In recent years, the aim of supramolecular syntheses is not only the creation of particular structures but also the introduction of specific functions in these supramolecules. The present work describes the use of the ionic self-assembly (ISA) route to generate nanostructured materials with integrated functionality. Since the ISA strategy has proved to be a facile method for the production of liquid-crystalline materials, we investigated the phase behaviour, physical properties and function of a variety of ISA materials comprising a perylene derivative as the employed oligoelectrolyte. Functionality was introduced into the materials through the use of functional surfactants. <br><br> In order to meet the requirements to produce functional ISA materials through the use of functional surfactants, we designed and synthesized pyrrole-derived monomers as surfactant building blocks. Owing to the presence of the pyrrole moiety, these surfactants are not only polymerizable but are also potentially conductive when polymerized. We adopted single-tailed and double-tailed N-substituted pyrrole monomers as target molecules. Since routine characterization analysis of the double-tailed pyrrole-containing surfactant indicated very interesting, complex phase behaviour, a comprehensive investigation of its interfacial properties and mesophase behavior was conducted. The synthesized pyrrole-derived surfactants were then employed in the synthesis of ISA complexes. The self-assembled materials were characterized and subsequently polymerized by both chemical and electrochemical methods. The changes in the structure and properties of the materials caused by the in-situ polymerization were addressed.<br><br> In the second part of this work, the motif investigated was a property rather than a function. Since chiral superstructures have obtained much attention during the last few years, we investigated the possibility of chiral ISA materials through the use of chiral surfactants. Thus, the work involved synthesis of novel chiral surfactants and their incorporation in ISA materials with the aim of obtaining ionically self-assembled chiral superstructures. <br><br> The results and insights presented here suggest that the presented synthesis strategy can be easily extended to incorporate any kind of charged tectonic unit with desired optical, electrical, or magnetic properties into supramolecular assemblies for practical applications. / Supramolekulare Chemie zielt auf den Aufbau großer Moleküle und neuer Materialien aus kleineren Einheiten. Durch supramolekulare Wechselwirkungen d.h. nicht-kovalente Bindungen, können definierte Ordnungen von Molekülverbänden in Größen von mehreren 100 Mikrometern hergestellt werden. Diese Wechselwirkungen und die daraus resultierenden Anordnungen von Molekülen bestimmen die für Anwendungen relevanten makroskopischen Materialeigenschaften. <br><br> Es gibt viele verschiedene Wechselwirkungen, die in der Supramolekularen Chemie angewendet werden können. Eine davon ist die ionische Wechselwirkung, die in dieser Arbeit als Triebkraft für die Herstellung supramolekularer Materialien verwendet wird. Diese Strategie wurde vor kurzem ISA (Ionic-Self-Assembly, d.h. Ionische Selbsorganisation) genannt. <br><br> Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung funktioneller Nanomaterialen durch die Anwendung der ISA-Strategie. Da sich die ISA-Strategie als einfache Methode für die Produktion von Flüssigkristallen herausstellte, untersuchten wir die Eigenschaften vieler ISA-Materialen, die einen Farbstoffbaustein integriert haben. Die Funktion der Materialien wurde hierbei durch die Verwendung funktioneller Tenside geschaffen. Um die Anforderungen für die Produktion funktioneller ISA-Materialen durch die Nutzung funktioneller Tenside sicherzustellen, wurden Pyrrol-Monomere als Tenside hergestellt. Durch die Pyrrol-Einheiten sind die Tenside polymerisierbar und zeigen danach Potential für Leitfähigkeit. <br><br> Es wurden Pyrrol-Tenside sowohl mit Einzel- als auch mit Doppelketten synthetisiert. Da die Standardcharakterisierung des Doppelketten-Tensids ein interessantes Phasenverhalten zeigte, wurden umfassende Untersuchungen der Grenzflächeneigenschaften und des mesophasen Verhaltens durchgeführt. Beide Tenside wurden dann in der Produktion von ISA-Materialien verwendet. Die hergestellten Materialen wurden charakterisiert und konnten durch die Pyrrol-Einheit sowohl chemisch als auch elektrochemisch polymerisiert werden. Die aus dieser Polymerisierung resultierenden Änderungen der Eigenschaften, Struktur und Function der Materialen wurden ebenfalls untersucht. <br><br> Der zweite Teil dieser Arbeit klärt Nutzungsmöglichkeiten chiraler Tenside für die Herstellung chiraler ISA-Strukturen. Obwohl Chiralität keine eigentliche Funktion sondern eine Eigenschaft ist, haben chirale Strukturen in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit bekommen. Deshalb wurden, mit dem Ziel chirale ISA-Strukturen zu erhalten, neue chirale Tenside hergestellt und diese als Bausteine in ISA-Materialien benutzt.<br><br> Die mit dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse und neuen Einsichten zeigen, dass die ISA-Strategie leicht erweitert werden kann, um jede Art von Bausteine zu integrieren. Dadurch können nanostukturierte Materialien mit gewünschten spezifischen optischen, elektrischen oder elektromagnetischen Eigenschaften für praktische Anwendungen geschaffen werden.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung, Synthese und Charakterisierung neuartiger oligofunktionalisierter Amphiphile mit potentiellen Sammler- und LB-Filmbildungseigenschaften. Basierend auf dem entwickelten Konzept der supramolekularen Strukturbildung zum Aufbau präorganisierter und gebündelter Sammleraggregate wurden zwei Typen neuartiger oligofunktioneller Tenside synthetisiert, die sich insbesondere in ihrer konformativen Flexibilität und Hydrophilie-Lipophilie-Balance unterscheiden. Ausgeprägte oberflächenaktive Eigenschaften wurden bei den bi-, tri- und tetrafunktionellen Aminosäure-analogen Zielverbindungen (Typ II) mit linearer, trigonaler und tetragonaler Molekülstruktur gefunden. Diese Verbindungen bilden auch stabile monomolekulare Filme geringer Heterogenität aus. Im mineralischen Flotationsprozess ergeben diese präorganisierten Tenside mit geometrisch kontrollierter Positionierung der lateralen Funktionseinheiten im Vergleich zu konventionellen Sammlern bei spezifischem Verhalten eine bemerkenswerte Steigerung der flotativen Effizienz.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung, Synthese und Charakterisierung neuartiger oligofunktionalisierter Amphiphile mit potentiellen Sammler- und LB-Filmbildungseigenschaften. Basierend auf dem entwickelten Konzept der supramolekularen Strukturbildung zum Aufbau präorganisierter und gebündelter Sammleraggregate wurden zwei Typen neuartiger oligofunktioneller Tenside synthetisiert, die sich insbesondere in ihrer konformativen Flexibilität und Hydrophilie-Lipophilie-Balance unterscheiden. Ausgeprägte oberflächenaktive Eigenschaften wurden bei den bi-, tri- und tetrafunktionellen Aminosäure-analogen Zielverbindungen (Typ II) mit linearer, trigonaler und tetragonaler Molekülstruktur gefunden. Diese Verbindungen bilden auch stabile monomolekulare Filme geringer Heterogenität aus. Im mineralischen Flotationsprozess ergeben diese präorganisierten Tenside mit geometrisch kontrollierter Positionierung der lateralen Funktionseinheiten im Vergleich zu konventionellen Sammlern bei spezifischem Verhalten eine bemerkenswerte Steigerung der flotativen Effizienz.

In der Arbeit wurde der Einfluss des Einsatzes ethoxylierter Sulfosuccinate auf die Weichheit kollagener Substrate untersucht. Als kollagene Substrate dienen chromiertes Hautpulver und chromgegerbte Leder (Wet-blue). Speziell dem Einfluss der Kettenlänge der Sulfosuccinate, dem Angebot und den Applikationsbedingungen auf die Isolierung der Fibrillen des Kollagens (durch REM-Aufnahme belegt) wurde dabei besondere Aufmerksamkeit gewidmet und das C14-ethoxylierte Sulfosuccinat als am geeignetsten erkannt. Anhand der Berechnung der Fettbedeckung der Kollagen-Strukturelemente, der kritischen Mizellbildungskonzentration der Sulfosuccinatlösungen sowie der Veränderung des isoelektrischen Punktes des Kollagens wurde die Ablagerung der Fettmoleküle diskutiert und das Auftreten von ionischen und hydrophoben Wechselwirkungen nachgewiesen. Die Ergebnisse sind ein Beitrag zur Theorie der Fettung von Kollagen und zur Optimierung der Lederfettung.

In der vorliegenden Arbeit werden off-lattice Monte-Carlo-Simulationen von Systemen einfacher Tensidmodelle präsentiert. Die verwendeten Modellmoleküle bestehen aus einem hydrophilen Kopfsegment und zwei hydrophoben Kettensegmenten. Zwischen den Segmenten wurden square-well-Wechselwirkungen benutzt, um den Hydrophoben Effekt und andere Wechselwirkungen zu simulieren. Die Aggregation der Tensidmodelle wurde im Lösungsvolumen und an Feststoffoberflächen untersucht. In der Lösung wurden Kugelmicellen, Wurmmicellen, Bischichten und Vesikel beobachtet. Die Struktur der Aggregate wird bei der Adsorption an Feststoffoberflächen mit niedriger oder mittlerer Adsorptionsenergie nicht grundlegend verändert. An Oberflächen wurden in Abhängigkeit vom Verhältnis der Adsorptionsenergie zur Stärke des Hydrophoben Effektes verschiedene Strukturen der adsorbierten Schichten beobachtet. Eigenschaften der adsorbierten Aggregate wurden bei unterschiedlichen Oberflächenkonzentrationen ermittelt.

The properties of a series of well-defined new surfactant oligomers (dimers to tetramers)were examined. From a molecular point of view, these oligomeric surfactants consist of simple monomeric cationic surfactant fragments coupled via the hydrophilic ammonium chloride head groups by spacer groups (different in nature and length). Properties of these cationic surfactant oligomers in aqueous solution such as solubility, micellization and surface activity, micellar size and aggregation number were discussed with respect to the two new molecular variables introduced, i.e. degree of oligomerization and spacer group, in order to establish structure – property relationships. Thus, increasing the degree of oligomerization results in a pronounced decrease of the critical micellization concentration (CMC). Both reduced spacer length and increased spacer hydrophobicity lead to a decrease of the CMC, but to a lesser extent. For these particular compounds, the formed micelles are relatively small and their aggregation number decreases with increasing the degree of oligomerization, increasing spacer length and sterical hindrance. In addition, pseudo-phase diagrams were established for the dimeric surfactants in more complex systems, namely inverse microemulsions, demonstrating again the important influence of the spacer group on the surfactant behaviour. Furthermore, the influence of additives on the property profile of the dimeric compounds was examined, in order to see if the solution properties can be improved while using less material. Strong synergistic effects were observed by adding special organic salts (e.g. sodium salicylate, sodium vinyl benzoate, etc.) to the surfactant dimers in stoichiometric amounts. For such mixtures, the critical aggregation concentration is strongly shifted to lower concentration, the effect being more pronounced for dimers than for analogous monomers. A sharp decrease of the surface tension can also be attained. Many of the organic anions produce viscoelastic solutions when added to the relatively short-chain dimers in aqueous solution, as evidenced by rheological measurements. This behaviour reflects the formation of entangled wormlike micelles due to strong interactions of the anions with the cationic surfactants, decreasing the curvature of the micellar aggregates. It is found that the associative behaviour is enhanced by dimerization. For a given counterion, the spacer group may also induce a stronger viscosifying effect depending on its length and hydrophobicity. Oppositely charged surfactants were combined with the cationic dimers, too. First, some mixtures with the conventional anionic surfactant SDS revealed vesicular aggregates in solution. Also, in view of these catanionic mixtures, a novel anionic dimeric surfactant based on EDTA was synthesized and studied. The synthesis route is relatively simple and the compound exhibits particularly appealing properties such as low CMC and σCMC values, good solubilization capacity of hydrophobic probes and high tolerance to hard water. Noteworthy, mixtures with particular cationic dimers gave rise to viscous solutions, reflecting the micelle growth. / Die Eigenschaften einer Reihe gut definierter neuer oligomerer Tenside (von Dimeren bis zu Tetrameren) wurden untersucht. Strukturell bestehen diese oligomeren Tenside aus einfachen monomeren kationischen Tensidfragmenten, die über die hydrophile Kopfgruppe (Tetraalkyl-Ammoniumchlorid) durch „Spacer“-Gruppen unterschiedlicher Natur und Länge miteinander verbunden/gekoppelt sind. Die Eigenschaften dieser kationischen oligomeren Tenside in wässriger Lösung wie Löslichkeit, kritische Mizellbildungskonzentration und Oberflächenaktivität, Mizellgröße und Aggregationszahl werden in Bezug auf die zwei neuen molekularen Variabeln (d.h. dem Oligomerisationsgrad und der Spacer-Gruppe) untersucht, um Struktur-Eigenschafts-Beziehungen abzuleiten. Die Erhöhung des Oligomerizationsgrads verringert stark die kritische Mizellbildungskonzentration (CMC). Eine kurze Spacer-Länge oder ein erhöhte Hydrophobie des Spacers erniedrigt die CMC ebenfalls, aber in einem geringeren Umfang. Die gebildeten Mizellen sind relativ klein und ihre Aggregationszahl nimmt mit zunehmendem Oligomerisationsgrad ab, genau wie mit zunehmender Spacerlänge oder sterischer Behinderung. Außerdem wurden Pseudo-Phasendiagramme für die Gemini-Tenside in komplexen Systemen, nämlich in inversen Mikroemulsionen untersucht. Auch hier zeigt die Spacer-Gruppe einen großen Einfluß auf das Tensidverhalten. Weiterhin wurde der Einfluss von Zusätzen auf das Eigenschaftsprofil der dimeren Tenside untersucht. Starke Synergien wurden beobachtet, wenn man spezielle organische Anionen (z.B. Natriumsalicylat, Natriumvinylbenzoat, etc.) zu den dimeren Tensiden in stöchiometrischen Mengen hinzugibt. Für solche Mischungen wird die Mizellbildungskonzentration stark zu niedrigen Konzentrationen verschoben, wobei der Effekt für die Dimere ausgeprägter als für die analogen Monomere ist. Eine Verringerung der Oberflächenspannung wird ebenfalls erreicht. Gemini-Tenside mit geeigneten Spacer-Gruppen bilden nach Zugabe ausgewählter organischer Anionen viskoelastische Lösungen, selbst wenn die dimeren Tenside nur über relativ kurz Alkylketten verfügen. Dies wurde mittels rheologischer Messungen gezeigt. Dieses Verhalten resultiert aus der Bildung langer Zylinder-Mizellen aufgrund der starken Wechselwirkung der Anionen mit den kationischen Tensiden, die die Krümmung der mizellaren Strukturen verringern. Es wurde auch festgestellt, dass das assoziative Verhalten durch die Dimerisation erhöht wird. Für ein gegebenes Gegenion kann die Spacer-Gruppe den verdickenden Effekt verstärken, in Abhängichkeit von seiner Länge und Hydrophobie. Als weitere Zusätze wurden entgegengesetzt geladene Tenside wurden mit den kationischen Dimeren kombiniert. Einige Mischungen mit dem käuflichen anionischen Tensid SDS bilden Vesikel in Lösung. Mit Blick auf diese katanionischen Mischungen wurde ein neues anionisches Gemini-Tensid, das auf EDTA basiert ist, synthetisiert und charakterisiert. Der Syntheseweg ist relativ einfach und das Tensid zeigt interessante Eigenschaften wie niedrige CMC- und scmc-Werte, gute Solubilisierungskapazität von hydrophoben Substanzen und hohe Toleranz gegen hartes Wasser. Mischungen dieses anionischen Tensids mit bestimmten kationischen Dimeren bilden visköse Lösungen, was ein starkes Mizell-Wachstum widerspiegelt.

In der Arbeit wurde der Einfluss des Einsatzes ethoxylierter Sulfosuccinate auf die Weichheit kollagener Substrate untersucht. Als kollagene Substrate dienen chromiertes Hautpulver und chromgegerbte Leder (Wet-blue). Speziell dem Einfluss der Kettenlänge der Sulfosuccinate, dem Angebot und den Applikationsbedingungen auf die Isolierung der Fibrillen des Kollagens (durch REM-Aufnahme belegt) wurde dabei besondere Aufmerksamkeit gewidmet und das C14-ethoxylierte Sulfosuccinat als am geeignetsten erkannt. Anhand der Berechnung der Fettbedeckung der Kollagen-Strukturelemente, der kritischen Mizellbildungskonzentration der Sulfosuccinatlösungen sowie der Veränderung des isoelektrischen Punktes des Kollagens wurde die Ablagerung der Fettmoleküle diskutiert und das Auftreten von ionischen und hydrophoben Wechselwirkungen nachgewiesen. Die Ergebnisse sind ein Beitrag zur Theorie der Fettung von Kollagen und zur Optimierung der Lederfettung.

In der vorliegenden Arbeit werden off-lattice Monte-Carlo-Simulationen von Systemen einfacher Tensidmodelle präsentiert. Die verwendeten Modellmoleküle bestehen aus einem hydrophilen Kopfsegment und zwei hydrophoben Kettensegmenten. Zwischen den Segmenten wurden square-well-Wechselwirkungen benutzt, um den Hydrophoben Effekt und andere Wechselwirkungen zu simulieren. Die Aggregation der Tensidmodelle wurde im Lösungsvolumen und an Feststoffoberflächen untersucht. In der Lösung wurden Kugelmicellen, Wurmmicellen, Bischichten und Vesikel beobachtet. Die Struktur der Aggregate wird bei der Adsorption an Feststoffoberflächen mit niedriger oder mittlerer Adsorptionsenergie nicht grundlegend verändert. An Oberflächen wurden in Abhängigkeit vom Verhältnis der Adsorptionsenergie zur Stärke des Hydrophoben Effektes verschiedene Strukturen der adsorbierten Schichten beobachtet. Eigenschaften der adsorbierten Aggregate wurden bei unterschiedlichen Oberflächenkonzentrationen ermittelt.

Sewage exfiltration from a sanitary and combined sewer systems and its percolation into porous medium results in a clogged or colmation layer in the nearby soil. In order to develop a comprehensive understanding of raw sewage transport mechanisms in porous media, investigations were carried out on the micro-scale properties of the multiphase system. In our laboratory experiments, the role of surfactants as a major organic chemical compound in wastewater was evaluated by using a surfactant solution as an artificial wastewater percolating into a porous media, represented by using columns and Plexiglas model. We studied flows of water and surfactants solution in saturated porous medium to detect the dynamic effects by means of measuring pressure and permeability as well as by visualization of flow regions and consequence for porosity along interfaces between water and surfactants solution. The tests revealed that mechanisms at interfaces between fluids and solids as well as between water and surfactants solution (i.e. wastewater) are significantly influencing the flow behavior. At the interfaces surfactant molecules are adsorbed or accumulate, respectively, and subsequently inducing electrical charges to those layers, altering the properties of fluids and these interfaces. Depending on the conditions, channels might be narrowed and thus decreasing the flow rate with a later erosion and increase of flow rates, or the flow and thus the erosive capacity might become intensified along the interface between surfactants solution and neighbouring water. In conclusion, the results of tests proved the surfactants to be an important controlling factor in the hydraulic properties of wastewater percolating into soil.

Die geordneten mesoporösen Silikamaterialien SBA-15 und MCM-41 zeichnen sich durch lange zylindrische Poren aus, die auf einem 2D-hexagonalen Gitter arrangiert sind. Auf Grund dieser Eigenschaften finden sie vielfach Anwendung in der Industrie, bieten jedoch auch die Möglichkeit Sorptionsvorgänge und die dadurch induzierten Verformungen auf der Nanometerebene zu untersuchen. Dazu werden im ersten Teil dieser Arbeit Kleinwinkelröntgenstreuungsdaten mit Hilfe eines Formfaktormodells angefittet, um die Adsorption von Fluid in den Poren in Abhängigkeit vom Dampfdruck nachvollziehen zu können. Basierend auf diesen Ergebnissen wird ein Gittermodell eingeführt, welches die Vorgänge während der Sorption mit Hilfe heuristischer Füllmechanismen reproduziert und im Abgleich mit experimentellen Daten Auskunft über die Verteilung der Porosität auf Mikro- und Mesoporen in SBA-15 gibt. Weiterhin wird der Einfluss der begrenzten Geometrie auf die Selbstassemblierung von Tensiden in SBA-15 untersucht. Hierzu werden Neutronenstreudaten durch die Kombination eines Formfaktormodells für die Bragg-Streuung und des Teubner-Strey-Modells für die diffuse Streuung modelliert und interpretiert. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit den elastischen Verformungen der mesoporösen Materialien durch die Fluidsorption. Dazu wird eine Molekulardynamik-Simulation eines Lennard-Jones-Fluids in einer Schlitzpore vorgestellt, um den Ursprung dieser Verformungen auf der mikroskopischen Ebene zu untersuchen. Diese Ergebnisse fließen anschließend in ein makroskopisches Modell eines ganzen Kristalliten des mesoporösen Materials ein, wodurch ein einfaches Multiskalenmodell entsteht. Die makroskopische Ebene wird dabei durch eine Finite-Elemente-Simulation beschrieben, die im Abgleich mit experimentellen Daten weitere Aussagen über die elastischen Eigenschaften des Materials erlaubt. / The ordered mesoporous silica materials SBA-15 and MCM-41 consist of long cylindrical pores arranged on a 2D-hexagonal lattice. Due to these features, they are used for a range of industrial applications but provide also a possibility to study sorption processes and sorption-induced deformations on the nanoscale. In the first part of this work small-angle X-ray scattering data are fitted with a form factor model in order to examine fluid adsorption in the pores. Based on these results a lattice model is introduced which reproduces the sorption process using heuristic filling mechanisms and clarifies how the porosity of SBA-15 is composed out of micro- and mesopores. Furthermore, the influence of the confined geometry on the self-assembly of surfactants in SBA-15 is studied. For this, neutron scattering data are modeled and interpreted by the combination of a form factor model for the Bragg scattering and the Teubner-Strey model for the diffuse scattering. The second part of this work focuses on the elastic deformations caused by fluid sorption in the mesoporous materials. A Molecular Dynamics simulation of a Lennard-Jones fluid in a slit-pore is presented in order to reveal the origin of these deformations on the microscopic scale. These results are subsequently implemented into a macroscopic model of whole crystallite, thereby creating a simple multi-scale model. The macroscopic scale is modeled with a Finite Elements simulation, which by comparison with experimental data delivers further insights into the elastic properties of the material.