Diese Arbeit zeigt die Verwendung ueberkritischer Fluide als analytisches Werkzeug fuer den Transport einer Gruppe nichtfluechtiger Molekuele, naemlich Nucleobasen, in die Gasphase. Das am haeufigsten verwendete ueberkritische Fluid ist Kohlendioxid, welches sich jedoch als zu ineffizient bei der Aufloesung von Nucleobasen herausstellte. Deshalb wurde ein Gemisch aus Ethylen mit Ethanol als Cosolvens als ueberkritisches Loesungsmittel verwendet. Für die Erkennung des kritischen Punktes reiner Fluide oder verduennter Fluidmischungen wurde eine neue Methode entwickelt. Die Verschiebung des kritischen Punktes von Ethylen durch Zugabe von Ethanol wurde experimentell ermittelt und mit der Zustandsgleichung von Soave Redlich Kwong in Beziehung gesetzt. Fuer einen Molenbruch des Cosolvens Ethanol von 0.054 erhoeht sich die kritische Temperatur nur um 5,5 C, wohingegen die Theorie eine Erhoehung um 10 C vorhersagt. Fuenf biologisch relevante Nucleobasen wurden mit Hilfe von 3% Ethanol als Cosolvens in ueberkritischem Ethylen geloest. Die Zusammensetzung des Ueberschall-Molekularstrahles der expandierten Loesung wurde mit einem Quadrupol-Massenspektrometer quantitativ analysiert. Das Signalverhaeltnis der Nucleobasen zu Ethylen lag in der Groessenordnung von 10^-4 bis 10^-5. Diese Nucleobasen wurden auch auf Oberflaechen abgeschieden, sowohl durch Hochdruckexpansion der ueberkritischen Loesungen, als auch durch Verdampfung von alkoholischen Loesungen (nach der ’Drop Casting’ Methode). Die dabei entstehenden Morphologien wurden ex-situ mittels Rasterkraftmikroskopie untersucht. Die Ursachen dieser Unterschiede werden anhand der relevanten Nukleationsmechanismen diskutiert. / This work highlights the use of supercritical fluids (SCF) as an analytical tool for the transfer of a group of non-volatile molecules, namely nucleobases, into the gas phase. The most commonly used SCF carbon dioxide was found inefficient in dissolving the nucleobases. Therefore, a mixture of ethylene (p_c = 50.6 bar and T_c = 9.35 C) with a cosolvent was used as the SC solvent. A new bracketing method was developed for detecting the critical point (CP) of pure fluids and diluted mixtures of fluids. The shift in CP of ethylene on addition of ethanol was determined and related to theoretical calculations by using the Soave Redlich Kwong equation of state. Comparing the experimental results to theoretical methods for calculating the CP showed large deviations. The critical temperature shifted by only 5.5 C when the mole fraction of the cosolvent i.e. ethanol was 0.054. Five biologically relevant were dissolved in SC ethylene using 3% of ethanol as cosolvent. The supersonic molecular beam composition of the expanded solution was analyzed quantitatively using a quadrupole mass spectrometer and the ratio of the nucleobases to ethylene in the beam was found to be of the order of 10^-4 to 10^-5. Surface deposition of the nucleobases through SCF solutions was carried out and the morphology was recorded using Atomic Force Microscopy. Remarkable differences were observed while comparing the morphology obtained after deposition using rapid expansion of supercritical solutions (RESS) and drop casting method. These differences are discussed in terms of diffusion, rate of evaporation of the solvent, degree of supersaturation, and the nucleation process.

Pharmaka werden nach ihrer Einnahme bzw. Verabreichung über verschiedene Pfade in die Umwelt eingetragen. Obwohl Arzneimittel zu den toxikologisch best-untersuchten und -charakterisierten Stoffen gehören, ist ihre Wirkung auf die Umwelt und die darin lebenden Organismen weit weniger gut untersucht. Wenn in der Literatur Daten zur Ökotoxizität vorhanden sind, so beziehen sich diese meist nur auf die Wirkung von Einzelstoffen. In der Umwelt sind die Organismen jedoch gegenüber Mischungen exponiert. Aufgrund der geschilderten Problematik wurden eine Reihe von Arzneimitteln unterschiedlicher Indikationsgruppen einzeln und in Kombination mit dem Embryotest mit dem Zebrabärbling (Danio rerio, DarT) untersucht. Dieses Testsystem wurde durch Schulte & Nagel (1994) als Alternativmethode zum akuten Fischtest nach OECD 203 entwickelt und bietet den Vorteil neben letalen auch eine Reihe von subletalen Endpunkten erfassen zu können. Es handelt sich zudem nach dem deutschen Tierschutzgesetz nicht um einen Tierversuch. Die generelle Vergleichbarkeit der ermittelten Werte mit Daten aus akuten Fischtests nach OECD 203 sowie die Anwendbarkeit für verschiedenste Fragestellungen konnten in einer Reihe von Studien gezeigt werden (Nagel, 2002). Für die hier vorgestellten Untersuchungen wurden zunächst 32 Pharmaka und drei Pflanzenschutzmittel als Einzelstoffe mit dem DarT untersucht. Basierend auf den Ergebnissen der Einzelstofftests wurden Mischungen sowohl aus Substanzen mit ähnlichen als auch unähnlichen Wirkmechanismen getestet. Es zeigte sich, dass unabhängig vom Wirkmechanismus die Mischungstoxizität durch das Konzept der Konzentrationsadditivität gut vorhergesagt wurde, während das Konzept der Unabhängigen Wirkung die Mischungstoxizität unterschätzte. Ebenfalls konnte gezeigt werden, dass die Kombination der Stoffe auf Basis der NOEC, die im DarT anhand der Herzschlagfrequenz nach 48 Stunden ermittelt wird, zu deutlichen Mischungseffekten führt.

In dieser Arbeit wird das neue Prinzip der „Selbstinkompatiblen Lösungsmittel“ vorgestellt. Es wird theoretisch abgeleitet, dass eine Mischung aus zwei Substanzen mit ungünstigen Wechselwirkungen bereitwillig eine weitere Substanz aufnehmen sollte, die diese ungünstigen Wechselwirkungen durch Verdünnen vermindert. Dies sollte umso stärker ausgeprägt sein, je ungünstiger die Wechselwirkungen zwischen den beiden ersten Substanzen sind. Da sich jedoch Substanzen mit sehr ungünstigen Wechselwirkungen physikalisch nicht mischen, entstand die Idee, diese Substanzen durch eine kovalente Bindung aneinander zu binden. Ein solches Molekül, das aus zwei inkompatiblen Hälften besteht, wird im Folgendem Selbstinkompatibles Lösungsmittel genannt. Die in dieser Arbeit gewählten Substanzen zeigen mäßige Inkompatibilität, deshalb ist ein Vergleich zwischen einfachen physikalischen Mischungen und kovalent verknüpften Molekülhälften noch möglich. Dieses Prinzip wird für binäre und ternäre Mischungen quantitativ berechnet und experimentell in drei Serien von Experimenten bestätigt: i) unter Verwendung von Lösungskalorimetrie und Bestimmung der Wechselwirkungsparameter zwischen Komponente 3 und einer bereits hergestellt physikalischen binären Mischung aus Komponente 1 und 2, ii) unter Verwendung von Lösungskalorimetrie und Bestimmung der Wechselwirkungsparameter zwischen Komponente 3 und den selbstinkompatiblen Losungsmitteln, die den in (i) gewählten Mischungen entsprechen und iii) aus der Sättigungslöslichkeit der Komponente 3 in den entsprechenden selbstinkompatiblen Lösungsmitteln. In diesen drei verschiedenen Messserien wird stets der gleichen Trend beobachtet: Die Selbstinkompatibilität eines Lösungsmittels begünstigt den Lösevorgang. / In this thesis a new principle of Self Incompatible Solvent is introduced. It is shown theoretically that a preexisting mixture of two substances (compound 1 and 2) with unfavorable interactions will readily dissolve a third compound because it diminishes the unfavorable interaction between the compound 1 and 2 by dilution. This behavior should be the stronger the more unfavorable the interactions between compound 1 and 2 are. However, substances with strong unfavorable interactions will not mix. Therefore the idea pursued here is to enforce the desired preexisting mixture for example by linking compound 1 covalently to compound 2. Such a molecule that is composed of two incompatible parts is called Self Incompatible Solvent in this work. In this thesis examples of incompatible compounds that show moderate incompatibility are chosen, therefore it was possible to do a comparison between simple physical mixtures and covalently linked incompatible molecules. The theoretical prediction of the theory is compared with experiments. This principle is calculated quantitatively for binary and ternary mixtures and compared with the experimental results in three distinct series of experiments: i) by using solution calorimetry and calculation of the interaction parameters between compounds 3 and the preexisting binary mixture of compound 1 and 2, ii) by using solution calorimetry and calculation of the interaction parameters between compound 3 and the Self Incompatible Solvent that correspond to the mixtures used in (i) and iii) from the saturation solubility of compound 3 in the Self Incompatible Solvent. The results obtained from the theoretical prediction and these obtained from the three different series of experiments show the same trend: the self incompatibility of the solvent improves the dissolution process.

The properties of polymer–nanoparticle (NP) mixtures significantly depend on the dispersion of the NPs. Using molecular dynamics simulations, we demonstrate that, in the presence of polymer–NP attraction, the dispersion of NPs in semidilute and concentrated polymers can be stabilized by increasing the polymer concentration. A lower polymer concentration facilitates the aggregation of NPs bridged by polymer chains, as well as a further increase of the polymer–NP attraction. Evaluating the binding of NPs through shared polymer segments in an adsorption blob, we derive a linear relationship between the polymer concentration and the polymer–NP attraction at the phase boundary between dispersed and aggregated NPs. Our theoretical findings are directly relevant for understanding and controlling many self-assembly processes that use either dispersion or aggregation of NPs to yield the desired materials.

The concept of a self-incompatible solvent is introduced as a molecule composed of two parts (compound 1 and 2) with unfavourable interactions. A third compound will be readily dissolved in this solvent to diminish this unfavourable interaction by dilution. The more incompatible compounds 1 and 2 are, the stronger this behaviour is expected to be. In this work, ionic liquids comprising non-polar carbon chain and polar ionic group are chosen to serve as a model of self-incompatible solvent. The interactions parameters k of the ionic liquids with active ingredients are investigated to examine the effect of self-incompatibility of the ionic liquid molecule. On the other hand, phase separation between compounds 1 and 2 will reduce the positive effect of self-incompatibility. The tendency of phase separation is increasing with increasing size of the two compounds. Thus, if compounds 1 and 2 are blocks tied together into a block copolymer, one expects a decreasing ability of the block copolymer to dissolve an active ingredient with increasing block length. In this work the ability of polybutadiene-block-poly(2-vinylpyridine) (PB-b-P2VP) block copolymers to dissolve the model compound anthracene is investigated. As expected, the solubility indeed decreases with increasing block length.

In dieser Arbeit wird das neue Prinzip der „Selbstinkompatiblen Lösungsmittel“ vorgestellt. Es wird theoretisch abgeleitet, dass eine Mischung aus zwei Substanzen mit ungünstigen Wechselwirkungen bereitwillig eine weitere Substanz aufnehmen sollte, die diese ungünstigen Wechselwirkungen durch Verdünnen vermindert. Dies sollte umso stärker ausgeprägt sein, je ungünstiger die Wechselwirkungen zwischen den beiden ersten Substanzen sind. Da sich jedoch Substanzen mit sehr ungünstigen Wechselwirkungen physikalisch nicht mischen, entstand die Idee, diese Substanzen durch eine kovalente Bindung aneinander zu binden. Ein solches Molekül, das aus zwei inkompatiblen Hälften besteht, wird im Folgendem Selbstinkompatibles Lösungsmittel genannt. Die in dieser Arbeit gewählten Substanzen zeigen mäßige Inkompatibilität, deshalb ist ein Vergleich zwischen einfachen physikalischen Mischungen und kovalent verknüpften Molekülhälften noch möglich. Dieses Prinzip wird für binäre und ternäre Mischungen quantitativ berechnet und experimentell in drei Serien von Experimenten bestätigt: i) unter Verwendung von Lösungskalorimetrie und Bestimmung der Wechselwirkungsparameter zwischen Komponente 3 und einer bereits hergestellt physikalischen binären Mischung aus Komponente 1 und 2, ii) unter Verwendung von Lösungskalorimetrie und Bestimmung der Wechselwirkungsparameter zwischen Komponente 3 und den selbstinkompatiblen Losungsmitteln, die den in (i) gewählten Mischungen entsprechen und iii) aus der Sättigungslöslichkeit der Komponente 3 in den entsprechenden selbstinkompatiblen Lösungsmitteln. In diesen drei verschiedenen Messserien wird stets der gleichen Trend beobachtet: Die Selbstinkompatibilität eines Lösungsmittels begünstigt den Lösevorgang. / In this thesis a new principle of Self Incompatible Solvent is introduced. It is shown theoretically that a preexisting mixture of two substances (compound 1 and 2) with unfavorable interactions will readily dissolve a third compound because it diminishes the unfavorable interaction between the compound 1 and 2 by dilution. This behavior should be the stronger the more unfavorable the interactions between compound 1 and 2 are. However, substances with strong unfavorable interactions will not mix. Therefore the idea pursued here is to enforce the desired preexisting mixture for example by linking compound 1 covalently to compound 2. Such a molecule that is composed of two incompatible parts is called Self Incompatible Solvent in this work. In this thesis examples of incompatible compounds that show moderate incompatibility are chosen, therefore it was possible to do a comparison between simple physical mixtures and covalently linked incompatible molecules. The theoretical prediction of the theory is compared with experiments. This principle is calculated quantitatively for binary and ternary mixtures and compared with the experimental results in three distinct series of experiments: i) by using solution calorimetry and calculation of the interaction parameters between compounds 3 and the preexisting binary mixture of compound 1 and 2, ii) by using solution calorimetry and calculation of the interaction parameters between compound 3 and the Self Incompatible Solvent that correspond to the mixtures used in (i) and iii) from the saturation solubility of compound 3 in the Self Incompatible Solvent. The results obtained from the theoretical prediction and these obtained from the three different series of experiments show the same trend: the self incompatibility of the solvent improves the dissolution process.

High molecular weight PBTTT-C₁₂ is blended with the pure trimer, BTTT-3, to enhance intergrain connectivity and charge transport. Analysis of the morphology and crystallinity of the blends shows that the polymer and oligomer are well-integrated, leading to high hole mobilities, greater than 0.1 cm² V⁻¹ s⁻¹, in films that contain as much as 83% oligomer.

Pharmaka werden nach ihrer Einnahme bzw. Verabreichung über verschiedene Pfade in die Umwelt eingetragen. Obwohl Arzneimittel zu den toxikologisch best-untersuchten und -charakterisierten Stoffen gehören, ist ihre Wirkung auf die Umwelt und die darin lebenden Organismen weit weniger gut untersucht. Wenn in der Literatur Daten zur Ökotoxizität vorhanden sind, so beziehen sich diese meist nur auf die Wirkung von Einzelstoffen. In der Umwelt sind die Organismen jedoch gegenüber Mischungen exponiert. Aufgrund der geschilderten Problematik wurden eine Reihe von Arzneimitteln unterschiedlicher Indikationsgruppen einzeln und in Kombination mit dem Embryotest mit dem Zebrabärbling (Danio rerio, DarT) untersucht. Dieses Testsystem wurde durch Schulte & Nagel (1994) als Alternativmethode zum akuten Fischtest nach OECD 203 entwickelt und bietet den Vorteil neben letalen auch eine Reihe von subletalen Endpunkten erfassen zu können. Es handelt sich zudem nach dem deutschen Tierschutzgesetz nicht um einen Tierversuch. Die generelle Vergleichbarkeit der ermittelten Werte mit Daten aus akuten Fischtests nach OECD 203 sowie die Anwendbarkeit für verschiedenste Fragestellungen konnten in einer Reihe von Studien gezeigt werden (Nagel, 2002). Für die hier vorgestellten Untersuchungen wurden zunächst 32 Pharmaka und drei Pflanzenschutzmittel als Einzelstoffe mit dem DarT untersucht. Basierend auf den Ergebnissen der Einzelstofftests wurden Mischungen sowohl aus Substanzen mit ähnlichen als auch unähnlichen Wirkmechanismen getestet. Es zeigte sich, dass unabhängig vom Wirkmechanismus die Mischungstoxizität durch das Konzept der Konzentrationsadditivität gut vorhergesagt wurde, während das Konzept der Unabhängigen Wirkung die Mischungstoxizität unterschätzte. Ebenfalls konnte gezeigt werden, dass die Kombination der Stoffe auf Basis der NOEC, die im DarT anhand der Herzschlagfrequenz nach 48 Stunden ermittelt wird, zu deutlichen Mischungseffekten führt.

A systematic development of a continuum model is presented, which is capable of describing the magneto-mechanical behavior of magnetic polymer gels commonly referred to as ‘‘ferrogels’’. In the present research, ferrogels are treated as multicomponent, multiphase materials. They consist of a polymer network (P), fixed magnetic particles (f), mobile magnetic particles (m), and liquid (L). By considering ferrogels as multicomponent materials, interaction among constituents of ferrogels can be captured. This helps in understanding the process occurring inside ferrogels under the influence of external stimuli, such as magnetic fields. In our modeling approach, the field equations of ferrogels are derived within the framework of the theory of mixtures. The basic equations include Maxwell’s equations, balance of mass, linear momentum, angular momentum, energy, and entropy. In the framework of the theory of mixtures, balance relations are first presented at the constituent level also referred to as partial balance relations. By summing partial balance relations over all constituents and imposing the restrictions of theory of mixtures, balance relations of mixture (for the ferrogel) are obtained. In the current work the specific magnetization (magnetization per density) is considered as an evolving variable. It is demonstrated that balance of angular momentum is satisfied using the evolution equation of specific magnetization and constitutive laws. In the process of modeling, a suitable free energy function is introduced and thermodynamically consistent constitutive laws are formulated. Introducing certain assumptions, a reduced model of the ferrogel, a coupled magneto-mechanical formulation, is subsequently presented. The reduced model consists only of a polymer network (P) and fixed magnetic particles (f). It is concluded that the reduced model compares well to the existing ones in the literature. The magneto-mechanical problem based on the reduced model is solved in 2D using the finite element method. The only unknowns for the finite element method implementation are mechanical displacement and magnetic potential. Deformation of a ferrogel in a magnetic field is subsequently investigated. Elongation and contraction of a ferrogel are observed when a magnetic field is applied in the x- and y-directions, respectively. The numerical results were compared with existing experimental work in the literature. A good qualitative agreement was found between numerical and experimental results.

The concept of a self-incompatible solvent is introduced as a molecule composed of two parts (compound 1 and 2) with unfavourable interactions. A third compound will be readily dissolved in this solvent to diminish this unfavourable interaction by dilution. The more incompatible compounds 1 and 2 are, the stronger this behaviour is expected to be. In this work, ionic liquids comprising non-polar carbon chain and polar ionic group are chosen to serve as a model of self-incompatible solvent. The interactions parameters k of the ionic liquids with active ingredients are investigated to examine the effect of self-incompatibility of the ionic liquid molecule. On the other hand, phase separation between compounds 1 and 2 will reduce the positive effect of self-incompatibility. The tendency of phase separation is increasing with increasing size of the two compounds. Thus, if compounds 1 and 2 are blocks tied together into a block copolymer, one expects a decreasing ability of the block copolymer to dissolve an active ingredient with increasing block length. In this work the ability of polybutadiene-block-poly(2-vinylpyridine) (PB-b-P2VP) block copolymers to dissolve the model compound anthracene is investigated. As expected, the solubility indeed decreases with increasing block length.