Nenad Trinajstić – Pioneer of Chemical Graph Theory

We present a brief overview of many contributions of Nenad Trinajstić to Chemical Graph Theory, an important and fast developing branch of Theoretical Chemistry. In addition, we outline briefly the various activities of Trinajstić within the chemical community of Croatia. As can be seen, his scientific work has been very productive and has not abated despite the hostilities towards the Chemical Graph Theory in certain chemical circles over the past 30 years. On the contrary, Trinajstić continued, widened the areas of his research interest, which started with investigating the close relationship between Graph Theory and HMO, and demonstrated the importance of Chemical Graph theory for chemistry. In more than one way he has proven the opponents of Chemical Graph Theory wrong, though some continue to fail to recognize the importance of Graph Theory in Chemistry

BALLView : a molecular viewer and modeling tool

Over the last ten years, many molecular modeling software were developed, but most of them offer only limited capabilities or are rather difficult to use. This motivated us to create our own molecular viewer and modeling tool BALLView, based on our biochemical algorithms library BALL. Through its flexible and intuitive interface, BALLView provides a wide range of features in fields of electrostatic potentials, molecular mechanics, and molecular editing. In addition, BALLView is also a powerful molecular viewer with state-of-the-art graphics: it provides a variety of different models for biomolecular visualization, e.g. ball-and-stick models, molecular surfaces, or ribbon models. Since BALLView features a very intuitive graphical user interface, even inexperienced users have direct access to the full functionality. This makes BALLView particularly useful for teaching. For more advanced users, BALLView is extensible in different ways. First, extension on the level of C++ code is very convenient, since the the underlying code was designed as a modular development framework. Second, an interface to the scripting language Python allows the interactive rapid prototyping of new methods. BALLView is portable and runs on all major platforms (Windows, MacOS X, Linux, most Unix flavors). It is available free of charge under the GNU Public License (GPL) from our website (www.ballview.org).Im Laufe der letzten zehn Jahre wurden viele verschiedene Molecular Modeling Programme geschrieben, aber die meisten bieten nur eingeschränkte Funktionalität, oder sind sehr unintuiv zu bedienen. Dies impliziert, dass viele Forscher Probleme mit diesen Programmen haben und benutzerfreundlichere Software vorziehen würden. Dies inspirierte uns dazu,mit BALLView ein neuartiges Modellierungsprogramm zu entwickeln, basierend auf unserer biochemischen Algorithmenbibliothek BALL. Durch seine flexible Oberfläche bietet BALLView eine reiche Palette an Funktionen in den Bereichen Elektrostatik, Molekularmechanik und dem Edititieren von Molekülen an. Darüberhinaus ist BALLView auch ein leistungsfähiges Programm zur Visualisierung von Molekülen, das über Grafikfähigkeiten verfügt, die dem neuesten Stand der Technik entsprechen. BALLView unterstützt neben allen Standard-Molekülmodellen wie bspw. Stick, Cartoon, Ribbon und Oberflächen auch die Visualisierung von elektrostatischen Feldern. Alle aufgeführten Funktionen können auch von unerfahrenen Benutzern verwendet werden, da BALLView eine sehr intuitive Benutzeroberfläche besitzt. Dadurch ist es hervorragend geeignet zum Einsatz in der Lehre. Für fortgeschrittene Benutzer ist BALLView erweiterbar auf zwei unterschiedlichen Wegen: Durch das Design der zugrundeliegenden Klassenhierarchie sind Erweiterungen auf der Ebene des C++ Programmcodes sehr einfach zu realisieren. Desweiteren bietet BALLView ein Interface zur Skriptsprache Python, die interaktives Rapid-Prototyping von neuen Funktionen erlaubt. BALLView ist portierbar und kann auf allen verbreiteten Plattformen (Windows, MacOS X, Linux, die meisten Unix-Derivate) verwendet werden. Es ist frei verfügbar unter der LGPL Lizenz und kann von unserer Webseite heruntergeladen werden (www.ballview.org)

Diffusion of tin from TEC-8 conductive glass into mesoporous titanium dioxide in dye sensitized solar cells

The photoanode of a dye sensitized solar cell is typically a mesoporous titanium dioxide thin film adhered to a conductive glass plate. In the case of TEC-8 glass, an approximately 500 nm film of tin oxide provides the conductivity of this substrate. During the calcining step of photoanode fabrication, tin diffuses into the titanium dioxide layer. Scanning Electron Microscopy and Electron Dispersion Microscopy are used to analyze quantitatively the diffusion of tin through the photoanode. At temperatures (400 to 600 °C) and times (30 to 90 min) typically employed in the calcinations of titanium dioxide layers for dye sensitized solar cells, tin is observed to diffuse through several micrometers of the photoanode. The transport of tin is reasonably described using Fick\u27s Law of Diffusion through a semi-infinite medium with a fixed tin concentration at the interface. Numerical modeling allows for extraction of mass transport parameters that will be important in assessing the degree to which tin diffusion influences the performance of dye sensitized solar cells

Environmental implications of higher order fullerenes and conjugated nanostructures

In quest of harnessing emergent properties and achieving multifunctionality in the materials realm, synthesis and manipulation at the nano-scale has moved its focus from simple passive nanomaterials (NMs) to hierarchical nanostructures. Such nanostructures include higher order fullerenes (HOFs), carbon allotropes composed of more than 60 carbon atoms per fullerene cage, and conjugated nanohybrids (NHs), prepared from materials of multiple chemical origin. The advantages in their electronic, optical, physicochemical, and magnetic properties have inspired their research and use in photovoltaics, nano-electronics, biomedical imaging and drug delivery, catalysis, energy generation and storage, and environmental remediation and sensing. Not only as research grade materials, a global market of bio-imaging and fuel-cell applications have been integrating use of HOFs, and NHs, respectively. Thus it is an exciting time for materials engineering to expand the spectrum of these ‘horizon materials’ by putting together a variety of chemical ‘building blocks’ and build a wide range of multifunctional hierarchical structures. However, such conjugation leading to complex hierarchical structures also introduces unknown environmental risks. The emergent properties of these hierarchical structures necessitate careful assessment of their environmental health and safety. This dissertation is one of the first organized efforts to identify hierarchical nanostructures and assess their environmental implications. This research, through extensive literature review of these novel nanostructures, proposes a working definition of NH from environmental perspective, classifies a wide array of NHs based on chemical origin, and identifies their emerging and altered physicochemical properties with potential to generate unprecedented environmental fate, transport, transformation, and toxicity. Furthermore, this dissertation makes an effort to address three major data gaps: i.e., a) challenges in aqueous solubilization of HOFs, b) possible correlation of carbon numbers on fullerene molecules with their aggregation behavior, and c) influence of hybridization on aggregation kinetics and antimicrobiality of an important electrocatalyst NH (metal-carbon). To address the first data gap, aqueous suspensions of nC₆₀, nC₇₀, nC₇₆, and nC₈₄ were prepared using a calorimetry-based solvent exchange method. Non-aggregating and size-specific aqueous nC₆₀ and nC₇₀ fullerene clusters also were prepared using a non-ionic polymer, pluronic acid (PA). The environmental processes section of this research assessed aggregation kinetics of nHOFs and NHs as well as antimicrobiality of TiO₂ conjugated oxidized multiwalled carbon nanotube (OMWNT-TiO₂) NH. Aqueous solubilization of C₇₀, C₇₆, and C₈₄ was performed being guided by molecular dynamics (MD) simulations. Increased energy demand reflects favorability of HOF-water interaction. The experimental findings suggest that nHOF clusters obtained via solvent-exchange solubilization method remains stabilized by electrostatic repulsion. Similarly, non-ionic triblock co-polymer PA F-127 stabilized aqueous C₆₀ and C₇₀s were prepared. Experimental results suggest that size uniformity of aqueous fullerenes increased with the increase in PA concentration, yielding optimum 58.8±5.6 and 61.8±5.6 nm nC₆₀s and nC₇₀s, respectively (0.10 %w/v PA). Fullerene aqueous suspensions also manifested colloidal stability even in presence of 1 M NaCl or in biological media, i.e., DMEM and RPMI. MD simulations results indicate encapsulation of fullerene clusters by PA molecules and subsequent steric stabilization. The results from this study may facilitate mechanistic environmental and toxicological studies with size-specific fullerenes that do not aggregate in high ionic strength biological media. Aqueous suspensions of nC₆₀ and three nHOFs (i.e., nC₇₀, nC₇₆, and nC₈₄) obtained via solvent-exchange method were systematically studied to determine their aggregation kinetics in a wide range of mono- (NaCl) and divalent (CaCl₂) electrolytes. Experimentally obtained critical coagulation concentration (CCC) values of nC₆₀ and nHOFs displayed a strong negative correlation with the carbon number in fullerenes. The aggregation mechanism was dominated by van der Waals interaction as enumerated via MD simulation and modified Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO) model. Natural macromolecules profoundly stabilized all fullerene clusters, even at 100 mM NaCl concentration. The results from this study can be utilized to predict aggregation kinetics of nHOFs other than the ones studied here. To understand the aggregation behavior of carbon-metal NHs, oxidized MWNTs were hybridized sequentially with undoped or Nb-doped TiO₂ and Pt NPs. OMWNT-TiO₂, OMWNT-TiNbO₂, OMWNT-TiO₂, and OMWNT-TiNbO₂-Pt and the component materials were characterized and their aggregation behavior was studied systematically. Experimental findings show that CCC values OMWNT were reduced by TiO₂ attachment; however, Nb-doping and Pt attachment increased their colloidal stability and CCC values. The aggregation mechanism was elucidated by modified DLVO energy calculations using composition-averaged Hamaker constants for NHs. Natural macromolecules stabilized all the NHs and the component materials. Antimicrobiality of OMWNT-TiO₂ NH was studied via in vitro cell viability tests. Opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa PAO1 strain was exposed to OMWNT, TiO₂, and OMWNT-TiO₂ NH at different concentrations in dark and UV-irradiated conditions. OMWNT-TiO₂ NH showed higher antimicrobial activity compared to the component materials under UV-irradiation. Extracellular reactive oxygen species (ROS) measurement by using fluorescence molecular probes for H₂O₂ identifies UV-induced enhanced ROS generation by the NH as a likely antimicrobial mechanism. The research presented in this dissertation takes the first attempt toward EHS assessment of complex and hierarchical nanostructures. The research findings present new insights into these ‘horizon materials’ and likely will spark interests on this necessary line of research to better understand the environmental fate, transport, and effects of HOFs and NHs. As nanotechnology is advancing from passive singular nanostructures to active and complex nano-systems; such undertakings become imperative to evaluate implications of material complexity at the environmental interface.Civil, Architectural, and Environmental Engineerin

Mathematische Verfahren zur Aufklärung der Struktur, Dynamik und biologischen Aktivität von Molekülen unter Verwendung von NMR spektroskopischen und empirischen Parametern

In der vorliegenden Arbeit werden Verfahren der Mathematik und Informatik entwickelt und eingesetzt, um Struktur, Dynamik und biologische Aktivität aus NMR spektroskopischen und empirischen Parametern zu bestimmen. Dolastatin 10 und Epothilon A sind potentielle Wirkstoffe gegen Krebs, da sie durch Wechselwirkung mit Tubulin die Zellteilung unterbinden. Die 3D Struktur beider Wirkstoffe in Lösung und die Struktur von an Tubulin gebundenem Epothilon A wird aus NMR spektroskopischen Parametern bestimmt. Dolastatin 10 liegt in einem konformationellen Gleichgewicht zwischen der cis -- und trans -- Konformation in der ungewöhnlichen Aminosäure DAP vor. Beide Konformationen des flexiblen Pentapeptids können bestimmt werden mit RMSD = 1.423 Å für das cis -- Konformer und RMSD = 1.488 Å für das trans -- Konformer. Während das trans -- Konformer gestreckt vorliegt, faltet das cis -- Konformer am DAP zurück. Epothilone A ist durch einen Makrozyklus weniger flexibel und sowohl die an Tubulin gebundene Struktur (RMSD = 0.537 Å) als auch freie Form (RMSD = 0.497 Å) kann mit geringen RMSD -- Werten bestimmt werden. Die Struktur der freien Form, welche in Lösung hauptsächlich vorliegt, ist mit der Röntgenstruktur weitgehend identisch. In der an Tubulin gebundenen Form wird eine essentielle Umorientierung der Seitenkette beobachtet, die für die Wechselwirkung mit Tubulin entscheidend ist. Dipolare Kopplungen eines Proteins sind geeignet, eine 3D Homologiesuche in der PDB durchzuführen, da die relative Orientierung von Sekundärstrukturelementen und Domänen durch sie beschrieben wird 85 . Die frühe Erkennung 3D homologer Proteinfaltungen eröffnet die Möglichkeit, die Bestimmung von Proteinstrukturen zu beschleunigen. Eine Homolgiesuche unter Nutzung dipolarer Kopplungen ist in der Lage, Proteine oder zumindest Fragmente mit ähnlicher 3D Struktur zu finden, auch wenn die Primärsequenzhomologie gering ist. Darüber hinaus wird eine Transformation für experimentelle dipolare Kopplungen entwickelt, die die indirekte Orientierungsinformation eines Vektors relativ zu einem externen Tensor in den möglichen Bereich für den Projektionswinkel zwischen zwei Vektoren und somit in eine intramolekulare Strukturinformation übersetzt. Diese Einschränkungen können in der Strukturbestimmung von Proteinen mittels Molekulardynamik genutzt werden 92 . Im Gegensatz zu allen existierenden Implementierungen wird die Konvergenz der Rechnung durch die auf diese Weise eingeführten dipolare Kopplungsinformation kaum beeinflusst. Die dipolaren Kopplungen werden trotzdem von den errechneten Strukturen erfüllt. Auch ohne die Nutzung bereits bekannter Protein­ oder Fragmentstrukturen kann so ein erheblicher Teil der NOE -- Information substituiert werden. Die Dynamik des Vektors, der die beiden wechselwirkenden Dipole verbindet, beeinflusst den Messwert der dipolaren Kopplung. Dadurch wird Information über die Dynamik von Molekülen auf der µs­Zeitskala zugänglich, die bisher nur schwer untersucht werden konnte. Die Messung dipolarer Kopplungen für einen Vektor in verschiedenen Orientierungen erlaubt die Analyse seiner Bewegung 89 . Im besonderen ist die Ableitung eines modellfreien Ordnungsparameters 2 S möglich. Weiterhin lassen sich ebenso modellfrei eine mittlere Orientierung des Vektors, axialsymmetrische Anteile und nichtaxialsymmetrische Anteile der Dynamik ableiten und auswerten. Die Anwendung der so entwickelten Protokolle auf experimentelle Daten 90 lässt Proteine deutlich dynamischer erscheinen als auf der Zeitskala der Relaxationsexperimente zu erkennen ist. Der mittlere Ordnungsparameter sinkt von 0.8 auf 0.6. Dies entspricht einer Erhöhung des Öffnungswinkels der Bewegung von ca. 22 ° auf ca. 33°. Die Bewegungen weichen teilweise bis zu 40% und im Mittel 15% von der Axialsymmetrie ab. Neuronale Netze erlauben eine schnelle (ca. 5000 chemische Verschiebungen pro Sekunde) und exakte (mittleren Abweichung von 1.6 ppm) Berechnung der 13 C NMR chemischen Verschiebung 115 . Dabei kombinieren sie die Vorteile bisher bekannter Datenbankabschätzungen (hohe Genauigkeit) und Inkrementverfahren (hohe Geschwindigkeit). Das 13 C NMR Spektrum einer organischen Verbindung stellt eine detaillierte Beschreibung seiner Struktur dar. Resultate des Strukturgenerators COCON können durch den Vergleich des experimentellen mit den berechneten 13 C NMR Spektren auf ca. 1 o/oo der vorgeschlagenen Strukturen eingeschränkt werden, die eine geringe Abweichung zum experimentellen Spektrum haben 122 . Die Kombination mit einer Substrukturanalyse erlaubt weiterhin die Erkennung wahrscheinlicher, geschlossener Ringsysteme und gibt einen Überblick über die Struktur des generierten Konstitutionssubraumes. Genetische Algorithmen können die Struktur organischer Moleküle ausgehend von derer Summenformel auf eine Übereinstimmung mit dem experimentellen 13 C NMR Spektrum optimieren. Die Konstitution von Molekülen wird dafür durch einen Vektor der Bindungszustände zwischen allen Atom -- Atom Paaren beschrieben. Selbige Vektoren sind geeignet, in einem genetischen Algorithmus als genetischer Code von Konstitutionen betrachtet zu werden. Diese Methode erlaubt die automatisierte Bestimmung der Konstitution von Molekülen mit 10 bis 20 Nichtwasserstoffatomen 123 . Symmetrische neuronale Netze können fünf bzw. sieben dimensionale, heterogene Parameterrepräsentationen der 20 proteinogenen Aminosäuren unter Erhalt der wesentlichen Information in den dreidimensionalen Raum projizieren 134 . Die niederdimensionalen Projektionen ermöglichen eine Visualisierung der Beziehungen der Aminosäuren untereinander. Die reduzierten Parameterrepräsentationen sind geeignet, als Eingabe für ein neuronales Netz zu dienen, welches die Sekundärstruktur eines Proteins mit einer Genauigkeit von 66 % im Q 3 -- Wert berechnet. Neuronale Netzte sind aufgrund ihrer flexiblen Struktur besonders geeignet, quantitative Beziehungen zwischen Struktur und Aktivität zu beschreiben, da hier hochgradig nichtlineare, komplexe Zusammenhänge vorliegen. Eine numerische Codierung der über 200 in der Literatur beschriebenen Epothilonderivate erlaubt es, Modelle zur Berechnung der Induktion der Tubulin Polymerisation (R = 0.73) und der Inhibierung des Krebszellenwachstums (R = 0.94) zu erstellen 136 . Die trainierten neuronalen Netze können in einer Sensitivitätsanalyse genutzt werden, um die Bindungsstellen des Moleküls zu identifizieren. Aus der Berechnung der Aktivität für alle Moleküle des durch die Parameter definierten Strukturraums ergeben sich Vorschläge für Epothilonderivate, die bis zu 1 000 mal aktiver als die bisher synthetisierten sein könnten

From Hesiod to Saussure, from Hippocrates to Jevons: An Introduction to the History of Scientific Thought between Iran and the Atlantic

This work offers an introduction to the history of scientific thought in the region between Iran and the Atlantic from the beginnings of the Bronze Age until 1900 CE—a “science” that can be understood more or less as a German Wissenschaft: a coherent body of knowledge carried by a socially organized group or profession. It thus deals with the social and human as well as medical and natural sciences and, in earlier times, even such topics as astrology and exorcism. It discusses eight periods or knowledge cultures: Ancient Mesopotamia – classical Antiquity – Islamic Middle Ages – Latin Middle Ages – Western Europe 1400–1600 – 17th century – 18th century – 19th century. For each period, a general description of scientific thought is offered, embedded within its social context, together with a number of shorter or longer commented extracts from original works in English translation