Die Autoren erkennen dankbar der National Science Foundation (DMR-1409034) für die Unterstützung dieses Projektes. Wir anerkennen auch die Unterstützung des National Institute of Standards und Technologie, US Department of Commerce, bei der Bereitstellung der USANS Anlagen in dieser Arbeit, wo sind diese Einrichtungen zum Teil durch die National Science Foundation unter Vereinbarung unterstützt Nein. DMR-0944772. SANS Experimente dieser Forschung wurden am ORNLs High Flux Isotop Reaktor, abgeschlossen, die durch die wissenschaftlichen Nutzer Einrichtungen Division, Office Basic Energiewissenschaften, US Department of Energy gesponsert wurde.

Alle Umgang mit Chemikalien sollten mit der richtigen persönlichen Schutzausrüstung und eine Schutzhaube durchgeführt werden. Alle Proben, die ionisierende Strahlung ausgesetzt sollte unter der Aufsicht von den Einrichtungen radioaktive Techniker behandelt werden. Dieses Protokoll wurde von Personen durchgeführt, die entsprechenden Strahlung Sicherheitsausbildung absolviert hatte.
1. Vorbereitung des P3HT in d-ODCB Lösungen
<ol>
	<li>Probe-Übernahme
	<ol>
		<li>Kaufen 1 g hohe Regioregularity (&#62; 90 %) P3HT in das Molekulargewicht reichen 15-40 K.</li>
		<li>Kaufen 5 g von hoher Reinheit (&#62; 90 Atom % deuterierter) d-4 1,2-ODCB.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Vorbereitung der Probe
	<ol>
		<li>Filtern Sie alle d-ODCB-Lösung mit 0,45 µm-Sieb in ein Glasfläschchen.</li>
		<li>Kombinieren Sie 0,34 g P3HT in 1,66 g d-ODCB in einer 5 g Glas-Durchstechflasche mit Folie ausgekleidet. Hinweis: Während der Probe Erstellung und Übertragung, minimieren Sie die umgebende Lichtintensität, die die Probe jederzeit ausgesetzt ist.</li>
		<li>Das Fläschchen eine magnetische Stir Bar hinzu, die Kappe zu sichern, und versiegeln mit Parafilm.</li>
		<li>Wickeln Sie Fläschchen komplett in Alufolie zu jeder Belichtung Lösung zu verhindern.</li>
		<li>Legen Sie die Probe auf heißer Platte bei 70 ° C für 1-3 h mit der magnetischen Stir Bar aktiviert.</li>
		<li>Entfernen Sie vor Hitze und unter ständigem Rühren einmal Lösung völlig homogen ist (vorzugsweise verlassen die Probe Heizung/rühren über Nacht um komplette Dispersion zu gewährleisten).</li>
		<li>Lösung von Fläschchen auf einen gut gereinigten übertragen (mit separaten Spülungen von Aceton und Wasser) 1 oder 2 mm dicken Quarz Banjo Zelle mit einer Glaspipette. Hinweis: Heizung Glaspipette in einem Trockenschrank auf 70 ° C, unmittelbar vor dem Transfer diesen Prozess vereinfacht.</li>
		<li>Banjo Zellenabdeckung anbringen und mit Parafilm abdichten.</li>
		<li>Banjo Ortszelle in völliger Dunkelheit (d. h. in einer verschlossenen Schachtel oder in Alufolie gewickelt).</li>
		<li>Montieren Sie in ähnlicher Weise eine Probe enthält nur d-ODCB (voll belegt) und eine leere Banjo-Zelle als Lösungsmittel Hintergrund und leere Zelle bzw. für die Streuexperimente fungieren.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
(2) Neutron Streuexperimente
<ol>
	<li>SANS Experimente in der "dunklen" Umwelt
	<ol>
		<li>Sicherzustellen Sie mit Unterstützung der Instrument-Wissenschaftler, dass ein Probentisch angebracht ist, mit den erforderliche Temperatur-Reglern in der Lage, der Regie einer Temperaturrampe von 70-20 ° C.</li>
		<li>Legen Sie die Banjo-Zellen in den entsprechend dimensionierte Holding Blöcke, sichere, und Label.</li>
		<li>Wickeln Sie ganzen Block mit 0,1 mm Dicke Alufolie um sicherzustellen, dass kein Umgebungslicht Vorfall zur Probe. Minimieren Sie Verformungen der Folie auf die richtige Montage des umschlossenen Block in der Probe-Bühne zu gewährleisten. Ort dieser umschlossenen Block und Probe innerhalb der Probe-Bühne.</li>
		<li>Vervollständigen Sie mit Unterstützung der Instrument-Wissenschaftler das geeignete Instrument Ausrichtung und Kalibrierung mit den entsprechenden Standardmaße. Legen Sie den Detektor-Abstand in der Nähe seine maximale Einstellung (zum Beispiel bei 18 m) Zugang zu der niedrigsten Q-Region (~0.001 Å-1), so dass letztlich A Q umfassende etwa 0,001-0,1 Å-1. Dadurch werden Sondierung von Länge Waagen bis zu ~ 500 nm.</li>
		<li>Mit Hilfe des Wissenschaftlers Instrument sammeln Sie Zählraten für P3HT und Lösungsmittel Proben und Berechnungen Sie zur Bestimmung der Menge der Streuung Zeitaufwand insgesamt Detektor zählt pro Probe von etwa 500.000 bis 1.000.000 Gewährleistung zu erreichen gute statistische Qualität in den Daten.</li>
		<li>Erstellen Sie mit diesen Informationen ein Beispielskript, das 70-20 ° C Temperatur Rampe und Daten Sammlung Prozess leiten wird. Wählen Sie eine Reihe von diskreten Temperatur auf bestes Cover den gesamten Bereich innerhalb der gegebenen zeitlichen z.B. jedes 2 ° c zeigt Für jeden Punkt auf der Rampe 3 separate Einträge im Skript zu machen: eine Änderung die gewünschte Temperatur, eine Wartezeit (ca. 15 Minuten), kann das System die thermisch equilibrate bevor Streuung erfasst werden und die Streuung Messung selbst durchgeführt, über die geeignete Zeitdauer für die Erreichung den erforderlichen Melder zählt</li>
		<li>Sobald das Instrument und Skript bereit sind, führen Sie das Skript und beginnen Sie das Experiment. Achten Sie darauf, Daten für die Lösungsmittel und leere Zelle sowie (ohne Temperaturrampe) zu sammeln. Zusätzlich sammeln Sie Daten für jede Probe und eine blockierte Strahl-Messung.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>SANS Experimente in der "light"-Umgebung
	<ol>
		<li>Nach Abschluss der "dunklen" Experiment bewegen die Proben von der Bühne, legen Sie auf eine sichere Benchtop und entfernen Sie alle Aluminiumfolie beobachtend Strahlung Sicherheitsprotokolle.</li>
		<li>Setzen Sie einen optischen Illuminator mit einer Halogen-Lichtquelle nahe der Probe-Bühne, so dass die Leads effektiv das Musterfeld in der Phase der Streuung Sammlung Position zugeordneten beleuchten.</li>
		<li>Anhand eines kalibrierten Belichtungsmessers, Datensatz die Lichtintensität von der Beleuchtung mit maximaler Intensität an der Stelle, wo die Probe sitzen wird, zur Verfügung gestellt. Intensitätswerte werden mit Beleuchtung und Probe Bühne Konfiguration variieren, jedoch ist die Beleuchtungsstärke von mindestens 5.000 Lux erwünscht.</li>
		<li>Sobald dieses Beleuchtung Setup korrekt zusammengesetzt ist, zurückkehren Sie die Proben auf die Bühne, sicherzustellen Sie, dass die Beleuchtung richtig aktiven Sample Beleuchtung ist wieder auf 70 ° C erhitzen Sie, ermöglichen Sie richtige Gleichgewichtherstellung und wiederholen Sie die Daten Sammlung Eingriff auf das dunkle Proben mit der optischen Illuminator bietet ununterbrochene direkte Belichtung gründlich die gesamte Dauer dieses Schritts.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>USANS Experimente
	<ol>
		<li>Bereiten Sie USANS Proben in ähnlicher Weise mit Quarz Banjo Zellen vor und in Kupfer oder Titan Blöcke in einem temperaturgeregelten Probentisch.</li>
		<li>Richten Sie mit Hilfe des Instruments Wissenschaftlers aus und kalibrieren Sie des Gerätes beschäftigt die erforderliche Anzahl der Puffer bei der gegebenen Neutron Wellenlänge zur Analyse von Q-Werte von etwa 10-5 - 10-3 Å-1, so dass Länge ermöglichen Skalen in der Größenordnung von Mikrometern, sondiert werden.</li>
		<li>Entwickeln Sie das experimentelle Skript in ähnlicher Weise wie die SANS Experimente, so dass für thermische Gleichgewichtherstellung und Datenerfassung bei jeder Temperatur schon früher damit befasst.</li>
		<li>Die SANS-Experimente wieder repliziert werden, führen Sie das Skript einmal unter "Dunkelheit" und wieder "" Licht"Bedingungen.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3.Datenreduktion und Analyse
<ol>
	<li>SANS Reduktion und Analyse
	<ol>
		<li>Mit dem jeweiligen Programm, Eingang32 die Datendateien für Streuung, Hintergrund (Lösungsmittel), leere Zelle, blockierte Strahl und Transmissionsmessungen richtige Hintergrundabzug und Umwandlung von Streuung-Daten in absolute zu erreichen Einheiten der Intensität in cm-1.</li>
		<li>Beginnen Sie mit den Daten entsprechend reduziert, Analyse durch Anpassung der experimentellen Streuung Daten auf ein Modell, das die lineare Zugabe von zwei passende Gleichungen, eine für die Nanofibril Aggregate durch die elliptische Zylinder-Modell,33 und ein weiteres unter Berücksichtigung der freien Ketten in Lösung durch das Polymer ausgeschlossen Volumenmodell. 34 , 35 die Gleichung unten beschreibt diese Kombination Modell-Ansatz: 
		<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56163/56163eq1.jpg"> In dieser Gleichung, ϕP3HT beschreibt den Gesamtvolumen Bruchteil P3HT in der Lösung <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56163/56163eq2.jpg"> ist der Volumenanteil der aggregierten P3HT vorhanden und als eines elliptischen Zylinders, PPEV modelliert ist das freie Kette ausgeschlossen-Volumen Formfaktor für P3HT, PECM beschreibt den elliptischen Zylinders Formfaktor für die Aggregate und <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/56163/56163eq3.jpg"> und <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/56163/56163eq4.jpg"> sind die Streuung Länge Dichte (SLD) Kontrast zwischen P3HT Aggregate und dem Lösungsmittel und zwischen dem freien P3HT Ketten und das Lösungsmittel bzw.. SLD-Werte für alle Komponenten des Systems errechnet werden, mit einem Wissen über ihre chemische Zusammensetzung und Masse Dichte und den Einsatz eines SLD-Rechners verfügbar als Teil der meisten Neutron-Analyse-Programme oder online. 36</li>
		<li>Auf ordnungsgemäße Montage Verfahren mit NCNR Igor Einbau Makros37 bzw. das SASView Programm, Werte für die wichtigsten strukturellen Parameter für das gelierte System bei allen Temperaturen in dem hell und dunkel, so dass Quantifizierung der erwerben die morphologische Entwicklung im Laufe dieses Prozesses als Funktion der Temperatur und Lichteinfall auftritt. Diese strukturelle Parameter gehören die Querschnittsflächen der Nanofibrils, kostenlose Kette Radius Gyration (Rg) und Porod Exponent und eine qualitative Bewertung der Gesamtmenge des Materials in der Nanofibril Phase vorhanden.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>USANS Reduktion und Analyse
	<ol>
		<li>Mit dem jeweiligen Programm, geben Sie die Streuung und Hintergrunddaten für jeden Puffer zum Zusammenführen der Daten in einer einzigen reduzierten Kurve in absolute Intensität Einheiten cm-1.</li>
		<li>Analysieren Sie die Daten mithilfe eines Guinier-Porod Kraft Gesetz Modells die quantitative Bewertung der aggregierten Streubildern von den USANS Längenskala sondiert und ermöglicht die Erfassung von Aggregatwerten der R-g ermöglicht. 38 passt diese Methode durch NCNR Igor passend Makros37 oder SASView passende Programm um einen Vergleich der Makro-Aggregat Rg für alle Temperaturen und Lichtverhältnissen.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol>
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Crystallogr. 39 (6), 895-900 (2006).</li><li>Guinier, A., Fournet, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Small-Angle Scattering of X-Rays. , (1955).</li></ol>

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Zunächst zeigt Betrachtung der SANS-Daten als Funktion der Temperatur, die Zunahme der elliptischen Zylinder Modell Skalierungsfaktor einen deutlichen Anstieg in Höhe von P3HT vorhanden in der Nanofibril Phase, welche Isconsistent mit dem Fortschreiten der Gelierung zu verarbeiten . Gleichzeitig, der Rückgang der freie Kette Rg verbunden, mit einem Anstieg der Porod Exponent enthüllt, die die sich verschlechternden thermodynamischen Bedingungen im Zusammenhang mit Temperatur verringern einen Kette Zusammen...

Konjugierte Polymere Versprechen Funktionsmaterialien, die in einer Vielzahl von Geräten, wie z. B. organische lichtemittierende Dioden, organischen Halbleitern, chemische Sensoren und organische Photovoltaik genutzt werden können. 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 ein entscheidender Aspekt der Leistung in diesen Geräten ist die Bestellung und Verpackung des konjugierten Polymeren im festen Zustand in der aktiven Ebene. 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 diese Morphologie ist weitgehend vorbestimmt durch beide die Konformation der Polymerkette in Lösung als auch die Strukturen, die zu entwickeln, wie diese Lösungen zu einem Substrat gegossen sind und das Lösungsmittel entfernt. Durch das Studium der Strukturen in der gesamten einen typischen Sol-Gel-Übergang aus einem Modell optoelektronische Polymer in einem geeigneten Lösungsmittel vorhanden, können diese Systeme effektiv modelliert werden und einen quantitativen Einblick in die Selbstmontage in diesem Fall während der materiellen Abscheidung erhalten Sie. 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20
Insbesondere beschäftigen wir uns mit die konjugierten Polymer-Benchmark P3HT in das Lösungsmittel deuterierte ortho-Dichlorbenzol (ODCB), ein Polymer-Lösungsmittel-System die extensive Nutzung aufgrund seiner Eignung für eine Vielzahl von organischen elektronisches Gerät Herstellung gesehen hat Techniken. 23 , 24 , 25 in diesem bestimmten Lösungsmittel Umfeld P3HT Ketten beginnen, auf eine entsprechende Reize aus der Umwelt, wie z. B. aggregieren Temperaturabnahme oder Qualitätsverlust Lösungsmittel. Der genaue Mechanismus für diese Montageprozess untersucht, mit einer der führenden vorgeschlagenen Wege wird angenommen, dass ein schrittweiser Prozess wo individuelle P3HT Moleküle π-Stapel, lamellare Nano-Aggregate bekannt als Nanofibrils, die dann selbst zu bilden agglomerieren Sie, um größere Mikrometer Skala Makro-Aggregate zu bilden. 24 Verständnis dieser Wege und die daraus resultierenden Strukturen gebildet ist Schlüssel zum richtig vorhersagen und beeinflussen die Bildung von optimalen Gerät Auftauschicht Morphologien.
Diese ultimative Richtung mehr genau leiten die Bildung dieser aktiven Layer-Architekturen gibt es müssen zusätzliche experimentelle und industriellen Methoden ändern zerstörungsfrei konjugierten Polymer Morphologie in-Situ entwickelt. Eine relativ neue Methode konzentriert sich auf die Verwendung von Belichtung als eine preiswerte Möglichkeit für Polymer-Kette Morphologie mit rechnerischen und experimentellen Ergebnissen zeigt auf seine Machbarkeit zu verändern. 25 , 26 , 27 aktuelle Arbeit von unserem Labor hat deuteten auf die Existenz von eine leichte induzierte Veränderung der konjugierten Polymer-Lösungsmittel-Interaktion in einer verdünnten Lösung führt zu eine bemerkenswerte Änderung in Polymer Kettengröße auf Beleuchtung. 30 , 31 hier präsentieren wir Ihnen ein Protokoll, um diese Arbeit fortsetzen, indem Sie effektiv überwachen die Auswirkungen des Aussetzens einer viel konzentrierteren konjugierten Polymerlösung für direktes Licht während eines Gelierung Prozess, das durch einen Thermostat gesteuert gerichtet ist Temperaturrampe. Wir beschäftigen Neutronenstreuung wie es robuste Analyse der Strukturparameter von Polymer-Lösungsmittel Sol-Gel-System ermöglicht die auf Längenskalen von Angström, Mikron, eine Fähigkeit, die nicht durch andere häufiger rheologischen oder spektroskopischen Instrumental möglich Methoden. 16 , 17 , 30 , 31 so gebildet durch den Vergleich des richtig analysierten klein- und Winkels Neutronendaten für die Montage der Gele unter Beleuchtung mit identischen Daten in völliger Dunkelheit, strukturelle Unterschiede hervorgerufen durch Beleuchtung getrieben Effekte können umfassend identifiziert und quantifiziert werden.

<table><tbody><tr><td>M(106) poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT)</td><td>Ossila</td><td>104934-50-1</td><td>Conjugated polymer</td></tr><tr><td>deuterated 1,2 ortho-dichlorobenzene (ODCB)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>AC321260050</td><td>solvent</td></tr></tbody></table>

monitoring the effects of illumination on the structure of conjugated polymer gels using neutron scattering

Wir zeigen ein Protokoll, um die Gelierung Prozess eine hochkonzentrierte Lösung konjugierte Polymere sowohl in der Gegenwart und Fehlen von weißen Belichtung wirksam zu überwachen. Durch die Einführung einer kontrollierter Temperatur-Rampe, kann die Gelierung dieser Materialien genau überwacht werden, da gehen sie durch diese strukturelle Evolution, die effektiv die Bedingungen während der Lösungsphase Ablagerung von organischen Spiegel elektronisches Gerät Fertigung. Mit kleinen Winkel Neutronenstreuung (SANS) und ultra-kleinen Winkel Neutronenstreuung (USANS) sowie passende Protokolle quantifizieren wir die Entwicklung der ausgewählten Strukturparameter im Laufe dieses Prozesses. Gründliche Analyse zeigt, dass anhaltende Belichtung während des Prozesses der Gelierung deutlich die Struktur des schließlich gebildeten Gels verändert. Insbesondere der Aggregationsprozess poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) Nano-Maßstab Aggregate beeinträchtigt durch die Anwesenheit von Beleuchtung, was schließlich in die Verlangsamung des Wachstums in konjugierten Polymer Mikrostrukturen und die Bildung von kleineren Maßstab Makro-Aggregat Clustern.

Durch SANS und USANS experimentiert, die Gelierung Prozess der P3HT in d-ODCB wurde effektiv überwacht vom Staat verteilte Lösung bei 70 ° C zu einem komplett gelierte Zustand bei 20 ° C. Diese Experimente wurden in beiden völliger Dunkelheit und unter weiße Beleuchtung. Abbildung 1 zeigt einige Beispiel SANS reduziert Datenkurven aus diesen versuchen, mit einem Beispiel Kurvenanpassung in Abbildung 2dargestellt. Aus diesen...

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Monitoring the Effects of Illumination on the Structure of Conjugated Polymer Gels Using Neutron Scattering

Ein Protokoll für die Analyse der Gele gebildet aus der optoelektronischen konjugierten Polymer poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) mit kleinen und ultra-kleinen Winkel Neutronenstreuung in an- und Abwesenheit der Beleuchtung wird vorgestellt.

Überwachung der Auswirkungen der Beleuchtung auf die Struktur des konjugierten Polymer-Gel mit Neutronenstreuung

We demonstrate a protocol to effectively monitor the gelation process of a high concentration solution of conjugated polymer both in the presence and ...

monitoring-effects-illumination-on-structure-conjugated-polymer-gels

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Chemistry

5.6K Aufrufe.  University of Tennessee, Knoxville. Ein Protokoll für die Analyse der Gele gebildet aus der optoelektronischen konjugierten Polymer poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) mit kleinen und ultra-kleinen Winkel Neutronenstreuung in an- und Abwesenheit der Beleuchtung wird vorgestellt.

Serie: Monitoring the Effects of Illumination on the Structure of Conjugated Polymer Gels Using Neutron Scattering

Using Neutron Spin Echo Resolved Grazing Incidence Scattering to Investigate Organic Solar Cell Materials

The spin echo resolved grazing incidence scattering (SERGIS) technique has been used to probe the length-scales associated with irregularly shaped crystallites. Neutrons are passed through two well defined regions of magnetic field; one before and one after the sample. The two magnetic field regions have opposite polarity and are tuned such that neutrons travelling through both regions, without being perturbed, will undergo the same number of precessions in opposing directions. In this case the neutron precession in the second arm is said to &#34;echo&#34; the first, and the original polarization of the beam is preserved. If the neutron interacts with a sample and scatters elastically the path through the second arm is not the same as the first and the original polarization is not recovered. Depolarization of the neutron beam is a highly sensitive probe at very small angles (&#60;50&#160;&#956;rad) but still allows a high intensity, divergent beam to be used. The decrease in polarization of the beam reflected from the sample as compared to that from the reference sample can be directly related to structure within the sample.
In comparison to scattering observed in neutron reflection measurements the SERGIS signals are often weak and are unlikely to be observed if the in-plane structures within the sample under investigation are dilute, disordered, small in size and polydisperse or the neutron scattering contrast is low. Therefore, good results will most likely be obtained using the SERGIS technique if the sample being measured consist of thin films on a flat substrate and contain scattering features that contains a high density of moderately sized features (30 nm to 5 &#181;m) which scatter neutrons strongly or the features are arranged on a lattice. An advantage of the SERGIS technique is that it can probe structures in the plane of the sample.

Progress has been made in utilizing spin echo resolved grazing incidence scattering (SERGIS) as a neutron scattering technique to probe the length-scales in irregular samples. Crystallites of [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester have been probed using the SERGIS technique and the results confirmed by optical and atomic force microscopy.

Mit Neutron Spin Echo Gelöste Grazing Incidence Scattering zur Untersuchung organischer Solarzellenmaterialien

The spin echo resolved grazing incidence scattering (SERGIS) technique has been used to probe the length-scales associated with irregularly shaped ...

Forschung

Ingenieurwesen

Measurement of Scattering Nonlinearities from a Single Plasmonic Nanoparticle

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus have potential applications in nonlinear optics, which requires extraordinary optical intensity. One of the most studied nonlinearities in plasmonics is nonlinear absorption, including saturation and reverse saturation behaviors. Although scattering and absorption in nanoparticles are closely correlated by the Mie theory, there has been no report of nonlinearities in plasmonic scattering until very recently. 
Last year, not only saturation, but also reverse saturation of scattering in an isolated plasmonic particle was demonstrated for the first time. The results showed that saturable scattering exhibits clear wavelength dependence, which seems to be directly linked to the localized surface plasmon resonance (LSPR). Combined with the intensity-dependent measurements, the results suggest the possibility of a common mechanism underlying the nonlinear behaviors of scattering and absorption. These nonlinearities of scattering from a single gold nanosphere (GNS) are widely applicable, including in super-resolution microscopy and optical switches. 
In this paper, it is described in detail how to measure nonlinearity of scattering in a single GNP and how to employ the super-resolution technique to enhance the optical imaging resolution based on saturable scattering. This discovery features the first super-resolution microscopy based on nonlinear scattering, which is a novel non-bleaching contrast method that can achieve a resolution as low as l/8 and will potentially be useful in biomedicine and material studies.

Saturable and reverse saturable scattering were discovered in isolated plasmonic particles and adopted as a novel non-bleaching contrast method in super-resolution microscopy. Here the experimental procedures of detecting and extracting nonlinear scattering are explained in detail, as well as how to enhance resolution with the aid of saturated excitation microscopy.

Die Messung der Streunichtlinearitäten von einem Einzel Plasmonische Nanopartikel

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus ...

Synthesis and Characterization of Supramolecular Colloids

Control over colloidal assembly is of utmost importance for the development of functional colloidal materials with tailored structural and mechanical properties for applications in photonics, drug delivery and coating technology. Here we present a new family of colloidal building blocks, coined supramolecular colloids, whose self-assembly is controlled through surface-functionalization with a benzene-1,3,5-tricarboxamide (BTA) derived supramolecular moiety. Such BTAs interact via directional, strong, yet reversible hydrogen-bonds with other identical BTAs. Herein, a protocol is presented that describes how to couple these BTAs to colloids and how to quantify the number of coupling sites, which determines the multivalency of the supramolecular colloids. Light scattering measurements show that the refractive index of the colloids is almost matched with that of the solvent, which strongly reduces the van der Waals forces between the colloids. Before photo-activation, the colloids remain well dispersed, as the BTAs are equipped with a photo-labile group that blocks the formation of hydrogen-bonds. Controlled deprotection with UV-light activates the short-range hydrogen-bonds between the BTAs, which triggers the colloidal self-assembly. The evolution from the dispersed state to the clustered state is monitored by confocal microscopy. These results are further quantified by image analysis with simple routines using ImageJ and Matlab. This merger of supramolecular chemistry and colloidal science offers a direct route towards light- and thermo-responsive colloidal assembly encoded in the surface-grafted monolayer.

A protocol for the synthesis and characterization of colloids coated with supramolecular moieties is described. These supramolecular colloids undergo self-assembly upon the activation of the hydrogen-bonds between the surface-anchored molecules by UV-light.

Synthese und Charakterisierung von supramolekularen Kolloid-

Control over colloidal assembly is of utmost importance for the development of functional colloidal materials with tailored structural and mechanical ...

Chemie

Controlled Synthesis and Fluorescence Tracking of Highly Uniform Poly(N-isopropylacrylamide) Microgels

Stimuli-sensitive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) microgels have various prospective practical applications and uses in fundamental research. In this work, we use single particle tracking of fluorescently labeled PNIPAM microgels as a showcase for tuning microgel size by a rapid non-stirred precipitation polymerization procedure. This approach is well suited for prototyping new reaction compositions and conditions or for applications that do not require large amounts of product. Microgel synthesis, particle size and structure determination by dynamic and static light scattering are detailed in the protocol. It is shown that the addition of functional comonomers can have a large influence on the particle nucleation and structure. Single particle tracking by wide-field fluorescence microscopy allows for an investigation of the diffusion of labeled tracer microgels in a concentrated matrix of non-labeled microgels, a system not easily investigated by other methods such as dynamic light scattering.

Controlled Synthesis and Fluorescence Tracking of Highly Uniform PolyN-isopropylacrylamide Microgels

Non-stirred precipitation polymerization provides a rapid, reproducible prototyping approach to the synthesis of stimuli-sensitive poly(N-isopropylacrylamide) microgels of narrow size distribution. In this protocol synthesis, light scattering characterization and single particle fluorescence tracking of these microgels in a wide-field microscopy setup are demonstrated.

Kontrollierte Synthese und Fluoreszenz-Tracking von Hoch Uniform Poly (<em&gt; N</em&gt; Isopropylacrylamid) Mikrogele

Stimuli-sensitive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) microgels have various prospective practical applications and uses in fundamental research. In this ...

Advanced Compositional Analysis of Nanoparticle-polymer Composites Using Direct Fluorescence Imaging

The fabrication of polymer-nanoparticle composites is extremely important in the development of many functional materials. Identifying the precise composition of these materials is essential, especially in the design of surface catalysts, where the surface concentration of the active component determines the activity of the material. Antimicrobial materials which utilize nanoparticles are a particular focus of this technology. Recently swell encapsulation has emerged as a technique for inserting antimicrobial nanoparticles into a host polymer matrix. Swell encapsulation provides the advantage of localizing the incorporation to the external surfaces of materials, which act as the active sites of these materials. However, quantification of this nanoparticle uptake is challenging. Previous studies explore the link between antimicrobial activity and surface concentration of the active component, but this is not directly visualized. Here we show a reliable method to monitor the incorporation of nanoparticles into a polymer host matrix via swell encapsulation. We show that the surface concentration of CdSe/ZnS nanoparticles can be accurately visualized through cross-sectional fluorescence imaging. Using this method, we can quantify the uptake of nanoparticles via swell encapsulation and measure the surface concentration of encapsulated particles, which is key in optimizing the activity of functional materials.

Here we present a reliable method to monitor the incorporation of nanoparticles into a polymer host matrix via swell encapsulation. We show that the surface concentration of cadmium selenide quantum dots can be accurately visualized through cross-sectional fluorescence imaging.

Erweiterte Analyse der Zusammensetzung von Nanopartikel-Polymer Composites mittels direkter Fluoreszenz-Imaging

The fabrication of polymer-nanoparticle composites is extremely important in the development of many functional materials. Identifying the precise ...

Measurement of Particle Size Distribution in Turbid Solutions by Dynamic Light Scattering Microscopy

A protocol for measuring polydispersity of concentrated polymer solutions using dynamic light scattering is described. Dynamic light scattering is a technique used to measure the size distribution of polymer solutions or colloidal particles. Although this technique is widely used for the assessment of polymer solutions, it is difficult to measure the particle size in concentrated solutions due to the multiple scattering effect or strong light absorption. Therefore, the concentrated solutions should be diluted before measurement. Implementation of the confocal optical component in a dynamic light scattering microscope1 helps to overcome this barrier. Using such a microscopic system, both transparent and turbid systems can be analyzed under the same experimental setup without a dilution. As a representative example, a size distribution measurement of a temperature-responsive polymer solution was performed. The sizes of the polymer chains in an aqueous solution were several tens of nanometers at a temperature below the lower critical solution temperature (LCST). In contrast, the sizes increased to more than 1.0 &#181;m when above the LCST. This result is consistent with the observation that the solution turned turbid above the LCST.

A protocol for the direct measurement of particle size distribution in concentrated solutions using dynamic light scattering microscopy is presented.

Die Messung der Partikelgrößenverteilung in trüber Lösungen durch Dynamic Light Scattering Mikroskopie

A protocol for measuring polydispersity of concentrated polymer solutions using dynamic light scattering is described. Dynamic light scattering is a ...

Novel Techniques for Observing Structural Dynamics of Photoresponsive Liquid Crystals

We discuss in this article the experimental measurements of the molecules in liquid crystal (LC) phase using the time-resolved infrared (IR) vibrational spectroscopy and time-resolved electron diffraction. Liquid crystal phase is an important state of matter that exists between the solid and liquid phases and it is common in natural systems as well as in organic electronics. Liquid crystals are orientationally ordered but loosely packed, and therefore, the internal conformations and alignments of the molecular components of LCs can be modified by external stimuli. Although advanced time-resolved diffraction techniques have revealed picosecond-scale molecular dynamics of single crystals and polycrystals, direct observations of packing structures and ultrafast dynamics of soft materials have been hampered by blurry diffraction patterns. Here, we report time-resolved IR vibrational spectroscopy and electron diffractometry to acquire ultrafast snapshots of a columnar LC material bearing a photoactive core moiety. Differential-detection analyses of the combination of time-resolved IR vibrational spectroscopy and electron diffraction are powerful tools for characterizing structures and photoinduced dynamics of soft materials.

Here, we present the protocols of differential-detection analyses of time-resolved infrared vibrational spectroscopy and electron diffraction which enable observations of the deformations of local structures around photoexcited molecules in a columnar liquid crystal, giving an atomic perspective on the relationship between the structure and the dynamics of this photoactive material.

Neuartige Techniken zur Beobachtung von Strukturdynamik von Photoresponsive Flüssigkristallen

We discuss in this article the experimental measurements of the molecules in liquid crystal (LC) phase using the time-resolved infrared (IR) vibrational ...

Photogeneration of N-Heterocyclic Carbenes: Application in Photoinduced Ring-Opening Metathesis Polymerization

We report a method to generate the N-heterocyclic carbene (NHC) 1,3-dimesitylimidazol-2-ylidene (IMes) under UV-irradiation at 365 nm to characterize IMes and determine the corresponding photochemical mechanism. Then, we describe a protocol to perform ring-opening metathesis polymerization (ROMP) in solution and in miniemulsion using this NHC-photogenerating system. To photogenerate IMes, a system comprising 2-isopropylthioxanthone (ITX) as the sensitizer and 1,3-dimesitylimidazolium tetraphenylborate (IMesH+BPh4-) as the protected form of NHC is employed. IMesH+BPh4- can be obtained in a single step by anion exchange between 1,3-dimesitylimidazolium chloride and sodium tetraphenylborate. A real-time steady-state photolysis setup is described, which hints that the photochemical reaction proceeds in two consecutive steps: 1) ITX triplet is photo-reduced by the borate anion and 2) subsequent proton transfer takes place from the imidazolium cation to produce the expected NHC IMes. Two separate characterization protocols are implemented. Firstly, CS2 is added to the reaction media to evidence the photogeneration of NHC through formation of the IMes-CS2 adduct. Secondly, the amount of NHC released in situ is quantified using acid-base titration. The use of this NHC photo-generating system for the ROMP of norbornene is also discussed. In solution, a photopolymerization experiment is conducted by mixing ITX, IMesH+BPh4-, [RuCl2(p-cymene)]2 and norbornene in CH2Cl2, then irradiating the solution in a UV reactor. In a dispersed medium, a monomer miniemulsion is first formed then irradiated inside an annular reactor to produce a stable poly(norbornene) latex.

We describe a protocol to photogenerate N-heterocyclic carbenes (NHCs) by UV irradiation of a 2-isopropylthioxanthone/imidazolium tetraphenylborate salt system. Methods to characterize the photoreleased NHC and elucidate the photochemical mechanism are proposed. The protocols for ring-opening metathesis photopolymerization in solution and miniemulsion illustrate the potential of this 2-component NHC photogenerating system.

Photogeneration von N-heterozyklische Carbene: Anwendung bei photoinduzierte ringöffnende Metathese-Polymerisation

We report a method to generate the N-heterocyclic carbene (NHC) 1,3-dimesitylimidazol-2-ylidene (IMes) under UV-irradiation at 365 nm to characterize IMes ...

Light-mediated Formation and Patterning of Hydrogels for Cell Culture Applications

Click chemistries have been investigated for use in numerous biomaterials applications, including drug delivery, tissue engineering, and cell culture. In particular, light-mediated click reactions, such as photoinitiated thiol&#8722;ene and thiol&#8722;yne reactions, afford spatiotemporal control over material properties and allow the design of systems with a high degree of user-directed property control. Fabrication and modification of hydrogel-based biomaterials using the precision afforded by light and the versatility offered by these thiol&#8722;X photoclick chemistries are of growing interest, particularly for the culture of cells within well-defined, biomimetic microenvironments. Here, we describe methods for the photoencapsulation of cells and subsequent photopatterning of biochemical cues within hydrogel matrices using versatile and modular building blocks polymerized by a thiol&#8722;ene photoclick reaction. Specifically, an approach is presented for constructing hydrogels from allyloxycarbonyl (Alloc)-functionalized peptide crosslinks and pendant peptide moieties and thiol-functionalized poly(ethylene glycol) (PEG) that rapidly polymerize in the presence of lithium acylphosphinate photoinitiator and cytocompatible doses of long wavelength ultraviolet (UV) light. Facile techniques to visualize photopatterning and quantify the concentration of peptides added are described. Additionally, methods are established for encapsulating cells, specifically human mesenchymal stem cells, and determining their viability and activity. While the formation and initial patterning of thiol-alloc hydrogels are shown here, these techniques broadly may be applied to a number of other light and radical-initiated material systems (e.g., thiol-norbornene, thiol-acrylate) to generate patterned substrates.

We describe a sequential process for light-mediated formation and subsequent biochemical patterning of synthetic hydrogel matrices for three-dimensional cell culture applications. The construction and modification of hydrogels with cytocompatible photoclick chemistry is demonstrated. Additionally, facile techniques to quantify and observe patterns and determine cell viability within these hydrogels are presented.

Licht-vermittelte Bildung und Musterung von Hydrogelen für Zellkulturanwendungen

Click chemistries have been investigated for use in numerous biomaterials applications, including drug delivery, tissue engineering, and cell culture. In ...

Biotechnik

Measuring the Time-Evolution of Nanoscale Materials with Stopped-Flow and Small-Angle Neutron Scattering

This paper presents the use of a stopped-flow small-angle neutron-scattering (SANS) sample environment to quickly mix liquid samples and study nanoscale kinetic processes on time scales of seconds to minutes. The stopped-flow sample environment uses commercially available syringe pumps to mix the desired volumes of liquid samples that are then injected through a dynamic mixer into a quartz glass cell in approximately 1 s. Time-resolved SANS data acquisition is synced with the sample mixing to follow the evolution of the nanostructure in solution after mixing. 
To make the most efficient use of neutron beam time, we use a series of flow selector valves to automatically load, rinse, and dry the cell between measurements, allowing for repeated data collection throughout multiple sample injections. Sample injections are repeated until sufficient neutron scattering statistics are collected. The mixing setup can be programmed to systematically vary conditions to measure the kinetics at different mixing ratios, sample concentrations, additive concentrations, and temperatures. The minimum sample volume required per injection is approximately 150 &#181;L depending on the path length of the quartz cell. 
Representative results using this stopped-flow sample environment are presented for rapid lipid exchange kinetics in the presence of an additive, cyclodextrin. The vesicles exchange outer-leaflet (exterior) lipids on the order of seconds and fully exchange both interior and exterior lipids within hours. Measuring lipid exchange kinetics requires in situ mixing to capture the faster (seconds) and slower (minutes) processes and extract the kinetic rate constants. The same sample environment can also be used to probe molecular exchange in other types of liquid samples such as lipid nanoparticles, proteins, surfactants, polymers, emulsions, or inorganic nanoparticles. Measuring the nanoscale structural transformations and kinetics of exchanging or reacting systems will provide new insights into processes that evolve at the nanoscale.

This protocol presents the use of a stopped-flow sample environment to quickly mix multiple liquid solutions in situ during a small-angle neutron scattering measurement and to study kinetic processes on nanometer length scales and second time scales.

Messung der zeitlichen Entwicklung von nanoskaligen Materialien mit gestopptem Fluss und Kleinwinkel-Neutronenstreuung

This paper presents the use of a stopped-flow small-angle neutron-scattering (SANS) sample environment to quickly mix liquid samples and study nanoscale ...