Das stäbchenförmige Bakterium Escherichia coli teilt sich in zwei gleich große Tochterzellen. Dies ist nur möglich, wenn sich die Zelle in der Mitte teilt. Bei E. coli wird die Zellteilung durch den Zusammenschluss der FtsZ-Proteine an der Membran zum Z-Ring eingeleitet. Topologische Regulierung des Z-Ringes erfolgt durch räumlich-zeitliche Oszillationen von Min-Proteinen zwischen den beiden Zellpolen. MinC, MinD und MinE binden an und lösen sich von der Membran unter Hydrolyse von ATP und in antagonistischer Art und Weise, was zu einer alternierenden Ansammlung von MinC und MinD an den Zellpolen führt. Gemittelt über die Zeit ergibt sich somit ein MinD-Verteilungsprofil, das maximale Konzentration an den Zellpolen und ein Minimum in der Zellmitte aufweist. MinC bindet an MinD und folgt somit seiner Verteilung. Der Zusammenschluss von FtsZ-Proteinen wird durch MinC unterbunden, und somit kann sich der Z-ring nur an einer Position herausbilden, die ein Minimum an MinC aufweist - der Zellmitte. Das Min-system wurde in der Vergangenheit auch mit einem in-vitro-Ansatz untersucht, indem Min-Proteine in künstliche, aufliegende Lipiddoppelschichten (supported lipid bilayers, SLB) rekonstitutiert wurden. Dabei bildeten die Min-Proteine kein oszillierendes Muster aus, sondern organisierten sich vielmehr in parallelen und propagierenden Wellen (Loose, 2008, Science, 320). In diesen in-vitro-Experimenten war das Membransubstrat wesentlich größer als die Wellenlänge der Min-Proteinwellen. In vivo hingegen ist die Länge der Zelle in der gleichen Größenordnung wie die charakteristische Länge des Oszillationsmusters der Min-Proteine. Daher war es das Ziel dieser Arbeit, den Einfluß einer beschränkten Fläche und geometrischer Formgebung der künstlichen Lipiddoppelschichten auf die Wellenpropagation der Min-Protein zu untersuchen. Flächige Beschränkung künstlicher Membranen erfolgte durch Mikrostrukturtechnologie. Deckglässchen wurden mit einer Goldschicht und mikroskopischen Aussparungen unterschiedlicher geometrischer Formen strukturiert. Funktionale SLBs bildeten sich nur auf Glasflächen ohne Goldbeschichtung aus. Nach der Rekonstitution der Min-Proteine, organisierten sich diese auf den Membranstücken in parallele Wellen. Dabei bestimmte die flächige Beschränkung der künstlichen Membranen die Ausbreitungsrichtung der Min-Proteinwellen. Min-Proteinwellen konnten entlang gekrümmter Membranstreifen, in Ring- und sogar in Slalomstrukturen geleitet werden. In geraden, länglichen Strukturen richteten sich die Wellen entlang der längsten Achse aus. Kopplung von Proteinwellen auf räumlich getrennten Membranstücken in Abhängigkeit des Abstandes und des sogenannten Molecular Crowdings in der wässrigen Lösung konnte ebenfalls beobachtet werden. Diese Kopplung ist ein Indiz für inhomogene Proteinverteilungen in der Lösung oberhalb der Membran. Desweiteren konnten Min-Proteinwellen auch in diversen dreidimensionalen künstlichen Membranen rekonstitituiert werden. Im Wildtyp von E. coli ähneln die Min-Proteindynamiken der einer Oszillation mit einer charakteristischen Länge von 5 µm. Auf SLBs, bilden Min-Proteine Wellen mit einer Wellenlänge aus, die ca. zehnmal größer ist als in vivo. Dieser Unterschied zwischen der in-vivo- und der in-vitro-Welt wurde untersucht und diskutiert. In vitro konnte die Wellenlänge um 50 % durch Erhöhung des Molecular Crowding in der Lösung sowie um 33 % durch Temperaturerhöhung verkleinert werden. Das oszillierende Muster könnte dahingegen eine Folge der Kompartimentierung sein. Erste Versuche, das Min-System in geschlossene Membrankompartimente zu rekonstitutieren, wurden getestet. / Escherichia coli, a rod-like bacterium, divides by binary fission. Cell division into two daughter cells of equal size requires that fission takes place at a midcell position. In E. coli, cell division is initiated by assembly of the FtsZ-proteins at the inner membrane to the Z-ring. Topological regulation of the Z-ring is achieved by spatiotemporal pole-to-pole oscillations of Min-proteins. MinC, MinD and MinE bind to and detach from - under hydrolysis of ATP - the membrane in an antagonistic manner leading to an alternating accumulation of MinC and MinD at the cell poles. Averaged over time, the distribution profile of MinD exhibits maximal concentration at the cell poles and a minimum at the cell center. MinC binds to MinD and thus follows its distribution. FtsZ assembly is inhibited by MinC and therefore the Z-ring can only form at a cell position low in MinC - at the cell center. In the past, the Min-system was also investigated in an in vitro approach by reconstitution of Min-proteins into a supported lipid bilayer (SLB). Here, Min-proteins did not self-organize into an oscillatory pattern but into parallel and propagating waves (Loose, 2008, Science, 320). In this in vitro assay, the membrane substrate was infinitely large compared to the wavelength. However, in vivo, the cell length is on the same order of magnitude as the respective length scale of the oscillatory pattern of Min-proteins. Therefore, we wished to investigate the effect of lateral confinement and geometric structuring of artificial lipid bilayers on the Min-protein wave propagation. Lateral confinement of artificial membranes was achieved by microfabrication technology. Glass slides were patterned by a gold coating with microscopic windows of different geometries, and functional SLBs were only formed on uncoated areas. Upon reconstitution, Min-proteins organized into parallel waves on the geometric membrane patches. Confinement of the artificial membranes determined the direction of propagation of Min-protein waves. Min-protein waves could be guided along curved membrane stripes, in rings and even along slalom-geometries. In elongated membrane structures, the protein waves always propagate along the longest axis. Coupling of protein waves across spatially separated membrane patches was observed, dependent on gap size and level of molecular crowding of the aqueous media above the bilayer. This indicates the existence of an inhomogeneous and dynamic protein gradient in the solution above the membrane. Furthermore, reconstitution of Min-protein waves in various three-dimensional artificial membranes was achieved. In wild-type E. coli, Min-protein dynamics resemble that of an oscillation with a characteristic length scale of 5 µm. On supported lipid bilayers, Min-proteins self-organize into waves with a wavelength approximately 10-fold larger than in vivo. These discrepancies between the in vivo and in vitro world were investigated and discussed. In vitro, the wavelength could be decreased by a factor of 50 % by increase of the molecular crowding in solution and by 33 % through temperature increase. The oscillatory pattern is thought to be a consequence of compartmentalization and first attempts to encapsulate the Min-system in closed bilayer compartments are presented.

Les algorithmes Branch and Bound (B&B) sont attractifs pour la résolution exacte de problèmes d'optimisation combinatoire (POC) par exploration d'un espace de recherche arborescent. Néanmoins, ces algorithmes sont très gourmands en temps de calcul pour des instances de problèmes de grande taille (exemple : benchmarks de Taillard pour FSP) même en utilisant le calcul sur grilles informatiques [Mezmaz et al., IEEE IPDPS'2007]. Le calcul massivement parallèle fourni à travers les plates-formes de calcul hétérogènes d'aujourd'hui [TOP500 ] est requis pour traiter effi cacement de telles instances. Le dé fi est alors d'exploiter tous les niveaux de parallélisme sous-jacents et donc de repenser en conséquence les modèles parallèles des algorithmes B&B. Dans cette thèse, nous nous attachons à revisiter la conception et l'implémentation des ces algorithmes pour la résolution de POC de grande taille sur (larges) plates-formes de calcul multi-coeurs et multi-GPUs. Le problème d'ordonnancement Flow-Shop (FSP) est considéré comme étude de cas. Une étude expérimentale préliminaire sur quelques grandes instances du FSP a révélé que l'arbre de recherche est hautement irrégulier (en forme et en taille) et très large (milliards de milliards de noeuds), et que l'opérateur d'évaluation des bornes est exorbitant en temps de calcul (environ 97% du temps de B&B). Par conséquent, notre première contribution est de proposer une approche GPU avec un seul coeur CPU (GB&B) dans laquelle seul l'opérateur d'évaluation est exécuté sur GPU. L'approche traite deux dé fis: la divergence de threads et l'optimisation de la gestion de la mémoire hiérarchique du GPU. Comparée à une version séquentielle, des accélérations allant jusqu'à ( 100) sont obtenues sur Nvidia Tesla C2050. L'analyse des performances de GB&B a montré que le surcoût induit par le transfert des données entre le CPU et le GPU est élevé. Par conséquent, l'objectif de la deuxième contribution est d'étendre l'approche (LL-GB&B) a fin de minimiser la latence de communication CPU-GPU. Cet objectif est réalisé grâce à une parallélisation à grain fin sur GPU des opérateurs de séparation et d'élagage. Le défi majeur relevé ici est la divergence de threads qui est due à la nature fortement irrégulière citée ci-dessus de l'arbre exploré. Comparée à une exécution séquentielle, LL-GB&B permet d'atteindre des accélérations allant jusqu'à ( 160) pour les plus grandes instances. La troisième contribution consiste à étudier l'utilisation combinée des GPUs avec les processeurs multi-coeurs. Deux scénarios ont été explorés conduisant à deux approches: une concurrente (RLL-GB&B) et une coopérative (PLL-GB&B). Dans le premier cas, le processus d'exploration est eff ectué simultanément par le GPU et les coeurs du CPU. Dans l'approche coopérative, les coeurs du CPU préparent et transfèrent les sous-problèmes en utilisant le streaming CUDA tandis que le GPU eff ectue l'exploration. L'utilisation combinée du multi-coeur et du GPU a montré que l'utilisation de RLL-GB&B n'est pas bénéfi que et que PLL-GB&B permet une amélioration allant jusqu'à (36%) par rapport à LL-GB&B. Sachant que récemment des grilles de calcul comme Grid5000 (certains sites) ont été équipées avec des GPU, la quatrième contribution de cette thèse traite de la combinaison du calcul sur GPU et multi-coeur avec le calcul distribué à grande échelle. Pour ce faire, les diff érentes approches proposées ont été réunies dans un méta-algorithme hétérofigène qui sélectionne automatiquement l'algorithme à déployer en fonction de la con figuration matérielle cible. Ce méta-algorithme est couplé avec l'approche B&B@Grid proposée dans [Mezmaz et al., IEEE IPDPS'2007]. B&B@Grid répartit les unités de travail (sous-espaces de recherche codés par des intervalles) entre les noeuds de la grille tandis que le méta-algorithme choisit et déploie localement un algorithme de B&B parallèle sur les intervalles reçus. L'approche combinée nous a permis de résoudre à l'optimalité et e fficacement les instances (20 20) de Taillard.

Polypyrrol (PPy) ist ein typischer Vertreter der intrinsisch leitfähigen Polymere und wird auf zahlreichen Gebieten, wie Analytik, Korrosionsschutz oder Elektrotechnik angewendet. Dabei nutzt man die elektronische Schaltbarkeit, die Stabilität und die gute Oxidierbarkeit sowie die Wasserlöslichkeit der Monomere aus. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss verschiedener Parameter, wie Temperatur, Monomerkonzentration und Leitsalz, auf die elektrochemische Polymerisation von Pyrrol untersucht. Des Weiteren sollte die Wirkung eines statischen Magnetfeldes auf die Synthese und das Ionenaustauschverhalten überprüft werden. Als Messverfahren kamen die elektrochemische Quarzmikrowaage (EQCM) und die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) zum Einsatz. Bei der Auswertung der EQCM-Daten wurde ein von Efimov entwickeltes mathematisches Modell zur Bestimmung des komplexen Schermoduls angewendet. Dadurch war eine in situ Verfolgung der viskoelastischen Eigenschaften während der Abscheidung und des Ionenaustausches möglich. Um den hydrodynamischen Einfluss auf die Synthese von PPy zu untersuchen, wurden Messungen an einer rotierenden Scheibenelektrode durchgeführt. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse vermittelten eine Vorstellung, wie sich eine durch den magnetohydrodynamischen Effekt hervorgerufene Rührung auf die Grenzströme der potentiostatischen Abscheidung verschiedener PPy|Leitsalz Systeme auswirkt. Ferner ist die Abscheidung von PPy aus Phosphorsäure betrachtet worden, da diese Schichten eine Relevanz für den Korrosionsschutz besitzen.

The increasing clock speed and the further reduction of the feature size in integrated circuits lead to increasing demands on the interconnecting material. Thus an increasing need for a metallization with low electrical resistance and high electromigration endurance exist. Copper can be count as a material with these properties. Since 1998 Copper interconnections are commercially manufactured for integrated circuits. Electromigration is the most lifetime limiting factor in modern integrated circuits. The main the electromigration behavior influencing parameter and especially the influence of the microstructure is unknown. In this work the influence of the grain boundaries and their properties on the electromigration is examined at sputtered (PVD) and electroplated (ECD) Copper interconnects. For this investigation microstructure mappings produced by electron backscatter diffraction (EBSD) are correlated to in-situ electromigration experiments inside the SEM to research the electromigration behavior and the diffusion paths. Microstructure analysis shows big a difference between the two investigated types of interconnects. In both a strong <111> fibre texture is observed, but the PVD Copper shows a stronger texture than the electroplated one. The texture index of the PVD interconnects is 15,9 whereas the ECD lines show an index of 3,9. The frequency densities of the grain boundary misorientation, which is important for the electromigration behavior, are very different for both films. The ECD lines show a fraction of 55% Sigma 3 twin boundaries and 40% high angle grain boundaries. In contrast the PVD interconnects show a fraction of 5% Sigma 3 twin boundaries, 75% high angle grain boundaries and 20% small angle grain boundaries. This shows that a reduction of the high angle grain boundaries is not related to a strong <111> fibre texture. With in-situ experiments correlated to microstructure analysis it is shown, that voiding at high angle grain boundaries occur in the down wind of blocking grains or sites where only Sigma 3 twin boundaries are present. Hillocks were formed at high angle grain boundaries in the upwind of blocking grains or sites where only small angle grain boundaries or Sigma 3 twin boundaries are found. By a statistical evaluation of the in-situ experiments it is shown that more than 50% of the observed electromigration damages could be ascribed clearly to a grain boundary related local mass flux divergence. At strings of high angle grain boundaries voiding at the cathode side and hillock growth at the anode side is shown. The distance between these voids and hillocks is always higher than the Blech length. As the current density increases the distance between these voids and hillocks decreases according to Blech´s law, whereby it´s valid for local divergence is shown. FIB cuts show, that hillocks on PVD lines grow non-epitaxial in contrast to hillocks on ECD lines, which show epitaxial growth. These differences of hillock´s growth may suggest different underlying growth mechanisms. Reliability testing performed on PVD Copper interconnects lead to an activation energy for electromigration of 0,77eV ± 0,07eV. The confidence interval includes reported values for surface and also grain boundary diffusion. This indicates that the electromigration in these experiments is mainly influenced by surface and grain boundary diffusion. In this work the nucleation of voids and hillocks related to the previous analysed microstructure is observed inside the SEM and correlated to high angle grain boundaries and their misorientation angle. The result of this work show that electromigration damage in Copper interconnects is mostly caused by inhomogeneities of the microstructure. In this process the high angle grain boundaries are the main diffusion path. / Mit steigender Taktrate u. weiter fortschreitender Integrationsdichte in mikroelektr. Schaltungen nehmen d. Anforderungen an d. Metallisierungsmaterial weiter zu. Es besteht d. zunehmende Forderung nach Metallisierungen mit geringem elektrischen Widerstand u. hoher Elektromigra- tionsfestigkeit. Kupfer kann als Material angesehen werden, welches d. Anforderungen erfüllt. Seit 1998 wird Kupfer als Metallisierungsmaterial in höchstintegr. Schaltun- gen eingesetzt. Die Elektromigration (EM) ist der d. Zuver- lässigkeit am meisten begrenzende Faktor in mod. mikro- elektron. Schaltungen. Die Haupteinflußgrößen auf d. Elektromigrationsverhalten u. insbes. d. Einfluß d. Gefüges ist unklar. In d. Arbeit wird an nichtpassivier- ten physikalisch (PVD) u. galvanisch (ECD) abgeschied. Kupferleitbahnen d. Einfluß d. Korngrenzen u. deren Eigenschaften auf d. Elektromigrationsverhalten untersucht. Dazu werden Gefügeanalysen mittels Kikuchi-Rückstreutechnik u. in-situ Elektromigrationsexperimente im Rasterelektron- enmikroskop gekoppelt, um d. Elektromigrationsverhalten u. d. Migrationspfade zu erforschen. Gefügeuntersuchungen zeigen, daß d. untersuchten Leitbahnen sich in ihren Gefügeeigenschaften deutl. unterscheiden. Beide Schichten zeigen e. <111> Fasertextur, wobei d. PVD-Leitbahnen e. deutl. schärfere Textur mit e. Texturfaktor von 15,9 gegenüber den ECD-Leitbahnen d. e. Texturfaktor von 3,9 aufweisen. Die Häufigkeitsverteilungen d. Korngrenz- Misorientierung, sind für d. beiden Schichten unterschiedl. Die ECD-Leitbahnen zeigen e. Anteil von 55% Sigma 3-Korngrenzen und 40% Großwinkelkorngrenzen. Die PVD- Leitbahnen hingegen weisen nur e. Anteil von 5% Sigma 3-Korngrenzen, 75% Großwinkelkorngrenzen u. 20% Kleinwin- kelkorngrenzen auf. Dadurch wird gezeigt, daß e. scharfe <111> Textur keine Reduzierung d. Großwinkelkorngrenzen zur Folge haben muß. Anhand von in-situ Experimenten gekoppelt mit Gefügeanalysen wird gezeigt, daß Porenbildung an Groß- winkelkorngrenzen hinter blockierenden Körnern oder hinter Bereichen auftritt, in d. nur Sigma 3-Korngrenzen o. Kleinwinkelkorngrenzen vorliegen. Hügelbildung tritt an Großwinkelkorngrenzen vor blockierenden Körnern o. Berei- chen auf, in denen nur Kleinwinkelkorngrenzen o. Sigma 3-Korngrenzen vorliegen. Mit e. statist. Auswertung d. in-situ Experimente wird gezeigt, daß mehr als d. Hälfte aller Elektromigrationsschädigungen bei beiden Herstellungsmethoden eindeutig auf e. korngrenzbedingte lokale Divergenz im Massenfluß zurückzuführen sind. An Ketten von Großwinkelkorngrenzen wird verdeutl., daß kathodenseitig Porenbildung und anodenseitig Hügelbildung auftritt. Der Abstand zw. Pore u. Hügel liegt hier immer oberh. d. Blechlänge. Mit zunehmender Stromdichte nimmt d. Pore-Hügel-Abstand entspr. d. Blechtheorie ab, wodurch gezeigt wird, daß d. Blechtheorie auch bei lokalen Flußdivergenzen gilt. FIB-Querschnittsanalysen zeigen, daß Hügel auf PVD-Leitbahnen nicht epitaktisch mit d. darunterliegenden Schicht verwachsen sind im Gegensatz zu Hügeln auf ECD-Leitbahnen, die teilw. e. epitaktische Verwachsung mit d. Leitbahn zeigen. Lebensdauermessungen an PVD-Leitbahnen ergeben e. Aktivierungsenergie von 0,77eV ± 0,07eV. Es ist davon auszugehen, daß das Elektromigrationsverhalten d. hier untersuchten unpassi- vierten Leitbahnen haupts. von Korngrenz- u. von Oberfläch- endiffusion beeinflußt wird. In d. Arbeit wurde zum ersten Mal an Kupferleitbahnen d. Entstehung von eit- bahnschädigungen im Zusammenhang mit dem vorher aufgenomme- nen Gefüge im Rasterelektronenmikroskop direkt beobachtet u. mit d. Korngrenzen u. d. Korngrenzwinkeln in Zusammenhang gebracht. Die Ergebnisse d. Arbeit zeigen, daß Schädigungen durch Elektromigration in Kupferleitbahnen vorw. durch Gefügeinhomogenitäten entstehen. Bei d. Prozeß sind Großwinkelkorngrenzen d. bevorzugte Diffusionspfad.

Compartmentalization of cell membranes, in particular of the apical membrane of columnar epithelia, is the topic of this thesis. The first part characterizes the apical membrane and its specialized organization and morphology, whereas the second part focuses on the formation of this unique plasma membrane domain during epithelial polarization. The apical membrane of columnar epithelia is enriched in glycosphingolipids, a class of lipids that are known to interact with cholesterol to form liquid ordered domains, also termed "rafts", in cell membranes. Imaging the apical surface of untreated and raft lipid depleted MDCK cells with atomic force microscopy revealed that raft lipids are involved in the formation and/or maintenance of microvilli, actin based protrusions of the apical plasma membrane, indicating a regulatory link between membrane domains and the cytoskeleton. Furthermore, antibody patching and photobleaching experiments performed during the work of this thesis suggest that the organization into raft and non-raft domains is very different in the apical membrane of MDCK cells compared to the plasma membrane of a fibroblast. In fact, the data support the hypothesis that the apical membrane could be a percolating raft membrane in which rafts constitute the major phase and non-raft domains exist as isolated entities. The second part of this thesis analyses the segregation of apical and basolateral membrane domains during epithelial polarization. This segregation can either be achieved by generating scaffolded domains prior to junction formation or by polarized secretory and endocytic membrane traffic after the establishment of cell junctions. While most apical and basolateral marker proteins in MDCK cells follow the latter mechanism, this thesis reports that the apical marker gp135 is confined to the dorsal face already in single attached cells. The unknown antigen was purified and identified as podocalyxin. Analysis of a series of domain mutants revealed that the C-terminal PDZ-binding motif of podocalyxin is mainly responsible for its special localization, which it shares with the PDZ protein NHERF-2. Knocking down podocalyxin by RNA interference resulted in retardation of cell growth and epithelial polarization. Taken together, the data suggest that podocalyxin and NHERF-2 could be part of an early apical polarity scaffolding system based on PDZ-binding and PDZ-containing proteins.

Hochgeladene Ionen stellen einen extremen Zustand der Materie dar, wie sie vornehmlich in kosmischen Plasmen zu finden ist. Die labormäßige Erzeugung und (spektroskopische) Untersuchung hochgeladener Ionen liefert wichtige Daten und Erkenntnisse für die Astrophysik und Fusionsforschung. Aufgrund ihrer zum Teil exotischen Eigenschaften besitzen hochgeladene Ionen ein großes Potential für eine Vielzahl neuer Anwendungen. Die bisher weltweit einzige Elektronenstrahl-Ionenfalle, die hochgeladene Ionen bis hin zu vollständig ionisierten Ionen unter Raumtemperaturbedingungen erzeugen und bereitstellen kann, die Dresden EBIT, ist Gegenstand der vorgelegten Arbeit. Die Dresden EBIT zeichnet sich neben ihrer Kompaktheit und einer einfachen Bedienung durch ihre Langzeitstabilität aus. Sowohl über Röntgenspektren als auch über die Extraktion der Ionen aus der EBIT konnte für eine Reihe von Elementen der Nachweis der Erzeugung von vollständig ionisierten Ionen bis Z=28 erbracht werden. Für schwere Elemente können Ionenladungszustände bis hin zu neonähnlichen Ionen erzeugt werden. Entscheidenden Einfluss auf den erzielten mittleren Ladungszustand hat die Ioneneinschlusszeit. Die zeitliche Entwicklung der Ladungszustandsverteilung, wie sie im Zusammenspiel der verschiedenen atomaren Prozesse simuliert werden kann, ist sowohl an einer Reihe von röntgenspektroskopischen Messungen als auch anhand von Extraktionsspektren untersucht worden. Neben der Beladung der EBIT mit gasförmigen Elementen ist insbesondere die Beladung mit Metallen, d. h. mit einem möglichst breiten Spektrum an Elementen gefordert. Die Beladung mit leichtflüchtigen metallorganischen Verbindungen, die über das Gaseinlassventil eingebracht werden können, hat sich als erfolgreiche und preiswerte Alternative zu einer MEVVA-Quelle erwiesen. Die Beladung mit Metallionen ist am Beispiel verschiedener Untersuchungen gezeigt. Der monoenergetische Elektronenstrahl gestattet neben der Untersuchung von Anregungs- und Ionisationsprozessen insbesondere die der wichtigen Rekombinationsprozesse des Strahlenden Einfangs und der Dielektronischen Rekombination. Der Einsatz eines Kristalldiffraktionsspektrometers erlaubt trotz einer aufwendigen Kalibrierung und sehr langen Messzeiten die Auflösung einzelner Übergänge in hochgeladenen Ionen. Hauptanwendungsfeld der Dresden EBIT wird der Einsatz als Ionenquelle sein. Aus den Untersuchungen des extrahierten Gesamtionenstroms können die Bedingungen für einen möglichst großen Ionenstrom und einen optimalen Ionenstrahltransport abgeleitet werden. Eine optimale Ausnutzung der Eigenschaften hochgeladener Ionen erfordert die Separation der einzelnen Ladungszustände. Der Nachweis der sehr kleinen Ionenströme erfolgt über die kapazitive Messung in einem Faradaycup. Die Messung der Ladungszustandsverteilung in Abhängigkeit von den Parametern der EBIT gibt zusätzliche Aufschlüsse über die Eigenschaften der Ionenfalle.

Im Mittelpunkt der Arbeit steht Bildungssponsoring als organisatorisches Verfahren der Finanzierung. Verfahren regeln in Bildungsorganisationen und im Bildungswesen organisatorische Abläufe - das gilt auch für das Sponsoring. WATERKAMP thematisiert die Tatsache, dass die Abläufe in Bildungsinstitutionen und im Bildungswesen insgesamt durch Verfahren reguliert werden. Er weist auf die erziehungswissenschaftliche Relevanz des Themas "Verfahren" hin, die sich insbesondere in der international vergleichenden Sicht erschließt. Anknüpfend an diese Grundlegungen geht die Arbeit folgenden Fragen nach: Durch welche Besonderheiten ist das Finanzierungsverfahren "Bildungssponsoring" gekennzeichnet? Welche Varianten gibt es in den organisatorischen Abläufen des Bildungssponsorings? Welche Implikationen und Folgen hat diese Verfahren für die organisatorische und pädagogische Gestaltung der Bildung an beruflichen Schulen? Ziel dieser Untersuchung ist zu verdeutlichen, welche legalen, strukturellen und geistigen Voraussetzungen für eine positive Wirksamkeit des Verfahrens geschaffen und welche möglichen Risiken bei der Nutzung des Verfahrens berücksichtigt werden müssen.

Für medizinische Anwendungen sind Stammzellen aufgrund ihrer Eigenschaften (Selbsterneuerung, hohe Proliferationsrate und Differenzierungsmöglichkeit in verschiedene Zelltypen) beispielsweise in den Bereichen des regenerativen Gewebeersatzes und der Zelltherapie sehr interessant. In vivo umgibt die Stammzellen eine definierte Mikroumgebung, die sie unterstützt sich zu teilen, ihren undifferenzierten Status aufrecht zu erhalten und Tochterzellen für das Wachstum, die routinemäßige Erneuerung oder den Ersatz von Gewebe zu produzieren. Diese Mikroumgebungen werden als Stammzellnischen bezeichnet. Für die Kultivierung von Stammzellen in vitro muss die in vivo-Situation möglichst getreu nachgestaltet werden. Ziel der Forschung ist die Schaffung einer künstlichen Umgebung, die sowohl die funktionellen Eigenschaften einer Nische besitzt als auch frei von Risiken xenogener Pathogene oder Gewebeunverträglichkeiten für die Anwendung am humanen Organismus eingesetzt werden kann. Einen Ansatz dafür bietet beispielsweise die Kopplung von Faktoren, die für den Erhalt der Stammzelleigenschaften notwendig sind, an synthetische Oberflächen. Ausgehend vom Bedarf an Kultur- oder Modellsystemen für die Expansion von (embryonalen) Stammzellen sollte in dieser Arbeit analysiert werden, ob alternierende Maleinsäureanhydrid (MA)-Copolymere ein geeignetes Trägersystem für die biofunktionelle kovalente Immobilisierung spezifischer Zytokine sind und dadurch unter anderem als künstliche Stammzellnische Anwendung finden können. MA-Copolymere eignen sich aufgrund ihrer spontanen Reaktion mit Aminogruppen für die Immobilisierung von Proteinen. Das Zytokin LIF (Leukemia inhibitory factor) existiert in vivo auch in immobilisierter Form und ist in embryonalen Mausstammzellen (mESC) allein in der Lage, das Stammzellpotential dieser Zellen zu erhalten. Aus diesem Grund ist LIF für die Analyse der Aufgabenstellung geeignet. Nach der Charakterisierung LIF-modifizierter Oberflächen wurde die biologische Verfügbarkeit des kovalent immobilisierten Zytokins mit Hilfe von LIF-sensitiven Fibroblasten und mESC der Linie R1 überprüft. Anschließend wurde im Mausmodell in vivo der Erhalt der Pluripotenz der mESC durch immobilisiertes LIF analysiert. Dafür standen die Oberflächen Poly(ethylen-alt-maleinsäureanhydrid) (PEMA) und Poly(octadecen-alt-maleinsäureanhydrid) (POMA) jeweils ohne und mit Polyethylenglykol (PEG7)-Modifizierung zur Verfügung, an die LIF kovalent gekoppelt wurde. Zusätzlich wurde LIF physisorptiv an einer Kollagen-Fibronektin-Matrix über hydrolysiertem POMA immobilisiert. Mit Hilfe von radioaktiv markiertem LIF konnte gezeigt werden, dass die Gesamtbeladungsmenge mit Zytokin von den Eigenschaften der MA-modifizierten Träger abhing. Auf PEMA konnten mit steigenden Immobilisierungskonzentrationen höhere Belegungsdichten an der Oberfläche erreicht werden, die im analysierten Bereich eine lineare Abhängigkeit zeigten. Aufgrund der starken Quellung in wässrigen Lösungen war eine Einlagerung von LIF-Molekülen in die Polymerschicht möglich und führte bei hohen Immobilisierungskonzentrationen auch nach 3 Tagen Inkubation mit proteinhaltigem Medium noch zur Verdrängung nicht kovalent gebundener Zytokinmoleküle aus PEMA-Oberflächen. Obwohl ein Teil des LIF in die Polymerschicht eindrang, war der Großteil der Moleküle für einen spezifischen Antikörper zugänglich. Hydrophobe Oberflächen mit POMA konnten bei hohen Immobilisierungskonzentrationen weniger LIF binden und zeigten Sättigungsverhalten der Oberflächen bei einer Belegungsdichte von 178 ng/cm^2 LIF. Eine Freisetzung von LIF nach mehr als 3 Tagen konnte nicht beobachtet werden. Gleichzeitig war hier aufgrund der hydrophoben Polymerseitenketten die Antikörperzugänglichkeit deutlich reduziert. Wegen des geringen Quellungsverhaltens von POMA in wässrigen Lösungen konnte eine Einlagerung des immobilisierten Zytokins in die Polymerschicht aber ausgeschlossen werden. Die kovalente LIF-Immobilisierung über PEG7-Spacer führte im Vergleich zu den nicht PEG-modifizierten Oberflächen PEMA und POMA zu jeweils geringeren Belegungsdichten, ohne dabei den Charakter der Abhängigkeit von der Immobilisierungskonzentration zu verändern (linear für PEMA+PEG7, Sättigung für POMA+PEG7). Die schlechte Antikörperzugänglichkeit von immobilisiertem LIF auf POMA konnte durch die Einführung des PEG7-Spacers deutlich verbessert werden und erreichte einen Wert ähnlich dem der hydrophilen PEMA-Oberflächen. Kovalent immobilisiertes LIF zeigte auf den vier MA-Oberflächen homogene und definiert einstellbare Belegungsdichten auf den einzelnen Proben. Die physisorptive Immobilisierung von LIF an extrazelluläre Matrixkomponenten auf hydrolysiertem POMA führte zu inhomogenen und bereits bei geringen Immobilisierungskonzentrationen instabilen Belegungsdichten. Die Einstellung definierter Belegungsdichten und die homogene Verfügbarkeit des Zytokins sind für die spätere Anwendung bei der Kultivierung wichtig, da so allen Zellen die gleiche definierte Zytokindosis unabhängig von der Oberflächencharakteristik präsentiert wird und Populationsunterschiede vermieden werden. LIF-sensitive Mausfibroblasten der Linie NIH3T3 reagierten auf immobilisiertes LIF mit der Aktivierung des Signalwegproteins STAT3. Durch den direkten Vergleich von STAT3-Aktivierungsprofilen nach Stimulation mit gelöstem oder immobilisiertem LIF konnte gezeigt werden, dass durch beide Präsentationsformen innerhalb der ersten 15 Minuten nach Stimulationsbeginn eine starke Aktivierung von STAT3 erfolgt, die anschließend wieder abklingt. Die Profile beider Präsentationsformen unterschieden sich in ihren Intensitäten nur bei der starken STAT3-Aktivierung. Dabei ergaben sich bei gelöstem LIF aufgrund der größeren Kontaktfläche mit Zytokin (gesamte Zelloberfläche) etwas stärkere Aktivierungen. Durch die sehr ähnlichen Aktivierungsprofile konnte nachgewiesen werden, dass das Zytokin LIF für Zellen zugänglich an MA-Copolymere mit und ohne Spacer-Modifizierung immobilisiert werden kann. Dabei lag ein Teil der Moleküle in einer Konformation und Orientierung gebunden vor, die die Funktionalität des Zytokins erhalten konnten. Zwischen den Oberflächen mit kovalenter LIF-Immobilisierung konnten keine wesentlichen Unterschiede in der STAT3-Aktivierung festgestellt werden. LIF war an all diesen Oberflächen für die LIF-sensitiven NIH3T3 Mausfibroblasten biologisch verfügbar. LIF-abhängige embryonale Mausstammzellen (mESC) reagierten nach 72 Stunden LIF-Stimulation mit der Aktivierung von STAT3. Bei Belegungsdichten ab 8 ng/cm^2 kovalent immobilisiertem LIF auf POMA mit und ohne PEG7-Spacer konnten ähnliche Aktivierungen wie durch die Stimulation mit gelöstem LIF festgestellt werden. Dies bestätigte die biofunktionelle LIF-Immobilisierung. Zwischen den POMA-Oberflächen mit und ohne PEG7 war dabei kein deutlicher Unterschied erkennbar. Eine reduzierte Zugänglichkeit des Antikörpers auf POMA beeinflusste demnach die biologische Verfügbarkeit des Zytokins für die mESC nicht. Der Erhalt des Stammzellpotentials durch kovalent an POMA gebundenes LIF konnte in vitro durch die Präsenz von Oct4 im Zellkern der mESC nachgewiesen werden. Durch die instabile Immobilisierung bei physisorptiver Assoziation des Zytokins an Matrixkomponenten über hydrolysiertem POMA reduzierte sich der Erhalt des Stammzellpotentials auf diesen Oberflächen stark. Kovalent immobilisiertes LIF dagegen konnte auch während der Kultur über mehrere Passagen hinweg die Pluripotenz der murinen ESC erhalten. Nach der Fusion mit Blastozysten beteiligten sich diese kultivierten Zellen in vivo erfolgreich an der Bildung von Chimären. Dabei konnten keine Unterschiede der Chimärenhäufigkeit zwischen der Kultivierung der mESC mit gelöstem oder kovalent an POMA immobilisiertem LIF festgestellt werden. Kovalent an MA-Copolymere immobilisiertes LIF ist demnach in der Lage, gelöstes LIF vollständig zu ersetzen und über mehrere Passagen hinweg allein das Stammzellpotential von mESC zu erhalten. Die Experimente zeigten, dass sich MA-Copolymere für die funktionelle kovalente Immobilisierung von Signalmolekülen eignen. Dabei konnten keine starken Unterschiede bei der Reaktion der Zellen auf die Oberflächen PEMA oder POMA festgestellt werden. Auch die Einführung eines zusätzlichen Spacers war für die Signaltransduktion nach Stimulation mit kovalent immobilisiertem LIF nicht notwendig. Für künftige Arbeiten zur kovalenten Immobilisierung von LIF an MA-Copolymeren ist deshalb aus Stabilitäts- und Effizienzgründen die Oberfläche POMA zu bevorzugen. Diese Favorisierung kann jedoch aufgrund der unterschiedlichen Tertiärstruktur anderer Proteine und ihrer verschiedenen Steifigkeiten sowie bei der Verwendung anderer Zelltypen nicht automatisch für ein anderes Modellsystem übernommen werden. Die Verwendung hydrophiler Oberflächen oder die Kopplung über Spacer sollte demnach in Abhängigkeit vom zu immobilisierenden Protein und den auszusiedelnden Zellen geprüft werden. Die vorgestellte Kopplungsmethode umgeht die Modifikation des Proteins sowie Behandlungen zur Vernetzung des Zytokins. Die Immobilisierungsreaktion ist bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck sowie unter sterilen Bedingungen durchführbar. Immobilisierte Zytokine werden homogen kovalent an der Oberfläche gebunden und sind dort für die Zellen zugänglich. Außerdem ermöglicht die Einstellung definierter Belegungsdichten die gezielte Applikation von Zytokindosen. MA-Copolymere sind somit nicht nur für die Kultivierung von Stammzellen unter Erhaltung des Stammzellstatus einsetzbar, sondern eignen sich auch für Differenzierungsstudien. Teilergebnisse dieser Arbeit wurden publiziert unter K. Alberti, R.E. Davey, K. Onishi, S. George, K. Salchert, F.P. Seib, M. Bornhäuser, T. Pompe, A. Nagy, C.Werner, and P.W. Zandstra. Functional immobilization of signaling proteins enables control of stem cell fate. Nat Methods, 5(7):645–650, Jul 2008 und T. Pompe, K. Salchert, K. Alberti, P.W. Zandstra, and C. Werner. Immobilization of growth factors on solid supports for the modulation of stem cell fate. Nat Protocols, 5(6):1042–1050, Jun 2010. / In vitro cultivation of (embryonic) stem cells requires a defined environment. Together different properties as cytokine supplement, extracellular matrix composition or topographic design can mimic this stem cell niche in an artificial system. For mouse embryonic stem cells the cytokine leukemia inhibitory factor (LIF) is able to keep those cells in undifferentiated state and to enhance self renewal without the supplement of other factors. In vivo LIF exists in both diffusible and extracellular matrix immobilized form. This work investigates whether LIF can be immobilized covalently to alternating maleic anhydride (MA)-copolymers in a functional manner. When bioavailable, covalently immobilized LIF should be able to interact with specific cytokine receptor subunits and provide information to keep murine embryonic stem cells in a pluripotent state. In aqueous solution with neutral pH (such as phosphate buffered saline, PBS) and ambient temperature and pressure MA-copolymers react spontaneously with aminogroups and therefore represent a useful support for covalent protein immobilization. Depending on the choice of co-monomer, properties of copolymer vary: ethylene results in hydrophilic poly-(ethylene-alt-maleic anhydride) (PEMA), octadecene in more hydrophobic poly-(octadecene-alt-maleic anhydride) (POMA). LIF can be covalently immobilized onto the MA-copolymers as shown by radiolabeling experiments. The amount of cytokine coupled to PEMA increased linear whereas on POMA saturation could be observed for higher concentrations. A subsequent coupling of a polyethylene glycol spacer (PEG7) further modified the properties and led to more hydrophilic surfaces. The amount of LIF per area decreased in comparison to MA-copolymers without the spacer but the graph characteristics remained unaltered (linear for PEMA+PEG7, saturation for POMA+PEG7). During the first three days in buffer solution supplemented with bovine serum albumin, unbound LIF was displaced and the amount of immobilized cytokine remained stable. This Stability after preincubation allowed to immobilize required amounts of LIF per area. Although hydrophilic surfaces with PEMA showed swelling behavior resulting in increased layer thickness after incubation in PBS, accessibility to LIF for an antibody was not impaired. The amounts per area detected by radiolabeling method and using the antibody were similar and indicated that LIF was not covered by copolymers. For cell culture addition of diffusible as well as immobilized growth factors or cytokines requires dosage control. Frequently it is necessary to provide homogeneous distribution of the factor of interest. In the present study analysis by fluorescence microscopy confirmed homogeneity for surfaces with covalently immobilized LIF (iLIF) but not for LIF physisorbed to extracellular matrix components collagen type I and fibronectin. LIF transduces signals via the JAK/STAT pathway. Preliminary experiments with LIF-sensitive fibroblasts showed similar activation of STAT3 after stimulation with immobilized or diffusible LIF. The results of STAT3 activation revealed an activation profile with high intensities within the first 15 minutes for both immobilized and diffusible LIF followed by decrease. STAT3 activation profiles were similar on different surfaces and independent of LIF presentation mode. These results revealed that fibroblasts could recognize covalently immobilized LIF onto MA-copolymers and were able to activate STAT3. In the absence of LIF mESC start to differentiate within 24 to 36 hours and loose their pluripotency. To confirm the functional immobilization of LIF mouse embryonic stem cells (mESC) were cultivated on iLIF-modified POMA or POMA+PEG7 surfaces for 72 hours and stained for activated STAT3. Results showed a dose-dependent activation increasing with the iLIF amount per area. Higher amounts (8 and 75 ng/cm^2) of iLIF activated STAT3 similar to 10 ng/ml diffusible LIF. Introduction of PEG7 spacer did not further increased STAT3 activation. Both, the amount of ESC marker Oct4 and the percentage of Oct4-positive cells increased with higher amounts of iLIF and showed similar results as obtained with 10 ng/ml diffusible LIF. Murine ESC cultivated on LIF physisorbed to matrix components expressed similar amounts of transcription factor Oct4 compared to unstimulated cells. STAT3 activation and Oct4 expression in the absence of diffusible cytokine indicated a functional covalent immobilization of LIF. To confirm the pluripotency, mESC were stimulated for 6 to 8 subcultures only with iLIF, cell aggregates were fused with mouse embryos and implanted in pseudopregnant surrogate mothers. Three weeks after birth the contribution of mESC aggregates to chimera was evaluated. ESC stimulated with iLIF only contributed to chimera formation with around the same frequency as mESC cultivated with 10 ng/ml diffusible LIF. Thus, iLIF maintained pluripotency of mESC during in vitro expansion and could replace diffusible LIF. As shown by the experiments, MA-copolymers provide a support to covalently immobilize cell signaling molecules in a functional manner. This method of coupling does not need any protein modification or cross-linking treatment after protein incubation. Reaction can be carried out under sterile conditions at ambient temperature and pressure. The immobilized ligand is distributed equally on the supporting copolymer and the adjustment of required ligand amounts is possible. These properties characterize MA-copolymers as a suitable support to immobilize cell signaling molecules not only for keeping the stem cell fate but also for differentiation studies. Parts of this work were published: K. Alberti, R.E. Davey, K. Onishi, S. George, K. Salchert, F.P. Seib, M. Bornhäuser, T. Pompe, A. Nagy, C.Werner, and P.W. Zandstra. Functional immobilization of signaling proteins enables control of stem cell fate. Nat Methods, 5(7):645–650, Jul 2008. T. Pompe, K. Salchert, K. Alberti, P.W. Zandstra, and C. Werner. Immobilization of growth factors on solid supports for the modulation of stem cell fate. Nat Protocols, 5(6):1042–1050, Jun 2010.

This thesis addresses the metal nanocluster growth process on prepatterned substrates, the development of atomistic simulation method with respect to an acceleration of the atomistic transition states, and the continuum model of the ion-beam inducing semiconductor surface pattern formation mechanism. Experimentally, highly ordered Ag nanocluster structures have been grown on pre-patterned amorphous SiO2 surfaces by oblique angle physical vapor deposition at room temperature. Despite the small undulation of the rippled surface, the stripe-like Ag nanoclusters are very pronounced, reproducible and well-separated. The first topic is the investigation of this growth process with a continuum theoretical approach to the surface gas condensation as well as an atomistic cluster growth model. The atomistic simulation model is a lattice-based kinetic Monte-Carlo (KMC) method using a combination of a simplified inter-atomic potential and experimental transition barriers taken from the literature. An effective transition event classification method is introduced which allows a boost factor of several thousand compared to a traditional KMC approach, thus allowing experimental time scales to be modeled. The simulation predicts a low sticking probability for the arriving atoms, millisecond order lifetimes for single Ag monomers and about 1 nm square surface migration ranges of Ag monomers. The simulations give excellent reproduction of the experimentally observed nanocluster growth patterns. The second topic specifies the acceleration scheme utilized in the metallic cluster growth model. Concerning the atomistic movements, a classical harmonic transition state theory is considered and applied in discrete lattice cells with hierarchical transition levels. The model results in an effective reduction of KMC simulation steps by utilizing a classification scheme of transition levels for thermally activated atomistic diffusion processes. Thermally activated atomistic movements are considered as local transition events constrained in potential energy wells over certain local time periods. These processes are represented by Markov chains of multi-dimensional Boolean valued functions in three dimensional lattice space. The events inhibited by the barriers under a certain level are regarded as thermal fluctuations of the canonical ensemble and accepted freely. Consequently, the fluctuating system evolution process is implemented as a Markov chain of equivalence class objects. It is shown that the process can be characterized by the acceptance of metastable local transitions. The method is applied to a problem of Au and Ag cluster growth on a rippled surface. The simulation predicts the existence of a morphology dependent transition time limit from a local metastable to stable state for subsequent cluster growth by accretion. The third topic is the formation of ripple structures on ion bombarded semiconductor surfaces treated in the first topic as the prepatterned substrate of the metallic deposition. This intriguing phenomenon has been known since the 1960s and various theoretical approaches have been explored. These previous models are discussed and a new non-linear model is formulated, based on the local atomic flow and associated density change in the near surface region. Within this framework ripple structures are shown to form without the necessity to invoke surface diffusion or large sputtering as important mechanisms. The model can also be extended to the case where sputtering is important and it is shown that in this case, certain "magic" angles can occur at which the ripple patterns are most clearly defined. The results including some analytic solutions of the nonlinear equation of motions are in very good agreement with experimental observation.

Die Arbeit befasst sich mit dem chemischen Verhalten von Oberflächen an Siliciumnanopartikeln. Diese stehen in ihrer Reaktivität, aufgrund des großen Verhältnisses Oberfläche zu Volumen, zwischen einzelnen Atomen und ausgedehnten Kristallen. Durch Umsetzung mit unterschiedlich funktionalisierten Molekülen gelingt es, die Oberfläche der Partikel zu modifizieren. Dabei wurde eine neue Möglichkeit gefunden, Si-C-Bindungen auf Si-Oberflächen zu erzeugen. Die Modifizierung mit Wasserstoff (durch Behandlung mit HF) oder mit Chlor (durch Umsetzung mit Chlorierungsmitteln) schafft neue, synthetisch wertvolle Ausgangssituationen. Darauf aufbauend konnten Alkyl, Alkoxy- und Amingruppen kovalent angeknüpft werden. Die chemische Modifizierung der Nanopartikel führt zu verändertem Photoleitfähigkeits- sowie Photolumineszenzverhalten. Es wurde ein Vorschlag zur Deutung dieser Effekte entwickelt.