Die Entstehung zeitlich veränderlicher kolloidaler Strukturen in wäßrigen Calciumphosphat-Dispersionen wurde abgebildet und einer Strukturanalyse unterzogen. Diese wurde durchgeführt unter Einsatz verschiedener bildgebenderund Streumethoden, deren Ergebnisse verglichen wurden. Ziel der Arbeit war es, aus biomineralisierenden Systemen bekannte Prozesse zu vereinfachen und im Experiment nachzustellen. Die gefundenen komplexen hierarchischen Strukturendes Calciumphosphates sind stark von Eigenschaften des Polymerzusatzes abhängig. / The formation of colloidal structures in a time-dependent fashion was followed and analysed for calcium phosphate systems in a watery evironment. A detailed structure analysis was achieved by applying avariety of scattering and imaging methods and comparing the obtained information. The aim of this work was to shed light on processes observed in biomineralizing living systems by simplifying andmimiking those systems in the experiment. A complex hierarchical structuring of calciumphosphate strongly influenced by the added polymer was found.

Die Arbeit beschreibt die Synthese, Charakterisierung und Anwendung von meso- und mikroporösen Hochleistungspolymeren. Im ersten Teil wird die Synthese von mesoporösen Polybenzimidazol (PBI) auf der Basis einer Templatierungsmethode vorgestellt. Auf der Grundlage kommerzieller Monomere und Silikatnanopartikel sowie eines neuen Vernetzers wurde ein Polymer-Silikat-Hybridmaterial aufgebaut. Das Herauslösen des Silikats mit Ammoniumhydrogendifluorid führt zu mesoporösen Polybenzimidazolen mit spherischen Poren von 9 bis 11 nm Durchmesser. Die Abhängigkeit der beobachteten Porosität vom Massenverhältnis Silikat zu Polymer wurde ebenso untersucht wie die Abhängigkeit der Porosität vom Vernetzergehalt. Die Porosität vollvernetzter Proben zeigt eine lineare Abhängigkeit vom Verhältnis Silikat zu Polymer bis zu einem Grenzwert von 1. Wird der Grenzwert überschritten, ist teilweiser Porenkollaps zu beobachten. Die Abhängigkeit der Porosität vom Vernetzergehalt bei festem Silikatgehalt ist nichtlinear. Oberhalb einer kritischen Vernetzerkonzentration wird eine komplette Replikation der Nanopartikel gefunden. Ist die Vernetzerkonzentration dagegen kleiner als der kritische Wert, so ist der völlige Kollaps einiger Poren bei Stabilität der verbleibenden Poren zu beobachten. Ein komplett unporöses PBI resultiert bei Abwesenheit des Vernetzers. Die mesoporösen PBI-Netzwerke konnten kontrolliert mit Phosphorsäure beladen werden. Die erhaltenen Addukte wurden auf ihre Protonenleitfähigkeit untersucht. Es kann gezeigt werden, dass die Nutzung der vordefinierten Morphologie im Vergleich zu einem unstrukturierten PBI in höheren Leitfähigkeiten resultiert. Durch die vernetzte Struktur war des Weiteren genügend mechanische Stabilität gegeben, um die Addukte reversibel und bei sehr guten Leitfähigkeiten bis zu Temperaturen von 190°C bei 0% relativer Feuchtigkeit zu untersuchen. Dies ist für unstrukturierte Phosphorsäure/PBI - Addukte aus linearem PBI nicht möglich. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Synthese intrinsisch mikroporöser Polyamide und Polyimide vorgestellt. Das Konzept intrinsisch mikroporöser Polymere konnte damit auf weitere Polymerklassen ausgeweitet werden. Als zentrales, strukturinduzierendes Motiv wurde 9,9'-Spirobifluoren gewählt. Dieses Molekül ist leicht und vielfältig zu di- bzw. tetrafunktionellen Monomeren modifizierbar. Dabei wurden bestehende Synthesevorschriften modifiziert bzw. neue Vorschriften entwickelt. Ein erster Schwerpunkt innerhalb des Kapitels lag in der Synthese und Charakterisierung von löslichen, intrinsisch mikroporösen, aromatischen Polyamid und Polyimid. Es konnte gezeigt werden, dass das Beobachten von Mikroporosität stark von der molekularen Architektur und der Verarbeitung der Polymere abhängig ist. Die Charakterisierung der Porosität erfolgte unter Nutzung von Stickstoffsorption, Kleinwinkelröntgenstreuung und Molecular Modeling. Es konnte gezeigt werden, dass die Proben stark vom Umgebungsdruck abhängigen Deformationen unterliegen. Die starke Quellung der Proben während des Sorptionsvorgangs konnte durch Anwendung des "dual sorption" Modells, also dem Auftreten von Porenfüllung und dadurch induzierter Henry-Sorption, erklärt werden. Der zweite Schwerpunkt des Kapitels beschreibt die Synthese und Charakterisierung mikroporöser Polyamid- und Polyimidnetzwerke. Während Polyimidnetzwerke auf Spirobifluorenbasis ausgeprägte Mikroporosität und spezifische Oberflächen von ca. 1100 m²/g aufwiesen, war die Situation für entsprechende Polyamidnetzwerke abweichend. Mittels Stickstoffsorption konnte keine Mikroporosität nachgewiesen werden, jedoch konnte mittels SAXS eine innere Grenzfläche von ca. 300 m²/g nachgewiesen werden. Durch die in dieser Arbeit gezeigten Experimente kann die Grenze zwischen Polymeren mit hohem freien Volumen und mikroporösen Polymeren somit etwas genauer gezogen werden. ausgeprägte Mikroporosität kann nur in extrem steifen Strukturen nachgewiesen werden. Die Kombination der Konzepte "Mesoporosität durch Templatierung" und "Mikroporosität durch strukturierte Monomere" hatte ein hierarchisch strukturiertes Polybenzimidazol zum Ergebnis. Die Präsenz einer Strukturierung im molekularen Maßstab konnte SAXS bewiesen werden. Das so strukturierte Polybenzimidazol zeichnete sich durch eine höhere Protonenleitfähigkeit im Vergleich zu einem rein mesoporösen PBI aus. Der letzte Teil der Arbeit beschäftigte sich mit der Entwicklung einer neuen Synthesemethode zur Herstellung von Polybenzimidazol. Es konnte gezeigt werden, dass lineares PBI in einer eutektischen Salzschmelze aus Lithium- und Kaliumchlorid synthetisiert werden kann. Die Umsetzung der spirobifluorenbasierten Monomere zu löslichem oder vernetztem PBI ist in der Salzschmelze möglich. / The first part of the thesis describes the synthesis and characterisation of cross linked, mesoporous poly(benzimidazole) (PBI) prepared by a hard templating approach. Silica nanoparticles were used as template and removed after the polycondensation by immersing the hybrid material in aqueous NH4HF2 solution. The resulting mesoporous PBI showed surface areas up to 200 m²/g as established by N2 BET and porosities up to 37 vol.-%. The influence of the template and cross linker content on the observable porosity was investigated. Nitrogen sorption and small angle x-ray scattering (SAXS) were employed as analytical techniques. The template morphology was reproduced almost perfectly, yielding spherical pores of 11 nm in diameter if the samples were fully cross linked. It was shown that there is a linear dependence of the porosity on the template content up to a critical weight ratio of silica/polymer. If the silica content is raised above 50 wt.-% partial collapse of pores is observed. The dependence of the porosity on the cross linker content at constant amount of template was found to be non-linear. At the absence of any cross linker, no porosity was observed after template removal. At 10 mol-% cross linker the onset of porosity could be observed. At higher cross linker contents, the porosity was nearly the same as for the fully cross linked PBI. The mesoporous PBI could be loaded with crystalline phosphoric acid to yield highly proton conductive materials. It was shown that the material retains its nanostructure when loaded with phosphoric acid even after annealing at 180_C for 12 h. The conductivity of the nanostructured samples was one to two orders of magnitude higher than the conductivity of a nonstructured sample. The impact of the cross linking density on the conductivity was also investigated. The second part of the work describes the synthesis and characterisation of microporous poly(amide)s and poly(imide)s. 9,9'-spirobifluorene derivatives were used to introduce a rigid, structure-directing motif which prevents the polymer chains from close packing. Firstly, the synthesis of soluble poly(amide)s and poly(imide) is described. It was observed that the microporosity is strongly dependent on the processing of the soluble polymers. In the case when polymers were precipitated from solvents of high polarity no microporosity was observed, while polymers prone to solvation in solvents of lower polarity exhibited microporosity as observed in nitrogen sorption measurements. Wide angle x-ray scattering (WAXS) showed that the microstructure was indeed dependent on the processing conditions. SAXS measurements of the polymers revealed that nitrogen sorption alone is not sufficient for the analysis of the porosity. A significant mismatch between the results obtained by the two methods indicated that only a fraction of the pore volume of the polymers was accessible for nitrogen molecules. The second part of the chapter describes the synthesis, characterisation and application of spirobifluorene based, cross linked poly(amide)s and poly(imide)s. The poly(amide) networks did not show any microporosity when analysed by nitrogen sorption. This led to the conclusion that the amide bond is too weak to withstand the interfacial forces. In contrast, poly(imide) networks exhibited pronounced microporosity with surface areas of around 1000 m2/g. The analysis of these networks was again done by nitrogen sorption and SAXS. Furthermore, molecular modelling was used to calculate the true and apparent densities of the networks. In case of the poly(imide) networks, the results of the various measurement techniques were in reasonable agreement. This indicates that the pore volume was nearly completely accessible. Finally it was established that the structure directing motif is necessary to obtain microporous polymers, as a poly(imide) prepared from a spatially undefined monomer did not feature microporosity. Pressure dependent SAXS measurements showed that the polymer networks undergo significant elastic deformations upon evacuation. This behavior complicates the analysis of the nitrogen sorption data, making it impossible to extract reliable pore size distributions. The third and last part of the thesis deals with the development of a new reaction medium for the synthesis of poly(benzimidazole). An eutectic salt melt, composed of lithium chloride and potassium chloride was used in an ionothermal synthesis of linear PBI, opening a green chemistry route towards PBI. The influence of the reaction conditions on the properties of the resulting polymers was investigated. The new reaction medium allowed furthermore the synthesis of linear and cross linked spirobifluorene based PBIs. This is not easily possible by using the classical synthetic pathways towards PBI. The spirobifluorene based PBIs synthesized in this work did, however not feature intrinsic microporosity.

In dieser Arbeit werden zwei Schwerpunkte behandelt. Zum Einen soll der Einsatz nanoskaliger Materialien als Funktionskomponenten in Elektrolumineszenzbauteilen beschrieben werden. Dabei wird in einem ersten Aufbau ein transparenter Nanokompositfilm als emittierende Schicht in einem, den organischen Leuchtdioden, analogen Aufbau eingesetzt, während in einer zweiten Struktur eine transparente Elektrode, die auf nanoskaligen Kohlenstoffmaterialien (Kohlenstoffnanoröhren bzw. Graphenen) basiert, hinsichtlich ihrer Eignung als Alternative zu etablierten transparenten Elektroden untersucht werden soll. In weiterführenden Arbeiten werden die Erfahrungen aus der Graphensynthese auf die Generierung poröser, funktionalisierter Kohlenstoffmaterialien angewendet. Verbindend, wird die Röntgenkleinwinkelstreuung eingesetzt, um in vergleichenden Untersuchungen möglichst detailierte Informationen über die jeweiligen Systeme zu erhalten.

In dieser Arbeit werden zwei Schwerpunkte behandelt. Zum Einen soll der Einsatz nanoskaliger Materialien als Funktionskomponenten in Elektrolumineszenzbauteilen beschrieben werden. Dabei wird in einem ersten Aufbau ein transparenter Nanokompositfilm als emittierende Schicht in einem, den organischen Leuchtdioden, analogen Aufbau eingesetzt, während in einer zweiten Struktur eine transparente Elektrode, die auf nanoskaligen Kohlenstoffmaterialien (Kohlenstoffnanoröhren bzw. Graphenen) basiert, hinsichtlich ihrer Eignung als Alternative zu etablierten transparenten Elektroden untersucht werden soll. In weiterführenden Arbeiten werden die Erfahrungen aus der Graphensynthese auf die Generierung poröser, funktionalisierter Kohlenstoffmaterialien angewendet. Verbindend, wird die Röntgenkleinwinkelstreuung eingesetzt, um in vergleichenden Untersuchungen möglichst detailierte Informationen über die jeweiligen Systeme zu erhalten.

Perlcellulose stellt ein interessantes Material für den Einsatz in der wässrigen Größenausschlusschromatgraphie (SEC) dar. Sie ist aufgrund ihrer guten Modifizierbarkeit zudem ein perfektes Ausgangsmaterial für Protein-Aggregationsuntersuchungen. Ein Protein von besonderem praktischem Interesse ist Insulin. Dessen Fehlfaltung und Aggregation verursacht eine Reihe von schwerwiegenden Problemen (z.B. in Drug-Delivery-Systemen). Hierbei erfolgt eine Umwandlung von alpha-Helix- in beta-Faltblatt-Strukturen wobei sich unlösliche Fibrillen bilden. Deren Rückfaltung mit Hilfe fluorierter Alkohole sowie mit fluorierten Nanopartikeln wurde in der Literatur beschrieben. Der Ansatzpunkt dieser Arbeit war es zu untersuchen, ob Fluor auf Oberflächen mit hohem Anteil von Hydroxygruppen eine Rückfaltung von Proteinen wie Insulin bewirken kann. Das Ziel war es, schaltbare stationäre Phasen zu erhalten, mit denen sowohl eine Rückfaltung als auch die Trennung von Proteinen durchgeführt werden können. Zunächst erfolgte die Charakterisierung geeigneter Perlcellulosen, wobei erstmals eine Kombination der „klassischen“ Porosimetrie (Hg-Intrusion, N2-Sorption) mit SAXS und Inverser SEC zur Untersuchung der Porenstruktur von Cellulose angewandt wurde. Es konnte die reversible Schrumpfung der Poren während der Trockungsprozesse beschrieben werden. Die Immobilisierung von Fluor auf der Oberfläche von Cellulosepartikeln erfolgte u.a. durch Pfropfung von fluorierten Acrylaten mittels Cer(IV)-Redoxinitiierung. Es gelang eine homopolymerfreie Pfropfung, wobei es zu keiner Veränderung der Porenstruktur kam. Die Kontrolle der Proteinadsorption auf der modifizierten Oberfläche mittels chemischer Stimuli konnte beschrieben werden. Aggregationsuntersuchungen mittels SEC, DLS und SAXS ergaben, dass fluormodifizierte Perlcellulose keine Verzögerung der Insulinaggregation bewirkt. Jedoch zeigte sich, dass unmodifizierte Perlcellulose eine signifikante Verzögerung der Aggregation bewirken kann. / Porous bead cellulose is an interesting material for the application in aqueous size exclusion chromatography (SEC). Its good modifiability makes it furthermore to a perfect starting material for protein aggregation studies. A protein with huge practical importance is insulin. Misfolding and aggregation of insulin creates serious problems e.g. in drug delivery systems. Thereby it undergoes a change from alpha-helix to beta-sheet structure and forms insoluble fibrils. A back-folding with (toxic) fluorinated alcohols and fluorinated nanoparticles was already shown in literature. The approach for this work was that fluorine (CF3-) on a surface with high hydroxyl-content can induce the back folding of proteins like insulin. The purpose was to get stationary phases that can induce back folding and separation of proteins on a single column. At first a characterization of suitable cellulose beads with focus on different porosimetry methods was done. For the first time a combination of “classical” porosimetry methods (Hg-Intrusion; N2-Sorption) with SAXS and inverse SEC was applied for porous cellulose particles. A reversible shrinking of pores during drying process was shown. Immobilization of fluorine on the surface of cellulose beads was done by grafting of fluorinated acrylates via cer(IV)-redox-initiation and by polymer analogous reaction with fluorinated iodo alkanes. Homopolymer free graft-copolymerization was achieved, whereas no effect on pore structure was observed. The control of protein adsorption on surface by chemical stimuli was shown. Aggregation studies using SEC, DLS and SAXS showed that fluoro-modified cellulose beads do not delay insulin-aggregation due to strong adsorption effects. Though a significant aggregation delay for insulin with unmodified cellulose beads was discovered.

The techniques of small-angle x-ray scattering (SAXS) and grazing-incidence small-angle x-ray scattering (GISAXS) have successfully been used for many years in the analysis of nanostructures in non-crystalline samples, e.g., polymers, metallic alloys, ceramics, and glasses. In many specimens, however, the nanostructure is not distributed homogeneously, but instead varies as a function of position in the sample. Conventional SAXS or GISAXS measurements on such heterogeneous samples merely yield an averaged scattering pattern of all the different structures present along the x-ray beam path. In this thesis, scanning tomography is combined with SAXS and GISAXS, revealing the individual local scattering cross section at each position on a virtual section through the sample. The technique thereby offers unique analytical possibilities in heterogeneous specimens. A brief review of the physics of x rays and x-ray scattering is given, before the methods of tomographic SAXS and GISAXS are introduced. Experimental requirements and limitations of both methods are discussed, including aspects of sampling, local rotational invariance and x-ray beam coherence. Experiments performed at the beamline BW4 at HASYLAB at DESY, Hamburg, Germany are described, illustrating the capabilities of the method. Finally, an outlook on possible future developments in tomographic small-angle x-ray scattering is given. / Die Methoden der Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) und Röntgenkleinwinkelstreuung unter streifendem Einfall (GISAXS) werden seit vielen Jahren erfolgreich eingesetzt zur Analyse von Nanostrukturen in nicht-kristallinen Proben, z.B. Polymeren, metallischen Legierungen, Keramiken und Gläsern. In vielen Proben ist die Nanostruktur allerdings nicht homogen verteilt, sondern variiert als Funktion des Ortes in der Probe. Konventionelle SAXS- oder GISAXS-Messungen an solch heterogenen Proben liefern lediglich ein über alle unterschiedlichen Strukturen entlang des Röntgenstrahls gemitteltes Streubild. In dieser Arbeit wird Rastertomographie mit SAXS und GISAXS kombiniert und so der lokale Streuquerschnitt an jedem Ort auf einem virtuellen Schnitt durch die Probe gewonnen. Diese Technik bietet so einzigartige Analysemöglichkeiten von heterogenen Proben. Es wird zunächst ein kurzer Überblick über die Physik der Röntgenstrahlung und Röntgenstreuung gegeben, bevor die Methoden der SAXS- und GISAXS-Tomographie eingeführt werden. Die experimentellen Anforderungen und Grenzen beider Methoden werden besprochen, wobei Aspekte der Abtastung, der lokalen Rotationsinvarianz und der Kohärenz im Röntgenstrahl eine Rolle spielen. Experimente, die an der Messstrecke BW4 am HASYLAB bei DESY, Hamburg, durchgeführt wurden, werden beschrieben, um die Möglichkeiten der Methode zu illustrieren. Schließlich wird ein Ausblick auf mögliche zukünftige Entwicklungen der Kleinwinkelstreutomographie gegeben.

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The techniques of small-angle x-ray scattering (SAXS) and grazing-incidence small-angle x-ray scattering (GISAXS) have successfully been used for many years in the analysis of nanostructures in non-crystalline samples, e.g., polymers, metallic alloys, ceramics, and glasses. In many specimens, however, the nanostructure is not distributed homogeneously, but instead varies as a function of position in the sample. Conventional SAXS or GISAXS measurements on such heterogeneous samples merely yield an averaged scattering pattern of all the different structures present along the x-ray beam path. In this thesis, scanning tomography is combined with SAXS and GISAXS, revealing the individual local scattering cross section at each position on a virtual section through the sample. The technique thereby offers unique analytical possibilities in heterogeneous specimens. A brief review of the physics of x rays and x-ray scattering is given, before the methods of tomographic SAXS and GISAXS are introduced. Experimental requirements and limitations of both methods are discussed, including aspects of sampling, local rotational invariance and x-ray beam coherence. Experiments performed at the beamline BW4 at HASYLAB at DESY, Hamburg, Germany are described, illustrating the capabilities of the method. Finally, an outlook on possible future developments in tomographic small-angle x-ray scattering is given. / Die Methoden der Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) und Röntgenkleinwinkelstreuung unter streifendem Einfall (GISAXS) werden seit vielen Jahren erfolgreich eingesetzt zur Analyse von Nanostrukturen in nicht-kristallinen Proben, z.B. Polymeren, metallischen Legierungen, Keramiken und Gläsern. In vielen Proben ist die Nanostruktur allerdings nicht homogen verteilt, sondern variiert als Funktion des Ortes in der Probe. Konventionelle SAXS- oder GISAXS-Messungen an solch heterogenen Proben liefern lediglich ein über alle unterschiedlichen Strukturen entlang des Röntgenstrahls gemitteltes Streubild. In dieser Arbeit wird Rastertomographie mit SAXS und GISAXS kombiniert und so der lokale Streuquerschnitt an jedem Ort auf einem virtuellen Schnitt durch die Probe gewonnen. Diese Technik bietet so einzigartige Analysemöglichkeiten von heterogenen Proben. Es wird zunächst ein kurzer Überblick über die Physik der Röntgenstrahlung und Röntgenstreuung gegeben, bevor die Methoden der SAXS- und GISAXS-Tomographie eingeführt werden. Die experimentellen Anforderungen und Grenzen beider Methoden werden besprochen, wobei Aspekte der Abtastung, der lokalen Rotationsinvarianz und der Kohärenz im Röntgenstrahl eine Rolle spielen. Experimente, die an der Messstrecke BW4 am HASYLAB bei DESY, Hamburg, durchgeführt wurden, werden beschrieben, um die Möglichkeiten der Methode zu illustrieren. Schließlich wird ein Ausblick auf mögliche zukünftige Entwicklungen der Kleinwinkelstreutomographie gegeben.

Aus den frühen Bindungsstudien des globalen Regulators AbrB mit der ausgedehnten phyC-Promotorregion von Bacillus amyloliquefaciens FZB45 konnte ein mehrstufiger kooperativer Bindungsprozess abgeleitet werden. Dabei verlangt die AbrB-vermittelte Repression von phyC nach Integrität zweier großer Bindungsstellen, ABS1 und ABS2, die 162 bp voneinander entfernt liegen. In der vorliegenden Arbeit wurden die ersten Echtzeitkinetiken zur DNA-AbrB-Interaktion mittels der Oberflächenplasmonresonanz (SPR) gemessen und analysiert. AbrB zeigte hohe Affinitäten zu den 40 bp langen Oligonukleotiden, die den beiden Bindungsstellen entstammen. Dabei verursachten alle Oligonukleotide der ABS2 und nur eine kurze Region innerhalb der ABS1 bei der Bindung von AbrB Konformationsänderungen im Protein und in der DNA (CD - Zirkulardichroismusspektroskopie) und wiesen eine Kooperativität von 2 / In previous binding studies it could be demonstrated that a global regulator AbrB and the extensive phyC promoter region of Bacillus amyloliquefaciens FZB45 interact in a complex manner. AbrB binding is a multistep cooperative process. The integrity of both binding sites, ABS1 and ABS2, which are separated by 162 bp, is crucial for the AbrB-mediated repression of phyC. This work presents the first real-time binding kinetics of the AbrB-DNA interaction using surface plasmon resonance (SPR). AbrB exhibited high affinities to all analyzed 40-bp oligonucleotides that were derived from the ABSs of phyC. All parts of the ABS2, but only a small region within ABS1, were bound cooperatively to AbrB with a stoichiometry of 2 DNA to 1 AbrB tetramer and with 2