Liquid crystal polymer brushes and their application as alignment layers in liquid crystal cells

Liquid Crystal Polymer Brushes and their Application as Alignment Layers in Liquid Crystal Cells Polymer brushes with liquid crystalline (LC) side chains were synthesized on planar glass substrates and their nematic textures were investigated. The LC polymers consist of an acrylate or a methacrylate main chain and a phenyl benzoate group as the mesogenic unit which is connected to the main chain via a flexible alkyl spacer composed of six CH2 units. The preparation of the LC polymer brushes was carried out according to the “grafting from” technique: polymerization is carried out from azo-initiators that have been previously self-assembled on the substrate. LC polymer brushes with a thickness from a few nm to 230 nm were synthesized by varying the monomer concentration and the polymerization time. The LC polymer brushes were thick enough to allow for direct observation of the nematic textures with a polarizing microscope. The LC polymer brushes grown on untreated glass substrates exhibited irregular textures (“polydomains”). The domain size is in the range of some micrometers and depends only weakly on the brush thickness. The investigations on the texture-temperature relationship of the LC brushes revealed that the brushes exhibit a surface memory effect, that is, the identical texture reappears after the LC brush sample has experienced a thermal isotropization or a solvent treatment, at which the nematic LC state has been completely destroyed. The surface memory effect is attributed to a strong anchoring of the orientation of the mesogenic units to heterogeneities at the substrate surface. The exact nature of the surface heterogeneities is unknown. The effect was observed for the LC brushes swollen with low molecular weight nematic molecules, as well. Rubbing the glass substrate with a piece of velvet cloth prior to the surface modification with the initiator and the brush growth gives rise to the formation of homogenous alignment of the mesogenic units in the LC polymer side chains. Monodomain textures were obtained for these LC brushes. The mechanism for the homogeneous alignment is based on the transfer of Nylon fibers during the rubbing process. A surfactant was mixed with the azo-initiator in modifying rubbed substrates for subsequent brush generation. Such brushes exhibited biaxial optical properties. Hybrid LC cells made from a substrate modified with biaxial brushes and a rubbed glass substrate show an orientation with a tilt angle of a = –15.6 . This work shows that LC brushes grown on rubbed surfaces fulfill the important criteria for alignment layers: the formation of macroscopic monodomains. First results indicate that by diluting the brush with molecules which are also covalently bound to the surface but induce a different orientation, a system is obtained in which the two conflicting alignment mechanisms can be used to generate a tilted alignment. In order to allow for an application of the alignment layers into a potential product, subsequent work should focus on the questions how easy and in which range the tilt angle can be controlled.

Neue konjugierte Polyarylene mit Leiterstruktur

Zusammenfassung: Im Rahmen der Arbeit wird über die Darstellung neuartiger, konjugierter Polyarylene mit Leiterstruktur berichtet. Über eine zweistufige Synthese wurde ein ethylenüberbrücktes Leiterpolymer (LPDP) hergestellt. Dabei wurde das Vorläuferpolymer mit Samarium(II)jodid unter milden Bedingungen zum Leiterpolymeren cyclisiert. Erste Untersuchungen zeigen, daß LPDP im Gegensatz zum 'gewinkelten Polyacen' eine sehr vielversprechende Elektrolumineszenz-Eigenschaft besitzt. Durch den Einbau chiraler Alkylsubstituenten in entsprechenden meta-Phenylen-Analoga der Leiterpolymere vom Polyacen-Typ wurde versucht, eine Vorzugsdrehrichtung der helikalen Leiterpolymere im Laufe der polymeranalogen Cyclisierung zu induzieren. Es zeigt sich, daß für eines der chiralen Derivate ein CD-Effekt im Bereich der Absorption der helikalen Polyacen-Hauptkette auch auf molekularer Ebene auftritt. Weiterhin wird die erfolgreiche Synthese eines neuen, heteroaromatischen Leiterpolymeren, LPPPT, beschrieben, welches alternierend aus 1,4-Phenylen- und 2,5-Thienylen-Einheiten aufgebaut ist. Eine LED in der Konfiguration ITO/LPPPT/Al zeigt eine orange Lichtemission. Die Quanteneffizienz der freien Ladungsträgerbildung für LPPPT wurde in Experimenten zur Ladungstraegergeneration im elektrischen Feld (Coronaentladung) zu ca. 1 % bei 10E7 V/m bestimmt. Letztlich wurde die Synthese eines neuen, heteroaromatischen Leiterpolymeren mit Carbazol-Einheiten, LPPPC, in der Hauptkette beschrieben, das alternierend aus 1,4-Phenylen- und Carbazol-3,6-diyl-Einheiten aufgebaut ist. Untersuchungen am LPPPC ergaben, daß das Polymer gute Lochleitereigenschaften besitzt, daneben weisen dünne Filme von LPPPC auch photovoltaische Eigenschaften auf.

Use of solvents and environmental friendly materials for applications in Green Chemistry

The present Thesis studies three alternative solvent groups as sustainable replacement of traditional organic solvents. Some aspects of fluorinated solvents, supercritical fluids and ionic liquids, have been analysed with a critical approach and their effective “greenness” has been evaluated from the points of view of the synthesis, the properties and the applications. In particular, the attention has been put on the environmental and human health issues, evaluating the eco-toxicity, the toxicity and the persistence, to underline that applicability and sustainability are subjects with equal importance. The “green” features of fluorous solvents and supercritical fluids are almost well-established; in particular supercritical carbon dioxide (scCO2) is probably the “greenest” solvent among the alternative solvent systems developed in the last years, enabling to combine numerous advantages both from the point of view of industrial/technological applications and eco-compatibility. In the Thesis the analysis of these two classes of alternative solvents has been mainly focused on their applicability, rather than the evaluation of their environmental impact. Specifically they have been evaluated as alternative media for non-aqueous biocatalysis. For this purpose, the hydrophobic ion pairing (HIP), which allows solubilising enzymes in apolar solvents by an ion pairing between the protein and a surfactant, has been investigated as effective enzymatic derivatisation technique to improve the catalytic activity under homogeneous conditions in non conventional media. The results showed that the complex enzyme-surfactant was much more active both in fluorous solvents and in supercritical carbon dioxide than the native form of the enzyme. Ionic liquids, especially imidazolium salts, have been proposed some years ago as “fully green” alternative solvents; however this epithet does not take into account several “brown” aspects such as their synthesis from petro-chemical starting materials, their considerable eco-toxicity, toxicity and resistance to biodegradation, and the difficulty of clearly outline applications in which ionic liquids are really more advantageous than traditional solvents. For all of these reasons in this Thesis a critical analysis of ionic liquids has been focused on three main topics: i) alternative synthesis by introducing structural moieties which could reduce the toxicity of the most known liquid salts, and by using starting materials from renewable resources; ii) on the evaluation of their environmental impact through eco-toxicological tests (Daphnia magna and Vibrio fischeri acute toxicity tests, and algal growth inhibition), toxicity tests (MTT test, AChE inhibition and LDH release tests) and fate and rate of aerobic biodegradation in soil and water; iii) and on the demonstration of their effectiveness as reaction media in organo-catalysis and as extractive solvents in the recovery of vegetable oil from terrestrial and aquatic biomass. The results about eco-toxicity tests with Daphnia magna, Vibrio fischeri and algae, and toxicity assay using cultured cell lines, clearly indicate that the difference in toxicity between alkyl and oxygenated cations relies in differences of polarity, according to the general trend of decreasing toxicity by decreasing the lipophilicity. Independently by the biological approach in fact, all the results are in agreement, showing a lower toxicity for compounds with oxygenated lateral chains than for those having purely alkyl lateral chains. These findings indicate that an appropriate choice of cation and anion structures is important not only to design the IL with improved and suitable chemico-physical properties but also to obtain safer and eco-friendly ILs. Moreover there is a clear indication that the composition of the abiotic environment has to be taken into account when the toxicity of ILs in various biological test systems is analysed, because, for example, the data reported in the Thesis indicate a significant influence of salinity variations on algal toxicity. Aerobic biodegradation of four imidazolium ionic liquids, two alkylated and two oxygenated, in soil was evaluated for the first time. Alkyl ionic liquids were shown to be biodegradable over the 6 months test period, and in contrast no significant mineralisation was observed with oxygenated derivatives. A different result was observed in the aerobic biodegradation of alkylated and oxygenated pyridinium ionic liquids in water because all the ionic liquids were almost completely degraded after 10 days, independently by the number of oxygen in the lateral chain of the cation. The synthesis of new ionic liquids by using renewable feedstock as starting materials, has been developed through the synthesis of furan-based ion pairs from furfural. The new ammonium salts were synthesised in very good yields, good purity of the products and wide versatility, combining low melting points with high decomposition temperatures and reduced viscosities. Regarding the possible applications as surfactants and biocides, furan-based salts could be a valuable alternative to benzyltributylammonium salts and benzalkonium chloride that are produced from non-renewable resources. A new procedure for the allylation of ketones and aldehydes with tetraallyltin in ionic liquids was developed. The reaction afforded high yields both in sulfonate-containing ILs and in ILs without sulfonate upon addition of a small amount of sulfonic acid. The checked reaction resulted in peculiar chemoselectivity favouring aliphatic substrates towards aromatic ketones and good stereoselectivity in the allylation of levoglucosenone. Finally ILs-based systems could be easily and successfully recycled, making the described procedure environmentally benign. The potential role of switchable polarity solvents as a green technology for the extraction of vegetable oil from terrestrial and aquatic biomass has been investigated. The extraction efficiency of terrestrial biomass rich in triacylglycerols, as soy bean flakes and sunflower seeds, was comparable to those of traditional organic solvents, being the yield of vegetable oils recovery very similar. Switchable polarity solvents as been also exploited for the first time in the extraction of hydrocarbons from the microalga Botryococcus braunii, demonstrating the efficiency of the process for the extraction of both dried microalgal biomass and directly of the aqueous growth medium. The switchable polarity solvents exhibited better extraction efficiency than conventional solvents, both with dried and liquid samples. This is an important issue considering that the harvest and the dewatering of algal biomass have a large impact on overall costs and energy balance.

Habitatwahl und Artenzusammensetzung von Arthropodenpopulationen im urbanen Bereich am Beispiel des Rhein-Main-Ballungsraumes unter besonderer Berücksichtigung der Saltatoria

SummaryThe present thesis deals with the choosing of habitats and species structures of invertebrate populations in urban areas. The main emphasis is focused on the group of saltatoria. Samplings by stationary traps and also by net-catching were carried out from 1993 to 1997. The survey extended over the whole city area of Mainz, Germany, as well as several spots in the area of Frankfurt upon Main. Shifting calcerous sands received special consideration. For a better distinction of the surveying area, three different zones were established, 'Relicts of natural landscape', 'Traditional worked rural landscape' and 'Urban environment'. Partly significant differences in species and individual abundance between the zones showed the influence of the different cultivation on the fauna. To investigate population size and -structure as well as migration and habitat preference - especially in urban areas - capture-recapture experiments were performed on the two species Oedipoda caerulescens L. and Sphingonotus caerulans L. in 1998. Large secondary habitats, such as train stations, are getting more and more important for the survival of the highly endangered S. caerulans. Another centre of attention was the structure of invertebrate populations on class level. The results of the investigation show, that the importance of urban environment for the conservation of species and also nature has been highly underestimated so far.ZusammenfassungDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Habitatwahl und Artenzusammensetzung von Arthropodenpopulationen im besiedelten Bereich. Der Schwerpunkt lag auf der Gruppe der Saltatoria. Über mehrere Jahre (1993-1996) wurden Fänge mit stationären Fallen sowie Kescherfänge durchgeführt. Das Untersuchungsgebiet umfaßte in erster Linie das Stadtgebiet von Mainz, darüber hinaus wurden einzelne Standorte in Frankfurt/M. und Umgebung untersucht. Ein Schwerpunkt der Untersuchungen lag auf Kalkflugsanddünen, besonders Restflächen im besiedelten Bereich. Sekundäre Sandstandorte oder vergleichbare anthropogen entstandene Böden wurden ebenfalls beprobt Das Stadtgebiet wurde aufgrund besserer Unterscheidung in drei Zonen aufgeteilt, die 'Naturlandschaftsrelikte', die 'Zone der Alten Kulturlandschaft' und die 'Urbane Landschaft'. Größtenteils signifikante Unterschiede in der Arten- und Individuenanzahl zwischen den Zonen zeigen den bedeutenden Einfluß der unterschiedlichen Bearbeitung und Kultivierung auf die Fauna. An den beiden Spezies Oedipoda caerulescens L. und Sphingonotus caerulans L. wurden Fang-Wiederfangexperimente zur Abschätzung der Populationsgröße, -struktur, Habitatwahl sowie Migration durchgeführt. Besonders für die stark gefährdete S. caerulans stellte sich die enorme Bedeutung von großflächigen Sekundärhabitaten im besiedelten Bereich, wie sie Bahnhöfe darstellen, heraus. Der zweite Schwerpunkt lag auf der Struktur von Invertebratenpopulationen im besiedelten Bereich. Sie wurden auf Ordnungsniveau erfaßt. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, daß die Bedeutung des besiedelten Bereiches für den Arten- und Biotopschutz bisher weit unterschätzt wurde.

Polymakromonomere als anisotropes Modellsystem zur Untersuchung kolloidaler Mehrkomponentensysteme

Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Untersuchung des Phasenverhaltens kolloidaler Mehrkomponentensysteme. Konzentrierte und kompatible Mischungen aus linearen Polymerketten und Polymakromonomeren als kolloidanaloge Partikel wurden auf ihre Eignung hin ein kolloidales Glas zu bilden untersucht.Die Synthese der Polymakromonomere erfolgte durch radikalische Polymerisation von Vinylbenzyl-Makromer, was zu zylinderartigen Makromolekülen führt, die auch als molekulare „Flaschenbürsten“ angesehen werden können. Aufgrund der grossen Längen-Polydispersität der Hauptkette wurden die erhaltenen Polymakromonomere mittels Continous Polymer Fractionation (CPF) fraktioniert, was zu Modell-Partikeln von verschiedener Molekülgestalt führte: von kugelförmig über stäbchenförmig bis hin zu wurmartig.Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die „haarige“ Oberfläche der Polymakromonomere zumindestens teilweise die entropisch bedingte Entmischung von Partikeln unterschiedlicher Molekülgestalt, wie Polymerknäuel und stäbchenartige, überwinden kann.Um das dynamische Verhalten zu untersuchen, wurden rheologische Messungen an den Schmelzen verschiedener Kolloid-Polymer-Mischungen ausgeführt. Es zeigte sich, dass Polymakromonomere mit grosser Hauptkettenlänge bzw. wurmartiger Gestalt einen signifikanten Verstärkungseffekt auf die Kolloid-Polymer-Mischung haben.

Squaraine mit ausgedehnter Konjugation

Squaraine mit ausgedehnter Konjugation: Die vorliegende Arbeit ist in zwei Teilbereiche gegliedert, wobei der erste Teil die Synthese und Eigenschaftsuntersuchung symmetrischer und unsymmetrischer, stilbenoider Squaraine mit ausgedehnter Konjugation (DAD-Systeme) betrifft. Im zweiten Teil der Arbeit werden als Modellverbindungen für diese Squaraine Oligo(phenylenvinylen)e (OPVs) mit terminaler Donor-Acceptor-Substitution hergestellt.Es wurden drei unterschiedliche Klassen von konjugationsverlängerten Squarainen synthetisiert: unsymmetrische und symmetrische Monosquaraine sowie Oligosquaraine mit zwei, drei oder vier quarylium-Einheiten. Um eine bessere Löslichkeit zu gewährleisten, tragen die meisten Verbindungen voluminöse, flexible Bis(2-hexyloctyl)amino-Reste. Teilweise konnte die Löslichkeit auch durch zusätzliche Hexylseitenketten noch weiter verbessert werden. Der Aufbau der stilbenoiden Resorcine, die zur Synthese der entsprechenden Squaraine benötigt werden, erfolgte fast ausschließlich über die Wittig-Horner-Reaktion. Die 3,5-Dihydroxysubstitution erhöht die Nucleophilie in der 4-Position, so daß sich die stilbenoiden Resorcine in guten Ausbeuten mit Quadratsäure oder mit einer Semiquadratsäure zu den gewünschten Squarainen kondensieren ließen. Die Herstellung der Donor-Acceptor-substituierten OPVs erfolgte nach einer konvergenten Synthesestrategie, bei der auf eine repetitive Wittig-Horner-Reaktion und eine einfache Schutzgruppentechnik zurückgegriffen wurde. Als Acceptorgruppen dienten Formyl-, Cyano- und Nitrosubstituenten, als Donorgruppe wurden Bis(2-Hexyloctyl)amino-Reste eingesetzt. Die igenschaftsuntersuchungen an den konjugierten Oligomeren konnten zur Aufklärung des ungewöhnlichen spektroskopischen Verhaltens der Squaraine beitragen. Es wurde ein athematischer Ansatz entwickelt, der das Absorptionsverhalten D-A-substituierter Oligo(phenylenvinylen)e exakt beschreiben kann. Semiempirische Rechnungen und elektrooptische bsorptionsmessungen an diesen Verbindungen bestätigten die experimentell gefundenen Trends.

Electrochemistry of carbon based engineered structures

The main aims of my PhD research work have been the investigation of the redox, photophysical and electronic properties of carbon nanotubes (CNT) and their possible uses as functional substrates for the (electro)catalytic production of oxygen and as molecular connectors for Quantum-dot Molecular Automata. While for CNT many and diverse applications in electronics, in sensors and biosensors field, as a structural reinforcing in composite materials have long been proposed, the study of their properties as individual species has been for long a challenging task. CNT are in fact virtually insoluble in any solvent and, for years, most of the studies has been carried out on bulk samples (bundles). In Chapter 2 an appropriate description of carbon nanotubes is reported, about their production methods and the functionalization strategies for their solubilization. In Chapter 3 an extensive voltammetric and vis-NIR spectroelectrochemical investigation of true solutions of unfunctionalized individual single wall CNT (SWNT) is reported that permitted to determine for the first time the standard electrochemical potentials of reduction and oxidation as a function of the tube diameter of a large number of semiconducting SWNTs. We also established the Fermi energy and the exciton binding energy for individual tubes in solution and, from the linear correlation found between the potentials and the optical transition energies, one to calculate the redox potentials of SWNTs that are insufficiently abundant or absent in the samples. In Chapter 4 we report on very efficient and stable nano-structured, oxygen-evolving anodes (OEA) that were obtained by the assembly of an oxygen evolving polyoxometalate cluster, (a totally inorganic ruthenium catalyst) with a conducting bed of multiwalled carbon nanotubes (MWCNT). Here, MWCNT were effectively used as carrier of the polyoxometallate for the electrocatalytic production of oxygen and turned out to greatly increase both the efficiency and stability of the device avoiding the release of the catalysts. Our bioinspired electrode addresses the major challenge of artificial photosynthesis, i.e. efficient water oxidation, taking us closer to when we might power the planet with carbon-free fuels. In Chapter 5 a study on surface-active chiral bis-ferrocenes conveniently designed in order to act as prototypical units for molecular computing devices is reported. Preliminary electrochemical studies in liquid environment demonstrated the capability of such molecules to enter three indistinguishable oxidation states. Side chains introduction allowed to organize them in the form of self-assembled monolayers (SAM) onto a surface and to study the molecular and redox properties on solid substrates. Electrochemical studies on SAMs of these molecules confirmed their attitude to undergo fast (Nernstian) electron transfer processes generating, in the positive potential region, either the full oxidized Fc+-Fc+ or the partly oxidized Fc+-Fc species. Finally, in Chapter 6 we report on a preliminary electrochemical study of graphene solutions prepared according to an original procedure recently described in the literature. Graphene is the newly-born of carbon nanomaterials and is certainly bound to be among the most promising materials for the next nanoelectronic generation.

La sostenibilità organizzativa dei progetti agricoli di cooperazione internazionale allo sviluppo

The importance of organizational issues to assess the success of international development project has not been fully considered yet. After a brief overview, in 1st chapter, on main actors involved on international cooperation, in the 2nd chapter an analysis of the literature on the project success definition, focused on the success criteria and success factors, was carried out by surveying the contribution of different authors and approaches. Traditionally projects were perceived as successful when they met time, budget and performance goals, assuming a basic similarity among projects (universalistic approach). However, starting from a non-universalistic approach, the importance of organization’s effectiveness, in terms of Relations Sustainability, emerged as a dimension able to define and assess a project success. The identification of the factors influencing the relationship between and inside the organizations becomes consequently a priority. In 3th chapter, starting from a literature survey, the different analytical approaches related to the inter and intra-organization relationships are analysed. They involve two different groups: the first includes studies focused on the type of organizations relationship structure (Supply Chains, Networks, Clusters and Industrial Districts); the second group includes approaches related to the general theories on firms relationship interpretation (Transaction Costs Economics, Resource Based View, Organization Theory). The variables and logical frameworks provided by these different theoretical contributions are compared and classified in order to find out possible connections and/or juxtapositions. Being an exhaustive collection of the literature on the subject is impossible, the main goal is to underline the existence of potentially overlapping and/or integrating approaches examining the contribution provided by different representative authors. The survey showed first of all many variables in common between approaches coming from different disciplines; furthermore the non overlapping variables can be integrated contributing to a broader picture of the variables influencing the organization relations; in particular a theoretical design for the identification of connections between the inter and the intra-organizations relations was made possible. The results obtained in 3th chapter help to defining a general theoretical framework linking the different interpretative variables. Based on extensive research contributions on the factors influencing the relations between organizations, the 4th chapter expands the analysis of the influence of variables like Human Resource Management, Organizational Climate, Psychological Contract and KSA (Knowledge, Skills, Abilities) on the relation sustainability. A detailed analysis of these relations is provided and a research hypothesis are built. According to this new framework in 5th chapter a statistical analysis was performed to qualify and quantify the influence of Organizational Climate on the Relations Sustainability. To this end the Structural Equation Modeling (SEMs) has adopted as method for the definition of the latent variables and the measure of their relations. The results obtained are satisfactory. An effective strategy to motivate the respondents to participate in the survey seems to be at the moment one of the major obstacles to the analysis implementation since the organizational performances are not specifically required by the projects’ evaluation guidelines and they represent an increase in the project related transaction costs. Their explicit introduction in the project presentation guidelines should be explored as an opportunity to increase the chances of success of these projects.

Gewitter und Gewitterschäden im südlichen hessischen Berg- und Beckenland und im Rhein-Main-Tiefland 1881 bis 1980

Basierend auf schriftlichen Quellen, hauptsächlich von 1881-1980 (ohne 1941-50), werden die raum-zeitlichen Eigenschaften von Gewittern mit Schäden im südlichen hessischen Berg- und Beckenland und im Rhein-Main-Tiefland (= UG) herausgestellt. Nach Auswertung des Materials in einer Datenbank erfolgt die Intensitätskategorisierung der Schadensvorgänge für gewitterbedingte Starkregen erstmals anhand der Ähnlichkeitsmerkmale von Folgeerscheinungen, für Blitzschlag erstmals nach Schadensaspekten sowie für Hagelschlag und Sturm mittels existierender und modifizierter Klassifizierungen. Diese Kategorisierungen können für alle Beschreibungen von Gewitterschadensereignissen in schriftlichen Quellen angewandt werden. Die einzelnen Phänomene zeigen deutlich voneinander abweichende Eigenschaften. So treten z.B. Starkregenschäden verstärkt im Frühsommer auf, Sturmschäden überwiegend erst im Hoch- und Spätsommer. Generell lassen sich zwei Jahresmaxima in der Gewitterschadenstätigkeit nachweisen (erste Junidekade, zweite Julihälfte). Schwergewitter mit Sturm (auch Hagel) aus SW-W verursachen überwiegend Schäden im südlichen und westlichen UG, aus W-N meist im nördlichen und östlichen UG. Gewitter mit Starkregenschäden dominieren im östlichen UG. Nach der hier vorgestellten Methode der Schadensschwerpunkte können für Schwergewitter aus dem westlichen Sektor (SW-W, W-N) Schwerpunktzugbahnen im UG gedeutet werden. Es wird die Möglichkeit aufgezeigt, die Schadensdatenauswertung auf historische Szenarien zu übertragen. Für Interpretation und Rekonstruktion dieser für die Belange der Historischen Klimatologie wichtigen Vorgänge wird Datenmaterial aus dem zurückreichenden Zeitraum bis 1700 verwendet.

Responsive Bürstenpolymere

'Responsive' Bürstenpolymere Bürstenpolymere sind definiert verzweigte Makromoleküle, die aus einer Hauptkette und vielen darauf (kovalent) gepfropften Seitenketten bestehen; ist der Pfropfungsgrad hoch und die Hauptkette wesentlich länger als die Seitenketten, dann haben sie die Form semiflexibler molekularer Zylinder. Lassen sich Form bzw. Ausdehnung eines solchen Zylinders gezielt ansteuern, dann könnten diese Moleküle entweder als (Nano-)Sensoren für die entsprechende Umgebungsbedingung oder als molekulare Motoren eingesetzt werden. Die Idee responsiver Bürstenpolymere beruht auf folgender Überlegung: Die gestreckte Konformation der Hauptkette ist entropisch gegenüber einem entsprechenden Knäuel benachteiligt, weshalb sie ,molekulare Federn‘ darstellen, die auf Änderung der repulsiven Wechselwirkung zwischen den Seitenketten reagieren. Dies wurde für den Wechsel zwischen gutem und schlechtem Lösungsmitteln untersucht. Ein zweites Konzept zur Änderung der Molekülform beruht auf der intramolekularen Phasentrennung (,Segmentbildung‘) miteinander unverträglicher Seitenketten in selektiven Lösungsmitteln, da die Hauptkette durch Ausbildung von Mikrophasen entlang des Moleküls ebenfalls aus ihrer gestreckten Form gebracht werden sollte. Die dritte Möglichkeit zur Änderung der Konformation ist die intramolekulare Vernetzung von Seitenketten, die ebenfalls zu verringerter Abstoßung und damit zur Verkürzung der Zylinder führen sollte. Eine weitere wichtige Untersuchung der Arbeit war der Übergang einer geknäuelten Hauptkette zu einer gestreckten Bürste als Funktion der Pfropfdichte. Zur Beantwortung dieser Fragestellungen wurden zylindrische Bürstenpolymere durch ,Grafting Trough‘ und ,Grafting Onto‘ synthetisiert (PS bzw. PI/PS und PnBMA/PMAA mit Kern/Schale- und ,Segment‘-Architektur) und systematisch Pfropfdichte, Vernetzungsgrad (Vernetzung durch gamma-Bestrahlung) und Lösungsbedingungen verändert. Die Möglichkeit gezielter Ansteuerung der Konformationsänderung durch Vernetzung konnte nach polymeranaloger Modifikation von PI/PS-Bürstenpolymeren durch Photovernetzung und vernetzende Komplexierung erfolgreich bestätigt werden. Zur Untersuchung der Probenreihen wurden AFM, Licht- und Neutronenstreuung herangezogen. Die Analysen bestätigten konsistent die Änderung von Steifigkeit, Zylinderquerschnitt und Streckung der Hauptkette durch Variation von Pfropfdichte, Vernetzung und Lösungsmittelqualität. Für die Änderung der Pfropfdichte gehorchen die Parameter dabei Potenzgesetzen.

Visualization, manipulation and force spectroscopy of cylindrical polymer brushes

The Ph.D. thesis deals with the conformational study of individual cylindrical polymer brush molecules using atomic force microscopy (AFM). Imaging combined with single molecule manipulation has been used to unravel questions concerning conformational changes, desorption behavior and mechanical properties of individual macromolecules and supramolecular structures. In the first part of the thesis (chapter 5) molecular conformations of cylindrical polymer brushes with poly-(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) side chains were studied in various environmental conditions. Also micelle formation of cylindrical brush-coil blockcopolymers with polyacrylic acid side chains and polystyrene coil have been visualized. In chapter 6 the mechanical properties of single cylindrical polymer brushes with (PNIPAM) side chains were investigated. Assuming that the brushes adopt equilibrium conformation on the surface, an average persistence length of lp= (29 ± 3) nm was determined by the end-to-end distance vs. contour length analysis in terms of the wormlike chain (WLC) model. Stretching experiments suggest that an exact determination of the persistence length using force extension curves is impeded by the contribution of the side chains. Modeling the stretching of the bottle brush molecule as extension of a dual spring (side chain and main chain) explains the frequently observed very low persistence length arising from a dominant contribution of the side chain elasticity at small overall contour lengths. It has been shown that it is possible to estimate the “true” persistence length of the bottle brush molecule from the intercept of a linear extrapolation of the inverse square root of the apparent persistence length vs. the inverse contour length plot. By virtue of this procedure a “true” persistence length of 140 nm for the PNIPAM brush molecules is predicted. Chapter 7 and 8 deal with the force-extension behavior of PNIPAM cylindrical brushes studied in poor solvent conditions. The behavior is shown to be qualitatively different from that in a good solvent. Force induced globule-cylinder conformational changes are monitored using “molecule specific force spectroscopy” which is a combined AFM imaging and SMFS technique. An interesting behavior of the unfolding-folding transitions of single collapsed PNIPAM brush molecules has been observed by force spectroscopy using the so called “fly-fishing” mode. A plateau force is observed upon unfolding the collapsed molecule, which is attributed to a phase transition from a collapsed brush to a stretched conformation. Chapter 9 describes the desorption behavior of single cylindrical polyelectrolyte brushes with poly-L-lysine side chains deposited on a mica surface using the “molecule specific force spectroscopy” technique to resolve statistical discrepancies usually observed in SMFS experiments. Imaging of the brushes and inferring the persistence length from a end-to-end distance vs. contour length analysis results in an average persistence length of lp = (25 ± 5) nm assuming that the chains adopt their equilibrium conformation on the surface. Stretching experiments carried out on individual poly-L-lysine brush molecules by force spectroscopy using the “fly-fishing” mode provide a persistence length in the range of 7-23 nm in reasonable accordance with the imaging results. In chapter 10 the conformational behavior of cylindrical poly-L-lysine brush-sodium dodecyl sulfate complexes was studied using AFM imaging. Surfactant induced cylinder to helix like to globule conformational transitions were observed.

Strukturbildungsverhalten kettensteifer Polyelektrolyte in wässrigen Lösungen am Beispiel von Poly(para-phenylen)sulfonat

An einer Vielzahl biogener Polyelektrolyte, wie z.B. den Nukleinsäuren DNA und RNA sowie Proteinen, ist die Ausbildung von Strukturhierarchien durch Selbstorganisation von Strukturelementen zu beobachten. Dabei wird das Strukturbildungsverhalten durch eine Kopplung von Wechselwirkungen auf verschiedenen Längenskalen, den kurzreichweitigen ausgeschlossenen Volumen und den langreichweitigen elektrostatischen Wechselwirkungen (Coulomb-Wechselwirkungen), die wiederum durch eine Vielzahl mikroskopische Parameter (z.B. Konformation) beeinflusst werden, bestimmt. Durch diese Komplexität ist es nicht möglich, den für die Strukturbildung hochgeladener Systeme bedeutsamen Beitrag der elektrostatischen Wechselwirkungen isoliert zu betrachten. Aus diesem Grund werden zur Aufklärung von Wechselwirkungs- und Strukturbildungsmechanismen vereinfachte Modell-Systeme herangezogen. Eine Möglichkeit besteht in der Verwendung synthetischer, kettensteifer Polyelektrolyte. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Aggregationsverhalten wässriger Lösungen dodecylsubstituierter Poly(para-phenylen)sulfonate (PPPS) sowie die Beeinflussung der Strukturbildung durch verschiedene Parameter charakterisiert. Als Einflussparameter wurden einerseits die Gegenion-Spezies und andererseits die Temperatur- und Konzentrations-Abhängigkeit untersucht. Hierzu wurden wässrige Lösungen der freien Säuren der PPPS mit Molekulargewichten zwischen MW = 18 kg/mol bis 58 kg/mol mittels Licht-, Röntgen- und Neutronenstreuung sowie durch Licht-, Polarisations-, Transmissionselektronen- und Rasterkraftmikroskopie in einem Konzentrationsbereich von 0,0008 < c < 1,1 g/L untersucht.