In dieser Dissertation diskutiere ich theoretische Methoden zur Simulation von Grenzflächen zwischen Metallen und Molekülen auf atomarer Maßstabsebene, die für die Speicherung und Erzeugung "sauberer" Energie von Bedeutung sind, und wende sie an. Wir verwenden die Dichtefunktionaltheorie für das elektronische Subsystem und verschiedene Methoden wie die (quasi-)harmonische Näherung und die Pfadintegral-Molekulardynamik, um die Quanteneigenschaften des nuklearen Subsystems zu berücksichtigen. Wir berechnen den Isotopeneffekt auf die Arbeitsfunktion von Cyclohexan, das an der Rh(111)-Oberfläche adsorbiert wird, ein Effekt, der sich aus der Elektron-Phonon-Kopplung nur dann ergibt, wenn die nuklearen Freiheitsgrade quantenmechanisch behandelt werden. Deuteriertes Cyclohexan C6D12 hat einen größeren Adsorptionsabstand als gewöhnliches Cyclohexan. Pfadintegral-Molekulardynamiksimulationen zeigen auch eine temperaturabhängige Renormierung der elektronischen Zustandsdichte in diesem System. Schließlich befassen wir uns mit Oberflächenreaktionen auf einer geladenen metallischen Oberfläche. Wir stellen unsere Implementierung der Nudged-Elastic-Band-Methode (NEB) im i-PI-Paket vor und diskutieren ihre Leistungsfähigkeit. Anschließend setzen wir die Methode ein, um die Energiebarriere der Wasserspaltungsreaktion auf einer Pd(111)-Oberfläche zu berechnen, die einem elektrischen Feld unterschiedlicher Intensität ausgesetzt ist. Wir zeigen, dass die niedrigste Dissoziationsbarriere auftritt, wenn das Feld eine Stärke erreicht, die eine geometrische Frustration des auf der Oberfläche adsorbierten Wassermoleküls hervorruft, und dass die Nullpunktenergiebeiträge zur Barriere dieser Reaktion über den weiten Bereich der auf das System angelegten elektrischen Feldstärken nahezu konstant bleiben. Wir erklären dies durch eine gegenseitige Aufhebung der Rot- und Blauverschiebungen einzelner Schwingungsmoden zwischen Reaktant und Übergangszustand. / In this thesis, I discuss and apply theoretical methods for simulating interfaces between metals and molecules of relevance to "clean" energy storage and production on an atomistic scale. We use density-functional theory for the electronic subsystem and various methods such as (quasi-)harmonic approximation and path integral molecular dynamics to account for quantum properties of the nuclear subsystem, determining which methods are sufficient to grasp the essential phenomena while remaining computationally affordable. We calculate isotope effect on the work function of cyclohexane adsorbed on Rh(111) surface, an effect that emerges from electron-phonon coupling only when the nuclear degrees of freedom are treated quantum-mechanically. Deuterated cyclohexane C6D12 has larger adsorption distance than ordinary cyclohexane. Path integral molecular dynamics simulations also show a temperature-dependent renormalization of the electronic density of states in this system, induced by both thermal and quantum fluctuations of nuclei. Finally, we address surface reactions on a charged metallic surface. We present our implementation of the nudged elastic band (NEB) method in i-PI package and discuss its performance. We then employ the method to calculate the energy barrier of water splitting reaction on a Pd(111) surface subjected to electric fields of different strengths. We show that the lowest dissociation barrier takes place when the field reaches a strength that induces a geometric frustration of the water molecule adsorbed on the surface, and that the zero-point energy contributions to the barrier of this reaction remain nearly constant across the wide range of electric field strengths applied to the system. We explain this by a mutual cancellation of the red and blue shifts of individual vibrational modes between reactant and transition states.

Der Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die photophysikalische Untersuchung von drei unterschiedlichen Photosensibilisator-Transportsystemen hinsichtlich ihrer Eignung für die photodynamische Therapie. In Fulleren-Pyropheophorbid-a-Konjugaten (P6, FHP6, FP6) finden nach Lichtabsorption effiziente Energietransferprozesse sowie exzitonische Wechselwirkungen unter den Pyropheophorbid a Chromophoren statt. Exzitonische Interaktionen limitieren das Potential der Komplexe zytotoxischen Singulett-Sauerstoff unter Lichtanregung zu generieren. Im Molekül FP6 wurde zusätzlich ein Elektrontransfer vom Pyropheophorbide a zum Fulleren beobachtet. FP6 ist daher für die photodynamische Therapie ungeeignet, kann aber aufgefaßt werden, als die Kombination eines Lichtsammelkomplex mit ladungsseparierendem Zentrum. Weiterhin wurde die Eignung von wasserlöslichen Zinkprotoporphyrin (ZnPP) Polymerkonjugaten als neuartige Photosensibilisatoren für die photodynamische Therapie von soliden Tumoren untersucht. Pegyliertes ZnPP (PEG-ZnPP) bildet mizellare Aggregate in Lösung, wobei die hydrophoben ZnPP Kopfgruppen starke exzitonische Wechselwirkungen unter Lichtanregung eingehen. Dies führt zu einer Unterdrückung der Generierung von Singulett-Sauerstoff in wässriger Lösung. Für ein Styren-Maleinsäure Copolymer, welches ZnPP nicht-kovalent inkorporiert (SMA-ZnPP), wurde ähnliche Resultate gefunden. In-vitro Experimente zeigten, dass die Mizelle nach Aufnahme in die Tumorzellen ihre Integrität verliert und ZnPP monomer freigesetzt wird. Unter Beleuchtung generiert SMA-ZnPP eine hohe Phototoxizität. Polymere Träger-Photosensibilisator Systeme erlauben die Entwicklung effizienter photodynamische Therapien unter der Voraussetzung, das die intramolekularen Transferprozesse unter den Chromophoren gezielt manipuliert werden durch das Trägersystem und somit vorteilhaft genutzt werden können. / The main objective of the thesis is the photophysical investigation of three different photosensitizer-carrier systems concerning the applicability of these macromolecules for photodynamic therapy. For hexapyropheophorbide a-fullerene [C60] molecular systems (P6, FHP6, FP6) it was found that after light absorption the pyropheophorbide a chromophores in all three compounds undergo very efficient energy transfer as well as partly excitonic interactions. The last process limits the potential of the compounds to generate cyctotoxic singlet oxygen under illumination. In the molecule FP6 a fast photoinduced electron transfer process from pyropheophorbide a to the fullerene moiety has been observed additionally. FP6 is inapplicable for PDT but this molecule can be considered as a combination of a light-harvesting system consisting of several separate pyropheophorbide a molecules and a charge-separating center. Furthermore the photosensitizing capabilities of water-soluble polymer conjugates of zinc protoporphyrin (ZnPP) as novel compounds for photodynamic therapy against solid tumors have been investigated. Pegylated ZnPP (PEG-ZnPP) forms micellar aggregates in solution whereas the hydrophobic ZnPP headgroups undergo strong excitonic interactions under illumination. This leads to suppression of singlet oxygen generation in aqueous solution. For a styrene-maleic acid copolymer incorporating ZnPP in a non-covalent fashion (SMA-ZnPP) similar results have been obtained. In-vitro experiments showed that the polymeric micelle is liberated after tumor cell uptake and ZnPP is released in monomeric form. Under illumination SMA-ZnPP generates strong phototoxicity. Polymer carrier-photosensitizer complexes will allow the development of more efficient PDT treatments under the precondition that the intramolecular transfer processes among photosensitizing molecules are selectively manipulated through the carrier system and therefore beneficially utilized.