjugated carbonyl compounds was envisioned. In the last part of this Ph.D thesis bases on an extra-ordinary collaboration with Prof. Balzani and Prof. Gigli, I was involved in the synthesis and characterization of a new type of heteroleptic cyclometaled-Ir(III) complexes, bearing bis-oxazolines (BOXs) as ancillary ligands. The new heteroleptic complexes were fully characterized and in order to examine the electroluminescent properties of FIrBOX(CH2), an Organic Light Emitting Device was realized.

Von zwei- zu dreidimensionalen Graphitausschnitten

Zusammenfassung: 'Von zwei- zu dreidimensionalen Graphitausschnitten'Dissertation Florian Dötz Die vorliegende Arbeit zeichnet den synthetischen Weg von zwei- zu dreidimensionalen Graphitausschnitten nach und thematisiert insbesondere die Schnittstelle dieser beiden Bereiche, die durch den Übergang von planaren Systemen zu räumlichen Strukturen verkörpert wird und daher die Darstellung nicht-planarer polycyclischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAH) vorsieht. Diese Zielsetzung mündet in einer dreiteiligen Gliederung der angefertigten Dissertation und sieht im ersten Teil die Synthese planarer Graphitsegmente durch oxidative Cyclodehydrierung entsprechender Oligophenylvorläufer mit Eisen(III)chlorid vor, gefolgt von der Darstellung nicht-planarer PAHs mit denselben oxidativen Methoden sowie der Präparation und Charakterisierung dreidimensionaler, supramolekularer PAH-Aggregate.Der erste Abschnitt beschreibt die Synthese von kleineren PAHs als Modellverbindung für größere Systeme und ihre UV-spektroskopische Charakterisierung. Daran anknüpfend wird die Synthese mehrerer heteroatomsubstituierter Derivate des Hexa-peri-hexabenzocoronens (HBC) vorgestellt und ihre flüssigkristallinen Eigenschaften eingehend untersucht. Dabei wurde mit der oxidativen Cyclodehydrierung geeigneter Vorläufer auf Einkristalloberflächen ein neuer Weg zur Synthese dieser Verbindungen etabliert.Im Zentrum des zweiten Teils dieser Arbeit stand die Induktion von Nichtplanarität in ausgedehnten PAHs mit den im ersten Abschnitt entwickelten Synthesekonzepten. Hier konnte mit der erfolgreichen Darstellung eines 18fach methoxysubstituierten HBC-Derivats eine erstaunliche Krümmung des aromatischen Systems erreicht werden, wie durch Kristallstrukturanalyse gezeigt wurde. Anhand mehrerer Beispiele wurde ebenso die Leistungsfähigkeit der verwendeten Cyclodehydrierungsmethode verdeutlicht, da viele Vorläufermoleküle gegenüber den Reaktionsbedingungen nicht inert sind.Der letzte Teil dieser Arbeit beschreibt schließlich die Präparation und Charakterisierung dreidimensionaler, supramolekularer PAH-Aggregate auf der Basis von HBC-Amiden, deren Eigenschaften sich durch eine sorgfältige Wahl der jeweiligen Monomerbausteine manipulieren lassen. Bei Verwendung von chiralen Monomeren wird hier die Expression von supramolekularer Chiralität erreicht und durch spektroskopische und chiroptische Methoden belegt.

Entwicklung und Test eines Röntgeninterferometers auf der Basis von Übergangsstrahlung

In der vorliegenden Arbeit werden Entwicklung und Test einesneuartigen Interferometers mit zwei örtlich separierten,phasenkorrelierten Röntgenquellen zur Messung des Realteilsdes komplexen Brechungsindex von dünnen, freitragendenFolien beschrieben. Die Röntgenquellen sind zwei Folien, indenen relativistische Elektronen der Energie 855 MeVÜbergangsstrahlung erzeugen. Das am Mainzer Mikrotron MAMIrealisierte Interferometer besteht aus einer Berylliumfolieeiner Dicke von 10 Mikrometer und einer Nickel-Probefolieeiner Dicke von 2.1 Mikrometer. Die räumlichenInterferenzstrukturen werden als Funktion desFolienabstandes in einer ortsauflösenden pn-CCD nach derFourier-Analyse des Strahlungsimpulses mittels einesSilizium-Einkristallspektrometers gemessen. Die Phase derIntensitätsoszillationen enthält Informationen über dieDispersion, die die in der strahlaufwärtigen Folie erzeugteWelle in der strahlabwärtigen Probefolie erfährt. AlsFallstudie wurde die Dispersion von Nickel im Bereich um dieK-Absorptionskane bei 8333 eV, sowie bei Photonenenergien um9930 eV gemessen. Bei beiden Energien wurden deutlicheInterferenzstrukturen nachgewiesen, wobei die Kohärenz wegenWinkelmischungen mit steigendem Folienabstand bzw.Beobachtungswinkel abnimmt. Es wurden Anpassungen vonSimulationsrechnungen an die Messdaten durchgeführt, die diekohärenzvermindernden Effekte berücksichtigen. Aus diesenAnpassungen konnte bei beiden untersuchten Energien dieDispersion der Nickelprobe mit einer relativen Genauigkeitvon kleiner gleich 1.5 % in guter Übereinstimmung mit derLiteratur bestimmt werden.

Bestimmung der Ionisationsenergie von Actinium und Ultraspurenanalyse von Plutonium mit resonanter Ionisationsmassenspektrometrie (RIMS)

ZusammenfassungDie Resonanzionisationsmassenspektrometrie (RIMS) verbindet hohe Elementselektivität mit guter Nachweiseffizienz. Aufgrund dieser Eigenschaften ist die Methode für Ultraspurenanalyse und Untersuchungen an seltenen oder schwer handhabbaren Elementen gut geeignet. Für RIMS werden neutrale Atome mit monochromatischem Laserlicht ein- oder mehrfach resonant auf energetisch hoch liegende Niveaus angeregt und anschließend durch einen weiteren Laserstrahl oder durch ein elektrisches Feld ionisiert. Die Photoionen werden in einem Massenspektrometer massenselektiv registriert.Ein Beispiel für die Anwendung von RIMS ist die präzise Bestimmung der Ionisationsenergie als fundamentale physikalisch-chemische Eigenschaft eines bestimmten Elements; insbesondere bei den Actinoiden ist die Kenntnis der Ionisationsenergie von Interesse, da es dort bis zur Anwendung der laser-massenspektroskopischer Methode nur wenige experimentelle Daten gab. Die Bestimmung der Ionisationsenergie erfolgt durch die Methode der Photoionisation im elektrischen Feld gemäß dem klassischen Sattelpunktsmodell. Im Experiment werden neutrale Atome in einem Atomstrahl mittels Laserlicht zunächst resonant angeregt. Die angeregten Atome befinden sich in einem äußeren, statischen elektrischen Feld und werden durch einen weiteren Laserstrahl, dessen Wellenlänge durchgestimmt wird, ionisiert. Das Überschreiten der Laserschwelle macht sich durch einen starken Anstieg im Ionensignal bemerkbar. Man führt diese Messung bei verschiedenen elektrischen Feldstärken durch und erhält bei Auftragen der Ionisationsschwellen gegen die Wurzel der elektrischen Feldstärke durch Extrapolation auf die Feldstärke Null die Ionisationsenergie.Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Ionisationsenergie von Actinium erstmalig zu 43398(3) cm-1 º 5,3807(4) eV experimentell bestimmt. Dazu wurden Actiniumatome zunächst einstufig resonant mit einem Laser mit einer Wellenlänge von 388,67 nm auf einen Zustand bei 25729,03 cm-1 angeregt und anschließend mit Laserlicht mit einer Wellenlänge von ca. 568 nm ionisiert. Damit sind die Ionisationsenergien aller Actinoiden bis einschließlich Einsteinium mit Ausnahme von Protactinium bekannt. Als Atomstrahlquelle wird ein spezielles 'Sandwichfilament' benutzt, bei dem das Actinoid als Hydroxid auf eine Tantalfolie aufgebracht und mit einer reduzierenden Deckschicht überzogen wird. Das Actinoid dampft bei Heizen dieser Anordnung atomar ab. Bei den schwereren Actinoiden wurde Titan als Deckschicht verwendet. Um einen Actiniumatomstrahl zu erzeugen, wurde aufgrund der hohen Abdampftemperaturen statt Titan erstmals Zirkonium eingesetzt. Bei Protactinium wurde Thorium, welches noch stärkere Reduktionseigenschaften aufweist, als Deckmaterial eingesetzt. Trotzdem gelang es mit der 'Sandwichtechnik' nicht, einen Protactiniumatomstrahl zu erzeugen. In der Flugzeitapparatur wurde lediglich ein Protactinium-monoxidionensignal detektiert. Um ein erst seit kurzem verfügbares Fest-körperlasersystem zu explorieren, wurden zusätzlich noch die bekannten Ionisations-ener-gien von Gadolinium und Plutonium erneut bestimmt. Die gemessenen Werte stimmen mit Literaturdaten gut überein.Ferner wurde noch ein bestehender Trennungsgang für Plutonium aus Umweltproben auf die Matrices Meerwasser und Hausstaub angepasst und für die Bestimmung von Plutonium und dessen Isotopenzusammensetzung in verschiedenen Probenreihen mittels RIMS eingesetzt. Der modifizierte Trennungsgang ermöglicht das schnelle Aufarbeiten von großen Probenmengen für Reihenuntersuchungen von Plutoniumkontaminationen. Die ermittelten Gehalten an 239Pu lagen zwischen 8,2*107 Atome pro 10 l Meerwasserprobe und 1,7*109Atome pro Gramm Staubprobe.

Advanced lithium and lithium-ion rechargeable batteries for automotive applications

The worldwide demand for a clean and low-fuel-consuming transport promotes the development of safe, high energy and power electrochemical storage and conversion systems. Lithium-ion batteries (LIBs) are considered today the best technology for this application as demonstrated by the recent interest of automotive industry in hybrid (HEV) and electric vehicles (EV) based on LIBs. This thesis work, starting from the synthesis and characterization of electrode materials and the use of non-conventional electrolytes, demonstrates that LIBs with novel and safe electrolytes and electrode materials meet the targets of specific energy and power established by U.S.A. Department of Energy (DOE) for automotive application in HEV and EV. In chapter 2 is reported the origin of all chemicals used, the description of the instruments used for synthesis and chemical-physical characterizations, the electrodes preparation, the batteries configuration and the electrochemical characterization procedure of electrodes and batteries. Since the electrolyte is the main critical point of a battery, in particular in large- format modules, in chapter 3 we focused on the characterization of innovative and safe electrolytes based on ionic liquids (characterized by high boiling/decomposition points, thermal and electrochemical stability and appreciable conductivity) and mixtures of ionic liquid with conventional electrolyte. In chapter 4 is discussed the microwave accelerated sol–gel synthesis of the carbon- coated lithium iron phosphate (LiFePO 4 -C), an excellent cathode material for LIBs thanks to its intrinsic safety and tolerance to abusive conditions, which showed excellent electrochemical performance in terms of specific capacity and stability. In chapter 5 are presented the chemical-physical and electrochemical characterizations of graphite and titanium-based anode materials in different electrolytes. We also characterized a new anodic material, amorphous SnCo alloy, synthetized with a nanowire morphology that showed to strongly enhance the electrochemical stability of the material during galvanostatic full charge/discharge cycling. Finally, in chapter 6, are reported different types of batteries, assembled using the LiFePO 4 -C cathode material, different anode materials and electrolytes, characterized by deep galvanostatic charge/discharge cycles at different C-rates and by test procedures of the DOE protocol for evaluating pulse power capability and available energy. First, we tested a battery with the innovative cathode material LiFePO 4 -C and conventional graphite anode and carbonate-based electrolyte (EC DMC LiPF 6 1M) that demonstrated to surpass easily the target for power-assist HEV application. Given that the big concern of conventional lithium-ion batteries is the flammability of highly volatile organic carbonate- based electrolytes, we made safe batteries with electrolytes based on ionic liquid (IL). In order to use graphite anode in IL electrolyte we added to the IL 10% w/w of vinylene carbonate (VC) that produces a stable SEI (solid electrolyte interphase) and prevents the graphite exfoliation phenomenon. Then we assembled batteries with LiFePO 4 -C cathode, graphite anode and PYR 14 TFSI 0.4m LiTFSI with 10% w/w of VC that overcame the DOE targets for HEV application and were stable for over 275 cycles. We also assembled and characterized ―high safety‖ batteries with electrolytes based on pure IL, PYR 14 TFSI with 0.4m LiTFSI as lithium salt, and on mixture of this IL and standard electrolyte (PYR 14 TFSI 50% w/w and EC DMC LiPF 6 50% w/w), using titanium-based anodes (TiO 2 and Li 4 Ti 5 O 12 ) that are commonly considered safer than graphite in abusive conditions. The batteries bearing the pure ionic liquid did not satisfy the targets for HEV application, but the batteries with Li 4 Ti 5 O 12 anode and 50-50 mixture electrolyte were able to surpass the targets. We also assembled and characterized a lithium battery (with lithium metal anode) with a polymeric electrolyte based on poly-ethilenoxide (PEO 20 – LiCF 3 SO 3 +10%ZrO 2 ), which satisfied the targets for EV application and showed a very impressive cycling stability. In conclusion, we developed three lithium-ion batteries of different chemistries that demonstrated to be suitable for application in power-assist hybrid vehicles: graphite/EC DMC LiPF 6 /LiFePO 4 -C, graphite/PYR 14 TFSI 0.4m LiTFSI with 10% VC/LiFePO 4 -C and Li 4 T i5 O 12 /PYR 14 TFSI 50%-EC DMC LiPF 6 50%/LiFePO 4 -C. We also demonstrated that an all solid-state polymer lithium battery as Li/PEO 20 –LiCF 3 SO 3 +10%ZrO 2 /LiFePO 4 -C is suitable for application on electric vehicles. Furthermore we developed a promising anodic material alternative to the graphite, based on SnCo amorphous alloy.

Strahlungsbegleitete Pion-Photoproduktion am Proton

Im Jahre 1997 wurden von Tatischeff et al. bei der Reaktion p p -> X p pi+ resonanzartige Zustände im Spektrum der invarianten Masse des fehlenden Nukleons X bei M = 1004, 1044 und 1094 MeV gefunden. In einem zweiten Experiment von Filkov et al. beobachtete man bei der Reaktion p d -> p p X Resonanzstrukturen bei M = 966, 986 und 1003 MeV. Solche exotischen Resonanzen widersprechen etablierten Nukleonenmodellen, die die Delta(1232)-Resonanz als ersten Anregungszustand beschreiben. Zur Deutung der beobachteten Strukturen wurden Quarkcluster-Modelle mit und ohne Farb-Magnet-Wechselwirkungen entwickelt. Lvov et al. zweifelten die experimentellen Ergebnisse an, da keine Strukturen in den Daten zur reellen Comptonstreuung gefunden wurden. Als Gegenargument wurde von Kobushkin vorgeschlagen, dass diese Resonanzen eine total-antisymmetrische Spin-Flavour-Wellenfunktion haben und nur der N-2Gamma-Zerfall erlaubt wäre. In dieser Arbeit wurde die Reaktion g p -> X pi+ -> n g g pi+ zur Suche nach diesen exotischen Resonanzen verwendet. Die Daten wurden parallel zur Messung der Pion-Polarisierbarkeiten am Mainzer Beschleuniger MAMI genommen. Durch Bremsstrahlung der Elektronen an einer Radiatorfolie wurden reelle Photonen erzeugt, deren Energie von der A2-Photonenmarkierungsanlage (Glasgow-Tagger) bestimmt wurde. Als Protontarget wurde ein 10 cm langes Flüssigwasserstoff-Target verwendet. Geladene Reaktionsprodukte wurden unter Vorwärtswinkeln Theta < 20 Grad bezüglich der Strahlachse in einer Vieldraht-Proportionalkammer nachgewiesen, während Photonen im Spektrometer TAPS mit 526 BaF2-Kristallen unter Polarwinkeln Theta > 60 Grad detektiert wurden. Zum Nachweis von Neutronen stand ein Flugzeitdetektor mit insgesamt 111 Einzelmodulen zur Verfügung. Zum Test der Analysesoftware und des experimentellen Aufbaus wurden zusätzlich die Reaktionskanäle g p -> p pi0 und g p -> n pi0 pi+ ausgewertet. Für die Ein-Pion-Produktion wurden differentielle Wirkungsquerschnitte unter Rückwärtswinkeln bestimmt und mit theoretischen Modellen und experimentellen Werten verglichen. Für den Kanal g p -> n pi0 pi+ wurden Spektren invarianter Massen für verschiedene Teilchenkombinationen ermittelt und mit einer Simulation verglichen. Die Daten legen nahe, dass die Reaktion hauptsächlich über eine Anregung der Delta0(1232)-Resonanz verläuft. Bei der Suche nach exotischen Resonanzen wurden keine statistisch signifikanten Strukturen gefunden. Es wurden Obergrenzen für den differentiellen Wirkungsquerschnitt ermittelt.

Photoemissions-Elektronenmikroskopie an Adsorbatsystemen

Die Photoemissions-Elektronenmikroskopie ist eine hervorragend geeignete Methode zur Untersuchung dynamischer Vorgänge auf realen polykristallinen Oberflächen im sub-μm Bereich. Bei der Anwendung auf Adsorbatsysteme lassen sich geringe Bedeckungsunterschiede, sowie Adsorbatstrukturen und -phasen unterscheiden. Die Methode erlaubt dabei ein breites Anwendungsspektrum über weite Temperaturbereiche und Systeme unterschiedlichster Bindungsenergie. Bei der Chemisorption von Sauerstoff auf polykristallinen Metallen wird unterschiedliches Aufwachsverhalten in den Helligkeitswerten im Mikroskopbild widergespiegelt. Bei Kupferproben zeigen Oberflächen mit unterschiedlicher kristalliner Richtung aufgrund der Symmetrie des fcc-Gitters ein ähnliches Verhalten. Das hexagonale Gitter des Titans zeigt dagegen große Unterschiede im Adsorptionsverhalten in Abhängigkeit der kristallinen Richtung. Diese Unterschiede konnten auf verschiedene Haftkoeffizienten und Oxidationsstufen der Metalle zurückgeführt werden. In einem Modell zur Photostromanalyse konnte beim Kupfer der Übergang von verschiedenen Überstrukturen bei wachsender Bedeckung gezeigt und die Übergänge ermittelt werden.. Auf den Titanoberflächen wurde so das Wachstum der Oxide TiO, TiO₂ und Ti₂O₃ unterschieden und die Übergänge des unterschiedlichen Wachstums ermittelt. Bei der thermischen Desorption der Schichten konnten unterschiedliche Haftkoeffizient auf einzelnen Kristalliten qualitativ gezeigt werden. Diese erstmalig eingesetzte Analysemethode weist Ähnlichkeiten zur Thermo-Desorptions-Spektroskopie (TDS) auf, zeigt jedoch ortsaufgelöst lokale Unterschiede auf polykristallinen Oberflächen. Bei thermisch gestützten Oberflächenreaktionen ließen sich die Reaktionskeime deutlich identifizieren und mit einer Grauwertanalyse konnte die Oxidation der karbidischen Lagen zu Kohlenmonoxid und die Metalloxidation unterschieden werden. Dabei konnte gezeigt werden, daß die Reaktionskeime nur an Plattengrenzen auftreten, nicht jedoch auf der Oberfläche. Durch die Aufrauhung der Plattengrenzen mit zunehmender Reaktionsdauer nimmt die Zahl der Reaktionskeime kontinuierlich zu, die laterale Ausdehnung der Einzelreaktionen bleibt aber konstant. Bei der Physisorption von Xenon auf Graphit wurde erstmals für die Photoemissionsmikroskopie die resonanten Anregung ausgenutzt. Die verschiedenen Phasen des Adsorbats können dabei deutlich unterschieden werden; bei niedrigen Temperaturen (40K) findet ein gleichmäßiges Wachstum auf der gesamten Oberfläche statt, bei höheren Temperaturen von 60-65K ist dagegen ein Inselwachstum in verschiedenen Phasen zu beobachten. Die zeitliche Entwicklung des Wachstums, die örtliche Lage der Phasen und die Phasenübergänge (gas, fest inkommensurabel, fest kommensurabel) konnten bestimmt werden. Bei der Desorption der Schichten konnten die einzelnen Phasen ebenfalls getrennt werden und das unterschiedliche Desorptionsverhalten sowie die Phasenübergänge selber verifiziert werden.

Theoretical and numerical study of the laser-plasma ion acceleration

The laser driven ion acceleration is a burgeoning field of resarch and is attracting a growing number of scientists since the first results reported in 2000 obtained irradiating thin solid foils by high power laser pulses. The growing interest is driven by the peculiar characteristics of the produced bunches, the compactness of the whole accelerating system and the very short accelerating length of this all-optical accelerators. A fervent theoretical and experimental work has been done since then. An important part of the theoretical study is done by means of numerical simulations and the most widely used technique exploits PIC codes (“Particle In Cell'”). In this thesis the PIC code AlaDyn, developed by our research group considering innovative algorithms, is described. My work has been devoted to the developement of the code and the investigation of the laser driven ion acceleration for different target configurations. Two target configurations for the proton acceleration are presented together with the results of the 2D and 3D numerical investigation. One target configuration consists of a solid foil with a low density layer attached on the irradiated side. The nearly critical plasma of the foam layer allows a very high energy absorption by the target and an increase of the proton energy up to a factor 3, when compared to the ``pure'' TNSA configuration. The differences of the regime with respect to the standard TNSA are described The case of nearly critical density targets has been investigated with 3D simulations. In this case the laser travels throughout the plasma and exits on the rear side. During the propagation, the laser drills a channel and induce a magnetic vortex that expanding on the rear side of the targer is source of a very intense electric field. The protons of the plasma are strongly accelerated up to energies of 100 MeV using a 200PW laser.

Synthesis and characterization of new discotic polycyclic aromatic hydrocarbons and related pyrolytic nanostructures

Diskotische Hexa-peri-hexabenzocoronene (HBC) als molekulare, definierte graphitische Substrukturen sind bereits seit langem Gegenstand von Untersuchungen zu der Delokalisierung von π-Elektronen. In dieser Arbeit wurden zusätzlich Platin-Komplexe in das periphere Substitutionsmuster von HBC eingeführt. Dies führte zu einer Verbesserung der Emission von dem angeregten Triplett-Zustand in den Singulett-Grundzustand mit einer zusätzlichen Verlängerung der Lebensdauer des angeregten Zustandes. Zusätzlich erlaubte diese Konfiguration ein schnelles Intersystem-Crossing mittels einer verstärkten Spin-Orbit Kopplung, die sowohl bei tiefen Temperaturen, als auch bei Raumtemperatur exklusiv zu Phosphoreszenz (T1→S0) führte. Das Verständniss über solche Prozesse ist auch essentiell für die Entwicklung verbesserter opto-elektronischer Bauteile. Die Erstellung von exakt definierten molekularen Strukturen, die speziell für spezifische Interaktionen hergestellt wurden, machten eine Inkorporation von hydrophoben-hydrophilen, wasserstoffverbrückten oder elektrostatischen funktionalisierten Einheiten notwendig, um damit den supramolekularen Aufbau zu kontrollieren. Mit Imidazolium-Salzen funktionalisierte HBC Derivate wurden zu diesem Zwecke hergestellt. Eine interessante Eigenschaft dieser Moleküle ist ihre Amphiphilie. Dies gestattete die Untersuchung ihrer Eigenschaften in einem polaren Solvens und sowohl der Prozessierbarkeit als auch der Faserbildung auf Siliziumoxid-Trägern. Abhängig vom Lösungsmittel und der gewählten Konditionen konnten hochkristalline Fasern erhalten werden. Durch eine Substitution der HBCs mit langen, sterisch anspruchsvollen Seitenketten, konnte durch eine geeignete Prozessierung eine homöotrope Ausrichtung auf Substraten erreicht werden, was dieses Material interessant für photovoltaische Applikationen macht. Neuartige Polyphenylen-Metall-Komplexe mit diskotischen, linearen und dendritischen Geometrien wurden mittels einer einfachen Reaktion zwischen Co2(CO)8 und Ethinyl-Funktionalitäten in Dichlormethan hergestellt. Nach der Pyrolyse dieser Komplexe ergaben sich unterschiedliche Kohlenstoff-Nanopartikel, inklusive Nanoröhren, graphitischen Nanostäben und Kohlenstoff/Metall Hybrid Komplexe, die durch Elektronenmikroskopie untersucht wurden. Die resultierenden Strukturen waren dabei abhängig von der Zusammensetzung und Struktur der Ausgangssubstanzen. Anhand dieser Resultate ergeben sich diverse Möglichkeiten, um den Mechanismus, der zur Herstellung graphitischer Nanopartikel führt, besser zu verstehen.

Characterization of inclusions and their distribution in natural and artificial samples by synchrotron cryo-micro-tomography (SCXRT)

Zur geometrischen Vermessung und Beschreibung von Einschlüssen in natürlichen sowie im Labor geschaffenen Eispartikeln wurde ein neuartiger Versuchaufbau an der Tomographie-Endstation der Material Science Beam Line an der Swiss Light Source (SLS, Paul Scherrer Institut, Villigen, Schweiz) entwickelt. Dieser besteht aus einer Plexiglas-Tasse und einem doppelwandigen Kaptonfolien-Käfig, der wiederum auf die Düse eines CryojetXL (Oxford Instruments) montiert wurde. Abgesehen von dem hohen Maß an Flexibilit¨at bez¨uglich der Installation erlaubt es dieser Aufbau, die Temperatur des Experiments mit einer Genauigkeit von ± 1 K über einen Bereich von 271 K bis 220 K zu regeln. In den hier beschriebenen Experimenten wurde eine räumliche Auflösung von 1.4 µm erzielt.

Numerical Modelling of Graphene Nanoribbon-fets for Analog and Digital Applications

Graphene, that is a monolayer of carbon atoms arranged in a honeycomb lattice, has been isolated only recently from graphite. This material shows very attractive physical properties, like superior carrier mobility, current carrying capability and thermal conductivity. In consideration of that, graphene has been the object of large investigation as a promising candidate to be used in nanometer-scale devices for electronic applications. In this work, graphene nanoribbons (GNRs), that are narrow strips of graphene, for which a band-gap is induced by the quantum confinement of carriers in the transverse direction, have been studied. As experimental GNR-FETs are still far from being ideal, mainly due to the large width and edge roughness, an accurate description of the physical phenomena occurring in these devices is required to have valuable predictions about the performance of these novel structures. A code has been developed to this purpose and used to investigate the performance of 1 to 15-nm wide GNR-FETs. Due to the importance of an accurate description of the quantum effects in the operation of graphene devices, a full-quantum transport model has been adopted: the electron dynamics has been described by a tight-binding (TB) Hamiltonian model and transport has been solved within the formalism of the non-equilibrium Green's functions (NEGF). Both ballistic and dissipative transport are considered. The inclusion of the electron-phonon interaction has been taken into account in the self-consistent Born approximation. In consideration of their different energy band-gap, narrow GNRs are expected to be suitable for logic applications, while wider ones could be promising candidates as channel material for radio-frequency applications.

Point defects in carbon nanostructures studied by in-situ electron microscopy

In the present work, the formation and migration of point defects induced by electron irradiation in carbon nanostructures, including carbon onions, nanotubes and graphene layers, were investigated by in-situ TEM. The mobility of carbon atoms normal to the layers in graphitic nanoparticles, the mobility of carbon interstitials inside SWCNTs, and the migration of foreign atoms in graphene layers or in layers of carbon nanotubes were studied. The diffusion of carbon atoms in carbon onions was investigated by annealing carbon onions and observing the relaxation of the compressed clusters in the temperature range of 1200 – 2000oC. An activation energy of 5.0±0.3 eV was obtained. This rather high activation energy for atom exchange between the layers not only prevents the exchange of carbon atoms between the layers at lower temperature but also explains the high morphological and mechanical stability of graphite nanostructures. The migration of carbon atoms in SWCNTs was investigated quantitatively by cutting SWCNT bundles repeatedly with a focused electron beam at different temperatures. A migration barrier of about 0.25 eV was obtained for the diffusion of carbon atoms inside SWCNTs. This is an experimental confirmation of the high mobility of interstitial atoms inside carbon nanotubes, which corroborates previously developed theoretical models of interstitial diffusivity. Individual Au and Pt atoms in one- or two-layered graphene planes and MWCNTs were monitored in real time at high temperatures by high-resolution TEM. The direct observation of the behavior of Au and Pt atoms in graphenic structures in a temperature range of 600 – 700°C allows us to determine the sites occupied by the metal atoms in the graphene layer and the diffusivities of the metal atoms. It was found that metal atoms were located in single or multiple carbon vacancies, not in off-plane positions, and diffused by site exchange with carbon atoms. Metal atoms showed a tendency to form clusters those were stable for a few seconds. An activation energy of around 2.5 eV was obtained for the in-plane migration of both Au and Pt atoms in graphene (two-dimensional diffusion). The rather high activation energy indicates covalent bonding between metal and carbon atoms. Metal atoms were also observed to diffuse along the open edge of graphene layers (one-dimensional diffusion) with a slightly lower activation energy of about 2.3 eV. It is also found that the diffusion of metal atoms in curved graphenic layers of MWCNTs is slightly faster than in planar graphene.

DNA block copolymers – from micelles to machines

DNA block copolymer, a new class of hybrid material composed of a synthetic polymer and an oligodeoxynucleotide segment, owns unique properties which can not be achieved by only one of the two polymers. Among amphiphilic DNA block copolymers, DNA-b-polypropylene oxide (PPO) was chosen as a model system, because PPO is biocompatible and has a Tg < 0 °C. Both properties might be essential for future applications in living systems. During my PhD study, I focused on the properties and the structures of DNA-b-PPO molecules. First, DNA-b-PPO micelles were studied by scanning force microscopy (SFM) and fluorescence correlation spectroscopy (FCS). In order to control the size of micelles without re-synthesis, micelles were incubated with template-independent DNA polymerase TdT and deoxynucleotide triphosphates in reaction buffer solution. By carrying out ex-situ experiments, the growth of micelles was visualized by imaging in liquid with AFM. Complementary measurements with FCS and polyacrylamide gel electrophoresis (PAGE) confirmed the increase in size. Furthermore, the growing process was studied with AFM in-situ at 37 °C. Hereby the growth of individual micelles could be observed. In contrast to ex-situ reactions, the growth of micelles adsorbed on mica surface for in-situ experiments terminated about one hour after the reaction was initiated. Two reasons were identified for the termination: (i) block of catalytic sites by interaction with the substrate and (ii) reduced exchange of molecules between micelles and the liquid environment. In addition, a geometrical model for AFM imaging was developed which allowed deriving the average number of mononucleotides added to DNA-b-PPO molecules in dependence on the enzymatic reaction time (chapter 3). Second, a prototype of a macroscopic DNA machine made of DNA-b-PPO was investigated. As DNA-b-PPO molecules were amphiphilic, they could form a monolayer at the air-water interface. Using a Langmuir film balance, the energy released owing to DNA hybridization was converted into macroscopic movements of the barriers in the Langmuir trough. A specially adapted Langmuir trough was build to exchange the subphase without changing the water level significantly. Upon exchanging the subphase with complementary DNA containing buffer solution, an increase of lateral pressure was observed which could be attributed to hybridization of single stranded DNA-b-PPO. The pressure versus area/molecule isotherms were recorded before and after hybridization. I also carried out a series of control experiments, in order to identify the best conditions of realizing a DNA machine with DNA-b-PPO. To relate the lateral pressure with molecular structures, Langmuir Blodgett (LB) films were transferred to highly ordered pyrolytic graphite (HOPG) and mica substrates at different pressures. These films were then investigated with AFM (chapter 4). At last, this thesis includes studies of DNA and DNA block copolymer assemblies with AFM, which were performed in cooperation with different group of the Sonderforschungsbereich 625 “From Single Molecules to Nanoscopically Structured Materials”. AFM was proven to be an important method to confirm the formation of multiblock copolymers and DNA networks (chapter 5).

Valutazione del rilascio ionico in pazienti portatori di protesi di rivestimento d'anca BHR: confronto a lungo termine con artroplastica totale d'anca metallo-metallo

Lo scopo di questo studio è stato quello di determinare se a lungo termine le concentrazioni sieriche di ioni nei pazienti con protesi di rivestimento d’anca metallo-metallo (MOM-HR, metal-on-metal hip resurfacing) fossero differenti da quelle valutate nei pazienti con protesi totale d’anca metallo-metallo e testa del diametro di 28 mm (MOM-THA, metal-on-metal total hip arthroplasty); inoltre è stato valutato se le concentrazioni ioniche fossero al di sopra dei valori di riferimento e se fosse possibile stabilire l’esistenza di una relazione tra sesso e concentrazioni di ioni con riferimento al tipo di impianto. Il gruppo MOM-HR era costituito da 25 pazienti mentre il gruppo MOM-THA era di 16 pazienti. Per poter ricavare i valori di riferimento sono stati reclutati 48 donatori sani. La misurazione delle concentrazioni degli ioni cobalto (Co), cromo (Cr), nickel (Ni) e molibdeno (Mo) è stata effettuata utilizzando la spettrofotometria ad assorbimento atomico su fornace di grafite. A parte il Ni, le concentrazioni di ioni nei pazienti con MOM-HR erano più elevate rispetto ai controlli. Il rilascio di ioni Cr e Co nei pazienti con MOM-HR è risultato superiore rispetto ai soggetti con MOM-THA. Da un’analisi basata sul sesso, è emerso che nelle femmine con MOM-HR i livelli di ioni Cr e Co sono risultati significativamente aumentati rispetto alle femmine con MOM-THA. Indipendentemente dal tipo di impianto, gli accoppiamenti metallo-metallo (MOM) producono concentrazioni di ioni metallici significativamente più alte a follow-up a lungo termine rispetto a quelle osservate nei soggetti sani. Un fattore che deve essere attentamente considerato nella scelta dell’impianto, e in particolar modo nei soggetti giovani, è il cospicuo rilascio di ioni Cr e Co nella popolazione femminile con MOM-HR.

Mineral chemistry and structural relationships of inclusions in diamond samples

Diamant ist das härteste Mineral – und dazu ein Edelstein -, das unter höchstem Druck und hohen Temperaturen in tiefen kontinentalen Regionen der Erde kristallisiert. Die Mineraleinschlüsse in Diamanten werden durch die physikalische Stabilität und chemische Beständigkeit der umgebenden – eigentlich metastabilen -Diamant-Phase geschützt. Aufgrund der koexistierenden Phasenkombination ermöglichen sie, die Mineral-Entwicklung zu studieren, während deren der Einschlüssen und die Diamanten kristallisierten. rnDie Phasenkombinationen von Diamant und Chrom-Pyrop, Chrom-Diopsid, Chromit, Olivin, Graphit und Enstatit nebeneinander (teilweise in Berührungsexistenz) mit Chrom-Pyrop Einschlüssen wurden von neunundzwanzig Diamant-Proben von sechs Standorten in Südafrika (Premier, Koffiefontein, De Beers Pool, Finsch, Venetia und Koingnaas Minen) und Udachnaya (Sibirien/Russland) identifiziert und charakterisiert. Die Mineraleinschlüsse weisen z.T. kubo-oktaedrische Form auf, die unabhängig von ihren eigenen Kristallsystemen ausgebildet werden können. Das bedeutet, dass sie syngenetische Einschlüsse sind, die durch die sehr hohe Formenergie des umgebenden Diamanten morphologisch unter Zwang stehen. Aus zweidiemnsionalen Messungen der ersten Ordnung von charakteristischen Raman-Banden lassen sich relative Restdrucke in Diamanten zwischen Diamant und Einschlussmineral gewinnen; sie haben charakteristische Werte von ca. 0,4 bis 0,9 GPa um Chrom-Pyrop-Einschlüsse, 0,6 bis 2,0 GPa um Chrom-Diopsid-Einschlüsse, 0,3 bis 1,2 GPa um Olivin-Einschlüsse, 0,2 bis 1,0 GPa um Chromit-Einschlüsse, beziehungsweise 0,5 GPa um Graphit Einschlüsse.rnDie kristallstrukturellen Beziehung von Diamanten und ihren monomineralischen Einschlüssen wurden mit Hilfe der Quantifizierung der Winkelkorrelationen zwischen der [111] Richtung von Diamanten und spezifisch ausgewählten Richtungen ihrer mineralischen Einschlüsse untersucht. Die Winkelkorrelationen zwischen Diamant [111] und Chrom-Pyrop [111] oder Chromit [111] zeigen die kleinsten Verzerrungen von 2,2 bis zu 3,4. Die Chrom-Diopsid- und Olivin-Einschlüsse zeigen die Missorientierungswerte mit Diamant [111] bis zu 10,2 und 12,9 von Chrom-Diopsid [010] beziehungsweise Olivin [100].rnDie chemische Zusammensetzung von neun herausgearbeiteten (orientiertes Anschleifen) Einschlüssen (drei Chrom-Pyrop-Einschlüsse von Koffiefontein-, Finsch- und Venetia-Mine (zwei von drei koexistieren nebeneinander mit Enstatit), ein Chromit von Udachnaya (Sibirien/Russland), drei Chrom-Diopside von Koffiefontein, Koingnaas und Udachnaya (Sibirien/Russland) und zwei Olivin Einschlüsse von De Beers Pool und Koingnaas) wurden mit Hilfe EPMA und LA-ICP-MS analysiert. Auf der Grundlage der chemischen Zusammensetzung können die Mineraleinschlüsse in Diamanten in dieser Arbeit der peridotitischen Suite zugeordnet werden.rnDie Geothermobarometrie-Untersuchungen waren aufgrund der berührenden Koexistenz von Chrom-Pyrop- und Enstatit in einzelnen Diamanten möglich. Durchschnittliche Temperaturen und Drücke der Bildung sind mit ca. 1087 (± 15) C, 5,2 (± 0,1) GPa für Diamant DHK6.2 von der Koffiefontein Mine beziehungsweise ca. 1041 (± 5) C, 5,0 (± 0,1) GPa für Diamant DHF10.2 von der Finsch Mine zu interpretieren.rn