Analysis of the genetic basis of periodic fever with aphthous stomatitis, pharyngitis, and cervical adenitis (PFAPA) syndrome.

PFAPA syndrome is the most common autoinflammatory syndrome in children from Western countries. In spite of its strong familial clustering, its genetic basis and inheritance pattern are still unknown. We performed a comprehensive genetic study on 68 individuals from 14 families. Linkage analysis suggested a susceptibility locus on chromosome 8, but direct molecular sequencing did not support this initial statistical finding. Exome sequencing revealed the absence of any gene that was mutated in all patients. Exhaustive screening of genes involved in other autoinflammatory syndromes or encoding components of the human inflammasome showed no DNA variants that could be linked to PFAPA molecular pathology. Among these, the previously-reported missense mutation V198M in the NLRP3 gene was clearly shown not to co-segregate with PFAPA. Our results on this relatively large cohort indicate that PFAPA syndrome is unlikely to be a monogenic condition. Moreover, none of the several genes known to be involved in inflammation or in autoinflammatory disorders seem to be relevant, alone, to its etiology, suggesting that PFAPA results from oligogenic or complex inheritance of variants in multiple disease genes and/or non-genetic factors.

The consensus molecular subtypes of colorectal cancer.

Colorectal cancer (CRC) is a frequently lethal disease with heterogeneous outcomes and drug responses. To resolve inconsistencies among the reported gene expression-based CRC classifications and facilitate clinical translation, we formed an international consortium dedicated to large-scale data sharing and analytics across expert groups. We show marked interconnectivity between six independent classification systems coalescing into four consensus molecular subtypes (CMSs) with distinguishing features: CMS1 (microsatellite instability immune, 14%), hypermutated, microsatellite unstable and strong immune activation; CMS2 (canonical, 37%), epithelial, marked WNT and MYC signaling activation; CMS3 (metabolic, 13%), epithelial and evident metabolic dysregulation; and CMS4 (mesenchymal, 23%), prominent transforming growth factor-β activation, stromal invasion and angiogenesis. Samples with mixed features (13%) possibly represent a transition phenotype or intratumoral heterogeneity. We consider the CMS groups the most robust classification system currently available for CRC-with clear biological interpretability-and the basis for future clinical stratification and subtype-based targeted interventions.

A brief introduction to molecular orbital theory of simple polyatomic molecules for undergraduate chemistry students

A simple, four-step method for better introducing undergraduate students to the fundamentals of molecular orbital (MO) theory of the polyatomic molecules H2O, NH3, BH3 and SiH4 using group theory is reported. These molecules serve to illustrate the concept of ligand group orbitals (LGOs) and subsequent construction of MO energy diagrams on the basis of molecular symmetry requirements.

DFT study on low molecular weight α,α-ditert-butyl-4H-cyclopenta[2,1-b,3;4-b']dithiophene and α,α-ditert-butyl-4H-cyclopenta[2,1-b,3;4-b']dithiophene S-oxide bridged derivatives

The equilibrium geometries of α,α-ditert-butyl-4H-cyclopenta[2,1-b,3;4-b']dithiophene (DBDT) and α,α-ditert-butyl-4H-cyclopenta[2,1-b,3;4-b']dithiophene S-oxide (DBDTO) were studied at the DFT level of theory with a standard 6-311G* basis set. The molecular structures of the DBDT series were more planar than the corresponding DBDTO series, as revealed by dihedral angles. The UV-visible absorption calculated at TD-DFT/6-311G* showed two absorption peaks for all the molecules except C=S and C=O bridged molecules. In DBDTOs, C=S and C=O bridged molecules showed three and four absorption peaks, respectively. The DBDTOs had lower band gaps and longer wavelengths compared to the corresponding DBDTs.

Na,K-ATPase: a molecular target for Leptospira interrogans endotoxin

On the basis of our report that a glycolipoprotein fraction (GLP) extracted from Leptospira interrogans contains a potent inhibitor of renal Na,K-ATPase, we proposed that GLP-induced inhibition of Na,K-ATPase might be the primary cellular defect in the physiopathology of leptospirosis. The present study was designed to test this hypothesis by determining whether or not 1) GLP inhibits all the isoforms of Na,K-ATPase which are expressed in the tissues affected by leptospirosis, 2) Na,K-ATPase from leptospirosis-resistant species, such as the rat, is sensitive to GLP, 3) GLP inhibits Na,K-ATPase from intact cells, and 4) GLP inhibits ouabain-sensitive H,K-ATPase. The results indicate that in the rabbit, a leptospirosis-sensitive species, GLP inhibits with similar efficiency (apparent IC50: 120-220 µg protein GLP/ml) all isoforms of Na,K-ATPase known to be expressed in target tissues for the disease. Na,K-ATPase from rat kidney displays a sensitivity to GLP similar to that of the rabbit kidney enzyme (apparent IC50: 25-80 and 50-150 µg protein GLP/ml for rat and rabbit, respectively), indicating that resistance to the disease does not result from the resistance of Na,K-ATPase to GLP. GLP also reduces ouabain-sensitive rubidium uptake in rat thick ascending limbs (pmol mm-1 min-1 ± SEM; control: 23.8 ± 1.8; GLP, 88 µg protein/ml: 8.2 ± 0.9), demonstrating that it is active in intact cells. Finally, GLP had no demonstrable effect on renal H,K-ATPase activity, even on the ouabain-sensitive form, indicating that the active principle of GLP is more specific for Na,K-ATPase than ouabain itself. Although the hypothesis remains to be demonstrated in vivo, the present findings are compatible with the putative role of GLP-induced inhibition of Na,K-ATPase as an initial mechanism in the physiopathology of leptospirosis

Molecular and cellular pathogenesis of autosomal dominant polycystic kidney disease

Autosomal dominant polycystic kidney disease (ADPKD) is one of the most common human life-threatening monogenic disorders. The disease is characterized by bilateral, progressive renal cystogenesis and cyst and kidney enlargement, often leading to end-stage renal disease, and may include extrarenal manifestations. ADPKD is caused by mutation in one of two genes, PKD1 and PKD2, which encode polycystin-1 (PC1) and polycystin-2 (PC2), respectively. PC2 is a non-selective cation channel permeable to Ca2+, while PC1 is thought to function as a membrane receptor. The cyst cell phenotype includes increased proliferation and apoptosis, dedifferentiation, defective planar polarity, and a secretory pattern associated with extracellular matrix remodeling. The two-hit model for cyst formation has been recently extended by the demonstration that early gene inactivation leads to rapid and diffuse development of renal cysts, while inactivation in adult life is followed by focal and late cyst formation. Renal ischemia/reperfusion, however, can function as a third hit, triggering rapid cyst development in kidneys with Pkd1 inactivation induced in adult life. The PC1-PC2 complex behaves as a sensor in the primary cilium, mediating signal transduction via Ca2+ signaling. The intracellular Ca2+ homeostasis is impaired in ADPKD, being apparently responsible for the cAMP accumulation and abnormal cell proliferative response to cAMP. Activated mammalian target for rapamycin (mTOR) and cell cycle dysregulation are also significant features of PKD. Based on the identification of pathways altered in PKD, a large number of preclinical studies have been performed and are underway, providing a basis for clinical trials in ADPKD and helping the design of future trials.

The Chromatoid body entourage: Molecular characterization of the Chromatoid body‐associated cytoplasmic vesicles

Spermatogenesis is a unique process compared to cell differentiation in somatic tissues. Germ cells undergo a considerable number of metabolic and morphological changes during their differentiation: they initially proliferate by mitosis to increase in number; at some point they scramble their genetic material by meiosis, to create new genetic combinations that are the basis for evolution through natural selection and, finally, they change their shape and produce specialized structures characteristic of the mature sperm. Germ cells display an astonishingly broad transcription of their genome compared to differentiated somatic cells. Moreover, the different RNAs need to be specifically regulated in space and time for sperm production to occur appropriately. Different proteins localized in specific subcellular compartments, along with regulatory small RNAs, have an essential role in the proper execution of the different steps of spermatogenesis. These ribonucleoprotein granules interact with cytoplasmic vesicles and organelles to accomplish their role during sperm development. In this study, we characterized the most prominent ribonucleoprotein granule found in germ cells, the Chromatoid body (CB). For the first time we investigated the interaction of the CB with the cytoplasmic vesicles that surround it. These studies directed us to the description of Retromer proteins in germ cells and their involvement with the CB and the acrosome formation. Moreover, we discovered the interplay between the CB and the lysosome system in haploid round spermatids, and identified FYCO1, a new protein central to this interaction. Our results suggest that the vesicular transport system participates in the CB-mediated RNA regulation during sperm development.

Development of a Blood Antigen Molecular Profiling Panel using Genotyping Technologies for Patients Requiring Frequent Transfusions

Contexte. Les phénotypes ABO et Rh(D) des donneurs de sang ainsi que des patients transfusés sont analysés de façon routinière pour assurer une complète compatibilité. Ces analyses sont accomplies par agglutination suite à une réaction anticorps-antigènes. Cependant, pour des questions de coûts et de temps d’analyses faramineux, les dons de sang ne sont pas testés sur une base routinière pour les antigènes mineurs du sang. Cette lacune peut résulter à une allo-immunisation des patients receveurs contre un ou plusieurs antigènes mineurs et ainsi amener des sévères complications pour de futures transfusions. Plan d’étude et Méthodes. Pour ainsi aborder le problème, nous avons produit un panel génétique basé sur la technologie « GenomeLab _SNPstream» de Beckman Coulter, dans l’optique d’analyser simultanément 22 antigènes mineurs du sang. La source d’ADN provient des globules blancs des patients préalablement isolés sur papiers FTA. Résultats. Les résultats démontrent que le taux de discordance des génotypes, mesuré par la corrélation des résultats de génotypage venant des deux directions de l’ADN, ainsi que le taux d’échec de génotypage sont très bas (0,1%). Également, la corrélation entre les résultats de phénotypes prédit par génotypage et les phénotypes réels obtenus par sérologie des globules rouges et plaquettes sanguines, varient entre 97% et 100%. Les erreurs expérimentales ou encore de traitement des bases de données ainsi que de rares polymorphismes influençant la conformation des antigènes, pourraient expliquer les différences de résultats. Cependant, compte tenu du fait que les résultats de phénotypages obtenus par génotypes seront toujours co-vérifiés avant toute transfusion sanguine par les technologies standards approuvés par les instances gouvernementales, les taux de corrélation obtenus sont de loin supérieurs aux critères de succès attendus pour le projet. Conclusion. Le profilage génétique des antigènes mineurs du sang permettra de créer une banque informatique centralisée des phénotypes des donneurs, permettant ainsi aux banques de sang de rapidement retrouver les profiles compatibles entre les donneurs et les receveurs.

Investigation on key molecular targets responsible for antidiabetic properties of Symplocos cochinchinensis (Lour.) S. Moore

Diabetes mellitus is a heterogeneous metabolic disorder characterized by hyperglycemia with disturbances in carbohydrate, protein and lipid metabolism resulting from defects in insulin secretion, insulin action or both. Currently there are 387 million people with diabetes worldwide and is expected to affect 592 million people by 2035. Insulin resistance in peripheral tissues and pancreatic beta cell dysfunction are the major challenges in the pathophysiology of diabetes. Diabetic secondary complications (like liver cirrhosis, retinopathy, microvascular and macrovascular complications) arise from persistent hyperglycemia and dyslipidemia can be disabling or even life threatening. Current medications are effective for control and management of hyperglycemia but undesirable effects, inefficiency against secondary complications and high cost are still serious issues in the present prognosis of this disorder. Hence the search for more effective and safer therapeutic agents of natural origin has been found to be highly demanding and attract attention in the present drug discovery research. The data available from Ayurveda on various medicinal plants for treatment of diabetes can efficiently yield potential new lead as antidiabetic agents. For wider acceptability and popularity of herbal remedies available in Ayurveda scientific validation by the elucidation of mechanism of action is very much essential. Modern biological techniques are available now to elucidate the biochemical basis of the effectiveness of these medicinal plants. Keeping this idea the research programme under this thesis has been planned to evaluate the molecular mechanism responsible for the antidiabetic property of Symplocos cochinchinensis, the main ingredient of Nishakathakadi Kashayam, a wellknown Ayurvedic antidiabetic preparation. A general introduction of diabetes, its pathophysiology, secondary complications and current treatment options, innovative solutions based on phytomedicine etc has been described in Chapter 1. The effect of Symplocos cochinchinensis (SC), on various in vitro biochemical targets relevant to diabetes is depicted in Chapter 2 including the preparation of plant extract. Since diabetes is a multifactorial disease, ethanolic extract of the bark of SC (SCE) and its fractions (hexane, dichloromethane, ethyl acetate and 90 % ethanol) were evaluated by in vitro methods against multiple targets such as control of postprandial hyperglycemia, insulin resistance, oxidative stress, pancreatic beta cell proliferation, inhibition of protein glycation, protein tyrosine phosphatase-1B (PTP-1B) and dipeptidyl peptidase-IV (DPPxxi IV). Among the extracts, SCE exhibited comparatively better activity like alpha glucosidase inhibition, insulin dependent glucose uptake (3 fold increase) in L6 myotubes, pancreatic beta cell regeneration in RIN-m5F and reduced triglyceride accumulation in 3T3-L1 cells, protection from hyperglycemia induced generation of reactive oxygen species in HepG2 cells with moderate antiglycation and PTP-1B inhibition. Chemical characterization by HPLC revealed the superiority of SCE over other extracts due to presence of bioactives (beta-sitosterol, phloretin 2’glucoside, oleanolic acid) in addition to minerals like magnesium, calcium, potassium, sodium, zinc and manganese. So SCE has been subjected to oral sucrose tolerance test (OGTT) to evaluate its antihyperglycemic property in mild diabetic and diabetic animal models. SCE showed significant antihyperglycemic activity in in vivo diabetic models. Chapter 3 highlights the beneficial effects of hydroethanol extract of Symplocos cochinchinensis (SCE) against hyperglycemia associated secondary complications in streptozotocin (60 mg/kg body weight) induced diabetic rat model. Proper sanction had been obtained for all the animal experiments from CSIR-CDRI institutional animal ethics committee. The experimental groups consist of normal control (NC), N + SCE 500 mg/kg bwd, diabetic control (DC), D + metformin 100 mg/kg bwd, D + SCE 250 and D + SCE 500. SCEs and metformin were administered daily for 21 days and sacrificed on day 22. Oral glucose tolerance test, plasma insulin, % HbA1c, urea, creatinine, aspartate aminotransferase (AST), alanine aminotransferase (ALT), albumin, total protein etc. were analysed. Aldose reductase (AR) activity in the eye lens was also checked. On day 21, DC rats showed significantly abnormal glucose response, HOMA-IR, % HbA1c, decreased activity of antioxidant enzymes and GSH, elevated AR activity, hepatic and renal oxidative stress markers compared to NC. DC rats also exhibited increased level of plasma urea and creatinine. Treatment with SCE protected from the deleterious alterations of biochemical parameters in a dose dependent manner including histopathological alterations in pancreas. SCE 500 exhibited significant glucose lowering effect and decreased HOMA-IR, % HbA1c, lens AR activity, and hepatic, renal oxidative stress and function markers compared to DC group. Considerable amount of liver and muscle glycogen was replenished by SCE treatment in diabetic animals. Although metformin showed better effect, the activity of SCE was very much comparable with this drug. xxii The possible molecular mechanism behind the protective property of S. cochinchinensis against the insulin resistance in peripheral tissue as well as dyslipidemia in in vivo high fructose saturated fat diet model is described in Chapter 4. Initially animal were fed a high fructose saturated fat (HFS) diet for a period of 8 weeks to develop insulin resistance and dyslipidemia. The normal diet control (ND), ND + SCE 500 mg/kg bwd, high fructose saturated fat diet control (HFS), HFS + metformin 100 mg/kg bwd, HFS + SCE 250 and HFS + SCE 500 were the experimental groups. SCEs and metformin were administered daily for the next 3 weeks and sacrificed at the end of 11th week. At the end of week 11, HFS rats showed significantly abnormal glucose and insulin tolerance, HOMA-IR, % HbA1c, adiponectin, lipid profile, liver glycolytic and gluconeogenic enzyme activities, liver and muscle triglyceride accumulation compared to ND. HFS rats also exhibited increased level of plasma inflammatory cytokines, upregulated mRNA level of gluconeogenic and lipogenic genes in liver. HFS exhibited the increased expression of GLUT-2 in liver and decreased expression of GLUT-4 in muscle and adipose. SCE treatment also preserved the architecture of pancreas, liver, and kidney tissues. Treatment with SCE reversed the alterations of biochemical parameters, improved insulin sensitivity by modifying gene expression in liver, muscle and adipose tissues. Overall results suggest that SC mediates the antidiabetic activity mainly via alpha glucosidase inhibition, improved insulin sensitivity, with antiglycation and antioxidant activities.

Non-relativistic and relativistic molecular calculations for the chalcogen hexafluorides: SF_6, SeF_6, TeF_6, PoF_6

Non-relativistic Hartree-Fock-Slater and relativistic Dirac-Slater self-consistent orbital models are applied for the analysis of the electronic structure of the chalcogen hexafluorides: SF_6, SeF_6, TeF_6 and PoF_6. The molecular eigenfunctions and eigenvalues are generated using the discrete variational method (DVM) with numerical basis functions. The results obtained for SF_6 are compared with other ab initio calculations. Information about relativistic level shifts and spin-orbit splitting has been obtained by comparison between the non-relativistic and relativistic results.

Relativistic LCAO with Minimax Principle and New Balanced Basis Sets

Relativistic density functional theory is widely applied in molecular calculations with heavy atoms, where relativistic and correlation effects are on the same footing. Variational stability of the Dirac Hamiltonian is a very important field of research from the beginning of relativistic molecular calculations on, among efforts for accuracy, efficiency, and density functional formulation, etc. Approximations of one- or two-component methods and searching for suitable basis sets are two major means for good projection power against the negative continuum. The minimax two-component spinor linear combination of atomic orbitals (LCAO) is applied in the present work for both light and super-heavy one-electron systems, providing good approximations in the whole energy spectrum, being close to the benchmark minimax finite element method (FEM) values and without spurious and contaminated states, in contrast to the presence of these artifacts in the traditional four-component spinor LCAO. The variational stability assures that minimax LCAO is bounded from below. New balanced basis sets, kinetic and potential defect balanced (TVDB), following the minimax idea, are applied with the Dirac Hamiltonian. Its performance in the same super-heavy one-electron quasi-molecules shows also very good projection capability against variational collapse, as the minimax LCAO is taken as the best projection to compare with. The TVDB method has twice as many basis coefficients as four-component spinor LCAO, which becomes now linear and overcomes the disadvantage of great time-consumption in the minimax method. The calculation with both the TVDB method and the traditional LCAO method for the dimers with elements in group 11 of the periodic table investigates their difference. New bigger basis sets are constructed than in previous research, achieving high accuracy within the functionals involved. Their difference in total energy is much smaller than the basis incompleteness error, showing that the traditional four-spinor LCAO keeps enough projection power from the numerical atomic orbitals and is suitable in research on relativistic quantum chemistry. In scattering investigations for the same comparison purpose, the failure of the traditional LCAO method of providing a stable spectrum with increasing size of basis sets is contrasted to the TVDB method, which contains no spurious states already without pre-orthogonalization of basis sets. Keeping the same conditions including the accuracy of matrix elements shows that the variational instability prevails over the linear dependence of the basis sets. The success of the TVDB method manifests its capability not only in relativistic quantum chemistry but also for scattering and under the influence of strong external electronic and magnetic fields. The good accuracy in total energy with large basis sets and the good projection property encourage wider research on different molecules, with better functionals, and on small effects.

Selbstassemblierte Monolagen und magnetisch strukturierte Submonolagen mit dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Phthalocyanin- und Subphthalocyanin-Basis

Mit dieser Arbeit wurde die Selbstassemblierung von dia- und paramagnetischen Molekülen sowie Einzelmolekülmagneten auf Goldsubstraten und magnetisch strukturierten Substraten untersucht. Dazu wurden drei verschiedene Klassen an Phthalocyaninderivaten verwendet: Diamagnetische Subphthalocyanine, paramagnetische Phthalocyaninatometalle und Diphthalocyaninatolanthanidkomplexe. Alle synthetisierten Verbindungen sind peripher thioethersubstituiert. Die Alkylketten (a: n-C8H17, b: n-C12H25) vermitteln die Löslichkeit in vielen organischen Solventien und sorgen für eine geordnete Assemblierung auf einer Oberfläche, wobei die Bindung auf Gold hauptsächlich über die Schwefelatome stattfindet. Die aus Lösung abgeschiedenen selbstassemblierten Monolagen wurden mit XPS, NEXAFS-Spektroskopie und ToF-SIMS untersucht. Bei der Selbstassemblierung auf magnetisch strukturierten Substraten stehen die Moleküle unter dem Einfluss magnetischer Streufelder und binden bevorzugt nur in bestimmten Bereichen. Die gebildeten Submonolagen wurden zusätzlich mit X-PEEM untersucht. Die erstmals dargestellten Manganphthalocyanine [MnClPc(SR)8] 1 wurden ausgehend von MnCl2 erhalten. Hier fand bei der Aufarbeitung an Luft eine Oxidation zu Mangan(III) statt; +III ist die stabilste Oxidationsstufe von Mangan in Phthalocyaninen. Der Nachweis des axialen Chloridoliganden erfolgte mit Massenspektrometrie und FIR- sowie Raman-Spektroskopie. SQUID-Messungen haben gezeigt, dass die Komplexe 1 vier ungepaarte Elektronen haben. Bei den Subphthalocyaninen [BClSubpc(SR)6] 2 wurde der axiale Chloridoligand mit dem stäbchenförmigen Phenolderivat 29-H substituiert und die erfolgreiche Ligandensubstitution durch NMR- und IR-Spektroskopie sowie Massenspektrometrie an den Produkten [BSubpc(SR)6(29)] 30 belegt. Der Radikalcharakter der synthetisierten Terbiumkomplexe [Tb{Pc(SR)8}2] 3 wurde spektroskopisch nachgewiesen; SQUID-Messungen ergaben, dass es sich um Einzelmolekülmagnete mit einer Energiebarriere U des Doppelpotentialtopfs von 880 K oder 610 cm-1 bei 3a handelt. Zunächst wurden die SAMs der Komplexverbindungen 1, 2, 30 und 3 auf nicht magnetisch strukturierten Goldsubstraten untersucht. Die Manganphthalocyanine 1 bilden geordnete SAMs mit größtenteils flach liegenden Molekülen, wie die XPS-, NEXAFS- und ToF-SIMS-Analyse zeigte. Die Mehrzahl der Thioether-Einheiten ist auf Gold koordiniert und die Alkylketten zeigen ungeordnet von der Oberfläche weg. Bei der Adsorption findet eine Reduktion zu Mangan(II) statt und der axiale Chloridoligand wird abgespalten. Das beruht auf dem sog. Oberflächen-trans-Effekt. Im vorliegenden Fall übt die Metalloberfläche einen stärkeren trans-Effekt als der axiale Ligand aus, was bisher experimentell noch nicht beobachtet wurde. Die thioethersubstituierten Subphthalocyanine 2 und 30 sowie die Diphthalocyaninatoterbium-Komplexe 3 sind ebenfalls für SAMs geeignet. Ihre Monolagen wurden mit XPS und NEXAFS-Spektroskopie untersucht, und trotz einer gewissen Unordnung in den Filmen liegen die Moleküle jeweils im Wesentlichen flach auf der Goldoberfläche. Vermutlich sind bei diesen Systemen auch die Alkylketten größtenteils parallel zur Oberfläche orientiert. Im Gegensatz zu den Manganphthalocyaninen 1 tritt bei 2b, 30a, 30b und 3b neben der koordinativen Bindung der Schwefelatome auf Gold auch eine für Thioether nicht erwartete kovalente Au–S-Bindung auf, die durch C–S-Bindungsbruch unter Abspaltung der Alkylketten ermöglicht wird. Der Anteil, zu dem dieser Prozess stattfindet, scheint nicht mit der Molekülstruktur zu korrelieren. Selbstassemblierte Submonolagen auf magnetisch strukturierten Substraten wurden mit dem diamagnetischen Subphthalocyanin 2b hergestellt. Der Nachweis der Submonolagen war schwierig und gelang schließlich durch eine Kombination von ToF-SIMS, NEXAFS Imaging und X-PEEM. Die Analyse der ToF-SIMS-Daten zeigte, dass tatsächlich eine Modulation der Verteilung der Moleküle auf einem unterwärts magnetisch strukturierten Substrat eintritt. Mit X-PEEM konnte die magnetische Struktur der ferromagnetischen Schicht des Substrats direkt der Verteilung der adsorbierten Moleküle zugeordnet werden. Die Subphthalocyanine 2b adsorbieren nicht an den Domänengrenzen, sondern vermehrt dazwischen. Auf Substraten mit abwechselnd 6.5 und 3.5 µm breiten magnetischen Domänen binden die Moleküle bevorzugt in den Bereichen geringster magnetischer Streufeldgradienten, also den größeren Domänen. Solche Substrate wurden für die ToF-SIMS- und X-PEEM-Messungen verwendet. Bei größeren magnetischen Strukturen mit ca. 400 µm breiten Domänen, wie sie aufgrund der geringeren Ortsauflösung dieser Methode für NEXAFS Imaging eingesetzt wurden, binden die Moleküle dann in allen Domänen. Die diamagnetischen Moleküle werden nach dieser Interpretation aus dem inhomogenen Magnetfeld über der Probenoberfläche heraus gedrängt und verhalten sich analog makroskopischer Diamagnete. Die eindeutige Detektion der Moleküle auf den magnetisch strukturierten Substraten konnte bisher nur für die diamagnetischen Subphthalocyanine 2b erfolgen. Um die Interpretation ihres Verhaltens bei der Selbstassemblierung in einem inhomogenen Magnetfeld weiter voranzutreiben, wurde das Subphthalocyanin 37b dargestellt, welches ein stabiles organisches TEMPO-Radikal in seinem axialen Liganden enthält. Das paramagnetische Subphthalocyanin 37b sollte auf den magnetisch strukturierten Substraten in Regionen starker magnetischer Streufelder binden und damit das entgegengesetzte Verhalten zu den diamagnetischen Subphthalocyaninen 2b zeigen. Aus Zeitgründen konnte dieser Nachweis im Rahmen dieser Arbeit noch nicht erbracht werden.

Organische Mikro- und Nanodrähte auf Basis von Perylendiimiden

Diese Arbeit thematisiert die optimierte Darstellung von organischen Mikro- und Nanodrähten, Untersuchungen bezüglich deren molekularen Aufbaus und die anwendungsorientierte Charakterisierung der Eigenschaften. Mikro- und Nanodrähte haben in den letzten Jahren im Zuge der Miniaturisierung von Technologien an weitreichendem Interesse gewonnen. Solche eindimensionalen Strukturen, deren Durchmesser im Bereich weniger zehn Nanometer bis zu einigen wenigen Mikrometern liegt, sind Gegenstand intensiver Forschung. Neben anorganischen Ausgangssubstanzen zur Erzeugung von Mikro- und Nanodrähten haben organische Funktionsmaterialien aufgrund ihrer einfachen und kostengünstigen Verarbeitbarkeit sowie ihrer interessanten elektrischen und optischen Eigenschaften an Bedeutung gewonnen. Eine wichtige Materialklasse ist in diesem Zusammenhang die Verbindungsklasse der n-halbleitenden Perylentetracarbonsäurediimide (kurz Perylendiimide). Dem erfolgreichen Einsatz von eindimensionalen Strukturen als miniaturisierte Bausteine geht die optimierte und kontrollierte Herstellung voraus. Im Rahmen der Doktorarbeit wurde die neue Methode der Drahterzeugung „Trocknen unter Lösungsmittelatmosphäre“ entwickelt, welche auf Selbstassemblierung der Substanzmoleküle aus Lösung basiert und unter dem Einfluss von Lösungsmitteldampf direkt auf einem vorgegebenen Substrat stattfindet. Im Gegensatz zu literaturbekannten Methoden ist kein Transfer der Drähte aus einem Reaktionsgefäß nötig und damit verbundene Beschädigungen der Strukturen werden vermieden. Während herkömmliche Methoden in einer unkontrolliert großen Menge von ineinander verwundenen Drähten resultieren, erlaubt die substratbasierte Technik die Bildung voneinander separierter Einzelfasern und somit beispielsweise den Einsatz in Einzelstrukturbauteilen. Die erhaltenen Fasern sind morphologisch sehr gleichmäßig und weisen bei Längen von bis zu 5 mm bemerkenswert hohe Aspektverhältnisse von über 10000 auf. Darüber hinaus kann durch das direkte Drahtwachstum auf dem Substrat über den Einsatz von vorstrukturierten Oberflächen und Wachstumsmasken gerichtetes, lokal beschränktes Drahtwachstum erzielt werden und damit aktive Kontrolle auf Richtung und Wachstumsbereich der makroskopisch nicht handhabbaren Objekte ausgeübt werden. Um das Drahtwachstum auch hinsichtlich der Materialauswahl, d. h. der eingesetzten Ausgangsmaterialien zur Drahterzeugung und somit der resultierenden Eigenschaften der gebildeten Strukturen aktiv kontrollieren zu können, wird der Einfluss unterschiedlicher Parameter auf die Morphologie der Selbstassemblierungsprodukte am Beispiel unterschiedlicher Derivate betrachtet. So stellt sich zum einen die Art der eingesetzten Lösungsmittel in flüssiger und gasförmiger Phase beim Trocknen unter Lösungsmittelatmosphäre als wichtiger Faktor heraus. Beide Lösungsmittel dienen als Interaktionspartner für die Moleküle des funktionellen Drahtmaterials im Selbstassemblierungsprozess. Spezifische Wechselwirkungen zwischen Perylendiimid-Molekülen untereinander und mit Lösungsmittel-Molekülen bestimmen dabei die äußere Form der erhaltenen Strukturen. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Molekülstruktur des verwendeten funktionellen Perylendiimids. Es wird der Einfluss einer Bay-Substitution bzw. einer unsymmetrischen Imid-Substitution auf die Morphologie der erhaltenen Strukturen herausgestellt. Für das detaillierte Verständnis des Zusammenhanges zwischen Molekülstruktur und nötigen Wachstumsbedingungen für die Bildung von eindimensionalen Strukturen zum einen, aber auch die resultierenden Eigenschaften der erhaltenen Aggregationsprodukte zum anderen, sind Informationen über den molekularen Aufbau von großer Bedeutung. Im Rahmen der Doktorarbeit konnte ein molekular hoch geordneter, kristalliner Aufbau der Drähte nachgewiesen werden. Durch Kombination unterschiedlicher Messmethoden ist es gelungen, die molekulare Anordnung in Strukturen aus einem Spirobifluoren-substituierten Derivat in Form einer verkippten Molekülstapelung entlang der Drahtlängsrichtung zu bestimmen. Um mögliche Anwendungsbereiche der erzeugten Drähte aufzuzeigen, wurden diese hinsichtlich ihrer elektrischen und optischen Eigenschaften analysiert. Neben dem potentiellen Einsatz im Bereich von Filteranwendungen und Sensoren, sind vor allem die halbleitenden und optisch wellenleitenden Eigenschaften hervorzuheben. Es konnten organische Transistoren auf der Basis von Einzeldrähten mit im Vergleich zu Dünnschichtbauteilen erhöhten Ladungsträgerbeweglichkeiten präpariert werden. Darüber hinaus wurden die erzeugten eindimensionalen Strukturen als aktive optische Wellenleiter charakterisiert. Die im Rahmen der Dissertation erarbeiteten Kenntnisse bezüglich der Bildung von eindimensionalen Strukturen durch Selbstassemblierung, des Drahtaufbaus und erster anwendungsorientierter Charakterisierung stellen eine Basis zur Weiterentwicklung solcher miniaturisierter Bausteine für unterschiedlichste Anwendungen dar. Die neu entwickelte Methode des Trocknens unter Lösungsmittelatmosphäre ist nicht auf den Einsatz von Perylendiimiden beschränkt, sondern kann auf andere Substanzklassen ausgeweitet werden. Dies eröffnet breite Möglichkeiten der Materialauswahl und somit der Einsatzmöglichkeiten der erhaltenen Strukturen.

Basis set superposition error-counterpoise corrected potential energy surfaces : application to hydrogen peroxide ... X (X=F-, Cl-, Br-, Li+, Na+) complexes

Møller-Plesset (MP2) and Becke-3-Lee-Yang-Parr (B3LYP) calculations have been used to compare the geometrical parameters, hydrogen-bonding properties, vibrational frequencies and relative energies for several X- and X+ hydrogen peroxide complexes. The geometries and interaction energies were corrected for the basis set superposition error (BSSE) in all the complexes (1-5), using the full counterpoise method, yielding small BSSE values for the 6-311 + G(3df,2p) basis set used. The interaction energies calculated ranged from medium to strong hydrogen-bonding systems (1-3) and strong electrostatic interactions (4 and 5). The molecular interactions have been characterized using the atoms in molecules theory (AIM), and by the analysis of the vibrational frequencies. The minima on the BSSE-counterpoise corrected potential-energy surface (PES) have been determined as described by S. Simón, M. Duran, and J. J. Dannenberg, and the results were compared with the uncorrected PES

Systematic study of the static electrical properties of the CO molecule: influence of the basis set size and correlation energy

The influence of the basis set size and the correlation energy in the static electrical properties of the CO molecule is assessed. In particular, we have studied both the nuclear relaxation and the vibrational contributions to the static molecular electrical properties, the vibrational Stark effect (VSE) and the vibrational intensity effect (VIE). From a mathematical point of view, when a static and uniform electric field is applied to a molecule, the energy of this system can be expressed in terms of a double power series with respect to the bond length and to the field strength. From the power series expansion of the potential energy, field-dependent expressions for the equilibrium geometry, for the potential energy and for the force constant are obtained. The nuclear relaxation and vibrational contributions to the molecular electrical properties are analyzed in terms of the derivatives of the electronic molecular properties. In general, the results presented show that accurate inclusion of the correlation energy and large basis sets are needed to calculate the molecular electrical properties and their derivatives with respect to either nuclear displacements or/and field strength. With respect to experimental data, the calculated power series coefficients are overestimated by the SCF, CISD, and QCISD methods. On the contrary, perturbation methods (MP2 and MP4) tend to underestimate them. In average and using the 6-311 + G(3df) basis set and for the CO molecule, the nuclear relaxation and the vibrational contributions to the molecular electrical properties amount to 11.7%, 3.3%, and 69.7% of the purely electronic μ, α, and β values, respectively