Polymere sind lange kettenartige Moleküle. Sie bestehen aus vielen elementaren chemischen Einheiten, den Monomeren, die durch kovalente Bindungen aneinander gekettet sind. Polyelektrolyte sind Polymere, die ionisierbare Monomeren enthalten. Aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften sind Polyelektrolyte sowohl in der Molekular- und Zellbiologie von großen Bedeutung als auch in der Chemie großtechnisch relevant. <br /> Verglichen mit ungeladenen Polymeren sind Polyelektrolyte theoretisch noch wenig verstanden. Insbesondere gilt dies für Polyelektrolyte in sogenanntem schlechten Lösungsmittel. Ein schlechtes Lösungsmittel bewirkt eine effektive Anziehung zwischen den Monomeren. Für Polyelektrolyte in schlechtem Lösungsmittel kommt es daher zu einer Konkurrenz zwischen dieser Anziehung und der elektrostatischen Abstoßung. <br /> Geladene Polymere werden im Rahmen der chemischen Klassifikation in starke und schwache Polyelektrolyte unterschieden. Erstere zeigen vollständige Dissoziation unabhängig vom pH-Wert der Lösung. Die Position der Ladungen auf der Kette wird ausschließlich während der Polymersynthese festgelegt. In der Physik spricht man deshalb von Polyelektrolyten mit eingefrorener Ladungsverteilung (quenched polyelectrolytes). <br /> Im Falle von schwachen Polyelektrolyten ist die Ladungsdichte auf der Kette nicht konstant, sondern wird durch der pH-Wert der Lösung kontrolliert. Durch Rekombinations- und Dissoziationsprozesse sind die Ladungen auf der Kette beweglich. Im allgemeinen stellt sich eine inhomogene Gleichgewichtsverteilung ein, die mit der Struktur der Kette gekoppelt ist. Diese Polymere werden deshalb auch Polyelektrolyte mit Gleichgewichtsladungsverteilung (annealed polyelectrolytes) genannt. Wegen des zusätzlichen Freiheitsgrades in der Ladungsverteilung werden eine Reihe ungewöhnlicher Eigenschaften theoretisch vorhergesagt. <br /> Mit Hilfe von Simulationen ist es zum ersten Mal gelungen, zu zeigen daß 'annealed' Polyelektrolyte in relativ schlechtem Lösungsmittel einen diskontinuierlichen Phasenübergang durchlaufen, wenn ein kritischer pH-Werts der Lösung überschritten wird. Bei diesem Phasenübergang, gehen die Polyelektolyte von einer schwach geladenen kompakten globulären Struktur zu einer stark geladenen gestreckten Konfiguration über. <br /> Aufgrund theoretischer Vorhersagen wird erwartet, daß die globuläre Struktur in weniger schlechtem Lösungsmittel instabil wird und sich eine Perlenkettenkonfiguration ausbildet. Diese Vorhersage konnte für 'annealed' Polyelektrolyte mit den durchgeführten Simulationen zum ersten Mal bestätigt werden - inzwischen auch durch erste experimentelle Ergebnisse. <br /> Schließlich zeigen die Simulationen auch, daß annealed Polyelektrolyte bei einer kritischen Salzkonzentration in der Lösung einen scharfen Übergang zwischen einem stark geladenen gestreckten Zustand und einem schwach geladenen globulären Zustand aufweisen, wiederum in Übereinstimmung mit theoretischen Erwartungen. / A polymer is a large molecule made up of many elementary chemical units, joined together by covalent bonds (for example, polyethylene). Polyelectrolytes (PELs) are polymer chains containing a certain amount of ionizable monomers. With their specific properties PELs acquire big importance in molecular and cell biology as well as in technology.<br /> Compared to neutral polymers the theory of PELs is less understood. In particular, this is valid for PELs in poor solvents. A poor solvent environment causes an effective attraction between monomers. Hence, for PELs in a poor solvent, there occurs a competition between attraction and repulsion.<br /> Strong or quenched PELs are completely dissociated at any accessible pH. The position of charges along the chain is fixed by chemical synthesis. On the other hand, in weak or annealed PELs dissociation of charges depends on solution pH.<br /> For the first time the simulation results have given direct evidence that at rather poor solvents an annealed PEL indeed undergoes a first-order phase transition when the chemical potential (solution pH) reaches at a certain value. The discontinuous transition occurs between a weakly charged compact globular structure and a strongly charged stretched configuration.<br /> At not too poor solvents theory predicts that globule would become unstable with respect to the formation of pearl-necklaces. The results show that pearl-necklaces exist in annealed PELs indeed.<br /> Furthermore, as predicted by theory, the simulation results have shown that annealed PELs display a sharp transition from a highly charged stretched state to a weakly charged globule at a critical salt concentration.

The formation of colloids by the controlled reduction, nucleation, and growth of inorganic precursor salts in different media has been investigated for more than a century. Recently, the preparation of ultrafine particles has received much attention since they can offer highly promising and novel options for a wide range of technical applications (nanotechnology, electrooptical devices, pharmaceutics, etc). The interest derives from the well-known fact that properties of advanced materials are critically dependent on the microstructure of the sample. Control of size, size distribution and morphology of the individual grains or crystallites is of the utmost importance in order to obtain the material characteristics desired. Several methods can be employed for the synthesis of nanoparticles. On the one hand, the reduction can occur in diluted aqueous or alcoholic solutions. On the other hand, the reduction process can be realized in a template phase, e.g. in well-defined microemulsion droplets. However, the stability of the nanoparticles formed mainly depends on their surface charge and it can be influenced with some added protective components. Quite different types of polymers, including polyelectrolytes and amphiphilic block copolymers, can for instance be used as protecting agents. The reduction and stabilization of metal colloids in aqueous solution by adding self-synthesized hydrophobically modified polyelectrolytes were studied in much more details. The polymers used are hydrophobically modified derivatives of poly(sodium acrylate) and of maleamic acid copolymers as well as the commercially available branched poly(ethyleneimine). The first notable result is that the polyelectrolytes used can act alone as both reducing and stabilizing agent for the preparation of gold nanoparticles. The investigation was then focused on the influence of the hydrophobic substitution of the polymer backbone on the reduction and stabilization processes. First of all, the polymers were added at room temperature and the reduction process was investigated over a longer time period (up to 8 days). In comparison, the reduction process was realized faster at higher temperature, i.e. 100°C. In both cases metal nanoparticles of colloidal dimensions can be produced. However, the size and shape of the individual nanoparticles mainly depends on the polymer added and the temperature procedure used. In a second part, the influence of the prior mentioned polyelectrolytes was investigated on the phase behaviour as well as on the properties of the inverse micellar region (L2 phase) of quaternary systems consisting of a surfactant, toluene-pentanol (1:1) and water. The majority of the present work has been made with the anionic surfactant sodium dodecylsulfate (SDS) and the cationic surfactant cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) since they can interact with the oppositely charged polyelectrolytes and the microemulsions formed using these surfactants present a large water-in-oil region. Subsequently, the polymer-modified microemulsions were used as new templates for the synthesis of inorganic particles, ranging from metals to complex crystallites, of very small size. The water droplets can indeed act as nanoreactors for the nucleation and growth of the particles, and the added polymer can influence the droplet size, the droplet-droplet interactions, as well as the stability of the surfactant film by the formation of polymer-surfactant complexes. One further advantage of the polymer-modified microemulsions is the possibility to stabilize the primary formed nanoparticles via a polymer adsorption (steric and/or electrostatic stabilization). Thus, the polyelectrolyte-modified nanoparticles formed can be redispersed without flocculation after solvent evaporation. / Die Bildung von Kolloiden durch kontrollierte Reduktion, durch Keimbildung und durch Wachstum anorganischer Precurser in unterschiedlichen Medien wird seit mehr als einem Jahrhundert intensiv beforscht. Vor kurzem hat die Herstellung ultrafeiner Partikel viel Aufmerksamkeit errungen, da sich hieraus vielversprechende neue Möglichkeiten für ein breites Spektrum an technischen Anwendungen (Nanotechnologie, elektrooptische Materialen, Pharmazeutik, usw.) ergeben. Das Interesse leitet sich von der weithin bekannten Tatsache ab, dass die Eigenschaften der „advanced materials“ von der Mikrostruktur der Probe deutlich abhängig sind. Die gezielte Steuerung der Größe, der Größenverteilung und der Morphologie der einzelnen Keime oder Kristallite ist von größter Wichtigkeit, um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen. Verschiedene Methoden können für die Synthese von Nanopartikel verwendet werden. Einerseits kann eine Reduktion in verdünnten wässrigen oder alkoholischen Lösungen stattfinden, andererseits kann der Reduktionsprozess in einer Templatphase, z.B. in definierten Mikroemulsionströpfchen stattfinden. Die Stabilität der produzierten Nanopartikel hängt hauptsächlich von ihrer Oberflächenladung ab, welche durch schützende Komponenten zusätzlich beeinflusst werden kann. Verschiedene Arten von Polymeren, einschließlich Polyelektrolyte und amphiphile Blockcopolymere, können als solche Komponenten benutzt werden. Die Reduktion und Stabilisierung von Metallkolloiden in der wässrigen Lösung durch Addition von hydrophob modifizierten Polyelektrolyten werden bereits ausführlich studiert. Die verwendeten Polymere sind hydrophob modifizierte Derivate des Natrium-Polyacrylat, der Maleinsäure Copolymere sowie das verzweigte Poly(ethylenimin). Erstaunlicherweise genügt bereits die Anwesenheit die verwendeten Polyelektrolyte zu Reduzierung und Stabilisierung der Goldnanopartikel. Darüber hinaus wurde der Einfluss der hydrophoben Seitenkette des Polymer auf den Reduktions- und Stabilisierungsprozess bei unterschiedliche Reaktionstemperatur untersucht. In beiden Fällen können Metallnanopartikel kolloidaler Größe hergestellt werden, jedoch hängt die Größe und die Form der einzelnen Nanopartikel hauptsächlich vom dem zugefügten Polymer und vom verwendeten Temperaturverfahren ab. Im zweiten Teil wurde der Einfluss der vorher erwähnten Polyelektrolyte auf das Phaseverhalten sowie auf die Eigenschaften der inversen mizellaren Region (L2 Phase) der quaternären Systeme untersucht, die aus einem Tensid, Toluol-Pentanol – Gemisch (1:1) sowie Wasser bestehen. Dabei wurden hauptsächlich ionische Tenside, wie z.B. das anionische Natriumdodecylsulfate (SDS) und das kationische Cetyltrimethylammonium-bromid (CTAB) verwendet, da sie mit den geladenen Polyelektrolyten wechselwirken können. Darüber hinaus wurden die polymer-modifizierten Mikroemulsionen als neue Template für die Synthese von anorganischen Nanopartikeln verwendet. Die Wassertröpfchen können in der Tat als Nanoreaktoren für die Keimbildung und das Wachstum der Partikel dienen, und das zugefügte Polymer kann die Tröpfchengröße, die Tröpfchen-Tröpfchen Wechselwirkungen, sowie die Stabilität des Tensidfilms durch Polyelektrolyt-Tensid Komplexbildung beeinflussen. Ein weiterer Vorteil der polymer-modifizierten Mikroemulsionen ist die Stabilizierung der produzierten Primärteilchen über eine Polymeradsorption (durch sterische bzw. elektrostatische Stabilisierung), welche eine Redispergierung der Polyelektrolyte-modifiziert Nanopartikel, nach Lösungsmittel-verdampfung, ohne Aggregation der Partikel erlaubt.

In the course of this thesis gold nanoparticle/polyelectrolyte multilayer structures were prepared, characterized, and investigated according to their static and ultrafast optical properties. Using the dip-coating or spin-coating layer-by-layer deposition method, gold-nanoparticle layers were embedded in a polyelectrolyte environment with high structural perfection. Typical structures exhibit four repetition units, each consisting of one gold-particle layer and ten double layers of polyelectrolyte (cationic+anionic polyelectrolyte). The structures were characterized by X-ray reflectivity measurements, which reveal Bragg peaks up to the seventh order, evidencing the high stratication of the particle layers. In the same measurements pronounced Kiessig fringes were observed, which indicate a low global roughness of the samples. Atomic force microscopy (AFM) images veried this low roughness, which results from the high smoothing capabilities of polyelectrolyte layers. This smoothing effect facilitates the fabrication of stratified nanoparticle/polyelectrolyte multilayer structures, which were nicely illustrated in a transmission electron microscopy image. The samples' optical properties were investigated by static spectroscopic measurements in the visible and UV range. The measurements revealed a frequency shift of the reflectance and of the plasmon absorption band, depending on the thickness of the polyelectrolyte layers that cover a nanoparticle layer. When the covering layer becomes thicker than the particle interaction range, the absorption spectrum becomes independent of the polymer thickness. However, the reflectance spectrum continues shifting to lower frequencies (even for large thicknesses). The range of plasmon interaction was determined to be in the order of the particle diameter for 10 nm, 20 nm, and 150 nm particles. The transient broadband complex dielectric function of a multilayer structure was determined experimentally by ultrafast pump-probe spectroscopy. This was achieved by simultaneous measurements of the changes in the reflectance and transmittance of the excited sample over a broad spectral range. The changes in the real and imaginary parts of the dielectric function were directly deduced from the measured data by using a recursive formalism based on the Fresnel equations. This method can be applied to a broad range of nanoparticle systems where experimental data on the transient dielectric response are rare. This complete experimental approach serves as a test ground for modeling the dielectric function of a nanoparticle compound structure upon laser excitation. / Im Rahmen dieser Arbeit wurden Gold-Nanopartikel/Polyelektrolyt Multischichtstrukturen hergestellt, strukturell charakterisiert und bezüglich ihrer optischen Eigenschaften sowohl statisch als auch zeitaufgelöst analysiert. Die Strukturen wurden mithilfe der Dip-coating oder der Spin-coating Methode hergestellt. Beide Methoden ermöglichen das Einbetten einzelner Partikellagen in eine Polyelektrolytumgebung. Typische Strukturen in dieser Arbeit bestehen aus vier Wiederholeinheiten, wobei jede aus einer Nanopartikelschicht und zehn Polyelektrolyt-Doppellagen (kationisches und anionisches Polyelektrolyt) zusammengesetzt ist. Die Stratizierung der Gold-Nanopartikellagen wurde mittels Röntgenreflektometrie-Messungen im Kleinwinkelbereich nachgewiesen, welche Bragg Reflexionen bis zur siebten Ordnung aufzeigen. Das ausgeprägte Kiessig Interferenzmuster dieser Messungen weist zudem auf eine geringe globale Rauheit hin, die durch Oberflächenanalysen mit einem Rasterkraftmikroskop bestätigt werden konnte. Diese geringe Rauheit resultiert aus den glättenden Eigenschaften der Polyelektrolyte, die die Herstellung von Multilagensystemen mit mehreren Partikellagen erst ermöglichen. Die Aufnahme eines Transmissionselektronenmikroskops veranschaulicht eindrucksvoll die Anordnung der Partikel in einzelne Schichten. Durch photospektroskopische Messungen wurden die optischen Eigenschaften der Strukturen im UV- und sichtbaren Bereich untersucht. Beispielsweise wird eine Verschiebung und Verstärkung der Plasmonenresonanz beobachtet, wenn eine Goldnanopartikellage mit transparenten Polyelektrolyten beschichtet wird. Erst wenn die bedeckende Schicht dicker als die Reichweite der Plasmonen wird, bleibt die Absorption konstant. Die spektrale Reflektivität jedoch ändert sich auch mit jeder weiteren adsorbierten Polyelektrolytschicht. Die Reichweite der Plasmonenresonanz konnte auf diese Art für Partikel der Größe 10 nm, 20 nm und 150 nm bestimmt werden. Die Ergebnisse wurden im Kontext einer Effektiven Mediums Theorie diskutiert. Die komplexe dielektrische Funktion einer Multilagenstruktur wurde zeitabhängig nach Laserpulsanregung für einen breiten spektralen Bereich bestimmt. Dazu wurden zuerst die Änderungen der Reflektivität und Transmittivität simultan mittels der Pump-Probe (Anrege-Abtast) Spektroskopie gemessen. Anschließend wurden aus diesen Daten, mithilfe eines Formalismus, der auf den Fresnelschen Formeln basiert, die Änderungen im Real- und Imaginärteil der dielektrischen Funktion ermittelt. Diese Methode eignet sich zur Bestimmung der transienten dielektrischen Funktion einer Vielzahl von Nanopartikelsystemen. Der rein experimentelle Ansatz ermöglicht es, effektive Medien Theorien und Simulationen der dielektrischen Funktion nach Laserpulsanregung zu überprüfen.

Within this work, three physicochemical methods for the hydrophobization of initially hydrophilic solid particles are investigated. The modified particles are then used for the stabilization of oil-in-water (o/w) emulsions. For all introduced methods electrostatic interactions between strongly or weakly charged groups in the system are es-sential. (i) Short chain alkylammonium bromides (C4 – C12) adsorb on oppositely charged solid particles. Macroscopic contact angle measurements of water droplets under air and hexane on flat silica surfaces in dependency of the surface charge density and alkylchain-length allow the calculation of the surface energy and give insights into the emulsification properties of solid particles modified with alkyltrimethylammonium bromides. The measure-ments show an increase of the contact angle with increasing surface charge density, due to the enhanced adsorp-tion of the oppositely charged alkylammonium bromides. Contact angles are higher for longer alkylchain lengths. The surface energy calculations show that in particular the surface-hexane or surface-air interfacial en-ergy is being lowered upon alkylammonium adsorption, while a significant increase of the surface-water interfa-cial energy occurs only at long alkyl chain lengths and high surface charge densities. (ii) The thickness and the charge density of an adsorbed weak polyelectrolyte layer (e.g. PMAA, PAH) influence the wettability of nanoparticles (e.g. alumina, silica, see Scheme 1(b)). Furthermore, the isoelectric point and the pH range of colloidal stability of particle-polyelectrolyte composites depend on the thickness of the weak polye-lectrolyte layer. Silica nanoparticles with adsorbed PAH and alumina nanoparticles with adsorbed PMAA be-come interfacially active and thus able to stabilize o/w emulsions when the degree of dissociation of the polye-lectrolyte layer is below 80 %. The average droplet size after emulsification of dodecane in water depends on the thickness and the degree of dissociation of the adsorbed PE-layer. The visualization of the particle-stabilized o/w emulsions by cryogenic SEM shows that for colloidally stable alumina-PMAA composites the oil-water interface is covered with a closely packed monolayer of particles, while for the colloidally unstable case closely packed aggregated particles deposit on the interface. (iii) By emulsifying a mixture of the corrosion inhibitor 8-hydroxyquinoline (8-HQ) and styrene with silica nanoparticles a highly stable o/w emulsion can be obtained in a narrow pH window. The amphoteric character of 8-HQ enables a pH dependent electrostatic interaction with silica nanoparticles, which can render them interfa-cially active. Depending on the concentration and the degree of dissociation of 8-HQ the adsorption onto silica results from electrostatic or aromatic interactions between 8-HQ and the particle-surface. At intermediate amounts of adsorbed 8-HQ the oil wettability of the particles becomes sufficient for stabilizing o/w emulsions. Cryogenic SEM visualization shows that the particles arrange then in a closely packed shell consisting of partly of aggregated domains on the droplet interface. For further increasing amounts of adsorbed 8-HQ the oil wet-tability is reduced again and the particles ability to stabilize emulsions decreases. By the addition of hexadecane to the oil phase the size of the droplets can be reduced down to 200 nm by in-creasing the silica mass fraction. Subsequent polymerization produces corrosion inhibitor filled (20 wt-%) poly-styrene-silica composite particles. The measurement of the release of 8-hydroxyquinoline shows a rapid increase of 8-hydroxyquinoline in a stirred aqueous solution indicating the release of the total content in less than 5 min-utes. The method is extended for the encapsulation of other organic corrosion inhibitors. The silica-polymer-inhibitor composite particles are then dispersed in a water based alkyd emulsion, and the dispersion is used to coat flat aluminium substrates. After drying and cross-linking the polmer-film Confocal Laser Scanning Micros-copy is employed revealing a homogeneous distribution of the particles in the film. Electrochemical Impedance Spectroscopy in aqueous electrolyte solutions shows that films with aggregated particle domains degrade with time and don’t provide long-term corrosion protection of the substrate. However, films with highly dispersed particles have high barrier properties for corrosive species. The comparison of films containing silica-polystyrene composite particles with and without 8-hydroxyquinoline shows higher electrochemical impedances when the inhibitor is present in the film. By applying the Scanning Vibrating Electrode Technique the localized corrosion rate in the fractured area of scratched polymer films containing the silica-polymer-inhibitor composite particles is studied. Electrochemical corrosion cannot be suppressed but the rate is lowered when inhibitor filled composite particles are present in the film. By depositing six polyelectrolyte layers on particle stabilized emulsion droplets their surface morphology changes significantly as shown by SEM visualization. When the oil wettability of the outer polyelectrolyte layer increases, the polyelectrolyte coated droplets can act as emulsion stabilizers themselves by attaching onto bigger oil droplets in a closely packed arrangement. In the presence of 3 mM LaCl3 8-HQ hydrophobized silica particles aggregate strongly on the oil-water inter-face. The application of an ultrasonic field can remove two dimensional shell-compartments from the droplet surface, which are then found in the aqueous bulk phase. Their size ranges up to 1/4th of the spherical particle shell. / Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei Oberflächenmodifikationen zur Hydrophobierung von ursprünglich hydrophilen Feststoffpartikeln entwickelt. Die so modifizierten Partikel werden dann zur Stabilisierung von Öl-in-Wasser Emulsionen verwendet. Für sämtliche entwickelte Methoden sind elektrostatische Wechselwirkungen zwischen stark oder schwach dissoziierten chemischen Gruppen essentiell. (i) Kurzkettige Alkyltrimethylammonium Bromide (C4-C12) adsorbieren auf entgegengesetzt geladenen Partikeln. Makroskopische Kontaktwinkelmessungen von Wasser Tropfen in Luft und Hexan auf flachen Siliziumoxid Oberflächen mit variabler Oberflächenladungsdichte und Alkylkettenlänge ermöglichen die Berechnung der Oberflächenenergie und geben Einblicke in die Emulgationseigenschaften von so modifizierten Feststoffpartikeln. Die Messungen zeigen einen Anstieg des Kontakwinkels mit steigender Oberflächenladungsdichte, bedingt durch die verstärkte Adsorption von entgegengesetzt geladenen Alkyltrimethylammonium Bromiden. Die Kontaktwinkel sind zudem größer für längerkettige Alkyltrimethylammonium Bromide. Die Berechnungen der Oberflächenenergie zeigen, dass besonders die Feststoff-Hexan oder Feststoff-Luft Grenzflächenenergie durch die Adsorption verringert wird, wohingegen die Feststoff-Wasser Oberflächenenergie nur bei längeren Alkylkettenlängen und hohen Oberflächenladungsdichten signifikant ansteigt. (ii) Die Schichtdicke und Ladungsdichte von adsorbierten schwachen Polyelektrolyten (z.B. PMAA, PAH) beeinflusst die Benetzbarkeit von Nanopartikeln (z.B. Aluminiumoxid, Siliziumoxid). Der isoelektrische Punkt und der pH Bereich für kolloidale Stabilität solcher Polyelektrolyt modifizierter Partikel hängt von der Dicke der Polyelektrolytschicht ab. Siliziumoxid und Aluminiumoxid Nanopartikel mit adsorbierten PAH bzw. PMAA werden Grenzflächenaktiv und dadurch befähigt Öl-in-Wasser Emulsionen zu stabilisieren, wenn der Dissoziationsgrad der Polyelektrolytschicht geringer als 80 % ist. Die durchschnittliche Tropfengröße von Dodecan-in-Wasser Emulsionen ist abhängig von der Polyelektrolytschichtdicke und dem Dissoziationsgrad. Die Visualisierung von Partikel stabilisierten Öl-in-Wasser Emulsionen durch kryogene REM zeigt, dass im Falle von kolloidal stabilen Aluminiumoxid-PMAA Partikeln die Öl-Tröpfchen mit einer dichtgepackten Partikelhülle belegt sind, während für kolloidal destabilisierte Partikel eine Hülle aus aggregierten Partikeln gefunden wird. (iii) Durch das Emulgieren einer Lösung des Korrosionsinhibitors 8-Hydroxychinolins (8HQ) in Styrol mit Siliziumoxid Nanopartikeln können stabile Öl-in-Wasser Emulsionen in einem pH Fenster von 4 - 6 hergestellt werden. Der amphoterische Charakter von 8HQ ermöglicht eine pH abhängige elektrostatische Wechselwirkung mit den Siliziumdioxid Nanopartikeln, welche diese Grenzflächenaktiv werden lässt. In Abhängigkeit der Konzentration und des Dissoziationsgrads von 8HQ folgt die Adsorption auf Siliziumdioxid aus elektrostatischen oder aromatischen Wechselwirkungen zwischen 8HQ und der Partikeloberfläche. Bei mittleren adsorbierten Mengen wird die Öl Benetzbarkeit der Partikel ausreichend erhöht um Öl-in-Wasser Emulsionen zu stabilisieren. Kryogene REM zeigt, dass die Partikel dann in dicht gepackte Hüllen, mit teilweise aggregierten Domänen auf der Öltröpfchenoberfläche vorliegen. Durch weiter ansteigende adsorbierte 8HQ Mengen wird die Öl-Benetzbarkeit wieder zurückgesetzt und die Emulgationsfähigkeit der Partikel aufgehoben. Durch die Zugabe von Hexadecan zur Öl Phase kann die Tropfengröße durch Erhöhung des Siliziumdioxid Anteils auf 200 nm herabgesetzt werden. Anschließende Polymerisation des Styrols generiert Korrosionsinhibitor gefüllte (20 Gew-%) Polystyrol-Silizumoxid Komposite. Die Messung der Freisetzungsrate von 8HQ zeigt einen schnellen Anstieg der 8HQ Konzentration in einer gerührten wässrigen Lösung innerhalb von 5 Minuten. Die Verkapselungsmethode wird auch für andere organische Korrosionsinhibitoren erweitert. Die Komposite werden dann in einer wasserbasierten Alkydpräpolymeremulsion dispergiert und diese Mischung wird zur Beschichtung von flachen Aluminiumplatten genutzt. Nach Trocknung und Quervernetzung des Films wird Konfokale Laser Mikroskopie dazu verwendet um die räumliche Verteilung der Composite im Film zu visualisieren. Elektrochemische Impedanzspektroskopie zeigt, dass die Barriereeigenschaften des Films durch die Anwesenheit der Komposite verbessert sind. Raster Vibrationselektroden Messungen zeigen, dass die Korrosionsrate in einem Kratzer des Films durch die Anwesenheit der Inhibitor efüllten Komposite reduziert ist. Durch die Ablagerung von 6 Polyelektroytschichten auf Feststoffstabilisierten Emulsionströpfchen verändert sich deren Oberflächenmorphologie deutlich (gezeigt durch REM). Wenn die Ölbenetzbarkeit der äußeren Polyelektrolytschicht ansteigt, dann können solche Polyelektolytbeschichteten Feststoffstabilisierte Emulsionströpfchen selber als Emulsionsstabilisatoren verwendet werden. Diese lagern sich dann in einer dicht gepackten Schicht auf der Oberfläche von größeren Emulsionstropfen ab. In der Gegenwart von 3 mM LaCl3 aggregieren 8HQ modifizierte Siliziumoxid Partikel stark auf der Öl-Wasser Grenzfläche. Der Einsatz von Ultraschall kann aggregierte Schalenbestandteile von der Tropfenoberfläche wegreißen. Diese Wracks können bis zu einem Viertel der Kugelhülle ausmachen und liegen dann als kolloidale Schalen im Wasser vor.

Polyelectrolyte complexation is a rapidly growing field with applications in functional multilayer (PEM) and nanoparticle (PEC) generation, where PEM films are deposited using Layer-by-Layer technique initiated by Decher and PECs are prepared using mixing-centrifugation technique initiated by our group. Its advantages (e.g. easy preparation) result in various applications in aqueous solution, especially in pharmaceutical and biomedical fields. Therefore, the objectives in this study are to explore interesting applications of polyelectrolyte complexation in the field of low molecular chiral compound and high molecular protein binding. Due to the rapidly growing demands for preparing optically pure compounds in the pharmaceutical field, herein, enantiospecific PEM and PEC were prepared using chiral polyelectrolytes (e.g. homo-polypeptide) and their ability of chiral recognition was investigated by ATR-FTIR, UV/Vis etc.. Chiral PEM and PEC showed pronounced enantiospecificity for both small (amino acids, vitamin) and large (protein) chiral compounds. This chiral recognition is performed by a diffusion process of chiral compounds into PEM based on the structures of chiral selector (PEM, PEC) and chiral probes (chiral compounds). However, the influences, e.g. pH value, ionic strength, surface orientation etc., were found to affect significantly the enantiospecificity. Beside planar substrates, porous membranes (e.g. PTFE) were modified using chiral PEM and successfully applied in enantiospecific permeation. Additionally, protein binding properties of PEC particle dispersions or PEC particle films were also studied. Due to the properties of polyelectrolytes used for PEC (e.g. molecular weight, charge density) and proteins (e.g. isoelectric point, size, hydrophobicity), PEC showed different uptake characteristics towards different proteins. Electrostatic and hydrophobic interaction as well as counterion release force were considered as possible driving forces for protein binding.

Having conducted the research described in this thesis I found that there exists a possibility to produce polyelectrolyte nanostructures on hydrophobic surfaces by application of the moving contact line approach. It was demonstrated that the morphology of nanostructures displays a range of structure variations from root-like to a single wire structure with a high anisotropy and aspect ratio (providing diameters of several nanometers and the length limited by the sample surface dimensions). Such nanostructures can be produced exactly on the spot of interest or can be transferred from the surface where they were produced to any other surfaces by the contact printing technique. A model describing the polymer deposition during the moving contact line processes on hydrophobic surfaces has been proposed. The application of this model provides the ground for an explanation of all the obtained experimental data. Utilizing moving contact line approach aligned one-dimensional polycation structures were fabricated and these structures were used as templates for assembling amphiphile molecules. Quasiperiodic aligned and oriented nanostructures of polyelectrolyte molecules formed in moving droplets were utilized for fabrication of electrically conductive one-dimensional nanowires.

In dieser Arbeit wird die Beschichtung von kolloidalen Templaten mit Hilfe der Layer-by-layer Technik beschrieben. Mit ihr ist es möglich, die Oberfläche der Template mit sehr dünnen und gut definierten Filmen zu versehen. Durch Auflösung der Template werden Kapseln hergestellt, die je nach Zusammensetzung der Beschichtung unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. / In this thesis the coating of colloid templates using the layer-by-layer technique is described. The surface of the templates is modified with thin, well defined films. After dissolving the templates, hollow capsules with different properties are obtained.

Die ellipsometrische Lichtstreuung wird als eine neue, leistungsfähige Methode zur Charakterisierung von Schichten um kolloidale Partikel vorgestellt. Theoretische Grundlage der Methode ist die Mie-Theorie der Lichtstreuung. Experimentell wurde die Polarisationsoptik eines Null-Ellipsometers in den Strahlengang eines Lichtstreuaufbaus eingebaut. Wie in der Reflexionsellipsometrie um den Brewsterwinkel herum erhält man in der ellipsometrischen Streuung einen Winkelbereich, in dem die Methode empfindlich auf Schichten an der Oberfläche der Partikel ist. An verschiedenen Systemen wurde die Tauglichkeit der ellipsometrischen Streuung zur Charakterisierung von Schichten auf Partikeln demonstriert. So wurden Dicke und Brechungsindex einer thermosensitiven Schicht von Poly(N-isopropylacrylamid) auf einem Poly(methylmethacrylat)-Kern bestimmt. Damit ist es möglich, experimentell den Schichtbrechungsindex und damit den Quellungsgrad zu bestimmen. Des Weiteren wurde der Einfluss der NaCl-Konzentration auf die Polyelektrolythülle von Poly(methylmethacrylat)-Poly(styrolsulfonat)-Blockcopolymer-Partikeln untersucht. Die Polyelektrolytketten liegen im hier untersuchten Beispiel nicht gestreckt vor. Als drittes wurde die Verteilung von niedermolekularen Ionen um elektrostatisch stabilisierte Poly(styrol)-Latexpartikel in Wasser untersucht. Hier wurde gezeigt, dass die beobachteten Schichtdicken und Schichtbrechungsindizes viel größer sind, als nach der klassischen Poisson-Boltzmann-Theorie zu erwarten ist. Des Weiteren wurde die Doppelbrechung von unilamellaren Lipidvesikeln bestimmt. Außerdem wurden Messungen der dynamische Lichtstreuung im Intensitätsminimum der Ellipsometrie durchgeführt. Dabei wird ein Prozess mit einer Korrelationszeit, die unabhängig vom Streuvektor, aber abhängig von der verwendeten Wellenlänge ist, sichtbar. Die Natur dieses Prozesses konnte hier nicht vollständig geklärt werden. / Ellipsometric light scattering is introduced as a new and powerful technique to characterize layers on colloidal particles. For the experiments, the polarization optics used reflection ellipsometry was installed in the beam of a light scattering setup. Using the priciples of null ellipsometry, a small range of scattering angles is obtained, were the method is sensitive to layers on the surface of colloidal particles. This is an analogy to the layer sensitivity of reflection ellipsometry at planer interfaces close to the Brewster angle. The theoretical basis for ellipsometric scattering is the Mie theory with its modern supplements. The feasibility of characterizing layers on colloidal particles was demonstrated with several systems. First, layer thickness and layer refractive index of poly(N-isopropylacrylamide) layers on a poly(methylmethacrylate) core were determined. This was the first time that the refractive index and with that the degree of swelling of a layer was directly determined in an scattering experiment. Second, polyelectrolyte layers on Poly(methylmethacrylate)-Poly(styrenesulfonate)-blockcopolymer particles were characterized. The influence of the salt concentration on the parameters of the layer was determined. The results show that the polyelectrolyte chains in the system investigated are not streched. Third, layers of ions around electrostatically-stabilized poly(styrene) particles were characterized. The layer thickness and layer refractive index in these examples are shown to be much larger than predicted by the classical Poisson-Boltzmann-theory. In addition, the birefringence of lipid vesicles was determined. Another interesting application of the ellipsometric scattering is the dynamic light scattering with ellipsometric optics. Its results show a characteristic process with a correlation time independent of the scattering vector, but wavelength dependent. The origin of this mode is not yet completely clarified.

Oily wastewater produced from petroleum and petrochemical refining processes is one of the gravest environmental threats. Oil waste ending up in sewers and dumps each year is equal to 25 times the amount of crude oil spilled in the Exxon Valdez accident (1989). Oil/Water separation covers a broad spectrum of industrial process operations. There are many techniques employed depending on each situation. The byproduct of water recovery from oily wastewater is a sludge rich in oil, surfactants and particles (oily sludge). The oily sludge still contains significant amounts of waters, which need to be recovered prior to its disposal. The use of polyelectrolytes for the flocculation of the emulsified oil and its separation from the aqueous phase is usually one of the steps of the wastewater as well as oily sludge treatment process. The efficiency of polyelectrolytes as floculants is quite often evaluated via trial and error and the appropriate polymer is selected according to the case. Even in scientific investigations it is rather common to use industrial oily sludge samples. The industrial oily sludge is characterized and treated by polyelectrolytes. Nevertheless industrial oily sludge is quite complicated and variable to be approximated by a model. For the systematic study of polyelectrolytes efficiency a stable, realistic and well-defined oily sludge model is necessary. In the present work an oily sludge model was successfully developed and characterized. The model consists on water, oil (kerosene), surfactant (sodium dodecyl sulphate, SDS) and clay particles (Blauton). The emulsifying efficiency of the surfactant and the clay were studied independently. The interactions between the surfactant and the clay including adsorption of the former on the later and cation exchange reactions were investigated. The four components were finally combined to form a series of emulsions varying the relative amounts of the emulsifiers for the highest stability to be encountered. Having concluded on the composition of the oily sludge model the efficiency of various polyelectrolytes was evaluated. Commercial natural (chitosans), synthetic (PolyDADMACs) polyelectrolytes and oilbreaks as well as lab-scale semi-synthetic polymers (modified chitosans) were tested. The flocculation efficiency was determined based on the amount and quality of water that was recovered as well as on the floc stability, size and sedimentation speed. The recovered water was characterized according to the environmental protection agency (EPA). The analysis included measurements on: total organic carbon (TOC), chemical oxygen demand (COD), biochemical oxygen demand (BOD5), total suspended solids (TSS) and pH. Selection of the appropriate flocculant also depends on the type of flocs formed in combination to the treatment following the flocculation. When filtration or centrifugation is used as a post-flocculation process the appropriate polymers are those that form large and porous flocs, as the case of the modified chitosans AG95 and AG97. Clarification devices on the other hand require dense flocs as these produced by the use of PolyDADMACs, commercial chitosans, oilbreaks and modified chitosans GA35, GA41 and AG79. Regarding the water quality, some of the polymers used that have low values of COD, TOC and BOD5, may not need the secondary treatment (biological) prior to discharge, such as P187K (PolyDADMAC) and GA41 (modified chitosan). The others require a biological treatment for the regulation limits to be reached. The pH values of modified chitosans (except of AG97), lab-scale PolyDADMACs and an oilbreak (OCAA) are all in range of the regulation limits. The applicability of biopolymers as flocculants for oil sludge dewatering is a relatively new field of investigation. As a consequence of the growing demand for environmentally friendly technologies as well as renewable resources the interest on natural flocculants has increased. The aminopolysaccharide chitosan and its modified derivatives have outstanding properties such as biocompability, biodegradability, hydrophilicity, adsorption, flocculating ability and antibacterial properties. These natural polymers derived from the sea-food industry waste products would be very useful as residue oil adsorbents in any oily wastewater and can be among the most promising candidates as a replacement of the synthetic flocculants. / Ölhaltiges Abwasser, das bei Erdöl- und petrolchemischen Raffinierungsprozessen entsteht, ist eine der größten Umweltgefahren. Dieses Altöl landet jedes Jahr in der Kanalisation und in Deponien. Es handelt sich dabei um die 25-fache Menge an Rohöl, die beim Unfall der Exxon Valdez (1989) ausgeflossen ist. Die Öl/Wasser-Trennung überspannt ein breites Spektrum industrieller Prozesse. Es gibt viele Techniken, die abhängig von jeder Situation eingesetzt werden. Das Nebenprodukt bei der Abtrennung von Wasser aus ölhaltigen Abwässern ist ein Schlamm (Ölschlamm), der reich an Öl, Tensiden und Partikeln ist. Der Ölschlamm enthält noch bedeutende Mengen an Wasser, die vor ihrer Entsorgung verwertet werden müssen. Die Verwendung von Polyelektrolyten zur Ausflockung des emulgierten Öls und seine Trennung von der wässrigen Phase ist in der Regel einer der Schritte zur Behandlung von Abwässern sowie ölhaltigen Schlämmen. Die Effizienz von Polyelektrolyten als Flockungsmittel wird ganz häufig über Versuch und Fehler bewertet, und das passende Polymer wird entsprechend dem jeweiligen Fall ausgewählt. Sogar in wissenschaftlichen Untersuchungen ist es eher üblich, industrielle Ölschlamm-Proben zu verwenden. Der industrielle Ölschlamm wird charakterisiert und mit Polyelektrolyten behandelt. Dennoch ist der industrielle Ölschlamm ziemlich kompliziert und variabel und muss durch ein Modell angenähert werden. Für die systematische Untersuchung der Effizienz von Polyelektrolyten als Flockungsmittel ist ein stabiles, realistisches und klar definiertes Ölschlamm-Modell notwendig. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Ölschlamm-Modell erfolgreich entwickelt und charakterisiert. Das Modell besteht aus Wasser, Öl (Kerosin), Tensid (Natriumdodecylsulfat, SDS) und Tonteilchen (Blauton). Die Emulgiereffizienz des Tensids und des Tons wurden unabhängig voneinander untersucht. Die Wechselwirkungen zwischen dem Tensid und dem Ton, die sowohl die Adsorption des Ersteren auf dem Letzteren einschließen als auch einen Kationenaustausch, wurden untersucht. Die vier Komponenten des Ölschlamm-Modells wurden schließlich kombiniert und es wurde eine Reihe von Emulsionen hergestellt, bei denen die relativen Mengen der Emulsionsmittel verändert wurden, um eine möglichst hohe Stabilität zu erreichen. Nachdem ein geeignetes Ölschlamm-Modell zur Verfügung stand, wurde die Effizienz der verschiedenen Polyelektrolyte als Flockungsmittel bewertet. Kommerzielle natürliche (Chitosane), synthetische (PolyDADMACs) Polyelektrolyte und Oilbreaks sowie Labor-semi-synthetische Polymere (modifizierte Chitosane) wurden getestet. Die Flockungseffizienz wurde sowohl basierend auf der Menge und Qualität des Wassers, das zurückgewonnen wurde, als auch bezogen auf die Flockenstabilität, die Flockengröße und die Sedimentationsgeschwindigkeit bestimmt. Das zurückgewonnene Wasser wurde entsprechend der Vorschriften der Behörde für Umweltschutz (EPA) charakterisiert. Die Analysen enthielten die Bestimmung des gesamten organischen Kohlenstoffs (TOC), des chemischen Sauerstoffbedarf (CSB), des biochemischen Sauerstoffbedarfs (BSB5), des Gesamtgehalts an suspendierten Partikeln (TSS) und die Bestimmung des pH. Die Auswahl geeigneter Flockungsmittel hängt auch von der Art der gebildeten Flocken, in Kombination mit der Behandlung, die den Flockungsprozess folgt, ab. Wenn als Postflockungsprozess Filtration oder Zentrifugation folgen, sollten Polymere verwendet werden, die große und poröse Flöckchen bilden, wie im Fall der modifizierten Chitosane AG95 und AG97. Andererseits verlangen Geräte zur Klärung von Abwässern dichte Flocken, wie solche, die beim Einsatz von PolyDADMACs, kommerziellen Chitosanen, Oilbreaks und den modifizierten Chitosanen GA35, GA41 und AG79 entstehen. In Bezug auf die Wasserqualität erhält man mit einigen der verwendeten Polymere so niedrige Werte von CSB, TOC und BSB5, dass wie im Falle von P187K (PolyDADMAC) und GA41 (modifiziertes Chitosan) keine biologische Sekundärbehandlung notwendig ist. Im Falle der anderen Polymere ist eine biologische Behandlung nötig, um die vorgeschriebenen Grenzen zu erreichen. Die pH-Werte der modifizierten Chitosane (außer der AG97), der im Labor hergestellten PolyDADMACs und des Oilbreak OCAA sind alle in Bereich der vorgeschriebenen Grenzen. Die Anwendbarkeit von Biopolymeren als Flockungsmittel für die Ölschlammentwässerung ist ein relativ neuer Forschungsbereich. Als Folge der wachsenden Nachfrage nach umweltfreundlichen Technologien sowie erneuerbarer Ressourcen hat das Interesse an natürlichen Flockungsmitteln zugenommen. Das Aminopolysaccharidchitosan und dessen modifizierte Produkte haben hervorragende Eigenschaften wie Biokompatibilität, Biodegradierbarkeit, Hydrophilie, Adsorption, die Fähigkeit zur Flockung und antibakterielle Eigenschaften. Diese natürlichen Polymere, die aus Meeresfrüchte-Industrieabfallprodukten gewonnen werden, sollten als Restöl-Adsorbentien bei der Aufarbeitung jedes ölhaltigen Abwassers sehr nützlich sein und können zu den vielversprechendsten Kandidaten als Ersatz der synthetischen Flockungsmittel werden.

Die Modifizierung von Carbon Black Partikeln und multi-walled Carbon Nanotubes mit Poly(vinylformamid-co-vinylamin) wurde in Abhängigkeit vom pH-Wert untersucht, um primäre Aminogruppen auf die Oberfläche der Kohlenstoffspezies einzuführen. Mit einer anschließenden Pfropfreaktion der Aminogruppen tragenden Nanotubes mit Maleinsäureanhydrid-Copolymeren sind eine Vereinzelung und ein Stabilisieren der der Carbon Nanotubes möglich. Durch eine Auswahl an Maleinsäureanhydrid-Copolymeren war nach einer Funktionalisierung der mit PVFA-co-PVAm beschichteten Carbon Nanotubes die Änderung der Oberflächeneigenschatften von hydrophil bis hin zu ultrahydrophob möglich. Die Charakterisierung der Partikel und Nanotubes erfolgte mit Hilfe der Elementaranalyse, BET-Untersuchungen, XPS, Kontaktwinkelmessungen, TGA-Untersuchungen, elektrokinetischer Messungen und REM-Aufnahmen.