Current Topics for Research Internships or Bachelor Theses | FB 09 - Physikalische Chemie

Synthese von Terpyridin-Derivaten zum Aufbau sequenz-kontrollierter Polymere
Assoziierende Polymere enthalten funktionelle Einheiten, die in der Lage sind durch nicht-kovalente Wechselwirkungen transiente Bindungen einzugehen und ein supramolekulares Polymernetzwerk zu bilden. Für systematische Studien an solchen Netzwerken eignen sich Vernetzungsmotive mit definierter Stöchiometrie und bekannter, variierbarer Bindungsstärke, wie beispielsweise die Bis-Terpyridin Komplexe verschiedener Übergangsmetalle. Um Struktur-Eigenschafts-Beziehungen solcher Gele systematisch untersuchen zu können, werden Terpyridin-funktionalisierte Polymere mit definierter Primärstruktur benötigt. Die in unserer Gruppe angewendeten Synthesestrategien zum Aufbau solch sequenz-kontrollierter Architekturen erfordern Terpyridin-funktionalisierte Aminosäuren und Diole.
Im Rahmen eines Forschungsmoduls oder einer Bachelorarbeit können etablierte Syntheserouten zur Herstellung von Terpyridine Aminosäure-Derivaten reproduziert, optimiert und anschließend in der Festphasensynthese eingesetzt werden. Alternativ ist auch die Mitarbeit bei der Synthese oligomerer Terpyridin-Diolemöglich.

Betreuung: Katharina Breul (kabreul[a]uni-mainz.de)
Stand: Januar 2019; Starttermin: jederzeit

Dual-Dynamic Physical Networks
In the conventional polymer sciences, the mechanical properties of polymeric materials are engineered by manipulating different aspects of the chain architecture, such as the molar mass, branching, and chemical composition for thermoplastics, as well as the network microstructure in crosslinked gels. In contrast, in supramolecular polymers, the final properties are controlled through manipulation of non-covalent bonds, selected from a vast library with tunable association thermodynamics and kinetics. This approach is less demanding, since the bulk material can be tuned by varying small molecule components only, through the established molecule-to-material design concept. Recently, double network hydrogels have been developed based on the synergy of having two interpenetrating chemical networks, the first one highly crosslinked and the second one loosely crosslinked. At an optimal ratio of the two networks, the mechanical properties boost significantly, due to the ability for sacrificial breakage of the chemical bonds in the first network. This hierarchy of structure is a well-known trick in nature to achieve multi-facet function. A similar approach has been widely used in the design of supramolecular double-network hydrogels, where a brittle first chemical network is replaced by different types of reversible supramolecular assemblies. In this project, which can be a research module or a Bachelor thesis, we aim to mimic the structure of double-network hydrogels by hierarchical design of a dually crosslinked physical hydrogel. For this purpose, tetra-PEG building blocks with different molar masses will be functionalized by ligands with significantly different association tendencies. A network with diverse and tunable dynamics can be obtained by simultaneous introduction of metal ions with different complexation affinity. We will then to study the structure and dynamics of the resulting materials using static/dynamic light scattering and rheology.

Supervisor: Mostafa Ahmadi (ahmadi[a]uni-mainz.de)
Time of posting: May 2019; possible start date: anytime

Stimuli-Responsive Supramolecular Hydrogels
Hydrogels are 3D network materials made of crosslinked hydrophilic polymer chains. Charged hydrogels have a high capacity for water uptake, up to 1000 times of their own weight; these materials are called superabsorbers and are commercially utilized in hygiene applications. Another class of hydrogels are supramolecular hydrogels in which hydrophilic polymer building blocks self-organize into a network by non-covalent bonds such as hydrogen bonding or ionic interactions. Due to the dynamic nature of these physical bonds, the sol–gel transition of supramolecular hydrogels can occur dependent on the environment such as temperature or pH. Therefore, different applications such as drug delivery, tissue engineering, and 3D printing can profit from them. This research project, which can be a Bachelor thesis or a research module, targets at combining the utility of both these types of hydrogels. Prototype samples will be fabricated by droplet-based microfluidics, and their water swelling capacity as well as their swelling/deswelling temperature range will be tuned by physical bonds and network architecture parameters. The project involves both preparative polymer-chemistry aspects, for example, preparation of hydrophilic polymer backbones with non-covalent cross-linking motifs as side groups, and analytical polymer-physics work, for example, assessment of the gel-sample mechanics by rheology.

Supervisor: Amir Jangizehi (amir.jangizehi[a]uni-mainz.de)
Time of posting: May 2019; possible start date: anytime

Responsive Double-Dynamic Polymer Networks and Gels
Double-dynamic networks are the latest state-of-the-art in the field of soft elastomers. These networks combine two dynamic modes within the same material, and this offers a wide spectrum of different functionalities from stimuli responsiveness to self-healing. Double-dynamic networks can comprise two interpenetrated networks with different properties or they can comprise one network with two different dynamic modes. To realize the second variant, we use star-shaped polymeric building blocks that are (i) grafted with thermoresponsive oligomers capable to undergo nano-phase-separation and that are (ii) capped by ligands capable of forming metal ion complexs. In a bachelor thesis or research module, you can prepare these gels and study their rheological characteristics under variation of temperature, length of the thermoresponsive polymer, and type of the metal ions.

Supervisor: Paola Nicolella (p.nicolella[a]uni-mainz.de)

Time of posting: November 2019; possible startdate: anytime

Language: German/English

Evaluieren & Etablieren neuer Messmethoden am Konfokalmikroskop
Gegenwärtig werden in unserem Arbeitskreis unterschiedliche Untersuchungsmethoden eingesetzt, um bei uns synthetisierte Polymergele zu charakterisieren. Dieses Spektrum soll am Konfokalmikroskop um zwei weitere Verfahren erweitert werden, mit denen thermische sowie mechanische Einflüsse untersucht werden können. Im Rahmen der Entwicklung neuer Messzellen sind dabei unterschiedliche chemische Tests notwendig, das heißt es muss zum einen ermittelt werden für welche Substanzen bzw. Messbereiche die neuen Verfahren anwendbar sind und zum anderen muss aus chemischer Sicht die Anforderungsliste an das neue Equipment näher spezifiziert werden. Hierbei soll in enger Abstimmung mit unserem Laboringenieur an der Entwicklung des Messsetups gearbeitet werden. Interesse an technischen Messverfahren sowie Spaß am Umgang mit Messgeräten sind dabei wünschenswert.

Betreuung: Holger Adam (hadam[a]uni-mainz.de)
Stand: Mai 2019; Starttermin: jederzeit

Zell-beladene Mikrogele zur Geweberegeneration
Gele sind aussichtsreiche Biomaterialien, die in ihrer Beschaffenheit ähnlich wie natürliche Gewebe sind. Durch die Wahl eines geeigneten biokompatiblen Polymers sowie in Kombination mit biomedizinisch aktiven Inhaltsstoffen und Zellen können somit Matrix-bildende Gerüststrukturen zur Anwendung in der regenerativen Medizin realisiert werden. Zur Formgebung dieser Bausteine ist die Tröpfchen-basierte Mikrofluidik eine leistungsstarke Methode, um monodisperse und mikrometergroße Gel-Partikel zu synthetisieren. Zusammen mit co-verkapselten Additiven kann dadurch eine schützende und zugleich injizierbare Verpackungsform zur Geweberegeneration geschaffen werden. Im Rahmen eines Forschungsmoduls oder einer Bachelorarbeit soll auf bisherige Problematiken, die Zelladhäsion betreffend, eingegangen und Lösungen gefunden werden. Der Fokus wird hierbei auf der Tröpfchen-basierten Mikrofluidik zur Herstellung zellbeladener Mikrogele aus bereits vorliegenden reaktiven Polymeren liegen.

Betreuung: Elena Stengelin (estenge[a]uni-mainz.de)
Stand: November 2019; Starttermin: jederzeit

Preparation of nanoparticular tracers for use in DLS- and FCS-microrheology
Passive microrheology is an excellent tool to probe the local mechanical properties of a polymer system on a micrometer length scale. The method uses micrometer-sized embedded tracers that locally deform the sample due to their Brownian motion. As a result, in contrast to classical macroscopic rheology, only small shear forces are applied that ensure a measurement in the linear viscoelastic regime. Also the accessible frequencies range up to the MHz-regime. This microrheology technique can be performed by use of dynamic light scattering (DLS) or fluorescence correlation spectroscopy (FCS). The intention of the project is to create tracers that can be used in both techniques due to good scattering and fluorescence properties. The starting point are citrate stabilized gold nanoparticles. The citrate ligands are then replaced by a bifunctional poly(ethylene glycol) to which a fluorescent dye is covalently bound. Remaining free reactive groups can be reacted with a capping agent to ensure the particle shell and the sample matrix to be free of interactions. Starting point of the research internship or Bachelor thesis will be the PEGylated particles that have to be further modified with a fluorescent dye and characterized by means of their fluorescence and scattering properties as well as the amount of dye on the particles.Within the scope of the research internship or Bachelor thesis, you can work on the preparation of such gold nanoparticles and gain insight into several methods like fluorescence and UV–Vis spectroscopy, dynamic light scattering and fluorescence correlation spectroscopy.

Supervisor: Nora Fribiczer (nofribic[a]uni-mainz.de)
Time of posting: Februar 2020; Starttermin: anytime

Synthese substituierter Terpyridin-Derivate
Werden in Polymere komplexierungsfähige funktionelle Gruppen (Liganden) eingebracht, so können sich bei Zugabe geeigneter Metallsalze supramolekulare Netzwerke ausbilden. Diese reversiblen Metall-Ligand-Bindungen sind Grundlage für viele spannende Gel-Eigenschaften, wie zum Beispiel Selbstheilung. Zur Vorhersage dieser Eigenschaften und dem damit einhergehenden Design neuartiger Materialien ist ein fundamentales Verständnis der zugrundeliegenden Netzwerkstrukturen und -dynamiken nötig. Im Rahmen eines Forschungsmoduls oder einer Bachelorarbeit sollen Terpyridine funktionalisiert und als telechele Gruppen in Polyethylenglykol (PEG) eingebaut werden. Im Anschluss daran sollen die Fließeigenschaften der Netzwerke mittels Rheologie charakterisiert und mit den Eigenschaften der funktionellen Gruppen in Bezug gebracht werden.

Betreuung: Martha Koziol (mkozio01[a]uni-mainz.de)
Stand: Februar 2020; Starttermin: jederzeit

Polymergele mit nanoskopischer Porosität am kritischen Punkt

Auf nanoskopischer Ebene zeigen thermoresponsive Polymergele eine ausgeprägte räumliche Variation ihrer Vernetzungsdichte mit Einfluss auf die makroskopischen Eigenschaften. Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Entwicklung schaltbarer Polymergele, um genau diese Netzwerk-Inhomogenitäten am und um den kritischen Punkt auf makro-, mikro- und nanoskopischer Ebene analytisch zu untersuchen und zu verstehen.
Zu diesem Zweck sollen im Rahmen einer Masterarbeit Polymerbausteine synthetisiert, Gele hergestellt und die thermoresponsiven Eigenschaften untersucht werden. Die Analytik der Polymerbausteine basiert auf Methoden wie NMR, GPC und MALDI-TOF, wohingegen der Volumenphasenübergang (VPT) durch UV/VIS-Messungen bestimmt werden soll. Des Weiteren sollen Gele makroskopisch hergestellt, rheologisch untersucht und das Diffusionsverhalten verschieden großer Farbstoffe im Polymernetzwerk durch Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) analysiert werden. Über das Tröpfchen-basierte Mikrofluidik-Verfahren können zudem Mikrogele produziert und deren Quellverhalten am kritischen Punkt untersucht werden.

Je nach Einstiegsdatum variiert der Anteil an synthetischer und/oder analytischer Arbeit.

Gesucht: Masterstudent/in
Betreuung: Elena Stengelin (estenge[a]uni-mainz.de)
Stand: Mai 2020; Starttermin: jederzeit