Nesse trabalho foram desenvolvidos novos materiais à base de sílica, amorfos e nanoestruturados, pelo método sol-gel de síntese e a adição de precursores com grupos funcionais específicos. Inicialmente foi investigado o comportamento fotofísico de benzazolas dispersas em xerogéis híbridos com diferentes hidrofobicidades, preparados com a adição de diferentes porcentagens molares do precursor dimetildimetoxisilano (DDMS). Nos espectros normalizados de emissão de fluorescência do corante 2-(5’-amino-2’-hidroxifenil) benzimidazol (5-AHBI) disperso nos xerogéis híbridos foram observadas duas bandas, uma delas atribuída a emissão normal (N*) e a outra atribuída a emissão pelo mecanismo de transferência protônica intramolecular no estado excitado - ESIPT (E*), com deslocamento de Stokes próximo a 150 nm. Nos híbridos contendo o corante 2-(5’-amino-2’-hidroxifenil) benzotiazol (5-AHBT), observou-se uma banda bastante alargada em que a emissão de fluorescência mostrou-se dependente da polaridade da matriz, com a emissão máxima variando de 496 para 533 nm com o aumento da porcentagem de DDMS nas sínteses. Sílicas mesoporosas ordenadas do tipo MCM-41 e SBA-15 foram sintetizadas e os resultados de difração de raios X (XRD) e das isotermas de adsorção-dessorção de N2 desses materiais mostraram organização hexagonal de poros, elevadas áreas superficiais específicas, volume de poros de 0,90 cm3 g-1 e distribuição uniforme de mesoporos. Adicionalmente, o uso de autoclave na síntese da sílica MCM-41 parece ter contribuído para uma melhor organização estrutural. Nanopartículas de paládio (NPPd) estabilizadas em solução aquosa pelo silsesquioxano iônico DABCOSIL foram então suportadas nas sílicas mesoporosas ordenadas. As imagens de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) mostraram NPPd com tamanho médio de 4 nm nos canais da matriz de sílica SBA-15, que se mostrou mais eficiente como suporte das NPPd em relação à sílica MCM-41. A sílica SBA-15 contendo as NPPd foi utilizada como catalisador heterogêneo em reações de acoplamento Suzuki, com taxas de conversão na ordem de 90 % para o 4-bromotolueno após quatro ciclos de reação. A influência da quantidade e do tipo de precursor contendo grupos orgânicos em ponte na formação de Organossílicas Mesoporosas Ordenadas (PMOs) também foi investigada. Foram preparadas PMOs usando-se o precursor 1,4-bis(trietoxisililpropilureido) benzeno (BDU) em diferentes porcentagens molares e brometo de hexadeciltrimetilamônio (CTAB) como agente direcionador de estrutura, em meio básico. O aumento da quantidade do grupo orgânico do precursor nos híbridos foi confirmada por análise elementar (CHN), análise termogravimétrica (TGA), ressonância magnética nuclear no estado sólido (29Si-NMR) e espectroscopia de absorção no infravermelho (FTIR). As propriedades estruturais e texturais dos híbridos foram analisadas por difração de raios X (XRD) e isotermas de adsorção-dessorção de N2 respectivamente, observando-se que o aumento na porcentagem de BDU provocou diminuição na organização estrutural e colapso dos mesoporos. Também foram preparadas PMOs com o silsesquioxano iônico DABCOSIL, usando-se diferentes direcionadores de estrutura e variando-se o pH do meio. O híbrido sintetizado de forma semelhante à sílica MCM-41 contendo o silsesquioxano iônico DABCOSIL, designado por MDABCO, mostrou maior organização estrutural que o híbrido preparado com o precursor BDU, nas mesmas condições de síntese. Imagens de TEM indicaram a presença de organização hexagonal de mesoporos para o híbrido designado por SDABCO, obtido com o silsesquioxano iônico DABCOSIL em condições experimentais semelhantes à sílica SBA-15. O híbrido SDABCO apresentou elevada área específica (610,5 m2 g-1), distribuição unimodal de mesoporos com máximo em aproximadamente 6,2 nm e volume de poros de 0,87 cm3 g-1. Os resultados indicaram que a incorporação do DABCOSIL na formação de PMOs ocorreu preservando a estrutura hexagonal, o volume e tamanho de poros. Em outro trabalho, foram obtidas diferentes matrizes à base de sílica contendo o organossilano fluorescente 2,5-bis(3-(3-trietoxisilil)propil) ureido)tereftalato de dietila (BT) ligado quimicamente. Os híbridos obtidos pelo método da co-condensação (BTC) e pelo método de enxerto (BTG) mostraram organização hexagonal de poros, que foi confirmada pelas imagens de TEM e pelos resultados de XRD. Estes híbridos apresentaram distribuição uniforme de mesoporos em torno de 6 nm e áreas superficiais específicas na faixa de 600 m2 g-1, maiores do que os valores encontrados para o xerogel híbrido BTX. A análise morfológica do híbrido BTG foi realizada por microscopia eletrônica de varredura (SEM), sendo observadas partículas com uniformidade de tamanho e morfologia. O estudo fotofísico dos híbridos com o corante BT foi realizado por espectroscopia de refletância difusa na região do UV-Vis e por medidas de emissão de fluorescência no estado sólido. Os novos materiais híbridos fluorescentes apresentaram propriedades fotofísicas similares ao corante em etanol, indicando que nos híbridos o corante encontra-se disperso no nível molecular e sua estrutura eletrônica não foi perturbada de forma significativa após sua inserção nas matrizes sólidas. / In this work new silica based materials, amorphous and with nanostructural organization, were developed by the sol-gel method and the addition of precursors with specific functional groups. Initially it was investigated the photophysical behavior of benzazoles dispersed in hybrid xerogels with different hydrophobicities, which were prepared by the addition of different molar percentages of dimethoxydimethylsilane (DDMS) precursor. Two bands were observed in the normalized fluorescent emission spectra of 2-(5-amino-2-hydroxyphenyl)benzimidazole dye (5-AHBI) dispersed in the hybrid xerogels. One is ascribed to normal emission (N*) and another to the Excited State Intramolecular Proton Transfer - ESIPT emission (E*), with Stokes shift near to 150 nm. For the xerogels containing the 2-(5-amino-2-hydroxyphenyl)benzothiazole dye (5-AHBT) it was observed a large band where the fluorescence emission was dependent on the matrix polarity, with the maximum emission varying from 496 to 533 nm in the xerogels with 0 to 50 % of DDMS. Ordered mesoporous silica MCM-41 e SBA-15 were synthesized and the results of X-ray diffraction (XRD) and of N2 adsorption-desorption isotherms of these materials showed hexagonal organization, high specific surface areas, pore volume of 0,90 cm3 g-1 and uniform distribution of mesopores. Additionally the use of the autoclave in the synthesis of silica MCM-41 seems to have contributed to the improvement of the structural organization. Palladium nanoparticles (NPPd) stabilized in aqueous solution by the ionic silsesquioxane DACOSIL was supported in the mesoporous silica. The transmission electron microscopy (TEM) images showed NPPd with average size of 4 nm in the SBA-15 silica channels, which showed to be more efficient as support for NPPd than the MCM-41 silica. The silica SBA15 containing the NPPd was applied as heterogeneous catalyst in Suzuki coupling reactions, with conversion rates near 90% after four cycles of reaction with the 4-bromotoluene. The influence of the quantity and of the type of precursor containing bridged organic groups, in the formation of Periodic Mesoporous Organosilicas (PMOs) was investigated. The precursor 1,4-bridged diureylenebenzene silsesquioxanes (BDU) was used in different molar percentages in the synthesis of PMOs using cetyl trimethyl ammonium chloride (CTAB) as structural directing agent in basic medium. The increasing in the amount of precursor organic group in the hybrids was confirmed by elemental analysis (CHN), thermogravimetric analysis (TGA), solid state nuclear magnetic resonance (29Si-NMR) and infrared absorption spectroscopy (FTIR). The structural and textural properties of hybrids were obtained by XRD and N2 adsorption-desorption isotherms respectively, being observed that the increasing in the BDU percentage caused the decreasing in the structural organization and the collapse of mesopores. Other PMOs, called MDABCO and SDABCO, were prepared with the ionic silsesquioxane DACOSIL, using different structural directing agents and changing the pH of medium. The hybrid prepared in the similar way to MCM41 silica containing the ionic silsesquioxane dabcosil, called MDABCO, showed higher structural organization than the hybrid prepared with the BDU precursor, in the same synthesis conditions. For the hybrid SDABCO, which was obtained in similar experimental conditions to SBA-15 silica, the TEM images indicated the presence of hexagonal organization. The hybrid SDABCO also showed high specific surface area (610,5 m2 g-1), unimodal mesopore distribution with maximum near 6.2 nm and pore volume of ,87 cm3g-1. The results indicated that the incorporation of DABCOSIL in the PMOs formation occurred preserving the hexagonal structure, the pore volume and size. In another work different silica based matrices containing the fluorescent organosilane diethyl 2,5-bis[N,N-(3-triethoxysilyl)propylurea]terephtalate (BT) chemically bonded were obtained. The hybrids BTC and BTG, obtained by co-condensation method and grafting respectively, showed hexagonal organization that was confirmed by TEM images and by the XRD results. These hybrids showed uniform mesopore distribution near 6 nm and specific surface areas of 600 m2 g-1, which were higher than values found for the hybrid xerogel BTX. The morphological analysis of the BTG hybrid was made using the scanning electron microscopy (SEM), being observed particles with uniform size and morphology. The photophysical study of hybrids with the BT dye was made by diffuse reflectance spectroscopy in the UV-Vis region and by solid state fluorescence emission measurements. The new hybrid fluorescent materials presented photophysical properties similar to the dyes in ethanol, indicating that in the hybrids the dye is dispersed in molecular level and its electronic structure was not disturbed in significant form after the insertion in solid matrices.

Mineral biocements are brittle materials, which usually results in catastrophic failure during mechanical loading. Here, previous works demonstrated the feasibility of reducing brittleness by a dual-setting approach, in which a silica sol was simultaneously gelled during the setting of a brushite forming cement. The current thesis aimed at further improving this concept by both using a novel silicate based cement matrix for an enhanced bonding between cement and silica matrix as well as multifunctional silica precursors to increase the network density of the gel. Due to its well-known biocompatibility and osteogenic regeneration capacity, baghdadite was chosen as mineral component of such composites. This required in a first approach the conversion of baghdadite ceramics into self-setting cement formulations. This was investigated initially by using baghdadite as reactive filler in a brushite forming cement (Chapter 4). Here, the ß-TCP component in a equimolar mixture of ß-TCP and acidic monocalcium phosphate anhydrous was subsequently replaced by baghdadite at various concentrations (0, 5, 10, 20, 30, 50, and 100 wt%) to study the influence on physicochemical cement properties such as mechanical performance, radiopacity, phase composition and microstructure. X-ray diffraction profiles demonstrated the dissolution of baghdadite during the cement reaction without affecting the crystal structure of the precipitated brushite phase. In addition, EDX analysis showed that calcium is homogeneously distributed in the cement matrix, while zirconium and silicon form cluster-like aggregates ranging in size from a few micrometers to more than 50 µm. X-ray images and µ-CT analyses indicate improved X-ray visibility with increased incorporation of baghdadite in brushite cement, with an aluminum equivalent thickness nearly doubling at a baghdadite content of 50 wt%. At the same time, the compressive strength of brushite cement increased from 12.9 ± 3.1 MPa to 21.1 ± 4.1 MPa at a baghdadite content of 10 wt%. Cell culture medium conditioned with powdered brushite cement approached physiological pH values when increasing amounts of baghdadite were added to the cement (pH = 6.47 for pure brushite, pH = 7.02 for brushite with 20 wt% baghdadite substitution). Baghdadite substitution also affected the ion content in the culture medium and thus the proliferation activity of primary human osteoblasts in vitro. The results demonstrated for the first time the suitability of baghdadite as a reactive cement additive for improving the radiopacity, mechanical performance, and cytocompatibility of brushite cements. A second approach (Chapter 5) aimed to produce single component baghdadite cements by an increase of baghdadite solubility to initiate a self-setting cement reaction. For this, the material was mechanically activated by longer grinding times of up to 24h leading to both a decrease in particle and crystallite size as well as a partial amorphization of baghdadite. Baghdadite cements were formed by adding water at a powder to liquid ratio of 2.0 g/ml. Maximum compressive strengths were determined to be ~2 MPa after 3 days of setting for a 24-hour ground material. Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) measurements showed an incongruent dissolution profile of the set cements, with preferential dissolution of calcium and only minor release of zirconium ions. Cement formation occurs under alkaline conditions, with the unground raw powder resulting in a pH of 11.9 during setting, while prolonged grinding increases the pH to about 12.3. Finally, mechanically activated baghdadite cements were combined with inorganic silica networks (Chapter 6) to create dual-setting cements with a further improvement of mechanical performance. While a modification of the cement pastes with a TEOS derived sol was already thought to improve strength, it was hypothesized that using multi-arm silica precursors can further enhance their mechanical performance due to a higher network density. In addition, this should also reduce pore size of both gels and cement and hence will be able to adjust the release kinetics of incorporated drugs. For this, multi-armed silica precursors were synthesized by the reaction of various multivalent alcohols (ethylene glycol, glycerine, pentaerythrit) with an isocyanate modified silica precursor. After hydrolysis under acidic conditions, the sols were mixed with baghdadite cement powders in order to allow a simultaneous gel formation and cement setting. Since the silica monomers have a high degree of linkage sites, this resulted in a branched network that interpenetrated with the growing cement crystals. In addition to minor changes in the crystalline phase composition as determined by X-ray diffraction, the novel composites exhibited improved mechanical properties with up to 20 times higher compressive strength and further benefit from an about 50% lower overall porosity than the reference pure baghdadite cement. In addition, the initial burst release of the model drug vancomycin was completely inhibited by the added silica matrix. This observation was verified by testing for the antimicrobial activity with Staphylococcus aureus by measuring the inhibition zones of selected samples after 24 h and 48 h, whereas the antimicrobial effectiveness of a constant vancomycin release could be demonstrated. The current thesis clearly demonstrated the high potential of baghdadite as a cement formulation for medical application. The initially poor mechanical properties of such cements can be overcome by special processing techniques or by combination with silica networks. The achieved mechanical performance is > 10 MPa and hence suitable for bone replacement under non-load bearing conditions. The high intrinsic radiopacity as well as the alkaline pH during setting may open the way ahead to further dental applications, e.g. as root canal sealers or filler in dental composites. Here, the high pH is thought to lead to antimicrobial properties of such materials similar to commonly applied calcium hydroxide or calcium silicates, however combined with an intrinsic radiopacity for X-ray imaging. This would simplify such formulations to single component materials which are less susceptible to demixing processes during transport, storage or processing. / Mineralische Biozemente sind spröde Materialien, die bei mechanischer Belastung in der Regel ein katastrophales Versagen zeigen. In früheren Arbeiten konnte die Sprödigkeit durch einen dual-härtenden Materialansatz verringert werden, bei dem ein dem Zement zugesetztes Kieselsol während des Aushärtens eines Bruschit-bildenden Zements simultan geliert und so die Matrix verstärkt. Die vorliegende Arbeit zielte darauf ab, dieses Konzept weiter zu verbessern, indem sowohl eine neuartige Zementmatrix auf Silikatbasis für eine verbesserte Bindung zwischen Zement und Kieselsäurematrix als auch multifunktionale Kieselsäure Precursoren zur Erhöhung der Netzwerkdichte des Gels verwendet wurden. Aufgrund der nachgewiesenen Biokompatibilität und osteogenen Regenerationsfähigkeit wurde Baghdadit als mineralischer Bestandteil solcher Komposite gewählt. Dies erforderte in einem ersten Ansatz die Umwandlung von Baghdadit-Keramik in selbsthärtende Zementformulierungen. Dies wurde zunächst durch die Verwendung von Baghdadit als reaktiver Füllstoff in einem Bruschit-bildenden Zement untersucht (Kapitel 4). Dabei wurde die β-TCP-Komponente in einem äquimolaren Gemisch aus β-TCP und saurem Monocalciumphosphat sukzessive durch Baghdadit in verschiedenen Konzentrationen (0, 5, 10, 20, 30, 50 und 100 Gew.-%) ersetzt, um den Einfluss auf die physikalisch-chemischen Zementeigenschaften, wie mechanische Festigkeit, Röntgenopazität, Phasenzusammensetzung und Mikrostruktur zu untersuchen. Röntgenbeugungsprofile zeigten die Auflösung von Baghdadit während der Zementreaktion, ohne die Kristallstruktur der ausgefällten Bruschitphase zu beeinträchtigen. Darüber hinaus zeigte die EDX-Analyse, dass Calcium homogen in der Zementmatrix verteilt ist, während Zirkon und Silizium clusterartige Aggregate mit einer Größe von einigen Mikrometern bis zu mehr als 50 µm bilden. Röntgenbilder und µ-CT-Analysen zeigen eine verbesserte Röntgensichtbarkeit bei erhöhtem Baghdadit-Anteil im Bruschit-Zement, wobei sich die Aluminium-Äquivalentdicke bei einem Baghdadit-Gehalt von 50 Gew.-% nahezu verdoppelt. Gleichzeitig stieg die Druckfestigkeit von Bruschitzement von 12,9 ± 3,1 MPa auf 21,1 ± 4,1 MPa bei einem Baghdaditgehalt von 10 Gew.-%. Zellkulturmedium, das mit pulverförmigem Bruschitzement konditioniert wurde, näherte sich physiologischen pH-Werten an, wenn dem Zement steigende Mengen an Baghdadit zugesetzt wurden (pH = 6,47 für reinen Bruschitzement, pH = 7,02 für Bruschitzement mit 20 Gew.-% Baghdadit-Substitution). Die Baghdadit-Substitution wirkte sich auch auf den Ionengehalt im Kulturmedium und damit auf die Proliferationsaktivität von primären menschlichen Osteoblasten in vitro aus. Die Ergebnisse zeigten zum ersten Mal die Eignung von Baghdadit als reaktives Zementadditiv zur Verbesserung der Röntgenopazität, der mechanischen Eigenschaften und der Zytokompatibilität von Bruschitzementen. Ein zweiter Ansatz (Kapitel 5) zielte auf die Herstellung einkomponentiger Baghdadit-Zemente durch eine Erhöhung der Baghdadit-Löslichkeit ab, um eine Zementreaktion zu initiieren. Dazu wurde das Material durch längere Mahlung von bis zu 24 Stunden mechanisch aktiviert, was sowohl zu einer Abnahme der Partikel- und Kristallitgröße, als auch zu einer teilweisen Amorphisierung von Baghdadit führte. Baghdadit-Zemente wurden durch Zugabe von Wasser bei einem Verhältnis von Pulver zu Flüssigkeit von 2,0 g/ml erhalten. Die maximalen Druckfestigkeiten wurden mit ~2 MPa nach 3 Tagen Aushärtung für ein 24 Stunden gemahlenes Material ermittelt. Massenspektrometrische Messungen mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) ergaben ein inkongruentes Auflösungsprofil der abgebundenen Zemente mit einer bevorzugten Auflösung von Calcium und einer nur geringen Freisetzung von Zirkonium-Ionen. Die Zementbildung erfolgt unter alkalischen Bedingungen, wobei das ungemahlene Rohpulver während des Abbindens einen pH-Wert von 11.9 aufweist, während ein längeres Mahlen den pH-Wert auf etwa 12.3 erhöht. Abschließend wurden mechanisch aktivierte Baghdadit-Zemente mit anorganischen Silica-Netzwerken kombiniert (Kapitel 6), um dual härtende Zemente mit einer weiteren Verbesserung der mechanischen Eigenschaften zu erhalten. Während eine Modifikation der Zementpasten mit einem TEOS-abgeleiteten Sol bereits die Festigkeit verbessern sollte, wurde angenommen, dass die Verwendung von mehrarmigen Kieselsäure-Precursoren die mechanische Festigkeit aufgrund einer höheren Netzwerkdichte weiter verbessern kann. Darüber hinaus sollte sich auch die Porengröße von Gelen und Zement verringern, so dass die Freisetzungskinetik von inkorporierten Wirkstoffen angepasst werden kann. Zu diesem Zweck wurden mehrarmige Kieselsäure-Precursoren durch die Reaktion verschiedener mehrwertiger Alkohole (Ethylenglykol, Glycerin, Pentaerythrit) mit einem isocyanatmodifizierten Kieselsäure-Precursor synthetisiert. Nach der Hydrolyse unter sauren Bedingungen wurden die Sole mit Baghdadit-Zementpulvern gemischt, um eine gleichzeitige Gelbildung und Zementabbindung zu ermöglichen. Da die Kieselsäuremonomere einen hohen Grad an Verknüpfungsstellen aufweisen, führte dies zu einem verzweigten Netzwerk, das die ausfallenden Zementkristalle durchdrang. Neben geringfügigen Veränderungen in der Zusammensetzung der durch Röntgenbeugung bestimmten kristallinen Phasen, wiesen die neuartigen Komposite verbesserte mechanische Eigenschaften mit einer bis zu 20-fach höheren Druckfestigkeit auf und profitierten außerdem von einer um etwa 50 % geringeren Gesamtporosität als der reine Baghdadit-Referenzzement. Darüber hinaus wurde die anfängliche starke Freisetzung („burst release“) des Modellwirkstoffs Vancomycin durch die zugesetzte Silica-Matrix vollständig gehemmt. Diese Beobachtung wurde durch Prüfung der antimikrobiellen Aktivität mit Staphylococcus aureus durch Messung des Hemmhofs im Agar-Diffusionstest ausgewählter Proben nach 24 h und 48 h verifiziert, wobei die antimikrobielle Wirksamkeit einer konstanten Vancomycin-Freisetzung nachgewiesen werden konnte. Die vorliegende Arbeit zeigte deutlich das hohe Potenzial von Baghdadit Zementformulierungen für medizinische Anwendungen. Die anfänglich schlechten mechanischen Eigenschaften solcher Zemente können durch spezielle Verarbeitungstechniken oder durch die Kombination mit Silicanetzwerken überwunden werden. Die erzielten mechanischen Eigenschaften liegen bei > 10 MPa und die Materialien eignen sich daher für den Knochenersatz unter nicht-lasttragenden Bedingungen. Die hohe intrinsische Röntgenopazität sowie der alkalische pH-Wert während der Aushärtung könnten den Weg für weitere dentale Anwendungen öffnen, z. B. als Wurzelkanal-Zemente oder Füllstoff in Dentalkompositen. Hier ist davon auszugehen, dass der hohe pH-Wert zu antimikrobiellen Eigenschaften solcher Materialien führt, ähnlich wie bei den üblicherweise verwendeten Calciumhydroxiden oder Calciumsilikaten, jedoch in Kombination mit einer intrinsischen Röntgenopazität. Dies würde solche Formulierungen zu einkomponentigen Systemen vereinfachen, die weniger anfällig für Entmischungsprozesse während Transport, Lagerung oder Verarbeitung sind.

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Electro-optic (EO) polymers are an attractive alternative to inorganic nonlinear materials. EO polymers with a Pockel's coefficient, r33, greater than 320 pm/V have been recently demonstrated. In addition to their high EO activity, EO polymers have the additional benefit that their dielectric constants at optical and millimeter wave frequencies are closely matched which allow for bandwidths which are limited only by the resistive losses of traveling wave electrodes. The amorphous nature of the host polymer makes heterogeneous integration of the materials on any substrate possible. The devices which will have the most immediate impact based on these recent materials developments are EO waveguide modulators. Performance benchmarks of less than 6 dB insertion loss, sub-volt Vpi and greater than 100 GHz bandwidth have been achieved separately however, the challenge of achieving all of these benchmarks in a single device has not yet been met.The aim of this dissertation is to optimize passive materials to achieve efficient in device poling of EO polymers, optimize the chromophore loading of the active polymers and to optimize waveguide modulators for device performance within a particular system, analog RF photonic links. These optimizations were done by defining figures of merit for the materials and modulators. This research strategy has led to significant improvements in poling efficiency as well as modulators with record low insertion losses which maintain a low half-wave voltage; on the order of 1 - 2 Volts. Using this optimization strategy and state of the art EO polymers, devices which meet or surpass the benchmark performance values in all categories are expected in the near future.

This research focuses on the development of a biomimetic photosynthetic energy transduction system which can convert the light energy into a transmembrane potential gradient. This potential gradient provides energy for transmembrane proton pumping, which can be detected potentiometrically and/or spectroscopically through the changes in the optical and electrochemical properties of conductive polymers that supports a lipid bilayer. To achieve this goal, there were two major objectives: 1) Development of a pH sensitive, conducting polymer-based thin film platform as a suitable interface to couple a planar lipid membrane to an ITO electrode and as a pH transducer to detect transmembrane proton motive force (pmf). 2) Construction of an ionophore-aided, transmembrane proton transport model system in a planar supported lipid membrane.Toward the first objective, two different approaches have been used: a) to create a conducting polymer thin film, composed of alternating layers of poly(aniline) PANI and poly(acrylic acid) PAA on an ITO-coated, planar glass substrate. The electroactivity in a neutral environment and the pH dependence of the self-assembled (SA) PANI/PAA multilayer thin films were demonstrated both electrochemically and spectroscopically. Additionally, (PANI/PAA)2 films were shown to be compatible with PSLB. The polymer cushion supported lipid bilayer was found to be highly impermeable to protons, as demonstrated by the blockage of the pH response of the PANI film underneath the lipid membrane. b) to create a PANI nanowire/sol-gel hybrid thin film on an ITO-coated, planar glass substrate. Electrochemical growth of PANI nanowires through a porous sol-gel matrix was demonstrated. The PANI nanowire/sol-gel hybrid thin film with a sol-gel capping layer was found to respond to pH both potentiometrically and spectroscopically and a uniform lipid membrane was formed on the capping layer.To achieve the second objective, a ΔpH-driven transmembrane proton transport model system supported by a PANI nanowire doped sol-gel/ITO substrate with a sol-gel capping layer was developed. Ionophore valinomycin and CCCP were incorporated into the planar supported lipid bilayer (PSLB). Driven by a transmembrane pH gradient, an enhanced rate of proton transport with a proton permeability ca. 3 orders of magnitude higher than that of the lipid membrane without ionophores was demonstrated.

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Hochporöse Kohlenstoffaerogele, die über den Sol-Gel-Prozeß auf der Basis von Resorzin und Formaldehyd hergestellt werden, sind Werkstoffe mit beeindruckenden physikalischen Eigenschaften. Leider werden bisher nur geringe Mengen an Kohlenstoffaerogelen produziert und aus Kostengründen auf günstigere Materialien mit vergleichsweise schlechteren Eigenschaften zurückgegriffen. Um diesen Nachteil zu nivellieren lag die Motivation der vorliegenden Arbeit in der Entwicklung neuer Syntheserouten für Kohlenstoffmaterialien mit nanoskaliger Morphologie, wobei insbesondere auf kostengünstige Edukte und/oder einfache Prozessierung zurückgegriffen werden sollte. Als in Frage kommende Eduktsysteme wurden Zucker, sowie Hydroxybenzol-Formaldehyd-Derivate ausgewählt. Die hergestellten Kohlenstoffe wurden hauptsächlich mit Elektronenmikroskopie, Gassorption und Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) charakterisiert. Um Fehlinterpretationen der experimentellen Daten für das neue Materialsystem zu vermeiden, war ein umfangreiches Wissen zu den Charakterisierungsmethoden und den diesen zugrundeliegenden physikalischen Prinzipien notwendig. Kohlenstoffpulver basierend auf sphärischen Resorzin-Formaldehyd Suspensionen und Sedimenten bilden eine völlig neue Möglichkeit zur Erzeugung von Kohlenstoffnanokugeln. Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb systematisch der Bereich der Syntheseparameter im RF-System zu den nicht-monolithischen Parametersätzen hin vervollständigt. Anhand der bestimmten Daten konnte diese Stoffklasse umfassend und detailliert charakterisiert und interpretiert werden. Die Partikelgröße hängt im Wesentlichen von der Katalysatorkonzentration und in geringerem Maße von der Eduktmenge in der Startlösung ab. Die ermittelte untere Grenze der Partikelgröße aus stabilen kolloidalen Dispersionen beträgt ca. 30 nm. Größere Partikel als 5 µm konnten trotz Modifikation der Syntheseroute nicht erzeugt werden. Eine Abschätzung über den Aggregationsgrad der Kohlenstoffpulver wurde durchgeführt. Eine Beimischung von Phenol verringert in diesem System zum einen die Partikelgröße und erzeugt zunehmend nicht-sphärische Strukturen. Die aus Gassorption, SAXS und dynamischer Lichtstreuung (DLS) ermittelten Partikelgrößen stimmen gut überein. Bei der Pyrolyse schrumpfen die Partikel auf 84% des Ausgangswerts (Partikeldurchmesser). Ein Fokus dieser Arbeit lag in der Herstellung poröser Kohlenstoffe mit Phenol und Formaldehyd (PF) als Eduktbasis und unterkritischer Trocknung (Kohlenstoffxerogele). Um die Bandbreite der Eigenschaften der resultierenden Kohlenstoffxerogele zu erweitern, wurden zahlreiche Modifikationen der Syntheseparameter und im Herstellungsprozeß durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, daß im Eduktsystem Phenol-Formaldehyd in wäßriger Lösung mit Na2CO3 als basischem Katalysator prinzipiell poröse Xerogele herstellbar sind; allerdings verhindert eine ungewöhnliche Gelierkinetik (Flockenbildung statt Sol-Gel-Übergang) eine umfassende Interpretation des Systems, da die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse nicht gewährleistet ist. Bei Phenol-Formaldehyd in wäßriger Lösung und NaOH als Katalysator kommt es meist zu einem Kollabieren des Gelnetzwerks während der Trocknung. Lediglich bei hohem Formaldehydüberschuß zeigt sich ein enger Bereich, in dem Xerogele mit geringer Dichte (rhomin = 0,22 g/cm3) und relevantem Mesoporenvolumen von bis zu 0,59 cm3/g synthetisierbar sind. Die interessanteste Kombination im PF-System ergibt sich mit HCl als Katalysator und n-Propanol als Lösungsmittel. Hier sind hochporöse Kohlenstoffxerogele mit geringen Dichten (rhomin = 0,23 g/cm3) und für Xerogele sehr hoher Mesoporosität von bis zu Vmeso = 0,85 cm3/g möglich. Damit ist es im Rahmen dieser Arbeit erstmals gelungen über konvektive Trocknung homogene hochporöse Xerogel-Formkörper auf PF-Basis zu synthetisieren. Aus der Überwachung des Sol-Gel-Prozesses mit Detektion der Soltemperatur konnten wichtige Erkenntnisse über exo- und endotherme Vorgänge gewonnen werden. Zudem zeigt die Zeitabhängigkeit der Soltemperatur Gemeinsamkeiten für alle untersuchten Hydroxybenzol-Formaldehyd-Systeme. So kann der Gelpunkt der Ansätze zuverlässig und auch reproduzierbar anhand eines zweiten lokalen Temperaturmaximums ermittelt werden, welches mit einer Gelpunktsenthalpie korreliert wird. Damit ist auch eine Prozeßkontrolle, z.B. für die Kombination mit Partikeltechnologien, möglich. Die zugrundeliegenden Strukturbildungsmechanismen, Sol-Gel-Prozeß einerseits und Trocknung andererseits, wurden in-situ mittels SAXS beobachtet und anhand der gewonnenen Daten diskutiert und bewertet. Eine vollständige Adaption des etablierten und akzeptierten Bildungsmechanismus von RF basierten Aerogelen (Partikelbildung aus Kondensationskeimen und Partikelwachstum) für das PF-System wird ausgeschlossen. Vielmehr scheint bei den untersuchten PF-Systemen auch eine Mikrophasenseparation als konkurrierender Prozeß zur Partikelbildung von Relevanz zu sein. / Highly porous carbon aerogels derived via the sol-gel-process based on the precursors resorcinol and formaldehyde are materials with impressive physical properties. In principle, they are suited for many applications (e.g. thermal insulations, components in electrochemical devices). Unfortunately, up to now, there are only small amounts of carbon aerogels available. Due to cost efficiency, cheaper materials with less favourable properties compared to carbon aerogels are used. To compensate for this disadvantage, the motivation for this work was the development of new synthesis routes for carbon materials with nanostructured morphology, applying in particular cheap precursors and/or simple processing. As precursor systems, sugar as well as hydroxybenzene-formaldehyde-derivatives were chosen. The produced carbons were characterised in particular by electron microscopy, gas sorption and small-angle X-ray scattering (SAXS). To avoid misinterpretation of the experimental data of the new materials system, extensive knowledge concerning the characterization methods and their underlying physical principles are essential. Carbon powders based on spherical particles derived from suspensions and sediments of resorcinol-formaldehyde (RF) solutions establish a completely new possibility to generate carbon nanospheres. Within the framework of this thesis the range of the synthesis parameters of the RF-system towards the non-monolithic parameter sets was therefore systematically completed. These materials were characterized and interpreted extensively and in detail by using the derived experimental data. The particle size depends essentially on the catalyst concentration rather than on the amount of precursors in the initial solution. The lower limit particle size derived from stable colloidal suspensions is about 30 nm. Larger particles than 5 µm could not be synthesized, even when modifying the synthesis route. An estimate for the level of aggregation of the carbon powders was determined. Admixing of phenol decreases the particle size in this system and generates increasingly non-spherical structures. The evaluated particle sizes derived from gas sorption, SAXS and dynamic light scattering (DLS) are in good agreement with each other. During pyrolysis, the particles shrink to 84% of the initial value (particle size). One goal of this work was the synthesis of porous carbons with phenol and formaldehyde (PF) as precursors and subcritical drying (carbon xerogels). To extend the possible properties of the resulting carbon xerogels, several modifications of the synthesis parameters as well as in the production process were conducted. The results show, that with the precursors phenol-formaldehyde in aqueous solution using Na2CO3 as catalyst, porous xerogels can in principle be synthesized. However, the unusual gelation kinetics (flake forming instead of sol-gel-transition) prevents a detailed interpretation of this system, because the reproducibility of the results can not be ensured. With the system phenol and formaldehyde in aqueous solution using NaOH as catalyst, the gel network mostly collapses during drying. Only with excess formaldehyde a range in the synthesis parameters exists, where xerogels with low density (rhomin = 0,22 g/cm3) and relevant mesopore volume of up to 0,59 cm3/g can be synthesized. The most interesting combination of PF is with HCl as catalyst and n-propanol as solvent. With this system, highly porous carbon xerogels with low densities (rhomin = 0,23 g/cm3) and for xerogels high mesoporosity of up to Vmeso = 0,85 cm3/g can be synthesized. Hence, within the framework of this thesis highly porous monolithic xerogels based on PF as precursors in combination with subcritical drying have been successfully synthesiszed for the first time. Monitoring of the sol-gel-process by detection of the sol temperature provided important information about exo- and endothermal reactions. Moreover, the temperature dependence of the sol shows similarities for all investigated hydroxybenzene-formaldehyde combinations. The gelling point of the precursor systems can be reproduced reliably by determining a second local maximum of the sol temperature, which can be correlated with an enthalpy of gelation (second order process). By this way, a process control is possible, e.g. for the combination with particle technologies. The basic mechanisms of structure formation, i.e. the sol-gel-process on the one hand and the subcritical drying on the other hand were monitored in-situ by SAXS and discussed on the base of the obtained data. A complete adaptation of the established and accepted structure formation mechanism of RF based aerogels (forming and growing of particles by) can be ruled out for the PF-system. Moreover, microphase separation seems to be a relevant competing process for the particle forming in the PF-system.

In der vorliegenden Arbeit wurden durch den Sol-Gel-Prozeß hergestellte hybride Sole, Xerogele und Schichten mit Hilfe der Raman-Spektroskopie untersucht. Dazu wurden zunächst die schwingungsspektroskopischen Zuordnungen für verschiedene Alkoxysilanen ergänzt und zusammengefasst. Anschließend wurde die Hydrolyse vom Vinyltriethoxysilan (VTES) durch FT-Raman-Spektroskopie vom Sol bis zum Xerogel verfolgt. Weitere Untersuchungen an verschiedenen Xerogelen lieferten neue Erkenntnisse über charakteristische Raman-Banden des anorganischen Netzwerkes. Der zweite Teil dieser Arbeit richtete sich auf konfokale Raman-mikrospektroskopische Untersuchungen hybrider Schichten bezüglich der anorganischen und organischen Vernetzung. Zunächst wurden Polymersubstrate untersucht. Es wurde experimentell festgestellt, dass die axiale Auflösung eines konfokalen Raman-Mikrospektrometers tatsächlich niedriger ist als bisher in der Literatur angenommen wurde. Bei Mikro-Raman-Untersuchungen an verschiedenen Schichtsystemen hat sich herausgestellt, dass die Schwingungsmoden des anorganischen Netzwerks im niederfrequenten Raman-Bereich leicht detektierbar sind. Die Lage der charakteristischen sogenannten T3/Q3-Bande im Raman-Spektrum der UV-gehärteten Probe deutet allerdings auf einen niedrigeren Kondensationsgrad hin, als beim langsam luftgetrockneten Xerogel, was mit Hilfe von 29Si-Festkörper-NMR-Messungen bestätigt wurde. Darüber hinaus konnte festgestellt werden, dass die Schichten einen höheren Kondensationsgrad als die gleich behandelten Volumenproben aufweisen. Es wurde gezeigt, dass die gewonnenen Raman-spektroskopischen Erkenntnisse für die Erforschung und die Lösung von Vernetzungsproblemen hilfreich sein können. Nach einem kurzen Überblick der Mechanismen der organischen Vernetzung wurden zunächst thermisch-hartbaren Schichtsysteme auf Glycidyloxypropyltrimethoxysilan-Basis durch Raman-Mikrospektroskopie untersucht. Die quantitative Auswertung des Umsetzungsgrades erfolgte nach einer Bandenanalyse der Ringatmungsschwingung des Epoxidrings. Es stellte sich heraus, dass die Polyadditionsreaktion nur sehr begrenzt stattfindet. Dagegen ist die Anhydridhärtung unter den gleichen Bedingungen deutlich effizienter. Daneben wurde gezeigt, dass die an Volumenproben erhaltenen Ergebnisse, in Bezug auf die organische Vernetzung, nicht auf die entsprechenden Schichten übertragen werden können. Bei den untersuchten UV-härtbaren Schichtsystemen konnte der Umsetzungsgrad mittels einer Bandenanalyse der reaktiven Gruppen erfolgreich ermittelt werden. Die Reaktivität der ungesättigten Gruppen, wenn sie einer radikalischen Polymerisation ausgesetzt sind, folgt der Reihe: Allyl < Vinyl < Acrylat. Die Thiol-En-Addition bei den VTES / Mercaptopropyltrimethoxysilan-Schichtsystemen führt zu höheren Umsetzungsgraden der Vinylgruppen bei gleichen Bedingungen. Die Kinetik der Polymerisationsreaktion spielt also eine entscheidende Rolle bei der Vollständigkeit der organischen Vernetzung. Ein weiterer Teil dieser Arbeit richtete sich auf die Ermittlung der mechanischen Eigenschaften von hybriden Schichten und deren Korrelation mit spektroskopischen Daten. In allen untersuchten Schichtsysteme demonstrierte die chemische Variation der beteiligten Komponenten, dass die organische Vernetzung und das anorganische Netzwerk stark miteinander wechselwirken. Somit ensteht ein Synergieeffekt, welcher der hybridpolymeren Schicht ihre mechanische Beständigkeit verleiht. Schließlich stellte sich heraus, dass die Mikrohärte mit den spektroskopischen Daten verknüpft werden kann. Bei allen Schichtsystemen zeigte sich eine starke Abhängigkeit von Mikrohärte und Härtungsdauer. Alle thermisch gehärteten Schichten weisen eine sehr hohe Abriebfestigkeit sowie eine sehr gute Adhäsion auf Glas und Kunststoff auf, was ihren Einsatz als kratzfeste Schichten nahelegt. Die UV-härtbaren Schichtsysteme weisen zwar eine hohe Abriebfestigkeit auf, haften aber schlecht auf Polycarbonaten (PC). Die haftungs- / enthaftungsrelevanten Vorgänge spielen sich an der Grenzflächen oder einer Interphase geringer Ausdehnung statt und können daher Raman-miskrospektroskopisch nicht erfasst werden. TEM-Aufnahmen zeigten deutlich, dass die schlechte Haftung auf PC auf die unzureichende Benetzung der Schicht auf dem Substrat zurückzuführen ist. Weiterhin konnte festgestellt werden, dass der Zusatz von einem Acrylat als Additiv zur Bildung einer Interdiffusionsschicht führt, die die Haftung auf PC verbessert. Die Untersuchungen der Bewitterungsbeständigkeit beschränkten sich auf zwei UV-härtbare Schichtsysteme. Die Mikro-Raman-Spektren zeigten, dass zunächst die organischen Komponenten der hybriden Schicht angegriffen und geschädigt werden. Der Schutzeffekt von Lichtstabilisatoren und UV-Absorbern auf die organischen Komponenten des hybriden Netzwerks konnte ebenfalls spektroskopisch bestätigt werden. / The present work deals with the Raman spectroscopic study of hybrid coating formulations prepared by the sol-gel process. First vibrational spectroscopic assignments for several alkoxysilanes were completed and presented. The hydrolysis of vinyltriethoxysilane (VTES) was followed from the sol to the xerogel state by means of FT-Raman spectroscopy. New insights about characteristic Raman bands of the inorganic network were gained from further investigations. The second part of this work deals with the confocal Raman microscopic study of the inorganic condensation and organic cross-linking of hybrid coatings. For this purpose several polymeric substrates were studied. It was experimentally demonstrated that the axial resolution of the confocal Raman microspectrometer is actually lower than usually claimed in the literature. The confocal Raman microscopic study of different coating systems showed that the vibrational modes of the inorganic network may be easily detected in the low wavenumber region. The position of the characteristic so-called T3/Q3 band for the UV-cured samples indicates a lower inorganic condensation as compared to the air-dried xerogel. This was confirmed by means of the corresponding 29Si solid state NMR spectra. Besides, it was shown that the degree of condensation is higher in the coatings as in the bulk samples. The Raman microscopic measurements may help to investigate and solve the condensation problems during development of coating sols. After a reminder of the mechanisms involved in the organic cross-linking of epoxy-based systems, the thermally cured coating system containing Glycidyloxypropyltrimethoxysilane (GPTMS) was first studied. The analysis of the characteristic ring-breathing mode of the epoxy groups was used to calculate the conversion of the epoxy groups. The conversion of the epoxy groups through a thermal polyaddition was found to be very low. In contrast to that, the thermal curing in the presence of an anhydride was much more efficient under the same conditions. Furthermore it must be pointed out that the state of condensation and organic cross-linking in thin coatings must not be derived from the spectral results obtained for the corresponding bulk samples. The conversion of the unsaturated groups may be calculated for all UV-curable coating systems with the help of their corresponding Raman bands. The reactivity of the unsaturated groups towards radical polymerisation was found to follow the series: allyl < vinyl < acrylate. In comparison, the thiol / ene addition (VTES / Mercaptopropyltrimethoxysilane coatings) leads to a higher conversion degree of the vinyl groups under the same curing conditions. This result shows that the kinetics of the polymerisation reaction employed has a decisive influence on the completeness of the organic cross-linking. A further part of this work aimed at the investigation of the mechanical properties of the hybrid films. It was proceeded with some variation of the chemical formulation, which finally revealed a strong coupling effect existing between organic cross-linking and inorganic network. This synergic effect is undoubtedly responsible for the mechanical resistance of the hybrid coatings. Finally, it was found that the micro-hardness may be correlated with the Raman spectroscopic data, the quantitative estimation of the organic cross-linking degree beeing a function of the curing conditions and chemistry for any studied hybrid coating system. A strong dependence between the micro-hardness and the curing time was noted. All the thermally curable coatings were highly resistant against abrasion and generally possess very good adhesion properties on glass and plastic, so that they have a great potential for scratch-resistant coating applications. UV-curable coating systems, while having a good abrasion resistance as well, showed poor adhesion on polycarbonate (PC). Adhesion relevant processes occur at the interface or in a region of small dimension, thus are not accessible through Raman microspectroscopy. The TEM micrographs showed that the lack of adhesion on polycarbonate was essentially due to the poor wettability of the coating sol on the polycarbonate substrate. The TEM micrographs of coating systems containing an acrylated additive showed the presence of an interpenetrating layer that is considered to be responsible for the good adhesion on polycarbonate. The investigations on the weathering stability of the hybrid coatings were restricted to two UV-curable coating systems. The micro-Raman spectra showed that mainly the organic cross-links would be affected and damaged through the accelerated weathering. The addition of light stabilizers and UV-absorbers clearly lead to a protection of the organic cross-links of the hybrid coatings as shown spectroscopically.