Jahresbericht 2019 Leibniz-Institut Für Polymerforschung Dresden E

Jahresbericht 2019 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V. Jahresbericht 2019 Biologie-inspirierte Prozessgeführte Grenzﬂ ächen- und Strukturbildung Materialgestaltung polymerer Materialien

Polymere Netzwerke 4 Inhalt Funktionale und übermolekulare 6 Vorwort | Preface nanostrukturierte 36 74 Strukturen 8 Schlaglichter | Highlights Grenzﬂ ächen und 10 Organe Polymersysteme 11 Personal und Finanzen 12 Organigramm 56 14 38 Molecular switch of cell mimics 76 Entwicklung von Flammschutzmitteln by light-driven proton transfer für PUR/PIR-Schäume

40 Smart multifunctional coatings 78 Green routes for preparation of made by polymer brushes supercapacitors based on PANI 58 Methode zur Photostrukturierung and graphite derivatives 42 Janus particles: From concepts von Hydrogelarrays zur Durchführung 16 Unraveling chain walking catalysis – to sustainable applications mehrstufiger Enzymreaktionen 80 A step closer to integrative In depth characterization of dendritic in der Mikrofluidik simulation of polymer processes polyethylene by means of advanced 44 Temperature-induced mechano- scattering and separation techniques and growth factor release modulation 60 Konzepte für mechanosensitive Partikel 82 Mikrospritzgießen – Einblicke in die of glycosaminoglycan based und deren Integration in 4D-Strukturen Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen 18 Unraveling chain walking catalysis – interpenetrating polymer networks New polymer architectures predicted 62 Dynamics of spin‐labeled polyacid chain 86 Einfl uss einer thermischen by theory and simulations 46 Hydrogels with programmable segments in polyelectrolyte multilayers Nachbehandlung auf die Permeations- host reactions eigenschaften von Polyurethanen 20 Metallopolymere – auf der Suche 64 Magneto-adaptive nach dem Besten zweier Welten 48 Multiphasic microgel‐in‐gel Faser-Elastomer-Komposite 88 Stoffschlüssige Kunststoff‐Kunststoff‐ materials to recapitulate cellular Verbunde mit faserverstärkten 22 Remarkable mechanochromism in blends mesoenvironments in vitro 66 Recycling of waste tire rubber by UP‐Duromeren und TPU of a π-conjugated polymer P3TEOT: mechano-chemical devulcanization The role of conformational transitions 50 Highresolution bioprinting of 90 Nachhaltiges reaktives Blenden and aggregation multi-component hydrogels 68 Metall-Kunststoff-Verbunde mit von Biopolymeren einer elastischen Zwischenschicht Predicting mechanical stress 24 Material- und Prozessentwicklung 52 A smart polymer for sequence- und die Prüfung der Verbunde 92 in fi eld-responsive polymers with für die effi ziente Fertigung der groß- selective binding, pulldown and im Blockscherversuch an evolving microscopic order formatigen Bipolarbatterie EMBATT2.0 release of DNA targets 70 Tendomers – force sensitive bis-rotaxanes 26 An effi cient and scalable binder system 54 Polyacrylamide (PAAm) bead sensors with jump-like deformation behavior for high-performance silicon nano- for in vivo quantifi cation of cell-scale 94 Ergebnisse in Zahlen particle-based lithium ion batteries stress in zebrafi sh development 72 Scaling theory for critical behavior in fi ber networks 95 Publikationen 28 Plasmonische Oberfl ächenstrukturen 123 Abgeschlossene Promotionen und Cluster: Von der Assemblierung 124 Preise und Auszeichnungen zur Sensor-Integration 126 Wissenschaftleraustausch 30 NMR investigations on the intercalation 132 Wissenschaftliche Veranstaltungen and selfdiffusion of fl uorinated anions in a high‐voltage Zn‐graphite battery 134 Wissenschaftliche Kolloquien (öffentlich) 139 Messen, Präsentationen, Ausstellungen 32 Understanding co-nonsolvency and volume phase transitions in polymer brushes 141 Lehrtätigkeit 144 Impressum 34 Exploring the interplay between the fi eld- and deformation-induced particle rearrangements in magnetic elastomers

4 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 5 PREFACE Dear readers, dear employees, partners, friends and supporters,

We are pleased to present the Annual Report 2019 of The annual report gives an insight into research ac- the Leibniz Institute of Polymer Research Dresden e. V. tivities with short articles on selected results. They In 2019, important decisions were taken concerning are arranged according to the four strategic themes, appointments to leading positions at the IPF. On July 1, which are mostly dealt with in cooperation by scien- 2019 Dr. Lilla Farkas joined the institute as new Man- tists from the five institutes of the IPF. Each chapter aging Director and CFO after retirement of her prede- has an introduction by the speakers to give a brief cessor. In this place we would like to thank Achim von overview of the activities in the respective field. The Dungern once again for his work for our institute. presentation of scientific results is supplemented by VORWORT The appointment procedures for two professorships lists of PhD theses supervised at the institute and have ﬁ nally been concluded. Professor Dr.-Ing. Markus of all publications in journals – 364 in 2019, as many Liebe Leser, liebe Mitarbeiter, Stommel has been appointed Professor for Polymer as never before and mostly published in renowned Partner, Freunde und Förderer, Materials at the Technische Universität Dresden (TUD) peer-reviewed journals. A great deal of information and Head of the IPF Institute of Polymer Materials and is provided on structure, committees, personnel and Wir freuen uns, Ihnen den Jahresbericht 2019 des Der Jahresbericht präsentiert erneut exemplarisch eini- assumed both positions on March 1, 2020 (succeed- finances as well as on awards, guests, various events Leibniz-Instituts für Polymerforschung Dresden e. V. ge konkrete Ergebnisse der wissenschaftlichen Arbeit ing Professor Dr. Gert Heinrich). In an additional joint and presentations, and teaching activities. Some out- vorlegen zu können. in der Form von Kurzberichten. Die Darstellung ist appointment of TUD with IPF, on Februar 1st, 2020, standing results, events, and facts are highlighted at Das vergangene Jahr brachte wichtige Entscheidun- nach den vier strategischen Themen (ST) gegliedert, Dr. Sven Wießner took over the new Professorship pages 8 and 9, among them the new record in acqui- gen zur Besetzung leitender Positionen am Institut. die von Wissenschaftlern der fünf Institute des IPF for Elastomer Materials at the TUD. At the IPF, he sition of third-party funding. Seit 1. Juli 2019 hat Frau Dr. Lilla Farkas das Amt der zumeist übergreifend bearbeitet werden, und den heads the Research Division Elastomers. His appoint- Kaufmännischen Direktorin (KD) inne. Dem aus Al- vier Kapiteln ist jeweils eine Einführung der Sprecher ment allows him to continue and further develop the We wish you a stimulating read and we sincerely tersgründen ausgeschiedenen ehemaligen KD, Herrn mit einer kurzen Übersicht über die Aktivitäten im be- activities pursued within his junior professorship (2012 thank our donors, sponsors and cooperation partners Achim von Dungern, sei auch an dieser Stelle noch- treffenden ST vorangestellt. Ergänzt wird die Präsen- to 2018). Dr. Abhinav Sharma was the ﬁ fth IPF scien- for the good cooperation in 2019.  mals für sein Wirken am IPF gedankt. tation wissenschaftlicher Ergebnisse durch Listen aller tist to be appointed TUD Young Investigator. These Abgeschlossen wurden die Berufungsverfahren für Veröffentlichungen in zumeist referierten und hochran- appointments have helped to intensify the coopera- Prof. Dr. Brigitte Voit and Dr. Lilla Farkas zwei Professuren. Herr Professor Dr.-Ing. Markus gigen Fachzeitschriften – mit 364 so viele wie nie zuvor – tion with the university in the last few years. Board of the IPF Stommel übernimmt zum 1. März 2020 die Professur sowie der am Institut betreuten Promotionen. für Polymerwerkstoffe an der Technischen Univer- Die Angaben zu Struktur, Gremien, Personal und Finanzen sität Dresden (TUD) verbunden mit der Leitung des sowie die Fakten zu Auszeichnungen, Gästen, diversen IPF-Instituts für Polymerwerkstoffe (Nachfolge von Veranstaltungen und Präsentationen sowie Lehrtätigkeit Professor Dr. Gert Heinrich). Ebenfalls im Ergebnis ei- werden ergänzt durch eine Übersichtsseite mit Schlag- ner gemeinsamen Berufung ist Herr Dr. Sven Wießner lichtern zu besonderen Ereignissen und Aktivitäten. Zu ab 1. Februar 2020 Inhaber der neu etablierten Profes- den bemerkenswerten Fakten gehört auch ein neuer Re- sur für Elastomere Werkstoffe der TUD und leitet den kord bei der Einwerbung von Drittmitteln. (vgl. S. 9, 11). Forschungsbereich Elastomere am IPF. Er kann damit die bereits im Rahmen einer Juniorprofessur von 2012 Wir wünschen Ihnen eine anregende Lektüre! bis 2018 geleistete Arbeit fortsetzen und ausbau- Unseren Zuwendungsgebern, Förderern und en. Mit Herrn Dr. Abhinav Sharma erhielt ein weite- Kooperationspartnern danken wir sehr herzlich rer Mitarbeiter des IPF den Status eines TUD Young für die gute Kooperation im Jahr 2019.  Investigators. Durch die inzwischen fünf TUD Young Investigators am Institut wurden die Beziehungen zur Prof. Dr. Brigitte Voit und Dr. Lilla Farkas Universität in den letzten Jahren weiter intensiviert. Vorstand des IPF

6 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 7 MaterialVital-Preis im Rahmen Organisation von internationalen Tagungen, federführend Offi zielle Einweihung des neuen Gebäudes in Anwesen- des BMBF-Programms „Material- International Conference on Adhesion in Aqueous Media: heit der Sächsischen Staatsministerin für Wissenschaft innovationen für gesundes Leben: From Biology to Synthetic Materials und 15th Zsigmondy und Kunst, Frau Dr. Eva-Maria Stange ProMatLeben – Polymere“ für das Colloquium (Tagungen vgl. S. 132), sowie Veranstaltungen für die Offi cial inauguration of the new building in presence of IPF-Ausgründungsprojekt ResCure: Öffentlichkeit, u.a. Dresdner Lange Nacht der Wissenschaften Dr. Eva-Maria Stange, Saxon State Minister for Higher Hydrogel-basierte Wundaufl agen Organization of international conferences, e.g. International Education, Research and the Arts für chronische Wunden Conference on Adhesion in Aqueous Media: From Biology IPF spin-off project ResCure to Synthetic Materials und 15th Zsigmondy Colloquium receives MaterialVital Award (Conferences cf. p. 132) and of events Neuer Rekord bei Drittmitteleinwerbung: ERC Starting Grant des Europäischen within the program “Material for the general public, Erstmals über 10 Millionen Euro Forschungsrates für Dr. Julian Thiele für das innovations for a healthy life: such as the Dresden IPF gefragter Partner in Verbundprojekten Projekt „3DPartForm“– ca. 1,5 Millionen EUR ProMatLeben – Polymers” of the Science Night im Hightech-Bereich und stark bei der für die Entwicklung eines neuartigen Federal Ministry of Education Einwerbung von Mitteln für grundlagen- Ansatzes in der additiven Fertigung and Research for development orientierte Projekte (vgl. S. 9), dazu direkte Dr. Julian Thiele receives European of hydrogel wound dressings Industriekooperationen und Projekte im Research Council Starting Grant for the Bereich Technologietransfer project “3DPartForm” – ca. EUR 1.5 million New record in acquisition of third- for the development of a new approach party funding: EUR 10 million in additive manufacturing exceeded for the fi rst time

I. Melnik

IPF both partner of choice in collaborative © I. Melnik projects in hightech area and successful in acquisition of basic-research projects (cf. p. 9), also direct cooperation with industry and technology-transfer projects

S. Floss

J.Nelke

ProMatLeben-WIN

Ausgründungen aus IPF vollzogen IPF spin-offs start business activities © IPF/ J. Thiele, S. Konze © I. Kühnert • TissueGUARD GmbH Erhalt des Zertiﬁ kats „HR Zellkultur‐Plattform für die künstliche Excellence in Research“ der ICMAB-CSIC Barcelona Gewebezüchtung und voll funktionale Europäischen Kommission sowie Transplantate ohne anhaftendes Fremdmaterial Anerkennung als familienfreund- Cell-culture platform for tissue engineering liche Einrichtungen nach dritter and chemically and physically untouched tissues

© IPF erfolgreicher Verteidigung des 2010 erstmals errungenen • Neuron‐D GmbH Zertifi kats audit berufundfamilie Humane 3D-Zellkultur‐Modelle für Hohe mediale Aufmerksamkeit für Anti-Malaria-Textilien IPF has received the certifi cate neurodegenerative Erkrankungen – Ergebnis eines Projektes von IPF und Universität Pretoria, “HR Excellence in Research” Dr. Eva Bittrich erhält Paul Drude Award, 3D human cell culture models for investigation IPF präsentiert sich auf der weltgrößten Kunststoffmesse K 2019 Südafrika – im Rahmen der Kampagne „Genial Sächsisch!“ of the European Commission die höchste internationale Auszeichnung and treatment of neurodegenerative diseases in Düsseldorf mit eigenem 35 qm-Stand im Science Campus; der Sächsischen Zeitung and has been acknowledged as auf dem Gebiet der Ellipsometrie • Better Basics Laborbedarf Doktorandenexkursion zur Messe (Messen vgl. S. 139) Broad media echo for anti-malaria textiles – developped family-friendly institution after (Auszeichnungen vgl. S. 124) Modulares Halterungssystem für IPF presentation at the world’s Nr. 1 Trade Fair for Plastics and within a joint project of IPF and the University of Pretoria, having defended the certifi cate Dr. Eva Bittrich receives Paul Drude Award, Laborzubehör und Glasgeräte Rubber, K 2019 in Düsseldorf: 35 qm booth within the Science South Africa – in the campaign “Genial Sächsisch!” audit berufundfamilie for the the most important international prize in Modular racks for laboratory Campus; Group of IPF PhD students visits fair (Fairs cf. p. 139) of the regional newspaper Sächsische Zeitung third time since 2010 the fi eld of ellipsometry (Awards cf. p. 124) equipment and glass vessels

8 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 9 Mitarbeiter nach Finanzierung ORGANE 65 in Prozent PERSONAL 35 Finanziert aus institutionellen MItteln Finanziert aus Drittmitteln UND FINANZEN

Das Institut wurde auf Empfehlung des Wissen- in den verschiedenen Arbeitsgebieten des Vereins Personal 0,6 0,2 schaftsrates mit Wirkung vom 1.01.1992 als einge- zusammen. Die Mitglieder werden im Benehmen Im Institut arbeiteten zum 31.12.2019 477 Mit- 1,4 tragener Verein gegründet. Es gehört der Leibniz- mit dem Vorstand berufen. Im Berichtsjahr gehör- arbeiter; davon waren 247 Wissenschaftler. Gemeinschaft an und wird zu gleichen Teilen von ten dem Wissenschaftlichen Beirat folgende Mit- Zum Stichtag am Jahresende verzeichnet die Sta- Bund und Ländern institutionell gefördert. Die glieder an: tistik 104 Doktoranden und 37 Postdoktoranden. 1,1 Organe des Vereins sind die Mitgliederversamm- 312 Mitarbeiter wurden aus institutionellen Mitteln 3,1 10,1 lung, das Kuratorium, der Vorstand und der Wissen- . Prof. Dr. Matthias Ballauf, und 165 Mitarbeiter aus Drittmitteln fi nanziert. Drittmitteleinwerbung schaftliche Beirat. Dem Verein gehörten im Be- Helmholtz-Zentrum Berlin, Der Anteil weiblicher Mitarbeiter lag bei 46 % aller 0,6 nach Mittelgebern richtsjahr ab dem 1.01.2019 zehn stimmberechtigte . Prof. Dr.-Ing. Christian Bonten, Beschäftigten, der von Beschäftigten mit auslän- in Mio. Euro Mitglieder an. Der Freistaat Sachsen ist als juris- Universität Stuttgart, discher Staatsangehörigkeit bei 18 %. tische Person Mitglied des Vereins. . Prof. Claudia Fischbach-Teschl, Über das Jahr waren insgesamt 219 Gastwissen- Cornell University, USA, schaftler und -studenten für kürzere (71) oder 3,1 Das Kuratorium hatte 2019 folgende Mitglieder: . Prof. Dr. Katharina Landfester, längere (148) Zeiträume* im Rahmen von Gastauf- Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz, enthalten am IPF tätig. Außerdem beschäftigte das Industrie Stiftungen / Sonstige Bund (ohne AiF) EU . Freistaat Sachsen – vertreten durch das . Prof. Dr. Matthias Lutolf, Ecole Polytechnique Institut im Jahr 2019 insgesamt 123 studentische AiF DFG (inkl. SFB) SMWA / SAB Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst, Fédérale de Lausanne, Schweiz, Hilfskräfte und Praktikanten. vertreten durch Ministerialrat Christoph Meier, . Prof. Dr. Wolfgang Paul, Zum Stichtag 31.12.2019 hatten 20 Auszubildende Finanzen Dresden, Vorsitzender Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, einen Ausbildungsvertrag mit dem Institut: Im Haushaltsjahr 2019 erhielt das IPF für laufende . Bundesrepublik Deutschland – vertreten durch . Dr. Jens Rieger, BASF SE, Ludwigshafen, 10 Chemielaboranten, 9 Biotechnikstudenten Maßnahmen eine institutionelle Förderung in Höhe das Bundesministerium für Bildung und Forschung, . Dr. Georges Thielen, und ein Verfahrensmechaniker. von 26,3 Mio. EUR. Diese Mittel wurden zu 52 % für vertreten durch Dr. Peter Schroth, Bonn, Goodyear Innovation Center, Luxemburg, Das Institut ist nach dem audit Personal, zu 33 % für sächliche und Verwaltungs- stellvertretender Vorsitzender . Dr. Matthias Ullrich, berufundfamilie als familien- ausgaben und zu 15 % für Investitionen verwendet. . Prof. Dr. rer. nat. habil. Gerhard Rödel, Evonik Resource Effi ciency GmbH, Marl, freundliche Einrichtung zertifi ziert. Außerdem wurden dem IPF für 2019 fi nanzielle Technische Universität Dresden, . Univ.-Prof. Dr.-Ing. Matthias Wessling, Mittel in Höhe von 4,3 Mio. EUR für die Baumaß- von der Mitgliederversammlung RTWH Aachen. Mitarbeiter nach Beschäftigungsgruppen nahme Gebäude Kaitzer Straße 4 bewilligt. gewähltes Mitglied des Vereins Aus öffentlich geförderten Projekten und In- Infrastruktur . Prof. Dr. Dr. h. c. Peter Fratzl, Weitere Gremien am Institut sind Kollegium und 14 dustrieverträgen im Drittmittelbereich konnten Max-Planck-Institut für Kolloid- und Wissenschaftlich-Technischer Rat. Das Kollegium, das Auszubildende und Berufsakademiestudenten 10,1 Mio. EUR eingeworben werden. Damit er- Grenzfl ächenforschung, Potsdam, durch die Leiter der fünf IPF-Institute gebildet wird, 20 reichten die Drittmittel einen Anteil von 28 % von der Mitgliederversammlung wirkt mit bei der Forschungsplanung, berät und unter- Servicepersonal am Gesamtetat. gewählter Sachverständiger stützt den Vorstand bei Aufstellung, Vollzug und wis- 33 8,7 Mio. EUR der eingeworbenen Mittel entstam- Verwaltungspersonal senschaftlichem Controlling des Programmbudgets. men öffentlich geförderten Projekten der Deut- 33 Als Mitglieder im waren bestellt: Der Wissenschaftlich-Technische Rat besteht aus schen Forschungsgemeinschaft, der Europäischen Vorstand Laborpersonal als Wissenschaftliche Direktorin: gewählten wissenschaftlichen Mitarbeitern des Union, der Bundesministerien für Bildung und Prof. Dr. Brigitte Voit Instituts und berät den Vorstand in wissenschaft- 76 Forschung, für Ernährung und Landwirtschaft so- als Kaufmännischer Direktor: lichen und wissenschaftlich-technischen Fragen. Studenten wie für Wirtschaft und Energie (über AiF Projekt Achim von Dungern (bis 30.06.2019) 54 GmbH), des Sächsischen Staatsministeriums für Dr. Lilla Farkas (ab 1.07.2019) Förderverein Wissenschaftler 247 Wirtschaft, Arbeit und Verkehr, der Volkswagen- Dem Verein zur Förderung des IPF gehörten im Stiftung, der Alexander von Humboldt-Stiftung Der Wissenschaftliche Beirat setzt sich aus Berichtsjahr 25 Firmen und Institutionen sowie oder des Deutschen Akademischen Austausch- sechs bis zehn stimmberechtigten ausgewiese- 18 Privatpersonen an. (Mitgliederliste im Internet dienstes. Über direkte Kooperationen mit der nen exter nen Fachleuten des In- und Auslandes unter „Organisation“)  Industrie wurden 1,4 Mio. EUR eingenommen. 

10 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 11 ORGANIGRAMM Stand: 31.12.2019

MITGLIEDERVERSAMMLUNG

KURATORIUM

WISSENSCHAFTLICHER VORSTAND BEIRAT Wissenschaftliche Direktorin Kaufmännische Direktorin Prof. Dr. Brigitte Voit Dr. Lilla Farkas LEITUNGSSTAB Forschungsplanung / Öffentlichkeitsarbeit -koordinierung Antonio Reguero Kerstin Wustrack

(kommissarisch) Prof. Dr. Brigitte Voit Prof. Dr. Andreas Fery Prof. Dr. Udo Wagenknecht Prof. Dr. Carsten Werner Prof. Dr. Jens-Uwe Sommer Dr. Michael Wilms Dr. Lilla Farkas Institut Institut Institut Institut Institut Bereich Verwaltung und Makromolekulare Physikalische Chemie Polymerwerkstoffe Biofunktionelle Theorie der Polymere Forschungstechnik Technische Dienste Chemie und Physik der Polymere Polymermaterialien

Abteilung Abteilung Abteilung Ladung, Struktur Theoretische Geräteentwicklung Finanzen und Controlling Polymerstrukturen Polymergrenzﬂ ächen Verarbeitungsprozesse und Adhäsion an Polymerphysik und Konstruktion Dr. Kathrin Imberger Dr. Anton Kiriy PD Dr. Alla Synytska Dr. Ines Kühnert Biogrenzﬂ ächen Prof. Dr. Jens-Uwe Sommer Dr. Michael Wilms Dr. Ralf Zimmermann Personal und Soziales Abteilung Abteilung Abteilung Materialtheorie Gerätebau und Susanne Otto Bioaktive und Polyelektrolyte Reaktive Verarbeitung Hämokompatibilität und Modellierung Werkstattservice responsive Polymere und Dispersionen Prof. Dr. Udo Wagenknecht von Biomaterialien PD Dr. Marina Grenzer Dirk Zimmerhäckel Beschaffung und Dr. Dietmar Appelhans Dr. Ulrich Scheler Dr. Manfred Maitz Allgemeine Dienste Abteilung Kerstin Nitsche Abteilung Abteilung Mechanik und Matrix Engineering Funktionale Nanostrukturierte Verbundwerkstoffe Dr. Uwe Freudenberg Nanokomposite Materialien Dr. Konrad Schneider Bibliothek und Blends Dr. Petra Uhlmann Ursula Umlauf Dr. Petra Pötschke Abteilung Elastomere Labor- und Abteilung Dr. Sven Wießner Anlagentechnische Analytik Gebäudeausrüstung Dr. Klaus-Jochen Eichhorn Falk Wünsche

Informationstechnik Ulrich Seltmann

12 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 13 Strategisches Thema 1 Funktionale nanostrukturierte

Grenzflächen und In ST1 fokussieren die Arbeiten auf Verständ- Prof. Dr. Brigitte Voit Prof. Dr. Andreas Fery Prof. Dr. Carsten Werner nis und Darstellung von funktionalen Poly- meren und Nanohybridstrukturen, speziell Polymersysteme auch unter dem Aspekt der Effizienz und Nachhaltig- der verzweigten Architektur bei der Chain-Walking- keit, und deren skalierbare Integration in Anwendun- Polymerisation von Olefinen erstmalig vollständig gen und Systeme. aufgeklärt wurde (JACS 141, 2019, 15586). In einer weiteren Kooperation zwischen Theorie und Experiment Im Bereich der funktionalen Polymere wurde die Ent- konnte der Kollapsübergang von PNIPAm-Bürsten in wicklung und Optimierung von Synthesemethoden Wasser-Alkohol-Mischungen quantitativ beschrieben zur Erzeugung von Funktionspolymeren für Anwen- werden (Macromolecules 52, 2019, 6285). dungen in der Optoelektronik und der Energietechnik vorangetrieben. So wurden erstmalig halbleitende und Im Bereich der Nanohybridstrukturen konnten op- aus der Lösung prozessierbare Ruthenium-basierte toelektronisch funktionelle Nanostrukturen durch Polymetallayne realisiert, der Vorteil von AB-Mono- Kombination von maßgeschneiderter Synthese me- meren gegenüber der Kombination von AA + BB tallischer Kolloide (Chem. Mater. 2019, 31, 2822) und Monomeren in der Palladium-katalysierten Suzuki- deren Anordnung auf Polymeroberflächen erzeugt Polykondensation zu konjugierten Polyarylenen her- werden. Dieser Ansatz bietet Zugang zu photonischen ausgestellt (Macromol. Rapid Commun. 2020, 41, Elementen wie Lichtwellenleitern (Nano Letters2019, 1900521) und ein starker Mechanochromismus in 19, 3854), sensorischen Komponenten (Nanoscale Blends von π-konjugierten P3TEOT aufgezeigt (Adv. 2019, 11, 17655–17663), Materialien für oberflächen- Optical Mater., 2019, early view). Zum Einsatz von verstärkter Ramandetektion und streckbaren Sensori- großflächigen bipolaren Lithiumionen-Batterien im Auto kelementen (ACS Appl. Mater. & Interfaces 2019, 11, konnten elektrochemisch stabile Durchleiterfolien als 28189), sowie Superabsorberoberflächen. auch effiziente Festkörperelektrolyte entwickelt werden. Zudem konnten neue Ansätze für partikelbasierte Besondere Fortschritte wurden in der Integration Li-Ionenbatterien realisiert werden (J. Electrochem. Soc. dieser Strukturen in Biomaterialien oder elektroni- 2019, 166 A5275) und NMR-Untersuchungen erlauben schen Bauelementen erzielt, die die Voraussetzung ein besseres Verständnis von Transportprozessen in Bat- für zahlreiche Anwendungen bildet (Proceedings terien (Adv. Mater. 2019, 1905681). Für die Reduktion IEEE 2019, 107, 204). Hier bieten die partikuläre von Graphenoxid zu Graphen, welches in Kombination Struktur sowie die Strukturbildung durch Selbstan- mit Polyanilin für Superkondensatoren Einsatz findet, ordnung Vorteile gegenüber klassischen lithographi- wurde eine energieeffiziente und umweltfreundli- schen Fertigungstechniken, wie Skalierbarkeit und che Methode basierend auf Gerbsäure entwickelt. energieeffizientere Fertigungsprozesse. Schließlich konnten Methoden zur großflächigen Poly- merbürstenmodifikation von Grenzflächen entwickelt Viele der genannten Anwendungen erfordern die Cha- werden, die unter anderem in Batterien Anwendungen rakterisierung von dünnen Filmen, für die am IPF unter finden. Hervorzuheben ist aber auch, dass in einer sehr anderem die spektroskopische Ellipsometrie metho- fruchtbaren Zusammenarbeit zwischen Theorie und disch intensiv weiterentwickelt wird. Frau Dr. Bittrich Experiment das Kettenwachstum und die Entwicklung hat dafür 2019 den Paul-Drude-Award erhalten. 

14 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 15 Funktionale nanostrukturierte Grenzfl ächen und Polymersysteme

On global scale, CWPEs demonstrate worm-like chain is universal for CWPE regardless of the applied r e a c ti o n scaling with poor sensiti vity to the variati on of reac- conditi ons. The respecti ve theoreti cal arguments and ti on conditi ons. Yet, their contracti on factors indicate the comparison between simulated and experimental that substanti al deviati ons in their branching densiti es scatt ering data are highlighted in arti cle no. 31 (PB5). are triggered by synthesis modifi cati on. Using quadru- However, on global scale this crossover leads to the for- Unraveling chain walking catalysis – ple-detector high temperature size exclusion chroma- mati on of macromolecules with worm-like chain scal- tography (HT-SEC-d4),2 a universal scaling regime was ing but diff erences in their local topology depending on In depth characterization of dendritic monitored, which all CWPE approach at suffi cient poly- the given reacti on conditi ons. These bott lebrush shaped mer size (fi gure 1, left ). macromolecules were validated by AFM as depicted in polyethylene by means of advanced Small angle neutron scatt ering experiments gave ac- fi gure 1, right. Not only does this provide solid evidence cess to the structural characteristi cs of CWPE on vari- for the proposed structural transiti on of CW structures, scattering and separation techniques ous length scales and identi fi ed a molar mass-dependent it was also the fi rst ti me that the excepti onal architec- transiti on from dendriti c to linear scaling behavior, which ture of CWPE was visualized in appropriate measure.1 Laura Plüschke, Ron Dockhorn, Anthony Ndiripo, Jan Merna, Jens-Uwe Sommer, Harald Pasch, Albena Lederer

Living coordinati on polymerizati on of ethylene or other Within an interdisciplinary research project, a selec- α-olefi ns through Pd(II)-α-diimine catalysts gives rise to ti on of polyethylene obtained from CW catalysis (CWPE) macromolecules with outstanding controllability over was compiled through systemati cal variati on of reac- polymeric structure and material properti es. Indeed, the ti on conditi ons. The so-produced macromolecules were excepti onal capability of the catalyst to maneuver with- subjected to state-of-the-art analyti cal techniques to in the polymer favors the formati on of high molecular reveal the molecular properti es of CWPE on global weight macromolecules with dendriti c architecture. and segmental length scale. Moreover, the experi- However, despite countless investi gati ons in the past, mental results were compared to theoretically pre- the concepti on of CW catalysis and the products derived dicted CW structures generated by Monte Carlo from it greatly varied, provoking that research outputs simulations to elucidate the true potential of CW Fig. 2 2D contour plot from HT-SGIC x HT-SEC of CWPE obtained from high (left ) and low reacti on pressure (right), respecti vely. were marked by substanti al contradicti ons. polymerization.1 The arrows are guides for the eye, only and illustrate the universal crossover of CWPE.

These observati ons were recently verifi ed by two- Complex polymer synthesis calls for sophisticated dimensional liquid chromatography of CWPE with analytical strategies in order to reliably clarify struc- various topological properti es. There, high temperature ture-property relationships and open new avenues solvent gradient interacti on chromatography (HT-SGIC) for targeted application of complex macromolecular separati ng according to chemical compositi on was systems. In this extended analytical study, we demon- hyphenated with HT-SEC separati ng according to mo- strate the power of complementary, modern characteri- lar mass. The so-produced 2D contour plots (fi gure 2) zation techniques to unravel the specific architecture display the bivariate distributi on of the respecti ve an- of chain-walking polyolefins and unlock new possible alyte and allow for an in-depth structural characteri- applications in which their bottle-brush character is zati on by means of liquid chromatography. crucial. 

Fig. 1 Left : Molar mass dependence of the structure rati o ρ of various CWPE obtained from quadruple-detector HT-SEC. The marked region de- notes the universal scaling behavior of all CWPE at high molar mass, proposed to be dendriti c bott lebrush architecture. Right: AFM image [1] R. Dockhorn, L. Plüschke, M. Geisler, J. Zessin, P. Lindner, R. Mundil, J. Merna, J.-U. Sommer and A. Lederer: J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 15586–15596. of CWPE on HOPG substrate in amplitude mode. [2] L. Plüschke, R. Mundil, A. Sokolohorskyi, J. Merna, J.-U. Sommer and A. Lederer: Anal. Chem., 2018, 90, 6178–6186.

16 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 17 Funktionale nanostrukturierte Grenzfl ächen und Polymersysteme

Coarse-grained Monte Carlo simulati ons uti lizing the bond fl uctuati on model [4, 5] of the CW polymerizati on Unraveling chain walking catalysis – catalysis with diff erent walking rates w are performed[6] to investi gate the infl uence of the walking mechanism on New polymer architectures predicted the polymer architecture at a given molecular weight N. For low walking rates w ≈ 1 the structure growths with by theory and simulations linear chain extensions, whereas high walking rates w » 1 promote dendriti c growth of the polymer, see fi gure 1. Ron Dockhorn, Laura Plüschke, Martin Geisler, The transiti on region is characterized by large amount of branched side chains refl ecti ng a cross-over regime with Johanna Zessin, Albena Lederer, Jens-Uwe Sommer Fig. 2 Radius of gyrati on Rg of the CW structures scaled by linear linear global features and dendriti c local sub-structures chain behavior obtained for diff erent walking rate w and contrary to rHB. Indeed, the obtained CW structures have various degree of polymerizati on N confi rming the macro- conformati onal transiti ons. characteristi cs of disordered dendriti c bott le brushes and the degree of branching can be adjusted by the walking rate of the catalyst. A generalized mean-fi eld model [6, 7] is applied, and is found in fair agreement with the simulati on data describ- ing the scaling relati on of the diff erent regimes under good solvent conditi ons, see fi gure 2. Additi onally, SANS scatt ering experiments of the CW polymerizati on are performed and compared to the simulati on data to verify the observed macro-conformati onal transiti ons, see fi g- ure 3. These fi ndings are aimed to understand the physical properti es related with the polymer architectures of the CW structures and to improve the rati onal design of a novel class of hyperbranched molecules. 

Sponsors . Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG): Contract number LE 1424/7 and SO 277/13 . Czech Science Foundati on (GAČR): Contract number 15-15887J

Fig. 1 Sketch of the proposed theoreti cal model (upper panel) confi rmed by the simulati on of the chain walking catalysis under varying Cooperations walking rate w (lower panel). The chain walking catalysis leads to dendronized bott le-brushes and dendrimers rather than randomly Fig. 3 Top: Calculated scatt ering intensity as a functi on of momen- . Dr. Peter Lindner, Insti tut Laue-Langevin, hyperbranched structures. tum transfer q for CW structures (N = 3072), rHB molecules, Grenoble, France and perfect trifuncti onal dendrimers. The lines indicate the . Prof. Jan Merna and expected slopes for linear chains and mean-fi eld predicti on for rHB molecules. Bott om: Experimental SANS data of poly- . The synthesis for defi ned polymer architectures is chal- complexity arises due to the unique catalyst property to Dr. Robert Mundil, University of Chemistry ethylenes obtained by chain walking mechanism (CWPE) lenging and focus of recent research. In 1998 Brookhardt walk along the polymer introducing branch-on-branch and Technology Prague, Prague, Czech Republic under varying synthesis conditi ons. et al. [1] and in 1999 Guan et al. [2] introduced an elegant structures. The literature discusses three regimes/to- approach to obtain hyperbranched polyethylenes syn- pologies of polymers appearing in the synthesis: linear, [1] S. Mecking, L. K. Johnson, L. Wang, M. Brookhart: J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 888–899. thesized by Pd–diimine-catalyzed metallocene catalysts dendriti c, and hyperbranched. As linear and dendrit- [2] Z. Guan, P. M. Cott s, E. F. McCord, S. J. McLain: Science 1999, 283, 2059–2062. [1] by the chain walking (CW) polymerizati on technique. ic topologies for polymers are well-defi ned, the phrase [3] B. H. Zimm, W. H. Stockmayer: J. Chem. Phys. 1949, 17, 1301–1314. The catalyst is able to polymerize ethylene and α-ole- “hyperbranched” is confusingly used as synonym for all [4] I. Carmesin, K. Kremer: Macromolecules 1988, 21, 2819–2823. [5] H. P. Deutsch, K. Binder: J. Chem. Phys. 1991, 94, 2294–2304. fi nes into a variety of complex architectures depending highly branched object also referring to randomly hyper- [6] R. Dockhorn, L. Plüschke, M. Geisler, J. Zessin, P. Lindner, R. Mundil, J. Merna, J.-U. Sommer, A. Lederer: J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 15586–15596. on pressure, temperature and olefi ne concentrati on. The branched (rHB) Zimm-Stockmayer polymerizati on [3]. [7] A. Jurjiu, R. Dockhorn, O. Mironova, J.-U. Sommer: Soft Matt er 2014, 10, 4935–4946.

18 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 19 Funktionale nanostrukturierte Grenzflächen und Polymersysteme

Metallopolymere – Auf der Suche nach dem Besten zweier Welten Po-Yuen Ho, Kilian Horatz, Takuya Tsuda, Hartmut Komber, Franziska Lissel

Faltbare Monitore, Sensoren welche direkt auf der lierbare elektrochemische Eigenschaften, können z. B. elektronisch unabhängig agieren, sind in Wolf-III Systemen geschaltet werden können. Mehr noch: Unter speziel- Haut getragen werden – die Nutzung halbleitender Poly- als Elektronenreservoir agieren oder gezielt dotiert die Metallzentren intrinsischer Baustein des Polymerrück- len experimentellen Bedingungen zeigte das Polymer mere erlaubt uns neue Anwendungen, welche mit werden, und sind folglich hochinteressant für elekt- grats: Wird das Polymer zum Ladungstransport genutzt, sogenanntes gemischt-valentes Verhalten, d. h. es fand konventionellen elektronischen Bauteilen kaum mög- ronische Anwendungen. sind die Metallzentren obligat beteiligt. Dies erlaubt die eine elektronische „Kommunikation“ zwischen den lich sind. Metallzentren können auf drei Arten an Polymere ange- Nutzung der Metallzentren als elektronisch-funktionale Metallzentren statt. Schließlich wiesen Kollaborations- Während tausende rein organischer – also hauptsächlich bunden sein: über eine Seitenkette (Fig. 1, a), assoziiert an Strukturelemente und ist folglich sehr vielversprechend. partner der Universität Cambridge (GB) nach, dass das aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehender – halb- das Polymer-Rückgrat (Fig. 1, b), oder direkt in das Rück- Allerdings sind erstaunlich wenige Wolf-III Metallo- neue Metallopolymer halbleitende Eigenschaften be- leitender Polymere bekannt sind und täglich über neue grat eingebettet (Fig. 1, c). Diese auch als Wolf-I, Wolf-II polymere bekannt, und diese beinhalten meist elektro- sitzt und ein funktionelles Material für elektronische Varianten berichtet wird, gibt es nur wenige Metallo- und Wolf-III bezeichneten Strukturklassen spiegeln die chemisch träge Edelmetalle wie Platin oder Gold, welche Anwendungen ist. polymere, welche zusätzlich Metallzentren beinhalten. elektronische Interaktion zwischen Polymerrückgrat und nur begrenzt interessant sind. Damit zeigt sich das hohe Potential dieser neuen Ma- Die meisten Metalle haben aber bekannte und gut modu- Metallzentren wider: während diese in Wolf-I Polymeren Hier setzte die Arbeit von Dr. F. Lissel und ihrer Gruppe terialklasse. Nach der am IPF durchgeführten Arbeit er- Funktionelle Elektronische Materialien (FEM) am Insti- öffnet sich hier ein ganz neues Gebiet: Die Variation der tut für Makromolekulare Chemie (IMC) des IPF an: Ziel Metalle und ihrer strukturellen Umgebung, der organi- war es, einen Weg zu finden, lösliche Wolf-III Metallo- schen Komponenten und ihrer Verknüpfung ergeben ein polymere mit elektrochemisch aktiven Metallzentren breites Spielfeld, um hochfunktionale Materialien für herzustellen. elektronische Anwendungen zu erhalten.  Im Rahmen seiner am IPF und CFAED der TU Dresden durchgeführten M. Sc. Arbeit testete der aus Hong Kong stammende P.-Y. Ho verschiedene Polymerisationsbe- Gefördert durch dingungen, und war schließlich in der Lage, eine aus Fonds der Chemischen Industrie (FCI) dem Bereich der anorganischen Chemie bekannte Re- aktion zu einer Polymerisationmethode weiterzuent- Kollaborationspartner wickeln. Dies erlaubte die Synthese eines ersten hoch- . Prof. Dr. Stefan C. B. Mansfeld, CFAED Abb. 1 Metallzentren können auf verschiedene Arten an Polymere angebunden sein: molekularen und hoch-löslichen Ruthenium-basierten . Dr. Evgenia Dmitrivea, IFW Dresden via einer Seitenkette (Wolf-I, a), an das Rückgrat assoziiert (Wolf-II, b), oder in das Rückgrat eingebettet (Wolf-III, c). Wolf-III Metallopolymers (Fig. 2), in welchem die Metall- . Dr. Olivier Blacque, Universität Zürich (CH) zentren linear und symmetrisch in das Rückgrat eines . Dr. Ulrike Kraft und klassischen halbleitendes Polymers eingebettet sind. . Prof. Dr. Henning Sirringhaus, Universität Cambridge (GB) Direkt am IPF wurden von Dr. H. Komber detaillierte Kernspinresonanzuntersuchungen des neuen Mate- Publikation rials durchgeführt, zur weiteren strukturellen Aufklä- P.-Y. Ho, H. Komber, K. Horatz, T. Tsuda, S. C. B. Mannsfeld, rung wurden u. a. Röntgenstrukturanalysen (Universität E. Dmitrieva, O. Blacque, U. Kraft, H. Sirringhaus, und Zürich, CH) genutzt. Kollaborationspartner am Leibniz- F. Lissel: Polym. Chem. 2020, 11, 472–479 Schwesterinstitut IFW Dresden zeigten, dass die Metall-

Abb. 2 links Das neue Wolf-III Metallopoymer; zentren ihre elektrochemische Funktionalität behalten Teil der Sonderausgabe rechts Röntgenstrukturanalysen von Vorläufermolekülen zeigten die lineare Einbettung des Metallzentrums (mittig, hier orange). und reversibel zwischen zwei Oxidationszuständen Polymer Chemistry Emerging Investigators 2020

20 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 21 Funktionale nanostrukturierte Grenzflächen und Polymersysteme

Remarkable mechanochromism in blends A combination of these two factors are responsible for P3TEOT. An advantage of the P3TEOT/PVA-based mech- mobility of P3TEOT chain and their transition to more anochromic system is that the optical response can be of a π-conjugated polymer P3TEOT: planar states upon the stretching at high concentrations monitored at unprecedentedly low concentration of the The role of conformational of P3TEOT or to twisted states, at low concentrations of chromophore down to 10 ppm.  transitions and aggregation

Johanna Zessin, Max Schnepf, Ulrich Oertel, Tetyana Beryozkina, Tobias A. F. König, Andreas Fery, Michael Mertig, and Anton Kiriy *

In the field of material science, one major problem of The accompanied color change from orange to red is structural polymers is failure through mechanical stress readily apparent with the naked eye (Figure 1b). As pre- or strain. Mechanochromic polymers, or their compos- sented in Figure 1d, UV-vis absorption measurements ites, which respond to mechanical stress with a change reveal a red-shift of λmax from 460 nm up to 510 nm of their absorption and fluorescence features,1 have a upon the stretching. The emission band is red-shifted as potential as sensors to monitor the material’s failure. well (λmax from 600 to 615 nm) (Figure 1e). Moreover, mechanochromic polymers might be use- An opposite transition of the emission spectra is ob- ful in many emerging materials and applications, e.g., served at low concentrations of P3TEOT. For instance, the in artificial skin, wearable, camouflage systems, and for sample containing 10-3 wt% of P3TEOT shows an emis- anti-counterfeiting.2 In this work, a novel mechanism sion maximum of 553 nm in the unstretched state (Fig- for well-pronounced mechanochromism in blends of a ure 3a), which undergoes a blue shift to λmax = 511 nm π-conjugated polymer based on reversible conforma- emerges upon stretching by 180 %. This counterintuitive tional transitions of a chromophore rather than caused phenomenon can be explained in terms of the concen- by different aggregation states of the chromophore, is tration dependency of the P3TEOT’s aggregation state, exemplified.3 which in turn results in different molecular conforma- To explore the mechanochromic behavior, we pre- tions and optical properties. The mechanochromic tran- pared blends of poly(3-tri(ethylene glycol) (P3TEOT) sitions are fully reversible and initial conformational Fig. 1 (a) Chemical structure of P3TEOT and PVA. (b) Photos of the unstretched and stretched polymer blends. (c) Polarized photographs of the with the highly polar, water soluble polyvinyl alcohol state and isotropic structure can be recovered upon a stretched film. (d) Schematics of the uniaxial stretching of a PVA/P3TEOT blend. (e) UV/Vis absorption spectra of a blend at 1.35 wt% P3TEOT (PVA). Blends with a content of P3TEOT of 1.35 wt% brief heating above glass transition point of PVA or in concentration of the unstretched (black line) and stretched (red line) sample. Fluorescence spectra of PVA films with 10-3 wt%, P3TEOT: unstretched (black lines, 1), stretched by 66 % (blue lines, 2), and stretched by 180 % (red lines, 3). Excitation wavelength is 450 nm. give a bright orange colored free-standing PVA film the presence of moisture. after the film-casting process (Figure 1b). These films The unique ability of P3TEOT blends to change color (thickness = 0.5 mm) were cut into strips (10 x 50 mm2), upon the stretching is due to an “intermediate”, mod- [1] D. R. T. Roberts, S. J. Holder: J. Mater. Chem. 2011, 21, 8256. [2] Y. Deng, S. Gao, J. Liu, U. Gohs, E. Mäder, G. Heinrich: Mater. Horizons 2017, 4, 389. heated above the glass transition temperature of PVA erately planar conformation of P3TEOT in the solid state [3] J. Zessin, A. Kiriy, M. J. Schnepf, U. Oertel, T. Beryozkina, T. A. F. König, A. Fery, M. Mertig: (Tg ~ 75 °C)4 and uniaxially stretched by 100 % (Figure 1c). and because of its low glass transition temperature. Adv. Opt. Mater. 2019, 1901410; https://doi.org/10.1002/ADOM.201901410.

22 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 23 Funktionale nanostrukturierte Grenzﬂ ächen und Polymersysteme

Material- und Prozessentwicklung für die efﬁ ziente Fertigung der großformatigen Bipolarbatterie EMBATT2.0

Doris Pospiech, Eike T. Röchow, Oliver Kobsch, Karina Kunz, Ines Kühnert, Beate Krause, Petra Pötschke

Abb. 2 links: Extrudierte Folie (Dicke 75 µm); rechts: Vergleich der elektrischen Volumenlei� ähigkeit von extrudierten Folien und gepressten Pla� en für PVDF/1 Ma% MWCNT mit verschiedenen Anteilen an Carbon Black (CB).

Für die Entwicklung des Polymerelektrolyten sollten Struktur-Eigenschafts-Beziehungen bezogen auf das vernetzte Imidazolium-basierte Poly(ionische Flüssig- thermische und elektrochemische Verhalten sowie die keiten) (PIL) hergestellt und deren ionische Lei� ähig- ionische Lei� ähigkeit der Polymermaterialien ermi� elt. keit gegenüber dem Stand der Technik (z. B. [2]) ver- Durch die Herstellung von Kompositelektroden mi� els bessert werden (Abb. 3). Dabei wurde eine Viel- in situ Photopolymerisation, in denen der Polymer- zahl an polymerisierbaren IL synthetisiert und mit elektrolyt zusätzlich die Funk� on des Binders über- UV-Bestrahlung polymerisiert. Anhand der systema- nimmt, wurde die Systemintegration in Kooperation tischen Variation der chemischen Struktur wurden mit dem Fraunhofer IKTS überprü� . 

Abb. 1 links: Schema der großforma� gen Bipolarba� erie in der Automobilanwendung; rechts: Anordnung der Materialien im Bipolarstack.

Aufgrund des steigenden Anteils an regenera� ven Alter- elektrochemisch inert und elektrisch leitfähig ist und na� ven zur Energiegewinnung müssen moderne Energie- die bisher verwendete Aluminium-Durchleiterfolie erset- speichersysteme etabliert werden, um Versorgungs- zen soll. Zum anderen sollte aus Sicherheitsgründen der engpässe zu vermeiden. Dabei haben sich besonders übliche lu� - und wasserempfi ndliche Flüssigelektrolyt Lithium-Ionen-Ba� erien (LIB) aufgrund ihrer Energie- durch einen Festkörper-Polymerelektrolyten abgelöst effi zienz als eine der vielversprechendsten Lösungsan- werden, der gleichzeitig die Funktion des Elektrolyten sätze hervorgetan. Auch für mobile Energiespeicher- und des Separators übernimmt. Die Position dieser systeme bieten LIB eine hervorragende Anwendungs- Schichten in der Bipolar-Batterie zeigt schematisch Abb. 3 links: Freitragende Polymerelektroly� olie; rechts: ionische Leit- fähigkeiten von vernetzten Polymerelektrolyten mit systema- möglichkeit. Allerdings sind die Energiedichten von LIB Abbildung 1. � sch variierter chemischer Struktur. für den Automobilbereich noch nicht ausreichend und Für die polymerbasierte Durchleiterfolie stand als Ziel, müssen weiter verbessert werden, um z. B. adäquate eine im Technikumsmaßstab kontinuierlich herstell- Projektmittelgeber . Dr.-Ing. G. Hagen, KMS Technology Center GmbH, Dresden Reichweiten zu erzielen. bare Folie mit einer Dicke unter 100 µm und einer elek- Bundesministerium für Wissenscha� und Forschung . Dr. M. Roscher, ThyssenKrupp System Engineering Diese Problema� k wurde im Bmbf-Verbundprojekt trischen Lei� ähigkeit durch die Folie von ca. 0,1 S/cm (BMBF, FKZ 03XP0068E) GmbH, Hohenstein-Erns� hal EMBATT2.0 (www.embatt .de/projekte/embatt 20.html) zu entwickeln. Diese Werte wurden durch Varia� on der . M. Clauß, IAV GmbH, Chemnitz-Stollberg mit der Entwicklung einer konzep� onell neuen Ba� erie PVDF-Matrix, den Einsatz gemischter Füllstoff systeme Kooperationspartner . Dr. Gäbler, Synthon Chemicals GmbH & Co. KG, adressiert. Dabei wurden drei Materialentwicklungen bestehend aus Leitruß und verzweigten Kohlenstoff - . Dr. M. Wolter, Dr. K. Nikolowski, M. Coeler Bi� erfeld Wolfen angestrebt, um das neue Ba� eriedesign in Form einer Nanoröhren, und durch Varia� on der Schmelze- und Dr. M. Fritsche, Fraunhofer IKTS, Dresden . F. Burghart und M. Berger, ULT AG, Löbau Bipolar-Ba� erie umzusetzen und gleichzei� g mit ver- misch- sowie Folienextrusionsbedingungen erreicht . Dr. T. Jähnert, Gla� Ingenieurtechnik GmbH, Weimar . F. Gerlinger, Isocoll Chemie GmbH, Nördlingen besserten Speichereigenscha� en zu vereinen. Das IPF (Abb. 2) [1]. Die Folie konnte in nachfolgenden Verar- als Projektpartner war federführend für die Entwicklung beitungsschri� en von Rolle zu Rolle mit Kohlenstoff - [1] K. Kunz, B. Krause, B. Kretzschmar, L. Juhasz, O. Kobsch, W. Jenschke, M. Ullrich, P. Pötschke: Polymers 11 (4) (2019) 591, doi:10.3390/polym11040591. [2] V. Delhorbe, D. Bresser, H. Mendil-Jakani, P. Rannou, L. Bernard, T. Gutel, S. Lyonnard, L. Picard: Macromolecules 50 (2017) 4309. zweier Materialklassen verantwortlich. Zum einen wur- Primer sowie mit LTO (Lithium-Titanat-Oxid)-Anode und [3] E. T. Röchow, M. Coeler, D. Pospiech, B. Voit, K. Nikolowski, M. Wolter: In situ prepara� on of crosslinked polymer electrolytes for lithium ion ba� eries: synthesis of monomer systems, ion conduc� vity and electrochemical proper� es, Manuskript für Polymers in Vorbereitung. de eine polymerbasierte Kunststoff folie entwickelt, die LNMO (LiNi10.5Mn1.5O4)-Kathode beschichtet werden.

24 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 25 Funktionale nanostrukturierte Grenzflächen und Polymersysteme

An efficient and scalable binder system for high-performance silicon nanoparticle-based lithium ion batteries

Anna Urbanski, Petra Uhlmann

Silicon is one of the most promising anode materials for systematic investigation of poly(vinyl butyral) (PVB), It could be proven that both the adhesion to elec- In a further work, the influence of LiNO3 in ether-based high energy density lithium ion batteries (LIBs) due to which was testet for the first time for nanostructured trode components and current collector as well as electrolytes on the electrochemical performance of its high theoretical capacity and natural abundance. Un- anodes, and poly(acrylic acid) (PAA), we reached specific the mechanical properties of the binder played a de- microparticulate silicon anodes was studied. Electro- fortunately, significant challenges arise due to the large capacities as high as 2170 mAh/g after the first hundred cisive role, and the blend of PAA450/PVB210 showed chemical impedance spectroscopy, SEM and XPS were volume change of silicon upon lithiation/delithiation cycles for PAA/PVB-based electrodes with a Si loading of the best performance in galvanostytic cycling of used to examine the solid electrolyte interface (SEI) on which inhibit its broad commercialization. An advanced 1 mg/cm2 tested between 0.01 and 1.2 V vs. Li/Li+. Swagelock cells (Fig. 1). Generally the best electro- silicon microparticles.[2]  binder can, in principle, reversibly buffer the volume We also demonstrated a good binder-particle inter- chemical performance was found for binders with ∼ change, and maintain strong adhesion toward the var- action and strong adhesion to Cu-foil [1]. The electro- an equal molar ratio of the polymers and of COOH Sponsor ious electrode components as well as the current col- chemical performance of the prepared electrodes was and OH groups. It was also found that BVB improves German Ministry of Education and Research (BMBF), lector. We studied a novel binder system for nanostruc- correlated with swelling characteristics, Young’s modu- the homegeneity of the electrodes, decreases crack Excellent Battery-WING center tured hybrid anodes, containing silicon nanoparticles lus and adhesion strength determined by AFM, chemical formation and improves the adhesion to the current “Batteries-Mobility in Saxony” (grant No. 03X4637D) as most promising for the development of high energy analysis by ATR-FTIR, morphology as well as post-mor- collector. However, because PVB also increases swell- density lithium ion batteries (LIBs). By combination and tem analysis by SEM. ing in the elctrolyte, and probably SEI formation, and Cooperations reduces the mechanical stability of the nanocompos- . Dr. Lars Giebeler, Dr. Ahmad Omar und ite which forms the electrode, a careful balancing of Dr. J. Guo, Leibniz-IFW Dresden material properties and electrochemical performance . Project partner: Leibniz IFW, Fraunhofer IWS, is required. Fraunhofer IKTS, Fraunhofer IVI, namlab, TU Dresden

[1] A. Urbanski, A. Omar, J. Guo, A. Janke, U. Reuter, M. Malanin, F. Schmidt, D. Jehnichen, M. Holzschuh, F. Simon, K.-J. Eichhorn, L. Giebeler, P. Uhlmann, An efficient two-polymer binder for high-performance silicon nanoparticle-based lithium-ion batteries: A systematic case study Fig. 1 Comparison of (a) the initial specific lithiiation capacities, (b) of the initial Coulombic efficiency and (c) of number of cycles until 80 %of with commercial polyacrylic acid and polyvinyl butyral polymers, J. Electrochem. Soc. 2019, 166 A5275–A5286. the 4th lithiiation capacity: the performance of the electrode depends on molar ratios COOH-/OH-groups of PAA/PVB; PAA increases the [2] J. Guo, A. Omar, A. Urbanski, S. Oswald, P. Uhlmann, L. Giebeler, Electrochemical behavior of microparticulate silicon anodes in ether-based Coulombic efficiency; PVB increases the capacity. electrolytes: Why does LiNO3 affect negatively?, ACS Appl. Energ. Mat. 2019, 2, 4411–4420.

26 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 27 Funktionale nanostrukturierte Grenzflächen und Polymersysteme

Plasmonische Oberflächenstrukturen und Cluster: Von der Assemblierung zur Sensor-Integration

Andreas Fery und Tobias A. F. König

Licht kann die Leitungsbandelektronen von metallischen in Partikel-Cluster für die Raman Sensorik Vorteile bie- Lattice Nanopartikel zu kollektiven Schwingungen, sogenannten ten. Kürzlich zeigten wir einen neuartigen Ansatz um den 440 nm Oberflächenplasmonen anregen. Dieser Effekt ist beson- Gittereffekt mechanisch durchzustimmen [4], wodurch ders für die plasmonische Resonanzfrequenz effizient die Detektion dynamisch auf verschiedene Analyten op- und kann auf verschiedene Weise für Sensorikanwen- timiert werden kann [5]. Für Partikelcluster konnten wir dungen genutzt werden: Einerseits wird die Resonanz- zeigen, dass besonders Kern- / Satelliten-Überstrukturen frequenz selbst bei der Anlagerung von Molekülen auf der eine hohe Aktivität bei der oberflächenverstärkten Oberfläche verändert, wodurch die Bildung von Adsor- Raman-Streuung (SERS) zeigen, wobei Verstärkungsfak-

batschichten detektiert werden kann, andererseits wird toren von bis zu 100000 erreicht werden konnten.[6] Auf 440 nm das Licht in der Nähe der Partikel lokal verstärkt, wodurch der Basis der diffusen Reflexionsspektroskopie, der Klein- die Partikel als Antennen für spektroskopische Detektion winkel-Röntgenstreuung (SAXS) und der elektromagneti- genutzt werden können. Letzterer Prozess ist für die schen Simulationen wird der Ursprung der gekoppelten Abb. 1 Mikroskopie- und Photographieaufnahme einer plasmonischen Oberflächenstruktur, Raman Spektroskopie hocheffizient. Moden aufgezeigt und dient somit als Grundlage für die mittels Selbstanordnung auf einem funktionellen Polymermaterial hergestellt wurde. Unser Ziel ist diese Effekte durch Anordnungen von alternative Konstruktionen funktionaler Überstrukturen. plasmonischen Partikeln zu erzielen, wodurch aufwändige Ein wichtiger Schritt zur Integration solcher Partikelstruk- Projektmittelgeber Kooperationspartner lithographische Verfahren vermieden werden können turen in polymere Werkstoffe gelang im Rahmen eines . Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG)( Fe600/28-1 . Dr. Jürgen Nagel, Institut Polymerwerkstoffe, und zudem die Integration der sensorischen Einheiten DFG Projektes in Zusammenarbeit mit der Gruppe Nagel . Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG)( Na831/4-1 Leibniz-Institut dür Polymerforschung Dresden e. V. in Polymermaterialien oder auf Oberflächen erleichtert (IPW). Hier konnten wir erstmals zeigen, dass es möglich . VolkswagenStiftung / Freigeist-Fellowship Tobias A. F. König wird. Basis für diesen Ansatz ist die Synthese von Parti- ist, Partikelanordnungen so auf Spritzguss-Werkzeuge keln mit maßgeschneiderter Form [1]. Darauf aufbauend aufzubringen, dass die Anordnungen beim Spritzguss- [1] A. M. Steiner, M. Mayer, D. Schletz, D. Wolf, P. Formanek, R. Hübner, M. Dulle, S. Förster, T. A. F. König, A. Fery: Chem. Mater. 2019, 31, 8, 2822–2827. entwickeln wir Strategien für die Selbstanordnung [2] der prozess nicht zerstört, sondern in das Polymerbauteil ein- [2] Ch. Ng, T. A. F. König, A. Fery: Langmuir 2019, 35, 26, 8629–8645. Partikel, wobei besonders die Anordnung in Gittern auf gebettet werden. Damit können in Zukunft die Partikel- [3] M. Mayer, M. J. Schnepf, T. A. F König, A. Fery: Advanced Optical Materials 2019, 7, 1, 1800564. [4] V. Gupta, P. T. Probst, F. R. Goßler, A. M. Steiner, J. Schubert, Y. Brasse, T. A. F. König, A. Fery: ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 31, 28189–28196. Oberflächen, sog. Plasmonische Meta-Oberflächen [3] für anordnungen direkt in Flusszellen oder Sensorbauteile [5] Y. Brasse, V. Gupta, H. C. T. Schollbach, M. Karg, T. A. F. König, A. Fery: Advanced Materials Interfaces 2019, https://doi.org/10.1002/admi.201901678. die Detektion von Adsorbatschichten und die Anordnung integriert werden.  [6] C. Kuttner, R. P. M. Höller, M. Quintanilla, M. J. Schnepf, M. Dulle, A. Fery, L. M. Liz-Marzán: Nanoscale, 2019, 11, 17655–17663.

28 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 29 Funktionale nanostrukturierte Grenzfl ächen und Polymersysteme

NMR investigations on the intercalation and selfdiffusion of fluorinated anions in a high‐voltage Zn‐graphite battery

Benjamin Kohn, Ulrich Scheler

High-performance rechargeable batteries are signifi- in the graphite cathode. Because the chemical shift of in the hybrid electrolyte. Solely detecti ng the 19F-NMR- cant for meeting actual growing energy demands and 19F strongly depends on the local environment both signal easily selects the anions from the complex organic storage requirements in particular for the application anions in the hybrid electrolyte are identi fi ed in the electrolyte. The signals from the two diff erent anions of renewable energy sources. Zink is commonly seen 19F NMR spectra in the electrolyte by their chemi- are diff erenti ated by their chemical shift . In the hybrid as a promising anode material, however there have cal shift. For a comparison solid-state NMR spec- electrolyte the self-diff usion coeffi cient for both anions limitations arising from dendrite formation and the tra have been recorded from a graphite cathode is signifi cantly lower than for the pure systems. This low electrochemical stability of aqueous electrolytes charged to 2.7 V. The spectral lines of the electro- maybe att ributed to the larger viscosity of the mixture. These would eventually block the electrode and thus lyte intercalated in the graphite electrode are sig- 19F NMR has been applied here for gaining further in- limit the lifetime of the battery. In the present study nificantly broader than the lines in the electro- sight into both the diff usion behavior of the electrolyte an organic hybrid electrolyte consisti ng of zink bis(tri- lyte. Because even under fast magicangle sample and the intercalati on of anions in the graphite cathode  fluoromethanesulfonyl) imide (Zn(TFSI)2) and LiPF6 spinning (MAS) no further line narrowing can be of the working batt ery. has been used. The electrochemical properties with achieved, it becomes clear that the line width orig- a cycling window of 4 V and the cycling performance inates from inhomogeneous broadening, i.e. varia- Cooperation with retaining more than 97 % capacity after 2000 cy- tions in the local environment and much reduced Dr. G. Wang, F. Wang, P. Zhang, Dr. J. Zhang, Prof. X. Feng cles of the new battery system are very promising. tumbling motion of the anions in the graphite. All Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) &

The addition of LiPF6 to the electrolyte significantly signals in the spectrum exhibit a strong downfield Department of Chemistry and Food Chemistry, suppresses the anodic dissolution and the electrolyte shift, which is attributed to the interaction with the Technische Universität Dresden decomposition of Zn electrolyte. graphite. NMR spectroscopy, which is sensitive to the local Pulsed-field gradient (PFG) NMR is commonly applied Fig. 1 Top: Schemati c of the Zn-graphite batt ery environment of the nucleus under study, has been to measure translati onal moti on in liquids. Here it has [1] G. Wang, B. Kohn, U. Scheler, F. Wang, St. Oswald, M. Löﬄ er, Bott om: 19F NMR spectra of the hybrid electrolyte applied to investi gate the intercalati on of the anions been applied to investi gate the self-diff usion kineti cs D. Tan, P. Zhang, J. Zhang, X. Feng: Adv. Mater. 2019, 1905681. and the charged graphite.

30 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 31 Funktionale nanostrukturierte Grenzflächen und Polymersysteme

PNiPAAm brushes for methanol, ethanol and 1-propa- Sponsor Understanding co-nonsolvency and volume nol, see lhs of Fig. 3 which fit parameters consistent with Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG)( SO 277/17-1 the molecular properties of the alcohols. Particularly, a phase transitions in polymer brushes parameter-free fit to various grafting densities has been Cooperation obtained, see rhs of Fig. 3. Non-perfect miscibility of Fabien Montel, Lyon, France Jens-Uwe Sommer, Huaisong Yong, the solvents can be incorporated in an extended theory André Galuschko, Petra Uhlmann, Andreas Fery which is currently developed. 

Switchable surfaces can only be efficient if small varia- dependent Flory interaction parameter for the polymer. tions of environmental parameters can induce a large For the simplest scenario it can be written as response such as volume phase transitions in polymer brushes. For water soluble polymers there are two routes to achieve this goal: The transition at the lower critical solution temperature and the co-nonsolvency effect. In both cases, a subtle interplay of interactions Here, μ is the chemical potential of the cosolvent, ε is between polymer and solution gives rise to a so-called the cosolvent selectivity, and c is the monomer concen- type-II phase transition [1] which causes a jump-like col- tration in the brush. An increase of the concentration in- lapse of the polymer layer. Theoretical understanding of creases the interaction strength which in turn can cause the co-nonsolvency transition is related to the theory a jump-like transition at sufficiently high selectivity. of polymers in competitive solutions which is in the fo- The analytical solution was tested in molecular dynam- cus of the research in the Institute Theory of Polymers ics simulations. In Fig. 2 (lhs) we display the normalized during recent years. Co-nonsolvency occurs if one com- brush height (upper plot), and the amount of adsorbed Fig. 2 Simulation results for a polymer at moderate grafting density (four times overlap threshold). Upper left plot: brush height normalized by the height in pure solvent. Symbols are the simulation data, solid lines are the numerical solution of the analytical model. Data are shown for ponent of a binary solvent mixture displays a strong ten- cosolvent on the polymer (lower plot) [3]. We observe a various values of the cosolvent selectivity, ε. Lower left plot: results for the relative amount of the adsorbed cosolvent, φ. Right plot: polymer dency to adsorb at the polymer and can form temporary collapse-reentry behavior as a function of the cosolvent density profile for a specific value of the cosolvent selectivity at various stages of the collapse transition indicated in the inset. Two coexisting layers are found during the collapse transition as a consequence of the predicted concentration-dependent Flory parameter [3]. crosslinks, see Fig. 1 [2]. Using mean-field concepts we volume fraction (chemical potential) which is predicted have predicted the co-nonsolvency response of polymer by the theory. An excellent fit of the theoretical mod- brushs with respect to the relevant parameters such el including the prediction of the jump-like transition is as solvent selectivity and grafting density. It has been obtained. This shows that the mean-field model of the shown that the bridging between monomers induced brush is sufficient to capture the essential physics of the by the cosolvent can be mapped onto a concentration- co-nonsolvency effect. The theoretically predicted concentration-dependent Flory parameter gives rise to a coexistence of two layers within the brush at the collapse point. This effect, which goes beyond the mean- field model, could also be confirmed in the simulations, see rhs of Fig. 2. While the simulation model explicitly implement the precondition of the theory, namely the preferential adsorption of cosolvent on the polymer, the microscopic origin of the co-nonsolvency effect is still debated for real systems. Therefore, we have per- Fig. 3 left: Experimental results for the relative height of PNiPAm brushes in various water-alcohol mixtures as a function of the chemical formed a series of experiments using poly(N-isopropyl- potential of the cosolvent. right: Results for water-ethanol mixtures at various grafting density of the brushes as a function of the volume fraction of ethanol. Symbols: ellipsometry measurements, lines: theory. acrylamide) brushes of different grafting densities in a series of alcohol−water binary mixtures with increasing Fig. 1 Sketch of the adsorption-attraction model for co-nonsolvency. hydrophobic parts ranging from methanol to 1-butanol. [1] P.-G. de Gennes,:C. R. Acad. Sci. II 313, 1117 (1991). White circles: free cosolvent, blue circles: cosolvent adsorbed [2] J.-U. Sommer: Macromolecules 50, 2219 (2017). Ellipsometry has been applied to inspect the brush layer on the chains, red circles: double adsorbed cosolvent bridges. [3] A. Galuschko and J.-U. Sommer: Macromolecules 52, 4120 (2019). The latter are responsible to the collapse of the brush layer. thickness [4]. Our model yields very good predictions for [4] H. Yong, E. Bittrich, P. Uhlmann, A. Fery and J.-U. Sommer: Macromolecules 52, 6285 (2019).

32 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 33 Funktionale nanostrukturierte Grenzflächen und Polymersysteme

Exploring the interplay between the field- and deformation-induced particle rearrangements in magnetic elastomers

Dirk Romeis, Vladimir Toshchevikov, Marina Saphiannikova

Magnetic elastomer, also denoted magneto-sensitive In the course of providing a better understanding and In addition, to decrease the overall magnetic energy in the experimental findings [4], that for ultra-soft elastic (MSE) or magneto-active elastomer, describes a com- prediction of the behavior of MSEs, we could identify the sample, the particles arrange into chain-like micro- matrices, where additional local and non-affine reposi- posite material of a mechanically soft polymer matrix two principal mechanisms of particle restructuring, the structures aligned along the externally applied mag- tioning of particles becomes relevant, the magnetostric- with immersed magnetizable particles. Upon applying so called deformation- and the field-induced particle netic field. Treating the two mechanisms of rearrange- tion effect is strongly enhanced.  an external magnetic field two major impacts are ob- rearrangements [3]. When a sample is macroscopically ments as independent in first approximation, we set up served. Firstly, a magnetorheological effect appears, deformed, the particles must change their mutual posi- a simplified theoretical approach allowing us to draw Sponsor which is characterizing a substantial change in the visco- tions also on local scale accordingly. Depending on some main consequences for the deformation behav- Schwerpunktprogramm 1713 elastic properties of the sample due to the activated the particle density and consequent clustering effects ior of MSEs [3]. Especially, due to the structure forma- der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) magnetic forces between the particles. In this context these deformation-induced rearrangements may be tion via field-induced rearrangements the interactions we studied the dynamic-mechanical properties of MSE described in terms of partially hindered affine particle in the sample are increased on the whole causing an Cooperations and investigated the consequences for the dynamic movements, see Figure 1. enhancement of the macroscopic deformation pro- . Prof. M. Kästner, Technische Universität Dresden shear modulus of an anisotropic micro-structure com- cess. Interestingly, the sign of the deformation behav- . Prof. E. Y. Kramarenko, Lomonosov Moscow State pared to an isotropic one [1]. Secondly, the ior itself stays the same. This consequence may explain University, Russia mutual magnetic interactions cause the particles to shift their positions within the elastic network and as a consequence the sample as a whole can become macroscopically deformed. This is denoted as the magnetostric- tive effect. The theoretical description, as Fig. 2 Sketch of the two particle rearrangement well as the experimental characterization, of processes when applying a magnetic field. MSEs represents a very challenging task. The The deformation-induced mechanism directly underlying reasons are versatile and trace couples to changes of the sample shape. The field-induced restructuring effects increase back to the long-range nature of the mag- the magnetic energy upon forming chain-like netic interactions, a subsequent pronounced structures leading to an enhanced macros- sensitivity to preparation conditions and the copic deformation of the sample. complex interplay of microscopic and macroscopic mechanisms, such as changes in the particle distribution (micro-structure effect) Fig. 1 Deformation behavior of an MSE sample with initial aspect [1] D. Ivaneyko, V. Toshchevikov, M. Saphiannikova: Polymer 2018, 147, 95–107. ratioγ0assuming (hindered) affine particle displacements. [2] D. Romeis, V. Toshchevikov, M. Saphiannikova: Soft Matter 2016, 12, 9364–9376. versus macroscopic deformations of the sample Increasing A1 describe enhancement of local particle hindrance. [3] D. Romeis, V. Toshchevikov, M. Saphiannikova: Soft Matter 2019, 15, 3552–3564. (shape effect).[2] Parameter K is proportional to the strength of the deformation. [4] P. A. Sánchez, E. S. Minina, S. S. Kantorovich, E. Y. Kramarenko: Soft Matter 2019, 15, 175–189.

34 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 35 Strategisches Thema 2 Biologie-inspirierte Biomaterialforschung wird immer mehr zu einem profilbestimmenden Arbeitsgebiet des Grenzflächen- und IPF, das nahezu alle Forschungseinheiten des Instituts einbezieht. Ausgehend von der- Er kundung lebender Materie aus material- Materialgestaltung wissenschaftlicher Perspektive werden dabei Prof. Dr. Carsten Werner Prof. Dr. Brigitte Voit Prof. Dr. Andreas Fery neue Konzepte für Biologie-inspirierte Poly- mermaterialien entwickelt, validiert und einer tech- die Herstellung von elektrisch leitfähigen, dehn- nologischen Translation zugeführt. baren und Zell-adhäsiven Kompositmaterialien für bioelektronische Anwendungen (mit Ivan Minev, Besondere Fortschritte konnten 2019 bei der Gestal- doi:10.1002/smll.201901406), Untersuchungen zur tung mehrphasiger Zell-instruktiver Hydrogelmate- Wirkung von Nogo-A bei der Regeneration nach rialien erreicht werden. Ein gemeinsam von PB4 und dem Schlaganfall (mit Martin Schwab, doi:10.1073/ PB2 erkundetes Konzept zur Herstellung von Mikro- pnas.1905309116) sowie eine Studie zur mecha- gel-in-Gel-Materialien ermöglichte es, die Bedingun- nischen Regulation des Wachstums von -Tumor gen von gewebetypischen Ko-Kulturen lokal auf die spheroiden (mit Anna Taubenberger, doi:10.1016/ Anforderungen der kombinierten Zellen abzustim- j.actbio.2019.06.041) zu nennen. In einer Serie von men. Das Potential der neuen Methodik wurde an- Übersichtsarbeiten zur Hämokompatibilität von hand eines in vitro Models der Vaskularisierung von Biomaterialien konnte gemeinsam mit Kollegen der Tumorgewebe belegt (doi:10.1039/c9bm01009b). University of Toronto und der Harvard University Für den komplementären Ansatz des Bioprinting der aktuelle Wissensstand auf diesem Forschungs- konnten mit einer innovativen Technik zur Fusionie- gebiet zusammengefasst werden (doi:10.1016/ rung von Nanotropfen neue Bio-Tinten erschlossen j.actbio.2019.06.041). und für die Erzeugung von Konstrukten zur Knorpel- regeneration genutzt werden (doi:10.1088/1758- Ein im Rahmen des European Society for Biomaterials 5090/ab2aa1). Das Potential mehrphasiger, Zell- (9.–13.9.2019, Dresden) organisiertes Symposium instruktiver Hydrogele für in vitro Modelle und Adaptive Functional Biomaterials diente der Diskus- Therapieansätze wurde auch in einer Übersichts- sion biologisch regulierbarer Materialsysteme, einem arbeit diskutiert (doi: 10.1002/adfm.201908857). Schwerpunkt der Biomaterialforschung des IPF, mit international führenden Experten. In Kooperation von PB4 und PB5 wurde ein- inter penetrierendes Polymer-Netzwerk entwickelt, das Das Team der AusgründungsinitiativeResCure wurde Thermoschaltbarkeit und Protein-Bindungseigen- für Arbeiten zu Glykosaminoglykan-basierten Hydro- schaften verbindet. Das Material weist nicht-lineare gelen für die Heilung chronischer Wunden mit dem Änderungen der thermisch modulierbaren mecha- Innovationspreis des IPF-Fördervereins sowie mit nischen Eigenschaften auf, was z. B. für die Stimula- dem MaterialVital Preis des BMBF ausgezeichnet. tion der Stammzelldifferenzierung von Interesse ist (doi:10.1021/acsami.9b11719). Die vom IPF aktiv unterstützte Bewerbung der TU Dresden um ein Else Kröner-Fresenius-Zentrum für Als Beispiele der für ST2 charakteristisch vielfältigen Digitale Gesundheit (Sprecher Jochen Hampe) war er- Kooperationsprojekte mit externen Partnern sind folgreich und wird dazu beitragen, die translationale die Entwicklung von in vivo Kraftsensoren auf Ba- biomedizinische Forschung des Institutes in Koopera- sis von Polymer-Hydrogelen (mit Jochen Guck und tion mit der Medizinischen Fakultät Carl Gustav Carus Daniel Balzani, doi:10.1038/s41598-019-53425-6), weiter zu intensivieren. 

36 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 37 Biologie-inspirierte Grenzfl ächen- und Materialgestaltung

Molecular switch of cell mimics by light-driven proton transfer

Silvia Moreno, Johanna Engelke, Susanne Boye, Petr Formanek, Albena Lederer, Brigitte Voit and Dietmar Appelhans

The temporal acti vati on of a biological process by visi- sample “non-irradiated” (reference); sample “pH manu- A. Light-triggered cylic switching on/off B. Fluorescence study on resoruﬁ n produced by ble light and the return to an inacti ve state in absence of ally changed”; and samples “1, 2 or 3 Cycle(s) of irradia- enzymatic nanoreactors sequentially repeated bienzymatic reaction light is an essenti al characteristi c of biological reacti ons in ti on” (1 cycle = 3 min irradiati on and 5 min relaxati on in the photoreceptor cells. The scienti fi c community is currently darkness). Due to the cumulati ve eff ect the fl uorescent in- intensively working on the design of smart light respon- tensity for enzyme-loaded polymersomes (Psome-GOx and sive materials. Previously, in our research group enzymat- Psome-Myo) was higher in case of the sample “3 Cycles” ic nanoreactors were designed, whose enzyme acti vity followed by “2 Cycles” and “1 Cycle” (Fig 1B).3 Thus, it was is modulated by the membrane permeability using pH- proved that the nanoreactor treated by light-driven proton sensiti ve polymersomes.1,2 Herein, enzymati c nanoreac- transfer can produce a fast opening of the polymersome tors that carry out a catalyti c reacti on by a temporal con- membrane feeding to the enzyme with the correspond- trol of the membrane permeability through a reversibly ing reagents. In additi on, “non-irradiated” sample outlines switchable light-driven proton transfer using free mero- the desired non-permeability of collapsed polymersomes´ cyanine (MEH) as a photo-acti ve proton donator are re- membrane over ti me with low constant enzyme acti vity, ported. MEH produces an acidic environment during visi- it is att ributable to small percentage of enzyme anchored ble light irradiati on (ON state = swollen, acti ve) leading to in the polymersome membrane validated by asymmetrical protonati on of the nanoreactor membrane and making fl ow-fi eld fl ow fracti onati on (AF4) coupled to stati c light it permeable for substrates of enzymati c reacti ons. Be- s c a tt e r i n .g 4 The change in structural parameters using GOx sides, the membranes almost instantaneously return to was more pronounced than with MyO, a greater deforma- their impermeable state when the light sti mulus is with- ti on was observed in comparison to the empty polymer- drawn (OFF state = collapsed, inacti ve) (Fig 1A).3 some, these diff erences can be directly att ributed to the Aft er the relaxati on ti me, the diameter of the polym- size of the enzyme used. ersomes is very similar to the initi al size; however, the The combinati on of MEH and pH-switchable nanoreac- membrane thickness is increased (densifi cati on), show- tors results in the fabricati on of a very versati le and fast ing that MEH might be incorporated into the mem- supramolecular system to switch two enzymati c reac- brane or on the outer membrane surface of the poly- ti ons on and off on demand. Importantly, the nanoreac- mersome. The stability and the enzymati c acti vity of tor membranes can undergo several ti mes light-driven enzyme-containing polymersomes were studied when proton transfers without losing their functi onal eff ec- applying repeati ng irradiati on/relaxati on processes in ti veness. This strategy provides straightf orward solu- short intervals using glucose oxidase (GOx) and myo- ti ons for the development of catalyti c nanocompart- (A) Protocol of final experiment sequences for light-triggered adaptive enzymatic nanoreactors. (B) Enzyme activity of enzyme- 2 Fig. 1 globin (Myo) as model enzymes. The fi nal experiment ments with high potenti al in areas such as medicine, containing nanoreactors after 1–3 cycles of irradiation/relaxation of MEH compared to experiments with (i) non-irradiated and was carried out comparing fi ve diff erent samples: biology systems, analyti cal chemistry, and catalysis.  (ii) pH manually changed.3

Cooperations . Priyanka Sharan and Susanta Banerjee, Materials Science Centre, [1] J. Gaitzsch, D. Appelhans, L. Wang, G. Batt aglia, B. Voit: Angewandte Chemie – Internati onal Editi on 51 (2012), 4448–4451. [2] D. Gräfe, J. Gaitzsch, D. Appelhans, B. Voit: Nanoscale (2014), 6, 10752–10761. Indian Insti tute of Technology Kharagpur (India) [3] S. Moreno, P. Sharan, J. Engelke, H. Gumz, S. Boye, U. Oertel, P. Wang, S. Banerjee, R. Klajn, B. Voit, A. Lederer, D. Appelhans, Manuscript submitt ed. . Rafal Klajn, Department of Organic Chemistry, Weizmann Insti tute of Science (Israel) [4] H. Gumz, S. Boye, B. Iysian, V. Krönert, P. Formanek, B. Voit, A. Lederer, and D. Appelhans: Advanced Science 6 (2019), 1801299.

38 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 39 Biologie-inspirierte Grenzfl ächen- und Materialgestaltung

Smart multifunctional coatings made by polymer brushes

Alexander S. Münch, Petra Uhlmann

water ﬁ lm

-surface 2 SiO

Fig. 1 Schemati c illustrati on of the mechanism b c of the oil-removing properti es of MPC-BPO layer.

systemati c investi gati on a general statement regarding in the hydrati on shell formed via electrostati c interacti on the tunability and the mechanism of anti -fouling, easy-to- with the charged groups is closer to free water in compar- clean and anti -fog properti es was possible, at which the ison to the directi onal arrangement of water molecules in infl uence of BPO content and UV-irradiati on ti me on the the hydrati on shell formed by hydrogen bonds, as in the successful preparati on of a multi functi onal coati ng could case of the widely discussed polyethyleneglycol (PEG). be extracted for the fi rst ti me. Because of this phenomenon and the low concentrati on The study has shown that an exactly balanced rati o be- of MPC chains in the swollen layer, the water fi lm which is tween thickness of the dry fi lms, degree of swelling and formed between the substrate and the oil droplet is be- water contact angle is necessary to create such surface having similar to pure water and leading to a signifi cant Fig. 1 Summary of diff erent functi onaliti es of MPC coated surfaces. a: Easy-to-clean; b: Anti -fouling; c: Anti -fog. coati ngs. The investi gati ons show that fi lms of MPC with decrease of the interacti on between the oil droplet and a content of 1 % BPO delivered opti mal oil repellency. the surface. Because of its lower density, the oil swims Products with a higher value and consumer acceptance used for an applicati on relevant fast one-step depositi on Generally, a degree of swelling of ≈ 15 in combinati on away on top of the water fi lm (Figure 2).  can be created by implementati on of multi functi onal and crosslinking process by UV-irradiati on. This coati ng with a water contact angle of less than 12° was necessary coati ngs. This type of surface modifi cati on combines dif- combines easy-to-clean, anti -fouling as well as anti -fog for a reliable easy-to-clean eff ect. Based on these results ferent functi onaliti es in the same layer. The surface mod- properti es (Figure 1) and can be applied at diff erent sub- also a hypothesis about the mechanism of oil repellen- Sponsors ifi cati on by graft ing and crosslinking of polymer chains strates, like cellulose and pre-coated foils. For a bett er cy was possible: In the dry state, the MPC- fi lms are very Federal Ministry for Economic Aff airs and Energy (BMWi) is an eff ecti ve methodology to tailor surface properti es control of consti tuti on, physical properti es as well as for oleophilic, independent of the amount of BPO and the of Germany (AiF-IGF 18696 BR; AiF-IGF 18573 BG/1) of the bulk substrate, such as wett ability, adhesion and the understanding of the menti oned eff ects, a series of associated crosslinking points, indicated by the very low fricti on. However most of the presented smart polymer three new MPC-co-polymers with diff erent contents contact angle (less than 10°) against hexadecane. When Cooperations coati ngs exhibit only one of the abovementi oned func- of BPO (1 %, 2 %, 4 %) were synthesized by atom trans- the surfaces are wett ed with water, it penetrates the . Dr. Volkmar Stenzel and Andrej Stake, ti onaliti es. Therefore, a further tailoring of the known fer radical polymerizati on (ATRP). For our investi gati ons, MPC-fi lms and they swell depending on their degree of Fraunhofer IFAM, Bremen functi onal polymers or the development of new materi- comprising studies of the infl uence of crosslinking, swell- crosslinking. The dipole arrangement of water molecules . Dr. Helfried Haufe, GMBU, Dresden als or strategies, which are scalable, is required. ing behavior and wett ability on the performance of the In our last studies [1–3], we presented a new polymer coat- fi lms, in situ spectroscopic ellipsometry, contact angle ing combining the zwitt erionic 2-methacryloyloxyethyl measurements and FTIR-spectroscopy were used. The [1] A.S. Münch, T. Fritzsche, H. Haufe, P. Uhlmann: J. Coat. Technol. Res. 2018, 15, 703–712. phosphorylcholine unit (MPC) as functi onal group and results demonstrate the relevance of a balanced rati o [2] A.S. Münch, A. Stake, T. Lukasczyk, A. Stalling, T. Fritzsche, V. Stenzel, P. Uhlmann: J. Coat. Technol. Res. 2019, 16, 1515–1525. the photoreacti ve 4-benzophenyl methacrylate (BPO) between the functi onal and the anchor unit. With this [3] A.S. Münch, S. Adam, T. Fritzsche, P. Uhlmann: Adv. Mater. Interfaces 2019, 10.1002/admi.201901422.

40 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 41 Biologie-inspirierte Grenzfl ächen- und Materialgestaltung

Due to their enhanced interfacial acti vity, JPs are ca- reused again multi ple ti mes.[5,7] The hemisphere Janus particles: From concepts pable to adsorb at interfaces and can be used for the without any catalyti cally acti ve species can be further to sustainable applications stabilizati on of emulsions, blends or foams. One side of employed for the immobilizati on of the catalyti cally the JPs can be further modifi ed with acti ve compounds, acti ve JPs onto texti le fi bers (Fig. 2) to either allow the such as noble metal nanoparti cles [5] or enzymes [6,7], catalyti c modifi cati on of the fi ber or to create a cata- Claudia Marschelke, Madeleine Schwarzer, Alla Synytska yielding active functional interfaces (Fig. 3). Thus, JPs lyti cally acti ve texti le membrane that can be relieved simultaneously stabilize the interface and enable the from JPs and reloaded again. catalyti c reacti on in multi phasic media. By introduc- In summary, the presented concept of JPs represents a of their interfacial activity by external signals, con- ing sti muli-responsive polymers to the second hemi- promising pathway for the rati onal design of advanced trolling the mass transport across the interface, and sphere of the JPs, the emulsions can be destabilized multi functi onal materials with great potenti al for sustain- combination of combined functionalities allowing on demand and the JPs can easily be recovered and able, environmental and biotechnological applicati ons.  their use either as carrier materials for catalytically active substances or their site-selective attachment to substrates (Fig. 1).[1] JPs can be uti lized as building blocks for the design of multi functi onal surfaces with controlled hetero- geneity, adhesion and wett ability for anti - and de-icing [2,3], as well as anti -fouling applicati ons (Fig. 2).[4] Ice formati on on wind turbines and airframes of heli- copters or aircraft s is a severe problem, since it may lead to failures in energy supply or to dangerous ac- Fig. 3 Janus parti cles for (bio-)catalysis in emulsion and on texti le fi bers. Fig. 1 Janus parti cles for applicati ons at cidents while transporti ng. Chemically heterogeneous fl uid/fl uid and solid/air interfaces. JP-based surfaces provide synergisti c eff ects and exhibit special surface edge morphologies, which led to Janus particles (JPs) represent a unique group of an extremely low ice adhesion [2] and a signifi cantly Sponsors . Hisaschi T. Tee, Dr. Frederik R. Wurm: Department of patchy particles combining two different function- decreased ice nucleati on rate.[3] The bifuncti onal JP- . German Research Foundati on (DFG) Physical Chemistry of Polymers, Max-Planck-Insti tut alities at their opposite sides. Especially, individual based coati ngs showed also reduced bacterial adhe- . German Federati on of Industrial für Polymerforschung Mainz JPs with chemical and geometrical anisotropy pro- sion under both stati c and dynamic conditi ons due to Research Associati ons (AiF) . Dr. Christi an Schliebe, Dr. Alexander Jakoband vide advantages over monofunctional particles of- the combined anti -fouling and fouling-release capabil- Prof. Dr. Heinrich Lang, Insti tute of Chemistry, fering high interfacial activity, targeted controlling ity of the JPs.[4] Cooperations Inorganic Chemistry, Technische Universität Chemnitz . Dr.-Ing. Markus Schremb, Apl. Prof. Dr. Ilia V. Roisman . Dorina Köpke and Dr. Anke Matura, Professur für and Prof. Dr.-Ing. Cameron Tropea: Insti tute for Technische Biochemie, Technische Universität Dresden Fluid Mechanics and Aerodynamics, Technische . Marco Sallat, Sächsisches Texti lforschungsinsti tut e. V., Universität Darmstadt Chemnitz Fig. 2 Janus parti cles for anti -, de-icing and anti -fouling surfaces. [1] A. Kirillova, C. Marschelke, A. Synytska: ACS Appl. Mater. Interfaces 11 (2019) 9643–9671. [2] M. Schwarzer, T. Ott o, M. Schremb, C. Marschelke, H. T. Tee, F. R. Wurm, I. V. Roisman, C. Tropea, A. Synytska: Chem. Mater. 31, 1 (2019) 112123. [3] A. Kirillova, L. Ionov, I. V. Roisman, A. Synytska: Chem. Mater. 28, 19 (2016) 6995–7005. [4] A. Kirillova, C. Marschelke, J. Friedrichs, C. Werner, A. Synytska: ACS Appl. Mater. Interfaces 8 (2016) 32591-32603. [5] A. Kirillova, C. Schliebe, G. Stoychev, A. Jakob, H. Lang, A. Synytska: ACS Appl. Mater. Interfaces 7 (2015) 21218–21225. [6] C. Marschelke, I. Raguzin, A. Matura, A. Fery, A. Synytska: Soft Matt er 13 (2017) 1074–1084.

42 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 43 Biologie-inspirierte Grenzflächen- und Materialgestaltung

starPEG-heparin hydrogel platform by introducing were found to have the same heparin concentration Temperature-induced mechano- a thermo-responsive P(NIPAAm) network. This was independent of their intrinsic crosslinking degree at achieved via the formation of a sequential interpene- 37 °C. This provides the basis for facilitating a sustained and growth factor release modulation trating polymer network (seq-IPN) using a chemically release of growth factors. We show that the heparin in- orthogonal crosslinking principle. The resulting system side the hydrogel systems enabled the binding and sus- of glycosaminoglycan based combines the advantages of both materials to create a tained release of growth factors including bone mor- interpenetrating polymer networks growth-factor-affine hydrogel network with a thermo- phogenetic protein 2 (BMP-2) and that the incubation responsive trigger to modulate the mechanical prop- at 37 °C triggered a higher quantify of growth factors erties and release characteristics. Seq-IPN based on to be released from the seq-IPNs as compared to room Jana Sievers, Stefan Zschoche, Ron Dockhorn, starPEG-heparin networks with different crosslinking temperature. Moreover, osteogenic differentiation- ex Jens Friedrichs, Carsten Werner, Uwe Freudenberg degrees were formed that all successfully reacted to periments of human mesenchymal stem cells proved temperature changes with changes in their swelling the bioactivity of the released BMP-2 and the biocom- degree. Consistent with the original design approach patibility of the newly designed seq-IPNs. A unique fea- of the starPEG-heparin single hydrogels, the seq-IPNs ture of the seq-IPNs is the – thermally induced – up to 50-fold amplification of their intrinsic mechanical network properties upon incubation at 37 °C. This un- expected observation provides valuable options for the design of new smart materials for applications in which strong mechanical forces need to be modulated while in parallel well-balanced cell-instructive characteristics have to be provided, e.g. in temperature- controlled valves with growth factor release or sequestration capabilities for microfluidic cell culture systems or for diagnostic devices [2]. 

Sponsors . Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Fig. 1 Extension of biofunctional starPEG-heparin hydrogel with thermo-responsive P(NIPAAm) network using seq-IPN approach. The newly Research Foundation), CRC TR 67, FR 3367/2-1 designed networks show temperature-induced modulation of their mechanical properties and growth factor release characteristics, . Bundesministerium für Bildung und Forschung with the crosslinking degree being decoupled from the biofunctionality (heparin concentration). (BMBF, Federal Ministry of Education and Research), FV RESPONSE Zwanzig20 Various hydrogel systems have been developed that of P(NIPAAm) based polymer networks. However, cur- closely mimic key biophysical and biochemical aspects rently available P(NIPAAm) hydrogel systems have two Fig. 2 Section Cover in ACS Applied Materials and Interfaces Vol. 11 (2019) illustrating the modulation of the mechanical of the natural cellular environment. “Smart” hydro- major deficiencies: poor mechanical properties of the properties and growth factor release upon temperature gel systems, which change their physicochemical and/ hydrated network and insufficient sustained release change from 22 °C to 37 °C. or mechanical properties (e.g. swelling degree) in re- properties, mainly due to low and undefined interac- sponse to external or internal stimuli, have lately re- tions of entrapped molecules with the gel matrix. ceived increasing attention with thermo-responsive Taking benefit from the unique capabilities of hepa- polymer poly(N-isopropylacrylamide) (P(NIPAAm)) be- rin to reversibly bind a plethora of growth factors, our ing one of the most widely investigated stimuli-respon- group previously developed a hydrogel platform based sive systems. Upon increase of temperature above its on the glycosaminoglycan (GAG) heparin as a bioactive lower critical solution temperature of 32 °C, P(NIPAAm) component together with the inert, synthetic poly- [1] U. Freudenberg, A. Hermann, P.B. Welzel, K. Stirl., S. C. Scharz, M. Grimmer, A. Zieris, polymers undergo a sharp conformational coil-to-glob- mer poly(ethylene glycol) (starPEG) [1]. A rational de- W. Panyanuwat, S. Zschoche, D. Meinhold, A. Storch, C. Werner: Biomaterials 28 (2009) 5049–5060. uli transition leading to the dehydration and collapse sign concept was applied to extend the multifunctional [2] J. Sievers, S. Zschoche, R. Dockhorn, J. Friedrichs, C. Werner, U. Freudenberg: ACS Applied Materials and Interfaces 45 (2019) 41862–41874.

44 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 45 Biologie-inspirierte Grenzfl ächen- und Materialgestaltung

Hydrogels with programmable host reactions

Lucas Schirmer, Mikhail V. Tsurkan, Uwe Freudenberg, Carsten Werner

Fig. 1 Synthesis of selecti vely desulfated heparin derivati ves functi onalized with reacti ve maleimide groups to enable in situ crosslinkable hydrogels with thiolated starPEG. A) Selecti ve removal of heparinʼs sulfate groups at one or more positi ons showing the subsequent degree of sulfati on (DS) followed by maleimide functi onalizati on. B) Injectable hydrogels are produced through a click reacti on between heparin maleimide and thiolated starPEG with the simultaneous incorporati on of cells, growth factors and bioacti ve pepti de sequences (e.g. RGD, MMP-cleav- Fig. 2 Degradati on of subcutaneously implanted, soft (1.0 kPa) starPEG-GAG hydrogels loaded with diff erent cytokines (Fibroblast growth able linkers) during the crosslinking process while selecti ve factor 2, Vascular endothelial growth factor a, Stromal cell-derived factor 1α) in immunocompetent C57bl/6 mice over 7 and 28 days. desulfati on allows for the modulati on of growth factor A) H&E staining of degradable hydrogels aft er 7 and 28 days with varying biomolecular functi onalizati on. Scale bar 200 µm. affi nity to heparin. B) Quanti fi cati on of implant degradati on. *** - P ≤ 0.001. Bars represent individual implants with n ≥ 15 per conditi on.

Biohybrid hydrogels based on glycosaminoglycan (GAG) FBR include the compositi on and structure of the materi- histocompati bility. Variati on of the material’s sti ff ness cell- and ti ssue-instructi ve scaff olds for safe and eff ec- off er far-reaching control over their physical and bio- als and their ti me-dependent changes. from 0.2 to 2.5 kPa storage modulus and of the cytokine ti v e in vivo applicati ons.  molecular signaling properti es and have already been When subcutaneously implanted into the immuno- pre-loading resulted in profound diff erences in degrada- successfully used in cell and ti ssue culture. To explore competent mouse, GAG-based hydrogel elicited only a ti on and remodeling patt erns in vivo. While the non-de- Sponsors the suitability of the materials for in vivo applicati ons, minor FBR with low immune cell infi ltrati on and colla- gradable hydrogels remained stable for periods exceeding . German Research Foundati on (DFG) we studied the host reacti on to in situ-assembling star- gen depositi on compared to similarly implanted med- four weeks aft er subcutaneous implantati on, the enzy- 423 - project number 59307082–TRR67 A10 (CW and UF), shaped poly(ethylene glycol) (starPEG)-GAG hydrogel ical grade silicone. Adjusti ng the physical properti es, mati cally degradable hydrogels were infi ltrated by cells - project number FR 3367/2-1 (UF), and variants upon subcutaneous implantati on in immuno- biofuncti onalizati on, and degradability allowed to pro- with the extent of remodeling dependent on the cross- 424 - project number FOR/EXC999 (CW) competent C57BL/6J mice for up to 28 days. We specif- gram the host response from nearly no degradati on linking degree of the hydrogel and cytokine pre-loading. . Leibniz-Gesellschaft (Leibniz Associati on), ically investi gated the immune reacti on and the angio- and infi ltrati on to fast integrati on of the hydrogel scaf- The simultaneous and independent control of the physi- SAW-2011-IPF-2 68 (CW) genic response to hydrogels with systemati cally varied folds into the ti ssue within days. The results point at the cal and biomolecular properti es of the investi gated star- cytokine functi onalizati on, physical network (and me- impact of hydrogel sti ff ness, degradability, and cyto- PEG-GAG hydrogels allows for eff ecti vely programming Cooperation chanical) properti es, cell adhesiveness, and enzymati c kine functi onalizati on on the material host response the host response ranging from a rapid infi ltrati on and . Dr. Karolina Chwalek, Harvard Medical School, degradability. Upon implantati on of materials, a series in mice and are highly consistent with previous in vitro remodeling of the degradable materials to a rather in- Boston, United States of America of events results in a foreign body reacti on (FBR) aimed biofunctionality data of similar starPEG-GAG hydro- ert behavior found for highly crosslinked, non-degrad-

at either degrading the implant or surrounding it with a gels. StarPEG-GAG hydrogels induced a generally low able hydrogels. The results indicate the suitability of [1] L. Schirmer, K. Chwalek, M. V. Tsurkan, U. Freudenberg, fi brous capsule. Biomaterial-related factors aff ecti ng the FBR in immunocompetent mice, indicati ng excellent the modular starPEG-GAG hydrogels as highly versati le C. Werner: Biomaterials 228 (2020) 119557.

46 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 47 Biologie-inspirierte Grenzflächen- und Materialgestaltung

Multiphasic microgel‐in‐gel materials to recapitulate cellular mesoenvironments in vitro

Petra B. Welzel, Dejan Husman, Nicole Träber, Jens Friedrichs, Vincent Körber, Mikhail V. Tsurkan, Uwe Freudenberg, Julian Thiele, Carsten Werner

Hydrogels have been shown to be instrumental for the As a proof of concept we exemplarily created a reduc- Sponsors in vitro mimicry of living tissues. However, multiphasic tionistic in vitro model of vascularized prostate cancer . Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German 250 µm hydrogel systems are needed for better recapitulat- tissue. Therefore, prostate cancer cells were grown in Research Foundation), Research Training Groups ing key structural and functional features of heteroge- microgels providing a stiffer spheroid-supportive ma- “Nano- and Biotechniques for Electronic Device Packaging” cancer cell spheroid neous tissues. Towards this aim, we developed a new trix. These were surrounded by a soft hydrogel matrix and “Hydrogel-based Microsystems”, TH 2037/1 in microgel biomaterial design approach that relies on integrating that additionally contained growth factors and adhe- . Australia Awards, 3473_2013 cell-laden spherical hydrogel microparticles (micro- sion ligands suitable to support a co-culture of embed- . Bundesministerium für Bildung und Forschung gels) within cell-laden bulk hydrogel matrices to pro- ded human umbilical cord endothelial cells (HUVECs) (BMBF, Federal Ministry of Education and Research), vide thoroughly tunable microgel-in-gel-systems [1]. and mesenchymal stromal cells (MSCs) in the forma- Biotechnologie2020+ Strukturvorhaben: Various important cell-instructive properties (stiffness, tion of a capillary endothelial cell network. The new Leibniz Research Cluster, 031A360C degradability, biofunctionalization) as well as the local- culture format allowed the formation of spatially re- ization of specific cell types were individually varied in solved microtissue structures (Fig. 1) and was shown Cooperations the microgel and the surrounding bulk gel compart- to overcome limitations ofin vitro tissue models based . Dr. Laura J. Bray, Queensland University ment across a wide range using the options of a very on monophasic hydrogel materials [4]. As another key of Technology, Brisbane, Australia versatile platform of multifunctional poly(ethylene gly- advantage the approach enabled the combination of . Dr. Steffen Vogler, Deutsches Zentrum für col) (PEG)-heparin hydrogel types [2]. Besides its flex- both cell assemblies (cancer spheroids and endotheli- Neurodegenerative Erkrankungen, Dresden Fig. 1 Visualization of the 3D in vitro microgel-in-gel prostate cancer ibility, the system allowed to mimic the dynamics of al networks) to microgel-in-gel co-cultures at different model by immunostaining/confocal microscopy 5 days after natural tissues by incorporating matrix metalloprote- time points, i.e. at different levels of maturation while [1] D. Husman, P. B. Welzel, S. Vogler, L. J. Bray, N. Träber, J. Friedrichs, preparation. Phalloidin staining of actin filaments (green) and Hoechst staining of nuclei (blue) highlights the prostate cancer ase (MMP)-sensitive peptide sequences [3]. Gradua- keeping their microenvironment. V. Körber, M. V. Tsurkan, U. Freudenberg, J. Thiele, C. Werner: Biomaterials Science 8 (2020) 101–108. spheroid (within the blue dotted line) embedded in the stiffer tion of the interaction between the two engineered In sum, microgel-in-gel materials were shown to be [2] U. Freudenberg, Y. K. Liang, K. L. Kiick, C. Werner: microgel (within the red dotted line, fluorescently labeled with compartments is easily possible by the choice of the useful for exploring the mesoenvironmental interplay Advanced Materials 28 (2016) 8861–8891. Atto 610, red) as well as the capillary network (HUVECs/MSCs) in the surrounding softer hydrogel matrix [1] – Reproduced by microgel size. To enable the high-throughput fabrica- of co-cultured cells in their customized microenviron- [3] M. V. Tsurkan, K. Chwalek, S. Prokoph, A. Zieris, K. R. Levental, U. Freudenberg, C. Werner: Advanced Materials 25 (2013) 2606–2610. permission of The Royal Society of Chemistry. tion of microgels of in situ tunable diameter a novel ments and are expected to expand the relevance of 3D [4] L. J. Bray, M. Binner, A. Holzheu, J. Friedrichs, U. Freudenberg, variant of microfluidics was developed [1]. in vitro tissue and disease models.  D. W. Hutmacher, C. Werner: Biomaterials 53 (2015) 609–620.

48 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 49 Biologie-inspirierte Grenzflächen- und Materialgestaltung

High resolution bioprinting of multi-component hydrogels

Ralf Zimmermann, Felix Schrön, Passant Atallah, Uwe Freudenberg, Carsten Werner

different types of fluorophores were pre-conjugated to and demonstrated the potential of GAG-based hydro- the hydrogel building blocks (Fig. 1) [1]. gels to program the spatiotemporal distribution of solu- Cell fate decisions may be triggered by the local (zonal) ble morphogens in graded hydrogel systems [1]. variation of the visco-elastic properties of printed hydro- Capitalizing on the reversible conjugation of morpho- gel structures [3]. Building on the rational design con- gens to the GAG hydrogel component [2], materials cept for tuning the mechanical properties of star- fabricated from the novel bioink platform allow for PEG-heparin hydrogels through the molar ratio of effective control of cell fate decisions by programming starPEG to heparin [2], we further printed hydrogel biophysical and biomolecular matrix cues in space and scaffolds with spatial variation of the stiffness [1]. time [1]. We expect that the introduced methodology To demonstrate the suitability of the method for produc- enables a new, holistic level of control over reductionis- ing cell-laden constructs, we printed human bone-mar- tic tissue and organoid in vitro models [1].  row derived mesenchymal stem cells (hMSCs), a cell type that is widely used to engineer bone, adipogenic, myogenic and chrondogenic tissue, into starPEG-heparin Sponsors hydrogel layers with a thickness of ~ 250 µm [1]. Applying . European Union Seventh Framework Programme live-dead staining proved a high viability and confirmed (FP7/2007-2013), project HydroZones, the gentle printing procedure as well as the cell-support- grant agreement n°309962 ive characteristics of the hydrogel material [1]. Similarly, . Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German

Fig. 1 Schematic representation of the multi-component inkjet printing of reactive precursor solutions (using two sub- high viabilities were obtained for printed porcine chon- Research Foundation), project “Cell-instructive nanoliter piezoelectric pipettes) for the fabrication of hydrogel scaffolds with spatially graded material properties. drocytes and induced pluripotent stem cells [1]. hydrogel gradient arrays”, ZI 1238/4-1 and FR 3367/2–1 To finally demonstrate the specific stimulation of cel- . Bundesministerium für Bildung und Forschung Materials capable of directing cell fate by providing volume ~500 pl) onto the same spot (Fig. 1) [1]. The print- lular processes in 3D structured GAG-based materials, (BMBF, Federal Ministry of Education and Research), spatially-graded biophysical and biomolecular cues are ing head was mounted on a customized NanoplotterTM 2.0 we produced chemotactic gradients of the platelet-de- project EXASENS, FKZ 13N13859 critically important in the reconstitution of living matter. (GeSiM, Radeberg, Germany). rived growth factor in starPEG-heparin hydrogels with Towards this aim, we developed a multi-component To explore the potential and limitations of our approach zonal architecture and studied migratory and morpho- Cooperation printing method for the fabrication of spatially-graded for the fabrication of hydrogel scaffolds that are spatial- genetic responses of embedded hMSCs [1]. The ob- . Thomas Wegener, Thomas Gering, Steffen Howitz hydrogel scaffolds which relies on the Michael addition ly tailored in composition, mechanical properties, and tained results underlined the key role of the factor in the GeSiM – Gesellschaft für Silizium-Mikrosysteme mbH, of reactive precursors, e.g. thiol-functionalized 4-arm cell density, we first printed hydrogel scaffolds with regulation of the hMSC migration and morphogenesis Radeberg poly(ethylene) glycol (starPEG) and maleimide-function- vertical and lateral variation of the material composi- alized heparin [1,2]. As the fast crosslinking reaction does tion. After optimization of the printing parameters, we not allow premixing of the precursors (gelation occurs were able to produce glycosaminoglycan (GAG)-based within ~ 1 s), we developed a printing head that uses hydrogel scaffolds with unprecedented spatial resolu- [1] R. Zimmermann, C. Hentschel, F. Schrön, D. Moedder, T. Büttner, P. Atallah, T. Wegener, T. Gehring, S. Howitz, U. Freudenberg, C. Werner: Biofabrication 11 (2019) 045008. two piezoelectric sub-nanoliter pipettes for simultane- tion of ~50 µm in vertical direction and ~200 µm lateral [2] U. Freudenberg, Y. Liang, K. L. Kiick, C. Werner: Advanced Materials 28 (2016) 8861–8891. ously dispensing two reactive polymer solutions (droplet structure size [1]. To visualize the obtained structures, [3] D. E. Discher, P. Janmey, Y. L. Wang: Science 310 (2005) 1139–1143.

50 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 51 Biologie-inspirierte Grenzfl ächen- und Materialgestaltung

A smart polymer for sequence- selective binding, pulldown and release of DNA targets

Fig. 2 Working principle of MeRPy. MeRPy is fi rst programmed by additi on of one or more catcher strands. Catcher strands defi ne the Krishna Gupta, Susanne Boye, Albena Lederer, Elisha Krieg binding and release properti es of the polymer. Aft er capturing target strands, non-targets are removed via methanol-induced pulldown. The captured targets are then released from the polymer on demand. The release is triggered by specific release strands.

DNA isolati on and purifi cati on methods are crucial for To demonstrate its uti lity, we applied MeRPy for the Cooperations Sponsors research in biology, bionanotechnology, clinical diag- depleti on of three genes – insulin (INS), glucagon . Dr. Andreas Dahl, Dr. Mathias Lesche, . Human Fronti er Science Program (LT001077/2015-C) nostics and forensics. Despite the diverse variety of (GCG), and transthyreti n (TTR) – from clinical next-gen- DRESDEN-concept Genome Center, . TU Dresden Open Topic Postdoc Programme available techniques, all existi ng approaches have criti - erati on sequencing (NGS) libraries, which had been Center for Molecular and Cellular Bioengineering, . DFG NGSCC program cal shortcomings that require trade-off s between mate- obtained from pati ent-derived pancreati c ti ssue sam- Technische Universität Dresden, Dresden . Wyss Insti tute at Harvard Core Faculty Award rial cost, ease of use, versati lity, and performance. To ples (Fig. 3). The high expression levels of those three . Prof. William M. Shih, Wyss Insti tute for Biologically address this challenge, we have developed a smart genes tend to decrease the sensiti vity and thus lower Inspired Engineering at Harvard University, Boston, methanol-responsive polymer (MeRPy) (Fig. 1) [1]. the quality of potenti ally valuable diagnosti c data. Ap- United States of America MeRPy’s development was inspired by SNAPCAR, a plying the MeRPy-based purifi cati on method to the li- previously reported method that enables the scalable braries improved the data quality for low-abundance producti on of long single-stranded DNA (ssDNA) [2]. transcripts. Furthermore, it helped detect more than By combining a sti muli-responsive polymer backbone 1000 genes that had been below the detecti on thresh- with the selecti ve binding recogniti on of DNA base old in untreated samples (Fig. 3C). pairs, MeRPy can be programmed to capture, encap- MeRPy’s high binding capacity, its rapid DNA capture sulate, and release single- or double-stranded DNA tar- and release performance, thermal and chemical sta- gets. Once targets are captured by the polymer, they bility, and low cost represent signifi cant advantages can quickly be isolated and subsequently released back over currently used enzymati c and microbead-based into soluti on (Fig. 2). The release can be triggered either DNA purification methods. It is thus suitable for di- by heati ng the soluti on or via a non-covalent exchange verse applicati ons in research and clinical laboratories, reacti on that is known as toehold-mediated strand dis- including enhancement of NGS libraries, extracti on of placement. The latt er method allows 99.8 % effi cient re- DNA from biological samples, sorti ng of DNA-labeled moval of impuriti es (i.e., unwanted DNA sequences) and non-nucleic acid targets, and preparati ve-scale DNA 79 % recovery of highly pure target sequences. isolati ons [3]. 

Fig. 3 A) Depleti on of transcripts from a clinical NGS library by MeRPy in presence and absence of an INS-, GCG-, and TTR-targeti ng catcher strand library (CSL) increases the transcript-per-million (TPM) detecti on signal for 92 % of genes. B) High pulldown effi ciency and specifi city. C) ~1000 additi onal genes were detected in MeRPy-treated samples.

[1] E. Krieg, K. Gupta, A. Dahl, M. Lesche, S. Boye, A. Lederer, W. M. Shih: bioRxiv (2019) 573030. [2] E. Krieg, W. M. Shih: Angewandte Chemie Internati onal Editi on 57 (2018) 714–718. Fig. 1 Methanol-responsive polymer (MeRPy). MeRPy combines fast binding and release of target DNA [3] D. Minev, R. Guerra, J. Kishi, C. Smith, E. Krieg, K. Said, A. Hornick, H. Sasaki, G. Filsinger, in homogeneous phase with facile pulldown and separati on in heterogeneous phase. B. Beliveau, P. Yin, G. M. Church, W. M. Shih: Nucleic Acids Res. 47 (2019) 11956–11962.

52 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 53 Biologie-inspirierte Grenzflächen- und Materialgestaltung

Polyacrylamide (PAAm) bead sensors for in vivo quantification of cell-scale stress in zebrafish development

Nicole Träber, Jens Friedrichs, Carsten Werner

Mechanical stresses exerted and experienced by cells divisions and continuous tissue flow. In summary, hydro- during tissue morphogenesis and organ formation play gel microbead-based in vivo cell force sensors and the an important role in embryonic development. While developed routines for bead injection, confocal time- techniques to quantify mechanical stresses in vitro are lapse microscopy-based acquisition of cell-induced bead available, there are few methods to study stresses in liv- deformations, and spatiotemporal quantification of ing organisms. Therefore, we have developed and ap- stresses using COMPAX are expected to provide novel plied a novel assay that allows the in vivo study of cell- insight into developmental processes at the local tissue scale stresses using deformable hydrogel microbeads. level and to facilitate quantitative investigation and a Cell-sized polyacrylamide (PAAm) beads were prepared better understanding of morphogenetic processes.  using a flow-focusing microfluidic device (Fig. 1A) [1]. The elastic modulus of the beads was adjusted to mimic Sponsors the typical stiffness range of eukaryotic cells [2]. To ren- . Alexander von Humboldt Foundation der the PAAm beads bioadhesive and to visualize defor- . Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German mations in real time, they were conjugated with fluo- Research Foundation) BR 1746/6-1 and BR 1746/3 rescent peptides after production. Then, the compliant beads were micro-injected into the developing brain of Cooperations zebrafish embryos, and confocal time-lapse microscopy . Prof. Dr. Daniel Balzani, Dipl.-Ing. Klemens Uhlmann, was used to visualize three-dimensional shape changes Chair of Continuum Mechanics, of the beads resulting from morphogenetic processes Ruhr-Universität Bochum, Bochum exerted by the surrounding cells (Fig. 1B). Three-dimen- . Dr. Salvatore Girardo, Ruchi Goswami and sional changes in the bead shape were finally analyzed Prof. Dr. Jochen Guck, Max Planck Institute to determine spatial and temporal stresses using a newly for the Science of Light, Erlangen developed method called computational analysis-based . Dr. Gokul Kesavan, Keliya Bai and cell-scale stress sensing (COMPAX) (Fig. 1C) [3]. Prof. Dr. Michael Brand, Center for With this procedure, we are able to detect pulsatile Regenerative Therapies Dresden pressure propagation in the developing brain of zebra- . Dr. Katrin Wagner, Biotechnology Center, fish embryos potentially originating from polarized cell Technische Universität Dresden, Dresden Fig. 1 An assay to quantify in vivo cell forces using hydrogel microbeads. A) Size distribution of fluorescently labeled microbeads. Inset left: The beads were produced using a microfluidic flow-focusing device. Inset right: Confocal microscopy image of fluorescently labeled microbeads. The injection of [1] S. Girardo, N. Träber, K. Wagner, G. Cojoc, C. Herold, R. Goswami, R. Schlüßler, S. Abuhattum, microbeads into zebrafish embryos is schematically illustrated. A. Taubenberger, F. Reichel, D. Mokbel, M. Herbig, M. Schürmann, P. Müller, T. Heida, A. Jacobi, B) Confocal microscopy image of microbeads (magenta) trapped in the de- E. Ulbricht, J. Thiele, C. Werner, J. Guck: Journal of Materials Chemistry (2018) 179–185. veloping brain of a zebrafish embryo (cell membranes - green). Developing [2] P. H. Wu, D. R. Aroush, A. Asnacios, W. C. Chen, M. E. Dokukin, B. L. Doss, P. Durand-Smet, A. Ekpenyong, eyes and structures of the central nervous system are marked. Cell-induced J. Guck, N. V. Guz, P. A. Janmey, J. S. H. Lee, N. M. Moore, A. Ott, Y. C. Poh, R. Ros, M. Sander, I. Sokolov, deformations of an injected bead over time are schematically illustrated. J. R. Staunton, N. Wang, G. Whyte, D. Wirtz: Nature Methods 15 (2018) 491–498. C) Representative contour plot of pressure distributed on the surface of a micro- [3] N. Träber, K. Uhlmann, S. Girardo, G. Kesavan, K. Wagner, J. Friedrichs, R. Goswami, K. Bai, bead after injection in developing embryonic tissue. The force detection is M. Brand, C. Werner, D. Balzani, J. Guck: Scientific Reports 9 (2019) 1–14. possible over longer periods, as shown in the adjacent diagram.

54 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 55 Strategisches Thema 3 Durch die Vernetzung von Polymeren werden Flüssig- keitseigenschaften (Viskosität) mit Festkörpereigen- Polymere Netzwerke schaften (Formbeständigkeit, Lösungsmittelbeständig- keit) kombiniert. Eine zentrale Rolle in der übergrei- fenden experimentell-theoretischen Forschung auf und übermolekulare diesem Gebiet spielt die Aufklärung der Zusammen- hänge zwischen Netzwerkstruktur, ihrer Topologie und den resultierenden Materialeigenschaften. Darüber Strukturen hinaus werden physikalische Vernetzungskonzepte, Prof. Dr. Jens-Uwe Sommer Prof. Dr. Sven Wießner Selbstheilungs- und Kristallisationsprozesse untersucht.

Neuartige elastische Eigenschaften können in Netzwer- Elastomerverbunde mit variabler Steifigkeit ausgelotet, ken mit gleitenden Netzknoten erreicht werden, bei de- die perspektivisch in Form adaptiver Greifersysteme nen die lokale Spannung durch Verschieben der Netz- oder als textilverstärkte Schwingungsdämpfer Einsatz knoten auf den Polymerketten dynamisch verändert finden können. Diese im Rahmen der industriellen werden kann. Als ein besonders interessantes elasti- Gemeinschaftsforschung durchgeführten Arbeiten fin- sches Element erweist sich hierbei das „Tendomer“, den ihre Fortführung im DFG-GRK 2430 „Interaktive ein Dimer, das aus zwei verknüpften Rotaxanen be- Faser-Elastomer-Verbunde“. steht. Die theoretische Analyse der Deformations- eigenschaften eines Tendomers zeigt eine sprungartige Spritzgegossene elastische Zwischenschichten aus Nachgiebigkeit beim Erreichen einer charakteristischen Thermoplastischen Elastomeren ermöglichen die pro- Deformation (Physical Review E 98 (2018) 052501). zessintegrierte Herstellung belastungsfähiger Metall- Kunststoff-Verbunde, deren Haftfestigkeit mittels Durch Einsatz spezifischer Markierungstechniken adaptierter Prüfmethoden quantifiziert werden kann (Nitroxidlabeling) konnte die lokale Kettendynamik (KGK 73 (2020) 1/2). in gequollenen Polyelektrolyt-Multischichten mittels Elektronenspinresonanzspektroskopie (ESR) experi- Mittels einer verbesserten Photostrukturierung konn- mentell quantifiziert werden (Macromolecules 52 ten diverse Hydrogel/Enzym-Dot-Arrays auf Glas- (2019) 2384). substratoberflächen gleichzeitig aufgetragen und in unterschiedlichen mikrofluidischen Reaktionskam- Netzwerke spielen auch in lebenden Systemen eine mersystemen für multienzymatische Reaktionen un- wichtige Rolle. Hierbei sind es semi-flexible Protein- ter einem kontinuierlichen Fluss etabliert werden Filamente die durch Verknüpfung passive oder aktive (Reaction Chemistry & Engineering 2019, 4, 2141). Netzwerkstrukturen ausbilden. Es konnte gezeigt werden, dass diese Netzwerkstrukturen einen elastischen Aber auch Nachhaltigkeitsfragen technischer Polymer- Phasenübergang bei einer kritischen Deformation netzwerke sind im Forschungsfokus, z. B. Recycling- zeigen können. Diese Eigenschaft konnte in Kollagen- aspekte für die werkstoffliche Wiederverwendung von Netzwerken experimentell nachgewiesen werden Elastomeren in neuen Produkten. Einen Ansatz dafür (Physical Review Letters 122 (2019) 188003). bietet die kontrollierte Spaltung von Schwefelbrücken durch Sulfidmetathese, die erfolgreich in SBR-Modell- Neue Anwendungsmöglichkeiten von Elastomeren Vulkanisaten umgesetzt werden konnte (Resources, und Gelen aufzuzeigen ist der Gegenstand mehrerer Conservation and Recycling 154 (2020) 104629). angewandter Forschungsprojekte am IPF. Eine weitere Stärkung des strategischen Themas Durch Kombination magneto-sensitiver Elastomere konnte durch Bewilligung einer DFG-Forschergruppe mit funktionstragenden Textilstrukturen wurden Mög- FOR 2811: „Adaptive Polymergele mit kontrollierter lichkeiten für die Erzeugung adaptiv hochverformbarer Netzwerkstruktur“ erreicht werden. 

56 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 57 Polymere Netzwerke und übermolekulare Strukturen

Methode zur Photostrukturierung von Hydrogelarrays zur Durchführung mehr- stuﬁ ger Enzymreaktionen in der Mikroﬂ uidik

Franziska Obst, Brigitte Voit, Dietmar Appelhans

Hydrogele mit Fluoreszenzfarbstoff en angefärbt und mikrofl uidischen Reaktor integriert. In dieser Reakti on die Aufl ösung und Größe wurde umfänglich mitt els kon- wird ein komplexes Zuckermolekül hergestellt, welches fokaler Mikroskopie charakterisiert (Abbildung 1). Die in der Kommunikati on von Zellen lebender Organismen Strukturierungsmethode ist sehr schnell und akkurat eine tragende Rolle spielt und dementsprechend für die und erfordert im Gegensatz zu beispielsweise Druck- biologische und medizinische Forschung hochinteres- verfahren keine spezielle Ausrüstung. sant ist. Die Synthese dieses Moleküls in der Mikrofl ui- Anschließend wurden mikrofl uidische Reaktoren mit dik mit immobilisierten Enzymen stellt eine wichti ge zwei Komparti menten und drei verschiedenen im Hy- Ergänzung zur bisherigen Forschung dar, da durch die drogel immobilisierten Enzymen hergestellt, welche Komparti mentalisierung Inkompati bilitäten zwischen schritt weise den Zucker Laktose und einen schwach grü- den Enzymen umgangen werden können.  nen Farbstoff umsetzen und im letzten Schritt einen ti ef- Abb. 1 grünen Farbstoff erzeugen (Abbildung 2). Über die spektroskopische Messung des Farbstoff es kann der Umsatz Projektmittelgeber Enzyme stellen für die chemische Synthese wertvolle räumlich getrennten Enzymen durchzuführen. Dies wur- der Reakti on charakterisiert werden. Es wurde gezeigt, Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) (GRK 1865) und vielseiti ge Biokatalysatoren dar. Häufi g werden auf- de dadurch moti viert, dass in multi enzymati schen Reak- dass sich die räumliche Trennung der Enzyme auf den grund des im Vergleich zur chemischen Synthese mit- ti onen häufi g Inkompati bilitäten zwischen den einzelnen Reakti onsumsatz auswirkt. Diese Beobachtungen wur- Kooperationspartner unter geringeren Ressourcenaufwands bei der Verwen- Enzymen hinsichtlich der erforderlichen Reakti ons- den mitt els der unterschiedlichen Konzentrati onen der . Prof. Andreas Richter, Anthony Beck, Philipp J. Mehner, dung von Biokatalysatoren die Prinzipien der „Grünen bedingungen bestehen oder Kreuzhemmungen durch Zwischenprodukte der Reakti on begründet. TU Dresden Chemie“ erfüllt. Allerdings kann die katalyti sche Akti - Substrate oder Produkte der anderen Enzyme auft reten. Auf Basis dieser Entwicklungen wird gegenwärti g eine . Prof. Kathrin Castiglione, Michael Mertz, vität der Enzyme durch äußere Einfl üsse wie z. B. hohe Als Matrix für die Enzymimmobilisierung wurden ver- weitere dreistufi ge, enzymkatalysierte Reakti on in einen FAU Erlangen-Nürnberg Temperatur sowie Anwesenheit von Inhibitoren beein- netzte, in Wasser quellbare Polymere (Hydrogele) ge- trächti gt werden. Darüber hinaus können Enzyme je wählt. Diese können durch eine UV-Strahlung initi ierte nach Art und Herstellungsmethode in einer chemischen Polymerisati on einer Precursor-Lösung hergestellt wer- Synthese einen deutlichen Kostenfaktor darstellen. den. Zur Photostrukturierung der Hydrogele wurden Durch die Immobilisierung von Enzymen in oder an einer Formen aus Kunststoff mit mehreren Kavitäten entwi- Matrix ist es möglich, sowohl die Langzeitakti vität zu ckelt, welche mit verschiedenen Hydrogel-Precursor- steigern als auch die Enzyme nach einer Synthese vom lösungen befüllt wurden. Durch Aufl egen eines Glas- Syntheseprodukt zu trennen und wieder zu verwenden. Objektt rägers auf die Form wurde ein dünner Hydrogel- Im Rahmen des Projektes wurden mikrofl uidische Reak- fi lm (18–160 µm, je nach Form) erzeugt, der anschlie- toren mit immobilisierten Enzymen entwickelt. Wird ein ßend mitt els Photomaske polymerisiert wurde. Im Abb. 2 Substrat der Enzyme konti nuierlich durch den Reaktor Rahmen der Arbeit wurden verschiedene Formen an- gepumpt, kann dieses katalyti sch zu einem Produkt um- geferti gt, die die simultane Photopolymerisati on von [1] D. Simon, F. Obst, S. Häfner, T. Heroldt, M. Peiter, F. Simon, A. Richter, B. Voit, D. Appelhans: React. Chem. Eng. 4, 1 (2019) 67–77. gesetzt werden. Darüber hinaus wurde eine Methode bis zu vier separaten Hydrogel-Arrays erlauben. Zum [2] F. Obst, D. Simon, P. J. Mehner, J. W. Neubauer, A. Beck, O. Stroyuk, A. Richter, B. Voit, D. Appelhans: React. Chem. Eng. 4 (2019), 2141–2155. erarbeitet, um mehrstufi ge Reakti onen mit mehreren Nachweis der Genauigkeit wurden die verschiedenen [3] F. Obst, A. Beck, C. Bishayee, P. J. Mehner, A. Richter, B. Voit, D. Appelhans: Micromachines 11, 2 (2020), 167–183.

58 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 59 Polymere Netzwerke und übermolekulare Strukturen

Durch Anbindung von Donor- und Akzeptor-Farbstoffen Projektmittelgeber Konzepte für mechanosensitive Partikel für Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) an die defi- . Elitenetzwerk Bayern nierte Polymernetzwerk-Architektur konnten Hydrogel- . Volkswagen-Stiftung „Experiment!“ und deren Integration in 4D-Strukturen Deformationen als Verschiebung des emittierten Fluores- . BMBF: Biotechnologie 2020+ Strukturvorhaben zenzsignals detektiert werden. Trocknungs-/Quellungs- „Leibniz Research Cluster“ Julian Thiele, Andreas Fery, Jens W. Neubauer, Experimente der FRET-Mikrogele zeigten, dass globale . SFB / TRR 225 “From the fundamentals of Nicolas Hauck, Max J. Männel, Max Seuss Polymernetzwerk-Deformationen eine reversible Fluores- biofabrication to functional tissue models” zenzverschiebung im gesamten Mikrogelvolumen von . DFG: GRK 1865 „Hydrogel-basierte Mikrosysteme” grün (gequollen) nach gelb (getrocknet) induzierten. . DFG: Sachbeihilfe „Genexpression in Mikrogelen“ Die Analyse der Mechanik und Interaktion von Zellen Überwachung und sogar Quantifizierung sowie Vertei- Eine Charakterisierung aus kombinierter Konfokal- und . Ab 2020: ERC Starting Grant-Projekt „3DPartForm“ untereinander sowie mit ihrer extrazellulären Matrix sind lungsanalyse von Kräften und Spannungen basierend auf Rasterkraftmikroskopie zeigte darüber hinaus, dass auch essentielle Bestandteile der Quantifizierung ihrer patho- der Verformung der Hydrogelpartikel (J. Mater. Chem. B lokale Deformationen detektierbar sind (Abbildung 2). Kooperationspartner logischen oder physiologischen Veränderungen. Eine 2018, 6, 6245). Eine wesentliche Fortentwicklung der Ver- Langfristig wird dieses auf einzelnen Mikrogelen basie- . Dr. Salvatore Girardo, CRTD, besondere Herausforderung besteht in der Detektion wendung von Hydrogelen als mechanosensitive Sensor- rende Konzept auf hierarchisch komplexe Hydrogelstruk- Zentrum für Regenerative Therapien TU Dresden dieser Eigenschaften bei Zellstrukturen, die sich schnell partikel stellt die Etablierung eines Konzeptes dar, welches turen mittels additiver Fertigung ausgedehnt werden (vgl. . Dr. Gheorghe Cojoc, BIOTEC, entwickeln und verändern, wie etwa embryonales Ge- Veränderungen der Mikrogelform aufgrund von mechani- Leibniz-Applikationslabor und ERC StG „3DPartForm“).  Biotechnologisches Zentrum der TU Dresden webe. Physikochemisch und mechanisch definierte mi- scher Beanspruchung bzw. Deformation mittels eines ein- kroskopische Hydrogelpartikel (Mikrogele) können hier fach auslesbaren optischen Signals sichtbar macht (Ab- einen bedeutsamen Beitrag leisten. Im Bereich der Me- bildung 1; ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 26307). chanobiologie ermöglichen maßgeschneiderte Sensor- Hierzu wurden Mikrogele aus biokompatiblen Polyethy- partikel – eingebracht in Zellgewebe – die kontinuierliche lenglykol (PEG) mittels Tropfenmikrofluidik entwickelt.

Abb. 2 Links Aufnahme einer T-förmigen Mikrokanalkreuzung zur Emulsionsbildung. Eine zusätzliche wässrige Phase (blau) trennt die reaktiven Hydrogelvorstufen, um eine vorzeitige, unkontrollierte Gelierung zu verhindern. Mitte Aufnahme von mechanosensitiven Hydrogelpartikeln, wobei nur der Donor-Farbstoff Alexa Fluor 488 angeregt wurde. Rechts Konfokalmikroskopie-Aufnahme eines mechanosensitiven Hydrogelpartikels. Eine AFM-Spitze drückt in die Hydrogel- Abb. 1 Konzept zu mechanosensitiven Hydrogelpartikeln. Fluorophore (Donorfarbstoff Alexa Fluor 488 und Akzeptorfarbstoff Alexa Fluor 555) matrix, wobei diese mechanische Kompression eine Fluoreszenzverschiebung von grün nach gelb durch FRET verursacht. sind an vier-armige PEG-basierte Hydrogelvorstufen gekoppelt, welche durch einen weiteren PEG-Präkursor mittels Michael-Additions- reaktion zwischen Thiol- (SH) und Maleimid-Gruppen (Mal) vernetzt werden. Diese Reaktion findet in Mikrotropfen statt, welche durch Vernetzung ihres reaktiven Inhalts in ein Hydrogelpartikel ähnlicher Größe übergehen. Mittels lokaler Krafteinwirkung oder globale [1] J. W. Neubauer, N. Hauck, M. J. Männel, A. Fery, J. Thiele: ACS Appl. Mater. Interfaces 11 (2019) 26307–26313. Deformation (Fluoreszenzmikroskopie-Aufnahme, rechts), beispielsweise durch Herabsetzen der Umgebungsluftfeuchtigkeit, kann eine [2] S. Girardo, N. Traeber, K. Wagner, G. Cojoc, C. Herold, R. Goswami, R. Schluessler, S. Abuhattum, A. Taubenberger, F. Reichel, D. Mokbel, FRET-basierte Fluoreszenzverschiebung der Hydrogelpartikel provoziert werden. M. Herbig, M. Schuermann, P. Mueller, T. Heida, A. Jacobi, J. Thiele, C. Werner, J. Guck: J. Mater. Chem. B 6 (2018) 6245–6261.

60 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 61 Polymere Netzwerke und übermolekulare Strukturen

Dynamics of spin‐labeled polyacid chain segments in polyelectrolyte multilayers

Uwe Lappan, Cindy Rau, Carolin Naas, Ulrich Scheler

Polyelectrolyte multilayers (PEMs) are interesting ob- strength of the spin-label technique was exploited, i.e., polyacid and the internal rotation of the spin label have jects of fundamental research but also of high practical the spin-labeled polyacid has been used as a report- been determined by simulation of the line shape of ex- relevance. The internal structure of PEMs has been er molecule for the selective study of the dynamics in perimental CW EPR spectra (Fig. 1). The rotational diffu- widely examined, but little work has been done so far the PEMs. Multilayers of PAH/P(E-alt-MA) with 16 and sion coefficient RS characterizing the rotational mobility to correlate the properties of the PEMs with the chain 17 layers, respectively, were prepared where the SL- of the polyacid backbone is higher for PEMs terminat- dynamics. We have shown that dynamics in PEMs and P(E-alt-MA) has been selectively placed in a single lay- ed with PAH compared to PEMs with P(E-alt-MA) in the polyelectrolyte complexes (PECs) can be studied using er. The segmental rotational mobility of the spin-labeled terminating layer (Fig. 2). A pronounced odd-even effect spin-label electron paramagnetic resonance (EPR) spec- has been observed, i.e., the rotational dynamics of the troscopy [1-4]. The polyelectrolytes used are diamag- P(E-alt-MA) backbone in the PEMs is influenced by the netic and thus do not give EPR signals. The absence chemical nature of the polyelectrolyte in the terminat- of background signals provides the opportunity to ing layer. It is largest for the layer at or close to the sur- apply EPR as a selective probe technique, where- face and reduced for layers in the bulk of the PEMs. As by stable nitroxides are covalently linked to macro- our results demonstrate, spin-label EPR is a powerful molecules. Rotational dynamics of such spin labels on Fig. 1 Experimental and simulated EPR spectra of PAH/P(E-alt-MA) tool for the investigation of the polymer chain dynam- multilayers with SL-P(E-alt-MA) placed in a selected layer (N ). time scales between 10 ps and 1 µs can be charac- SL ics in PEMs.  The PEMs were prepared and swollen in buffer solution of pH terized by CW EPR spectroscopy, simulating the line 4, and measured 1 day after preparation. The number of layers shape. The dynamics of the spin labels is influenced N in the PEMs is indicated in brackets. Sponsor by the restricted motion of the side group bearing Deutsche Forschungsgemeinschaft (LA 1987/5-1) the label and local polymer backbone motions at the weak polycation poly(allylamine hydrochloride) (PAH) point of the covalent attachment of the label. by EPR [4]. In a first series of experiments, the growth [1] U. Lappan, B. Wiesner, U. Scheler: Macromolecules 48 (2015) 3577–3581. In the recent study, a nitroxide spin label has been cova- of PEM films on the inner surface of glass capillaries has [2] U. Lappan, B. Wiesner, U. Scheler: lently attached to the weak polyelectrolyte poly(ethylene- been monitored by quantitative EPR using the SL-P(E- Fig. 2 Rotational diffusion coefficients RI and RS for PAH/P(E-alt-MA) Macromolecules 49 (2016) 8616–8621. multilayers with SL-P(E-alt-MA) placed in a selected layer (N ), alt-maleic acid) (P(E-alt-MA)) to study the rotation- alt-MA) for the preparation of every polyanion layer. A SL [3] U. Lappan, U. Scheler: prepared and swollen in buffer solution of pH 4 and pH 5, Macromolecules 50 (2017) 8631–8636. al dynamics of the polyacid backbone in swollen PEMs parabolic growth of the multilayer films with up to 16 respectively, and measured 1 day and 6 days after preparation [4] U. Lappan, C. Rau, C. Naas, U. Scheler:

formed from P(E-alt-MA) and the oppositely charged layers was found. In a second series of experiments, the as a function of NSL. Macromolecules 52 (2019) 2384–2392.

62 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 63 Polymere Netzwerke und übermolekulare Strukturen

Magneto-adaptive Aus der mit CIP additivierten NBR-Kautschukmatrix ungewünschte Aktivierung des FGL-Schalteffektes und der beschichteten Textilstruktur wurden Verbun- während der Pressvulkanisation ermöglicht. Die mit- Faser-Elastomer-Komposite de im Pressvulkanisationsverfahren (mit und ohne tels Stromfluss initiierte Verformung der Sandwich- Zuschaltung eines externen Magnetfeldes während Verbunde wurde erfolgreich getestet (Abb. 3).  der Vulkanisation) hergestellt und anschließend hin- Muhammad Tahir, Sven Wießner sichtlich der magnetfeldinduzierten reversiblen Stei- figkeitsänderung (Rheometer mit Magnetmesszelle) charakterisiert. Der sich bei schritt weiser Erhöhung der a b c Magnetfeldstärke ändernde Speichermodul (Schalt- effekt) ist in Abbildung 2 dargestellt, wobei die durch CIP-Schicht dissipative Effekte auftretende Temperaturerhöhung bei der Quantifizierung des Schalteffektes berück- sichtigt werden muss. PPS-Multiﬁ lamentgarn

Abb. 1 (a) PPS-Garn unbeschichtet, (b) PPS-Garn beschichtet mit RFL-CIP-Dipp (c) SEM-EDX-Aufnahme des RFL-CIP beschichteten PPS-Garns zeigt die CIP-Verteilung. Abb. 3 FGL-integrierter textilverstärkter Sandwich-Verbund im Elastomere werden in hochbeanspruchten technischen Als aktive Komponenten wurden Carbonyleisen- Aktuierungsversuch. Oberhalb der Schalttemperatur (links) biegt sich die Struktur und kehrt bei Abkühlung in ihre Produkten, z. B. Reifen, Antriebsriemen, Schwingungsdäm- partikel (CIP) und FGL-Drähte auf NiTi-Basis verwen- Ausgangslage zurück (rechts). pfern oder Luft federn eingesetzt. Neben diesen konven- det. Als Elastomermatrix diente Akrylnitril-Butadien- Abb. 2 Schaltbarkeit des Speichermoduls eines magnetorheologischen ti onellen Anwendungen ist die Verwendung sog. Smarter Kautschuk (NBR) und für die Verstärkung kamen Hoch- NBR-Komposits (15 Vol% CIP) bei steigender magneti scher Projektmittelgeber Elastomere in intelligenten Strukturen seit einigen Jahren leistungsfasern aus Polyphenylensulfid (PPS) und da- Feldstärke (Messung am DIK Hannover) Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, Gegenstand intensiver Grundlagenforschung und ers- raus hergestellte Flachgestricke zum Einsatz. Um AiF-IGF-Vorhaben 19486 BG „Entwicklung magneto- ter Anwendungsstudien. Ein Beispiel sind sog. magnet- eine anforderungsgerechte Anbindung der textilen Um die CIP-haltigen und textilverstärkten Elastomer- sensitiver, adaptiver Funktionsbauteile auf der Basis orheologische Elastomere (MRE), mit denen sich z. B. ad- Verstärkungsstruktur an das Elastomer zu gewähr- Komposite mit aktivierbarer Verformbarkeit auszu- elastomerer Faserverbundwerkstoffe“ apti ve Dämpfer mit magneti sch schaltbarer Steifi gkeit leisten, wurde die Garnoberfl äche mitt els Resorcinol- rüsten, wurden die NiTi-basierten FGL-Drähte textil- realisieren lassen. Ein zweiter Ansatz besteht in der Erzeu- Formaldehyd-Latex Technologie (RFL) modifiziert, und technologisch in PPS-Flachgestricke integriert. Da die Kooperationspartner gung formvariabler Strukturen durch Integrati on ther- die Verbundhaftung durch Garnauszugsversuche veri- Schaltt emperatur (Umwandlungstemperatur Martensit- . Prof. C. Cherif, Dr. R. Hickmann, Q. Bollengier, F. Lohse, misch akti vierbarer Komponenten, z. B. Formgedächtnis- fiziert. Die Beschichtungstechnologie wurde ange- Austenit) des FGL-Materials mit 95 °C weitaus gerin- Institut für Textilmaschinen und legierungsdrähten (FGL), in Elastomer-Texti l-Verbunde. passt, um die magnetisch aktiven CIP-Partikel direkt ger als die üblichen Vulkanisationstemperaturen ist, textile Hochleistungswerkstofftechnik, TU Dresden Im AiF-IGF-Vorhaben 19486 BG „Magneto-adapti ve in die Beschichtung des Garns zu integrieren. Der wurde ein bei 75 °C vernetzendes NBR-Compound ent- . Prof. M. Klüppel, D. Simic, Deutsches Institut für Elastomerkomposite“ wurden werkstoﬄ iche sowie kaut- dafür entwickelte kontinuierliche Verfahrensaufbau wickelt, das eine Sandwich-Verbundherstellung ohne Kautschuktechnologie e.V. (DIK), Hannover schuk- und texti ltechnologische Ansätze erforscht, um gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung der CIP- eine Kombinati on beider Smart Material-Prinzipien auf Partikel in der Beschichtung (Abb. 1). Derart RFL- Bauteilebene zu ermöglichen, diese in Form von Komposit- CIP-beschichtete PPS-Garne gewährleisten die not- strukturen mit adapti ver Steifi gkeit und kontrollierbarer wendige hohe magnetische Flussdichte durch die tex- [1] Abschlussbericht IGF-Vorhaben 19486 BG „Magneto-adapti ve Elastomerkomposite“. Verformbarkeit umzusetzen und deren adapti ve Eigen- tilverstärkte adaptive Kompositstruktur bei hoher [2] T. Götze, R. Hickmann, J. Storm, S. Wießner, C. Cherif, M. Kaliske: KGK (2019), 35–43. schaft en zu charakterisieren und simulati v abzubilden. Grenzflächenhaftung. [3] T. Götze, R. Hickmann, A. Hürkamp, S. Wießner, G. Heinrich, O. Diestel, C. Cherif, M. Kaliske: KGK (2015) 41–45.

64 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 65 Polymere Netzwerke und übermolekulare Strukturen

Used tire Recycling of waste tire rubber by to new tire

mechano-chemical devulcanization Materials recycling Amit Das, Sakrit Hait, Anik Kumar Ghosh, Sven Wießner Back to feed stock

Decreasing resources and rising price of crude oil have incineration techniques are advisable because both Energy Recovery become a serious concern for the availability of feed- are harming the environment. Fig. 1 indicates the most stock for production of synthetic rubber. Among dif- efficient waste management hierarchy under environ- Fig. 1 Waste management hierarchy and schematic presentation of cradle-to-cradle ferent other synthetic rubbers a large amount (~ 74 %) mental and economical aspects. It is obvious, that the approach to waste tires and development of silica based green tire composites of styrene butadiene rubber (SBR) is used in the tire most efficient rubber waste management route or the industry due to its low rolling resistance for reduced highest level of the hierarchical ladder is transform- were compared with conventional silica based green rubber composites of identical formulation. Surprisingly,

fuel consumption and as a result less CO2 emissions. As ing used rubber goods into products having compara- tire rubber formulations. The extent and quality of the the higher storage modulus and lower tan ∂ of the devul- a fallout each year approximately 800 million (~ 10 mil- ble properties with that of the virgin rubber products. devulcanized rubber were monitored through the mea- canized SBR-silica-composite as compared to the virgin lion tons) of scrap tires are produced across the globe. This can be achieved by a tailored mechano-chemical surement of sol content, inherent viscosity of sol rub- sample confirms a magnificent dynamic mechanical per- Developed as well as developing countries are paying devulcanization process with the target to induce se- ber, and the degree of devulcanization as a function formance of the recycled material, i.e. less dissipation great attention to the disposal of these huge amounts lective scission of cross-links while not severely affect- of initial crosslink density. By our developed method it losses during dynamic deformation. This work may pave of discarded tires. Because of existing legislations the ing the rubber molecular structure otherwise. was possible to provide devulcanized rubber while re- a new route for the reuse of waste tire rubber in new landfill and use for energy recovery is largely impossi- In our previous research we have focused on the si- storing the curing behavior and other essential process- tire production.  ble. Due to the crosslinked structure of vulcanized tire multaneous devulcanization and chemical functional- ability measures. The revulcanized rubber composites rubbers and the presence of stabilizers, reinforcing fill- ization processes of waste styrene butadiene rubber exhibit very reasonable mechanical properties, such as ers, and other additives these materials are also not re- vulcanizates (SBR) using a reactive mechanical mixer ~ 11 MPa tensile strength, ~ 26 MPa tear strength com- Cooperation cyclable through natural biological degradation, hydro- and a sulphide based multifunctional devulcanizing bined with elongation at break values as much as 450 %. Professor D. De, Chemistry Department, MCKV Institute lyzation or decomposition, and also re-melting (as it is agent. The compounds prepared with the developed These properties are comparable with those of virgin of Engineering, Liluah, Howrah 711204, India a potential way of materials recycling for thermoplas- method were further reinforced with nano-silica and tics) is hindered due to the chemical cross-links present finally molded and re-vulcanized to prepare cross- [1] J. Ghosh, S. Hait, S. Ghorai, D. Mondal, S. Wießner, A. Das: Resources, Conservation and Recycling 154 (2020) 104629. in the rubber. Furthermore, since millions of scraped linked rubber composites. The curing and processing [2] S. Ghorai, D. Mondal, S. Hait, A. K. Ghosh, S. Wiessner, A. Das, D. De: ACS Omega, 4 (2019) 17623–17633. tires are discarded annually, neither pyrolyzation nor characteristics and mechanical performance measures [3] S. Ghorai, A. K. Jalan, M. Roy, A. Das, D. De: Polymer Testing 69 (2018) 133–145.

66 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 67 Polymere Netzwerke und übermolekulare Strukturen

Metall-Kunststoff-Verbunde mit einer elastischen Zwischenschicht und die Prüfung der Verbunde im Blockscherversuch

Matthias Bräuer, Dieter Lehmann†, Katharina Lönnecke, Konrad Schneider, Marcel Tuschla, Carola Kutschera, Frieder Pursche, Holger Scheibner, Andreas Scholze

† im Dezember 2018 verstorben

erprobt, die diese Einflussgrößen weitgehend eliminiert. Ein Abkippen der Probe während des Schervorganges soll konstruktiv ausgeschlossen werden. Realisiert wird dies dadurch, dass die gescherte Komponente durch eine Rol- lenführung in einem sehr steifen Rahmen gehalten wird. Die Abhängigkeit der Scherfestigkeit von der jeweiligen TPU-Zwischenschichtdicke wird für drei TPU-Typen unterschiedlicher Härte im Diagramm in Abbildung 3 [5] ge- Abb. 1 Metall-Kunststoff-Verbund mit einer zeigt. Die Scherfestigkeit weist in Abhängigkeit von der elastischen Zwischenschicht (Hart-Hart-Verbund), Abbildung aus Bräuer et al. [2] Zwischenschichtdicke eine Abhängigkeit mit einem Maxi- mum zwischen 0,3 und 0,5 mm auf; Ausnahme sind die Metall-Kunststoff-Verbunde (MKV) mit Thermoplasten PA6/GF aufgespritzt. Es werden erstmalig Verbunde mit Verbunde mit dem harten TPU C 90 A. Dünnere Zwischen- (zum Beispiel, PA, PC, PET, PBT, PSU, PPS) weisen sehr oft unterschiedlichen Zwischenschichtdicken zwischen 0,08 schichten können die Funktion des Spannungsabbaus eine ungenügende Verbundhaftung auf. Dies liegt zum und 1,82 mm hergestellt [5]. Abb. 2 Skizze der Eigenbauvorrichtung für den Scherversuch nach nicht erfüllen. Deshalb fallen die Scherfestigkeiten vom einen an der Unverträglichkeit der Komponenten, ande- Zur quantitativen Charakterisierung der Verbundfestig- Schneider, elastische Zwischenschicht zwischen der roten Maximum hin zu kleineren Zwischenschichtdicken ab. Grundplatte (Metallblech) und der gelben Funktionsschicht, rerseits können beim Abkühlprozess Schwindungsspan- keit der MKV unter Scherbelastung wird in einem Block- Abbildung aus Bräuer et al. [5] Bei ansteigender Dicke der elastischen Zwischenschicht nungen eingefrorenen werden. Gerndorf und Steiner scherversuch die Schubspannung τ beim Versagen des nach dem Maximum der Scherfestigkeit kommt es in- schlagen deshalb den zusätzlichen Einbau einer span- Verbundes (Scherfestigkeit) ermittelt [6]. Zur Durch- folge einer zunehmenden Deformation der Zwischen- nungsabbauenden dämpfenden Zwischenschicht aus ei- führung des Scherversuchs wird der Verbund in einer schicht zu einer Mixed-Mode-Belastung, was ebenfalls ner elastischen niedermoduligen Weichkomponente vor Vorrichtung geführt. Die bisherige Vorrichtung hatte zu abnehmenden Scherfestigkeiten führt.  [1]. Es werden MKV aus einem Stahlblech, einer Adhäs- den Nachteil, dass sich, insbesondere bei den relativ ionsschicht aus einem Uretdionpulverlack, einer elas- großen Schichtdicken der weichen Zwischenschicht und [1] G. Steiner und R. Gerndorf: Kunststoffe 94 (2004) 7, 83. tischen Zwischenschicht aus einem thermoplastischen der damit verbundenen großen Scherwege im Laufe [2] M. Bräuer, M. Edelmann, L. Häußler und I. Kühnert: Polyurethan (TPU ELASTOLLAN) und einer Funktions- des Schervorgangs, die Kraftangriffsrichtung ändert, Mat.-wiss. u. Werkstofftechn. 43 (2012) 6, 534. schicht aus Polyamid6/Glasfaser entsprechend der Ab- wodurch keine reine Scherbelastung der Probe gewähr- [3] M. Bräuer, M. Edelmann, I. Kühnert und K. Schneider: Polymerwerkstoffe 2010, Halle/Saale, 15–17. September 2010, 213. bildung 1 [2] hergestellt [3, 4]. Die beschichteten Bleche leistet ist, welche eine Voraussetzung für eine reprodu- [4] D. Lehmann, M. Bräuer, M. Gedan-Smolka, I. Kühnert und K. Schneider: werden in einem Pressprozess mit der TPU-Zwischen- zierbare Bestimmung der Scherfestigkeit ist. Außerdem Konstruktion 66 (2014) 5, 5. schicht versehen. Die TPU-Streifen werden vorher durch wurde eine Abhängigkeit der Ergebnisse von der Prüf- [5] M. Bräuer, D. Lehmann, K. Lönnecke, V. Reichert und K. Schneider: Abb. 3 Scherfestigkeit τ für Hart-Hart-Verbunde mit einer elastischen KGK 73 (2020), 1–2, 24–30. Folienextrusion oder Spritzgießen hergestellt. Anschlie- körperhöhe festgestellt. Eine weiterentwickelte Vorrich- Zwischenschicht aus TPU unterschiedlicher Dicke, [6] ISO 13445:2003 bzw. EN ISO 13445:2006, ßend wird im Einlegeverfahren die Funktionsschicht aus tung, siehe Abbildung 2, wurde konzipiert, aufgebaut und Abbildung aus Bräuer et al. [5] DIN EN ISO 13445:2006-09.

68 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 69 Polymere Netzwerke und übermolekulare Strukturen

Tendomers – force sensitive bis-rotaxanes with jump-like deformation behavior

Toni Müller, Jens-Uwe Sommer, Michael Lang

Fig. 1 Sketch of a tendomer. The blue beads indicate Fig. 2 Simulati on snapshots of tendomer deformati on. The black Fig. 3 Deformati on behavior of tendomers as a functi on of the the stopper molecules at the ends of linear cylinders are the slide rings, the PEG chains are shown in green, number m of slide rings. The symbols display the simulati on chains with N segments. The fi rst slide and the red and blue spheres are the stopper molecules at the results and the solid lines belong to the exact analyti cal ring of the two rotaxanes are linked chain ends where the force (red) or no force (blue) is applied. soluti on. The open symbols display the reference case of a together and form a slip-link. A pull corresponding linear chain. The average end-to-end distance on the adjacent stopper molecules between the red beads of Figure 2, Rf , is shown as a functi on compresses the available space We have simulated the deformati on of single tendomers of the applied force (in units of kT per unit length, where k is to N-n segments for the m slide to compare with the exact analyti cal soluti on of this sys- the Boltzmann constant and T the absolute temperature). rings on each rotaxane. tem. The latt er can predict the tensile properti es of tendomers in the case of ideal chain stati sti cs, see Figure 3: there, the recovery ti me is of order minutes to days [4]. For low applied force f, there is a linear force extension Another prospect for the tendomer architecture is that relati on corresponding to the behavior of ideal chains. rotaxanes with a diff erent density of slide rings along In this case the available chain secti on for deformati on the polymer backbone could be combined to yield is small, if a large number of slide rings, m, reside on the multi -step deformati on curves [3]. First analyti cal calcu- rotaxanes. When reaching a stall force, a quick increase lati ons show also that it should be possible to construct

Rotaxanes are dumbbell shaped molecules where small can slide through the slide-rings and redistribute stress in the chain extension, Rf , is observed within a narrow gels with even a bett er ulti mate performance than con- cyclic molecules (“slide rings”) are permanently thread- along the network structure. range of applied forces. This increase sharpens for larger venti onal slide ring gels regarding the maximum exten- ed onto a comparati vely thin molecular chain between In a recent work [3], we have studied “tendomers”, which values of m, and shift s to larger forces. For forces clearly sion and the maximum swelling capacity. These points both bulky ends of the molecule. When cross-linking are a pair of rotaxane molecules that are linked by a co- larger than the stall force, the force extension curves are addressed in our current research.  the slide rings of a soluti on of rotaxanes, so called “slide valent bond connecti ng only the very fi rst slide rings of corresponds again to the fi nite extensibility regime of ring” gels are formed [1], which show unique physical two rotaxanes, see Figure 1, which form a slip-link. Upon the corresponding linear chains. Sponsor properti es: Swelling degrees of up to 24000 ti mes the deformati on, chain segments of the pending chain ends With tendomers, it may be possible to construct poly- DFG Project LA2735/5-1 volume of the gel have been reached and uniaxial de- are pulled through the slip link, which confi nes the slide mer gels that reversibly switch between high and low formati ons of more than 20 ti mes the original length rings to smaller secti ons of the rotaxane, see Figure 2 for modulus regimes within the diff usion ti me of the slide of the material were achieved [2]. But in contrast to illustrati on. Gels can be constructed with properti es that rings along the polymer backbone (typically below one [1] Y. Okumura, K. Ito: Advanced Materials 2001, 13, 485–487. [2] K. Ito: Chemical and Pharmaceuti cal Bulleti n 2017, 65, 326–329. other super-soft gels, these materials are rather robust might be even superior to slide ring gels by linking the second). Other elastomers that show a signifi cant strain [3] T. Müller, J.-U. Sommer, M. Lang: Soft Matt er 15 (2019) 3671–3679. with a high fracture stress, since the polymer backbone pulled chain ends to multi -valent juncti ons [3]. soft ening behavior make use of reversible bonds, but [4] J.-Y. Sun et al.: Nature 2012, 489, 133–136.

70 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 71 Polymere Netzwerke und übermolekulare Strukturen

Scaling theory for critical behavior in fiber networks

Abhinav Sharma

Disordered filamentous networks are ubiquitous in bio- identi fi ed as a line of criti cal points characterized by a lattice-based and packing-derived fiber networks [3]. suggests that the upper critical dimension for fiber

logy. One of the most important characteristics of such z-dependent threshold (z), as sketched in Fig. 1. Above We derived a hyperscaling relation that relates the ex- networks is du > 2, in contrast with jammed networks networks is the coordination number or average con- this strain threshold, the c diff erenti al or tangent shear ponent f with the spatial dimensionality as f = dν − 2, at the isostatic point. Our observations suggest that γ nectivity (z). Networks with only central force inter- modulus K = dσ/dγ scales as a power law in strain, with where ν is the exponent of the correlation length. non-mean-field behavior might be ubiquitous in f actions are unstable towards small deformation if the K γ γc . Introducing bending interactions with Moreover, the theory predicts the exponent for the subisostatic networks, irrespective of the local net- average connectivity is below the threshold value of rigidity κ between nearest neighbor bonds stabilizes divergence of strain fluctuations as f − φ which shows work structure. ∼ | − | (z) = 2d, where d is the dimensionality. This thresh- sub-isostati c networks below the criti cal strain, leading excellent agreement with the numerical simulations Our future eff orts will be directed to develop theory

old is referred to as the isostatic point at which the to K κ for γ < γc . Both of these regimes are captured (see Fig. 2). for the dynamical behavior and design experiments for f φ number of degrees of freedom are just balanced by by the scaling form K γ −γ G ± (κ γ −γ ) in which Interestingly, for the subisostatic, strain-controlled the same.  ∼ c c the number of constraints. As the average connecti- the branches of the scaling function G ± account for transition, we observe that simulations of both trian- ≈ | | /| | vity increases beyond 2d, the network undergoes a the strain regimes above and below γc . This scaling gular networks and packing-deived networks exhib- Cooperation phase transition marked by a continuous increase in form was also shown to capture the nonlinear strain it conistent non-mean-field exponents. Our study Prof. Fred MacKintosh, Rice University, Texas, USA the elasticity [1]. stiffening behavior observed in experiments on re- In a biological context, the average connecti vity is al- constituted networks of collagen, a filamentous pro- most always below the isostati c threshold. Filamentous tein that provides mechanical rigidity to tissues. networks typically fall in two categories, those in which In order to gain a deeper theoreti cal understanding of network formation occurs via branching and those the mechanical criti cal behavior in such generic net- where crosslinking proteins connect two disti nct fi la- works, we developed a scaling theory. Using a real-space ments. We recently showed that sub-isostati c networks renormalization approach, we determined relations undergo a transiti on from fl oppy to rigid as a func- between the criti cal exponents governing the transiti on of shear strain [2]. This nonlinear transiti on was ti on, which we verifi ed using numerical simulati ons of

Fig. 2 Nonaffinity, , scales as |∆γ|(f − φ). Inset: Non-affine fluctuations are limited by the system size. For small or zero κ, the maximum of scales as W (φ − f )/ν , with ν = 1.3 ± 0.2. (b) Collapse of non- δΓ affinity onto a master curve for triangular and packing-derived networks. δΓ

Fig. 1 At zero strain athermal fi brous networks undergo a conti nuous transiti on from fl oppy to rigid at the isostati c threshold z = zc . This connecti vity threshold shift s to lower values for networks under shear strain γ. This threshold γc defi nes a line of conti nuous transiti ons. Inset [1] C. P. Broedersz, X. Mao, T. C. Lubensky, and F. C. MacKintosh: Nature Physics 2011, 7, 983. shows SEM images of reconsti tuted collagen networks with 3-fold and 4-fold connecti viti es. During the transiti on, there are divergent [2] A. Sharma, A. Licup, K. Jansen, R. Rens, M. Sheinman, G. Koenderink, and F. MacKintosh: Nature Physics 2016, 12, 584. non-affi ne strain fl uctuati ons at the criti cal strain (right panel). [3] J. L. Shivers, S. Arzash, A. Sharma, and F. C. MacKintosh: Physical review lett ers 2019, 122, 188003.

72 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 73 Strategisches Thema 4 Prozessgeführte Strukturbildung Das Strategische Thema Prozessgeführte Strukturbil- dung polymerer Materialien ist im Bereich der Um- polymerer Materialien setzung innovati ver werkstoffl icher Ideen in up-scale- Prof. Dr. Udo Wagenknecht Prof. Dr. Jens-Uwe Sommer fähige Technologien angesiedelt. Dazu sind in der ganzen Prozesskett e die Mechanismen der Struktur- bildung und die Struktur-Eigenschaft sbeziehungen zu Bei den Aufgabenstellungen im Bereich dieses stra- analysieren. Darauf basierend werden technische Pro- tegischen Themas spielen Fragen der Nachhalti gkeit zesse der Werkstoff erzeugung und der Formgebung des Einsatzes von Polymerwerkstoff en sowohl in Be- entwickelt in denen sich solche Strukturen bilden, die zug auf deren umweltverträgliche Herstellung als es ermöglichen, das Anwendungspotenti al der Werk- auch deren Einsatz eine zunehmende Rolle. Bei- stoff e im Bauteil bestmöglich auszuschöpfen. Beispiel- spiele dafür sind die Arbeiten „Nachhalti ges reakti - haft sei hier das ERC-Projekt 3DPartForm erwähnt, ves Blenden von Biopolymeren“, „New phosphonate welches die Neuentwicklung additi ver Ferti gungsme- compounds as eff ecti ve fl ame retardant additi ves for thoden für responsiv-adapti ve Multi materialien zum polyisocyanurate foams“ sowie „Green routes for Ziel hat. Die Weiterentwicklung technischer Prozesse preparati on of supercapacitors based on PANI and wie die Mikrostereolithographie soll das fächerüber- Graphite Derivati ves”. greifende Anwendungspotenti al mikrostrukturierter Polymermaterialien in Bereichen wie Biotechnologie Der Trend in vielen Industriebranchen geht weiter und Zellbiologie erschließen. in Richtung hochkomplexer Bauteile bei denen stoff - schlüssige Verbunde aus verschiedenen Werkstoff en Die Arbeiten fanden auch dieses Jahr entsprechende eine strategische Bedeutung haben. Die seit mehre- Anerkennung in der Fachwelt. So hat z. B. Dr. Beatriz ren Jahren erfolgreichen Arbeiten auf diesem Gebiet Basterra Beroiz den Promoti onspreis der Deutschen sind durch den Beitrag „Stoff schlüssige Kunststoff - Kautschuk-Gesellschaft für ihre Dissertati on zum The- Kunststoff -Verbunde mit faserverstärkten UP-Thermo- ma „Correlati on of Elastomer Structures and Stress- sets und TPU“ vertreten. Strain Amplifi cati on Mechanisms in Reinforced Rubber Nanocomposites“ erhalten (Betreuung Prof. Heinrich). Moderne Produkti onsmethoden erfordern immer schnellere Umstellung der Maschinen und Anlagen Im Jahre 2019 feierte die TECHNOMER, die größte of- auf geänderte Eigenschaft en der Ausgangsstoff e als fene Fachtagung der Kunststo� echnik in Deutschland, auch auf Produktanforderungen. Das ist nur durch ihr 50-jähriges Jubiläum. Seit fast zwanzig Jahren ist das gezielten Einsatz von Simulati onstechniken leistbar. IPF sehr akti ver Mitveranstalter (zusammen mit der TU Seit einiger Zeit werden Arbeiten dazu innerhalb des Chemnitz und dem KuZ Leipzig) dieser Tagung und hat strategischen Themas forciert und erste Ergebnisse wesentlichen Anteil daran, dass diese zu einem bedeu- im Beitrag „A step closer to integrati ve simulati on of tenden Forum für den Technologietransfer in die Indus- polymer processes“ dargestellt. Durch Entwicklung von trie entwickelt wurde. Die besonderen Anstrengungen theoreti schen Modellen für das molekulare Antwort- im IPF für den Technologietransfer wurden ebenfalls verhalten opti sch-sti mulierbarer Polymere gestatt en durch die Finalnominierung der Anti -Moskito-Texti lien Simulati onsmethoden auch die Vorhersage von deren für die Malariabekämpfung, einer Entwicklung des IPF Materialeigenschaft en, wie im Beitrag „Predicti ng me- gemeinsam mit der Universität Pretoria, im Erfi nder- chanical stress in fi eld-responsive polymers with an wett bewerb Genial sächsisch gewürdigt. evolving microscopic order“ gezeigt wird. 

74 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 75 Prozessgeführte Strukturbildung polymerer Materialien

Entwicklung von Flammschutzmitteln für PUR/PIR-Schäume Abb. 2 Beispielbild eines Schaumes (links), 200 μm Johannes Lenz, Doris Pospiech, Brigitte Voit REM-Aufnahme der Schaum-Poren (rechts).

In diesem Industrie-Kooperationsprojekt zwischen Erreichung von Ökozertifizierungen [3] geht der Trend Durch die Variation einzelner Formulierungsparameter Projektmittelgeber dem IPF und der Covestro Deutschland AG wurde die zu halogenfreien Flammschutzmitteln [2]. (NCO-Index, Treibmittel-, Phosphor- und Katalysator- Covestro Deutschland AG, Leverkusen, Deutschland Entwicklung von neuartigen phosphorhaltigen Addi- Aus diesem Grund beschäftigte sich dieses Projekt gehalt) konnte der Einfluss dieser Parameter auf die Eigen- tiven auf Basis von Phosphonaten für den Einsatz als mit der Synthese von phosphorhaltigen Additiven schaften der Schäume untersucht werden. Dies erlaubte, Kooperationspartner Flammschutzmittel in Polyisocyanurat-Dämmstoffen auf Basis des Phosphonats Dibenzo[d,f][1,3,2]dioxa- Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zu evaluieren [7,8]. . Dr. R.W. Albach, Dr. M. Paven, Dr. G. Langstein, (PUR/PIR) untersucht. In der Technik werden bislang phosphepin-6-oxid (BPPO). Durch eine Phospha- Es konnte gezeigt werden, dass die synthetisierten BPPO- Covestro Deutschland AG als Standard-Flammschutzmittel halogenhaltige Ver- Michael-Addition konnte eine Vielzahl von BPPO-Ver- Derivate als wirksame Flammschutzmittel in PIR-Schäu- . PD Dr. B. Schartel, Bundesanstalt für Material- bindungen wie Tris(2-chlorisopropyl)phosphat (TCPP) bindungen mit einer systematisch variierten chemi- men eingesetzt werden können. forschung und -prüfung (BAM), Berlin verwendet [1,2]. Aufgrund der Toxizität beim Verbren- schen Umgebung des Phosphoratoms synthetisiert Fast alle hergestellten Additive konnten die Werte des nen, möglicher staatlicher Regulierungen sowie zur werden (Abb. 1). halogenfreien Benchmark-Schaumes erreichen oder sogar unterbieten. Phosphonat-basierte Flammschutz- additive sind folglich interessante halogenfreie Verbin- [1] S. Kemmlein, D. Herzke, R.J. Law: Brominated flame retardants in the European chemicals policy of REACH-Regulation and dungen, um die Brandeigenschaften von PUR/PIR- determination in materials, J. Chromatogr. A 2009, 1216(3), Schäumen zu verbessern und zeigen eine bessere 320–33, DOI. 10.1016/j.chroma.2008.05.085. Performance als das phosphatbasierte TPP.  [2] ED. Weil, S.V. Levchik: Commercial flame retardancy of polyurethanes, J. Fire Sci. 2004, 22(3), 183–210, DOI. 10.1177/0734904104040259. [3] ÜGPU-Qualitätsgemeinschaft Polyurethan-Hartschaum. Zertifizierung pure life, ÜGPU-Qualitätsgemeinschaft 2015. [4] K.A. Salmeia, S. Gaan: An overview of some recent advances in DOPO-derivatives: Chemistry and flame retardant applications, Polym. Degrad. Stab. 2015, 113, 119–34, DOI. 10.1016/ j.polymdegradstab.2014.12.014. [5] J. Lenz, D. Pospiech, H. Komber, M. Paven, R. Albach, S. Mentizi, Abb. 1 Synthese von BPPO und seine Michael-Addition an Doppelbindungen. G. Langstein, B. Voit: Synthesis of the H-phosphonate dibenzo[d,f] [1,3,2]dioxaphosphepine 6-oxide and the phospha-Michael addition to unsaturated compounds, Tetrahedron 2019, 75(9), 1306–10, DOI. 10.1016/j.tet.2019.01.045. [6] J. Lenz, D. Pospiech, M. Paven, R.W. Albach, M. Günther, B. Schartel, Die so erhaltenen Verbindungen wurden als Additive (als halogenfreie Alternative zu TCPP) und Flamm- B. Voit: Improving the Flame Retardance of Polyisocyanurate Foams by Dibenzo[d,f][1,3,2]dioxaphosphepine 6-Oxide-Con- in PIR-Schäumen angewendet und die Auswirkungen auf schutzadditiven aus der Literatur (basierend auf taining Additives, Polymers (Basel), 2019, 11(8), 1242, DOI. die Eigenschaften der Schäume (Dichte, Porengröße, Offen- 9,10-dihydro-9-oxy-10-phosphaphenanthren-10-oxid, 10.3390/polym11081242. porigkeit) untersucht. Im Anschluss erfolgte der Vergleich DOPO) [3,4]. Die Synthese sowie die Ergebnisse zu den [7] J. Lenz, D. Pospiech, M. Paven, R.W. Albach, B. Voit: Influence of Abb. 3 Einfluss des Phosphor-Gehalts von PIR-Schäumen mit the catalyst on the physicaI properties and the fire behavior of rigid der Ergebnisse mit Schäumen, die Benchmark-Flamm- Branduntersuchungen konnten erfolgreich veröffent- BPPO-basierten Additiven auf die im Cone-Kalorimeter polyisocyanurate foams, Polym. Degrad. Stab., eingereicht, 12/2019. schutzmittel enthielten wie Triphenylphosphat TPP licht werden [5,6]. bestimmte maximale Wärmefreisetzungsrate (PHRR). [8] J. Lenz. Doktorarbeit, eingereicht an der TU Dresden, 2020.

76 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 77 Prozessgeführte Strukturbildung polymerer Materialien

Green routes for preparation of supercapacitors based on PANI and graphite derivatives

Xueyan Zhao, Olga Grätz, Jürgen Pionteck

Fig. 2 Scheme of interactions between PANI and rGO-TA [5].

Supercapacitors (SCs) are promising environment- suitable EDLC material for PANI composites because Tannic acid, a hydrolysable natural polyphenol with The stabilizing effect of TA is also observed when GNP friendly energy storage and supplier, which meet the of its high surface area, stabilizing effect on PANI, and soft acidity, is another environmental friendly reducing is used as support for PANI. The treatment of GNP with demand of modern portable devices and electric ve- sufficient conductivity for supporting the electron agent for GO [6]. Like PDA, TA stabilizes dispersions of TA increases the conductivity and specific surface area hicles. The most crucial part of a SC is the electrode. transport. Chemical reduction of graphite oxide (GO) rGO. In PANI/(rGO-TA) composites electrostatic interac- of PANI/GNP and thus the specific capacitance, which is Based on the electrode material and the correspond- is one of the facile and cost-effective methods for the tions between the abundant phenolic hydroxyl groups even higher than that of PANI/(rGO-TA-24h) (Fig. 3b) [5]. ing energy storage mechanism, SCs can be divided production of rGO. However, most of the reducers, present in TA with the amine groups of PANI enhance PANI/(GNP-TA) has a high specific capacitance of 351.2 into electrical double-layer capacitors (EDLCs) and such as hydrazine hydrate (HH) and sodium borohy- the interaction between rGO and PANI, thus stabilizing F g -1 (at 10 mV s-1), and a two-electrode solid-state SC pseudocapacitors [1,2]. EDLCs usually use carbon ma- dride, are toxic and hazardous. the electrode material (Fig. 2). The specific capacitance device made of this material exhibits a promising energy terials with high specific surface area (e.g. reduced Here, we used the “green” reductants dopamine and of PANI/(rGO-TA) increases with increasing reduction density of 2.3 Wh kg-1 at 0.5 A g-1, which is comparable to graphite oxide, rGO, or graphite nanoplates, GNP) as tannic acid (TA) for the preparation of rGO. During the time from 2 h (PANI/(rGO-TA-2h)) to 24 h (PANI/(rGO- commercially available SCs.  electrode. Polyaniline (PANI) is a promising intrinsic self-polymerization of dopamine in weak alkali solution TA-24h)) and is higher than that of PANI/rGO compos- conducting polymer to be used as pseudocapacitor present GO becomes reduced and the formed polydopa- ites reduced with HH (PANI/(rGO-HH), Fig. 3a) [7]. When electrode material because of its facile synthesis, low mine (PDA) acts as stabilizer for the rGO and hampers its excess TA is extracted with ethanol (PANI/(rGO-TA-24h- Sponsor cost, unique multiple redox states, and high specif- agglomeration (Fig. 1). This material can then be coated EOH)), some loss in the specific capacitance is observed. China Scholarship Council (grant 201506240099) ic capacitance [3]. However, pure PANI SC electrodes with PANI by in situ polymerization of aniline, producing

are not stable under high scan rates or after long- a stable electrode material with a specific capacitance a) b) 280 PANI/(rGO-TA-2h) term cycling. Compounding of PANI with GNP is an ef- of up to 230 F g -1 (scan rate 20 mV s-1) [5] which is ac- 260 350 PANI/(rGO-TA-12h) PANI/(rGO-TA-24h) 240 ) ) PANI/(GNP-TA) -1 fective way to solve this problem [4]. rGO is another ceptable for practical applications. -1 220 PANI/(rGO-TA-24h) 300

g PANI/GNP g 200 PANI/(rGO-TA-24h-EOH) (F (F 180 PANI/(rGO-HH) 250

160 nce nce

140 ta (a) ta 120 200 100 capaci capaci 80 150 c c 60 iﬁ iﬁ 40 100 20 Spec 0 Spec 020406080100 020406080 100 -1 Scan rate (mV s ) Scan rate (mV s-1)

Fig. 3 Specific capacitance of differently prepared PANI/rGO [7] and PANI/GNP composites in dependence on scan rate [5].

(b) [1] A. González, E. Goikolea, J.A. Barrena, R. Mysyk: Renew Sustain Energy Rev 58 (2016) 1189–1206. [2] P.K. Adusei, Y.-Y. Hsieh, S. Kanakaraj, Y. Fang, K. Johnson, N.T. Alvarez, V. Shanov: In: T. Sato (ed) Science, technology and advanced application of supercapacitors. IntechOpen, London (2018) 1–16. [3] Q. Meng, K. Cai, Y. Chen, L. Chen: Nano Energy 36 (2017) 268–285. [4] X. Zhao, O. Grätz, J. Pionteck: Polym. Int. 67 (2018) 1429–1437. [5] X. Zhao: Modification of the electrochemical properties of graphite-based polyaniline composite. for supercapacitor application, Dissertation, Technische Universität Dresden, 2019. [6] K. Liu, H. Li, Y. Wang, X. Gou, Y. Duan: Colloid Surface A 477 (2015) 35–41. Fig. 1 Scheme of (a) the synthesis of PDA-functionalized GO (GO-PDA); (b) stabilizing interaction between GO-PDA and PANI [5]. [7] X. Zhao, M. Gnanaseelan, D. Jehnichen, F. Simon, J. Pionteck: Journal of Materials Science 54 (2019) 10809–10824.

78 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 79 Prozessgeführte Strukturbildung polymerer Materialien

A step closer to integrative Injecti on molding is an important industrial process for the mass producti on of plasti c parts, parti cularly those simulation of polymer processes made using thermoplasti cs. It is well known that in injecti on molding the material properti es and the pro- Reinhard Fechter, Leijie Liang, Matthieu Fischer, Ines Kühnert cess parameters have a signifi cant, complex and inex- tricably linked eff ect on the properti es of the fi nal part. Due to this, and the machine and mold costs involved, simulati on has been and sti ll is crucial for the success-

ful design and opti mizati on of the injecti on molding Fig. 3 Mixing index in an injecti on molding machine non-return valve. machines and molds. One of the main applicati ons of simulati on in injecti on molding is for mold fi lling. A large amount of research orientati on and the implementati on of crystallizati on ki- has been done on the simulati on of this parti cular pro- neti cs. Another example of a part of the process which cess step and a number of soft ware packages dedicated has been analyzed using simulati on is the plasti ciza- to this are available commercially. The shaping process- ti on of the polymer in the screw. A part of the injecti on es and simulati on group is also very acti ve in this fi eld, molding machine which has not been simulated in liter- doing research on, for example, linking the morpholo- ature is the non-return valve. (Fig. 1) gy development in injecti on molded parts to process Most injecti on molding screws include some type of sett ngs and analyzing micro injecti on molding (see arti - non-return valve. The fi rst functi on of the non-return cle on page 78). Current investi gati ons are for instance valve is to ensure that during the injecti on phase a back- dealing with the improvement of the predicti on of fi ber fl ow of polymer melt is prevented. The second functi on is to allow the fl ow of polymer to pass the rotati ng valve IPF, Sven© IPF, Döring to the front of the screw when it retracts to prepare the next shot for injecti on. To bridge this gap in the process history of the polymer before it becomes the part, the non-isothermal fl ow of a thermoplasti c polymer melt through the non-return valve of an injecti on molding machine was simulated using the Finite Element Meth- od. Using the simulati on the pressure at the entrance Shrinkage Termal mold Non-return valve to the non-return valve, which corresponds to the max- and warpage analysis imum pressure in the screw, can be calculated. In addi-

Fig. 1 Injecti on molding equipment and related simulati on tasks. ti on to this the velocity fi eld (Fig. 2), shear rates, dissipa- ti ve heati ng and other results such as the mixing index Simulati on is a very useful tool in the understanding, de- done in the shaping processes and simulati on group can be generated. The mixing index in parti cular shows velopment and opti mizati on of polymer processes. Due towards integrati ve simulati on of a selected process, that diff erent zones of good and bad mixing are present to the complexity of the systems and materials involved, namely injecti on molding, is described. The arti cle will in the non-return valve (Fig. 3) which could have an in- individual process steps are typically simulated in iso- primarily focus on work done on the simulati on of fl ow fl uence on the homogeneity of the shot and the part. lati on. However, to achieve an increase in the accuracy through an injecti on molding machine non-return valve. This has to be investi gated further; however another im- and usefulness of the simulati on, integrati ve simulati on Other aspects of the work done in the group towards portant step towards an integrati ve simulati on of the in- of the systems as a whole is required. The fi rst steps to- integrati ve simulati on are also touched on, including re- jecti on molding process has been achieved.  wards achieving this objecti ve are to understand the as- search on the simulati on of mixing in polymer processes. sumpti ons, limits and remaining challenges of the simu- Mixing is an essenti al sub-process that is prevalent to [1] R. Fechter, L. Liang, M. Fischer, I. Kuehnert: SPE ANTEC Veloci� es (mm/s) Conference Proceedings, Detroit, Michigan, USA (2019). lati on of individual process steps and then to link them many polymer processes and should therefore be taken [2] M. Fischer, P. Pöhlmann, I. Kuehnert: to each other. In this arti cle some examples of the work into account as is done here for the non-return valve. Fig. 2 Velocity fi eld in an injecti on molding machine non-return valve. Polymer Testi ng 80 (2019), 106078.

80 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 81 Prozessgeführte Strukturbildung polymerer Materialien

Melt-spun polypropylene filaments containing paraffin microcapsules for thermoregulating thermoplastic composites

Giulia Fredi, Harald Brünig, Roland Vogel, Christina Scheffler

storage (TES). Benchmark experiments were carried out on a small-scale melt compounder and piston-type melt spinning device and resulted in the successful production of single filaments containing up to 30 wt% of MC, with diameters of 70–140 μm depending on the collec- tion speed and a surface roughness that increases with the MC content (Fig. 1+2). An increase in the MC fraction also determines a rise in the complex viscosity, but this effect is less evident at higher shear rates and likely almost negligible at the deformation rates typical of the spinning process. Although the MC have a considerable thermal stability, the compounded mixtures reported a sensible mass loss in isothermal thermogravimetric analysis Fig. 1 Optical microscope images of the lateral surfaces of a) as-spun PP-filaments (b) PP-filament containing 10 wt% paraffin microcapsules. Fig. 2 Optical microscope images of the polished cross section of PP-filaments containing 20 wt% paraffin microcapsules. (TGA) tests, which is linked to a not negligible MC damage during the compounding. Nevertheless, differential scan- The increasing demand for materials with high specific organic phase change materials (PCMs) in the matrix fil- Paraffins exhibit a high energy density and their phase ning calorimetry (DSC) on the spun filaments evidenced stiffness and strength and for structures with lightweight aments, which gives the interesting feature of thermal change temperature can be easily tuned by choosing an increase in the phase change enthalpy with the MC complex geometries has considerably expanded the use energy storage (TES) ability to the composite. TES is de- the appropriate molecular weight; they are inexpensive, content. The elastic modulus and the properties at break of thermoplastic polymer-matrix fiber-reinforced com- fined as the capacity of temporarily storing heat that can largely available, not toxic and easy to handle. On the oth- decrease with an increase in the MC content, but the fi- posites as structural materials. They are processed in the be released where and when needed, thereby filling the er hand, they need to be confined to avoid leakage above ber strength is acceptable to produce a hybrid yarn and a molten state, therefore the high viscosity of the polymer thermal energy demand-supply gap. TES technologies are the melting temperature, which is commonly achieved thermoplastic laminate up to a MC fraction of 20 wt%.  melt may cause a de-alignment of reinforcing fibers and nowadays applied to accumulate excess heat in the solar- via encapsulation in micro/nano-shells, as this is not only an inadequate penetration in the fiber tow, which could thermal power plants, to help regulating the indoor tem- a reliable method for confinement, but it is also one of Sponsor in turn lead to the production of laminates showing un- perature in buildings, or as a temperature management the most convenient PCM forms to handle and disperse Giulia Fredi (University of Trento, Italy) was awarded by a acceptably low consolidation quality. The production of tool for electronic components. The most widely used in polymers, concrete, and other matrices. This work was DAAD Research Grant – Short-Term Grant, 2018 commingled hybrid yarns enables the combination of re- TES technique in the temperature range 0–100 °C is to focused on the development of polypropylene (PP) fila- (57381332) to spend a research period of 6 month inforcement and matrix filaments and helps to overcome exploit the latent thermal energy stored and released ments containing paraffin microcapsules (MC), aimed (09/2018–03/2019) at IPF

those difficulties. The use of hybrid yarns also allows the by PCMs such as paraffin waxes, which undergo a solid- at being incorporated in hybrid yarns to produce multi- [1] G. Fredi, H. Brünig, R. Vogel, C. Scheffler: homogeneous dispersion of functional fillers such as liquid phase transition in a narrow temperature range. functional thermoplastic laminates for thermal energy eXPRESS Polymer Letters 13 (2019) 1071–1087.

82 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 83 Prozessgeführte Strukturbildung polymerer Materialien

Mikrospritzgießen – Einblicke in die Prozess-Struktur- Eigenschaftsbeziehungen

Matthieu Fischer, Ines Kühnert IPF, Sven© IPF, Döring IPF, Jürgen© IPF, Lösel

Abb. 2 Simulati onsgestützte Vorhersage der Randschicht-Kern-Morphologie von Polyoxymethylen bei verschiedenen Prozessbedingungen [3]

ermöglichen das Plastifizieren ohne Friktionswärme. von Probekörpern große Unterschiede in den Prozess- So kann der Kunststoff rein kondukti v aufgeschmolzen bedingungen, den lokalen Belastungen auf die Schmelze werden. Das ermöglicht auch die Verarbeitung scher- und zum Beispiel den auft retenden Kühlraten. Daraus empfi ndlicher Materialien im Mikrospritzgießen. ergeben sich Gradienten in den entstehenden Struktu- Abb. 1 Desma 2K-Mikrospritzgießmaschine (links) und Zugversuch im Lichtmikroskop (rechts) Zur Au� lärung von Fragen hinsichtlich der Skalierbar- ren, welche sich auch auf die Eigenschaft en der Probe- keit während der Werkstoff entwicklung werden am körper und Bauteile auswirken. An Polyoxymethylen Mikrospritzgießen bietet sehr viel Potenti al mit gerin- aus der Polymer-Synthese vorhanden, neuarti ge Füll- IPF neu entwickelte Prü� örper, mechanische Prüf- konnten exemplarisch die Auswirkungen der Prozess- gem Materialaufwand, technisch anspruchsvolle Bau- stoff e können nur im Labormaßstab hergestellt werden vorrichtungen und mit einem Mikroskop gekoppelte bedingungen auf die Orienti erung und Kristallisati on teile für z. B. elektronische oder medizinische Anwen- oder sind schlicht sehr teuer. In Arbeiten der Gruppe Untersuchungen genutzt. Hier ist besonders die IPF an Zugproben und Bindenähten gezeigt werden [2]. dungen zu ferti gen. Die Herausforderungen liegen nach Formgebungsprozesse und Simulati on konnten erst- Forschungstechnik gefragt, die einen Zugti sch für Un- Aktuelle Untersuchungen nutzen stati sti sche Versuchs- wie vor in der Bewertung des Werkstoff verhaltens mals Compounds in verschiedenen Rezepturen mit tersuchungen im Lichtmikroskop beisteuerte (Abb. 1, pläne und Prozesssimulati onen, um die Prozesse bes- während der Formgebung und den Wechselwirkungen Batch-Mengen von unter 30 g verarbeitet und auf rechts). Speziell für die Skalierung von Werkstoff - ser zu verstehen und die Werkstoff entwicklung weiter zwischen Prozessführung, innerer Struktur und den da- ihre mechanischen Eigenschaft en und die Alterungs- systemen zeigen die unterschiedlichen Dimensionen zu opti mieren (Abb. 2).  raus resulti erenden Eigenschaft en. Hinzu kommt, dass beständigkeit untersucht werden [1]. Zusätzlich kön- eine direkte skalenübergreifende Übertragung der nen Bindenähte und Zwei-Komponenten-Probekörper

Kennwerte von Standardprobekörpern noch nicht ge- in mikrospritzgegossenen Proben mit entsprechender [1] Y. Chen, M. Fischer, C. Chen, I. Kühnert: Study on thermal characteristi cs and mechanical properti es of geben und keine adäquate Normung für Kleinstprobe- Prüfmethodik betrachtet werden. Das Plasti fi ziersystem poly(lacti c acid)/paraffi n wax blends. ANTEC Conference Proceedings, Detroit, Michigan, USA (2019). körper vorhanden ist. Dennoch ist das Einsatzpotenti al der am IPF vorhandenen Mikrospritzgießanlage (Abb. 1, [2] M. Fischer, P. Pöhlmann, I. Kühnert: Morphology and mechanical properti es of micro injecti on molded polyoxymethylene tensile rods. Polymer Testi ng 80 (2019), 106078. für die Werkstoff entwicklung von großer Bedeutung. links) beruht auf einer Kolbenvorplasti fi zierung und [3] G. Jütt ner, T. Nguyen, I. Kühnert: Simulati on en miniature: Mikrospritzgieß-Füllsimulati on mit angepassten Speziell am IPF sind oft nur kleinste Mengen Material einer Kolbeneinspritzung. Die sehr geringen Volumina Materialdaten in die Praxis umgesetzt. Kunststoff e 11/2019, S.42–43, Carl-Hanser-Verlag, München.

84 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 85 Prozessgeführte Strukturbildung polymerer Materialien

Einfluss einer thermischen Nachbehandlung auf die Permeations- eigenschaften von Polyurethan

Alejandro Puentes-Parodi, Leandro A. Santoro, Ignatius Ferreira, Andreas Leuteritz, Ines Kühnert

Die Bedeutung der Diffusions- oder Permeationseigen- Permeationseigenschaften von TPU und wie sie durch die Getemperte, spritzgegossene Streifen zeigten in allen kalorimetrie, Zugversuche sowie Fourier-Transform- schaften von Thermoplasten hat erheblich zugenommen, Mikroviskosität des TPU erklärt werden kann, die durch die Fällen eine erhöhte Gleichgewichtslage der Wasser- Infrarotspektroskopie deuteten darauf hin, dass die da sie zu den wichtigsten bestimmenden Eigenschaften für Theorie des freien Volumens [4] beschrieben wird. aufnahme sowie eine leicht schnellere Wasseraufnahme erhöhte Permeabilität des getemperten TPU auf ei- die Anwendung von kommerziellen Membranen gewor- Um einen Einblick in die Wechselwirkungen zwischen den im Vergleich zu frischen Proben (Abbildung 1). Ebenso nen Relaxationsprozess zurückzuführen ist. Während den sind [1]. Zu den Thermoplasten, die typischerweise TPU-Permeationseigenschaften und einer Temperbehand- zeigten die getemperten extrudierten Folien auch deut- dieses Prozesses ordnen sich die harten und die wei- als kommerzielle Membranen verwendet werden, gehö- lung zu erhalten, wurden spritzgegossene TPU-Streifen und lich höhere Permeationsraten und entsprechende Diffu- chen Segmente des TPU neu, was zu einer Erhöhung des ren Polyamide, Polysiloxane, Polypropylen und Polyethy- extrudierte TPU-Folien hergestellt und bei 100 °C für 20 sionskoeffizienten(Abbildung 2). Weitere indirekte Cha- freien Volumens innerhalb der makromolekularen Archi- len [2]. Dennoch sind thermoplastische Elastomere wie Stunden getempert. Anschließend wurden die spritzgegos- rakterisierungsmethoden wie die Dynamische Differenz- tektur des TPU führt.  thermoplastisches Polyurethan (TPU) in einigen Membran- senen TPU-Streifen verwendet, um den Einfluss des Tem- anwendungen eine gute Alternative, da sie mechanische perns auf die Wasserabsorptionseigenschaften des TPU zu [1] S.C. George, S. Thomas: Transport phenomena through polymeric systems. Progress in Polymer Science, 2001. 26(6): p. 985–1017. Eigenschaften und Verarbeitungsbedingungen aufweisen, bewerten. Hierzu wurden die TPU-Streifen einer Reihe von [2] M. Ulbricht: Advanced functional polymer membranes. Polymer, 2006. 47(7): p. 2217–2262. die für die gewünschte Anwendung besser geeignet sind [3]. hygrothermischen Alterungsbedingungen ausgesetzt. Die [3] S. Ray and S.K. Ray, Separation of organic mixtures by pervaporation using crosslinked and filled rubber membranes. Journal of Membrane Science, 2006. 285(1): p. 108–119. Jedoch gibt es wenig Literatur über den Einfluss der Nach- extrudierten TPU-Folien wurden verwendet, um die Per- [4] A. Puentes-Parodi, et al.: Effect of a thermal treatment on thermoplastic polyurethane – metal hybrids.

behandlung (d. h. des Temperns) auf die Diffusions- und meabilität von O2 , N2 und CO2 durch TPU zu bestimmen. Journal of Composite Materials, 2018. 52(26): p. 3669–3680.

Abb. 1 Zeitabhängigkeit der Wasseraufnahme bei 40 °C, 60 °C und 85 °C in frischen und getemperten spritzgegossenen TPU-Streifen. Abb. 2 Gasdurchlässigkeit verschiedener Gase durch die TPU-Folie bei 20 °C und 40 °C.

86 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 87 Prozessgeführte Strukturbildung polymerer Materialien

Stoffschlüssige Kunststoff‐Kunststoff‐ Entscheidend für die Verbundfestigkeit von 3-Schicht- Die Verbundfestigkeit für die Kombination: SMC-Pulver- verbunden aus SMC-Pulverlackfilm-TPU war die Haft- lackfilm-TPU wurde über Schälversuche (DIN EN ISO 1464 Verbunde mit faserverstärkten festigkeit des Lackmateriales auf der Oberfläche der und VDI-Richtlinie 2019) ermittelt. Ein Screening hat ge- industriell hergestellten SMC-Struktur. Zu deren Ver- zeigt, dass die effiziente neue Prozesskette (Abb. 1) in Ab- UP‐Duromeren und TPU besserung war in der Vergangenheit eine effiziente hängigkeit von den Elektronenvorbehandlungsparametern Inline-Technologie zur Lackiervorbehandlung von SMC zu mittleren Schälkräften zwischen 150–200 N nach dem entwickelt worden. Über robotergestützte, konturge- Montagespritzgießen führt. Eine anschließende Temperung Michaela Gedan‐Smolka, Michael Thomas Müller, Ines Kühnert, naue Oberflächenbehandlung der Bauteile mit nie- führt zu einem weiteren Anstieg auf Werte > 250 N (Refe- Matthieu Fischer, Carsten Zschech, Marcel Tuschla deren ergetischen Elektronen wird parallel eine Bar- renzwert Stahl-PL-TPU-Verbund ~ 300 N, Abb. 2). Der Ver- riereschicht vor Ausgasungen aus der Bulk-Phase und sagensmechanismus basiert bei den Vorzugsvarianten auf eine Oberflächenhydrophilierung durch Bildung reak- einem adhäsiven Mischversagen von > 95 % an der Grenz- tiver Gruppen an der Oberfläche (z. B. Hydroxyl-, Car- fläche TPU-Pulverlackfilm. Nach der Temperung steigt der boxyl- and Hydroperoxid-Gruppen) realisiert, die eine Anteil an Pulverlack-SMC-Versagen auf ca. 10–20 %. Da- stoffschlüssige Verbundbildung an der Grenzfläche gegen werden bei direktem Anspritzen des TPU auf die mit dem Lackmaterial ermöglichen. Es wurde nachge- SMC-Oberfläche nur niedrige Schälkräfte von ca. 15 N (55 N wiesen, dass eine Adaption dieses Vorbehandlungs- nach Temperung) erreicht, was auf eine weitgehend ad- prozesses Voraussetzung für hohe Verbundfestig- häsive Verbundbildung ohne Ausbildung kovalenter keiten bei Duromer-Thermoplast-Hybridmaterialien ist. Bindungen zurückzuführen sein sollte. 

Abb. 1 Effiziente Prozesskette zur Herstellung von stoffschlüssigen FVK-TPU-Hybridstrukturen.

Neben verbesserten Batteriesystemen zur Ausweitung wurden am IPF auf Grundlage einer speziellen Katalyse

der Batteriereichweite erfordert die breite Durchset- hochflexible, niedrigtemperaturvernetzende (Tcuring ≤ 150°C) zung der E-Mobilität im Automobil- und Transportwesen Pulverlackgrundrezepturen mit integrierter latenter eine weitere Gewichtsreduktion der Fahrzeugstrukturen. Reaktivklebefunktion für stoffschlüssige Metall-Kunst- Diese wird u. a. durch umfangreichen Einsatz von faserver- stoff-Verbunde entwickelt. Die Reaktion vom Polyallo- stärkten Kunststoffen (z. B. Sheet Molding Composites- phanat- zum Polyurethannetzwerk wird mittels des effi- SMC, überwiegend auf Basis von ungesättigten Polyester- zienten Spritzgießprozesses zur kovalenten und damit harzen-UP und Glas-/C-Fasern), Thermoplasten (z. B. stoffschlüssigen Anbindung eines TPU auf vorbeschich- Thermoplastisches Polyurethan-TPU) und anderen kunst- tetem Coil-Material genutzt. Das TPU kann dabei sowohl

stoffbasierenden Materialien erreicht. Aus diesem Grund als elastischer Verbundpartner als auch als Spannungs- Abb. 2 Vergleich der Schälkräfte für SMC-PL-TPU-Hybride in Abhängigkeit von der Elektronen-Vorbehandlung (links) wird der Trend zum Multimaterial-Design künftig weiter kompensationsschicht für die Applikation von steifen und Versagensverhalten (150 keV/160 kGy) nach Spritzgießen (rechts). ausgebaut werden. Die meisten Karosserieanbauteile Thermoplasten über Mehrkomponenten-Montagespritz- werden vor der Montage oder, idealer Weise, zusammen gießen agieren. mit der Karosserie in der Lackieranlage beschichtet. Ziel der aktuellen, grundlegenden Arbeiten war der Nach-

Aktuell werden stoffschlüssige Verbunde von Kunst- weis, dass die Nutzung der speziellen Pulverlacke zur Ge- [1] M. Gedan-Smolka et. al.: Proceedings of EURADH 2016, Glasgow, GB, 21.–23.09.2016, S. 228–231. stoff-Kunststoff-Kombinationen über reaktive Klebepro- nerierung von Metall-Kunststoff-Hybriden auf die Ver- [2] I. Kühnert et. al.: Technologies for Lightweight Structures 1 (2017) 2. - S. 89–97. zesse erreicht, bedingen aber zusätzliche kosteninten- bundbildung von FVK (Faserverstärkten Kunststoffen)- [3] D. Lehmann et. al., EP 2310455. [4] M. Gedan-Smolka et. al.: JP 5 693473, EP 2401323, IN 292902, US 10, 113, 042. sive Vorbehandlungs- und Prozessschritte und führen Thermoplast-Verbunden adaptiert werden kann und [5] A. Puentes-Parodi et. al.: J. of composite materials 2018, Online Version. zu zusätzlichen Phasengrenzen. In der Vergangenheit stoffschlüssige Hybride erreichbar sind. [6] M. T. Müller et. al., Radiation Physics and Chemistry, (2019), submitted.

88 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 89 Prozessgeführte Strukturbildung polymerer Materialien

Nachhaltiges reaktives Blenden von Biopolymeren

Ying Huang, Michael Thomas Müller, Carsten Zschech, Uwe Gohs, Sven Wießner

Polymere bieten ein hohes Entwicklungspotenzial für scanner Dresden e. V. (IPF) entwickelten Verfahrens der elek- Phasendurchmesser von unter 2 µm aufweist (Abbil- Hochleistungswerkstoff e mit spezifi schen und häufi g of electron troneninduzierten reakti ven Au� ereitung (EIRA) her- dung 2). Des Weiteren beeinfl ussen die durch den EIRA- accelerator komplexen Eigenschaft sprofi len. Dabei ist nicht die gestellte Blends aus PLA und Polycaprolacton (PCL) Prozess induzierten Nukleierungszentren die Kristalli- Synthese neuer Polymere der Königsweg, sondern die oder Naturkautschuk (NR) [1-3] erfüllen diese Anforde- sati onskineti k der Materialien, was zu einer 15 K ti efe- Modifi zierung preiswerter und technologisch erprob- rungen. Dabei werden energiereiche Elektronen wäh- ren Kaltkristallisati onstemperatur führt. Diese Polymer- ter Polymere. Bei der Verarbeitung thermoplasti scher rend der Schmelzeau� ereitung in die Polymerschmel- blends sind für den Einsatz als Scaff olds in den Bereichen Polymere ist aktuell ein starker Trend hin zur Verwen- beam exit ze eingekoppelt (Abbildung 1). Der wesentliche Vorteil Life-Science und Biotechnologie besonders geeignet.  window dung nachhalti ger Materialien zu beobachten. Hierbei ONOONNOONNO gegenüber der konventi onellen reakti ven Au� erei- OONNOONNO NNO air gap spielen Biopolymere (biobasierte und/oder biologisch NNNNNN OOOOOOO tung liegt in der räumlich und zeitlich präzisen Initi ie- abbaubare Polymere) wie Polylacti de (PLA von engl. e-OOe--NNeee- e--O rung der chemischen Reakti on über die Prozesspara- OON N polylacti c acid) eine besonders wichti ge Rolle, mit de- e- O e- N e- O e- meter Elektronenenergie und Elektronenstrom. Dieses - - - internal ren Einsatz vor allem im Bereich der Verpackungen auf e N e O e mixer mit dem Innovati onspreis des IPF ausgezeichnete Ver- e-Oe- die Ablösung von petrochemisch basierten thermo- fahren ermöglicht die Modifi zierung von Biopolyme- plasti schen Kunststoff en abgezielt wird. PLA auf der ren ohne den Einsatz chemischer Additi ve, sodass mit Basis von Milchsäure ist dabei unter den Biokunststof- modiﬁed diesem Verfahren modifi zierte Biopolymere „Biopoly- fen einer der am besten erforschten Werkstoff e. Ins- material mere bleiben“. In der laufenden Promoti onsarbeit von besondere die Eigenschaft en Biokompati bilität und Frau Huang (China Scholarship Council; Ph.D. Program, Bioabbaubarkeit sind höchst att rakti v für eine nachhal- Nr. 201706880007), konnte durch den EIRA - Prozess

ti ge Kreislaufwirtschaft . Darüber hinaus weist PLA eine Abb. 1 Experimenteller Au� au der Elektronen induzierten reakti ven eine verbesserte Blendphasenwechselwirkung erzielt

ausgezeichnete CO2-Bilanz auf, da durch das Wachs- Au� ereitung (EIRA) werden, was in einer bis zu 200 % gesteigerten Schlag-

tum der pfl anzlichen Ausgangsstoff e 2CO aus der Atmo- zähigkeit des Polymerblends gegenüber dem konven- sphäre gebunden wird. Trotz des steti gen Anwachsens ca. 380 Mio t) nach wie vor ein Nischendasein. Grund ti onellen unreakti ven Prozess resulti erte, wobei die Abb. 2 REM-Aufnahmen zur Ermitt lung der Phasendurchmesser- der Produkti onskapazitäten (2020 werden für PLA ca. dafür sind u. a. deren mechanisches Eigenschaft sniveau sich ergebende Blendmorphoplogie einen mittleren verteilung der Polymerblendsysteme PLA/PCL und PLA/NR 0,8 Mio t erwartet) und der „relati v einfachen“ Verar- (z. B. geringe Zähigkeit, kleiner linear elasti scher Be- beitungstechnologie führen Produkte aus PLA im Ver- reich) und die noch zu verbessernde Kenntnis und Be- [1] Y. Huang, U. Gohs, M. Müller, C. Zschech, S. Wießner: Polymers 11 (2019) 1279. gleich zu denen aus petrochemisch basierten thermo- herrschung der Struktur-Eigenschaft s-Beziehungen. [2] Y. Huang, U. Gohs, M. Müller, C. Zschech, S. Wießner: Radiati on Physics and Chemistry 159 (2019) 166–173. plasti schen Kunststoff en (Produkti onskapazität 2017 Mit Hilfe des am Leibniz-Insti tut für Polymerforschung [3] Y. Huang, U. Gohs, M. Müller, C. Zschech, S. Wießner: Journal of Applied Polymer Science (2019) 47866.

90 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 91 Prozessgeführte Strukturbildung polymerer Materialien

Predicting mechanical stress in fi eld-responsive polymers with an evolving microscopic order Jan Domurath, Bharti Yadav, Marina Saphiannikova

Many fi eld-responsive polymers represent at least a Prominent examples are polymer melts reinforced with Fortunately, at least for dilute suspensions, it is possi- The mechanical stress induced by homogeneous irradi- two-component system, in which one component is a nano- and microfi bers and photodeformable polymers ble to extract all three coeffi cients A, B and C of the TIF ati on in photodeformable polymers can bedescribed by polymer matrix and the other component consists of containing rod-like azobenzenes. Initi ally, in the absence equati on from a well-defi ned set of parti cle orientati ons an expression similar to the TIF equati on [4]. In the ab- functi onal inclusions. These can be embedded into the of the fi eld, both components are isotropic. Applicati on and applied fl ows. The numerical simulati ons are verifi ed sence of light, the sample of amorphous polymer with matrix like parti cles or att ached to it covalently like low of a mechanical fi eld to reinforced melts induces orien- with the analyti cal results in the Newtonian regime [3], initi ally isotropic orientati on of backbone segments and molecular weight molecules. The properti es of fi eld-re- tati on of fi bers along a preferable directi on. The micro- see Fig. 1b. Importantly, it was found that the coeffi cients azobenzenes is stress free. When the light is switched sponsive polymers depend crucially on their compo- scopic order becomes transversely isotropic and is well decrease dramati cally with the increase of matrix non- on, the azobenzenes orient perpendicular to the lightpo- siti on (volume fracti on of parti cles φ or functi onaliza- characterized by the 2nd and 4th order orientati on ten- linearity. Hence, the TIF equati on with modifi ed coef- larizati onE and backbone segments parallel to it. Initi al-

ti on degree) and the microscopic order of inclusions. sors a2 and a4 averaged over all parti cles in the melt. fi cients is proved to be a sensible model for reinforced ly isotropic microscopic order gradually evolves into a Especially rich behavior is observed for the systems in The parti cle contributi on to the mechanical stress is de- polymer melts even in the non-Newtonian regime. highly uniaxial one with the axis of symmetry coinciding which added parti cles and molecules have a non-spher- scribed by the transversely isotropic fl uid (TIF) equati on with the electric fi eld vector E (Fig. 2a). The evoluti on ical shape and can be oriented by the applied fi eld. at small deformati on rates γ · in the Newtonian regime: a of light-induced stress is described by the TIF equati on

with τ0=n V0 , with ns the number density of segments

TIF equation and V0 thes strength of the light-induced potenti al. The

dimensionless rate of strain tensor Γ = EE and C=0. In · with τ0=φηγ and the dimensionless rate of strain ten- deformati on rate. It is not clear a priory whether the the beginning of illuminati on the light-induced stress is sor Γ. At higher rates in the non-Newtonian regime not TIF equati on, derived for Newtonian fl uids, will keep its so high (Fig. 2b), that the polymer yields and starts to only fi bers but also the chain segments of a suspend- form in the non-Newtonian regime. To prove this, com- deform plasti cally along the polarizati on directi on. Im- ing polymer matrix become strongly oriented. This putati onal fl uid dynamics simulati ons have been carried plementi ng the stress in a viscoplasti c material model, leads to a thinning behavior of the matrix, i.e. its viscos- out for polymer melts reinforced with spheroidal parti - we are able to explain light-induced reshaping of micro- ity η decreases by orders of magnitude with increasing cles [1, 2] and rods (Fig. 1a). scaled square and cylinder posts [5].  b a b Sponsor DFG grant GR 3725/8-1

Cooperations . Prof. Gilles Ausias, Prof. Julien Férec, Université de Bretagne Sud, Lorient, France . Prof. Seungwoo Lee, Korea University, Seoul, Republic of Korea

[1] J. Domurath, et al.: JNNFM 264 (2019) 73. Fig. 2 Azopolymer sample elongates along the light polarizati on E (a) [2] P. Geißler. Diploma thesis, TU Dresden, 2019. Fig. 1 Rod parti cle in a simple shear fl ow (a). Numerical values of the coeffi cient A for rods and spheroids with the aspect rati o r in under the light-induced stress which exceeds the yield stress [3] G. Lipscomb, et al.: JNNFM 26 (1988) 297. Newtonian n = 0 and power-law fl uidsn < 0 (b). Also shown is Lipscombs soluti on for spheroids in a Newtonian fl uid [3]. in the beginning of irradiati on (b). The plasti c deformati on stops [4] B. Yadav, et al.: J. Phys. Chem. B 123 (2019) 3337. With decreasing power-law exponent n the matrix fl uid becomes more non-Newtonian and A decreases. when the light-induced stress diminishes to the yield stress. [5] H.S. Kang, et al.: Adv. Funct. Mater. 24 (2014) 7273.

92 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2019 93 Ergebnisse in Zahlen Publikationen

Publikationen Bücher Horechyy, A. ; Nandan, B. ; Stamm, M. : Functional Nanostructured Materials via Haase, E. ; Krause, R. ; Krzywinski, S. ; Landgraf, B. ; Self-Assembly of Block Copolymers. - . 976 Publikationen Rogge, R. ; Rosenbaum, H. ; Simon, F. ; Zimmermann, P. : in: World Scientific Reference of Hybrid Materials : davon 364 Artikel in Fachzeitschriften Entwicklung eines strahlungsadap- Volume 1. Block Copolymers / Edited By: Yong Wang. - tiven Markisengewebes mit erhöh- New Jersey [u.a.] : World Scientific, 2019. - Chapter 1, S. 1-44 . Buch und Buchbeiträge 1 6 ter Durchsichtigkeit bei gleichzeitig (World Scientific Series in Nanoscience and Nanotechnology : 17) erhöhten Blend- und Wärmeschutz- ISBN 978-981-3270-51-0 eigenschaften für Senkrechtmarkisen an Nichtwohngebäuden. - Naseem, S. ; Leuteritz, A. ; Wagenknecht, U. : Patente Stuttgart : Fraunhofer IRB Verlag, Polymer nanocomposites based on 2019. - 131 Seiten : Illustrationen layered double hydroxides (LDHs). - ANMELDUNGEN (Erstanmeldungen 2019) (Forschungsinitiative ZukunftBau ; F 3094) in: Processing of Polymer Nanocom- ISBN 978-3-7388-0249-8 posites / Samuel Kenig (Ed.). - München : . 10 Patente angemeldet und 2 patentfähige Erfindungen übertragen Hanser, 2019. - S. 343-369 auf Industrie- und Kooperationspartner ISBN 978-1-56990-635-4 Beiträge in Büchern . 42 Nachanmeldungen (national und regional) hinterlegt

Ameli, A. ; Park, C. B. ; Pötschke, P. : The effect of foaming on Schreiter, K. ; Birkner, M. ; Göring, M. ; Höhne, S. : ERTEILUNGEN the properties of carbon nanotubes/ 5.2 Functionalized twin polymer composites. - monomers and their application . 14 Patente erteilt in: Processing of Polymer Nanocom- in materials synthesis. - davon 5 in Deutschland (DE), 2 in Europa (EP), 1 in Japan (JP), posites / Kenig, Samuel (Herausgeber) in: Twin polymerization : new strategy 1 in Hongkong (HKG), 2 in Korea (KOR) sowie 3 in den USA (US) .... - München : Hanser, 2019. - for hybrid material synthesis / edited Chap. 8, S. 235-254. by Stefan Spange, Michael Mehring. - ISBN 978-1-56990-635-4 Berlin [u.a.] : De Gruyter, 2019. - Kapitel 5, 5.2, S. 295-332 (273-332] Promotionen, Master- und Bachelorarbeiten ISBN 978-3-11-049936-0 Gilson, L. ; Wenzl, J. ; Paven, M. ; Kappl, M. ; Butt, H.-J. ; Vollmer, D. ; Auernhammer, G. : Stamm, M. : . 17 Promotionen Formation, deformation, rolling and Surfaces and Interfaces. - sliding of particles and particle aggre- in: Functional Polymers / Editor: . 20 Master- und Diplomarbeiten gates: Mechanisms and applications. - Mohammad Abu Jafar Mazumder .... in: Particles in Contact : Micro Mechan- - Berlin : Springer, 2019. - S. 347-389 . Bachelorarbeiten 13 ics, Micro Process Dynamics and (Polymers and Polymeric Composites: Particle Collective / Sergiy Antonyuk A Reference Series) (Editor). - Berlin : Springer, 2019. - S. 89-114 ISBN 978-3-319-95987-0 ISBN 978-3-030-15898-9

94 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2018 95 Veröffentlichungen in Fachzeitschriften

Abbate, R. A. ; Raak, N. ; Boye, S. ; Janke, A. ; Aram, E. ; Ehsani, M. ; Khonakdar, H. A. ; Abdollahi, S. : Banerjee, S. S. ; Hait, S. ; Natarajan, T. S. ; Wießner, S. ; Bhuyan, B. ; Srivastava, S. K. ; Pionteck, J. : Rohm, H. ; Jaros, D. ; Lederer, A. : Improvement of electrical, thermal, and mechanical proper- Stöckelhuber, K.W. ; Jehnichen, D. ; Janke, A. ; Multiwalled carbon nanotubes/ hectorite hybrid Asymmetric flow field flow fractionation for the investiga- ties of poly(methyl methacrylate)/poly(ethylene oxide) Fischer, D. ; Heinrich, G. ; Busfield, J. JC ; Das, A. : reinforced styrene butadiene rubber nanocomposite: tion of caseins cross-linked by microbial transglutaminase. - blend using graphene nanosheets. - Water-responsive and mechanically adaptive Preparation and properties. - Food Hydrocolloids 92 (2019). - S. 117-124 J. of Thermoplastic Composite Materials 32 (2019). - S. 1176-1189 natural rubber composites by in situ modification Polymer-Plastics Technology and Materials 58 (2019). - S. 537-546 of mineral filler structures. - Abdoli, I. ; Vuijk, H. ; Sommer, J.-U. ; Brader, J. M. ; Sharma, A. : Arzash, S. ; Shivers, J. ; Licup, A. J. ; Sharma, A. ; MacKintosh, F. 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96 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2018 97 Veröffentlichungen in Fachzeitschriften Veröffentlichungen in Fachzeitschriften

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98 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2018 99 Veröffentlichungen in Fachzeitschriften Veröffentlichungen in Fachzeitschriften

Del Castillo, G.F.D. ; König, M. ; Müller, M. ; Eichhorn, K.-J. ; Drechsler, A. ; Frenzel, R. ; Caspari, A. ; Michel, St. ; Holzschuh, M. ; Engelke, J. ; Brandt, J. ; Barner-Kowollik, C. ; Lederer, A. : Fingernagel, J. ; Boye, S. ; Kietz, A. ; Höbel, S. ; Stamm, M. ; Uhlmann, P. ; Dahlina, A. 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A. : Eckert, V. ; Haubold, E. ; Oswald, S. ; Sedeh, N. N. ; Jafari, S.H. ; Khonakdar, H. 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100 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2018 101 Veröffentlichungen in Fachzeitschriften Veröffentlichungen in Fachzeitschriften

Freudenberg, U. ; Atallah, P. ; Limasale, Y. D. P. ; Werner, C. : Geisler, M. ; Smith, W.C. ; Plüschke, L. ; Mundil, R. ; Gomez, N.A.G. ; Leuteritz, A. ; Wypych, F. : Götze, T. ; Hickmann, R. ; Storm, J. ; Charge-tuning of glycosaminoglycan-based Merna, J. ; Williams, S.K.R. ; Lederer, A. : P-aminobenzoate intercalation into layered nickel Wießner, S. ; Cherif, C. ; Kaliske, M. : hydrogels to program cytokine sequestration. - Topology analysis of chain walking polymerized hydroxide salt using a hydrothermal methodology: Optimierung des Kraft/Dehnungs-Verhaltens Faraday Discussions 219 (2019). - S. 244-251 polyethylene: An alternative approach for Synthesis, characterization, and evaluation as potential von Hybrid-garnen in Elastomerbauteilen. - the branching characterization by thermal FFF. - ultraviolet radiation absorber properties of polyethylene. - Kautschuk Gummi Kunststoffe 72 (2019)1-2. - S. 35-43 Fromont, J. ; Zoltowska-Aksamitowska, S. ; Galli, R. ; Macromolecules 52 (2019). - S. 8662-8671 AIP Conference Proceedings 2065 (2019). - Article Number: 030022 Meissner, H. ; Erpenbeck, D. ; Vacelet, J. ; Diaz, C. ; Grätz, S. ; Komber, H. ; Bauer, M. ; Voit, B. : Tsurkan, M. ; Petrenko, I. ; Youssef, D.T.A. ; Ehrlich, H. : Gevers, B. 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102 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2018 103 Veröffentlichungen in Fachzeitschriften Veröffentlichungen in Fachzeitschriften

Gupta, V. ; Probst, P. T. ; Goßler, F. ; Steiner, A. M. ; Heinze, M. ; Starke, S. ; Händler, M. ; Komber, H. ; Hosseini, F. ; Entezam, M. ; Jafari, S.H. ; Jaeger, S. ; Leuteritz, A. ; de Freitas, R.A. ; Wypych, F. : Schubert, J. ; Brasse, Y. ; König, T. ; Fery, A. : Drache, M. ; Moszner, N. ; Voit, B. ; Pospiech, D. : Khonakdar, H. 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104 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2018 105 Veröffentlichungen in Fachzeitschriften Veröffentlichungen in Fachzeitschriften

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106 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2018 107 Veröffentlichungen in Fachzeitschriften Veröffentlichungen in Fachzeitschriften

Kumar, L. ; Horechyy, A. ; Bittrich, E. ; Lappan, U. ; Rau, C. ; Naas, C. ; Scheler, U. : Lenz, J. ; Pospiech, D. ; Komber, H. ; Paven, M. ; Liu, J. ; Mishra, S. ; Pignedoli, C. A. ; Passerone, D. ; Urgel, J. I. ; Nandan, B. ; Uhlmann, P. ; Fery, A. : Odd-even effect on rotational dynamics Albach, R. ; Mentizi, S. ; Langstein, G. ; Voit, B. : Fabrizio, A. ; Lohr, T.G. ; Ma, J. ; Komber, H. ; Baumgarten, M. ; Amphiphilic block Copolymer micelles in of spin-labeled polyacid chain segments Synthesis of the H-phosphonate dibenzo[d,f][1,3,2] Corminboeuf, C. ; Berger, R. ; Ruffi eux, P. ; Müllen, K. ; selective solvents: The effect of solvent in polyelectrolyte multilayers. - dioxaphosphepine 6-oxide and the phospha- Feng, Xi-Qiao ; Müllen, K. ; Fasel, R. : selectivity on micelle formation. - Macromolecules 52 (2019). - S. 2384-2392 Michael addition to unsaturated compounds. - Open-shell nonbenzenoid nanographenes containing Polymers 11 (2019). - Article Number: 1882 Tetrahedron 75 (2019). - S. 1306-1310 two pairs of pentagonal and heptagonal rings. - Lappan, U. ; Scheler, U. : Journal of the American Chemical Society 141 (2019). - Kunisch, E. ; Knauf, A.-K. ; Hesse, E. ; Polyanion substitution in polyelectrolyte complex Lenz, J. ; Pospiech, D. ; Paven, M. ; Albach, R. ; S. 12011-12020 Freudenberg,U. ; Werner, C. ; Bothe, dispersions studied by spin-label EPR spectroscopy. - Günther, M. ; Schartel, B. ; Voit, B. : F. ; Diederichs, S. ; Richter, W. : Macromolecules 52 (2019). - 7218-7223 Improving the fl ame Retardance of polyisocyanurate Liu, X. ; Wang, X. ; Voit, B. ; Appelhans, D. : StarPEG/heparin-hydrogel foams by dibenzo[d,f][1,3,2]dioxaphosphepine Control of nanoparticle release by membrane based in vivo engineering of Lauer, K. ; Krischok, S. ; Klein, T. ; Bähr, M. ; 6-oxide-containing additives. - composition for dual-responsive nanocapsules. - stable bizonal cartilage with Lawerenz, A. ; Röder, R. ; Ortlepp, T. ; Gohs, U. : Polymers 11 (2019). - Article Number: 1242 Chemistry - A European Journal 25 (2019). - S. 13694-13700 a calcifi ed bottom layer. - Light-induced degradation in annealed Biofabrication 11 (2019). - and electron irradiated silicon. - Li, Y. ; Pionteck, J. ; Pötschke, P. ; Voit, B. : Liu, Y. ; Nell, B. ; Ortstein, K. ; Wu, Z.B. ; Karpov, Y. ; Article Number: 015001 Physica Status Solidi A 216 (2019). - Article Number: 1900284 Organic vapor sensing behavior of polycarbonate/ Beryozkina, T. ; Lenk, S. ; Kiriy, A. ; Leo, K. ; Reineke, S. : polystyrene/multi-walled carbon nanotube blend High electron affi nity molecular dopant CN6-CP Kunz, K. ; Krause, B. ; Kretzschmar, B. ; Juhasz, L. ; Lederer, A. : composites with different microstructures. - for effi cient organic light-emitting diodes. - Kobsch, O. ; Jenschke, W. ; Ulrich, M. ; Pötschke, P. : Guilaume Greyling and Harald Pasch: Materials & Design 179 (2019). - Article Number: 107897 ACS Applied Materials & Interfaces 11 (2019). - S. 11660-11666 Direction dependent electrical conductivity Thermal fi eld-fl ow fractionation of polymers. - of polymer/carbon fi ller composites . - Analytical and Bioanalytical Chemistry 411 (2019). - S. 7337-7338 Li, Y. ; Wei, Q. ; Cao, L. ; Fries, F. ; Cucchi, M. ; Wu, Z.B. ; Liu, Y. ; Nitschke, M. ; Stepien, L. ; Khavrus, V. ; Polymers 11 (2019). - Article Number: 591 Scholz, R. ; Lenk, S. ; Voit, B. ; Ge, Z. ; Reineke, S. : Bezugly, V. ; Cuniberti, G. : Lee, G. ; Choi, M. ; Chae, S. ; et al., : Organic light-emitting diodes based on Ammonia plasma-induced n-type doping of Kuttner, C. ; Holler, R.P.M. ; Quintanilla, M. ; Schnepf, M. J. ; Scratch to sensitize: scratch-induced sensitivity conjugation-induced thermally activated delayed semiconducting carbon nanotube fi lms: Dulle, M. ; Fery, A. ; Liz-Marzan, L. M. : enhancement in semiconductor thin-fi lm sensors. - fl uorescence polymers: Interplay between intra- thermoelectric properties and ambient effects. - SERS and plasmonic heating effi ciency from Nanoscale 11 (2019). - S. 15374-15381 and intermolecular charge transfer states. - ACS Applied Materials & Interfaces 11 (2019). - S. 21807-21814 anisotropic core/satellite superstructures. - Frontiers in Chemistry 7 (2019). - Article Number: 688 Nanoscale 11 (2019). - S. 17655-17663 Lee, G. ; Jung, D.W. ; Lee, W. ; Nah, S. ; Hwang, J.Y. ; Lu, B. ; Luo, D. ; Zhao, A. S. ; Wang, H. ; Zhao, Y. ; Lee, S.S. ; Park, S. ; Chae, S. ; Lee, J.-O. : Li, Z. ; Liu, Z.Q. ; Zhang, J. ; Fu, C. ; Maitz, M.F. ; Yang, P. ; Huang, N. : Lang, M. : Solution-processable method for producing high-quality Wagenknecht, U. ; Wang, De-Yi : pH responsive chitosan and hyaluronic acid Cyclic structures in polymer model networks. - reduced graphene oxide displaying ‘self-catalytic healing’. - Bio-based layered double hydrox- layer by layer fi lm for drug delivery applications. - Macromolecular Symposia 385 (2019). - Article Number: 1800168 Carbon 141 (2019). - S. 774-781 ide nanocarriertoward fi re-retar- Progress in Organic Coatings 135 (2019). - S. 240-247 dant epoxy resin with effi ciently Lang, M. : Lee, P.S. ; Hess, R. ; Friedrichs, J. ; Haenchen, V. ; improved smoke suppression. - Ma, J. ; Zhang, K. ; Schellhammer, K. S. ; Fu, Y. ; Komber, H. ; On the elasticity of polymer model Eckert, H. ; Cuniberti, G. ; Rancourt, D. ; Krawetz, R. ; Chemical Engineering Journal 378 Xu, C. ; Popov, A. A. ; Hennersdorf, F. ; Weigand, J. J. ; Zhou, S. ; networks containing fi nite loops. - Hintze, V. ; Gelinsky, M. ; Scharnweber, D. : (2019). -Article Number: 122046 Pisula, W. ; Ortmann, F. ; Berger, R. ; Liu, J. ; Feng, X. : Macromolecules 52 (2019). - S. 6266-6273 Recapitulating bone development events in a customised Wave-shaped polycyclic hydrocarbons bioreactor through interplay of oxygen tension, medium Lissel, F. ; Steinberg, S. : with controlled aromaticity. - Lang, M. ; Böhme, F. : pH, and systematic differentiation approaches. - 22. Steinheimer Gespräche – Chemical Science 10 (2019). - S. 4025-4031 Competing exchange and irreversible reactions J. of Tissue Engineering and Regenerative Medicine 13 (2019). - Chemie und Automatisierung. - in a linear co-polycondensation lead to a broad S. 1672-1684 Nachrichten aus der Chemie 67 (2019)9. - S. 80 Machalowski, T. ; Wysokowski, M. ; Tsurkan, M. ; et al., : composition window where tunable high molecular Spider Chitin: An ultrafast microwave-assisted method for weight polymers can be prepared. - chitin isolation from caribena versicolor spider molt cuticle. - Macromolecular Theory and Simulations 28 (2019). - Molecules 24 (2019). - Article Number: 3736 Article Number: 1800069

108 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2018 109 Veröffentlichungen in Fachzeitschriften Veröffentlichungen in Fachzeitschriften

Machalowski, T. ; Wysokowski, M. ; Marcinkowska, M. ; Stanczyk, M. ; Janaszewska, A. ; Memarian, F. ; Fereidoon, A. ; Khonakdar, H. A. ; Mock, A. ; Korlacki, R. ; Knight, S. ; Stokey, M. ; Zoltowska-Aksamitowska, S. ; Tsurkan, M. ; et al., : Sobierajska, E. ; Chworos, A. ; Klajnert-Maculewicz, B. : Jafari, S.H. ; Saeb, M. R. : Fritz, A. ; Darakchieva, V. ; Schubert, M. : Spider Chitin. The biomimetic potential and Multicomponent conjugates of anticancer drugs and Thermo-mechanical and shape memory Lattice dynamics of orthorhombic NdGaO3. - applications of Caribena versicolor tubular chitin. - monoclonal antibody with PAMAM dendrimers to in- behavior of TPU/ABS/MWCNTs nanocomposites Physical Review B 99 (2019). - Article Number: 184302 Carbohydrate Polymers 226 (2019). - Article Number: 115301 crease efficacy of HER-2 positive breast cancer therapy. - compatibilized with ABS-g-MAH. - Pharmaceutical Research 36 (2019). - Article Number: 154 Polymer Composites 40 (2019). - S. 789-800 Moini, N. ; Zohuriaan-Mehr, M.J. ; Kabiri, K. ; Khonakdar, H. A. : Maitz, M.F. ; Martins, C. L. ; Grabow, N. ; “Click” on SAP: Superabsorbent polymer surface Matschegewski, C. ; Huang, N. ; Marschelke, C. ; Diring, O. ; Synytska, A. : Merz, S.N. ; Hoover, E. ; Egorov, S. A. ; DuBay, K.H. ; Green, D.L. : modification via CuAAC reaction toward antibacterial Chaikof, E.L. ; Barbosa, M. A. ; Reconfigurable assembly of charged polymer-modified Predicting the effect of chain-length mismatch on activity and improved swollen gel strength. - Werner, C. ; Sperling, C. : Janus and non-Janus particles: from half-raspberries phase separation in noble metal nanoparticle Applied Surface Science 487 (2019). - S. 1131-1144 The blood compatibility challenge. to colloidal clusters and chains. - monolayers with chemically mismatched ligands. - Part 4: Surface modification Nanoscale Advances 1 (2019). - S. 3715-3726 Soft Matter 15 (2019). - S. 4498-4507 Mordvinkin, A. ; Suckow, M. ; Böhme, F. ; Colby, R.H. ; for hemocompatible materials: Creton, C. ; Saalwächter, K. : Passive and active approaches Marschelke, C. ; Müller, M. ; Köpke, D. ; Micusik, M. ; Chatzimanolis, C. ; Tabaciarova, J. ; Kollar, J. ; Hierarchical sticker and sticky chain dynamics to guide blood-material interactions. - Matura, A. ; Sallat, M. ; Synytska, A. : Kyritsis, A. ; Pissis, P. ; Pionteck, J. ; Vegso, K. ; Siffalovic, P. ; in self-healing butyl rubber ionomers. - Acta Biomaterialia 94 (2019). - S. 33-43 Hairy particles with immobilized enzymes: Majkova, E. ; Omastová, M. : Macromolecules 52 (2019). - S. 4169-4184 Impact of particle topology on the catalytic activity. - Polyethylene glycol-modified poly(styrene- Männel, M. J. ; Selzer, L. ; Selzer, R. ; Thiele, J. : ACS Applied Materials & Interfaces 11 (2019). - S. 1645-1654 co-ethylene/butylene-co-styrene)/carbon Morsch, S. ; Liu, Y. ; Malanin, M. ; Formanek, P. ; Eichhorn, K.-J. : Optimizing process parameters in commercial micro- nanotubes composite for humidity sensing. - Exploring whether a buried nanoscale interphase stereolithography for forming emulsions and polymer Marschelke, C. ; Puretskiy, N. ; Raguzin, I. ; Frontiers in Materials 5 (2019). - Article Number: 79 exists within epoxy-amine coatings: Implications for microparticles in nonplanar microfluidic devices. - Melnyk, I. ; Ionov, L. ; Synytska, A. : adhesion, fracture toughness, and corrosion resistance. - Advanced Materials Technologies 4 (2019). - Effect of architecture of thermoresponsive copolymer Milles, S. ; Voisiat, B. ; Nitschke, M. ; Lasagni, A. : ACS Applied Nano Materials 2 (2019). - S. 2494-2502 Article number: 1800408 brushes on switching of their adsorption properties. - Influence of roughness achieved by periodic structures Macromolecular Chemistry and Physics 220 (2019). - on the wettability of aluminum using direct laser writing Mousa, A. ; Gedan-Smolka, M. ; Schlenstedt, K. ; Wagenknecht, U. : Mantz, A. ; Rosenthal, A. ; Farris, E. ; Kozisek, T. ; Article Number: 1900030 and direct laser interference patterning technology. - Thermosetting polymer composites from Bittrich, E. ; Nazari, M. ; Schubert, E. ; Schubert, M. ; Journal of Materials Processing Technology 270 (2019). - S. 142-151 unsaturated polyester resin filled alkali activated Stamm, M. ; Uhlmann, P. ; Pannier, A. K. : Mayer, M. ; Potapov, P. ; Pohl, A. ; Steiner, A. M. ; Schultz, J. ; and rubber coated sustainable ferrous by-products. - Free polyethylenimine enhances substrate-mediated Rellingheus, B. ; Lubk, A. ; König, T. ; Fery, A. : Minev, D. ; Guerra, R. ; Kishi, J.Y. ; Smith, C. ; Krieg, E. ; Materials Research Express 6 (2019). - Article Number: 105207 gene delivery on titanium substrates modified with Direct observation of plasmon band formation and Said, K. ; Hornick, A. ; Sasaki, H.M. ; Filsinger, G. ; RGD-Functionalized poly(acrylic acid) brushes. - delocalization in quasi-infinite nanoparticle chains. - Beliveau, B.J. ; Yin, P. ; Church, G.M. ; Shih, W.M. : Mousa, A. ; Wagenknecht, U. ; Gedan-Smolka, M. ; Schneider, A. : Frontiers in Chemistry 7 (2019). - Article Number 51 Nano Letters 19 (2019). - S. 3854-3862 Rapid in vitro production of single-stranded DNA. - Cure characteristics and thermal behavior Nucleic Acids Research 47 (2019). - S. 11956-11962 of organic-inorganic hybrid composite as Manzi, B.M. ; Werner, M. ; Ivanova, E.P. ; Mayer, M. ; Schnepf, M. J. ; assessed by DSC, TGA, and DMA techniques. - Crawford, R.J. ; Baulin, V. A. : König, T. ; Fery, A. : Minh, N. C. ; Nguyen, V.H. ; Schwarz, S. ; Stevens, W.F. ; Trung, T. S. : Journal of Sustainable Metallurgy 5 (2019). - S. 442-448 Simulations of protein adsorption Colloidal self-assembly concepts Preparation of water soluble hydrochloric chitosan on nanostructured surfaces. - for plasmonic metasurfaces. - from low molecular weight chitosan in the solid state. - Müller, A. ; Müller, S. ; Nasufovic, V. ; Arndt, H.-D. ; Pompe, T. : Scientific Reports 9 (2019). - Article Number: 4694 Advanced Optical Materials 7 (2019). - International Journal of Biological Macromolecules 121 (2019). - Actin stress fiber dynamics in laterally confined cells. - Article Number: 1800564 S. 718-726 Integrative Biology 11 (2019). - S. 175-185 Marcinkowska, M. ; Stanczyk, M. ; Janaszewska, A. ; Gajek, A. ; Ksiezak, M. ; Dzialak, P. ; Klajnert-Maculewicz, B. : Mock, A. ; Dugan, C. ; Knight, S. ; Korlacki, R. ; Mann, J.M. ; Müller, M. : Molecular mechanisms of antitumor activity Kimani, M.M. ; Petrosky, J.C. ; Dowben, P.A. ; Schubert, M. : The anomalous influence of polyelectrolyte of PAMAM dendrimer conjugates with anticancer Band-to-band transitions and critical points in concentration on the deposition and nanostructure drugs and a monoclonal antibody. - the near-infrared to vacuum ultraviolet dielectric func- of poly(ethyleneimine)/poly(acrylic acid) multilayers . - Polymers 11 (2019). - Article Number: 1422 tions of single crystal urania and thoria. - Molecules 24 (2019). - Article Number: 2141 Applied Physics Letters 114 (2019). - Article Number: 211901

110 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2018 111 Veröffentlichungen in Fachzeitschriften Veröffentlichungen in Fachzeitschriften

Müller, M. T. ; Eichhorn, K. ; Gohs, U. ; Heinrich, G. : Naji, A. ; Krause, B. ; Pötschke, P. ; Ameli, A. : Naziri, A.A. ; Khonakdar, H. A. ; Hemmati, F. ; Jafari, S.H. ; Ehsani, M. : Nübling, F. ; Hopper, T. R. ; Kuei, B. ; Komber, H. ; Untilova, V. ; In-line nanostructuring of glass fibres using different carbon Extruded polycarbonate/Di-Allyl phthalate composites Rheologically determined phase diagram of poly(epsilon- Brinkmann, M. ; Gomez, E. D. ; Bakulin, A. A. ; Sommer, M. : allotropes for structural health monitoring application. - with ternary conductive filler system for bipolar plates caprolactone)/poly(styrene-co-acrylonitrile) blends: Block junction-functionalized all-conjugated donor – Fibers 7 (2019). - Article Number: 61 of polymer electrolyte membrane fuel cells. - Role of ramp rate in dynamic measurements. - acceptor block copolymers. - Smart Materials and Structures 28 (2019). - Journal of Applied Polymer Science 136 (2019). - ACS Applied Materials & Interfaces 11 (2019). - S. 1143-1155 Müller, M. T. ; Krause, B. ; Kretzschmar, B. ; Pötschke, P. : Article Number: 064004 Article Number: 47750 Influence of a supplemental filler in twin-screw extruded Oberer, J. ; Schneider, K. ; Majschak, J. P. : PP/CNT composites using masterbatch dilution. - Narongthong, J. ; Le, Hai Hong ; Neubauer, J. ; Hauck, N. ; Männel, M. J. ; Fery, A. ; Thiele, J. : Thermomechanical characterization and modeling of AIP Conference Proceedings 2055 (2019). - Das, A. ; Sirisinha, C. ; Wießner, S. : Mechanoresponsive hydrogel particles as cold-drawing of poly(ethylene terephthalate). - Article Number: 090006 [5pp.] Ionic liquid enabled electrical- a platform for three-dimensional force sensing. - Polymers 11 (2019). - Article Number: 1871 strain tuning capability of carbon ACS Applied Materials & Interfaces 11 (2019). - S. 26307-26313 Müller, M. T. ; Zschech, C. ; Gohs, U. : black based conductive polymer Obst, F. ; Simon, D. ; Mehner, P. J. ; Neubauer, J. W. ; Electron beam generated polymer-backbone- composites for small-strain sen- Neumann, R. ; Neunzehn, J. ; Hinüber, C. ; Beck, A. ; Stroyuk, O. ; Richter, A. ; Voit, B. ; Appelhans, D. : hydroperoxides trigger the crosslinking of glass sors and stretchable conductors. - Flath, T. ; Schulze, F. P. ; Wiesmann, H.-P. : One-step photostructuring of multiple

fiber polypropylene interphase. - Composites Science and Technology 3D-printed poly-epsilon-caprolactone-CaCO3- hydrogel arrays for compartmentalized AIP Conference Proceedings 2065 (2019). - 174 (2019). - S. 202-211 biocomposite-scaffolds for hard tissue regeneration. - enzyme reactions in microfluidic devices. - Article Number 030026 eXPRESS Polymer Letters 13 (2019). - S. 2-17 Reaction Chemistry & Engineering 4 (2019). - S. 2141-2155 Naseem, S. ; Gevers, B. R. ; Boldt, R. ; Müller, T. ; Sommer, J.-U. ; Lang, M. : Labuschagne, F.J.W. ; Leuteritz, A. : Ng, C. ; Wesemann, L. ; Panchenko, E. ; Davis, T. J. ; Ok, S. ; Hartmann, B. ; Duran, H. ; Eickmeier, H. ; Tendomers - force sensitive bis-rotaxanes Comparison of transition metal (Fe, Co, Ni, Cu, and Zn) Roberts, A. ; Gomez, D.E. : Haase, M. ; Scheler, U. ; Steinhart, M. : with jump-like deformation behavior. - containing tri-metal layered double hydroxides (LDHs) Plasmonic near-complete optical Correlations between microstructure and crystallization Soft Matter 15 (2019). - S. 3671-3679 prepared by urea hydrolysis. - absorption and its applications. - of the fluorinated terpolymer of tetrafluoroethylene, RSC Advances 9 (2019). - S. 3030-3040 Advanced Optical Materials 7 (2019). - Article Number: 1801660 hexafluoropropylene, and vinylidene fluoride. - Münch, A. S. ; Stake, A. ; Lukasczyk, T. ; Stalling, A. ; Fritzsche, Journal of Polymer Science Part B 57 (2019). - S. 1402-1408 T. ; Stenzel, V. ; Uhlmann, P. : Naseem, S. ; Lonkar, S. P. ; Leuteritz, A. : Ng, C. ; Zeng, P. ; Lloyd, J. ; Chakraborty, D. ; Roberts, A. ; Smith, A scalable process for the generation Study of modified LDHs as UV protecting T. A. ; Bach, U. ; Sader, J.E. ; Davis, T. J. ; Gomez, D.E. : Oshani, B.N. ; Davachi, S. M. ; Hejazi, I. ; of durable easy-to-clean coatings on foils. - materials for polypropylene (PP). - Large-area nanofabrication of partially embedded nano- Seyfi, J. ; Khonakdar, H. A. ; Abbaspourrad, A. : Journal of Coatings Technology and Research 16 (2019). - S. 1515-1525 AIP Conference Proceedings 2055 (2019). - structures for enhanced plasmonic hot-carrier extraction. - Enhanced compatibility of starch with poly(lactic acid) Article Number: 050002 [5pp.] ACS Applied Nano Materials 2 (2019). - S. 1164-1169 and poly(epsilon-caprolactone) by incorporation of Muniz, N.O. ; Vechietti, F.A. ; dos Santos, A. R. : POSS nanoparticles: Study on thermal properties. - Influence of several binders on the mechanical properties Nasrollahzadeh, M. ; Sajjadi, M. ; Komber, H. ; Nikoomanesh, R. ; Naderpour, N. ; Goodarzi, V. ; International Journal of Biological Macromolecules 141 (2019). - of alumina parts manufactured by 3D inkjet printing. - Khonakdar, H. A. ; Sajadi, S. M. : Jafari, S.H. ; Saeb, M. R. ; Abdouss, M. ; Khonakdar, H. A. : S. 578-584 Materials Research Express 6 (2019). - Article Number: 115341 In situ green synthesis of Cu-Ni bimetallic nanoparticles Prediction of mechanical properties of PP/EVA supported on reduced graphene oxide as an effective and polymer blends governed by EVA phase change Oßmann, B. ; Schymanski, D. ; Naeemabadi, N. ; Seyfi, J. ; Hejazi, E. ; Hejazi, I. ; Khonakdar, H. A. : recyclable catalyst for the synthesis of N-benzyl-N-aryl- in the presence of environmentally-friendly Ivleva, N.P. ; Fischer, D. ; Investigation on surface properties of superhydrophobic 5-amino-1H-tetrazoles. - inorganic tungsten disulfide nanotubes (INT-WS2). - Dallmann, G. ; Welle, F. : nanocomposites based on polyvinyl chloride and correla- Applied Organometallic Chemistry 33 (2019). - Article Number: e4938 Polymer Composites 40 (2019). - S. 1964-1978 Comment on “exposure to micro- tion with cell adhesion behavior. - plastics (<10 µm) associated to Polymers for Advanced Technologies 30 (2019). - S. 1027-1035 Naziri, A.A. ; Ehsani, M. ; Khonakdar, H. A. ; Hemmati, F. ; Jafari, S.H. : Noori, M.M. ; Khonakdar, H. A. ; Azizi, M. ; plastic bottles mineral water con- Spherical nanoparticle effects on the lower critical Ghaffari, M. ; Arjmand, M. ; Jafari, S.H. : sumption: The first quantitative Naji, A. ; Krause, B. ; Pötschke, P. ; Ameli, A. : solution temperature phase behavior of poly(epsilon- Paraffin/CuO nanocomposites as phase change study by Zuccarello et al. [Water Hybrid conductive filler/polycarbonate composites caprolactone)/poly(styrene-co-acrylonitrile) blends: materials: Effect of surface modification of CuO. - Research 157 (2019) 365-371]”. - with enhanced electrical and thermal conductivities Separation of thermodynamic aspects from kinetics. - Polymer Composites 40 (2019). - S. 4362-4370 Water Research 162 (2019). - S. 516-517 for bipolar plate applications. - Journal of Applied Polymer Science 137 (2019). - Polymer Composites 40 (2019). - S. 3189-3198 Article Number: 48679

112 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2018 113 Veröffentlichungen in Fachzeitschriften Veröffentlichungen in Fachzeitschriften

Panahi-Sarmad, M. ; Goodarzi, V. ; Amirkiai, A. ; Noroozi, M. ; Pospiech, D. ; Korwitz, A. ; Eckstein, K. ; Komber, H. ; Jehnichen, Qiu, H. ; Qi, P. ; Liu, J. ; Yang, Y. ; Tan, X. ; Xiao, Y. ; Reis, B. ; Vehlow, D. ; Rust, T. ; Kuckling, D. ; Müller, M. : Abrisham, M. ; Dehghan, P. ; Shakeri, Y. ; Karimpour-Motlagh, N. ; D. ; Lederer, A. ; Arnhold, K. ; Göbel, M. ; Bremer, M. ; Hoffmann, Maitz, M.F. ; Huang, N. ; Yang, Z. : Thermoresponsive catechol based-polyelectrolyte Hajipoor, F.P. ; Khonakdar, H. 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114 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2018 115 Veröffentlichungen in Fachzeitschriften Veröffentlichungen in Fachzeitschriften

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116 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2018 117 Veröffentlichungen in Fachzeitschriften Veröffentlichungen in Fachzeitschriften

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118 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2018 119 Veröffentlichungen in Fachzeitschriften Veröffentlichungen in Fachzeitschriften

Uhlig, K. ; Bittrich, L. ; Wang, L.L. ; Käppler, A. ; Fischer, D. ; Simmchen, J. : Wronska, N. ; Majoral, J. P. ; Appelhans, D. ; Yazdaninia, A. ; Jafari, S.H. ; Ehsani, M. ;

Spickenheuer, A. ; Almeida Jr., J.H.S. : Photocatalytic TiO2 Micromotors for Removal Bryszewska, M. ; Lisowska, K. : Khajavi, R. ; Khonakdar, H. 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A. ; et al., : Xu, K. ; Urgel, J. I. ; Eimre, K. ; Di Giovannantonio, M. ; Tackling the scalability challenge in plasmonics silicon nanoparticle-based lithium-ion batteries: Long spin diffusion lengths in doped conjugated Keerthi, A. ; Komber, H. ; Wang, S. ; Narita, A. ; Berger, R. ; by wrinkle-assisted colloidal self-assembly. - A systematic case study with commercial polyacrylic polymers due to enhanced exchange coupling. - Ruffieux, P. ; Pignedoli, C. A. ; Liu, J. ; Müller, K. ; Fasel, R. ; Feng, X. : Langmuir 35 (2019). - S. 8629-8645 acid and polyvinyl butyral polymers. - Nature Electronics 2 (2019). - S. 98-107 On-surface synthesis of a J. of the Electrochemical Society 166 (2019). - S. A5275-A5286 nonplanar porous nanographene. - Zessin, J. ; Bittrich, E. ; Zessin, J. ; Malanin, M. ; Posseckardt, J. ; Wei, Q. ; Voit, B. ; Ge, Z. : Journal of the American Chemical Society 141 (2019). - S. 7726-7730 Voit, B. ; Eichhorn, K.-J. ; Kiriy, A. ; Mertig, M. : Vittoria, A. ; Mingione, A. ; Abbate, R. A. ; Cipullo, R. ; Busico, V. : Thermally activated delayed fluorescent polymers: Molecular doping of a water-soluble High throughput experimentation protocol Structures, properties and applications in OLED devices. - Xu, Y. ; Patsis, P.A. ; Hauser, S. ; polythiophene derivative. - for quantitative measurements of regioselectivity Macromolecular Rapid Communications 40 (2019). - Voigt, D. ; Rothe, R. ; Günther, M. ; Physica Status Solidi A 216 (2019). - Article Number: 1800772 in ziegler-natta polypropylene catalysis. - Article Number: 1800570 Cui, M. ; Yang, X. ; Wieduwild, R. ; Industrial & Engineering Chemistry Research 58 (2019). - Eckert, K. ; Neinhuis, C. ; Akbar, T.F. ; Zhandarov, S. ; Scheffler, C. ; Mäder, E. ; Gohs, U. : S. 14729-14735 Weis, P. ; Hess, A. ; Kircher, G. ; Huang, S. ; Minev, I.R. ; Pietzsch, J. ; Zhang, Y. : Three specimen geometries and three methods Auernhammer, G. ; Koynov, K. ; Butt, H.-J. ; Wu, S. : Cytocompatible, injectable, of data evaluation in single-fiber pullout tests. - Vuijk, H. ; Brader, J. M. ; Sharma, A. : Effects of spacers on photoinduced and electroconductive soft Mechanics of Composite Materials 55 (2019). - S. 69-84 Anomalous fluxes in overdamped Brownian dynamics reversible solid-to-liquid transitions of adhesives with hybrid with Lorentz force. - azobenzene-containing polymers. - covalent/noncovalent dynamic network. - Zhang, L. ; Wang, Y. ; Yang, D. ; Huang, W. ; Hao, P. ; Journal of Statistical Mechanics (2019). - Article Number: 063203 Chemistry - A European Journal 25 (2019). - S. 10946-10953 Advanced Science 6 (2019). - Article Number: 1802077 Feng, S. ; Appelhans, D. ; Zhang, T. ; Zan, X. : Shape effect of nanoparticles on tumor Vuijk, H. ; Brader, J. M. ; Sharma, A. : Wengenmayr, M. ; Dockhorn, R. ; Sommer, J.-U. : Yadav, B. ; Saphiannikova, M. ; Domurath, J. ; Kim, K. ; Lee, S. : penetration in monolayers versus spheroids. - Effect of anisotropic diffusion on spinodal decomposition. - Dendrimers in solution of linear polymers: Crowding effects. - Orientation approach to directional photodeformations Molecular Pharmaceutics 16 (2019). - S. 2902-2911 Soft Matter 15 (2019). - S. 1319-1326 Macromolecules 52 (2019). - S. 2616-2626 in glassy side-chain azopolymers. - Journal of Physical Chemistry B 123 (2019). - S. 3337-3347 Zhang, L. ; Zhang, T. ; Hao, P. ; Yang, D. ; Wagner, K. ; Girardo, S. ; Goswami, R. ; Rosso, G. ; Wießner, S. : Feng, S. ; Peng, B. ; Appelhans, D. ; Zan, X. : Ulbricht, E. ; Müller, P. ; Soteriou, D. ; Träber, N. ; Guck, J. : Mehr als nur Gummi : Forscher des IPF betrachten Yavarpanah, S. ; Seyfi, J. ; Davachi, S. M. ; Designing nanoparticles with improved Colloidal crystals of compliant microgel beads to study Elastomere in einem ganzheitlichen Ansatz. - Hejazi, I. ; Khonakdar, H. A. : tumor penetration: surface properties from cell migration and mechanosensitivity in 3D. - Kunststoffe (2019). - S. 44-45 Evaluating the effect of hydroxyapatite nanoparticleson the molecular architecture viewpoint. - Soft Matter 15 (2019). - S. 9776-9787 morphology, thermal stability and dynamic mechanical Journal of Materials Chemistry B 7 (2019). - S. 953-964 Wongpinyochit, T. ; Vassileiou, A.D. ; Gupta, S. ; properties of multicomponent blend systems based on Wang, J. J. ; Zheng, Y. ; Li, L. ; Liu, E. ; Zong, C. Y. ; Zhao, J. X. ; Xie, J. ; Mushrif, S.H. ; Johnston, B. F. ; Seib, F. P. : polylactic acid/Starch/Polycaprolactone. - Zhao, B. ; Luo, S. ; Bonaccurso, E. ; Xu, F. ; König, T. ; Saphiannikova, M. ; Cao, Y. P. ; Fery, A. ; Lu, C. H. : Unraveling the impact of high-order silk structures Journal of Vinyl and Additive Technology 25 (2019). - Auernhammer, G. ; Deng, X. ; Li, Z. ; Chen, L. : All-optical reversible azo-based wrinkling patterns on molecular drug binding and release behaviors. - S. E83-E90 Resolving the apparent line tension of sessile droplets and with high aspect ratio and polarization-independent Journal of Physical Chemistry Letters 10 (2019). - S. 4278-4284 understanding its sign change at a critical wetting angle. - orientation for light responsive soft photonics. - Physical Review Letters 123 (2019). - Article Number: 094501 ACS Applied Materials & Interfaces 11 (2019). - S. 25595-25604

120 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2018 121 Veröffentlichungen in Fachzeitschriften Abgeschlossene Promotionen

Zhao, P.-C. ; Liu, Z. ; Gehde, M. ; Kühnert, I. ; Leuteritz, A. : Zimmerer, C. ; Matulaitiene, I. ; Niaura, G. ; Reuter, U. ; Ankush Checkervarty Deyan Raychev Effect of phosphorus-containing modifi ed magnesium Janke, A. ; Boldt, R. ; Sablinskas, V. ; Steiner, G. : Formation and stabilization of pores in bilayer mem- A bottom-up computational approach to hydroxide on the mechanical properties and fl ammability Nondestructive characterization of the branes: Induced by stress and amphiphilic copolymers semiconducting block copolymers: From of PLA/MH composites. - polycarbonate - octade-cylamine interface Technische Universität Dresden monomer design to charge transport properties AIP Conference Proceedings 2055 (2019). - by surface enhanced Raman spectroscopy. - Technische Universität Dresden Article Number: 050004 [4pp.] Polymer Testing 73 (2019). - S. 152-158 Franziska Fischer Development of new approaches for characterising Aladdin Sallat Zhao, X. ; Gnanaseelan, M. ; Jehnichen, D. ; Simon, F. ; Pionteck, J. : Zimmerer, C. ; Mejia, C.S. ; Utech, T. ; DNA origami-based nanostructures with atomic The infl uence of fi ller-matrix interactions on Green and facile synthesis of polyaniline/tannic Arnhold, K. ; Janke, A. ; Wosnitza, J. : force microscopy and super-resolution microscopy the mechanical performance and the self-healing acid/rGO composites for supercapacitor purpose. - Inductive heating using a high-magnetic-fi eld pulse to ini- Technische Universität Dresden behavior of bromobutyl rubber composites Journal of Materials Science 54 (2019). - S. 10809-10824 tiate chemical reactions to generate composite materials. - Technische Universität Dresden Polymers 11 (2019). - Article Number: 535 Bernhard Glatz Zhou, S. ; Dai, F. ; Chen, Y. ; Dang, C. ; Surface wrinkling of elastic supported membranes: Felix Schrön Zhang, C. ; Liu, D.T. ; Qi, H. : Zimmerer, C. ; Simon, F. ; Utech, T. ; Ziegler, L. ; Controlling defects and upscaling Inkjet bioprinting and 3D culture of human Sustainable hydrothermal self-as- Zimmermann, P. ; Müller, T. ; Heicke, S. : Universität Bayreuth MSC-laden binary starPEG-heparin hydrogels sembly of hafnium-lignosulfonate Umweltschonende Verfahrensalternative for cartilage tissue engineering nanohybrids for highly effi cient zur Kunststoffmetallisierung. - Minoj Gnanaseelan Technische Universität Dresden reductive upgrading of GAK : Gummi Fasern Kunststoffe 72 (2019). - S. 198-204 Development of thermoelectric materials 5-hydroxymethylfurfural. - based on polymer nanocomposites Eshwaran Subramani Bhagavatheswartan Green Chemistry 21 (2019). - Zimmermann, R. ; Delius, J. ; Friedrichs, J. ; Stehl, S. ; Hofmann, T. ; Technische Universität Dresden Exploring the piezoresistive characteristics of solution S. 1421-1431 Hannig, C. ; Rehage, M. ; Werner, C. ; Hannig, M. : styrene butadfi ene rubber composites under static and Impact of oral astringent stimuli on surface Dominik Hahn dynamic conditions – a novel route to visualize fi ller Ziegler, L. ; Kampert, E. ; Janke, A. ; Heinrich, G. ; Zimmerer, C. : charge and morphology of the protein-rich From non-fouling to cell instructive: network behavior in rubbers Preparation of ultra-thin metallic susceptor pellicle at the tooth-saliva interphase. - binary hydrogels with adjustable properties Technische Universität Dresden structures for electromagnetic induction Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 174 (2019). - S. 451-458 Technische Universität Dresden heating of reactive polymer interphases. - Nicole Träber AIP Conference Proceedings 2055 (2019). - Article Number: Zimmermann, R. ; Duval, J. F. L. ; Werner, C. : Samuel Krüger Polyacrylamide bead sensors for in vivo quantifi cation 130005 [5pp.] On the analysis of ionic surface conduction Positioning of droplets in inhomogeneous fl uids of cell-scale stress during zebrafi sh development to unravel charging processes at macroscopic Technische Universität Dresden Technische Universität Dresden Zimmerer, C. ; Gültner, M. ; Simon, F. : soft and hard solid-liquid interfaces. - Fluorine-free developments and Current Opinion in Colloid and Interface Science 44 (2019). - Martin Mayer Johanna Zessin perspective for lyophobic textile fi nishes. - S. 177-187 From single colloidal particles DANN-origami-templated synthesis of Trends in Textile Engineering & Fashion Technology 5 (2019). - to coupled plasmonic assemblies semoconducting polythiophene fi laments S. 655.ff. Zimmermann, R. ; Hentschel, C. ; Schrön, F. ; Moedder, D. ; Technische Universität Dresden Technische Universität Dresden Büttner, T. ; Atallah, P. ; Wegener, T. ; Howitz, S. ; Werner, C. : Zimmerer, C. ; Häußler, L. ; Arnhold, K. ; Ziegler, L. ; Heinrich, G. : High resolution bioprinting of Tamil Selvan Natarajan Pengcheng Zhao Molecular structure of reactive polycarbonate- multi-component hydrogels. - Water responsive mechano-adaptive elastomer Development and investigation of bio-based environ- amine interfaces characterized by IR-spectroscopy Biofabrication 11 (2019). - Article Number: 045008 composites based on active fi ller morphology mentally friendly fi re retardant PLA composites and differential scanning calorimetry. - Technische Universität Dresden Technische Universität Chemnitz  AIP Conference Proceedings 2055 (2019). - Zwahr, C. ; Helbig, R. ; Werner, C. ; Lasagni, A. : Article Number: 130001 [5pp.] Fabrication of multifunctional titanium surfaces Setareh Behboudi Poshteh by producing hierarchical surface patterns using DOPO-haltige oligo-esterdiole zur Entwicklung von Poly- laser based ablation methods. - urethan-Systemen mit fl ammhemmenden Eigenschaften Scientifi c Reports 9 (2019). - Article Number: 6721 Technische Universität Dresden

122 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2018 123 Preise und Auszeichnungen

Dr. Eva Bittrich [ 1 ] Dr. Jan Domurath [ 6 ] Paul Drude Award 2019 Doktorandenpreis des Vereins zur Förderung des IPF für außergewöhnliche Leistungen bei der Entwicklung für die Dissertation “Stress and strain amplifi cation und Anwendung der spektroskopischen Ellipsometrie in non-newtonian fl uids fi lled with spherical and 1 2 3 4 anisometric particles”.

Dr. Julian Thiele [ 2 ]

Georg-Manecke-Preis der gleichnamigen Stiftung Anne-Sophie Gimpel [ 7 ] Carsten Zschech [ 11 ] Sascha Putzke [ 14 ] bei der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) Franz-Brandstetter-Preis Posterpreis auf dem International Meeting on Radiation Prof. Joehnk‐Auszubildendenförderpreis 2019 für seine für seine Leistungen auf dem Gebiet der Polymerchemie für die Masterarbeit “Effect of culture conditions Processing (IMRP) für das Poster “Continuous electron- Leistungen in der Ausbildung zum Chemielaboranten on 3D (neuro)epithelial differentiation in matrigel induced reactive processing – a sustainable reactive Dr. Passant Atallah, Dr. Lucas Schirmer, and starPEG-GAG hydrogels” processing method” Jugend forscht, Regionalwettbewerb Dr. Uwe Freudenberg und Prof. Dr. Carsten Werner Autoren: C. Zschech, M. Pech, S. Wießner, Richard Wustmann I. Kühnert, U. Gohs, U. Wagenknecht MaterialVital-Preis 2019 [ 3 ] Prof. Dr. Carsten Werner [ 8 ] 2. Preis

der ProMatLeben-Initiative des Bundesministeriums Wahl als Mitglied in die Deutsche Akademie Patricia Flemming [ 12 ] für die von Dr. Mirko Nitschke und für Bildung und Forschung (BMBF) der Technikwissenschaften acatech 2. Posterpreis der Tagung “Active Polymeric Materials Bernhard Glatz betreute Arbeit für die beste Entwicklung im Bereich Polymere and Microsystems” für das Poster “In situ characterization „Mikrostrukturierung von Polymer-Oberfl ächen für den Gesundheitsbereich – größtes Innovations- Dr. Petra Uhlmann [ 9 ] of the counterion-induced UCST behavior of poly(N,N- zur Beeinfl ussung der Bakterienhaftung“ potential für das Ausgründungsprojekt ResCure: AiF-Gutachterin dimethylaminoethyl methacrylate) nanoscopic fi lms” Entwicklung einer neuartigen Hydrogel-Wundaufl age für die Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF) Autoren: P. Flemming, A.S. Münch, M. Müller, A. Fery, P. Uhlmann Antonia Meyer zur Behandlung chronischer Hautwunden 3. Preis sowie Konsortium C3 Carbon Concrete Composite Dimitri Eigel für die von Dr. Tobias König betreute Arbeit Innovationspreis des IPF [ 4 ] Dr. Christina Scheffl er (Teilprojektleiterin) Preis für den besten Vortrag auf der 15th International „Rotes Gold – Grundlagen zur Wissenschafts- für die Entwicklung neuartiger Hydrogel-Wundaufl agen Energy GlobeWorld Award, Kategorie Erde Saint Petersburg Conference of Young Scientists vermittlung von Plasmonenresonanz“ zur Behandlung chronischer Hautwunden Beteiligung des IPF “Modern Problems of Polymer Science” für den Vortrag “Microscale cryogels Luisa Kollatz

Dr. Beatriz Basterra Beroiz [ 5 ] Madeleine Schwarzer [ 10 ] as devices for focal therapeutic delivery” Sonderpreis der Jury Promotionspreis der Deutschen Posterpreis. 1. Rang auf dem 10th Münster Symposium Autoren: D. Eigel, P.B. Welzel, J.Thiele, C. Werner, B.Newland. für die von Dr. Albena Lederer betreute Arbeit Kautschuk-Gesellschaft e. V. on Cooperative Effects in Chemistry (MSCEC) „Einfl uss der Generation und des Modifi zierungs-

für die Dissertation “Correlation of elastomer structures für das Poster “Supercooled water droplet Dr. Jens Gaitzsch [ 13 ] grades von Glykodendrimeren auf deren and stress-strain amplifi cation mechanisms in reinforced impact on heterogeneous surfaces” 1. Platz beim Science Slam Basel Wechselwirkungen mit ATP“  rubber nanocomposites” Autoren: M. Schwarzer, T. Otto, I. V. Roisman, A. Synytska für die Präsentation “New biodegradable plastic”

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

124 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2018 125 Wissenschaftleraustausch

IPF-Fellows Gastwissenschaftler (Auswahl)

Prof. Dr. Leonid Ionov Alexander-von-Humboldt- Dr. Meisam Shabinian Stipendium des Deutschen Universität Bayreuth, Stiftung-Stipendiaten Standard Research Institute, Iran Akademischen Austauschdienstes (DAAD) Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Synthesis of a new series of partially hydrolyzed Bayreuth, Deutschland Dr. Quinn Alexander Besford polyacrylamides for improving shale stability Yann-Jiun Chen University of Melbourne, Australia and thermal resistance of drilling mud National Taiwan University of Science and Technology, China Prof. Dr. Hossein Ali Khonakdar Chemosensitive polymer brushes 1.01.2020 bis 30.06.2021 Bonding behavior of blends from biomaterials in weld lines and Iran Polymer & Petrochemical Institute, through co-nonsolvency effects two shot injection molded parts Teheran, Iran 1.09.2019 bis 31.08.2021 Prof. Joseph Tracy 28.04.2018 bis 30.04.2019 North Carolina State University, USA Prof. Dr. Barbara Klajnert-Maculewicz Dr. Soosang Chae Optically and magnetically responsive three Kedar Nath Dhakal University of Lodz, Korea Research Institution dimensional printed nanocomposite hydrogels Tribhuvan University, Nepal Department of General Biophysics, of Chemical Technology, South Korea 05.06.2019 bis 1.09.2019 Meltspun nanofibers based on biodegradable poly(butylene Lodz, Polen Nacre-inspired stretchable fibre electrodes adipate-co-terephthalate)/multiwalled carbon nanotubes 1.05.2018 bis 30.04.2020 Dr. Jianwei Zhang nanocomposites for strain sensor application Dr. Igor KuliĆ National University of Defense Technology, China 1.10.2019 bis 30.09.2020 CNRS, Institut Charles Sadron, Dr. Yue Li Mechanically strong and electrically conductive Strasbourg, Frankreich Chinese Academy of Sciences, graphene/polymer nanocomposites through in situ Giulia Fredi Institute of Chemistry, Beijing, China reduction of graphene oxide upon microwave irradiation University of Trento, Department Prof. Dr. Tilo Pompe Bioinspired co-assembled microscopic hydrogel 10.02.2018 bis 31.12.2019 of Industrial Engineerring, Italy Universität Leipzig, Institut für Biochemie, particles as artificial photosystem via droplet microfluidics Improvement of the filler-matrix adhesion in Leipzig, Deutschland 28.10.2019 bis 28.02.2022 Dr. Ziwei Zhou multifunctional structural polymer composites Jilin University, China for thermal energy storage and release Prof. Dr. Matthias Schubert Prof. Ahmad Ali Mousa Dynamically tunable chiral plasmonics 17.09.2018 bis 16.03.2019 University of Nebraska-Lincoln, Al-Balqa Applied University, Jordan of strongly coupled 3D nano-enantiomers Nebraska Center for Materials and Nanoscience, Entwicklung von umweltfreundlichem Up-cycling von indus- 1.03.2019 bis 28.02.2021 Minoj Gnanaseelan Lincoln, USA triell im metallurgischen Prozess anfallender Schlacken für Indian Institut of Technology, Kharagpur, India funktionale Polymercomposite auf Basis von UP-Harzen Thermoelectric materials based Prof. Dr. Philipp Seib 15.06.2019 bis 14.09.2019 Liebig-Stipendium on polymer-based nanocomposties Strathclyde University, 1.10.2015 bis 31.03.2019 Institute of Pharmacy and Biomedical Sciences, Dr. Charlene Ng Dr. Franziska Lissel Glasgow, Großbritannien Commonwealth Scientific and Industrial Organometallic donor-acceptor polymers Dr. Tales Lisboa Research Organisation, Canberra, Australia for (opto)electronic applications Federal University of Rio Grande do Sul, Prof. Dr. De-Yi Wang Enhanced hot carries extraction by collective plasmonic resonances 1.04.2018 bis 31.03.2021 UFRGS, Porto Alegre, Brazil Madrid Institute for Advanced Studies of Materials, 30.10.2017 bis 31.01.2020 Improving the crashworthiness of composite Madrid, Spanien Dr. Christian Rossner structures produced by tailored reinforcements José Humberto Santos Almeida Júnior Maßgeschneiderte Nanohybridmaterialien on filament winding using variable-axis fiber design Federal University of Rio Grande do Sul, für die plasmonenverstärkte Photokatalyse 1.06.2019 bis 31.05.2020 UFRGS, Porto Alegre, Brazil 1.12.2019 bis 30.11.2022 Development of a 3D free fiber placement process based on a rapid consolidation of the thermoset matrix for manufacture of complex composite structures 1.04.2017 bis 31.03.2019

126 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2018 127 Wissenschaftleraustausch Wissenschaftleraustausch

Subhradeep Mandal Stipendium des chinesischen State Peng Wang Xueyan Zhao Indian Institute of Technology, Kharagpur, India Scholarship Funds vergeben über China China Exploring oxigen-metal-complex network China Scholarship Council (CSC) Non-covalent interactions for the fabrication Supercapacitor electrodes based on hybrid carbon fillers formation in epoxidised natural rubber (ENR) of complex polyplexes for imaging study 12.10.2015 bis 28.02.2019 1.10.2019 bis 31.03.2020 Yixuan Du 11.10.2017 bis 31.03.2021 Shanghai University, China Kajari Mazumder Design of Janus structures for high-performance Ruosong Wang DFG- Stipendium Materials Science Centre, Indian Institute of Technology, India organic optoelectronic devices with plasmonic particles China Preparation of functional polymers 14.11.2018 bis 30.09.2022 Surface plasmon enhanced upconversion Bhanu Nandan and explore their applications Yian Chen based on Ln-doped nanoparticles Indian Institute of Technology, Delhi, India 1.10.2019 bis 30.09.2020 China 1.11.2018 bis 31.10.2021 Electrospun nanofibers with embedded Novel functional materials based on cellulose and graphene yolk-shell particles for catalytic applications Sajid Naseem 07.10.2016 bis 31.03.2020 Xueyi Wang University of Engineering and Technology, China Lahore, Pakistan, Asia Dr. Xin Huang Multicompartmentalized capsules for mimicking cell functions Stipendium der International The interrelation of different flame protecting Harbin Institute of Technology School towards the establishment of differenty responsive compart- Helmholtz Research School mechanisms for polymer materials depending on of Chemistry and Chemical Engineering, China ments in hollow capsules for Nanoelectronic Networks the composition of the flame retardant nano additives Construction of proteinosomes and polymersome hybrid 21.10.2016 bis 31.03.2020 1.10.2016 bis 30.09.2020 multi-compartmental models Oumaima Aiboudi 21.07.2019 bis 20.08.2019 Ping Wen Morocco, Africa Sanjay Pal Harbin Institute of Technology School of Azulene-based nanocars Indian Institute of Technology, Kharagpur, India Chen Jiao Chemistry and Chemical Engineering, China 07.05.2018 bis 06.05.2020 Formation of double network structure in maleic China Construction of hybrid multicompartments anhydride grafted ethylene propylene (M-EPM) rubber: Hydrogels with non-linear and selective based on proteinosome and polymersome Structure-processing-properties relationship study response on chemical information for 1.03.2019 bis 28.02.2020 Stipendium des Science and Engineering 1.10.2019 bis 31.03.2020 1.10.2019 bis 30.09.2023 Research Board (SERB), Indien Xu Xiaoying Maria Zhyhailo Yilong Li Donghua University, China Sajan Singh National Academy of Sciences of Ukraine, Ukraine China Artificial cell mimics based on polymersomes Indian Institute of Technology, Delhi, India Proton conductive polymer and organic- Nanocarbon filled polymer composites and multicompartments for capturing pathogens Multifunctional nano-objects via self-assembly inorganic membranes for fuel cell application for vapor sensing applications 1.10.2018 bis 31.03.2022 of block copolymer for fluorescence resonance 1.10.2019 bis 30.06.2020 04.11.2015 bis 03.11.2019 energy transfer studies Kehu Zhang 1.10.2019 bis 30.09.2020 Xinlei Tang China Stipendium von China China Integrating attachable, self-sorting, multi-stimuli-responsive Scholarship Council (CSC) und DAAD Multicomponent composites containing polymersomes for applications in microfluidic channels Stipendium des Thailand carbon nanoparticles 1.10.2019 bis 31.03.2023 Research Fund (TRF) Dr. Cheng-Wu Li 1.10.2016 bis 30.09.2020 Xiamen University, Department of Physics, China Kenan Zhang Kriegsank Damampai Polyelectrolyte brushes in external fields China Prince of Songkla University, Thailand 1.09.2019 bis 28.02.2021 Novel solution-processable semiconducting Influence of metal ions on coordination polymers for vertical transistors linkage of epoxidized natural rubber 1.09.2017 bis 31.08.2021 1.10.2019 bis 31.03.2020

128 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2018 129 Wissenschaftleraustausch

Gaststudenten am IPF(Auswahl) Aufenthalte von IPF-Mitarbeitern

Stipendium des Deutschen ERASMUS-Stipendium als Gastwissenschaftler im Ausland Akademischen Austauschdienstes (DAAD) Marianna Carone Yannic Brasse Dr. Albena Lederer Mahawat Singh Dalmiya University of Urbino, Italy The University of Melbourne, School of Chemistry, Stellenbosch University, Dept. of Polymer Science; Indian Institute of Technology, India Synthesis and characterization of new molecules Prof. Paul Mulvaney, Melbourne, Australia Private Bag X1, Matieland, 7602, Stellenbosch, South Africa Parameterization of constitutive models for elastomers for Lupus disease treatment (open and dense shell Royal Melbourne Institute of Technology, School of Physical Poylmer Science: Polymers in Solution considering hyperelasticity, viscoelasticity and the Mullins effect PPI and PAMAM dendrimers with lower generation) Science Cluster, Prof. Daniel Gómez, Melbourne, Australia 16.03.2019 bis 18.04.2019 14.10.2019 bis 31.03.2020 21.01.2019 bis 20.03.2019 Tunable polymer-metal based anti reflective metasurfaces (DAAD Scholarship via Bayreuth- Inga Melnyk Jeetendra Gour Alice Liguoro Melbourne Colloid/Polymer Network) Monash University, School of Chemistry, Indian Institute of Technology, India Université de Bretagne-Sud, France 30.01.2019 bis 28.04.2019 Dr. Rico Tabor, Melbourne, Australia Plasmonic nano-particle grating by directed Preparation of polymer/CNT blends The University of Melbourne, Chemical Engineering, self-assembly for hot electron injection and their thermoelectric characterization Jennifer Daeg Porf. Dr. Ray Degastine, Melbourne, Australia 1.09.2018 bis 31.03.2019 25.03.2019 bis 07.06.2019 Sección de Inmunología, Laboratorio Inmuno Interactions of photo-responsive surfactants by colloidal Biología Molecular, Hospital General Universitario probe AFM (DAAD Bayreuth-Melbourne Scholarship) Muskan Kularia Sarah Tassinari Gregorio Marañón (HGUGM), Madrid, Spanien 11.02.2019 bis 10.05.2019 Indian Institute of Technology, Delhi, India University of Urbino, Italy Biokonjugate für die Inhibierung von HIV-1 und Plasmonic nanoparticles self-assembly on a fiber end face Synthesis and characterization of new molecules HSV-2 Infektionen (Förderungsgeber: Laura Plüschke 1.10.2019 bis 31.03.2020 for Lupus disease treatment (open and dense shell Graduiertenakademie TUD) Stellenbosch University, Dept. of Polymer Science; PPI and PAMAM dendrimers with lower generation) 16.06.2019 bis 20.08.2019 Private Bag X1, Matieland, 7602, Stellenbosch, South Africa Durga Charan Mishra 25.02.2019 bis 24.04.2019 Comprehensive analysis of dendritic polyethylene using a Indian Institute of Technology, India Dimitri Eigel multiple preparative fractionation approach Faculty of Science Role of advanced elastomer composite Aleksey Tenyuta Cardiff University, School of Pharmacy (Gastdoktorandin über ein Erasmus gefördert) in the failure behavior under cyclic loading Belarusian State University, Belarus and Pharmaceutical Science, United Kingdom 17.02.2019 bis 19.04.2019 14.10.2019 bis 31.03.2020 NMR investigations on cellulose sulfate acetate Microscale cryogels as devices for focal 20.09.2019 bis 20.12.2019 therapeutic delivery (DFG/Roland Ernst Stiftung) Enrico Wölfel Tuhin Subhra Pal 1.10.2018 bis 31.03.2019 Deakin University, Institute for Frontier Materials, Indian Institute of Technlogy Kharagpur, India Geelong Waurn Ponds Campus, Waurn Ponds, Australien Analysis of the crosslinkability of Dr. Petr Formanek Surface modification of carbon fibers polyurethanes by electron beam irradiation TU Berlin, Institut für Optik und Atomare Physik, for polyurethane based sizings 1.10.2018 bis 31.03.2019 Arbeitsgruppe Prof. Dr. Michael Lehmann, Berlin, Germany 6.11.2019 bis 17.12.2019  Electron holography of polymers and polymer composites Darshak Pathiwada 4.02.2019 bis 30.04.2019 Indian Institute of Technology, Delhi, India Self-healable supramolecular acrylic elastomers Nicolas Hauck, 16.09.2019 bis 31.03.2020 Harvard University, School of Engineering and Applied Sciences, Cambridge, USA Vignesh Pavunraj Glass capillary microfluidics for fabricating mechano- Indian Institute of Technology, India responsive microcapsules as particulate additive in 3D-printing Development of advanced elastomeric 1.04.2019 bis 30.06.2019 composites from eco-friendly and renewable sources exploring green technology 1.10.2019 bis 31.03.2020

130 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2018 131 1 2 3 4 5 6

Wissenschaftliche Veranstaltungen

Symposium „Personalisierte Medizin – [ 4 ] 10th European PhD Students’ Seminar on Rubber [ 5, 6 ] 2. Leibniz-Kolloquium „Theoria cum praxi“ Active Polymeric Materials and Microsystems Diagnostik – Medizintechnik“ 8. bis 10. April, Paris, Frankreich 18. Juni 2019, Dresden Konferenz des Graduiertenkollegs des Leibniz-Forschungsverbundes „Hydrogel-basierte Mikrosysteme“

„Gesundheitstechnologien“ Workshop on Progress in [ 10 ] 15th Zsigmondy Colloquium 16. bis 19. September 2019, Dresden 20. März 2019, Berlin Nanotechnology and Optoelectronics of the German Colloid Society

Veranstaltung des European Centre 10. bis 12. Juli 2019, Dresden [ 8 ] 26. Fachtagung TECHNOMER Herstellung, Charakterisierung und Anwendung for Nanostructured Polymers 7. und 8. November 2019, Chemnitz

von einfach funktionalisierten und Janus-Partikeln 25. bis 27. April 2019, Lodz, Polen [ 2 ] The International Conference

verschiedener Größenskalen, Geometrien und on Adhesion in Aqueous Media: [ 11 ] Aachen-Dresden-Denkendorf

Eigenschaften – von nano bis meso, von Kugeln [ 6 ] 27. Seminar „Kunststoffrecycling in Sachsen“ From Biology to Synthetic Materials International Textile Conference 2019 bis Plättchen, von hart bis soft 8. Mai 2019, Dresden 9. bis 12. September 2019, Dresden 28. und 29. November 2019, Dresden 22. März 2019, Dresden

Next Generation Strategies and Insights [ 1 ] 18th European Conference on Applications of [ 9 ] Festkolloquium „30 Jahre Polymer-

[ 3, 7 ] Leibniz Conference on Bioactive Compounds 2019 on Large Molecule Characterization Surface and Interface Analysis (ECASIA 2019) Spektroskopie und Ellipsometrie Tagung des Leibniz-Forschungsverbundes Wyatt User Meeting Dresden – User Meeting 15. bis 20. September 2019, Dresden am IPF Dresden e. V.“ „Wirkstoffe und Biotechnologie“ und Light Scattering University on Tour 3. Dezember 2019, Dresden  1. und 2. April 2019, Dresden 14. und 15. Mai 2019, Dresden

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132 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2018 133 Wissenschaftliche

Prof. Andreas Deutsch Prof. Derek Gates Kolloquien (öffentlich) Technische Universität Dresden, Zentrum für The University of British Columbia in Vancouver, Informationsdienste und Hochleistungsrechnen Faculty of Chemistry, Kanada Biological self-organisation: Mechanisms, A role for phosphorus in polymer chemistry Dr. José Alvarado PD Dr. Torsten Beweries models and analysis 9. Januar 2019 University of Texas at Austin, USA Leibniz-Institut für Katalyse e. V. 7. Mai 2019 Molecular motors robustly drive active gels an der Universität Rostock Prof. Daniel Gomez to a critically connected state Catalytic dehydropolymerisation of amine boranes: Dr. Artur Erbe Royal Melbourne Institute of Technology, Australien 8. Oktober 2019 New catalysts and polymer functionalities Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf Plasmonic hot carrier extraction 3. Mai 2019 Electrical contacting and characterization with near-perfect absorbers Prof. Sandro Amico of self-organized nanowires 8. Juli 2019 Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Brasilien Prof. Joseph Michael Brader 12. November 2019 Overview of the research work of the composites group University of Fribourg, Switzerland Dr. Holger Großmann at UFRGS including the development of a dedicated Applying equilibrium statistical Prof. José Paulo S. Farinha Anton Paar Germany GmbH composite mechanics software mechanics to active systems University of Lisbon, CQE and Institute Latest developments in measurement technology for 11. September 2019 24. Juni 2019 of Nanoscience and Nanotechnology, Portugal the characterization of powders and solid materials Stimuli-responsive polymers for 20. Mai 2019 Dr. Daria Andreeva-Baeumler Dr. Karsten Brüning controlled release in nanocarriers National University of Singapore, Konica Minolta Laboratory USA, Inc., San Mateo, CA, USA 12. Juni 2019 Dr. Saikat Das Gupta Faculty of Science, Singapur Strain-induced crystallization in natural rubber – Hari Shankar Singhania Elastomer Programmable artificial materials based on Streching the fatigue life of polymers and scientists Dr. Christian Fettkenhauer and Tyre Research Institute (HASETRI), Indien interactions between two-dimensional materials 18. Juni 2019 Anton Paar Germany GmbH Effect of silane coupling agent on silica and stimuli responsive polymers Latest developments in measurement technology for based PCR tread compounds 4. Juni 2019 Dr. Tuhin Chatterjee the characterization of powders and solid materials 8. März 2019 University of Groningen, Niederlande 20. Mai 2019 Sergey V. Antonov Reactive extrusion of polyolefin in presence Prof. Luke C. Henderson Russian Academy of Science, A.V. Topchiev of supercritical carbon dioxide Dr. Dieter Fischer Carbon Nexus, IFM, Deakin University, Australien Institute of Petrochemical Synthesis, Russland 14. August 2019 IPF Dresden e.V., Abt. Analytik Using electrochemically initiated polymerisation Adhesives based on modified epoxy resins (Mikro)Plastik in unserer Umwelt -Was wissen wir? to improve carbon fibre properties and interfacial 5. Dezember 2019 Dorota Chlebosz Eintragsquellen, Transportwege, Verbleib – adhesion in a composite University of Texas at Austin, USA mögliche Gefährungen für Mensch und Umwelt 16. September 2019 Prof. Michael J. Aziz Wroclaw University of Science and Technology, 9. Oktober 2019 Harvard School of Engineering and Applied Science, USA Faculty of Chemistry, Polen Prof. Christoph Herm1 und Dr. Josef Brandt2 Organic aqueous flow batteries for Properties of poly(3-hexylthiophene):N,N'-alkyl Monalisa Garai 1) Hochschule für Bildende Künste Dresden massive electrical energy storage substituted aromatic diimides blends and their National University of Singapore, 2) IPF Dresden e. V., Abt. Analytik 17. September 2019 applications in flexible electronics Department of Chemistry, Singapur Alterungsprozesse historischer polymerer Konservierungs- 18. Juni 2019 Plasmon enhanced photoluminescence of metal materialien an Glasfenstern – Ein Beitrag zu Erhaltung

Dr. Alessia Besford nanoparticles and monolayer MoS2 studied mittelalterlicher Glasmalerei einschließlich der Ergän- IPF Dresden e. V., Prof. Angel Licea Claveríe by single particle spectroscopy zungen aus dem 19. Jahrhundert im Naumburger Dom Institut für Biofunktionelle Polymermaterialien Tecnológico Nacional de México,Instituto Tecnológico 25. November 2019 8. Mai 2019 The biomolecular corona at the bio-nano interface – de Tijuana, Center for Graduate Studies and Research Opportunities and challenges in Chemistry, Mexiko 18. November 2019 PEGylated temperature/pH-responsive nanogels for delivery of chemotherapeutic agents to cancer cell-lines 10. September 2019

134 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2018 135 Wissenschaftliche Kolloquien Wissenschaftliche Kolloquien

Dr. Jan Heyda Prof. Harald Pasch Dr. Biplab Paul University of Chemistry and Technology Prague, Prof. Rogério Marczak University of Stellenbosch, Department of Linköping University, Department of Department of Physical Chemistry, Tschechien Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Brasilien Chemistry and Polymer Science, Südafrika Physics Chemistry and Biology (IFM), Schweden Thermodynamics and electrophoresis in light of An improved constitutive model for anisotropic Analytical LEGO as a tool for Growth of inorganic-polymer hybrid flexible thin molecular dynamics simulations and theory of solutions elastomers polymer nanostructures elucidation films for wearable thermoelectric applications 29. Januar 2019 22. Oktober 2019 28. Juni 2019 12. April 2019 Jun.-Prof. Dr. Stefan Weber Prof. Frieder Mugele Christoph Pfeifer Prof. Andrzej Pawlak Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz University of Twente, Physics of Complex Fluids, Karlsruher Institut für Technologie, Polish Academy of Sciences, Centre of Molecular Watching ions move: Scanning probe Niederlande Institut für Technische Chemie und Polymerchemie and Macromolecular Studies, Lodz, Polen microscopy on perovskite solar cells Charge generation at mineral-electrolyte interfaces: Hydrogels as separation media based on defined pore size The entanglements of macromolecules and 20. Februar 2019 from microscopic ion adsorption to hydration 30. September 2019 their influence on the properties of polymers and macroscopic wetting transitions 18. Juni 2019 Dr. Adam Kiersnowski 25. Januar 2019 Dr. Jan Plagge IPF Dresden e. V., Abt. Mechanik und Verbundwerkstoffe Deutsches Institut für Kunststofftechnologie e. V., Dr. Dillip K. Satapathy Tailoring crystallinity of polymers for applications in Dr. Caroline Murawski Hannover Soft Materials Laboratory, flexible electroactive and semiconducting materials Kurt-Schwabe-Institut für Mess- und Thermo-mechanical evaluation of strain-induced Department of Physics, IIT Madras, Indien 13. März 2019 Sensortechnik e. V., Meinsberg crystallization in filled and unfilled natural rubber Novel phenomena in confined polymers Shining new light on organic LEDs: From oriented 18. Juni 2019 20. September 2019 Dr. Meike König emitters to new applications in biophotonics Karlsruhe Institute of Technology (KIT), 28. Mai 2019 Prof. Alexander Revzin Prof. Tatsiana Savitskaya Institute of Functional Interfaces Mayo Clinic, Department of Physiology Belarusian State University, Functional poly-p-xylylene coatings Dr. Dieter Nees and Biomedical Engineering, USA Physical Chemistry Department, Weißrussland via CVD polymerization JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH, Microsystems for cell cultivation and analysis Polyelectrolyte complexes and composites of water 21. Oktober 2019 MATERIALS – Institut für Oberflächen- 28. Juni 2019 soluble alkali metal salts of cellulose acetate sulfate technologien und Photonik, Österreich (CAS) immobilized on the activated carbon Dr. Jos Lenders Roll-to-roll UV nanoimprint lithography Dr. Christian Rossner 12. März 2019 Wiley-VCH Verlag GmbH& Co. KGaA for large area manufacturing of bionic surfaces University of Toronto, Publishing advanced materials science with Wiley 22. Mai 2019 Department of Chemistry, Kanada Dr. Leonardo Scarabelli under the Projekt DEAL “Publish & Read” agreement – Nanomaterial design by controlling University of California, How to maximize your success Dr. Ryan Nieuwendaal polymeric architecture Departments of Chemistry and Biochemistry, USA 20. September 2019 National Institute of Standards and Technology, USA 24. Juni 2019 Large-scale fabrication of plasmonic materials: Amorphous polymer structures from REDOR NMR Challenges and potentials Dr. Tales de Vargas Lisbôa and molecular dynamics simulation biasing. Adj. Prof. Stephan Roth 29. August 2019 Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Brasilien 9. September 2019 Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY Analysis of the pattern influence on and KTH Royal Institute of Technology Prof. Felix H. Schacher components produced by filament winding Dr. Toshihisa Osaki Polymer and nanocomposites – Advanced synchrotron Friedrich-Schiller-Universität, Jena 17. Mai 2019 Kanagawa Institute of Industrial radiation in situ investigations from thin films to the bulk Polyampholytes as versatile materials Science and Technology, Japan 18. Juni 2019 in “catch & release” applications Prof. Ravikumar Majeti Artificial cell membrane platforms 6. Dezember 2019 Texas A&M University, College of Pharmacy, for drug discovery and super sensors Dr. Claudia Pacholski Department of Pharmaceutical Sciences, USA 28. Juni 2019 Universität Potsdam, Institut für Chemie Next generation functional polyesters Soft colloidal lithography with hydrogel microgels: for biomedical applications A chemical route to functional materials 5. März 2019 23. Januar 2019

136 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2018 137 Wissenschaftliche Kolloquien Messen, Präsentationen

Dr. Marcus Scheele Dr. Linus Stegbauer und Ausstellungen Universität Tübingen, Institut für Northwestern University, USA Physikalische und Theoretische Chemie Learning from nature: Investigation of the hybrid- Structure-transport correlations in superlattices nanocomposites of the chiton tooth towards high-tech Messeauftritte of nanocrystals coupled to organic Pi-systems 3D-printable materials 22. Oktober 2019 4. März 2019 Tire Tech Expo, Hannover [ 1 ] Integrated Lightweight Plaza Stand des IPF auf Einladung der Veranstalter der Hannover Messe [ 3 ] Prof. Christoph Schick Prof. Dr. Horst von Recum 5. bis 7. März 2019 Stand des IPF Universität Rostock, Institut für Physik Case Western Reserve University, Cleveland, USA 1. bis 5. April 2019 Tammann's nuclei development approach Refi llable materials for recurrent JEC World 2019, Paris, Frankreich [ 2 ] in crystallization of macromolecules or chronic drug delivery Präsentation innerhalb des Gemeinschafts- Kunststoffmesse K 2019, Düsseldorf [ 4 ] 18. Juni 2019 16. September 2019 standes „SAXONY!“ sächsischer Stand des IPF im Science Campus Dr.-Ing. Stefan Seelecke Firmen und Forschungseinrichtungen 16. bis 23. Oktober 2019 Universität des Saarlandes, Saarbrücken Ass. Prof. Erik Walinda 12. bis 14. März 2019 Elastocalorics and dielectric elastomers - Graduate School of Medicine, Kyoto University, Japan Smart materials for higher energy effi ciency Probing protein unfolding and aggregation by 3. September 2019 rheological NMR spectroscopy and atomistic simulations 21. März 2019 Dr. Philipp Seib University of Strathclyde, Glasgow, Großbritannien Prof. De-Yi Wang Discovery thread for healthcare applications IMDEA Materials Institute, Madrid, Spanien 13. Dezember 2019 New strategies on development of new generation fi re safety polymer nanocomposites Radoslava Sivkova 10. September 2019 Czech Academy of Sciences, Department of Chemistry and Physics of Surfaces and BioInfaces in the Institute Felix Wong 1 2 3 4 of Macromolecular Chemistry, Prag, Tschechien Harvard University, USA “Click” chemistry as a route to new functional polymers The mechanics of bacterial cell shape 14. Januar 2019 8. April 2019  Veranstaltungen für die allgemeine Öffentlichkeit

Girls’ Day [ 1 ] 28. März 2019

Juniordoktor-Programm [ 2 ] des Netzwerks „Dresden – Stadt der Wissenschaft“ . Experimentalvorlesung Vom Molekül zum Kunststoﬀ (Klassen 3‒5), 21. Januar 2019 . Kleine Dinge ganz groß – Licht- und Elektronenmikroskopie (Klassen 6‒8), 27. März 2019

16. Dresdner Lange Nacht der Wissenschaften [ 3,5 ] 14. Juni 2018 1 2

138 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2018 139 Messen, Präsentationen und Ausstellungen Lehrtätigkeit Kampagne „Genial sächsisch“ der Sächsischen Zeitung [ 4 ] Vorstellung der Erfi ndung Anti-Malaria-Textilien (Kooperation IPF und Universität Pretoria, Südafrika) Professuren von IPF-Mitarbeitern 17. Juni 2019, Dresden

DRESDEN-concept Science Tram: Krebs, Alzheimer Technische Universität Dresden Brandenburgische Technische Universität 3 4 und andere große Krankheiten [ 6 ] Cottbus-Senftenberg Vorstellung und Diskussion der Arbeiten am IPF zur Entwick- Bereich Mathematik und Naturwissenschaften, Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme lung hämokompatibler Materialien und Beschichtungen Fakultät Chemie und Lebensmittelchemie Prof. Dr.-Ing. Udo Wagenknecht – 16. September 2019 Prof. Dr. Brigitte Voit – Honorarprofessur für Kunststofftechnik Professur für Organische Chemie der Polymere, Veranstaltung „30 Jahre Friedliche Revolution Prof. Dr. Andreas Fery – University of Toronto, Kanada in der Deutschen Botschaft in Prag“ [ 7 ] Professur für Physikalische Chemie Polymerer Materialien, Institute of Biomaterials and Biomedical Engineering Präsentation von Ergebnissen deutsch-tschechischer Prof. Dr. Carsten Werner – Prof. Dr. Carsten Werner – Adjunct Professor Wissenschaftskooperation: „Branching design Professur für Biofunktionelle Polymermaterialien. in polyolefi ns by catalyst variation – Synthesis Tampere University of Technology, Finnland meets Experiment meets Theory“ Bereich Mathematik und Naturwissenschaften, Dr. Amit Das – Adjunct Faculty 30. September 2019 Fakultät Physik 5 6 Prof. Dr. Jens-Uwe Sommer – University of Nebraska-Lincoln, USA Besuch von Schüler- und Studentengruppen am IPF Professur für Theorie der Polymere Department of Chemistry 10 Gruppen mit insgesamt ca. 200 Teilnehmern Dr. Petra Uhlmann – Adjunct Professor Zentrale Wissenschaftliche Einheit ‘Center for Molecular and Stellenbosch University, Südafrika Sonstige Veranstaltungen Cellular Bioengineering (CMCB)’ Department of Chemistry and Polymer Science Prof. Dr. Carsten Werner PD Dr. Albena Lederer – Außerordentliche Professur Jahresempfang des IPF 11. April 2019, Dresden [ 8 ] 7 8 Technische Universität Wroclaw, Polen Eröffnung des neuen Fakultät Chemie Institutsgebäudes Kaitzer Straße 4 [ 9 ] Dr. Adam Kiersnowski – Assistant Professor 17. Dezember 2019

Kunstausstellungen [ 10 ] Weitere Lehraufträge von IPF-Mitarbeitern

Indien – Orte und Begegnungen Malerei, Grafi k, Reisetagebücher von André Wejwoda Technische Universität Dresden 30. Januar bis 10. Mai 2019 9 Bereich Mathematik und Naturwissenschaften

Wahrnehmung und Verwandlung André Wejwoda PD Dr. Doris Pospiech – Privatdozentur Dr. Julian Thiele – TUD Young Investigator Malerei von Max Manfred Queißer im Gebiet Makromolekulare Chemie, in der Fakultät Chemie und Lebensmittelchemie, 5. Juni bis 2. Oktober 2019 PD Dr. Martin Müller – Privatdozentur Dr. Tobias A. F. König – TUD Young Investigator FARBEN UND FORMEN ALS LEBENDIGE KRÄFTE im Gebiet Makromolekulare Chemie, in der Fakultät Chemie und Lebensmittelchemie, Farben und Formen als lebendige Kräfte PD Dr. Albena Lederer – Privatdozentur Dr. Franziska Lissel – TUD Young Investigator Bilder der Freien Waldorfschule Dresden im Gebiet Physikalische Chemie, in der Fakultät Chemie und Lebensmittelchemie.

Arbeiten von Schülern der Oberstufe BILDER PD Dr. Alla Synytska – Privatdozentur Dr. Abhinav Sharma – TUD Young Investigator in der DER FREIEN WALDORFSCHULE 10. Oktober 2019 bis 21. Februar 2020  2019 Juni bis 2. Oktober 5. im Gebiet Makromolekulare Chemie, Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften IndienOrte und Begegnungen DRESDEN 10. OKTOBER 2019 bis 21. FEBRUAR 2020 ARBEITEN

Die Ausstellung ist für die Öffentlichkeit VON SCHÜLERN wochentags zwischen 8 und 18 Uhr zugänglich. WahrnehmungMax DER OBERSTUFE Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V. Hohe Straße 6 01069 Dresden und VerwandlungManfred Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V. 10 Queißer Die Ausstellung ist für die Öﬀentlichkeit wochentags zwischen 8 und 18 Uhr zugänglich. Ort: Hohe Str. 6, 01069 Dresden 140 Jahresbericht 2018 141 Lehrtätigkeit Lehrtätigkeit

Technische Universität Dresden Berufungen von IPF-Mitarbeitern an andere Einrichtungen Bereich Ingenieurwissenschaften Dresden International Graduate School PD Dr. Marina Grenzer – Privatdozentur for Biomedicine and Bioengineering Southwest Jiaotong University (SWJTU) für Rheologie komplexer Fluide, Prof. Dr. Carsten Werner in Chengdu, China PD Dr. Hans-Georg Braun – Privatdozentur Prof. Dr. Brigitte Voit School of Materials Science and Engineering für Werkstoffwissenschaften, Dr. Manfred Maitz – Gastprofessur Dr.-Ing. Ines Kühnert – Lehrauftrag Center for Advancing Electronics Dresden cfaed in der Fakultät Maschinenwesen, (mit integrierter Graduate School) Dr.-Ing. Sven Wießner – Lehrauftrag Prof. Dr. Brigitte Voit Berufsausbildung in der Fakultät Maschinenwesen, Prof. Dr. Andreas Fery Dr. Andreas Leuteritz – Lehrauftrag Dr. Tobias A. F. König In Kooperation mit Partnern ist das Institut in der Berufs- in der Fakultät Maschinenwesen. ausbildung aktiv. International Helmholtz Graduate School NanoNet, Gemeinsam mit dem Berufsschulzentrum Meißen- Bereich Ingenieurwissenschaften Prof. D. Brigitte Voit Radebeul und der Sächsischen Bildungsgesellschaft (fakultätenübergreifend) für Umweltschutz und Chemieberufe Dresden werden Graduiertenkolleg 2430 Brandenburgische Technische Universität Chemielaboranten ausgebildet. 2019 befanden sich zwölf „Interaktive Faser-Elastomer-Verbunde“ Cottbus-Senftenberg Auszubildende am IPF in der Ausbildung zum Chemie- PD Dr. Marina Grenzer Fakultät Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme laboranten. Dr.-Ing. Sven Wießner Dr.-Ing. Ines Kühnert – Lehraufträge Bei der Ausbildung von Berufsakademiestudenten „Verarbeitungsbedingte Materialstrukturen“ und zum B.Sc. Biotechnologie kooperiert das Institut mit Graduiertenkolleg 1865 „Aufbau und Materialverhalten der Kunststoffe“ der Berufsakademie Sachsen in Riesa. 2019 war das „Hydrogel-basierte Mikrosysteme“ IPF für zwölf Berufsakademiestudenten Praxispartner Prof. Dr. Brigitte Voit Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden bzw. Ausbildungsunternehmen. Dr. Dietmar Appelhans Fakultät Design Erstmals bot das Institut 2019 die Ausbildung zum Stefan Zschoche Dr. Axel Spickenheuer – Lehrauftrag „Material und Verfahrensmechaniker an, die in Kooperation mit MEA – Jens Gaitzsch Verfahren, Einsatz von Methoden der Finite Elemente Metall- und Elektroausbildung GmbH Kesselsdorf er- Dr.-Ing. Sven Wießner Analyse (FEA) für das Produktdesign“ folgt. In dieser Ausbildungsrichtung wurde 2019 am IPF Dr. Christina Scheffl er ein Auszubildender betreut.  Indian Institute of Sciences, Indien Bereich Bau und Umwelt Center of Nanoscience and Engineering, Bangalore Dr. Christina Scheffl er – TUD Young Investigator PD Dr. Hans-Georg Braun – DAAD Visiting Professor, in der Fakultät Bauingenieurwesen Lecture Series on Soft Matter Engineering

Zentrale Wissenschaftliche Einheit ‘Center for Molecular and Cellular Bioengineering (CMCB)’ Prof. Dr. Carsten Werner PD Dr. Hans-Georg Braun – Lecturer Dr. Julian Thiele – Lecturer

142 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2018 143 Impressum

Herausgeber Der Vorstand des Leibniz-Instituts für Polymerforschung Dresden e. V. Prof. Dr. Brigitte Voit, Wissenschaftliche Direktorin Dr. Lilla Farkas, Kaufmännische Direktorin

Anschrift Postfach 120411, 01005 Dresden Telefon +49 351 4658-0 Telefax +49 351 4658-284 Internet www.ipfdd.de Email [email protected]

Redaktion Kerstin Wustrack, Dr. Victoria Albrecht, Lilija Kusnez

Layout und Satz Judith Nelke

Bildnachweis Titel Sven Döring; Seite 4 (li.) Sven Döring, (re.) IPF, Sebastian Kühn; Seite 5 Sven Döring; Seite 6 Jörg Simanowski; Seite 12 (v. li. n. re.) Jörg Simanowski, Kai Uhlig, Kai Uhlig; Seite 13 (v. li. n. re.) Jörg Simanowski, Jürgen Lösel, Jörg Simanowski, Jörg Simanowski; Seite 14 Sven Döring; Seite 15 (v. li. n. re.) Jörg Simanowski, Kai Uhlig, Jörg Simanowski; Seite 36 IPF, Sebastian Kühn; Seite 37 (v. li. n. re.) Jörg Simanowski, Jörg Simanowski, Kai Uhlig; Seite 56 Sven Döring; Seite 57 (v. li. n. re.) Jürgen Lösel, privat; Seite 74 Sven Döring; Seite 57 (v. li. n. re.) Kai Uhlig, Jürgen Lösel; Seite 124 [1] ICMAB-CSIC Barcelona, [2] GDCh, [3] ProMatLeben-WIN, [4,6,7] Judith Nelke, [5] DKG, [8] Jörg Simanowski, [9] Jürgen Jeibmann, [10] Münster, SFB 858, [11] imrp-iia.com, [12] Phillip Jan Mehner (TU Dresden), [13] Science Slam Basel, [14] SBG Dresden mbH; Seite 132 [1] 2019 Hans-Günther Lindenkreuz und Steffen Oswald, [2] Inga Melnik, [3,7] Carola Graf, [8] Mirko Albrecht, [9] Judith Nelke; Seite 133 [4] Bruno Muret, [5,6,10] Kai Uhlig, [11] ITM, TUD; Seite 139 (oben) [1] C.E.S. Bhagavatheswaran, [2,3] Axel Spickenheuer, [4] IPF; (unten) [1,2] Kerstin Wustrack; Seite 140 [3,5,8] Judith Nelke, [4] Ines Kühnert, [6] Sebastian Hoppe, [7] Jan Merna, [9] Stephan Floss;

Druck Druckerei Thieme Meißen GmbH, www.druckereithieme.de

Redaktionsschluss 10. März 2020

Abdruck (auch von Teilen) oder sonstige Verwendung sind nur nach vorheriger Absprache mit dem Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V. gestattet.

Das IPF wird gemeinsam durch Bund und Länder gefördert. Das Institut wird mitfi nanziert mit Steuermitteln auf Grundlage des von den Abgeordneten des Sächsischen Landtags beschlossenen Haushalts.

144 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden Jahresbericht 2018 145