Neuartige Cellulosederivate werden ausgehend von kommerziellen Celluloseethern synthetisiert. Aufgrund der guten Löslichkeit der Celluloseether in polaren Lösungsmitteln erfolgt eine homogene Reaktionsführung, wodurch eine regelmäßige Verteilung der Sulfatgruppen entlang der Polymerkette gewährleistet wird. Durch Variation der Reaktionsparameter wie Sulfatierungsmittel, Lösungsmittel, Reaktionszeit und -temperatur erfolgte die Synthese zahlreicher Celluloseethersulfate mit unterschiedlichen Eigenschaften bezüglich Sulfatierungsgrad und kinematischer Viskosität. Durch Bestimmung des Schwefelgehaltes und entsprechender Berechnungen konnten die Anzahl der Sulfatgruppen im Molekül (DSSul) ermittelt werden, wobei die Werte für die synthetisierten Proben im Bereich zwischen DSSul = 0.1 bis DSSul = 2.7 lagen. Der Abbau der Polymerkette wurde ebenfalls durch die Reaktionsbedingungen gesteuert, sodass sowohl Produkte mit hohen (1698 mm2/s) als auch sehr niedrigen (2 mm2/s) kinemtischen Viskositäten resultierten. Wasserlöslichkeit der Produkte wurde durch Trübungsmessungen von 1%igen wässrige Lösungen und der daraus erhaltenen geringen Trübungswerte (NTU < 10) ermittelt. Die Funktionalisierung der Celluloseether mit Sulfatgruppen konnte mittels spektroskopischer Methoden nachgewiesen werden. In 13C-NMR-Spektren von Hydroxypropylcellulosesulfaten wurden zusammen-hängende strukturelle Veränderungen mit dem Anstieg des DSSul der Produkte korreliert. Durch charakteristische Signale im Bereich der Ether-Kohlenstoffatome und deren Verschiebung wurde belegt, dass die Sulfatierung des Celluloseethers an den freien Hydroxylgruppen der Etherseitenkette erfolgte. Mittels FT-RAMAN-Spektroskopie konnten für Sulfatgruppen charakteristische Banden der in den Spektren der sulfatierten Celluloseether nachgewiesen und zugeordnet werden. Aufgrund der ionischen Sulfatgruppen dissoziieren die Celluloseethersulfate in Wasser in geladene Polymerketten. Dadurch ist in Gegenwart von kationischen Polyelektrolyten (polyDADMAC) die Bildung von Polyelektrolytkomplexen in Form von Kapseln und Folien/Membranen möglich. Die Fähigkeit solcher Polyelektrolytkapseln aus Celluloseethersulat und polyDADMAC zu Verkapselung von Substanzen und deren anschließende Freisetzung wurde am Beispiel der Verkapselung des Fluoreszenzfarbstoffes Rhodamin B gezeigt. Mittels fluoreszenzspektroskopischer Messungen konnte der aus den Kapseln freiwerdende Farbstoff detektiert werden. Anhand der Messungen wurde gezeigt, dass die Farbstofffreigabe im Fall von Rhodamin B abhängig von den Probeneigenschaften ist. Durch die Wahl des Ausgangsstoffes und deren Funktionalisierung mit Sulfatgruppen kann die Farbstofffreisetzung gesteuert werden. Mit zunehmendem DSSul des Celluloseethersulfates verlängert sich die Verweilzeit des Fluoreszenz-farbstoffes in der Kapsel. Zusätzliche Funktionelle Gruppen in der Seitenkette des Ausgangsstoffes führen zu sterischen Hinderung bei der Wechselwirkung mit polyDADMAC, wodurch eine gegenseitige Durchdringung der Polymerketten bei der Ausbildung des Polyelektrolytkomplexes gehindert wird, sodass weniger kompakte Membranstrukturen der Kapseln resultieren. In Zellexperimente mit adhärenten Zelllinien an entsprechenden mit Celluloseethersulfat präpartierten Oberflächen wurde gezeigt, dass die Zelladhäsion durch den Sulfatierungsgrad der Proben beeinflusst wird. Auf Proben mit höherem Sulfatierungsgrad findet eine verbesserte Adhäsion im Vergleich zu Proben statt, die einen geringen Sulfatierungsgrad aufweisen. Demnach wird die Kompatibilität der Zellen auf solche Oberflächen durch die Erhöhung des Substitutionsgrades der Proben begünstigt.

Neuartige Cellulosederivate werden ausgehend von kommerziellen Celluloseethern synthetisiert. Aufgrund der guten Löslichkeit der Celluloseether in polaren Lösungsmitteln erfolgt eine homogene Reaktionsführung, wodurch eine regelmäßige Verteilung der Sulfatgruppen entlang der Polymerkette gewährleistet wird. Durch Variation der Reaktionsparameter wie Sulfatierungsmittel, Lösungsmittel, Reaktionszeit und -temperatur erfolgte die Synthese zahlreicher Celluloseethersulfate mit unterschiedlichen Eigenschaften bezüglich Sulfatierungsgrad und kinematischer Viskosität. Durch Bestimmung des Schwefelgehaltes und entsprechender Berechnungen konnten die Anzahl der Sulfatgruppen im Molekül (DSSul) ermittelt werden, wobei die Werte für die synthetisierten Proben im Bereich zwischen DSSul = 0.1 bis DSSul = 2.7 lagen. Der Abbau der Polymerkette wurde ebenfalls durch die Reaktionsbedingungen gesteuert, sodass sowohl Produkte mit hohen (1698 mm2/s) als auch sehr niedrigen (2 mm2/s) kinemtischen Viskositäten resultierten. Wasserlöslichkeit der Produkte wurde durch Trübungsmessungen von 1%igen wässrige Lösungen und der daraus erhaltenen geringen Trübungswerte (NTU < 10) ermittelt. Die Funktionalisierung der Celluloseether mit Sulfatgruppen konnte mittels spektroskopischer Methoden nachgewiesen werden. In 13C-NMR-Spektren von Hydroxypropylcellulosesulfaten wurden zusammen-hängende strukturelle Veränderungen mit dem Anstieg des DSSul der Produkte korreliert. Durch charakteristische Signale im Bereich der Ether-Kohlenstoffatome und deren Verschiebung wurde belegt, dass die Sulfatierung des Celluloseethers an den freien Hydroxylgruppen der Etherseitenkette erfolgte. Mittels FT-RAMAN-Spektroskopie konnten für Sulfatgruppen charakteristische Banden der in den Spektren der sulfatierten Celluloseether nachgewiesen und zugeordnet werden. Aufgrund der ionischen Sulfatgruppen dissoziieren die Celluloseethersulfate in Wasser in geladene Polymerketten. Dadurch ist in Gegenwart von kationischen Polyelektrolyten (polyDADMAC) die Bildung von Polyelektrolytkomplexen in Form von Kapseln und Folien/Membranen möglich. Die Fähigkeit solcher Polyelektrolytkapseln aus Celluloseethersulat und polyDADMAC zu Verkapselung von Substanzen und deren anschließende Freisetzung wurde am Beispiel der Verkapselung des Fluoreszenzfarbstoffes Rhodamin B gezeigt. Mittels fluoreszenzspektroskopischer Messungen konnte der aus den Kapseln freiwerdende Farbstoff detektiert werden. Anhand der Messungen wurde gezeigt, dass die Farbstofffreigabe im Fall von Rhodamin B abhängig von den Probeneigenschaften ist. Durch die Wahl des Ausgangsstoffes und deren Funktionalisierung mit Sulfatgruppen kann die Farbstofffreisetzung gesteuert werden. Mit zunehmendem DSSul des Celluloseethersulfates verlängert sich die Verweilzeit des Fluoreszenz-farbstoffes in der Kapsel. Zusätzliche Funktionelle Gruppen in der Seitenkette des Ausgangsstoffes führen zu sterischen Hinderung bei der Wechselwirkung mit polyDADMAC, wodurch eine gegenseitige Durchdringung der Polymerketten bei der Ausbildung des Polyelektrolytkomplexes gehindert wird, sodass weniger kompakte Membranstrukturen der Kapseln resultieren. In Zellexperimente mit adhärenten Zelllinien an entsprechenden mit Celluloseethersulfat präpartierten Oberflächen wurde gezeigt, dass die Zelladhäsion durch den Sulfatierungsgrad der Proben beeinflusst wird. Auf Proben mit höherem Sulfatierungsgrad findet eine verbesserte Adhäsion im Vergleich zu Proben statt, die einen geringen Sulfatierungsgrad aufweisen. Demnach wird die Kompatibilität der Zellen auf solche Oberflächen durch die Erhöhung des Substitutionsgrades der Proben begünstigt.

Interfaces are ubiquitous in our daily life. A good understanding of the interfacial properties between different materials, or a single material in different physical states is of critical importance for us to explore the current world and bring benefits to mankind. In this work, interfacial behavior was investigated with the help of surface analysis techniques, such as quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D), surface plasmon resonance (SPR) and atomic force microscopy (AFM), in order to gain better understanding on biofuel conversion, gene/drug delivery, and chemical fixation of CO2. Biomimetic chelator-mediated Fenton (CMF) non-enzymatic degradations on cellulose and chitin thin films was studied by liquid-phase QCM-D and AFM. QCM-D is a powerful tool to monitor the kinetics of hydrolysis of regenerated cellulose and chitin model surfaces. Results from QCM-D and AFM showed that the majority of the biomass of the two model surfaces can be hydrolyzed by the CMF system. The initial degradation rates for both model surfaces by the CMF system are faster than that of the corresponding enzyme systems. The CMF system, which is a good non-enzymatic pretreatment agent for cellulose and chitin, may work on a wide variety of polysaccharide systems. Adsorption of cationic cellulose derivatives onto self-assembled monolayer (SAM) surfaces was investigated using liquid-phase SPR. Results from SPR showed that depending upon the cellulose derivative structure, irreversible adsorption ranging from a monolayer to ~1.6 layers of cellulose derivative were formed on the SAM-COOH surface based upon a charge neutralization mechanism. At low salt concentrations, the long-range electrostatic attraction between the cationic cellulose derivatives (6-PyrCA and 6-MeIMCA) and the SAM surfaces facilitates the formation of a 2-dimensional monolayer. While, for TMACE, the energy gained through the hydrophobic interaction between adjacent long polyelectrolyte branches may afford the electrostatic repulsion and chain entropy penalties, resulting in the formation of 3-dimensional adsorbed polyelectrolyte layers. Adsorption of 1,2-epoxybutane gas molecules onto/into VPI-100 metal–organic frameworks (MOFs) was studied by gas-phase QCM-D experiments. Results from QCM-D demonstrated that VPI-100 (Ni) MOFs have higher irreversible adsorption per unit cell (θ) and faster diffusion coefficients (D) than VPI-100 (Cu) MOFs. The presence of bound counter-balancing ions on the metallo-cyclam core was attributed as the cause of the higher θ and faster D through the Ni analogue, which suggests the MOF-epoxide interaction occurs at the metallo-cyclam. This study shed light upon tuning MOF structures for better CO2 sorption and epoxide activation to gain higher catalytic efficiency. Finally, in operando high energy X-ray diffraction (HEXRD) was used to monitor the phase transition of the NaxNi1/3Co1/3Mn1/3O2 cathode material during the sintering process. The first charge/discharge cycle of the NaxNi1/3Co1/3Mn1/3O2 cathode materials in different phases were also studied by in operando HEXRD. It was found that the intergrowth P2/O1/O3 cathode (NCM-Q cathode) can inhibit the irreversible P2–O2 phase transition and simultaneously improve the structural stability of the O3 and O1 phases during cycling. The NCM-Q cathode with triple-phase integration demonstrates highly reversible phase evolution during high voltage cycling, possibly leading to a highly reversible capacity and good cycle stability. / Doctor of Philosophy / Interfaces and surfaces are everywhere. Many critical processes, such as molecular recognition, catalysis, and charge transfer, take place at interfaces. The surfaces of plants and animals provide barriers from pathogens, prevent damage from mechanical impacts, detect external stimuli, etc. Inside the human body, nutrition and oxygen are adsorbed through interactions between substances and cell surfaces. Investigations of interfacial behaviors may help us understand our current world better and bring benefits to mankind. In this dissertation, the interface between bio-renewable natural polymers and biomimetic chelators, the interface between a self-assembled monolayer and cationic cellulose derivatives, and the interface between metal–organic frameworks (MOF) and 1,2-epoxybutane gas molecules, were studied with a quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D), surface plasmon resonance (SPR) and atomic force microscopy (AFM), to gain insights into biofuel conversion, gene/drug delivery and chemical fixation of CO2, respectively. Additionally, thermally and electrochemically induced phase transitions in sodium-ion battery (SIB) cathode materials were probed via in operando high energy X-ray diffraction (HEXRD). Biomimetic chelator-mediated Fenton (CMF) non-enzymatic degradations of cellulose and chitin thin films were studied by liquid-phase QCM-D and AFM. It was found that the majority of the biomass of the two model surfaces can be degraded by the CMF system. Adsorption of cationic cellulose derivatives onto self-assembled monolayer (SAM) surfaces was investigated using liquid-phase SPR. It was found that both the absorbed layer conformation and the absorbed amount depend upon the interplay between long-range electrostatic interactions and short-range interactions. Adsorption of 1,2-epoxybutane gas molecules onto/into VPI-100 MOFs was studied by gas-phase QCM-D experiments. Data from QCM-D revealed the irreversible gas molecule absorption onto/into MOFs and shed light upon tuning MOF structures for better CO2 sorption and epoxide activation to gain higher catalytic efficiency. Finally, the in operando high energy X-ray diffraction (HEXRD) was used to probe thermally and electrochemically induced phase transitions in sodium-ion battery (SIB) cathode materials. It was found that the NCM-Q cathode with triple-phase integration demonstrates highly reversible phase evolution during high voltage cycling, possibly leading to a highly reversible capacity and good cycle stability.