<div>Despite the advances of analytical and numerical methods for composite materials, it is still challenging to predict the onset and evolution of their different failure mechanisms. Because most failure mechanisms are irreversible processes in thermodynamics, it is beneficial to model them within a unified thermodynamic framework. Noting the advantages of so-called generalized standard models (GSMs) in this regard, the objective of this work is to formulate constitutive models for several main failure mechanisms: brittle fracture, interlaminar delamination, and fatigue behavior for both continuum damage and delamination, in a generalized standard manner.</div><div><br></div><div>For brittle fracture, the numerical difficulties caused by damage and strain localization in traditional finite element analysis will be addressed and overcome. A nonlocal damage model utilizing an integral-type regularization technique will be derived based on a recently developed ``local'' continuum damage model. The objective is to make this model not only rigorously handle brittle fracture, but also incorporate common damage behavior such as damage anisotropy, distinct tensile and compressive damage behavior, and damage deactivation. A fully explicit integration scheme for the present model will be developed and implemented.</div><div><br></div><div>For fatigue continuum damage, a viscodamage model, which can handle frequently observed brittle damage phenomena, is developed to produce stress-dependent fatigue damage evolution. The governing equation for damage evolution is derived using an incremental method. A class of closed-form incremental constitutive relations is derived. </div><div><br></div><div>For interlaminar delamination, a cohesive zone model (CZM) will be proposed. Focus is placed on making the associated cohesive elements capable of displaying experimental critical energy release rate--mode mixture ratio relationships. To achieve this goal, each cohesive element is idealized as a deformable string exhibiting path dependent damage behavior. A damage model having a path dependence function will be developed, which will be constructed such that each cohesive element can exhibit designated, possibly sophisticated mixed-mode behavior. The rate form of the cohesive law will be subsequently derived.</div><div><br></div><div>Finally, a CZM for interlaminar fatigue, capable of handling brittle damage behavior, is developed to produce realistic interlaminar crack propagation under high-cycle fatigue. An implicit integration scheme, which can handle complex separation paths and mixed-mode delamination, is developed. Many numerical examples will be utilized to clearly demonstrate the capabilities of the proposed nonlocal damage model, continuum fatigue damage model, and CZMs for quasi-static and fatigue delamination.</div>

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Materials for extreme electrical contacts need to have high electrical conductivity coupled with good structural properties. Potential applications include motor contacts, high power switches, and the components of electromagnetic launch (EML) systems. In particular, the lack of durability of these materials in rail components limits practical EML implementation. These rails experience significant amounts of Joule heating, due to extreme current densities, and subsequent thermally-assisted wear. New more durable materials solutions are needed for these components. A systematic materials selection study was executed to identify and compare candidate materials solutions. Several possible candidate non-dominated materials as well as hybrid materials that could potential fill the "white spaces" on the Ashby charts were identified. A couple potential candidate materials were obtained and evaluated. These included copper-tungsten W-Cu, "self-lubricating" graphite-impregnated Cu, and Gr-W-Cu composites with different volume fractions of the constituents. The structure-property relations were determined through mechanical and electrical resistivity testing. A unique test protocol for exposing mechanical test specimens to extreme current densities up to 1.2 GA/m2 was developed and used to evaluate these candidate materials. The systematic design of multi-functional materials for these extreme electrical contacts requires more than an empirical approach. Without a good understanding of both the tribological and structural performance, the optimization of the microstructure will not be quickly realized. By using micromechanics modeling and other materials design modeling tools coupled with systematic mechanical and tribological experiments, the design of materials for these applications can potentially be accelerated. In addition, using these tools, more complex functionally-graded materials tailored to the application can be systematically designed. In this study, physics- and micromechanics-based models were used to correlate properties to the volume fraction of the constituents of the evaluated candidate materials. Properties correlated included density, elastic modulus, hardness, strength, and electrical resistivity of the W-Cu materials.

Open-framework inorganic and inorganic-organic hybrid materials constitute an important area of study in materials chemistry, because of their potential applications in areas such as sorption and catalysis. Besides aluminosilicate zeolites, the metal phosphates and carboxylates constitute large families of open-framework structures. The possibility of building open architectures with the sulfate and selenate anions as the basic building units has been explored in this thesis. Investigations of a variety of open-framework metal sulfates and selenates, as well as a family of jarosites of different transition metals are presented. More importantly, studies directed towards the synthesis and understanding of the magnetic properties of various Kagome compounds formed by the transition metal ions is discussed at length. After providing an introduction to inorganic open-framework compounds (Part 1), the thesis presents the results of the investigations of various transition and rare earth metal sulfates with diverse structures and dimensionalities in Part 2. Some of these compounds show interesting properties. For example, a two-dimensional Ni(II) sulfate exhibits ferrimagnetism whereas a three-dimensional Ni(II) sulfate with 10-membered channels is paramagnetic. A family of three-dimensional co-ordination polymers of Co(II) sulfate wherein the Co(II) sulfate layers are linked by diaminoalkanes of varying chain length has been synthesized and characterized. Organically-templated neodymium and thorium sulfates with layered and three-dimensional structure have also been prepared. The jarosite family of compounds with the Kagome structure is considered as an ideal model for studying frustrated magnetism. This type of materials, however, is difficult to prepare in a pure and highly crystalline form. We have synthesized analogues of the jarosite containing magnetic ions other than Fe3+ by solvothermal techniques and discussed them in Part 3. In particular, we have prepared and explored the magnetic properties of Mn2+(S = 5/2), Fe2+ (S = 2), Co2+(S = 3/2) and Ni2+ (S = 1) jarosites. Based on the results presented, it becomes clear that the magnetic properties vary with the spin of the transition metal ion. It appears that those Kagome compounds with transition metalions with non-integer spins show antiferromagnetic interactions and magnetic frustration while those with integer spins exhibit ferro/ferrimagnetic properties. A theoretical study has also supports this observation. We have been able to isolate for the first time 1,4-diazacubane as the part of the structure of the nickel Kagome compound. The possibility of building open architectures with the selenate anion as the basic building unit has been explored in Part 4. The results have been rewarding and an organically-templated three-dimensional lanthanum selenate with 12-membered channels has thus been obtained for the first time.

Ausgangspunkt dieser Arbeit war die Frage, inwieweit die zur Herstellung von Compositmaterialien aus leitfähigen Polymerfilmen (Polythiophen, Polypyrrol) und Metalloxidschichten (anodisch oxidiertes Titan, chemisch oxidiertes Silicium bzw. Aluminium) entwickelte Präparationsmethode auf die Herstellung hybrider Core - Shell - Partikel (Core: Metalloxidpartikel; Shell: leitfähiges Polymer) übertragbar ist. Die erfolgreiche Beschichtung dispergierter Oxidpartikel mit leitfähigen Poly- meren zeigte, dass nicht nur eine analoge Verfahrensweise (Adsorption des Monomers auf der Substratoberfläche und anschließende Zugabe des Oxidationsmittels) verwendet werden konnte, sondern dass bei der Pulverbeschichtung infolge der großen spezifischen Oberfläche der Materialien auch ohne Einsatz spezieller Haftvermittler, hervorragende Schichtqualitäten (hohe Haftfestigkeit, hoher Be- deckungsgrad) erreicht wurden, und die auf diesem Wege hergestellten Verbundmaterialien in Pulverform in beliebiger Menge, Partikelgröße und Zusam-mensetzung verfügbar waren. Der durch die Verkapselung der Oxidteilchen mit intrinsich leitfähigen Polymeren bewirkte enge Kontakt zwischen Polymer- und Oxidphase und die auf diesem Wege realisierte Oberflächenmodifizierung führte zu einem im Vergleich zu den reinen Komponenten wesentlich veränderten Eigenschaftsspektrum. Durch die Herstellung von Compositen waren die leitfähigen Polymere leichter dispergierbar, und konnten kathaphoretisch in guter Qualität, auch auf großen Substratflächen abgeschieden werden. / Starting with the question about the possibility of producing composites based on conducting polymer films (polythiophene, polypyrrole) and metal oxide layers (anodically oxidized titanium, chemical oxidized silicon or aluminium) it was the goal of this work to transfer and modify this method for the preparation of hybrid core - shell - particles (core: metal oxide particle; shell: conducting polymer). By the successfully covering of dispersed oxide particles it was shown, that not only an analogous procedure (adsorption of the monomer on the substrate surface and the following addition of an oxidant) can be used, but that in the case of powder covering because of the high specific surface area of the oxide powders, outstanding layer qualities without using adhesion promotors can be produced. Following this way, powder-like compound materials can be ordered and designed in any quantity, particle size and composition. Through the encapsulation of the oxide particles with intrinsic conducting polymers a narrow contact between the polymer and the oxide phase and a surface modification were made by a very simple way. By this surface modification a totally different behaviour of the composites, compared to their components was realized. The producing of composites allowes a better dispersibility of conducting polymers and their cathaphoretically deposition with a good quality, also on larger substrate surfaces.

Die vorliegende Arbeit fokussiert auf die Synthese von organisch/anorganischen Hybridmaterialien mit multifunktionalen Eigenschaften unter ausschliesslicher Darstellung dieser Materialen mit Hilfe des „wet chemistry“ Zugangs. Ausgehend von der Darstellung und Charakterisierung von isomorphen bzw. isostrukturellen Hybridmaterialien der allgemeinen Zusammensetzung catena-{[Me3NH][MCl3·2H2O]}n (Mtac) (MII = Mn, Co, Ni, Cu, tac = [Me3NH]Cl3·2H2O]) speziell mittels IR und UV/vis Spektroskopie ist beschrieben, wie sich aus diesen entsprechende bi-, tri-, und auch tetra-heterometallische Koordinationspolymere der allgemeinen Zusammenseztung {MxM´ytac}n, {MxM´yM´´ztac}n, {MxM´yM´´zM´´´ttac}n (MII = M ≠ M´≠ M´´≠ M´´´≠ M´´´´ und x, y, z, t als prozentualer Metallgehalt) herstellen lassen und welche limitierende Faktoren zu berücksichtigen sind. Leifähigkeitsmessungen an Einkristallen ausgewählter Koordinationspolymere werden vorgestellt. Zusätzlich werden die durch Rekristallisation von Nitac erhaltenen zwei verschiedenen Koordinationspolymere der Formel {[Me3NH]3{NiCl4}{NiCl3}}n und {[(Me3NH]{NiCl3}}n in Bezug auf ihre ungewöhnlichen strukturellen und magnetischen Eigenschaften vorgestellt und beschrieben. Die durch Austausch von [Me3NH]+ Kationen gegen [Et3NH]+ bzw. protonierten aromatischen N-haltigen Kationen wie [2,2’-bipyH2]2+, [4,4’-bipyH2]2+ and [1,10-phenH2]2+ erhaltenen Reaktionsprodukte aus Umsetzungen mit Hilfe des “wet chemistry” Zugangs werden im Hinblick auf ihre Festkörperstrukturen beschrieben. Die erfolgreiche Darstellung einer neuen Familie von perylentetracarboxylato-basierenden Komplexen, die teilweise hervorragende Löslichkeiten besitzen, wird beschrieben sowie die strukturellen, magnetischen und lumineszierenden Eigenschaften ausgewählter Vetreter. / The thesis presented here is focused on the synthesis of organic/ inorganic hybrid materials with multifunctional properties by means of the “wet chemistry” approach. The synthesis and characterization of hybrid materials with the general composition catena-{[Me3NH][MCl3·2H2O]}n (Mtac) (MII = Mn, Co, Ni, Cu, tac = [Me3NH]Cl3·2H2O]) is described. Due to their isomorphic and/ or isostructural character, bi-, tri-, and even tetra-heterometallic chains of the general formula {MxM´ytac}n, {MxM´yM´´ztac}n, {MxM´yM´´zM´´´ttac}n (MII = M ≠ M´≠ M´´≠ M´´´≠ M´´´´ and x, y, z, t is the percentage of each metal content) were synthesized and characterized. Limitating factors of the synthesis of these types of heterometallic coordination polymers are discussed. Furthermore, the conductive properties of selected representatives were investigated. Additionally, the products obtained from recrystallization of Nitac, two different novel 1D coordination polymers of the formula {[Me3NH]3{NiCl4}{NiCl3}}n and {[(Me3NH]{NiCl3}}n are described with respect to their structural and magnetic properties. Efforts to replace the [Me3NH]+ cations of Mtac compounds by [Et3NH]+ cations as well as by protonated aromatic amines as [2,2’-bipyH2]2+, [4,4’-bipyH2]2+ and [1,10-phenH2]2+ are reported next with respect to the structural exploration of obtained hybrid materials by the “wet chemistry” approach. Finally, the synthesis of a new family of perylene tetracarboxylate (ptc) based soluble complexes is reported. Structural, magnetic and luminescence properties of selected representatives of this new series of soluble ptc derivatives are reported.

Die vorliegende Arbeit fokussiert auf die Synthese von organisch/anorganischen Hybridmaterialien mit multifunktionalen Eigenschaften unter ausschliesslicher Darstellung dieser Materialen mit Hilfe des „wet chemistry“ Zugangs. Ausgehend von der Darstellung und Charakterisierung von isomorphen bzw. isostrukturellen Hybridmaterialien der allgemeinen Zusammensetzung catena-{[Me3NH][MCl3·2H2O]}n (Mtac) (MII = Mn, Co, Ni, Cu, tac = [Me3NH]Cl3·2H2O]) speziell mittels IR und UV/vis Spektroskopie ist beschrieben, wie sich aus diesen entsprechende bi-, tri-, und auch tetra-heterometallische Koordinationspolymere der allgemeinen Zusammenseztung {MxM´ytac}n, {MxM´yM´´ztac}n, {MxM´yM´´zM´´´ttac}n (MII = M ≠ M´≠ M´´≠ M´´´≠ M´´´´ und x, y, z, t als prozentualer Metallgehalt) herstellen lassen und welche limitierende Faktoren zu berücksichtigen sind. Leifähigkeitsmessungen an Einkristallen ausgewählter Koordinationspolymere werden vorgestellt. Zusätzlich werden die durch Rekristallisation von Nitac erhaltenen zwei verschiedenen Koordinationspolymere der Formel {[Me3NH]3{NiCl4}{NiCl3}}n und {[(Me3NH]{NiCl3}}n in Bezug auf ihre ungewöhnlichen strukturellen und magnetischen Eigenschaften vorgestellt und beschrieben. Die durch Austausch von [Me3NH]+ Kationen gegen [Et3NH]+ bzw. protonierten aromatischen N-haltigen Kationen wie [2,2’-bipyH2]2+, [4,4’-bipyH2]2+ and [1,10-phenH2]2+ erhaltenen Reaktionsprodukte aus Umsetzungen mit Hilfe des “wet chemistry” Zugangs werden im Hinblick auf ihre Festkörperstrukturen beschrieben. Die erfolgreiche Darstellung einer neuen Familie von perylentetracarboxylato-basierenden Komplexen, die teilweise hervorragende Löslichkeiten besitzen, wird beschrieben sowie die strukturellen, magnetischen und lumineszierenden Eigenschaften ausgewählter Vetreter. / The thesis presented here is focused on the synthesis of organic/ inorganic hybrid materials with multifunctional properties by means of the “wet chemistry” approach. The synthesis and characterization of hybrid materials with the general composition catena-{[Me3NH][MCl3·2H2O]}n (Mtac) (MII = Mn, Co, Ni, Cu, tac = [Me3NH]Cl3·2H2O]) is described. Due to their isomorphic and/ or isostructural character, bi-, tri-, and even tetra-heterometallic chains of the general formula {MxM´ytac}n, {MxM´yM´´ztac}n, {MxM´yM´´zM´´´ttac}n (MII = M ≠ M´≠ M´´≠ M´´´≠ M´´´´ and x, y, z, t is the percentage of each metal content) were synthesized and characterized. Limitating factors of the synthesis of these types of heterometallic coordination polymers are discussed. Furthermore, the conductive properties of selected representatives were investigated. Additionally, the products obtained from recrystallization of Nitac, two different novel 1D coordination polymers of the formula {[Me3NH]3{NiCl4}{NiCl3}}n and {[(Me3NH]{NiCl3}}n are described with respect to their structural and magnetic properties. Efforts to replace the [Me3NH]+ cations of Mtac compounds by [Et3NH]+ cations as well as by protonated aromatic amines as [2,2’-bipyH2]2+, [4,4’-bipyH2]2+ and [1,10-phenH2]2+ are reported next with respect to the structural exploration of obtained hybrid materials by the “wet chemistry” approach. Finally, the synthesis of a new family of perylene tetracarboxylate (ptc) based soluble complexes is reported. Structural, magnetic and luminescence properties of selected representatives of this new series of soluble ptc derivatives are reported.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Inkorporation von Metall-/ Metalloxidnanopartikeln in organisch-anorganischen Hybridmaterialien, dargestellt durch Zwillingspolymerisation. Dabei wurden verschiedene Lösungsansätze bearbeitet. Zum einen wurden Metalcarboxylate oder Metallocene verwendet, zum anderen konnten durch Variation der anorganischen Komponente des Zwillingsmonomeres entsprechende Nanopartikel erzeugt werden. Um die Nanopartikel stabilisierenden Eigenschaften, der aus Zwillingspolymeren zugänglichen porösen Kohlenstoffmatrix zu erhöhen sollten mittels Zwillingspolymerisation N-Donoren eingeführt werden Neben der Inkorporation von Nanopartikeln wurden auch Silber und Goldnanopartikel in einer porösen Kohlenstoffmatrix verkapselt. Dabei wurde gezeigt, dass der Verwendete Templatdurchmesser einen entscheidenden Einfluss auf die späteren Hohlkugeln hat. Es konnte ebenso mit Hilfe von einfachen Benchmarkreaktionen die Zugänglichkeit und katalytische Aktivität der eingekapselten Nanopartikel nachgewiesen werden. Es wird gezeigt, dass durch Verwendung von Triphenylphosphan-stabilisierten Silber(I)-carboxylaten eine Funktionalisierung von Zwillingspolymeren möglich ist. Außerdem sind aus dem so modifizierten Hybridmaterialien nach Karbonisierung sowie dem Herauslösen der anorganischen SiO2-Komponete entsprechende mikroporöse, silberhaltige Kohlenstoffmaterialien zugänglich, während durch oxidativen Abbau der organischen Polymermatrix mesoporöse mit Ag-Nanopartikeln infiltrierte SiO2-Materialien dargestellt werden können. Es werden spezifische Oberflächen von 1034 m2/g (Kohlenstoff) und 666 m2/g (SiO2) erhalten. Das Wachstum der Silbernanopartikel konnte mittels Temperatur abhängiger Röntgenpulverdiffraktometrie beobachtet werden, und es wurde gezeigt, dass ein Wachstum erst während des Karbonisationsprozesses einsetzt. Mittels der HAADF-STEM-Technik wurden die gebildeten Nanopartikel im porösen Kohlenstoff bzw. SiO2 nachgewiesen, dabei liegen die Nanopartikel-durchmesser unterhalb von 5nm. Darüber hinaus konnte eine Vielzahl von neuen Zwillingsmonomeren dargestellt und charakterisiert werden. Darunter finden sich Zirkonium- und Hafnium-haltige Verbindungen, die analog der bekannten Si-Zwillingsmonomere ein ähnliches Polymerisationsverhalten zeigen und aus den resultierenden Hybridmaterialien poröse Oxide mit spezifischen Oberflächen unter 100 m2/g erhalten wurden. Eine Ausnahme bildet hierbei die SBS-Analoge Hafniumverbindung zur Phasenseparation während der Zwillingspolymerisation neigt, ebenso konnte für diese Verbindung kein vollständiger Umsatz erzielt werden. Durch Copolymerisation dieser neuen Zr- und Hf-haltigen Monomeren mit 2,2‘-Spirobi[4H-1,2,2-benzodioxasilin] wurden ZrO2- und HfO2-reiche SiO2-Mischoxide dargestellt. Dabei wurde das thermische Verhalten dieser Mischoxide mittels DSC weiter untersucht und es zeigte sich das ab 1000°C die ZrO2 sowie HfO2-Phasen beginnen zu Kristallisieren. Die so gebildeten hochkristallinen Nanopartikel konnten mittels TEM beobachtet werden. Ein weiteres erhitzen auf über 1200 °C führte dann noch zur Kristallisation der SiO2-Matrix. Ein weiteres Beispiel zur Synthese von oxidische Nanopartikeln mittels Zwillingspolymerisation wurde am ersten Metallocenhaltigen Zwillingsmonomer gezeigt. Dieses war aus der Reaktion von SiCl4 und Ferrocenylmethanol zugänglich. Neben der standardmäßigen Charakterisierung wurde auch die elektrochemischen Eigenschaften hin untersucht und dabei zeigte anders als es zu erwarten war eine Redox-Separation zwischen den einzelnen Ferrocengruppen. Weiterführende spektroelektrochemischen Experimente zeigten, dass diese Aufspaltung durch elektrostatische Abstoßung hervorgerufen wird. Das Zwillingspolymerisationsverhalten wurde zunächst mittels DSC untersucht und dabei konnte bei 210 °C eine exotherme Reaktion beobachtet werden, die mittels TG-MS als Kondensationsreaktion identifiziert wurde. Aufgrund dieser Ergebnisse konnte das Ferrocen-haltige Zwillingsmonomer thermisch polymerisiert werden. HAADF-STEM Abbildungen zeigten den typischen Aufbau eines Zwillingspolymeres, jedoch ist die Anzahl der zu beobachtenden Siliziumdioxidnanocluster geringer als bei bekannten Si-basierten Monomeren. Durch Copolymerisation mit 2,2‘-Spirobi[4H-1,2,2-benzodioxasilin] konnte dieser Nachteil ausgeglichen werden und nach karbonisierung und herauslösen der SiO2-Komponente bzw. Oxidation wird poröser Kohlenstoff (858 m2/g) bzw. Siliziumdioxid (555 m2/g) erhalten. Die Natur der eingebettet Eisenhaltigen Nanopartikel konnte mithilfe von Mössbauerspektroskopie untersucht werden. Dabei wurde im Kohlenstoffmaterial eine Mischung aus Fe2O3 und Fe3C gefunden während im SiO2 aufgrund der oxidierenden Bedingungen, während der Darstellung, von Fe2O3-Nanopartikeln ausgegangen wird. Die durchgeführten Mössbauerexperimente lieferten auch Indizien dafür, dass die gebildeten Nanopartikel sehr klein sind, dies wurde auch mittels HAADF-STEM bestätigt, jedoch kann kein genauer Zahlenwert fehlerfrei angegeben werden. Die geringe Größe spiegelt sich auch im magnetischen Verhalten der porösen Materialien wieder so verhält sich das SiO2 Material superparamagnetisch während der Kohlenstoff paramagnetisch ist. Abschließend konnten Pyrrol-basierte Siliziumalkoxide durch die Reaktion von SiCl4 und den entsprechenden Alkoholen dargestellt werden. Das Zwillingspolymerisation verhalten wurde mittels DSC charakterisiert. Dabei konnten wie schon zuvor beschrieben exotherme Reaktionen detektiert werden und diese liegen deutlich unter den Initiierungstemperaturen der bekannten Zwillingsmonomere (140 °C für N-Methylpyrrol und 93 °C für Pyrrol). Mittels TG-MS konnten auch hier Kondensationsreaktionen identifiziert werden. Daraufhin wurde die Hybridmaterialien aus den thermisch induzierten Polymerisationsversuchen beider Verbindungen untersucht. Es zeigte sich, dass das N-Methyl substituiertes Monomer sich nur in schlechten Ausbeuten polymerisieren lässt während das Pyrrolderivat ausgezeichnete Ausbeuten liefert. Auch die spezifischen Oberflächen sind mit bis zu 633 m2/g beträchtlich höher als mit vergleichbaren und bekannten Zwillingsmonomeren erzielt werden können. Auch zeigen sich beim einfachen Pyrrolbasierten Monomer Unterschiede zwischen thermischer und säure initiierter Zwillingspolymerisation. Während im ersten Fall hauptsächlich das 2-5-Substituierte Polymer erhalten wird kommt es bei säure Initiierung auch zur Bildung einer N-Alkyliertenspezies. Aus den Dargestellten Hybridmaterialien konnten poröse Kohlenstoffe mit Stickstoffgehalten zwischen 5.0-9.1 % erhalten werden. Auch hier zeigte sich das die Kohlenstoffe abgeleitet von dem N-methylierten Pyrrol einen höheren Stickstoffgehalt aufweisen als die aus der unmethylierte Spezies.

Recent carbon allotropes such as carbon nanotubes (CNTs), fullerenes (C60s) and graphene have attracted great interests in both science and engineering due to their unique properties such as excellent electrical and mechanical properties as well as its vast surface area, and have led to many commercial applications. Especially, CNTs have been considered to be one of the promising candidates in the Li ion battery system because of its outstanding properties. However, the experimental results in the pristine CNT system have shown just slight improvement than original graphitic carbon material, which has been attributed to the weak adsorption of Li on CNTs. In this study, we investigated two types of CNT-C60 hybrid system consisting of CNTs and C60s to improve Li adsorption capabilities and predict its performance through quantum mechanical (QM) computations. First, we investigated adsorption energy of lithium (Li) on dilute CNT-C60 hybrid and CNT-C60 nanobud system as well as various electronic properties such as band structure, density of states (DOS), molecular orbital and charge distribution. Then, we expanded our interest to the more realistic condensed structure of CNT-C60 hybrid and nanobud system to examine actual electrochemical characteristics. The study of the condensed structure has been expanded to the very unique CNT-C60 nano-network system and examined mechanical strength as well as electronic properties. Finally, Li adsorption on other carbon allotropes system such as graphene-C60 hybrid and graphene-C60 bud system was investigated in order to provide fundamental understanding of electronic interaction between carbon allotrope and effect of Li adsorption.

Research activities towards the self-assembly of small organic molecules building blocks which lead to form supramolecular gel has increased extensively during the past two decades. The fundamental investigations of the morphological properties and the mechanical properties of these supramolecular gels are crucial for understanding gelation processes. Most supramolecular gelators were discovered by serendipity, but nowadays ratiional design of new gelators has become somewh at feasible. As a consequence, an increasing number of multi stimuli-responsive and functional molecular gels are reported, offering great prospects with myriads of applications includ ing drug delivery and smart materials as shown in scheme 1. Scheme 1 Part 2: Synthesis of semiconductor nanocrystals In the last two decades, the synthetic development of semiconductor col loidal nanocrystals has been extended from the adjustment of their size, shape, and composition of the particles at the molecular level. Such adjustments of nanocrystals at the molecula r level might open different fields of applications in materials and biological sciences. I n this chapter, the concept of the shape contr ol synthesis of colloidal nanocrystals with a narrow size distribution, and the synthesis of composition dependent alloy type mat erials are described (Scheme 2). Scheme 2 Chapter 2: Synthesis of luminescent semiconductor nanocrystals Part 1: Cadmium deoxycholate: a new and efficient precursor for high ly luminescent CdSe nanocrystals This part demonstrates the sy nthesis of Cadmium deoxycholate (CdDCh2), an efficient Cd-precursor for the synthesis of high quality, monodisperse, multi color emittting CdSe Scheme 3 nanocrystals, while maintaining their high photoluminescent quantum efficiency (Scheme 3). The high thermal stability of CdDCh2 (decomposition temperature: 332 °C) was utilized to achieve high injection and growth temperatures (∼300 °C) for the syntheesis of red emitting nanocrystals with a sharp f ull width at half maximum (FWHM) and multiple excitonic absorption features. We believe that CdDCh2 can be useful for the prreparation of other nanomaterials such as CdS, CdTe and CdSe@CdS core-shell QDs. Part 2: Ligand mediated exccited state carrier relaxation dynamics of Cd1-xZnxSe1-ySy NCs derived from bile salts Bile salts of Cadmium and Zinc provide a convenient and inexpensive single step synthetic route for highly photoluminescent and stable semiconductor nanocrystals (NCs). The high thermal stabilities of Cadmium and Zinc deoxycholates (CdDCh2 and ZnDCh2) allowed us to fine-tune the synthesis of the NCs at high temperatures while maintaining the monodispersity, crystallinity and reproducibility (Scheme 4). Organic capping agent induced lattice strain affects the excited Scheme 4 state relaxation processes of the NCs. The analysis of photoluminescence decay profiles revealed that the average lifettime decreased with the increasing lattice strain of the NCs. A kinetic stochastic model of photoexcited carrier relaxation dynamics of NCs was employed to estimate the values of the radiative recombination rates, the photoluminescence quenching rates and the non-radiative recombination rates of the NCs. These data showed that the non-radiative relaxation rates and the numbeer of surface trap states increased with the incrreasing lattice strain of the NCs. Such types of NCs can have great potential in nonlinear optics, photocatalysis and solar cells. Chapter 3: Synthesis of organic-inorganic hybrid materials Part 1: Hierarchical self-assembly of photoluminescent CdS nanoparticles into bile acid derived organogel: morphological and photophysical properties In this part a strategy towards integrating photoluminescent semiconductor nanoparticles into a bio-surfactant derived organoggel has been reported. A facially amphiphilic bile thiol was used for capping CdS nanoparticless (NPs) which were embedded in a gel derived from a new bile acid organogelator in order to furnish a soft hybrid material (Scheme 5). The presence of CdS NPs in a well-ordered 1D array on the organogel network was confirmed using microscopic Scheme 5 techniques. Photophysical stuudies of the gel–NP hybrid revealed resolved excitation and emission characteristics. Time resolved spectroscopic studies showed that the average lifetime value of the CdS NPs increased in the gel state compared to the sol phase. A kinetic model was utilized to obtain quantitative information about the different decay pathways of the photoexcited NPs in the sol and gel states. Part 2: A novel strategy towards designing a CdSe quantum dot–metallohydrogel composite material This section describes an efficiient method to disperse hydrophobic CdSe quaantum dots (QDs) in an aqueous phase using cetyltriimethylammonium bromide (CTAB) micelles without any surface ligand exchange. The water soluble QDs were then embedded in the 3D self-assembled fibrillar networks (SAFINs) of a hydrogel showing homogeneous dispersibility as eviidenced by Scheme 6 optical and electron microscopico techniques (Scheme 6). The photophyssical studies of the hydrogel–QD from composite are reported for the first time. These composite materials may have potential applications in biology, optoelectronics, sensors, non-linear optics and materials science. Part 3: Photophysical aspectts of self-assembled CdSe QD-organogel hyybrid and its thermoresponsive properties A luminescent hybrid gel was constructed by incorporating CdSe quantuum dots (QDs) in a facially amphiphilic bile acid derived dimeric urea organogel throough non-covalent interaction between ligands capped on QDs surface and hydrophobic pockets of the gel (Scheme 7). The optical transparency of the hybrid materials and the dirrectionalities of the QDs in the gel medium were confirmed by photophysical and microscopic studies. The detailed excited state dynamics of the QD–organogel hybrid has been reported for the first time with the help of lifetime analysis and a kinetic decay model, and thee data revealed that the average lifetime of the QDs decreased in the gel medium. The reversible thermoresponsive behavior of the QD doped organogel was investigated by steady-state fluorescence spectroscopy. W e believe that the results obtained herein provides a route to develop a thermoresponsive system for practical application, especially because of the spatial assembly between soft organic scaffolds and colloidal QDs. Scheme 7 Part 4: In-situ formation of luminescent CdSe QDs in a metallohydrogel: a strategy towards synthesis, isolation, storage and re-dispersion of the QDs A one step, in-situ, room temperature synthesis of yellow luminesce nt CdSe QD was achieved in a metallohydrog el derived from a facially amphiphilic bile salt, resulting in a QD-gel hybrid (Scheme 8). T he ordered self-assembly and homogeneous distribution of the CdSe QDs in the hydrogel network was observed from optical and electro n micrographs. The different excited state behav iors of the hybrid were revealed for the fir st time using time resolved spectroscopy. Ad ditionally, we described the successful isolation of the photoluminescent CdSe QDs from the gel followed by their re-dispersion in an organic solvent using suitable capping ligands. Scheme 8 Chapter 4: Facially a mphiphilic bile acid derived meta llohydrogel: an efficient template for th e enantioselective Diels-Alder reactio n An enantioselective Diels-Ald er reaction mediated by a facially amphiphilic bile acid derived metallogel scaffold has been a chieved (Scheme 9). Different hydrophobic domains present in Scheme 9 the gel appear to facilitate the enantioselective reaction. Various spectro scopic and electron microscopic techniques were employed to understand the possible reasons for the stereoselectivity in the gel. Subsequently, different counter anion s dependent rate accelerations and induced enantioselectivity in the ZnCh2 gel were studied in detail. These preliminary results of the non-covalent based supramolecular heterogeneous catalysis offer new possibilities for using metallogels as nanoreactors for different stereoselective reactions.