Die glasartige Dynamik in nanoskaligen Polymergeometrien ist ein hochaktuelles Forschungsgebiet, dessen Komplexität durch zahlreiche kontroverse Ergebnisse in der Fachliteratur unterstrichen wird. Die vorliegende Dissertation liefert zu dieser Thematik einen fundierten experimentellen Beitrag, indem erstmals an identisch präparierten Polymerfilmen mittels Kombination unterschiedlicher Analysemethoden (Ellipsometrie, Breitband Dielektrischer Spektroskopie, Röntgenreflektometrie) die Glasübergangstemperatur (Tg) in begrenzter Geometrie dünner Filme bestimmt wurde. Folgende Aspekte, die zum Verständnis der glasartigen Dynamik in dünnen Filmen dienen, werden in dieser Arbeit aufgegriffen: I) Welchen Einfluss haben attraktive, repulsive Grenzflächenwechselwirkungen zwischen Polymer und Substrat; II) Welche Rolle spielt die Polymerarchitektur (linear, verzweigt, hochverzweigt); III) Zeigen unterschiedliche Analysemethoden vergleichbare Ergebnisse und IV) In welcher Weise beeinflussen präparative und experimentelle Faktoren den Glasübergang in dünnen Filmen.

Self-folding polymer films were only recently proposed as an alternative method for the design of three-dimensional constructs. Due to the relative novelty of the approach, insufficient amount of data on the behavior of such systems is available in the literature. This study is bound to fill the gaps and give a deeper insight into the understanding of how and why different types of folding occur. In this study, four different types of folding of polymer bilayers are presented. Rectangles are one of the simplest geometrical forms and were therefore adopted as a convenient initial system for the investigation of the folding behavior of polymer bilayers. We chose PNIPAM for the active polymer, as it is a well-studied polymer with sharp Lower Critical Transition Temperature at around 33 C. For the passive layer, poly(methyl methacrylate) and poly(caprolactone) were chosen. The influence of different parameters of the system, such as polymer thickness and temperature was thoroughly investigated in order to be accounted for in later experiments. It was demonstrated that bilayers placed on a substrate start to roll from the corners due to quicker diffusion of water. Rolling from the long-side starts later but dominates at high aspect ratio. We showed that the main reasons causing a variety of rolling scenarios are (i) non-homogenous swelling due to slow diffusion of water in hydrogels and (ii) adhesion of polymer to a substrate until a certain threshold. Moreover, non-homogenous swelling determines folding in the first moments, while adhesion plays a decisive role at later stages of folding. After having understood the abovementioned basics, we decided to explore how those applied to more complex shapes. For the purpose, four- and six-arm stars were chosen, the main idea behind this being the creation of self-folding polymer capsules capable of encapsulation of microparticles and cells. Adjusting the polymer thickness and thus the radius of folding allowed creating structures, capable of reversible self-folding and unfolding. The possibility to reversibly encapsulate and release objects in the micro-range was demonstrated on the example of yeast cells. Noteworthy, the capsules were produced by means of the same process we used for the design of tubes – when compared to the folding of rectangles, it was the shape of the initial pattern and the folding radius that were changed; the mechanism was the same – simple one-step folding towards the center of the bilayer. Clearly the number of structures that can be generated by this method is fairly limited. The search for means to overcome this constraint led to the idea of hierarchical multi-step folding. Due to the edge-activation of the bilayers, the observed deformed shapes differ from the classical ones obtained by homogeneous activation. It was found that films could demonstrate several kinds of actuation behavior such as wrinkling, bending and folding that result in a variety of shapes. It was demonstrated that one can introduce hinges into the folded structure by proper design of the bilayer's external shape through diffusion without having to use site selective deposition of active polymers. Experimental observations led us to derive four empirical rules: 1) “Bilayer polymer films placed on a substrate start to fold from their periphery and the number of formed wrinkles/tubes decreases until the angle between adjacent wrinkles/tubes approaches 130°”; 2) “After the wrinkles along the perimeter of the film form tubes, further folding proceeds along the lines connecting the vertexes of the folded film”; 3) “The folding goes along the lines which are closer to the periphery of the films”; 4) „Folding of the rays may result in blocking of the neighboring rays if the angle between the base of the folded ray and the shoulders of the neighboring rays is close to 180°”. These rules were then applied to direct the folding of edge-activated polymer bilayers through a concrete example - the design of a 3D pyramid. One consequence of the second and third rules is that generally triangles are formed during the multi-step folding process. In order to create a cube, or any other 3D structure with non-triangular sides, an effective way to stop the folding along the lines, connecting neighboring vertexes had to be thought of. A possible solution would be the insertion of a rigid element inside the bilayer, perpendicular to the direction of folding. The solution of this problem was to design structures with pores. A pore would normally decrease the rigidity of a structure but in our case, a pore basically comprised an edge inside the structure and could thus form tubes which, as was already shown, exhibit much higher rigidity than a film. On the other hand, a pore, or many pores, would expose different parts of the active layer to the solvent and would strongly influence its swelling and, as a consequence, folding behavior. Hence, the influence of a pore on the swelling and the folding behavior of polymer bilayers had to be investigated. It was shown that pores of the right form and dimensions did indeed hinder the folding as intended. Instead, the polymer films took other ways to fold. As a result, despite the correctness of our reasoning, we failed to produce a cube by hierarchical folding of polymer bilayers. However, other sophisticated 3D objects were obtained, further increasing the arsenal of available structures, as well as giving an in-depth insight on the folding process.

1 Ziel und Gegenstand der Untersuchungen Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die Synthese und Charakterisierung von polaren Olefin-basierten Makromonomeren mit Hilfe von Metallocen-Katalysatoren. Polyolefine stellen eine Gruppe von Polymeren dar, die durch Additive oder chemische Veränderungen modifiziert, eine große Vielfalt von Einsatzmöglichkeiten auf der Basis einfach aufgebauter Monomere bieten. Sie stellen deshalb heutzutage die wichtigste Kunststoffgruppe dar. Ein Nachteil ist jedoch die unpolare Struktur dieser Polymere. Ziel dieser Arbeit war die Homopolymerisation polarer Olefine, um ein funktionalisiertes Polyolefin zu erzeugen, dass zudem auch als Makromonomer einsetzbar ist. Als Katalysatoren wurden im Wesentlichen die klassischen Metallocene auf Zr-Basis eingesetzt, aktiviert mit MAO. Die Makromonomere wurden im Anschluss an die Synthese umfassend charakterisiert. 2 Ergebnisse Zur Synthese wurde das bekannte 10-Undecen-1-ol (Undecenol) eingesetzt. Für eine erfolgreiche Homopolymerisation dieses Monomers ist eine effektive Abschirmung des Katalysators gegenüber der polaren Gruppe zur Minimierung der Deaktivierung des Katalysators zu gewährleisten. Für die Einführung von Schutzgruppen fand Triisobutylaluminium (TIBA) Verwendung. Auf diese Weise konnte erstmalig erfolgreich die Synthese von Polyundecenol mit Metallocen-Katalysatoren durchgeführt werden. Es zeigte sich, dass Undecenol als polares und zugleich sterisch anspruchsvolles Monomer mit der überwiegenden Anzahl der eingesetzten Metallocene schwierig zu polymerisieren ist, was im Vergleich zur Polymerisation von kurzkettigen 1 Olefinen, wie zum Beispiel Propen, anhand von geringen Molmassen (< 2000 g/mol) aber auch geringen Ausbeuten zum Ausdruck kommt. Die erzielten Molmassen der Polyundecenole sind jedoch für die Verwendung als Makromonomer vorteilhaft. Die höchsten Polymerausbeuten ermöglichte der Einsatz von ansa-Metallocenen. Mit dem Katalysator Et[Ind]2ZrCl2 konnten hierbei relative Ausbeuten im Bereich von 50 % bis 60 % bei gleichzeitig geeigneten Molmassen von < 10^4 g/mol erzielt werden. Bei der Verwendung von unverbrückten Metallocenen (bis-Cyclopentadienylkomplexe) sind die Ausbeuten und Molmassen im Vergleich zu den ansa-Metallocenen deutlich reduziert. Die synthetisierten Polyundecenole wurden hinsichtlich ihres Schmelz- und Kristallisationsverhaltens sowie der kristallinen Struktur untersucht und der Zusammenhang mit der Taktizität und der Molmasse der Polymere hergestellt. Die Ergebnisse der DSC und WAXS Untersuchungen lassen darauf schließen, dass für ataktische und isotaktische Polyundecenole eine Seitenkettenkristallisation als primäre Form der Kristallisation vorliegt. Aufgrund des hohen Gehalts von Hydroxylgruppen, die durch Wasserstoffbrückenbindungen wechselwirken, weist Polyundecenol hohe Schmelztemperaturen auf, im Vergleich mit dem unpolaren Poly(1-Undecen). So besitzt isotaktisches und auch ataktisches Polyundecenol bei vergleichbaren Molmassen eine um rund 80 K höhere Schmelztemperatur als Poly(1-Undecen). Die Wechselwirkung der Hydroxylgruppen wurde mittels FTIR-Spektroskopie nachgewiesen und liegt auch im geschmolzenen Zustand der Polymere vor. Anhand der Ergebnisse von WAXS-Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass Polyundecenol in smektischen Schichten kristallisiert. Der Abstand zwischen den Hauptketten entspricht etwa zwei vollständig gestreckten Seitenketten des Polymers, welche orthogonal zur Hauptkette angeordnet sind. Diese Schicht-Anordnung wurde unabhängig von Molmasse und Taktizität der Polymere nachgewiesen und lässt die Schlussfolgerung zu, dass die Kristallisation isotaktischer Rückgrat-Ketten gegenüber der Seitenketten-Kristallisation unterdrückt ist. Es wurde jedoch beobachtet, dass die Taktizität einen Einfluss auf die Kristallisation hat. Polyundecenole mit isotaktischer Hauptkette weisen bei entsprechend langsamer Kristallisation eine Anordnung der Seitenketten in einer monoklinen Packung auf, was als Hinweis auf eine Kristallisation der Hauptkette interpretiert wird, auch wenn diese im Rahmen der Arbeit nicht eindeutig nachgewiesen werden konnte. Bei Polyundecenolen mit ataktischer Hauptkette ordnen sich die Seitenketten hingegen in einer hexagonalen Packung an, da die Hauptkette nicht in der Lage ist zu kristallisieren. Von besonderer Bedeutung für die Synthese der Polyundecenole waren einerseits die erzielbaren Polymerausbeuten, andererseits aber auch die Einführung geeigneter Endgruppen, welche ausschlaggebend sind für eine Nutzung als Makromonomer. Die Untersuchungen zum Polymerisationsverhalten verschiedener Metallocen-Katalysatoren zeigten, dass im Falle von ansa-Metallocenen sowie einem "CGC"-Komplex Polymere erhalten werden, die vor allem Endgruppen mit internen Doppelbindungen, doppelt- und dreifachsubstituiert, aufweisen. Solche Endgruppen sind jedoch für einen späteren Einsatz der Polymere als Makromonomer ungeeignet. Der Einsatz von unverbrückten Metallocen-Katalysatoren auf Basis der Biscyclopentadienyl-Struktur ermöglicht hingegen die Synthese von Polyundecenol mit einem hohen Anteil endständiger Vinyliden-Endgruppen zu synthetisieren. Die so erreichten Vinyliden-Endgruppenanteile bewegten sich nahezu unabhängig vom Katalysator im Bereich von etwa 85 % bis 90 %. Ein wesentliches Ergebnis der Arbeit stellt die Synthese von Polyundecenol mit Allyl-Endgruppen dar. Dieses wurde durch gezielte Kettenabbruchreaktionen mit Hilfe von Vinylchlorid erreicht. Bei Einsatz des Katalysator MBI konnten Anteile der favorisierten Allyl-Endgruppe von rund 90 % erreicht werden. Somit wurden auf diesem Wege erstmalig erfolgreich Polyundecenol-Makromonomere synthetisiert. Ein Einsatz dieser Polymere in der Copolymerisation mit Propen wurde aber durch geringe Ausbeuten verhindert. Jedoch konnte gezeigt werden, dass der Einsatz von Vinylchlorid die Synthese von Polyundecenol-Makromonomeren ermöglicht.

Das corneale Endothel bildet die innere, einschichtige Zelllage der Cornea und ist für die Aufrechterhaltung der cornealen Transparenz zuständig. Krankheiten oder Verletzungen des cornealen Endothels können zu schweren Beeinträchtigungen des Sehvermögens führen und eine corneale Transplantation erforderlich machen. Der während und nach der Operation auftretende endotheliale Zellverlust erschwert das Überleben des Transplantates. Darum besteht ein Hauptziel des cornealen Tissue Engineerings in der Bereitstellung von transplantierbaren humanen cornealen Endothelzellsheets (HCEC-Sheets) mit einer adäquaten Zelldichte. Thermo-responsive Zellkulturträger fanden für die schonende, enzymfreie Gewinnung von Zellsheets für verschiedene Gewebetypen bereits Verwendung. HCEC stellen in diesem Kontext einen besonderen Fall dar, da sie eine starke Adhäsion zu ihrem Kultursubstrat ausbilden, was deren schonende, thermisch induzierte Ablösung als funktionelles Zellsheet erschwert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuartiger thermo-responsiver Zellkulturträger entwickelt. Dieser basiert auf dem durch Elektronenbestrahlung immobilisierten und vernetzten thermo-responsiven Polymer Poly(vinylmethylether) (PVME) sowie dem alternierenden Co-Polymer Poly(vinylmethylehter-alt-maleinsäureanhydrid) (PVMEMA) als biofunktionalisierbare Komponente. Die Kombination dieser Polymere führte zur Etablierung eines thermo-responsiven Zellkulturträgers, dessen physikochemische und biomolekulare Eigenschaften in weiten Grenzen einstellbar und dadurch an die spezifischen Anforderungen von HCEC anpassbar waren. Das PVME-PVMEMA-Blend ermöglichte die Bildung konfluenter HCEC-Monolayer mit den morphologischen Grundlagen für ein funktionelles corneales Endothelgewebe. Durch Inkorporation von Poly(N-isopropylacrylamid) (PNiPAAm) als weitere thermo-responsive Polymerkomponente konnte das Ablösungsverhalten funktioneller HCEC-Sheets weiter verbessert werden. In einem weiteren Schritt erfolgte der Transfer abgelöster HCEC-Sheets auf ein planares, biofunktionalisiertes Kultursubstrat sowie auf endothelfreie porcine Corneae. Die HCEC-Sheets wurden auch nach dem Transfer umfassend biologisch analysiert. Diese Arbeit legt einen Grundstein für die Bereitstellung klinisch anwendbarer Alternativen für das Tissue Engineering von cornealem Gewebe.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung bisensitiver Hydrogelsysteme für die Realisierung hoch leistungsfähiger chemischer Transistoren in der Mikrofluidik. Dabei wurden unterschiedliche (semi)interpenetrierende Polymernetzwerke auf Basis von N Isopropylacrylamid und Acrylsäure hergestellt und ihre Quelleigenschaften und mechanischen Stabilität bei unterschiedlichen Stimuli untersucht. Hierfür wurde die TANAKA-Kinetik modifiziert, um sie auf Proben unterschiedlicher Aspektverhältnisse anpassen zu können. Es zeigte sich der wechselseitige Einfluss der Teilnetzwerke auf die Quellgeschwindigkeit und Stabilität der (semi)interpenetrierende Polymernetzwerke. Durch eine Optimierung der Synthese konnten die Volumenänderungen der sensitiven Hydrogele gesteigert werden.

The depletion of fossil fuels and the need to deal with climate change lead to an increasing interest in renewable resources. Lignocellulosic biomass in general, and agricultural residues in particular, could serve as an excellent starting material for the production of cellulose, basic chemicals, lignin and bioethanol in a biorefinery framework as they are abundant, do not compete with food production and are distributed worldwide. Two factors considerably influence the composition and properties of biorefinery products: biomass feedstock and pretreatment process. Their influence on the separability of raw material into a carbohydrate and lignin fraction as well as the composition and properties of these products are objectives of this study. Hereby, the focus is on lignin, as its structure is particularly dependent on the aforementioned factors complicating its further utilisation. Different agricultural biomass namely barley straw, coconut shell powder, hemp shives, horse manure, maize straw, miscanthus, oat husk, pretreated alfalfa, rape straw, sunflower stalks, tomato stalks and wheat straw were investigated regarding their suitability for lignocellulose separation using alkaline soda pulping. Best separation into a carbohydrate and lignin fraction was achieved for pretreated alfalfa, miscanthus, wheat and barley straw. The purity of the obtained lignin fractions varied in the wide range of 57% klason-lignin content for sunflower stalks and 81% for pretreated alfalfa prior to further purification by dialysis. Lignin fractions were characterised by means of FTIR spectroscopy, elementary analysis, thioacidolysis, size-exclusion-chromatography, thermodesorption, differential scanning calorimetry and different wet chemical methods for determination of functional groups. Lignins could be classified into groups, within which they show similar characteristics: (A) horse manure, rape straw, (B) sunflower stalks, tomato stalks, (C) barley-, maize- and wheat straw and (D) hemp shives, miscanthus. In addition, promising lignin candidates were found for several applications. Thus, by screening different agricultural residues, it is possible to choose a specific raw material, in order to produce lignin with desired properties and functionalities. The effect of the pretreatment process was studied based on wheat straw. It was subjected to conventional alkaline pulping, microwave-assisted alkaline pulping and organosolv pulping using formic acid and hydrogen peroxide. Pulping parameters were varied in order to attain best possible separation into a carbohydrate and lignin fraction. Of the varied parameters the concentration of both sodium hydroxide and formic acid has the highest impact on yield and purity of the products for alkaline and organosolv pulping, respectively. It additionally influences the content of functional groups of the lignin fraction and is hence, an important parameter for lignin customisation for subsequent utilisation. Furthermore, the possibility of reducing pulping time by using microwave-assisted pulping instead of conventional alkaline pulping is promising, as the obtained carbohydrate fraction has a low intrinsic viscosity, which may enhance enzymatic hydrolysis.

Surface engineering of tailored materials with adjustable characteristics in relation to biological environment, is one of the main prerequisites for biotechnological applications. In recent years, advanced surface coatings in the nanometer range have drawn big attention. A special category of this group are stimuli responsive polymers tethered by one functional end to the surface. When the surface grafting density is big enough, the polymer chains are forced to stretch away from the interface due to excluded volume effects, creating a so called polymer brush. Nano-scaled polymer brushes are advantageous due to their nanostructure, which can be comparable to biological species, and their collaborative response to external stimuli. Moreover, the material design parameters such as chemistry, surface topography, charge, and surface wettability can be adjusted by using the appropriate polymer, or a combination of polymers with respect to the desired material performance. In case of binary polymer brushes, the materials' properties are switched between the properties of two constituent polymers. Besides, upon switching of external stimuli, biomodified binary polymer brushes can hide or expose biofunctionalities, on demand. Hence, they are classified as smart biomaterials' surface coatings.

Neue nanoporöse Materialien mit niedrigen Dielektrizitätskonstanten werden in der Mikroelektronik dringend benötigt. Eine Methode, die Dielektrizitätskonstante eines gegebenen Materials weiter zu reduzieren, ist die Einführung von geschlossenen und luftgefüllten Poren im Nanometerbereich. Die Porosität wird durch die Verwendung eines Zweikomponentensystems bestehend aus einer stabilen Matrix und einem labilen Porenbildner eingeführt; aus diesen wird ein Blend hergestellt, und durch anschließende Zersetzung des Porenbildners entsteht ein poröses Matrixpolymer mit stabilen Aushöhlungen. Im Vordergrund dieser Arbeit stand die Synthese und Charakterisierung hochverzweigter Polyphenylene über die Diels-Alder-Reaktion von phenylierten Cyclopentadienonen mit phenylierten Alkinen zur Verwendung als Matrixmaterialien in nanoporösen Isolatorsystemen. Dabei wurde sowohl von A2- und B3-Monomeren als auch von AB2- und AB-Monomeren ausgegangen. Die hochverzweigten Polyphenylene sind vielversprechende Materialien mit hervorragenden isolierenden und chemischen Eigenschaften wie hohen thermischen Stabilitäten und guten Löslichkeiten in organischen Lösungsmitteln, was eine wichtige Voraussetzung für die Verwendung der Polymere in der Mikroelektronik darstellt. Die verschiedenen Syntheseansätze erlauben dabei eine Kontrolle über die Endgruppen und die Verzweigung. Daneben wurden thermolabile hochverzweigte Polycarbonate und Polytriazenester als Porenbildner synthetisiert und mit Silylether-Endgruppen modifiziert, wobei mit der tert-Butyldiphenylsilyl-Gruppe die besten Ergebnisse bezüglich der Mischbarkeit mit der Polyphenylenmatrix erhalten wurden. Außerdem wurden Blends in Form von dünnen Schichten aus den hochverzweigten Polyphenylenen mit den Porenbildnern im Hinblick auf die potentielle Anwendung der Materialien als nanoporöse Isolatoren charakterisiert.

Poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT, belongs to the group of conducting polymers and is characterized by its high stability, a moderate band gap and its optical transparency in the conductive state. A large disadvantage of conducting polymers, and also PEDOT, is their poor solubility. One way to achieve processible materials is the synthesis of colloidal particles. Thus, this work focuses on the development of conductive particles by preparing composite structures. Polymeric colloids like latex particles and microgels were used as templates for the oxidative polymerization of EDOT. Depending on template structure completely different composite morphologies with variable properties were obtained. It was found that modification with PEDOT did not only cause conductive particles for application as humidity sensor materials, but also candidates for further functionalization with gold nanoparticles (Au-NPs). Due to a multi-stage synthesis route it was possible to achieve polystyrene(core)-PEDOT(shell)-particles decored with Au-NPs. Microgels acting as “micro reactors” for the incorporation of PEDOT and Au-NPs were also used for preparing multifunctional composites for catalytic applications. / Poly(3,4-ethylendioxythiophen), PEDOT, gehört zur Gruppe der leitfähigen Polymere und zeichnet sich durch seine hohe Stabilität, eine moderate Bandlücke und seine optische Transparenz im dotierten Zustand aus. Ein Nachteil leitfähiger Polymere, wie auch von PEDOT, ist deren schlechte Löslichkeit. Die Synthese kolloidaler Partikel bietet jedoch eine Möglichkeit dieses Problem zu umgehen. In diesem Zusammenhang richtete sich der Fokus dieser Arbeit auf die Darstellung leitfähiger Partikel in Form von Kompositstrukturen. Polymerkolloide, wie Latex- und Mikrogelpartikel, sind als Template eingesetzt worden, in deren Gegenwart PEDOT durch eine oxidative Polymerisation synthetisiert wurde. In Abhängigkeit von der Struktur des Templats sind unterschiedliche Kompositmorphologien mit steuerbaren Eigenschaften erhalten worden. Auf diese Weise wurden neben Materialien für die Feuchtigkeitssensorik leitfähige Kompositpartikel hergestellt, die zusätzlich mit Gold-Nanopartikeln (Au-NP) funktionalisiert werden konnten. Durch ein mehrstufiges Syntheseverfahren sind somit Polystyrol(Kern)-PEDOT(Schale)-Partikel mit Au-NP-funktionalisierter Oberfläche synthetisiert worden. Mikrogelpartikel, die als „Mikroreaktoren“ für die Inkorporation von PEDOT- und Au-NP dienten, wurden ebenfalls eingesetzt, um multifunktionale Komposite mit katalytischen Eigenschaften herzustellen.

In der vorliegenden Dissertation wurden mittels kontrolliert radikalischer Polymerisationstechniken alkinhaltige Blockcopolymere synthetisiert. In effizienten Cu(I)-katalyisierten 1,3-dipolaren Cycloadditionen (Click-Chemie) wurde diese modifiziert. Insbesondere durch die Addition dendritischer Verbindungen gelang die Darstellung nanosopischer Objekte. Darüber hinaus konnten dünne Filme phasenseparierten Blockcopolymere selektiv und ortsaufgelöst funktionalisiert werden. Die Arbeit liefert somit Beiträge zur Entwicklung neuartiger Nanomaterialien sowie ihrer Modifizierung.