Le but de ce projet est d’étudier l’effet des défauts cristallins sur les propriétés optoélectroniques de photodétecteurs fabriqué à partir de « silicium noir », c’est-à-dire du silicium dopé et microstructuré par impulsions laser femtoseconde, ce qui lui donne une apparence noire mate caractéristique. Des échantillons de silicium noir ont été recuits puis implantés avec des ions ayant une énergie de 300 keV (Si+), 1500 keV (Si+) ou 2000 keV (H+). Trois fluences pour chaque énergie d’implantation ont été utilisées (1E11, 1E12, ou 1E13 ions/cm2) ce qui modifie le matériau en ajoutant des défauts cristallins à des profondeurs et concentrations variées. Neuf photodétecteurs ont été réalisés à partir de ces échantillons implantés, en plus d’un détecteur-contrôle (non-implanté). La courbe de courant-tension, la sensibilité spectrale et la réponse en fréquence ont été mesurées pour chaque détecteur afin de les comparer. Les détecteurs ont une relation de courant-tension presque ohmique, mais ceux implantés à plus haute fluence montrent une meilleure rectification. Les implantations ont eu pour effet, en général, d’augmenter la sensibilité des détecteurs. Par exemple, l’efficacité quantique externe passe de (0,069±0,001) % à 900 nm pour le détecteur-contrôle à (26,0±0,5) % pour le détecteur ayant reçu une fluence de 1E12 cm-2 d’ions de silicium de 1500 keV. Avec une tension appliquée de -0,50 V, la sensibilité est améliorée et certains détecteurs montrent un facteur de gain de photocourant supérieur à l’unité, ce qui implique un mécanisme de multiplication (avalanche ou photoconductivité). De même, la fréquence de coupure a été augmentée par l’implantation. Une technique purement optique a été mise à l’essai pour mesurer sans contacts la durée de vie effective des porteurs, dans le but d’observer une réduction de la durée de vie causée par les défauts. Utilisant le principe de la réflexion photo-induite résolue en fréquence, le montage n’a pas réuni toutes les conditions expérimentales nécessaires à la détection du signal. / The goal of this project is to study the effect of crystalline damage on the optoelectronic properties of photodetectors made from “black silicon” (i.e. femtosecond-laser microstructured silicon, which make it appear black). Black silicon samples were annealed then implanted with either 300 keV Si+, 1500 keV Si+ or 2000 keV H+ ions. The fluence used for the implantation was 1E11, 1E12 or 1E13 ion/cm2, resulting in nine different samples with a crystalline damage distribution of various depth and concentration. Photodetectors were fabricated on these samples, together with a control detector made from a non-implanted black silicon sample and then characterized. The I-V curves, spectral responsivities and frequency responses of the detectors were measured in short-circuit or under bias and compared. The detectors display an approximately ohmic behavior, but those implanted at a higher fluence show a slightly better current rectification. The implantation had a strong effect on the responsivity. The external quantum efficiency increased from (0.069 ± 0.001) % at 900 nm for the control detector up to (26.0 ± 0.5) % for the 1E12 cm-2, 1500 keV Si+ detector. With an applied bias of -0.50 V, the responsivity is increased and some detectors exhibit above unity photocurrent gain. Similarly, the cutoff frequencies of the implanted detectors are higher. A contactless experiment was attempted for the measurement of the effective carrier lifetime. The implantation damage was expected to reduce the carrier lifetime. The setup didn’t meet all experimental conditions required to detect the signal using frequency-domain photo-induced reflection.

La disponibilité élevée des systèmes technologiques comme l'aérospatial, la défense, la pétrochimie et l'automobile, est un but important des nouveaux développements de la technologie de conception des systèmes sachant que la défaillance onéreuse survient, en général, soudainement. Afin de rendre les stratégies classiques de maintenance plus efficaces et pour prendre en considération l'état et l'environnement évolutifs du produit, un nouveau modèle de pronostic analytique est développé en tant que complément des stratégies de maintenance existantes. Ce nouveau modèle est appliqué aux systèmes mécaniques soumis à la défaillance par fatigue sous charge cyclique répétitive. Sachant que l'effet de fatigue va initier des microfissures qui peuvent se propager soudainement et conduire à la défaillance. Ce modèle est basé sur des lois d'endommagement existantes dans la mécanique de la rupture comme la loi de propagation de fissures de Paris-Erdogan à côté de la loi de cumul de dommage de Palmgren-Miner. A partir d'un seuil prédéfini de dégradation DC, la durée de vie résiduelle (RUL) est estimée à l'aide de ce modèle de pronostic. Les dommages peuvent être cumulés linéairement (Loi de Palmgren-Miner) et aussi non linéairement afin de prendre en compte un comportement plus complexe des chargements et des matériaux. Le modèle de dégradation développé dans ce travail est basé sur une sommation d'une mesure de dommage D à la suite de chaque cycle de chargement. Quand cette mesure devient égale à un seuil prédéfini DC, le système est considéré dans l'état de panne. En plus, l'influence stochastique est incluse dans notre modèle pour le rendre plus précis et réaliste. / The high availability of technological systems like aerospace, defense, petro-chemistry and automobile, is an important goal of earlier recent developments in system design technology knowing that the expensive failure can generally occur suddenly. To make the classical strategies of maintenance more efficient and to take into account the evolving product state and environment, a new analytic prognostic model is developed as a complement of existent maintenance strategies. This new model is applied to mechanical systems that are subject to fatigue failure under repetitive cyclic loading. Knowing that, the fatigue effects will initiate micro-cracks that can propagate suddenly and lead to failure. This model is based on existing damage laws in fracture mechanics, such as the crack propagation law of Paris-Erdogan beside the damage accumulation law of Palmgren-Miner. From a predefined threshold of degradation DC, the Remaining Useful Lifetime (RUL) is estimated by this prognostic model. Damages can be assumed to be accumulated linearly (Palmgren-Miner's law) and also nonlinearly to take into consideration the more complex behavior of loading and materials. The degradation model developed in this work is based on the accumulation of a damage measurement D after each loading cycle. When this measure reaches the predefined threshold DC, the system is considered in wear out state. Furthermore, the stochastic influence is included to make the model more accurate and realistic.

Les composites à matrice céramique, constitués à la fois d’une matrice et d’un renfort fibreux en carbure de silicium, ont été choisi pour le développement des réacteurs d’avion. Bien que de nombreux travaux se soient intéressés à la synthèse de la matrice ou de l’interphase, peu ont traité directement du renfort, élément clé dans le comportement des composites, dans de telles conditions d’application. Ce mémoire porte donc sur ces matériaux appartenant à la première génération (contenant une grande proportion d’oxygène) et se scinde en deux parties. Tout d’abord, la réactivité chimique des fibres vis-à-vis de l’air, de la vapeur d’acide phosphorique ou du dichlore est étudiée via l’énergie d’activation apparente de l’attaque, et des corrélations avec les propriétés physicochimiques ou microstructurales des fibres en sont tirées. Ces résultats montrent l’influence notable qu’ont des éléments métalliques (titane, zirconium), pourtant présents en faibles quantités (<1% at.) Ensuite, la rupture prématurée de fils Si-C-O est étudiée et prédite aux températures intermédiaires (400-900°C). Ces résultats, une fois corrélés aux propriétés des fibres et à leur réactivité chimique, permettent de proposer deux mécanismes d’endommagement pouvant entrainer la rupture des fils selon les conditions d’essais : la fissuration sous-critique ou l’oxydation sans contrainte. Pour pallier l’instabilité de certaine de ces fibres un traitement de phosphatation, précédé ou non d’une chloration, transforme la surface en une barrière environnementale multicouche, sans dégradation des propriétés mécaniques, ce qui a pour effet de ralentir le mécanisme d’endommagement induit par l’oxydation et se répercute par une nette augmentation de leur durée de vie. / Ceramic Matrix Composites (CMC) are technical materials, made of a matrix reinforced by continuous fibers, considered for civil aircraft jet engine. Although the matrix and the interphase were extensively studied in past decades, reinforcement did not gain much attention however it pilots the ultimate failure of the composite. This work is dedicated to the first generation SiC fibers containing a large amount of oxygen and is divided in two parts. Firstly, chemical reactivity of Si-C-O fibers is studied against chloride, oxidant of phosphating gases. Apparent activation energies appear as an intrinsic property and are correlated with physicochemical or microstructural properties. Among observations, we show that the nature of the metallic element, such as titanium or zirconium, greatly influence the chemical stability of the fibers, however their proportion is low (1at. %). Thereafter, delayed failure of Si-C-O tows has been studied in order to predict it at intermediate temperatures (400-900°C). A statistical approach of tows’ lifetime allows us to define the survival probability at given condition, key point for the composite certification. Results were correlated to fibers properties and their chemical reactivity suggesting two damaging phenomena leading to the tows failure: slow crack growth or static oxidation. To overcome the instability of some fibers (doped with titanium), phosphating treatment was used to transform the surface of each fiber in multilayer silicophosphate coating acting as an environmental barrier. Obviously, mechanical properties of the fibers core were not affected by this etching reaction. A clear oxidation resistance and lifetime enhancement of the tows was reached by this route.

Le « Lithium-Ion Capacitor » (LiC) est un supercondensateur hybride dont les caractéristiques peuvent être placées entre un condensateur à double couche électrique (supercondensateur) et une batterie lithium-ion. Il possède des densités d’énergie et de puissance intermédiaires grâce à sa composition hybride à base d'une électrode positive en charbon actif identique à celle d’un supercondensateur et d'une électrode négative en carbone pré-lithié identique à celle d’une batterie lithium-ion. L'objectif de cette thèse est d'étudier le vieillissement des LiC industrialisés aussi bien dans le cadre d’un vieillissement en stockage (calendaire) qu’en utilisation (cyclage). Un de leur spécificité principale concerne l’évolution particulière de leur capacité en fonction de la tension à leurs bornes (C(V)). Le premier type de vieillissement qu’est le vieillissement calendaire permet de représenter le comportement des LiC lorsqu’ils sont stocker avant utilisation ou lorsqu’ils sont en veille. La dégradation de leurs paramètres liée au vieillissement, est alors essentiellement influencée par leur tension et la température. Des essais de vieillissement à trois tensions caractéristiques et deux températures différentes sont étudiés. L’évolution des impédances des cellules a été suivie tout au long du vieillissement afin d’identifier un modèle électrique de suivi du vieillissement dont les paramètres sont liés aux phénomènes électrochimiques. Par ces essais, la meilleure tension de stockage des LiC, permettant la prolongation de leur durée de vie a été mise en évidence. Par ailleurs, des mécanismes de vieillissement différents d’une tension caractéristique à l’autre sont révélés et soulignent la spécificité de fonctionnement des LiC. Ces résultats ont été confirmés par des analyses post-mortem. Le second type de vieillissement étudié est le vieillissement par cyclage qui prend en compte l'impact du courant sur la durée de vie des LiC. Le choix des profils de courant de cyclage a été effectué en considérant le principe de fonctionnement électrochimique des LiC. Les évolutions des impédances et des courbes C(V) des cellules sont comparées et interprétées. Les mécanismes de vieillissement prenant naissance lors du cyclage continu sont abordés. Ils dépendent de la fenêtre de potentiel sur laquelle les LiC fonctionnent pendant leur utilisation. La fenêtre de tension optimale qui assure une longue durée de vie des LiC est aussi mise en évidence / Lithium-Ion Capacitors (LiCs) are the new emerging technology of hybrid supercapacitors that combines the advantages of conventional supercapacitors and lithium-ion batteries. They provide intermediate energy and power densities due to their hybrid composition based on a positive electrode made of activated carbon similar to that of supercapacitors and a negative electrode made of pre-lithiated carbon similar to that of lithium-ion batteries. The aim of this thesis is to study the aging of commercial LiCs using two accelerated aging procedures: calendar aging and cycle aging. One of their main particularities concerns the nonlinear capacitance evolution with respect to their voltage (C(V) curve). The first accelerated aging test is related to the calendar life of LiCs that represents their behavior independently of their usage. The degradation of their parameters due to aging is mainly affected by the voltage and the temperature only. These tests were applied to several cells at three different voltage values and two temperatures. The evolution of their impedances were followed during the whole aging period in order to identify an electrical model that can accurately describe the progress of aging and that possesses electrochemically meaningful parameters. The best voltage value that ensures the extension of the lifetime of LiCs was identified using the results of these tests. In addition, aging mechanisms that extremely depend on the applied voltage value were identified. They highlight the particularity of the functioning of LiCs. These results were confirmed using post-mortem analyses. The second accelerated aging test is the cycle aging that assesses the impact of the current on the life cycle of LiCs. The choice of current profiles was based on the electrochemical operating principle of LiCs. The evolution of the impedances and the C(V) curves of LiCs were compared and analyzed. Aging mechanisms produced during cycle aging were also evaluated. They depend on the voltage range in which the LiC operates. The optimal voltage window that guarantees a long lifetime of LiCs was highlighted

<p>High-performance fibers used for ballistic protection are characterized by having outstanding mechanical properties such high modulus and strength. These mechanical properties are granted by the fiber’s chemical and physical structure as well as their high degree of orientation. Twaron fibers are one of the most commonly used fibers on soft body armors such as bulletproof vests. They are made from poly (p-phenylene terephthalamide) (PPTA), a rigid-rod and highly crystalline polymer. Although these fibers are crystalline and have great mechanical properties, their performance can decrease when they are exposed to different degradation factors. Free volume is the unoccupied space between the polymer molecules. It is responsible for characteristics such as diffusion and viscosity. Hence, the free volume changes as the polymer degrades. This thesis focuses on the effects of sonication, pH changes, and sweat on the free volume of PPTA fibers. </p><p><br></p> <p>A non-destructive technique known as positron annihilation lifetime spectroscopy (PALS) was used to measure the free volume in PPTA. Changes in the free volume of fibers degraded under different conditions were compared to their mechanical performance. Degradation in DI water, pH 4 and pH 10 aqueous solutions was conducted for 10 weeks at 80^oC. Sweat degradation of PPTA fibers was also conducted for 10 weeks at 25^oC, 50^oC, and 100^oC. Fibers degraded in pH4 and sweat solutions had greater loss of mechanical performance and changes in the free volume. PALS was able to detect changes in the nanostructure of PPTA fibers at early stages of degradation. This data was supported by mechanical tests and is complementary to other characterization techniques such as small angle X-ray scattering (SAXS). Results of this research are a steppingstone for future studies on lifetime predictions of bulletproof vests and the development of the next generation of soft body armors. </p>

Le carbure de silicium est un matériau semi-conducteur à grande bande d’énergie interdite possédant des propriétés exceptionnelles en termes de tenue en température, de résistance aux radiations, de stabilité chimique. En particulier il pourrait permettre la réalisation de détecteurs ultra-violet fonctionnant en environnement extrême (fortes températures et niveaux de radiations élevés) tels les environnements spatiaux. Le polytype 3C, avec un gap intermédiaire pourrait également être utilisé dans le domaine photovoltaïque. Le présent travail propose d’étudier le carbure de silicium à la fois sous l’aspect composant et sous l’aspect matériau. Une étude de la réponse spectrale de photodiodes UV (de type pn et Schottky) en fonction de la température et de l’irradiation est présentée. Un nouveau type de cellules solaires à hétérojonctions 3C-SiC/Si est étudié. Enfin, un système de mesure de la durée de vie des porteurs minoritaires dans le SiC-4H est réalisé et les résultats commentés. / Silicon carbide is a large bandgap semiconductor presenting outstanding properties in terms of temperature, radiations and chemical hardness. In particular it could allow the fabrication of ultra-violet detectors, able to work in harsh environments such as for space aplications. The 3C polytype , with it’s intermediate bandgap, could also be used in the photovoltaic field. The present work aims to study both the material and the application aspects of silicon carbide. A study of the spectral response of both pn and Schottky photodiodes with respect to the temperature and irradiation is presented. A new type of 3C-SiC/Si heterojunction solar cell is studied. Finally, a minority carrier lifetime measurement system is realised ant the results presented.

L’oxygène et l’eau présents dans l’atmosphère sont des acteurs important dans la dégradationdes matériaux contenus dans les dispositifs opto-électroniques organiques. Dans le but d’améliorerla stabilité et la durée de vie de ces dispositifs, ces dispositifs sont encapsulés avec desmatériaux barrière aux gaz par lamination ou par l’utilisation de couches minces. Cette dernière,notamment utilisée pour les OLED, permet de fournir des barrières aux gaz performantes parle dépôt de couches inorganiques denses directement sur les dispositifs. Cependant, elles sontassujetties aux défauts des surfaces sur lesquelles elle sont déposées.L’objectif de ces travaux est de développer une couche de planarisation afin d’homogénéiserla surface des dispositifs photovoltaïques organiques (OPV) et de réduire la rugosité dans lebut d’obtenir une protection barrières aux gaz améliorée, conférée par le dépôt subséquent decouches denses inorganiques selon divers moyens (voie liquide et gazeuse).Dans un premier temps, des couches de planarisation ont été développées à partir de 6 copolymèresp(VDF-HFP). Ces derniers ont été caractérisés afin d’améliorer nos connaissances sur cesmatériaux.Grâce à une étude de solubilité, des encres à différentes concentrations dans l’acétate d’éthyleont été réalisées. Ces dernières ont été étudiées par des mesures rhéologiques et de tension desurface permettant de mieux appréhender leur étalement, et les états de surface obtenus sur dessubstrats PET et sur les dispositifs OPV. Ces recherches ont été complétées par un contrôlede la topographie et par conséquent de la planarisation des dispositifs OPV par microscopieconfocale.Pour finir, l’étude des performances barrière des structures d’encapsulations hybrides (organiqueinorganique)ont dévoilé une bonne compatibilité lorsque la rugosité de la couche de planarisationest très faible. Ces résultats sont confirmés par des mesures barrières aux gaz et des tests devieillissement accélérés des dispositifs OPV encapsulés en enceinte climatique qui permettentd’illustrer l’intérêt de l’encre planarisante développée.Ce travail a été réalisé au laboratoire LMPO au CEA/LITEN en collaboration avec l’industrielArkema dans le but de fournir des technologies d’encapsulations performantes. / Oxygen and water present in the atmosphere are important actors of the degradation of materialscontained in optoelectronic devices. In order to increase the stability and the lifetime ofOPV, the devices are encapsulated with gas-barrier materials by lamination encapsulation orthin film encapsulation. These latter, espacially used in OLED technology, provides high performancegas barriers by depositing dense inorganic layers directly onto the devices. However,they are subject to the defects of the surfaces on which they are deposited.The purpose of this study is to develop a planarinzing layer in order to homogenize the surfaceof organic photovoltaic devices (OPV) and to reduce the roughness with the aim to obtain animproved gas barrier protection, conferred by the subsequent deposition of dense inorganic layersby various ways (liquid and gaseous routes).In a first step, the planarization layers were developed from six p(VDF-HFP) co-polymers. Thesehave been characterized to improve our knowledge on those materials.Through a solubility study, inks at different concentrations in ethyl acetate were made. Thelatter were studied by rheological measurements and surface tension to understand better theirspread, and the surface conditions obtained on PET substrates and OPV devices. Those researchswere completed with a topography control and consequently the planarization of OPVdevices by confocal microscopy.Finally, the study of the barrier performance of hybrid encapsulation structures (organic-inorganic)revealed a good compatibility when the rugosity of the planarization layer is very low. Theseresults are confirmed by permeation measurements and accelerated aging tests of OPV devicesencapsulated in climatic chambers that illustrate the interest of the planarized ink developed.This work has been performed in the LMPO Laboratory at CEA/LITEN in collaboration withthe chemical company Arkema in order to be able to provide performant encapsulation technologies.

Diese Arbeit untersucht die Möglichkeiten, ortsaufgelöste (2D-) Lumineszenz als eine nicht-invasive Methode zur Charakterisierung des Ethylen-Vinyl-Acetat (EVA) Einkapselungsmaterials in Photovoltaik (PV) Modulen einzusetzen. Im Einzelnen wird gezeigt, dass aus nichtinvasiven Lumineszenzmessungen Aussagen erhalten werden können zu: (i) Auswirkungen der Alterungsbedingungen, Klima und Material, (ii) Nachweis bestimmter Fehlerarten, (iii) Überwachung des Produktionsprozess, (iv) Verbesserung von Lebensdauervorhersagen durch miniaturisierte Multi-Faktor-Alterung und (v) Aussagen über die Materialalterung. (i) Temperatur, UV-Strahlung und Sauerstoff werden als Hauptfaktoren identifiziert, die die Lumineszenz beeinflussen. Beschleunigte Alterung unter UV und Freibewitterung resultieren in ähnlichen Lumineszenzmustern und -Spektren, die sich von denen nach exklusiver thermischer Alterung unterscheiden. (ii) Insbesondere können Risse in Zellen nachgewiesen werden, darüber hinaus gibt es Anhaltspunkte, dass auch Korrosion und Delamination durch Lumineszenz nachweisbar sein könnten. (iii) Lumineszenz ist eine vielversprechende Methode, zerstörungsfrei den Vernetzungsgrad und die Homogenität zu bewerten. (iv) Für wirtschaftliche und effiziente Alterungstests wurde eine Multi-Faktor-Alterungs-Kammer entwickelt und getestet, die die Prüfung der gleichzeitigen Wirkung mehrerer Alterungsfaktoren ermöglicht. (v) Erstmals wird eine Korrelation der EVA-Lumineszenz zu anderen, insbesondere viskoelastischen Materialeigenschaften gezeigt. Es wird geschlossen, dass diffusionsbegrenzte Oxidation (DLO) im EVA zwischen Zelle und Glas eine inhomogene Materialdegradation verursacht. Perspektivisch werden Studien des komplexen Einflusses von Temperatur, UV-und Sauerstoff auf Materialalterung durch 2D-Lumineszenz in Kombination mit Multi-Faktor-Alterung aufgezeigt, ebenso wie die Möglichkeit einer Anwendung zur Bestimmung von apparenten Reaktionsraten aus Lumineszenzintensitätsprofilen. / This work examines the prospects of employing spatially resolved (2D-) luminescence as a non-invasive method for the characterization of the ethylene-vinyl-acetate (EVA) encapsulation material in photovoltaic (PV) modules. It is shown that information can be obtained related to the topics: (i) impact of aging conditions, climate and material, (ii) detection of specific types of failure modes, (iii) use to monitor the production process, (iv) improving service life prediction by miniaturized multi-factor aging and (v) statements about the material aging. (i) Temperature, UV radiation and oxygen are identified as main factors, which influence the luminescence. Accelerated aging under UV and outdoor weathering result in similar luminescence patterns and spectra, different from those after exclusive thermal aging. (ii) Specific failure modes, in particular cracks of the cells, can be detected. In addition, indications exist that corrosion and delamination might be detectable by luminescence. (iii) Luminescence is a promising method that allows non-destructive examination of the degree of crosslinking and the homogeneity in the PV module. (iv) For more economic and efficient aging tests a multi-factor-aging chamber was designed and tested which allows testing the simultaneous action of several aging factors. (v) For the first time, a correlation of EVA-luminescence to others, in particular viscoelastic, material properties, is demonstrated. From the inhomogeneous degradation patterns, it is concluded that diffusion limited oxidation (DLO) in the EVA between glass cell and causes an inhomogeneous material degradation. Interesting prospects emerge, e.g. studies of the complex influence of temperature, UV and oxygen on material aging by 2D-Luminescence using multi-factor-aging. In addition, the evaluation of intensity profiles, for example, regarding apparent reaction rates, is one of many promising applications.

In den vergangenen Jahren sind Lipide, Membranen und deren Organisationsformen mehr und mehr in den Fokus der biologischen Forschung gerückt. Es wurde vorgeschlagen, dass in zellulären Membranen selbstassemblierende, submikroskopische Aggregate aus Sphingolipiden, Cholesterol und bestimmten Proteinen existieren und man vermutet, dass insbesondere Viren diese “Lipid Rafts” für ihren Zusammenbau nutzen und auf diese Art ihre Proliferationseffizienz erhöhen. Gleichwohl sind die genaue biologische Funktion und auch die molekulare Basis der Assoziation bestimmter Protein mit Lipid Rafts auch weiterhin unbekannt. In der vorliegenden Arbeit wurde Fluoreszenz-Lebenszeit-Mikroskopie genutzt, um die Lipid-Raft-Anreicherung des HIV-1 Glycoproteins gp41 zu untersuchen. Förster-Resonanz-Energietransfer zwischen fluoreszenzmarkierten viralen und Raft-Marker-Proteinen wurde gemessen, um deren gemeinsame, lokale Aufkonzentrierung in Lipid Rafts nachzuweisen. Durch Verwendung verschiedener Deletions- und Mutationsvarianten des Proteins konnte nicht nur seine Lipid-Raft-Präferenz demonstriert, sondern auch das Cholesterol-Bindemotiv (CRAC) als entscheidender Faktor der lateralen Sortierung identifiziert werden. Wir haben in diesem Kontext auch eine systematische Zell-zu-Zell-Variabilität in unseren Daten bemerkt, die einen zugrundeliegenden zellbiologischen Mechanismus der Membranorganisation nahelegt. Mithilfe von Fluoreszenz-Polarisations-Mikroskopie konnte zudem eine klare CRAC-Abhängigkeit der gp41-Oligomerisierung aufgezeigt werden. Die von uns gewonnenen Daten erlauben einen tieferen Einblick in die molekulare Basis und die biologischen Folgen der cholesterol-abhängigen lateralen Proteinorganisation für Virusassemblierungsprozesse an biologischen Membranen. / In recent years, there has been a considerable interest in the molecular organization of biological membranes. It has been hypothesized that self-assembling, freely diffusing, submicroscopic domains consisting of sphingolipids, cholesterol and certain proteins exist and the prevailing view is that those lipid rafts serve as platforms for specific molecular interactions by the preferential exclusion and inclusion of proteins. It was presumed, that in particular viruses make use of plasma membrane lipid rafts to augment the infection process and spread efficiently. However, the exact biological function and physical basis of protein partitioning into microdomains remains an outstanding question in virus biology. In the present study, fluorescence lifetime imaging microscopy was used to study lipid raft partitioning of the HIV-1 glycoprotein gp41 by detecting Foerster Resonance Energy Transfer between fluorescently labeled viral and raft marker proteins in living cells. Plasma membrane microdomain association of gp41 was demonstrated and by introducing systematic mutations and truncations in different gp41 motifs, the cholesterol recognition amino acid consensus (CRAC) was identified as the crucial determinant of the lateral sorting. Interestingly, we observed a systematic cell-to-cell variability in our raft related data that suggests underlying cell-biological mechanisms of membrane organization. Moreover, fluorescence polarization microscopy revealed a distinct CRAC requirement for gp41 oligomerization whereas other properties, such as intracellular distribution and expression efficiency were clearly demonstrated to be CRAC independent. Our data provide further insight into the molecular basis and biological implications of the cholesterol dependent lateral protein sorting for virus assembly processes at cellular plasma membranes.

In der vorliegenden Arbeit wird ein neuer Ansatz vorgestellt, um Lipiddomänen, die Bindungsorte peripherer und integraler Membranproteine darstellen können, zu charakterisieren. Insbesondere wurde die Analyse der Fluoreszenzlebenszeiten von NBD-markierten Lipidanaloga benutzt, um Lipiddomänen in Giant unilamellar vesicles (GUV) und darauf aufbauend, in der Plasmamembran von Säugerzellen zu untersuchen. Das typische Zeitfenster von Fluoreszenzlebenszeiten im Bereich von Nanosekunden ermöglicht es, auch sehr kurzlebige Lipiddomänen nachzuweisen. Mit Hilfe des Fluorescence lifetime imaging (FLIM) wurden für die liquid disordered (ld) und liquid ordered (lo) Domänen in GUV jeweils spezifische Werte für das Abklingen der Fluoreszenz gemessen. Sogar die Existenz von submikroskopischen Domänen in GUV konnte nachgewiesen werden. Die Fluoreszenzlebenszeit des Lipidanalogs C6-NBD-PC zeigte in der Plasmamembran von Säugerzellen eine breite Verteilung. Dies legt in Übereinstimmung mit FLIM-Experimenten an aus der Plasmamembran von HeLa-Zellen gewonnenen Giant vesicles nahe, dass in der Plasmamembran von Zellen eine Vielzahl verschiedener submikroskopischer Lipiddomänen existiert. Darauf aufbauend wurde die Fluoreszenzmikroskopie an GUV angewendet, um die Bindung von fluoreszenzmarkiertem alpha-Synuclein an mittels FLIM charakterisierte Lipiddomänen zu untersuchen. Die Experimente zeigten, dass das Protein mit hoher Affinität an negativ geladene Phospholipide unter der Vorraussetzung bindet, dass diese sich in ld Domänen befinden. Im Gegensatz dazu erfolgt keine Bindung wenn diese Lipide in lo Domänen lokalisiert sind. Im Vergleich zum wildtypischen alpha-Synuclein zeigte die Variante A30P eine geringere Affinität zur Membran, während die E46K-Variante eine stärkere Bindung zeigte. Dies deutet darauf hin, dass bei den erblichen Formen des Morbus Parkinson eine veränderte Assoziation des alpha-Synucleins mit der Membran eine Rolle spielen kann. / In the present study a novel approach to characterize lipid domains, which may provide binding sites for peripheral or integral membrane proteins, is demonstrated. In particular, analysis of fluorescence lifetimes of NBD-labeled lipid analogues was used to study lipid domains in Giant unilamellar vesicles (GUV) and – based on the GUV results – in the plasma membrane of mammalian cells. As fluorescence decays in a few nanoseconds it is possible to to detect also very short-lived lipid domains. Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM) revealed that the fluorescence decay of NBD-lipid analogues showed domain dependent decay times in the liquid disordered (ld) and the liquid ordered (lo) phase of GUV. Even the existence of submicroscopic domains in lipid membranes could be detected by FLIM. A broad distribution of the fluorescence lifetime was found for C6-NBD-PC inserted in the plasma membrane of mammalian cells. In agreement with FLIM studies on lipid domain forming Giant vesicles derived from the plasma membrane of HeLa-cells this may suggest that a variety of submicroscopic lipid domains exists in the plasma membrane of intact mammalian cells. Based on that, fluorescence microscopy was used on GUV to study the binding of fluorescently labeled alpha-synuclein at lipid domains previously characterized by FLIM. The experiments suggested that alpha-synuclein binds with high affinity to negatively charged phospholipids, when they are embedded in a ld as opposed to a lo environment. When compared with wildtype alpha-synuclein, the disease-causing alpha-synuclein variant A30P bound less efficiently to anionic phospholipids, while the variant E46K showed enhanced binding. This suggests that an altered association of alpha-synuclein with membranes may play a role in the inherited forms of Parkinson’s disease.