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Exploring synthetic and biological polymer composites with polarization-modulated mid-infrared synchrotron radiation

Schmidt, Martin

German Title: Untersuchung künstlicher und biologischer Polymerverbundstoffe mittels polarisationsmodulierter infraroter Synchrotronstrahlung

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Abstract

The innovative application of physical methods is required in order to gain comprehensive qualitative as well as quantitative insights into the structures and the properties of complex materials and systems. In this work, the novel hyphenation of synchrotron-based Fourier-transform infrared microspectroscopy with polarization modulation was implemented. The in this combination so far unique microprobe was designed for the non-destructive in situ study of the composition and the structural anisotropy in small or heterogeneous samples. A key feature demonstrated is the ability of the instrument to spatially resolve infrared linear dichroism down to the diffraction limit by using infrared synchrotron radiation. Another characteristic of great potential was shown to be the capability of obtaining orientation information in reference-free measurements. The reference-free and near-diffraction-limited mapping of infrared linear dichroism in fiber-reinforced polypropylene model composites was demonstrated. Measurements on single wood fibers illustrated the capabilities of the method to investigate (bio)polymeric multicomponent and multiphase systems. It was shown that the method can provide new insights into synthetic and biological polymer composites. It is more widely applicable to investigations of complex synthetic and biological materials. For a complete understanding of the structure and the function of biological macromolecules and complex biological systems it is necessary to measure them in their native environment. Therefore, a microfluidic infrared transmission cuvette for measurements of biological systems in aqueous medium was implemented in this work. This cuvette was used for the in situ study of wood polymers in the presence of liquids. Furthermore, it was suitable for the in situ measurement of living cells by infrared microspectroscopy. The microfluidic cuvette was shown to be a versatile device which may be used as a miniincubator and an infrared measurement chamber with varied possible further applications.

Translation of abstract (German)

Um umfassende qualitative und quantitative Erkenntnisse über die Struktur und Eigenschaften komplexer Materialien und Systeme zu gewinnen, ist der innovative Einsatz physikalischer Methoden gefordert. In der vorliegenden Arbeit wurde eine neuartige Instrumentierung entwickelt und angewendet, die die Polarisationsmodulation mit der Fourier-Tranform Infrarotmikrospektroskopie sowie infraroter Synchrotronstrahlung verbindet. Die in dieser Kombination bislang einzigartige Mikrosonde wurde für die zerstörungsfreie In-situ-Untersuchung der Zusammensetzung und Struktur von mikroskopischen oder heterogenen anisotropen Proben entwickelt. Es wurde gezeigt, dass das Instrument durch die Nutzung infraroter Synchrotronstrahlung in der Lage ist, den Lineardichroismus örtlich bis hin zur Beugungsbegrenzung aufzulösen. Es wurde weiterhin veranschaulicht, dass die Fähigkeit, Informationen zur molekularen Ausrichtung in referenzfreien Messungen zu erhalten, von großer Bedeutung ist. Der Lineardichroismus in Polypropylen-Faserverbundstoffen konnte so durch referenzfreies Messen nahe der Beugungsbegrenzung abgebildet werden. Untersuchungen an einzelnen Holzfasern zeigten die Fähigkeit der Methode auf, (bio)polymere Systeme, die aus verschiedenen Bestandteilen und Phasen aufgebaut sind, zu erforschen. Es wurde nachgewiesen, dass die Methode neue Einblicke in künstliche und biologische Verbundstoffe ermöglicht. Ein erweiterter Einsatz der Methode zur Untersuchung komplexer künstlicher und biologischer Materialien ist möglich. Es ist unerlässlich, biologische Makromoleküle und komplexe biologische Systeme in ihrer natürlichen Umgebung zu untersuchen, um ein vollkommenes Verständnis ihrer Struktur und Funktionen zu gewinnen. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit eine mikrofluidische Infrarottransmissionsküvette für Messungen an biologischen Systemen in wässrigem Medium entwickelt. Diese Küvette wurde für die In-situ-Untersuchung von Holzpolymeren in Flüssigkeiten verwendet. Es wurde außerdem gezeigt, dass die Küvette für die In situ Untersuchung lebender Zellen mittels Infrarotmikrospektroskopie geeignet ist. Die mikrofluidische Küvette ist somit als Mikroinkubator und Infrarotprobenkammer vielseitig einsetzbar.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Grunze, Prof. Dr. Michael
Date of thesis defense: 31. October 2007
Date Deposited: 05. Nov 2007 11:39
Date: 2007
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: FT-IR-Spektroskopie
Uncontrolled Keywords: infrarote Synchrotronstrahlung , PolarisationsmodulationFTIR spectroscopy , infrared synchrotron radiation , polarization modulation
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