Diese Arbeit stützt sich auf die theoretische und experimentelle Untersuchung der Thermodiffusion im Magnetfeld. Bei magnetischen Flüssigkeiten als kolloidalen Suspensionen versteht man unter der Thermodiffusion einen durch einen Temperaturgradienten angestoßenen unidirektionalen Partikeltransport, der zur Separation des Fluids führt. Beschrieben wird die Thermodiffusion theoretisch über das Konzentrationsprofil der Partikel in Abhängigkeit von Zeit und Ort in einer Fluidschicht. Die Experimente detektieren die Separation des Fluids über die Konzentrationsdifferenz zwischen zwei Fluidkammern. Die Bestimmung des Soret-Koeffizienten erfolgt über einen Datenfit zwischen experimentellen und theoretischen Daten. Für das kerosinbasierte Ferrofluid EMG905 wurden zwei Effekte festgestellt. Bei kleinen Magnetfeldstärken wandern die Partikel zum kalten Rand der Schicht (ST>0), bei steigenden Feldstärken kehrt sich diese Richtung um (ST<0). Die Ergebnisse der Untersuchungen zur Thermodiffusion gehen dann in eine lineare Stabilitätsanalyse einer Ferrofluidschicht bei anliegendem Temperaturgradienten und Magnetfeld ein. Dabei wird festgestellt, dass die kritische Rayleigh-Zahl als charakteristische Größe zum Einsetzen von Konvektion von dem Soret-Koeffizienten abhängt. Ist letzterer positiv, wird das Einsetzen von Konvektion begünstigt, ist er wiederum negativ, so kann Konvektion vollständig unterdrückt werden.

Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zum Verständnis der elektrochemischen Prozesse an der Elektrodengrenzfläche und im Festkörper graphitischer Anoden für Lithium-Ionen-Batterien. Der Zusammenhang zwischen den intrinsischen Eigenschaften des Aktivmaterials und den resultierenden Eigenschaften von Kompositelektroden stand dabei im Fokus der Untersuchungen. Die Temperaturabhängigkeit von Materialeigenschaften (Diffusionskoeffizient, Austauschstromdichte) und Elektrodeneigenschaften (Verhalten unter Strombelastung) wurde in einem Bereich von 40 °C bis -10 °C erfasst. Dazu werden elektrochemische Charakterisierungsmethoden aus der Literatur vorgestellt und hinsichtlich ihrer Gültigkeit für die Anwendung an realen Elektroden evaluiert. Die elektrochemisch aktive Oberfläche wurde bestimmt und stellte sich als ausschlaggebender Parameter für die Bewertung der Elektrodenprozesse heraus. Auf Basis korrigierter Elektrodenoberflächen konnten Austauschstromdichten für die konkurrierenden Prozesse Lithium-Interkalation und -Abscheidung ermittelt werden. Zusammen mit Kennwerten zur Keimbildungsüberspannung für Lithium-Abscheidung flossen die ermittelten Kennwerte in eine theoretische Berechnung des Zellstroms ein. Es konnte gezeigt werden, dass die Lithium-Abscheidung kinetisch deutlich gegenüber der Lithium-Interkalation bevorzugt ist, nicht nur bei niedriger Temperatur. Die Übertragbarkeit wissenschaftlicher Grundlagenexperimente auf kommerzielle Systeme war bei allen Versuchen Gegenstand der Untersuchungen. In einem separaten Beispiel einer Oberflächenmodifikation mit Zinn wurde diese Problematik besonders verdeutlicht. Zusätzlich wurde die parasitäre Abscheidung von Lithium auf graphitischen Anoden hinsichtlich der Nachweisbarkeit und Quantifizierung evaluiert. Hierfür wurde eine neue Untersuchungsmethode im Bereich der Lithium-Ionen-Batterie zur besseren Detektion von Lithium-Abscheidung und Grenzflächen-Morphologie mittels Elektronenmikroskopie entwickelt. Die Osmiumtetroxid (OsO4) Färbung ermöglichte eine deutliche Verbesserung des Materialkontrasts und erlaubte somit eine gezielte Untersuchung von graphitischen Anoden nach erfolgter Lithium-Abscheidung. Darüber hinaus konnte die selektive Reaktion des OsO4 für eine genauere Betrachtung der Solid Electrolyte Interphase genutzt werden. Eine Stabilisierung der Proben an Luft und im Elektronenstrahl konnte erreicht werden. / This work sheds light on the electrochemical processes occurring at commercially processed graphitic anodes. It raises the question whether values published in literature for mostly ideal electrode systems can be readily taken for simulation and design of real electrodes in high-energy cells. A multiple step approach is given, evaluating different methods to determine electrode and material properties independently. The electrochemically active surface area was shown to be a crucial parameter for the calculation of electrode kinetics. Using exchange current densities corrected for the electrode surface area, the overall charging current in a cell could be calculated. The resulting part of lithium deposition in the charging process is strikingly high, not only at low temperatures. To further investigate lithium deposition in terms of morphology and quantity, a method was developed for graphitic anodes. Osmium tetroxide (OsO4) staining serves well as a tool to strongly increase material contrast in electron microscopy. Thus lithium dendrites could be made visible in an unprecedented manner. Furthermore, the selective chemical reaction of osmium tetroxide allows for a better investigation of the multi-layer solid electrolyte interphase as was shown in transmission electron microscopy. Using the staining method, a stabilization of the sample under air and in the electron beam could be achieved.

Ziel der vorgestellten Arbeit war die Synthese von Nucleolipiden zur Lipophilisierung von Oligonucleotiden sowie deren Untersuchung im Hinblick auf ihre Wechselwirkung und Duplex-Bildung an horizontalen Lipidmembranen und verschiedenen Phasengrenzen zur Entwicklung eines neuartigen Bio-Chips für die RNA/DNA-Analyse. Mit der Synthese N(3)-prenylierter und 2’,3’-O-ketalisierter Pyrimidinbasen Uridin und Methyluridin wurden Nucleolipid-Bausteine dargestellt, die auch als terminale Kopfgruppen eines Oligonucleotid-Dodecamers den lipophilen Charakter dieser Oligonucleotid-Sequenz erhöhten. Für den Einsatz solcher LONs (Lipo-Oligonucleotide) in einer vereinfachten RNA/DNA-Analytik wurde eine Vielzahl von Lipo-Oligonucleotiden mit diversen Nucleolipid-Kopfgruppen synthetisiert und auf ihr Einlagerungsverhalten in künstliche Lipid-Bilayer untersucht. Fluoreszenz-spektroskopische Untersuchungen zeigten, dass alle Lipo-Oligonucleotide in der Lage sind, sich in künstliche Lipid-Bilayer einzulagern. Abhängig von der Struktur, der Länge und der Anzahl der C-Atom-Ketten dieser lipophilen Anker-Bausteine wurden die Geschwindigkeit und die Festigkeit der Verankerung im Lipid-Bilayer beeinflusst. Des Weiteren wurde die Hybridisierung von LONs mit komplementären Oligomeren an Lipidmembranen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die im Bilayer verankerten Lipo-Oligonucleotide mit komplementären Oligomeren DNA-Duplexe bilden. Die hybridisierte DNA wurde nicht nur über einen kovalent gebundenen Cy5-Fluorophor am Gegenstrang nachgewiesen, sondern auch über den DNA-Interkalator SYBR Green I (SG). Am Beispiel von zwei Lipo-Oligonucleotiden (LON 20 und 23), die sich schnell und fest in der Bilayermembran verankern, konnte eine spontane Akkumulation dieser LONs an CHCl3/H2O sowie H2O/n-Decan Grenzflächen direkt nach der Probenzugabe beobachtet werden. Diese und andere Ergebnisse stützen den Einsatz von Lipo-Oligonucleotiden als Ziel-Oligomere in einem neuartigen RNA/DNA-Nachweisverfahren an Phasengrenzen.