Photophysics of Carbon Nanotubes: from Dispersion to Supramolecular Systems

The aim of this PhD thesis is the investigation of the photophysical properties of materials that can be exploited in solar energy conversion. In this context, my research was mainly focused on carbon nanotube-based materials and ruthenium complexes. The first part of the thesis is devoted to carbon nanotubes (CNT), which have unique physical and chemical properties, whose rational control is of substantial interest to widen their application perspectives in many fields. Our goals were (i) to develop novel procedures for supramolecular dispersion, using amphiphilic block copolymers, (ii) to investigate the photophysics of CNT-based multicomponent hybrids and understand the nature of photoinduced interactions between CNT and selected molecular systems such as porphyrins, fullerenes and oligo (p-phynylenevinylenes). We established a new protocol for the dispersion of SWCNTs in aqueous media via non-covalent interactions and demonstrated that some CNT-based hybrids are suitable for testing in PV devices. The second part of the work is focussed on the study of homoleptic and heteroleptic Ru(II) complexes with bipyridine and extended phenanthroline ligands. Our studies demonstrated that these compounds are potentially useful as light harvesting systems for solar energy conversion. Both CNT materials and Ru(II) complexes have turned out to be remarkable examples of photoactive systems. The morphological and photophysical characterization of CNT-based multicomponent systems allowed a satisfactory rationalization of the photoinduced interactions between the individual units, despite several hurdles related to the intrinsic properties of CNTs that prevent, for instance, the utilization of laser spectroscopic techniques. Overall, this work may prompt the design and development of new functional materials for photovoltaic devices.

Phenothiazine based polymers for energy and data storage application

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung von Polymeren mit redox-funktionalen Phenothiazin-Seitenketten. Phenothiazin und seine Derivate sind kleine Redoxeinheiten, deren reversibles Redoxverhalten mit electrochromen Eigenschaften verbunden ist. Das besondere an Phenothiazine ist die Bildung von stabilen Radikalkationen im oxidierten Zustand. Daher können Phenothiazine als bistabile Moleküle agieren und zwischen zwei stabilen Redoxzuständen wechseln. Dieser Schaltprozess geht gleichzeitig mit einer Farbveränderung an her.rnrnIm Rahmen dieser Arbeit wird die Synthese neuartiger Phenothiazin-Polymere mittels radikalischer Polymerisation beschrieben. Phenothiazin-Derivate wurden kovalent an aliphatischen und aromatischen Polymerketten gebunden. Dies erfolgte über zwei unterschiedlichen synthetischen Routen. Die erste Route beinhaltet den Einsatz von Vinyl-Monomeren mit Phenothiazin Funktionalität zur direkten Polymerisation. Die zweite Route verwendet Amin modifizierte Phenothiazin-Derivate zur Funktionalisierung von Polymeren mit Aktivester-Seitenketten in einer polymeranalogen Reaktion. rnrnPolymere mit redox-funktionalen Phenothiazin-Seitenketten sind aufgrund ihrer Elektron-Donor-Eigenschaften geeignete Kandidaten für die Verwendung als Kathodenmaterialien. Zur Überprüfung ihrer Eignung wurden Phenothiazin-Polymere als Elektrodenmaterialien in Lithium-Batteriezellen eingesetzt. Die verwendeten Polymere wiesen gute Kapazitätswerte von circa 50-90 Ah/kg sowie schnelle Aufladezeiten in der Batteriezelle auf. Besonders die Aufladezeiten sind 5-10 mal höher als konventionelle Lithium-Batterien. Im Hinblick auf Anzahl der Lade- und Entladezyklen, erzielten die Polymere gute Werte in den Langzeit-Stabilitätstests. Insgesamt überstehen die Polymere 500 Ladezyklen mit geringen Veränderungen der Anfangswerte bezüglich Ladezeiten und -kapazitäten. Die Langzeit-Stabilität hängt unmittelbar mit der Radikalstabilität zusammen. Eine Stabilisierung der Radikalkationen gelang durch die Verlängerung der Seitenkette am Stickstoffatom des Phenothiazins und der Polymerhauptkette. Eine derartige Alkyl-Substitution erhöht die Radikalstabilität durch verstärkte Wechselwirkung mit dem aromatischen Ring und verbessert somit die Batterieleistung hinsichtlich der Stabilität gegenüber Lade- und Entladezyklen. rnrnDes Weiteren wurde die praktische Anwendung von bistabilen Phenothiazin-Polymeren als Speichermedium für hohe Datendichten untersucht. Dazu wurden dünne Filme des Polymers auf leitfähigen Substraten elektrochemisch oxidiert. Die elektrochemische Oxidation erfolgte mittels Rasterkraftmikroskopie in Kombination mit leitfähigen Mikroskopspitzen. Mittels dieser Technik gelang es, die Oberfläche des Polymers im nanoskaligen Bereich zu oxidieren und somit die lokale Leitfähigkeit zu verändern. Damit konnten unterschiedlich große Muster lithographisch beschrieben und aufgrund der Veränderung ihrer Leitfähigkeit detektiert werden. Der Schreibprozess führte nur zu einer Veränderung der lokalen Leitfähigkeit ohne die topographische Beschaffenheit des Polymerfilms zu beeinflussen. Außerdem erwiesen sich die Muster als besonders stabil sowohl mechanisch als auch über die Zeit.rnrnZum Schluss wurden neue Synthesestrategien entwickelt um mechanisch stabile als auch redox-funktionale Oberflächen zu produzieren. Mit Hilfe der oberflächen-initiierten Atomtransfer-Radikalpolymerisation wurden gepfropfte Polymerbürsten mit redox-funktionalen Phenothiazin-Seitenketten hergestellt und mittels Röntgenmethoden und Rasterkraftmikroskopie analysiert. Eine der Synthesestrategien geht von gepfropften Aktivesterbürsten aus, die anschließend in einem nachfolgenden Schritt mit redox-funktionalen Gruppen modifiziert werden können. Diese Vorgehensweise ist besonders vielversprechend und erlaubt es unterschiedliche funktionelle Gruppen an den Aktivesterbürsten zu verankern. Damit können durch Verwendung von vernetzenden Gruppen neben den Redoxeigenschaften, die mechanische Stabilität solcher Polymerfilme optimiert werden. rn rn

Solubility, diffusivity and permeability of gases in glassy polymers

Gas separation membranes of high CO2 permeability and selectivity have great potential in both natural gas sweetening and carbon dioxide capture. Many modified PIM membranes results permselectivity above Robinson upper bound. The big problem that should be solved for these polymers to be commercialized is their aging through time. In high glassy polymeric membrane such as PIM-1 and its modifications, solubility selectivity has more contribution towards permselectivity than diffusivity selectivity. So in this thesis work pure and mixed gas sorption behavior of carbon dioxide and methane in three PIM-based membranes (PIM-1, TZPIM-1 and AO-PIM-1) and Polynonene membrane is rigorously studied. Sorption experiment is performed at different temperatures and molar fraction. Sorption isotherms found from the experiment shows that there is a decrease of solubility as the temperature of the experiment increases for both gases in all polymers. There is also a decrease of solubility due to the presence of the other gas in the system in the mixed gas experiments due to competitive sorption effect. Variation of solubility is more visible in methane sorption than carbon dioxide, which will make the mixed gas solubility selectivity higher than that of pure gas solubility selectivity. Modeling of the system using NELF and Dual mode sorption model estimates the experimental results correctly Sorption of gases in heat treated and untreated membranes show that the sorption isotherms don’t vary due to the application of heat treatment for both carbon dioxide and methane. But there is decrease in the diffusivity coefficient and permeability of pure gases due to heat treatment. Both diffusivity coefficient and permeability decreases with increasing of heat treatment temperature. Diffusivity coefficient calculated from transient sorption experiment and steady state permeability experiment is also compared in this thesis work. The results reveal that transient diffusivity coefficient is higher than steady state diffusivity selectivity.

Synthese und Untersuchung des Aggregationsverhaltens von Oligo(p-benzamid)-Rod-Coil-Blockcopolymeren

In dieser Arbeit wird das erste Beispiel einer automatisierten Oligo(p-benzamid)synthese beschrieben. Die auf diese Weise synthetisierten Oligo(p-benzamid)e wurden zu verschiedensten Block-co-polymeren umgesetzt und, nach Abspaltung der p-Methoxybenzylschutzgruppe, die Lösungsaggregation der resultierenden Rod-Coil Block-co-polymere mithilfe der Transmissionselektronen-Mikroskopie untersucht.

Coating of surfaces of composite materials with enzymatically formed biosilica

Die Bildung kieselsäurehaltiger Spicula in marinen Schwämmen ist nur möglich durch die enzymatische Aktivität des Silicatein- in Verbindung mit der stöchiometrischen Selbstassemblierung des Enzyms mit anderen Schwammproteinen. Die vorliegende Arbeit basiert auf einem biomimetischen Ansatz mit dem Ziel, unterschiedliche Oberflächen für biotechnologische und biomedizinische Anwendungen mit Biosilica und Biotitania zu beschichten und zu funktionalisieren. Für biotechnologische Anwendungen ist dabei das Drucken von Cystein-getaggtem Silicatein auf Gold-Oberflächen von Bedeutung, denn es ermöglichte die Bildung definierter Biotitania-Strukturen (Anatas), welche als Photokatalysator den Abbau eines organischen Farbstoffs bewirkten. Des Weiteren zeigte sich die bio-inspirierte Modifikation von Tyrosin-Resten an rekombinantem Silicatein-(via Tyrosinase) als vielversprechendes Werkzeug zur Beschleunigung der Selbstassemblierung des Enzyms zu mesoskaligen Filamenten. Durch eine solche Modifikation konnte Silicatein auch auf der Oberfläche von anorganischen Partikeln immobilisiert werden, welches die Assemblierung von anorganisch-organischen Verbundwerkstoffen in wäßriger Umgebung förderte. Die resultierenden supramolekularen Strukturen könnten dabei in bio-inspirierten und biotechnologischen Anwendungen genutzt werden. Weiterhin wurde in der vorliegenden Arbeit die Sekundärstruktur von rekombinantem Silicatein- (Monomer und Oligomer) durch Raman Spektroskopie analysiert, nachdem das Protein gemäß einer neu etablierten Methode rückgefaltet worden war. Diese Spektraldaten zeigten insbesondere Änderungen der Proteinkonformation durch Solubilisierung und Oligomerisierung des Enzyms. Außerdem wurden die osteoinduzierenden und osteogenen Eigenschaften unterschiedlicher organischer Polymere, die herkömmlich als Knochenersatzmaterial genutzt werden, durch Oberflächenmodifikation mit Silicatein/Biosilica verbessert: Die bei der Kultivierung knochenbildender Zellen auf derart oberflächenbehandelten Materialien beobachtete verstärkte Biomineralisierung, Aktivierung der Alkalischen Phosphatase, und Ausbildung eines typischen zellulären Phänotyps verdeutlichen das Potential von Silicatein/Biosilica für der Herstellung neuartiger Implantat- und Knochenersatzmaterialien.

Molekulare und supramolekulare Eigenschaften von neuen Donor-Akzeptor-Polymeren

Die organische Halbleitertechnologie befindet sich seit Jahrzehnten im Focus des Interesses, da sie eine kostengünstige und umweltverträgliche Alternative zu anorganischen Silizium-basierten Halbleitern darstellt. Die Möglichkeit der gezielten Funktionalisierung von definierten Strukturen durch synthetische Methoden, welche eine große Vielfalt an Materialien ermöglicht, steht dabei besonders im Vordergrund. Die Modifikation von physikalischen Eigenschaften ermöglicht dabei eine stark erleichterte Anpassung für den geplanten Anwendungsbereich. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden organische Halbleitermaterialien basierend auf Cyclopenta[2,1-b:3,4-b']dithiophen (CDT) dargestellt und hinsichtlich ihrer strukturellen und elektronischen Eigenschaften untersucht. In Kombination mit Benzo[c][1,2,5]thiadiazol (BTZ) und weiteren Akzeptoren wurden zunächst Donor(D)-Akzeptor(A)-Polymere synthetisiert und Struktur-Eigenschaft-Beziehungen aufgestellt. So konnte ein sehr hochmolekulares Polymer CDT-BTZ-Polymer (Mn = 36 kg mol-1, PDI = 2.6) erhalten werden, welches sich durch eine hohe lamellare Ordnung und eine gemessene Ladungsträgermobilität in FETs von über 5.0 cm2V-1s-1 bei Raumtemperatur auszeichnete; bei niedrigen Temperaturen (240 K) war letztgenannte 6.5 cm2V-1s-1. Aufgrund dieses hohen Ladungstransports und der Abwesenheit niedermolekularer Polymerketten innerhalb des Polymers konnte erstmals eine Messung eines HALL-Effektes bewerkstelligt werden. Dies war der erste Beweis eines Band-artigen Ladungstransportes an einem Polymerhalbleiter. Des Weiteren wurde durch synthetische Veränderung der Grundstruktur des Polymers zu längeren Alkylketten eine anisotrope Anordnung der Polymerketten erreicht und die Ladungsträgermobilität (6.5 cm2V-1s-1 bei Raumtemperatur) weiter gesteigert. Darauf aufbauend wurde der Einfluss von stereoisomeren Seitenketten an CDT-BTZ-Polymeren auf Packungsverhalten, Parametern (Sperrstrom, Einschaltstrom) in FETs und Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln untersucht. Durch cis-trans-Isomerisierung der Seitenketten wurde hier eine neue Methode zur Optimierung des Packungsverhaltens von Polymeren in dünnen Filmen und Lösung gefunden. Zuletzt wurden D-π-A-Farbstoffen, welche CDT als Verbrückungseinheit (π) beinhalten, dargestellt. Durch Variation von D und A konnten Struktur-Eigenschaft-Beziehungen in der Anwendung in Solarzellen (Feststoffsolarzellen, Flüssigsolarzellen) gefunden werden. Die Untersuchungen der photoinduzierten Absorption und der Photolumisenzenzquantenausbeute lieferten dabei Erklärungen für physikalische Prozesse wie Ladungsinjektion- und rekombination.

Sulfur-containing polymers for surface attachment

Different concepts for the synthesis of sulfur-containing polymers as well as their adsorption onto gold surfaces were studied. The present work is divided into three parts. The main part focuses on the synthesis of poly(1,2-alkylene sulfides) (“polysulfides”) with complex architectures on the basis of polyether-based macroinitiators by the anionic ring-opening polymerization of ethylene sulfide and propylene sulfide. This synthetic tool kit allowed the synthesis of star-shaped, brush-like, comb-like and pom-pom-like polysulfides, the latter two with an additional poly(ethylene glycol) chain. Additionally, the number of polysulfide arms as well as the monomer composition could be varied over a wide range to obtain copolymers with multiple thioether functionalities.rnThe second section deals with the synthesis of a novel lipoic acid-based initiator for ring-opening polymerizations for lactones and epoxides. A straightforward approach was selected to accomplish the ability to obtain tailored polymers with a common used disulfide-anchoring group, without the drawbacks of post-polymerization functionalization. rnIn the third part, a new class of block-copolymers consisting of polysulfides and polyesters were investigated. For the first time this approach enabled the use of hydroxyl-terminated poly(propylene sulfide) as macroinitiator for the synthesis of a second block.rnThe adsorption efficiency of those different polymer classes onto gold nanoparticles as well as gold rnsupports was studied via different methods.rn

Novel materials for direct X-ray detectors based on semiconducting organic polymers

Conventional inorganic materials for x-ray radiation sensors suffer from several drawbacks, including their inability to cover large curved areas, me- chanical sti ffness, lack of tissue-equivalence and toxicity. Semiconducting organic polymers represent an alternative and have been employed as di- rect photoconversion material in organic diodes. In contrast to inorganic detector materials, polymers allow low-cost and large area fabrication by sol- vent based methods. In addition their processing is compliant with fexible low-temperature substrates. Flexible and large-area detectors are needed for dosimetry in medical radiotherapy and security applications. The objective of my thesis is to achieve optimized organic polymer diodes for fexible, di- rect x-ray detectors. To this end polymer diodes based on two different semi- conducting polymers, polyvinylcarbazole (PVK) and poly(9,9-dioctyluorene) (PFO) have been fabricated. The diodes show state-of-the-art rectifying be- haviour and hole transport mobilities comparable to reference materials. In order to improve the X-ray stopping power, high-Z nanoparticle Bi2O3 or WO3 where added to realize a polymer-nanoparticle composite with opti- mized properities. X-ray detector characterization resulted in sensitivties of up to 14 uC/Gy/cm2 for PVK when diodes were operated in reverse. Addition of nanoparticles could further improve the performance and a maximum sensitivy of 19 uC/Gy/cm2 was obtained for the PFO diodes. Compared to the pure PFO diode this corresponds to a five-fold increase and thus highlights the potentiality of nanoparticles for polymer detector design. In- terestingly the pure polymer diodes showed an order of magnitude increase in sensitivity when operated in forward regime. The increase was attributed to a different detection mechanism based on the modulation of the diodes conductivity.

Biomimetic coating of organic polymers with a protein-functionalized layer of calcium phosphate: the surface properties of the carrier influence neither the coating characteristics nor the incorporation mechanism or release kinetics of the protein

Polymers that are used in clinical practice as bone-defect-filling materials possess many essential qualities, such as moldability, mechanical strength and biodegradability, but they are neither osteoconductive nor osteoinductive. Osteoconductivity can be conferred by coating the material with a layer of calcium phosphate, which can be rendered osteoinductive by functionalizing it with an osteogenic agent. We wished to ascertain whether the morphological and physicochemical characteristics of unfunctionalized and bovine-serum-albumin (BSA)-functionalized calcium-phosphate coatings were influenced by the surface properties of polymeric carriers. The release kinetics of the protein were also investigated. Two sponge-like materials (Helistat® and Polyactive®) and two fibrous ones (Ethisorb and poly[lactic-co-glycolic acid]) were tested. The coating characteristics were evaluated using state-of-the-art methodologies. The release kinetics of BSA were monitored spectrophotometrically. The characteristics of the amorphous and the crystalline phases of the coatings were not influenced by either the surface chemistry or the surface geometry of the underlying polymer. The mechanism whereby BSA was incorporated into the crystalline layer and the rate of release of the truly incorporated depot were likewise unaffected by the nature of the polymeric carrier. Our biomimetic coating technique could be applied to either spongy or fibrous bone-defect-filling organic polymers, with a view to rendering them osteoconductive and osteoinductive.

Chemical Research with Undergraduate Collaborators: Building Cyclic Polymers

Undergraduate research in chemistry provides not only a meaningful experience for the students, but is essential in getting research done. This talk will focus on an ongoing project in my lab: designing large molecules of specific shapes by studying the fundamental reactions. While results will be discussed, the talk will be tailored towards a general audience. I will attempt to highlight the outstanding contributions made by Bucknell students that have worked in my lab.

Synthesis of Macrocyclic Polymers Formed via Intramolecular Radical Trap-Assisted Atom Transfer Radical Coupling

The synthesis of cyclic polystyrene (Pst) with an alkoxyamine functionality has been accomplished by intramolecular radical coupling in the presence of a nitroso radical trap Linear alpha,omega-dibrominated polystyrene, produced by the atom transfer radical polymerization (ATRP) of styrene using a dibrominated initiator, was subjected to chain-end activation via the atom transfer radical coupling (ATRC) process under pseudodilute conditions in the presence of 2-methyl-2-nitrosopropane (MNP). This radical trap-assisted, intramolecular ATRC (RTA-ATRC) produced cyclic polymers in greater than 90% yields possessing < G > values in the 0.8-0.9 range as determined by gel permeation chromatography (GPC). Thermal-induced opening of the cycles, made possible by the incorporated alkoxyamine, resulted in a return to the original apparent molecular weight, further supporting the formation of cyclic polymers in the RTA-ATRC reaction. Liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) provided direct confirmation of the cyclic architecture and the incorporation of the nitroso group into the macrocycle RTA-ATRC cyclizations carried out with faster rates of polymer addition into the redox active solution and/or in the presence of a much larger excess of MNP (up to a 250:1 ratio of MNP:C-Br chain end) still yielded cyclic polymers that contained alkoxyamine functionality.