A straightforward means to include explicit hydrogen bonds within the Universal Force Field (UFF) is presented. Instead of treating hydrogen bonds as non-bonded interaction subjected to electrostatic and Lennard-Jones potentials, we introduce an explicit bond with a negligible bond order, thus maintaining the structural integrity of the H-bonded complexes and avoiding the necessity to assign arbitrary charges to the system. The explicit hydrogen bond changes the coordination number of the acceptor site and the approach is thus most suitable for systems with under-coordinated atoms, such as many metalorganic frameworks; however, it also shows an excellent performance for other systems involving a hydrogen-bonded framework. In particular, it is an excellent means for creating starting structures for molecular dynamics and for investigations employing more sophisticated methods. The approach is validated for the hydrogen bonded complexes in the S22 dataset and then employed for a set of metal-organic frameworks from the Computation-Ready Experimental database and several hydrogen bonded crystals including water ice and clathrates. We show that the direct inclusion of hydrogen bonds reduces the maximum error in predicted cell parameters from 66% to only 14%, and the mean unsigned error is similarly reduced from 14% to only 4%. We posit that with the inclusion of hydrogen bonding, the solvent-mediated breathing of frameworks such as MIL-53 is nowaccessible to rapid UFF calculations, which will further the aim of rapid computational scanning of metal-organic frameworks while providing better starting points for electronic structure calculations.

Diese Arbeit befasst sich mit der Herstellung von hierarchischen Mikrosieben mit Hilfe des Float-Casting-Verfahrens. Mikrosiebe zählen zu den porösen Membranen und weisen gegenüber anderen Vertretern poröser Membranen einige Besonderheiten auf. Dazu zählt eine Membrandicke kleiner als ihr Porendurchmesser, eine enge Porengrößenverteilung, eine glatte Oberfläche und eine hohe Porosität. Mikrosiebe zeichnen sich auf Grund dieser Eigenschaften durch hohe Trennschärfen und Permeanzen aus und lassen sich leichter reinigen. Der Fokus dieser Arbeit liegt darin, durch Verwendung spezieller Partikel, den Himbeerpartikeln, hierarchisch strukturierte Mikrosiebe zu erhalten. Die hierarchische Struktur besteht dabei aus einer Trennfläche mit Poren kleiner als 300 nm und einem stützenden Teil bestehend aus größeren Poren. Beide sollen in einem Schritt erzeugt werden, um Komplikationen zu umgehen, die bei getrennter Herstellung von Mikrosieb und Stützstruktur entstehen können. Dazu zählen unter anderem sich ausbildende Risse im Mikrosieb beim Transfer auf die Stützstruktur und eine mangelnde Anhaftung zwischen Mikrosieb und Stützstruktur. Die benötigten Himbeerpartikel werden ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit synthetisiert. Es wird diskutiert, welche Anforderungen die Partikel erfüllen müssen, um für die Mikrosiebherstellung geeignet zu sein. Dafür werden verschiedene Ansätze der Himbeerpartikel-Synthese verfolgt. Mit erfolgreich hergestellten Mikrosieben werden Filtrations- und Permeanzversuchen durchgeführt, um ihren Einsatz als Filter zu evaluieren.:1 Einleitung und Motivation 2 Theorie und Grundlagen 2.1 Himbeerpartikel 2.1.1 Synthese von sphärischen Partikeln 2.1.1.1 Stöber-Partikel-Synthese 2.1.1.2 Emulsionspolymerisation 2.1.2 Oberflächenfunktionalisierung von Partikeln 2.1.2.1 Adsorption 2.1.2.2 Kovalente Anbindung 2.1.3 Synthese von Himbeerpartikeln 2.1.3.1 Synthese der Kernpartikel in der Gegenwart von Satellitenpartikeln 2.1.3.2 Synthese der Satellitenpartikel in der Gegenwart von Kernpartikeln 2.1.3.3 Getrennte Synthese von Kern- und Satellitenpartikeln 2.1.3.4 Stabilisierung von Himbeerpartikeln 2.2 Membranen 2.2.1 Filtration mit Membranen 2.2.2 Polymermembranen 2.2.3 Nachteile konventioneller Membranen 2.3 Mikrosiebe 2.3.1 Anwendung von Mikrosieben 2.3.2 Herstellungsmethoden 2.3.3 Float-Casting-Verfahren 2.3.3.1 Benetzungsverhalten von Flüssigkeiten auf Flüssigkeiten 2.3.3.2 Mikrosiebherstellung durch das Float-Casting-Verfahren 2.3.3.3 Stabilisierung von Mikrosieben erhalten aus dem Float-Casting-Verfahren 3 Ergebnisse und Diskussion 3.1 Himbeerpartikel via Pickering-Emulsionen 3.1.1 Synthese von Himbeerpartikeln mit Wachskern 3.1.2 Mikrosiebherstellung mittels Himbeerpartikeln mit Wachskern 3.2 Himbeerpartikel erhalten durch Mikrofluidik 3.2.1 Erzeugung monodisperser Tropfen und Partikel erhalten mittels Mikrofluidik 3.2.2 Himbeerpartikel-Synthese basierend auf PS-Partikeln erhalten mittels Mikrofluidik 3.2.3 Mikrosiebherstellung mit Himbeerpartikeln erhalten mittels Mikrofluidik 3.3 Himbeerpartikel erhalten via Sprühtrocknen 3.3.1 Membranherstellung mit nicht sphärischen Himbeerpartikeln erhalten mittels Sprühtrocknen 3.3.2 Membranherstellung mit sphärischen Himbeerpartikeln erhalten mittels Sprühtrocknen 3.4 Himbeerpartikel via Aufwachsen von Satellitenpartikel und deren Mikrosiebe 3.5 Himbeerpartikel-Synthese basierend auf einer Oberflächen-Reaktion 3.5.1 Himbeerpartikel mit 75-μm-großen Kernpartikeln 3.5.2 Vergleich von einem Epoxid-Silan mit einem Isocyanat-Silan 3.5.3 Nachweis der Oberflächenfunktionalisierung 3.5.4 Vergleich verschiedener Amin-Beschichtungen 3.5.5 Einbetten der Himbeerpartikel in einem Polymerfilm 3.5.5.1 Stabilisierung der Satellitenpartikeln mit Tetraethylorthosilicat 3.5.5.2 Lage der Himbeerpartikel an der Wasser-Luft-Grenzfläche 3.5.5.3 Einfluss des Lösungsmittels auf die Lage der Himbeerpartikel im Polymerfilm 3.5.5.4 Charakterisierung der Trennflächen und Poren 3.5.6 Filtrationsversuche 3.5.7 Permeanz-Versuche 3.5.8 Variation der Größe von Templatpartikeln 4 Zusammenfassung und Ausblick 5 Experimenteller Teil 5.1 Verwendete Chemikalien 5.2 Verwendete Geräte 5.3 Synthese von Kern- oder Satellitenpartikel 5.3.1 Synthese Stöber-Partikel (SiO2-Partikeln) 5.3.2 Erzeugung von Polystyrol-Partikeln mittels Mikrofluidik 5.3.3 Synthese Kern-Schale-Partikel 5.4 Funktionalisierung der Partikel 5.5 Herstellung von Himbeerpartikeln 5.5.1 Aus einer Pickering-Emulsion mit Paraffinwachs und SiO2-Partikeln 5.5.2 Verbinden von Polystyrol-Partikeln erhalten aus der Mikrofluidik mit SiO2-Partikeln 5.5.3 Erzeugen von Polystyrol-Aufwüchsen auf SiO2-Partikeln 5.5.4 Erzeugen von SiO2-Aufwüchsen auf Kern-Schale-Partikeln 5.5.5 Verbinden von Kern- und Satellitenpartikeln über eine Oberflächenreaktion 5.6 Herstellung der Mikrosiebe mit dem Flat-Casting-Verfahren 5.7 Filtration 1 5.8 Permeanz 6 Quellen Selbstständigkeitserklärung Lebenslauf Veröffentlichungen und Tagungsbeiträge

For example for battery diagnosis it is essential to understand mechanisms during discharge and because of aging to optimize cell design and operating conditions. Therefore the overall battery behavior can be modeled by combining models of relevant mechanisms like porosity, charge transfer reaction and diffusion. The aim of this contribution is to define one transmission line model for modeling several of these mechanisms. Thereby a sophisticated normalization strategy allows to eliminate ambiguity and to quantify the influence of each model parameter. The results allow a better understanding of impedance measurements and can for example be used for battery diagnosis and simplified simulations of electrochemical systems. Fitting derived impedance models to measurement data by nonlinear parameter extraction techniques allows to monitor battery parameters during discharge and because of aging. Thereby a sophisticated normalization strategy is essential for unambiguous parameter extraction and useful to quantify the influence of each model parameter.

Development of microsized batteries plays an important role in the design of in-situ electrochemical investigation systems and portable/wearable electronics. This emerging field intimately correlates with the topics of rechargeable batteries, nanomaterials, on-chip microfabrication, flexibility with reliable mechanical properties etc. Among the various energy materials, conversion-type materials have been proposed as high-energy-density alternatives to traditional intercalation-based materials. However, these materials usually show complex reaction processes accompanied by multi-reaction intermediates, which poses a great challenge to understand the chemical mechanisms. Benefiting from the merits of microsized battery devices, we develop a novel strategy to investigate and then optimize the electrochemical performance of a specific conversion-type material: nickel-iron oxide (NFO). Subsequently, this kind of materials are employed for flexible minimized energy storage systems. Unlike traditional characterization methods based on slurry-coated electrodes, micro-platforms directly probe the intrinsic electrochemical properties of a single active material in real-time due to the elimination of other additives. In this thesis, we firstly design a micro-lithium batteries (MLBs), based on a single “Swiss-roll” microtubular nanomembrane electrode. This platform enables us to investigate the electrochemical mechanisms of electrode materials in lithium batteries by in-situ Raman spectroscopy, electrical conductivity measurements, and electrochemistry characterization. With this designed MLBs, we systematically studied NFO nanomembranes. Using in-situ Raman spectroscopy during the delithiation/lithiation process, we monitored the transition of the chemical component directly. Guided by our investigations of micro-batteries, composite NFO nanomembrane electrodes were fabricated and tested in coin cells, which showed an excellent rate performance: 440 mAh g-1 at a high rate of 20 A g-1 and a long-term stable cycling performance over 1600 cycles. One step further, a flexible energy storage micro-device is achieved using such optimized materials. We demonstrate a thin, lightweight, and flexible micro-full lithium-ion battery based on nickel-iron oxide with a high-rate performance and energy density that can be repeatedly bent to 180° without structural failure and performance loss. It delivers a stable output capacity of 140 mAh g-1 over 1000 charge/discharge cycles. Meanwhile, the excellent rate performance guarantees high energy output up to 255 W h kg-1 at a high power density of 12000 W kg-1 at the microscale.

Nanostrukturen haben in den letzten Jahrzehnten durch konsequente Förderung wie der im Jahr 2000 gestarteten National Nanotechnology Initiative der USA oder des deutschen Pendants Aktionsplan Nanotechnologie erhebliches Aufsehen, nicht nur in der Wissenschaft, sondern auch in der technischen und wirtschaftlichen Umsetzung erfahren. In Kombination mit biologischen Systemen, deren Funktionalität sich auf der Größenordnung von Nanometern abspielt, finden nanotechnologische Entwicklungen auf dem Gebiet der Medizin ein großes technisches Anwendungsgebiet. Diese Arbeit widmet sich der Untersuchung und technischen Entwicklung von Siliziumnanodrähten als Sensoren für zukünftige medizinische Anwendungen. Im Gegensatz zu Sensoren die auf dotierten Nanodrähten basieren, wurden hier undotierte Nanodrähte untersucht, die mit geringerem Produktionsaufwand auskommen und mittels Schottky-Barrieren als Feldeffekttransistoren nutzbar sind. Deren Eigenschaften wurden im Hinblick auf pH und Biosensorik theoretisch und experimentell untersucht, sowie technisch in ein lab-on-chip sowie ein kompaktes Multiplexer-Messgerät integriert. In einem zweiten, separaten Teil wurden die Eigenschaften undotierter Nanodrähte für die optische Spektroskopie theoretisch modelliert. Die Inhalte beider Teile werden im folgenden kurz zusammengefasst. Um die elektrischen Sensoreigenschaften der Siliziumnanodrähte zu untersuchen, wurden zunächst Computermodelle der Drähte erstellt, mit deren Hilfe der Elektronentransport in flüssiger Umgebung quantenmechanisch modelliert wurde. Die dafür erstellten Modellvorstellungen waren für die sich daran anschließenden experimentellen Untersuchungen des Rauschverhaltens, der pH-Sensitivität sowie der Biosensoreigenschaften sehr vorteilhaft. Mit Hilfe einer neu entwickelten Messmethode konnte der optimale Arbeitspunkt der Sensoren ermittelt werden, sowie die hohe Sensorqualität mittels einer empirischen mathematischen Beschreibung des zu erwartenden Sensorsignals eingeordnet werden. Weiterhin wurden für die Medizintechnik relevante Messungen von Thrombin durchgeführt. Damit ist für den hier beschriebenen Sensortyp ein proof-of-concept für neuartige medizinische Messelemente gelungen. Um die kleinen Abmessungen der Sensoren darüber hinaus technisch nutzbar zu machen, wurden sie in ein lab-on-chip System integriert, in welchem sie als Sensoren für den pH-Wert sowie die ionische Konzentration in Nanoliter-Tropfen verwendet wurden. Desweiteren wurde in Kooperation mit dem Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik ein portables Messgerät entwickelt, welches die parallele Messung mehrerer Nanodrahtsensoren ermöglicht. Im zweiten Teil der Arbeit wird eine theoretische Untersuchung zur Eignung von Silizium-Nanodrähten als Messsonden (Probes) für die optische Spektroskopie vorgestellt. Dazu wurde eine Methode entwickelt mittels derer es möglich ist, Raman und Infrarotspektren von Nanostrukturen mittels Molekulardynamik zu berechnen. Die Methode wurde auf undotierte Silizium-Nanodrähte augewendet und zeigt, dass die Oberflächenbeschaffenheit der Drähte die optischen Spektren entscheidend beeinflusst. Damit konnte die Relevanz von Halbeiter-Nanostrukturen auch für Anwendungen in der optischen Spektroskopie gezeigt werden.:I Introduction: Sensing with Nanostructures 1 Introduction 2 Field effect transistors as electronic sensor elements 3 Packaging: Connecting Nano and Macro 4 Nanostructures as transducers in optical spectroscopy II Electronic sensing with Schottky Barrier silicon nanowires 5 Schottky-Barrier silicon nanowire field effect transistors 6 ISFET measurement principles 7 pH and Biosensing with silicon nanowires 8 Thrombin sensing 9 Silicon nanowire FETs in a Lab-on-a-Chip device 10 Multiplexer sensing platform 11 Experimental methods III Simulating optical spectra of silicon nanowires 12 Theoretical fundamentals 13 Computational Methods 14 Results 15 Bibliography 16 Anhang / Nanostructures have attracted great attention not only in scientific research, but also in engineering applications during the last decades. Especially in combination with biological systems, whose complex function is controlled from nanoscale building blocks, nanotechnological developments find a huge field of applications in the medical sector. This work is dedicated to the functional understanding and technical implementation of silicon nanowires for future medical sensor applications. In contrast to doped silicon nanowire based sensors, this work is focussed on pure, undoped silicon nanowires, which have lower demands on production techniques and use Schottky-barriers as electric field detectors. The pH and biosensing capabilities of such undoped silicon nanowire field effect transistors were investigated theoretically and experimentally and further integrated in a lab-on-a-chip device as well as a small-scale multiplexer measurement device. In a second separate part, the optical sensing properties of undoped silicon nanowires were theoretically modeled. The main contents of both parts are shortly described in the following paragraphs. A multiscale model of silicon nanowire FETs to describe the charge transport in liquid surrounding in a quantum mechanical framework was developed to investigate the sensing properties of the nanowire sensors in general. The model set the basis for the understanding of the subsequent experimental investigations of noise characterization, pH sensitivity and biosensing properties. With the help of a novel gate sweeping measurement method the optimal working point of the sensors was determined and the high sensor quality could be quantified in terms of an empirical mathematical model. The sensor was then used for measurements of medically relevant concentrations of the Thrombin protein, providing a proof-of-concept for medical applications for our newly developed sensor. In order to exploit the small size of our sensors for technical applications we integrated the devices in lab-on-a-chip system with a microfluidic droplet generation module. There they were used to measure the pH and ionic concentration of droplets. Finally a portable multiplex measurement device for silicon nanowire sensors as well as other ion sensitive FETs was developed in cooperation with the IAVT at TU Dresden (Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik). The second part of this thesis investigates the usability of silicon nanowires for optical sensor applications from a theoretical point of view. Therefore a method for the extraction of Raman and Infrared spectra from molecular dynamics simulations was developed. The method was applied to undoped silicon nanowires and shows that the surface properties of the nanowires has a significant effect on optical spectra. These results demonstrate the relevance of semiconductor nanostructures for applications in optical spectroscopy.:I Introduction: Sensing with Nanostructures 1 Introduction 2 Field effect transistors as electronic sensor elements 3 Packaging: Connecting Nano and Macro 4 Nanostructures as transducers in optical spectroscopy II Electronic sensing with Schottky Barrier silicon nanowires 5 Schottky-Barrier silicon nanowire field effect transistors 6 ISFET measurement principles 7 pH and Biosensing with silicon nanowires 8 Thrombin sensing 9 Silicon nanowire FETs in a Lab-on-a-Chip device 10 Multiplexer sensing platform 11 Experimental methods III Simulating optical spectra of silicon nanowires 12 Theoretical fundamentals 13 Computational Methods 14 Results 15 Bibliography 16 Anhang

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The migration behavior of actinides and other radioactive contaminants in the environment is controlled by prominent molecular phenomena such as hydrolysis and complexation reactions in aqueous solutions as well as the diffusion and sorption onto minerals present along groundwater flow paths. These reactions significantly influence the mobility and bioavailability of the metal ions in the environment, in particular at liquid-solid interfaces. Hence, for the assessment of migration processes the knowledge of the mechanisms occurring at interfaces is crucial. The required structural information can be obtained using various spectroscopic techniques. In the present study, the speciation of uranium(VI) and neptunium(V) at environmentally relevant mineral – water interfaces of oxides of titania, alumina, silica, zinc, and alumosilicates has been investigated by the application of attenuated total reflection Fouriertransform infrared (ATR FT-IR) spectroscopy. Moreover, the distribution of the hydrolysis products in micromolar aqueous solutions of U(VI) and Np(V/VI) at ambient atmosphere has been characterized for the first time, by a combination of ATR FT-IR spectroscopy, near infrared (NIR) absorption spectroscopy, and speciation modeling applying updated thermodynamic databases. From the infrared spectra, a significant change of the U(VI) speciation is derived upon lowering the U(VI) concentration from the milli- to the micromolar range, strongly suggesting the dominance of monomeric U(VI) hydrolysis products in the micromolar solutions. In contradiction to the predicted speciation, monomeric hydroxo species are already present at pH ≥ 2.5 and become dominant at pH 3. At higher pH levels (> 6), a complex speciation is evidenced including carbonate containing complexes. For the first time, spectroscopic results of Np(VI) hydrolysis reactions are provided in the submillimolar concentration range and at pH values up to 5.3, and they are comparatively discussed with U(VI). For both actinides, the formation of similar species is suggested at pH ≤ 4, whereas at higher pH, the infrared spectra evidence structurally different species. At pH 5, the formation of a carbonate-containing dimeric complex, that is (NpO2)2CO3(OH)3^-, is strongly suggested, whereas carbonate complexation occurs only under more alkaline conditions in the U(VI) system. The results from the experiments of the sorption processes clearly demonstrate the formation of stable U(VI) surface complexes at all investigated mineral phases. This includes several metal oxides, namely TiO2, Al2O3, and SiO2, serving as model systems for the elucidation of more complex mineral systems, and several alumosilicates, such as kaolinite, muscovite and biotite. From a multiplicity of in situ experiments, the impact of sorbent characteristics and variations in the aqueous U(VI) system on the sorption processes was considered. A preferential formation of an inner-sphere complex is derived from the spectra of the TiO2 and SiO2 phases. In addition, since the in situ FT-IR experiments provide an online monitoring of the absorption changes of the sorption processes, the course of the formation of the U(VI) surface complexes can be observed spectroscopically. It is shown that after prolonged sorption time on TiO2, resulting in a highly covered surface, outer-sphere complexation predominates the sorption processes. The prevailing crystallographic modification, namely anatase and rutile, does not significantly contribute to the spectra, whereas surface specific parameters, e.g. surface area or porosity are important. A significant different surface complexation is observed for Al2O3. The formation of innerspheric species is assumed at low U(VI) surface coverage which is fostered at low pH, high ionic strength and short contact times. At proceeded sorption the surface complexation changes. From the spectra, an outer-spheric coordination followed by surface precipitation or polymerization is deduced. Moreover, in contrast to TiO2, the appearance of ternary U(VI) carbonate complexes on the γ-Al2O3 surface is suggested. The first results of the surface reactions on more complex, naturally occurring minerals (kaolinite, muscovite and biotite) show the formation of U(VI) inner-sphere sorption complexes. These findings are supported by the spectral information of the metal oxide surfaces. In this work, first spectroscopic results from sorption of aqueous Np(V) on solid mineral phases are provided. It is shown that stable inner-sphere surface species of NpO2 ^+ are formed on TiO2. Outer-sphere complexation is found to play a minor role due to the pH independence of the sorption species throughout the pH range 4 – 7.6. The comparative spectroscopic experiments of Np(V) sorption onto TiO2, SiO2, and ZnO indicate structurally similar bidentate surface complexes. The multiplicity of IR spectroscopic experiments carried out within this study yields a profound collection of spectroscopic data which will be used as references for future investigations of more complex sorption systems in aqueous solution. Furthermore, from a methodological point of view, this study comprehensively extends the application of ATR FT-IR spectroscopic experiments to a wide range in the field of radioecology. The results obtained in this work contribute to a better understanding of the geochemical interactions of actinides, in particular U(VI) and Np(V/VI), in the environment. Consequently, more reliable predictions of actinides migration which are essential for the safety assessment of nuclear waste repositories can be performed.

Es besteht der Wunsch nach Indikatoren, deren Signaturen dem chemischen Verständnis entsprechen. Die Suche nach chemischen Signaturen im Realraum ist unter anderem deshalb ein so fruchtbares Arbeitsfeld, weil trotz der Fülle von Indikatoren (die alle einen unterschiedlichen Aspekt der Bindung beleuchten) die Frage nach dem Abbild der chemischen Bindung im Realraum immer noch auf Antwort wartet. Ein Teil von Indikatoren zerlegt den Raum in Bereiche, in denen sich Elektronenpopulationen berechnen lassen. Die Güte dieser Realrauminidkatoren wird daher in der Regel danach beurteilt, ob sie den Gesamtraum in genau solche Teile zerlegen, in denen sich die nach dem Aufbauprinzip erwartete Elektronenpopulation findet: das heißt bei Atomen in sphärische Schalen; bei Molekülen und Festkörpern in Rümpfe, Bindungen und freie Elektronenpaare mit jeweils ganzen, dem Aufbauprinzip entsprechenden Elektronenzahlen. Neben dem Wunsch nach chemischen Signaturen kann man bei der Arbeit mit Realraumindikatoren auch andere Ergebnisse erzielen, wenn man die Indikatoren auf derselben Basis entwickelt, das heißt, wenn man sie vergleichbar macht. Ein Satz vergleichbarer Indikatoren ermöglicht die Suche nach Gemeinsamkeiten und Unterschieden zwischen den einzelnen Indikatoren. Die gewonnenen Ergebnisse können dann auf die den Indikatoren zugrunde liegenden Eigenschaften übertragen werden und in anderen Bereichen der Theorie genutzt werden. Eine solche gemeinsame Basis bietet das Konzept der w-bestimmten Populationen. In der vorliegenden Arbeit wird am Beispiel der Realraumindikatoren Cp gezeigt, wie man anhand dieses Konzeptes eine ganze Schar von Funktionalen kreieren und deren Eigenschaften systematisch testen kann. Das Konzept der w-bestimmten Populationen besteht im Wesentlichen aus zwei Teilschritten. Im ersten Schritt, der w-bestimmten Partitionierung des Raumes (w-RSP), wird der Gesamtraum in kompakte, raumfüllende, nicht überlappende Zellen, sogenannte Mikrozellen, zerlegt, wobei die Summe der Volumina der Mikrozellen stets das Volumen des Gesamtraums ergibt. Die Forderung, dass die Mikrozellen kompakt sein müssen, gewährleistet eine lokale Beschreibung. Aus den möglichen Partitionierungen wählt man nun eine derjenigen aus, für die die Mikrozellen alle dieselbe Menge w einer bestimmten Kontrollgröße haben, das heißt, das Integral über die Kontrollfunktion soll in jeder Mikrozelle denselben Wert w haben. Dadurch erhält man Probenräume, die bezüglich der Kontrolleigenschaft gleich sind. Im zweiten Schritt wird dann in den so erhaltenen Mikrozellen der Wert einer zweiten Größe, der Probengröße, bestimmt. Die resultierende Verteilung der Pobengröße ist natürlich vom expliziten Wert der Kontrolleigenschaft abhängig. Um diese Abhängigkeit zu umgehen, wird die diskrete Verteilung der Probengröße durch eine geeignete Potenz von w geteilt. Nach diesem Reskalierungsprozess liegt eine quasi-kontinuierliche Verteilung vor. Sie ist diskret per Definition, kann jedoch an jedem beliebigen (endlichen) Set von Aufpunkten (und eventuell weiterer Aufpunkte) berechnet werden. Der Limes nach Reskalieren ergibt eine kontinuierliche Funktion. Je nach Wahl der Kontroll- und Probenfunktion können mit diesem Konzept ganze Klassen von Funktionalen erzeugt werden. Die Funktionale sind besonders dann leicht miteinander vergleichbar, wenn sie entweder die Kontroll- oder Probenfunktion gemeinsam haben. Dieser Weg wurde in der vorliegenden Doktorarbeit beschritten. Anhand des eben dargestellten Konzeptes wurden die Realraumindikatoren Cp hergeleitet. Wie auch bei ELI-D ist die Probenfunktion bei den Cp-Indikatoren die Elektronendichte, das heißt die in den Mikrozellen geprobte Größe ist die Elektronenpopulation. Während für ELI-D die Raumpartitionierung durch die Anzahl der Paare in den Mikrozellen bestimmt wird, wird bei den Cp-Indikatoren die Inhomogenität der Elektronendichte als Kontrollgröße gewählt. Die Inhomogenität der Elektronendichte wird anhand des Abstandes der Elektronendichte zu ihrem Mittelwert in der jeweiligen Mikrozelle definiert: Ip(i) = pvuutZmi |r (~r)−r¯i|p dV . (1) Die Inhomogenität ist für jeden positiven Parameter p definiert. Je nach Wahl des Inhomogenitätsparameters p kommen kleinen beziehungsweise großen Abständen mehr Bedeutung zu. Die anhand des Konzeptes der w-bestimmten Populierung hergeleitete Funktionalschar Cp berechnet sich näherungsweise aus der Dichte und dem Dichtegradienten an den Aufpunkten ~ai der Mikrozellen: Cp(~ai) r (~ai) \"[2p(p+1)] |~Ñr (~ai)|p #3/(p+3) r (~ai) VIp , (2) wobei die Volumenfunktion VIp proportional zum Volumen einer festen Größe an Elektronendichteinhomogenität ist. Cp beruht ausschließlich auf Einelektroneneigenschaften, die sich aus der Elektronendichte ableiten lassen. Daher ist es prinzipiell möglich, Cp direkt aus dem Experiment zu bestimmen. ELI-D hingegen beruht sowohl auf der Elektronendichte, als auch auf der Paardichte, einer Zweiteilcheneigenschaft: ¡D(~ai) r (~ai) 12 g(~ai)| 3/8 r (~ai) VD . (3) Zur Berechnung der Paarvolumenfunktion VD ist die Kenntnis der Krümmung des Fermiloches g an der Elektronenkoaleszenz von Nöten. Die freie Wahl des Inhomogenitätsparameters p erlaubt es, die Volumenfunktion VIp zu justieren. Gelänge es, für ein bestimmtes Inhomogenitätsmaß die Proportionalität von VD und VIp zu erzeugen, so hätte man mit der entsprechenden Inhomogenität den Raumanspruch eines Paares abgebildet. Letztlich hätte dies zu einem Ausdruck für die Fermilochkrümmung als Funktion der Dichte geführt. (Dieser Ausdruck wiederum wäre in vielen Bereichen der Theorie von großem Nutzen.) Im Rahmen dieser Doktorarabeit konnte gezeigt werden, dass eine direkte Anpassung der Volumenfunktionen jedoch nicht in befriedigendem Maße gelingt. Daher wurde die Forderung der Proportionalität beider Indikatoren ein wenig abgeschwächt und lediglich verlangt, dass die Kurvenverläufe von Cp und ELI-D ähnlich sind. Besonderer Fokus wurde hier auf die Lage der Extrema gelegt. Die Forderung der ähnlichen Verläufe kann man durch die Anpassung der logarithmischen Gradienten der Volumenfunktionen gewährleisten. Die Anpassung erfolgte durch die Methode der kleinsten Fehlerquadrate und wurde für die Atome Li bis Xe durchgeführt. Die nach diesen Gesichtspunkten idealen Inhomgenitätsparameter konzentrieren sich alle unabhängig vom berechneten System bei Werten um p = 0.6. Das erhaltene Funktional C0.6 ist somit unabhängig vom Atomtyp und kann daher auch bei Molekülen und Festkörpern angewandt werden. C0.6 zeigt bei Atomen eine ähnliche Schalenstruktur wie ELI-D. Insbesondere die Elektronenpopulationen in den inneren Schalen spiegeln recht gut das Aufbauprinzip wieder. Bei den Übergangselementen und den direkt nachfolgenden Elementen fehlt allerdings der erwartete Separator zwischen der Valenz- und der letzten Rumpfschale. Bei Molekülen verlaufen die Bassingrenzen der Rumpfregionen sehr ähnlich, sodass die Elektronenpopulationen bis auf eine Differenz von 0.1 Elektron gleich sind. Im Bereich der freien Elektronenpaare zeigen beide Indikatoren dieselbe Anzahl von Attraktoren, wobei die C0.6-Attraktoren im Vergleich zu denen der ELI-D etwas näher am Kernort liegen. In den Regionen der freien Elektronenpaare können die Bassinpopulationen beider Indikatoren durchaus voneinander abweichen. Hierbei liegen die Elektronenpopulation von C0.6 im Mittel näher an den nach dem Lewisbild erwarteten Elektronenzahlen. Im Bereich der Bindung können große Unterschiede zwischen den Indikatoren auftreten, da C0.6 hier hauptsächlich durch den Gradiententerm dominiert ist und an jedem bindungskritischen Punkt einen Attraktor aufweisen muss. Atomare Verbindunglinien werden durch C0.6 entweder einfach zweifach oder dreifach markiert, wobei einfach markierte Linien bei unpolaren Bindungen und zweifach markierte bei polaren Bindungen zu finden sind. Dreifach markierte Linien entsprechen ungebundenen Zuständen. ELI-D hingegen zeigt keine Mehrfachmarkierung bei Einfachbindungen. Die an Molekülen abgeleiteten Aussagen über die Bindungsmarkierung lassen sich bei Festkörpern auf die nächsten Nachbarn übertragen. Durch die Zweifachmarkierung bei polaren Bindungen kann man auf einfache Weise die Gesamtelektronenpopulation eines Elementes im Verbund bestimmen (es gibt in der Regel keine geteilten Bassins). Dadurch lassen sich Ladungen berechnen und eine Skala der topologischen Kenngröße (vergleichbar mit einer Elektronegativitätsskala) aufstellen. Letzlich ist zu konstatieren, dass C0.6 nicht in der Lage ist, ELI-D hinreichend gut abzubilden. In Molekülen und Festkörpern erreicht der Gradient der Elektronendichte den Wert Null. An diesen Stellen ist C0.6 nicht an ELI-D anpassbar, da C0.6 hier einen Attraktor ausbilden muss. Dennoch hat diese Arbeit gezeigt, wie man anhand des Konzeptes der w-bestimmten Populationen Funktionale generieren und systematisch vergleichen, sowie gegebenenfalls aneinander anpassen kann. Die so gewonnenen Ergebnisse lassen sich auch in anderen Bereichen der Theorie anwenden. So mag C0.6 nicht nur in der Bindungsanalyse - wo es im Gegensatz zu ELI-D direkt aus dem Experiment bestimmt werden kann - Verwendung finden, sondern kann möglicherweise auch hilfreich bei der Entwicklung von Funktionalen in der Dichtefunktionaltheorie sein, da hier Funktionaltypen Anwendung finden, deren ortsabhängige Mischung der Austauschanteile durch Funktionen des Typs ˜Cp geregelt werden.

Diese Dissertation beschreibt die Synthese und Charakterisierung neuartiger Hyperstern-Polymere (HSP) und deren Funktion als Reaktivbinder in Epoxy- bzw. PUR-Harzen. Hyperstern-Polymere sind Hybride aus hochverzweigten (hvz) und linearen Polymeren. Sie können über ihre reaktiven OH-Gruppen als multifunktionelle hochverzweigte Quervernetzer kovalent in ein kationisch härtendes Epoxyharz einbinden und thermische sowie thermomechanische Eigenschaften verbessern.:Theoretischer Teil Einleitung und Aufgabenstellung Grundlagen 1 Polymeraufbau 1.1. Radikalische Polymerisationen 1.1.1. Kontrolliert radikalische Polymerisation 1.1.2. NMRP 1.1.3. ATRP 1.1.4. RAFT 1.2. Anionische Polymerisation 1.3. Kationische Polymerisation 1.3.1. CROP von Oxazolinen 1.4. Koordinative Polymerisationen 2 Verzweigte Polymerarchitekturen 2.1. Dendritische Polymere 2.1.1. Dendrimere 2.1.2. Hochverzweigte Polymere 2.1.2.1 SCVP 2.1.3. Dendrigrafts 2.1.4. Dendronisierte Polymere 2.2. Spezielle Polymerarchitekturen 2.2.1. Hyperstern-Polymere (HSP) 3 Lacke 3.1. Lösungsmittelhaltige Lacke 3.1.1. Chemisch härtende Lacke 3.1.2. Physikalisch trocknende Lacke 3.2. Wässrige Lacke 3.3. Lösungsmittelfreie Lacke 3.3.1. Strahlenhärtende Lacke 3.3.2. Pulverlacke 3.4. Aliphatische Epoxylacke 3.4.1. UV-Härtung 3.4.2. Thermische Härtung 3.4.3. Thermische Härtung klassischer 2K-Polyepoxid-Lacke 3.5. 2K-PUR-Lacke 3.6. Aktuelle Herausforderungen 3.7. Wissenschaftliche Konzepte zur Schlagzähmodifizierung von Lacken Diskussion und Ergebnisse 4 Synthese hochverzweigter Makroinitiatoren 4.1. Polyester-Makroinitiatoren PE-MI1 und PE-MI2 4.1.1. Polyester-Kern (PE-OH) 4.1.2. Makroinitiatoren für die Oxazolinpolymerisation (PE-MI1) 4.1.3. Makroinitiatoren für die ATRP von Methacrylaten (PE-MI2) 4.2. Poly(vinylbenzylchlorid)-Makroinitiator (PVBC) 5 Hypersterne mit POxa-Armen 5.1. Lineare Polyoxazolin-Modellverbindungen (POxa) 5.1.1. Test der Initiatorfunktionen 5.1.2. Einfluss der Mikrowelle 5.1.3. Terminierung (Capping) 5.1.4. Polymerisation OH-tragender Oxazoline 5.1.5. Adamantan-funktionalisierte Polyoxazoline 5.2. Hypersterne aus Polyester-Kern sowie Polyoxazolin-Armen: PE-g-POxa 5.2.1. Einführung von OH-Gruppen über die Terminierung 5.2.2. Einführung von OH-Gruppen über die Wiederholeinheiten 5.3. Hypersterne aus Polyvinylbenzylchlorid-Kern sowie Polyoxazolin-Armen: PVBC-g-POxa 5.3.1. Modellinitiatoren 5.3.2. Einführung von OH-Gruppen über die Wiederholeinheiten 5.4. Ausblick: Arm first-Strategie 6 Hypersterne mit Polymethacrylat-Armen 6.1. Hypersterne aus Polyvinylbenzylchlorid-Kern sowie Polymethacrylat-Armen: PVBC-g-PHEMA 6.2. Hypersterne aus Polyester-Kern sowie Polymethacrylat-Armen: PE-g-(PMMA-b-HEMA) 7 Hypersterne als Quervernetzer-Additive in Lacken 7.1. PVBC-g-POxa in Epoxyharz 7.1.1. Thermische Härtung 7.2. PE-g-P(MMA-b-HEMA) in Epoxyharz 7.2.1. UV-Härtung 7.2.2. Thermische Härtung 7.3. PE-g-P(MMA-b-HEMA) in 2K-PUR-Harz Zusammenfassung – Ausblick Experimenteller Teil 8 Geräte, Methoden und Chemikalien 9 Synthesen 9.1. Monomere, Capper, Niedermolekulare Substanzen 9.2. Lineare Polyoxazoline 9.2.1. Niedermolekulare CROP-Initiatoren 9.2.2. Lineares Poly(2-methyloxazolin) (PMeOxa) 9.2.3. Adamantan-funktionalisierte Poly(2-methyloxazoline) 9.2.4. Lineare Poly(2-ethyloxazoline) 9.2.5. NMR-Modellverbindungen für PVBC-Kern 9.3. Hochverzweigte Polymere und Makroinitiatoren 9.4. Hyperstern-Polymere mit POxa-Armen 9.5. Hyperstern-Polymere mit PAlkMA-Armen 9.6. Lackproben Abkürzungsverzeichnis Literaturverzeichnis Publikationsliste

Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT) ist ein Kunststoff der zur Gruppe der intrinsisch leitfähigen Polymere (ILP) zählt. Aufgrund seiner chemischen und thermischen Stabilität findet er Verwendung in antistatischen Verkleidungen und als Elektrodenmaterial. PEDOT (und andere ILP) zeigen aufgrund ihrer Schaltbarkeit zwischen (reduzierten, ) neutralen und oxidierten Zuständen unterschiedliche Eigenschaften wie Leitfähigkeit, Farbe oder Viskoelastizität. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die elektrochemischen und viskoelastischen Eigenschaften von PEDOT-Filmen untersucht. Dabei wurde die Quarzmikrowaage (QCM) in Verbindung mit potentiostatischen (Potentialsprung, PS) und potentiodynamischen (Cyclovoltammetrie, CV) elektrochemischen Methoden verwendet, so dass in situ elektrochemische und mechanische Eigenschaften der Filme zugänglich waren. Zur Bestimmung der viskoelastischen Eigenschaften wurde ein Auswertealgorithmus entwickelt, welcher auf ein mathematisches Modell zur Bestimmung des Schermoduls nach Efimov zurückgreift. Während der Herstellung wurden Parameter wie Lösungsmittel, Leitsalz, Vorpolarisations- und Abscheidungspotential variiert und die erhaltenen Filme bezüglich Schermodul und Morphologie charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Elektrolytzusammensetzung einen entscheidenden Einfluss auf die viskoelastischen Eigenschaften der Filme besitzt, welche mit der Morphologie der Filme korrelieren. Des Weiteren wurden die Änderungen der viskoelastischen Eigenschaften dieser Filme untersucht, welche während dem elektronischen Schalten zwischen neutralem und oxidiertem Zustand aufgrund des Ionenaustausches erfolgen. CV- und PS-Experimente zeigten, dass die viskoelastischen Eigenschaften durch Konzentration und pH-Wert des Elektrolyten beeinflusst werden und in unterschiedlicher Weise auf die Potentialänderungen reagieren. Durch den Einbau von Magnetit-Partikeln in die Schichten konnten Hybridfilme erhalten werden, deren Eigenschaften durch das Anlegen eines äußeren Magnetfeldes beeinflusst werden können. Solche Filme zeigten in einem äußeren Magnetfeld (0,7T) höhere Schermodule und einen stark unterdrückten Ionenaustausch.