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    Adjustable polystyrene nanoparticle templates for the production of mesoporous foams and ZnO inverse opals
    (2020) Abitaev, Karina; Qawasmi, Yaseen; Atanasova, Petia; Dargel, Carina; Bill, Joachim; Hellweg, Thomas; Sottmann, Thomas
    The manifold applications of porous materials, such as in storage, separation, and catalysis, have led to an enormous interest in their cost-efficient preparation. A promising strategy to obtain porous materials with adjustable pore size and morphology is to use templates exhibiting the appropriate nanostructure. In this study, close-packed polystyrene (PS) nanoparticles, synthesized by emulsion polymerization, were used to produce porous PS and ZnO inverse opals. The size and distribution of the polystyrene nanoparticles, characterized by dynamic light scattering (DLS), small-angle neutron scattering (SANS), and scanning electron microscopy (SEM), were controlled via the concentration of sodium dodecyl sulfate (SDS). Systematic measurements of the water/styrene-interfacial tension show that the critical micelle concentration (CMC) of the ternary water–styrene–SDS system, which determines whether monodisperse or polydisperse PS particles are obtained, is considerably lower than that of the binary water–SDS system. The assemblies of close-packed PS nanoparticles obtained via drying were then studied by small-angle X-ray scattering (SAXS) and SEM. Both techniques prove that PS nanoparticles synthesized above the CMC result in a significantly unordered but denser packing of the particles. The polystyrene particles were subsequently used to produce porous polystyrene and ZnO inverse opals. While the former consists of micrometer-sized spherical pores surrounded by extended open-cellular regions of mesopores (Rpore ≈ 25 nm), the latter are made of ZnO-nanoparticles forming a structure of well-aligned interconnected pores.
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    Genetisch modifizierte Biotemplate zur Erzeugung von Zr-basierten Nanomaterialien
    (2019) Eisele, Rahel; Bill, Joachim (Prof. Dr.)
    In Biomineralisationsprozessen aus der belebten Natur scheiden sich anorganische Materialien auf organischen Templaten (Biomakromoleküle) ab. Funktionelle Gruppen der Makromoleküle steuern dabei die Abscheidung aus einer wässrigen Lösung sowie die Strukturierung des anorganischen Materials. Dabei sind spezifische Wechselwirkungen zwischen dem organischen Templat und dem anorganischen Material von Bedeutung. Die Materialbildung findet unter Umgebungsbedingungen in wässrigen Systemen statt. Für technisch interessante Materialien wie Zirkoniumdioxid (ZrO2) stellt die energieeffiziente Herstellung präziser Nanostrukturen eine technische Herausforderung dar. Daher wurden im Rahmen dieser Arbeit die Prinzipien der Biomineralisation auf die Herstellung von Zirkonium-basiertem Material (ZrbM) übertragen. Hierzu gehörte die Materialbildung durch Mineralisation aus einer ZrOCl2-Lösung sowie eine gezielte Mineralisation auf bioorganischen M13-Bakteriophagentemplaten. Um die „biologische Spezifität“ in Biomineralisationsprozessen auf die Bildung von ZrbM zu übertragen, wurden Peptide mittels Phagen-Display identifiziert, die spezifisch an ZrO2 binden. Mittels genetischer Modifikation wurden diese ZrO2 Bindepeptide auf der Phagenoberfläche präsentiert. Hierdurch wurde eine hohe Bindepeptiddichte und damit viele Interaktionspunkte zum anorganischen Material erzielt. Bevor der Einfluss dieser Bindepeptide auf die Mineralisation von ZrbM untersucht werden konnte, wurde zunächst der Partikelbildungs- und Partikelwachstumsprozess von ZrbM in einer ZrOCl2-Lösung und einem Ethanol-Wasser Lösungsmittelgemisch bei verschiedenen System- und Prozessparametern beschrieben. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurde eine Mineralisationslösung etabliert mit der der Einfluss der Bindepeptide - präsentiert auf der Phagenoberfläche - auf die Mineralisation von ZrbM untersucht werden konnte. Die Bindepeptide zeigten einen deutlichen Einfluss auf die Mineralisation von ZrbM. Im Vergleich zu Bakteriophagen ohne Bindepeptid wurde mit den genetisch modifizierten Bakteriophagen eine deutlich höhere Abscheiderate erzielt. Dieser Einfluss der Bindepeptide wurde auf Hydroxygruppen in Serineinheiten zurückgeführt. Diese führen zum einen zu einer starken Anziehung von molekularen Zr-Spezies an das Biotemplat. Zum anderen induzieren die Hydroxygruppen die heterogene Keimbildung von ZrbM durch Kondensationsreaktionen zwischen dem Biotemplat und molekularen Zr-Spezies. Somit ist es nun möglich genetisch kontrolliert Zr-basierte Nanomaterialien zu mineralisieren. Im Rahmen dieser Arbeit gelang es nicht nur einzelne Phagen zu mineralisieren, sondern auch dünne homogene Schichten aus ZrbM. Diese ZrbM-Schichten wurden im letzten Teil dieser Arbeit vergleichend zu Phagenschichten und SiO2-Schichten auf die Adhäsion von Staphylococcus aureus (S. aureus) getestet. S. aureus ist ein pathogenes Bakterium, welches zur Bildung von Biofilmen, zum Beispiel auf Implantaten, und dadurch zu einem Implantatverlust bis hin zu lebensbedrohlichen Komplikationen führen kann. Die Biofilmbildung kann effektiv unterbunden werden, indem die Bakterienadhäsion auf Oberflächen verhindert wird. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit untersucht, ob bestimmte chemische Oberflächen, das heißt bestimmte Materialien oder auch bestimmte funktionelle Gruppen, die Bakterienadhäsion unterdrücken können. Die Untersuchung der Bakterienadhäsion auf den verschiedenen Oberflächen ergab, dass auf der Phagenschicht im Vergleich zur SiO2-Schicht und einer Schicht aus ZrbM eine sehr geringe Bakterienadhäsion vorlag. Untersuchungen verschiedener Einflussfaktoren auf die Bakterienadhäsion zeigten, dass die Bakterienadhäsion an der SiO2-Schicht und der ZrbM-Schicht durch die Oberflächenrauigkeit, die Hydrophobizität und die Oberflächenladung beeinflusst werden kann. Bei der Phagenschicht korrelierten weder die Oberflächenladung, noch die Oberflächenrauigkeit und die Hydrophobizität im Vergleich zu den anorganischen Materialoberflächen mit der Bakterienadhäsion. Dies ließ darauf schließen, dass die geringe Bakterienadhäsion auf der Phagenschicht auf die biochemische Zusammensetzung der Hüllproteine, vor allem auf die Abwesenheit spezifischer Bindedomänen (Ligand-Rezeptor-Wechselwirkungen), zurückzuführen ist.
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    Identification of the first sulfobetaine hydrogel‐binding peptides via phage display assay
    (2023) Ihlenburg, Ramona B. J.; Petracek, David; Schrank, Paul; Davari, Mehdi D.; Taubert, Andreas; Rothenstein, Dirk
    Using the M13 phage display, a series of 7- and 12-mer peptides which interact with new sulfobetaine hydrogels are identified. Two peptides each from the 7- and 12-mer peptide libraries bind to the new sulfobetaine hydrogels with high affinity compared to the wild-type phage lacking a dedicated hydrogel binding peptide. This is the first report of peptides binding to zwitterionic sulfobetaine hydrogels and the study therefore opens up the pathway toward new phage or peptide/hydrogel hybrids with high application potential.
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    Adsorption of heavy metals from low concentration solutions onto dried Chlamydomonas reinhardtii
    (2024) Genduso, Maria Giuseppina; Guagliano, Marianna; Finocchio, Elisabetta; Cristiani, Cinzia; Dotelli, Giovanni; Santomauro, Giulia
    Heavy metals, such as Pb(II), Cr(III), and Cd(II), are frequently discharged into the environment, resulting in a threat for the health of living organisms. Microalgae represent an ecological method for the removal of these pollutants. The capture capability of active and dried Chlamydomonas reinhardtii towards both mono-ionic and multi-ionic solutions is evaluated to study the bioremediation in low-polluted wastewaters. Several characterization techniques have been performed to study morphology, composition, and the interaction between the metals and the microalgal functional groups of the wall. The effect of the operating conditions, such as contact time and pH, is assessed; an increased contact time of 4 days did not influence the adsorption yields of Pb and Cr, but it had a negative effect on Cd adsorption, while the impact of pH was mainly affecting the chemical speciation, rather than the adsorption capability. The microalga showed a larger affinity for Pb and Cd, respectively, 80 and 76% ( w / w ) of adsorption, while only the 65% ( w / w ) of the total Cr was adsorbed, suggesting a preferential biosorption.
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    Precipitation of nitrides in iron-based binary and ternary alloys; influence of defects and transformation-misfit stresses
    (2015) Akhlaghi, Maryam; Mittemeijer, Eric Jan (Prof. Dr. Ir.)
    The initial microstructure of the unnitrided specimen has a significant influence on the nitriding response of binary Fe-Me (Me: Mo or Al) alloys specimens. This effect was not investigated until now for the case of nitrided ternary Fe-Me1-Me2 alloys, the role of the initial microstructure was studied upon nitriding Fe-4.1 at.% Cr-7.9 at.% Al specimens. To this end, the recrystallized and cold-rolled specimens were nitrided at low nitriding temperature of 400 °C. Upon precipitation of misfitting coherent nitrides during nitriding of thin-foils of binary Fe-Me (Me: Cr and V) alloys, a hydrostatic tensile lattice-stain component results from the elastic accommodation of volume misfit of nitrides and ferrite matrix. The change of the ferrite-matrix lattice parameter can be traced upon precipitation of the nitrides by X-ray diffraction measurements. The theory originally developed for the case of imperfections (by Eshelby) in solids can be applied for quantitatively describing the lattice-parameter changes of the matrix, the nitrides and the aggregate (matrix+ nitrides) as function of volume fraction and type of nitrides.
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    Magnetic Moment Tensor Potentials for collinear spin-polarized materials reproduce different magnetic states of bcc Fe
    (2022) Novikov, Ivan; Grabowski, Blazej; Körmann, Fritz; Shapeev, Alexander
    We present the magnetic Moment Tensor Potentials (mMTPs), a class of machine-learning interatomic potentials, accurately reproducing both vibrational and magnetic degrees of freedom as provided, e.g., from first-principles calculations. The accuracy is achieved by a two-step minimization scheme that coarse-grains the atomic and the spin space. The performance of the mMTPs is demonstrated for the prototype magnetic system bcc iron, with applications to phonon calculations for different magnetic states, and molecular-dynamics simulations with fluctuating magnetic moments.
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    Field evaporation and atom probe tomography of pure water tips
    (2020) Schwarz, T. M.; Weikum, E. M.; Meng, K.; Hadjixenophontos, E.; Dietrich, C. A.; Kästner, J.; Stender, P.; Schmitz, G.
    Measuring biological samples by atom probe tomography (APT) in their natural environment, i.e. aqueous solution, would take this analytical method, which is currently well established for metals, semi-conductive materials and non-metals, to a new level. It would give information about the 3D chemical structure of biological systems, which could enable unprecedented insights into biological systems and processes, such as virus protein interactions. For this future aim, we present as a first essential step the APT analysis of pure water (Milli-Q) which is the main component of biological systems. After Cryo-preparation, nanometric water tips are field evaporated with assistance by short laser pulses. The obtained data sets of several tens of millions of atoms reveal a complex evaporation behavior. Understanding the field evaporation process of water is fundamental for the measurement of more complex biological systems. For the identification of the individual signals in the mass spectrum, DFT calculations were performed to prove the stability of the detected molecules.
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    Molecular dynamics simulations of screw dislocation mobility in bcc Nb
    (2021) Zotov, Nikolay; Grabowski, Blazej
    The screw dislocation mobility in bcc Nb has been studied by molecular dynamics (MD) simulations at different strain rates and temperatures using an embedded-atom method (EAM) potential. Static properties of the screw dislocation, as determined with the EAM potential, are in agreement with previous density-functional-theory calculations. The elementary slip plane of the screw dislocation remains (110) for all studied strain rates (in the range 6.3 × 107-6.3 × 109 s-1) and temperatures (5 to 550 K). However, the consecutive cross-slip on different symmetry-equivalent (110) planes leads to an effective glide on (112) planes. It is demonstrated that the screw dislocation trajectories, velocities and waviness of the screw dislocation depend on the crystallographic indices, (110) or (112), of the maximum resolved shear stress plane. The waiting time for the start of the screw dislocation motion increases exponentially with decreasing strain rate, substantiating the necessity to apply in future accelerated MD techniques in order to compare with macroscopic stress-strain experiments.
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    Chemical ordering and magnetism in face-centered cubic CrCoNi alloy
    (2024) Ghosh, Sheuly; Ueltzen, Katharina; George, Janine; Neugebauer, Jörg; Körmann, Fritz
    The impact of magnetism on chemical ordering in face-centered cubic CrCoNi medium entropy alloy is studied by a combination of ab initio simulations, machine learning potentials, and Monte Carlo simulations. Large magnetic energies are revealed for some mixed L12/L10 type ordered configurations, which are rooted in strong nearest-neighbor magnetic exchange interactions and chemical bonding among the constituent elements. There is a delicate interplay between magnetism and stability of MoPt2 and L12/L10 type of order, which may explain opposing experimental and theoretical findings.