Weltweit versuchen Wissenschaftler, künstliche Viren für den Gentransfer zu konstruieren, die nicht reproduktionsfähig sind. Diese sollen die Vorteile der natürlichen Viren besitzen (effizienter Transport von genetischem Material), jedoch keine Antigene auf ihrer Oberfläche tragen, die Immunreaktionen auslösen. <br><br> Ziel dieses Projektes ist es, einen künstlichen Viruspartikel herzustellen, dessen Basis eine Polyelektrolytenhohlkugel bildet, die mit einer Lipiddoppelschicht bedeckt ist. Um intakte Doppelschichten zu erzeugen, muss die Wechselwirkung zwischen Lipid und Polyelektrolyt (z.B. DNA) verstanden und optimiert werden. Dazu ist es notwendig, die strukturelle Grundlage der Interaktion aufzuklären. Positiv geladene Lipide gehen zwar starke Wechselwirkungen mit der negativ geladenen DNA ein, sie wirken jedoch toxisch auf biologische Zellen. In der vorliegenden Arbeit wurde daher die durch zweiwertige Kationen vermittelte Kopplung von genomischer oder Plasmid-DNA an zwitterionische oder negativ geladene Phospholipide an zwei Modellsystemen untersucht. <br><br> 1. Modellsystem: Lipidmonoschicht an der Wasser/Luft-Grenzfläche <br> Methoden:<br> Filmwaagentechnik in Kombination mit IR-Spektroskopie (IRRAS), Röntgenreflexion (XR), Röntgendiffraktion (GIXD), Brewsterwinkel-Mikroskopie (BAM), Röntgenfluoreszenz (XRF) und Oberflächenpotentialmessungen <br> Resultate:<br> A) Die Anwesenheit der zweiwertigen Kationen Ba2+, Mg2+, Ca2+ oder Mn2+ in der Subphase hat keinen nachweisbaren Einfluss auf die Struktur der zwitterionischen DMPE- (1,2-Dimyristoyl-phosphatidyl-ethanolamin) Monoschicht. <br> B) In der Subphase gelöste DNA adsorbiert nur in Gegenwart dieser Kationen an der DMPE-Monoschicht. <br> C) Sowohl die Adsorption genomischer Kalbsthymus-DNA als auch der Plasmid-DNA pGL3 bewirkt eine Reduktion des Neigungswinkels der Alkylketten, die auf einen veränderten Platzbedarf der Kopfgruppe zurückzuführen ist. Durch die Umorientierung der Kopfgruppe wird die elektrostatische Wechselwirkung zwischen den positiv geladenen Stickstoffatomen der Lipidkopfgruppen und den negativ geladenen DNA-Phosphaten erhöht.<br> D) Die adsorbierte DNA weist eine geordnete Struktur auf, wenn sie durch Barium-, Magnesium-, Calcium- oder Manganionen komplexiert ist. Der Abstand zwischen parallelen DNA-Strängen hängt dabei von der Größe der DNA-Fragmente sowie von der Art des Kations ab. Die größten Abstände ergeben sich mit Bariumionen, gefolgt von Magnesium- und Calciumionen. Die kleinsten DNA-Abstände werden durch Komplexierung mit Manganionen erhalten. Diese Ionenreihenfolge stellt sich sowohl für genomische DNA als auch für Plasmid-DNA ein. <br> E) Die DNA-Abstände werden durch die Kompression des Lipidfilms nicht beeinflusst. Zwischen der Lipidmonoschicht und der adsorbierten DNA besteht demnach nur eine schwache Wechselwirkung. Offensichtlich befindet sich die durch zweiwertige Kationen komplexierte DNA als weitgehend eigenständige Schicht unter dem Lipidfilm. <br> <br><br> 2. Modellsystem: Lipiddoppelschicht an der fest/flüssig-Grenzfläche<br> Methoden:<br> Neutronenreflexion (NR) und Quarzmikrowaage (QCM-D)<br> Resultate:<br> A) Das zwitterionische Phospholipid DMPC (1,2-Dimyristoyl-phosphatidylcholin) bildet keine Lipiddoppelschicht auf planaren Polyelektrolytmultischichten aus, deren letzte Lage das positiv geladene PAH (Polyallylamin) ist. <br> B) Hingegen bildet DMPC auf dem negativ geladenen PSS (Polystyrolsulfonat) eine Doppelschicht aus, die jedoch Defekte aufweist. <br> C) Eine Adsorption von genomischer Kalbsthymus-DNA auf dieser Lipidschicht findet nur in Gegenwart von Calciumionen statt. Andere zweiwertige Kationen wurden nicht untersucht.<br> D) Das negativ geladene Phospholipid DLPA (1,2-Dilauryl-phosphatidsäure) bildet auf dem positiv geladenen PAH eine Lipiddoppelschicht aus, die Defekte aufweist. <br> E) DNA adsorbiert ebenfalls erst in Anwesenheit von Calciumionen in der Lösung an die DLPA-Schicht.<br> F) Durch die Zugabe von EDTA (Ethylendiamintetraessigsäure) werden die Calciumionen dem DLPA/DNA-Komplex entzogen, wodurch dieser dissoziiert. Demnach ist die calciuminduzierte Bildung dieser Komplexe reversibel. / All over the world scientists are trying to engineer artificial viruses, which do not replicate, for gene delivery. These artificial viruses should have the advantages of natural viruses such as efficient transport of genetic material, but they should not carry antigens, which cause immune reactions, on their top portion.<br><br> The aim of this project is to develop an artificial virus particle that is based on a polyelectrolyte hollow capsule which is covered by a lipid bilayer. To create intact bilayers, it is crucial to understand and optimize the interaction between lipids and polyelectrolytes (e. g. DNA). Therefore the structural basis of that interaction must be elucidated. Positively charged lipids interact strongly with the negatively charged DNA but they cause toxic reactions in biological cells. Hence the present work used two model systems to study the coupling of genomic or plasmid DNA to zwitterionic or negatively charged phospholipids induced by divalent cations. <br><br> 1. Model system: Lipid monolayer at the air/water-interface <br> Methods: <br> Langmuir filmbalance in combination with IR-spectroscopy (IRRAS), X-ray reflectometry (XR), X-ray diffraction (GIXD), Brewster angle microscopy (BAM), X-ray fluorescence (XRF), and surface potential measurements<br> Results:<br> A) The presence of the divalent cations Ba2+, Mg2+, Ca2+ or Mn2+ in the subphase has no traceable influence on the structure of a zwitterionic DMPE (1,2-dimyristoyl-phosphatidyl-ethanolamine) monolayer.<br> B) DNA which is dissolved in the subphase adsorbs to the DMPE-monolayer only if divalent cations are present.<br> C) The adsorption of genomic calf thymus DNA as well as of the plasmid DNA pGL3 causes a reduction of the tilt angle of the lipid alkyl chains. The tilt reduction can be ascribed to a change in the space required by the lipid head group. This change in head group orientation increases the electrostatic interaction between the positively charged nitrogen atoms in the lipid head and the negatively charged DNA phosphates.<br> D) The adsorbed DNA exhibits an ordered structure if it is complexed by barium, magnesium, calcium or manganese ions. The spacing between parallel DNA strands depends on the size of the DNA fragments as well as on the kind of cation. The largest DNA-spacings are observed with barium ions, followed by magnesium and calcium ions. DNA-complexation with manganese ions causes the smallest spacings. This order of ions is observed for both genomic and plasmid DNA.<br> E) Compression of the monolayer does not influence the DNA spacings. Thus the interaction between the lipid monolayer and adsorbed DNA is only weak. The DNA must exist as a more or less separate layer under the lipid film.<br> <br><br> 2. Model system: Lipid bilayer at the solid/fluid-interface<br> Methods: <br> Neutron reflectometry (NR), and Quartz crystal microbalance (QCM-D)<br> Results:<br> A) The zwitterionic phospholipid DMPC (1,2-dimyristoyl phosphatidylcholine) does not form lipid bilayers on top of planar polyelectrolyte multilayers covered with the positively charged PAH (polyallylamine).<br> B) In contrast, DMPC forms a lipid bilayer with defects on top of the negatively charged PSS (polystyrolsulfonate) terminated polyelectrolyte cushion.<br> C) Genomic calf thymus DNA adsorbs only to the DMPC layer in presence of calcium ions. Different ions were not examined.<br> D) The negatively charged phospholipid DLPA (1,2-dilauryl-phosphatidic acid) also forms a lipid bilayer with defects on top of the PAH-terminated cushion.<br> E) The DNA adsorbs also to the DLPA layer only in the presence of calcium ions in the solution.<br> F) By addition of EDTA (ethylenediaminetretraacetic acid) the calcium cations are removed from the DLPA/DNA-complex and the complex dissociates. Thus the calcium induced formation of that complex is reversible.<br><br>

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Hierarchical Kroll-carbons (KCs) with combined micro- and mesopore systems are prepared from silica and alumina templates by a reductive carbochlorination reaction of fumed silica and alumina nanoparticles inside a dense carbon matrix. The resulting KCs offer specific surface areas close to 2000 m2 g−1 and total pore volumes exceeding 3 cm3 g−1, resulting from their hierarchical pore structure. High micropore volumes of 0.39 cm3 g−1 are achieved in alumina-based KCs due to the enhanced carbon etching reaction being mainly responsible for the evolution of porosity. Mesopore sizes are uniform and precisely controllable over a wide range by the template particle dimensions. The possibility of directly recycling the process exhaust gases for the template synthesis and the use of renewable carbohydrates as the carbon source lead to a scalable and efficient alternative to classical hard- and soft templating approaches for the production of mesoporous and hierarchical carbon materials. Silica- and alumina-based Kroll-carbons are versatile electrode materials in electrochemical double-layer capacitors (EDLCs). Specific capacitances of up to 135 F g−1 in an aqueous electrolyte (1 M sulfuric acid) and 174 F g−1 in ionic liquid (1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate) are achieved when measured in a symmetric cell configuration up to voltages of 0.6 and 2.5 V, respectively. 90% of the capacitance can be utilized at high current densities (20 A g−1) and room temperature rendering Kroll-carbons as attractive materials for EDLC electrodes resulting in high capacities and high rate performance due to the combined presence of micro- and mesopores.

Hierarchical Kroll-carbons (KCs) with combined micro- and mesopore systems are prepared from silica and alumina templates by a reductive carbochlorination reaction of fumed silica and alumina nanoparticles inside a dense carbon matrix. The resulting KCs offer specific surface areas close to 2000 m2 g−1 and total pore volumes exceeding 3 cm3 g−1, resulting from their hierarchical pore structure. High micropore volumes of 0.39 cm3 g−1 are achieved in alumina-based KCs due to the enhanced carbon etching reaction being mainly responsible for the evolution of porosity. Mesopore sizes are uniform and precisely controllable over a wide range by the template particle dimensions. The possibility of directly recycling the process exhaust gases for the template synthesis and the use of renewable carbohydrates as the carbon source lead to a scalable and efficient alternative to classical hard- and soft templating approaches for the production of mesoporous and hierarchical carbon materials. Silica- and alumina-based Kroll-carbons are versatile electrode materials in electrochemical double-layer capacitors (EDLCs). Specific capacitances of up to 135 F g−1 in an aqueous electrolyte (1 M sulfuric acid) and 174 F g−1 in ionic liquid (1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate) are achieved when measured in a symmetric cell configuration up to voltages of 0.6 and 2.5 V, respectively. 90% of the capacitance can be utilized at high current densities (20 A g−1) and room temperature rendering Kroll-carbons as attractive materials for EDLC electrodes resulting in high capacities and high rate performance due to the combined presence of micro- and mesopores.

Das unerwünschte Aufwachsen oder Anhaften von Eis an z.B. Windenergieanlagen und Wärmetauschern kann zum Funktionsverlust oder zur temporären Stilllegung der gesamten technischen Anlage führen. Bekannte Abwehrmechanismen sind das aktive Beheizen der Oberflächen oder der Einsatz von Enteisungschemikalien. Um den Verbrauch der hierfür benötigten elektrischen Energie oder Enteisungsmittel zu minimieren, werden in zunehmendem Maß passive Oberflächenbeschichtungen zur Gefrierverzögerung und Adhäsionsminimierung entwickelt. Der Einsatz pyroelektrischer Materialien bietet einen Lösungsansatz, der über bisher bekannte Abwehrstrategien hinausgeht. Es wird angenommen, dass pyroelektrisch generierte Oberflächenladungen während der Abkühlung entweder förderlich oder verzögernd auf die Eiskeimbildung wirken können. Dünne Schichten aus pyroelektrischem Poly-(Vinylidenfluorid - co - Trifluorethylen) haben wegen ihrer leichten Verarbeitbarkeit, hohen Flexibilität und pyroelektrischen Eigenschaften Interesse an ihrer Anwendung als funktionelle Beschichtung geweckt. Für eine industrielle Anwendung von P(VDF-TrFE) ist jedoch ein vertieftes Verständnis darüber erforderlich, wie sich der Beschichtungsprozess auf die resultierende Kristallinität, kristallographische Orientierung und Rauheit auswirkt. Die Morphologie teilkristalliner P(VDF-TrFE)-Beschichtungen wurde in dieser Arbeit in Abhängigkeit der Beschichtungsmethode, des Lösungsmittels, der Schichtdicke und der Wärmebehandlung mithilfe von Röntgenweitwinkelstreuung, Röntgenreflektometrie und Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie untersucht. Mit Hilfe von Rasterkraftmikroskopie- und Kontaktwinkel-Messungen wurden die resultierende Topographie und Rauheit der Schichten überprüft. Auf Grundlage der Ergebnisse dieser Messungen kann die dominierende edge-on Orientierung der P(VDF-TrFE)-Polymerketten entweder mit einem transkristallin-artigen Mechanismus oder Konfinement-Effekten erklärt werden. An den P(VDF-TrFE)-Dünnschichten wurde eine Vielzahl von Vereisungsexperimenten mit aufliegenden Wassertropfen durchgeführt, um den Einfluss der verschiedenen Schichtparameter wie Polarisierungsrichtung, Schichtdicke, verwendetes Lösungsmittel, Beschichtungstechnologie, Substrat und Wärmebehandlung auf die erreichbare Gefrierverzögerung unabhängig voneinander zu ermitteln. Die Rauheit der Schichten sowie substratspezifische Entnetzungserscheinungen veränderten hierbei signifikant die Verteilung der Gefriertemperaturen von Wassertropfen in Kontakt mit den P(VDF-TrFE)-Dünnschichten. Im Gegensatz dazu wurde kein signifikanter Einfluss der Dicke, Morphologie oder des pyroelektrischen Effekts auf die erreichbare Gefrierverzögerung gefunden. Es kann demnach geschlussfolgert werden, dass die heterogene Eiskeimbildung stärker durch lokale Rauheiten im nm-Bereich beeinflusst wird als durch integrale Eigenschaften wie beispielsweise Oberflächenladungen. Die Eisadhäsion auf P(VDF-TrFE) wird hauptsächlich durch Rauheiten im µm-Bereich, die Umgebungstemperatur und den Ionengehalt der flüssigen Phase bestimmt. Auch hier konnte kein signifikanter Einfluss geladener Oberflächen auf die Haftfestigkeit von Eis ausfindig gemacht werden. Statistische Tests ergaben, dass die Verteilung der Gefriertemperaturen unabhängiger Tropfen auf Oberflächen einem Spezialfall der Extremwertstatistik, der so genannten Gumbel-Verteilung, entspricht. Dies ermöglicht die Definition neuartiger Temperaturkennwerte für die Weiterentwicklung und Prüfung von Anti-Eis-Oberflächen.:Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung und Motivation 2. Stand der Forschung 2.1. Pyroelektrika 2.1.1. Der pyroelektrische Effekt 2.1.2. Pyroelektrische Werkstoffe 2.1.3. Stabilität pyroelektrischer Materialien in wässrigen Medien 2.1.4. PVDF und P(VDF-TrFE) 2.2. Elektrochemische Doppelschicht 2.2.1. Aufbau und Modelle 2.2.2. Ursachen für Ladungen an Grenzflächen 2.2.3. Isoelektrischer Punkt und Ladungsnullpunkt 2.2.4. Orientierung von Wassermolekülen in der EDL 2.3. Vereisung 2.3.1. Wasser und Eis 2.3.2. Anti-Eis Strategien 2.3.3. Gefrierverzögerung 2.3.4. Eisadhäsion 2.4. Pyroelektrika in wässrigen Medien 2.4.1. Charakterisierungsmöglichkeiten 2.4.2. Anwendungsfelder 3. Materialien und Methoden 3.1. Materialien 3.2. Herstellung pyroelektrischer Beschichtungen 3.3. Schichtcharakterisierung 3.4. Vereisungsneigung 3.5. Statistische Methoden 4. Ergebnisse 4.1. Charakterisierung der P(VDF-TrFE) Beschichtungen 4.1.1. Schichtdicke (Ellipsometrie) und mechanische Eigenschaften 4.1.2. Morphologie (DSC, GIWAXS, XRR, IRRAS) 4.1.3. Elektrische Eigenschaften 4.1.4. Topographie (AFM und Kontaktwinkel) 4.2. Vereisungsneigung von P(VDF-TrFE) 4.2.1. Gefrierverzögerung 4.2.2. Eisadhäsion 4.3. Vergleichsmessungen auf poliertem Aluminium 4.3.1. Kontaktwinkel 4.3.2. Gefrierverzögerung 4.3.3. Eisadhäsion 5. Diskussion 5.1. Schichtherstellung, -charakterisierung und -eignung 5.1.1. Schichtdicke 5.1.2. Eignung der Charakterisierungsmethoden 5.1.3. Vergleich von Dip- und Spin-Coating 5.1.4. Eignung von P(VDF-TrFE) für Anti-Eis-Beschichtungen 5.2. Anti-Eis-Eigenschaften 5.2.1. Erreichbare Gefrierverzögerung 5.2.2. Eisadhäsion 6. Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Symbol- und Abkürzungsverzeichnis Veröffentlichungen Anhang / Active de-icing of technical surfaces, such as for wind turbines and heat exchangers, currently requires the usage of heat or chemicals. Passive coating strategies that either postpone the freezing of covering water droplets or lower the ice adhesion strength would be beneficial in order to save costs and energy. One hypothesis is that pyroelectric active materials can either delay or promote heterogeneous ice nucleation because of the surface charges generated when these materials are subject to a temperature change. Pyroelectric poly-(vinylidene fluoride - co - trifluoroethylene) P(VDF-TrFE) thin films have created interest in their application because of their easy processibility, high flexibility and ferroelectric properties. The industrial application of P(VDF-TrFE) requires an understanding of the deposition process of films and in particular the resulting crystallinity, crystallographic orientation and roughness. In this work it has been proposed that an interface-mediated crystallization process occurs when P(VDF-TrFE) thin films are deposited from a solvent, resulting in a dominantly edge-on orientation caused either by a transcrystallinity mechanism or confinement effect. The morphology of the semi-crystalline thin film was studied as a function of the deposition method, solvent, film thickness and annealing temperature by grazing incidence wide-angle X-ray scattering, X-ray reflectometry and infrared reflection absorption spectroscopy. Atomic force microscopy measurements were used to examine the resulting topography and contact angle measurements to additionally verify the low roughness of the coatings. Freezing experiments with water droplets subjected to a cooling rate of 1K/min were made on P(VDF-TrFE) coatings in order to separate the effect of the different film parameters such as the poling direction, film thickness, used solvent, deposition process, underlying substrate and annealing temperature on the achievable supercooling. The topography and substrate-specific dewetting effects significantly changed the distribution of freezing temperatures of water droplets in contact with the P(VDF-TrFE) thin films. In contrast, no significant effect of the thickness, morphology or pyroelectric effect of the as-prepared domain-state on the freezing temperatures was found. Statistical tests revealed that the distribution of freezing temperatures of individual droplets deposited on surfaces match a special case of extreme-value statistics, the so-called Gumbel-distribution. This allows for the definition of novel parameters for the development and testing of anti-icing surfaces. The adhesion strength of ice to P(VDF-TrFE) is mainly determined by the topography, temperature and ion-content of the liquid phase. In contrast, surface charges do not significantly influence the ice adhesion strength.:Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung und Motivation 2. Stand der Forschung 2.1. Pyroelektrika 2.1.1. Der pyroelektrische Effekt 2.1.2. Pyroelektrische Werkstoffe 2.1.3. Stabilität pyroelektrischer Materialien in wässrigen Medien 2.1.4. PVDF und P(VDF-TrFE) 2.2. Elektrochemische Doppelschicht 2.2.1. Aufbau und Modelle 2.2.2. Ursachen für Ladungen an Grenzflächen 2.2.3. Isoelektrischer Punkt und Ladungsnullpunkt 2.2.4. Orientierung von Wassermolekülen in der EDL 2.3. Vereisung 2.3.1. Wasser und Eis 2.3.2. Anti-Eis Strategien 2.3.3. Gefrierverzögerung 2.3.4. Eisadhäsion 2.4. Pyroelektrika in wässrigen Medien 2.4.1. Charakterisierungsmöglichkeiten 2.4.2. Anwendungsfelder 3. Materialien und Methoden 3.1. Materialien 3.2. Herstellung pyroelektrischer Beschichtungen 3.3. Schichtcharakterisierung 3.4. Vereisungsneigung 3.5. Statistische Methoden 4. Ergebnisse 4.1. Charakterisierung der P(VDF-TrFE) Beschichtungen 4.1.1. Schichtdicke (Ellipsometrie) und mechanische Eigenschaften 4.1.2. Morphologie (DSC, GIWAXS, XRR, IRRAS) 4.1.3. Elektrische Eigenschaften 4.1.4. Topographie (AFM und Kontaktwinkel) 4.2. Vereisungsneigung von P(VDF-TrFE) 4.2.1. Gefrierverzögerung 4.2.2. Eisadhäsion 4.3. Vergleichsmessungen auf poliertem Aluminium 4.3.1. Kontaktwinkel 4.3.2. Gefrierverzögerung 4.3.3. Eisadhäsion 5. Diskussion 5.1. Schichtherstellung, -charakterisierung und -eignung 5.1.1. Schichtdicke 5.1.2. Eignung der Charakterisierungsmethoden 5.1.3. Vergleich von Dip- und Spin-Coating 5.1.4. Eignung von P(VDF-TrFE) für Anti-Eis-Beschichtungen 5.2. Anti-Eis-Eigenschaften 5.2.1. Erreichbare Gefrierverzögerung 5.2.2. Eisadhäsion 6. Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Symbol- und Abkürzungsverzeichnis Veröffentlichungen Anhang

Die atomgenaue Synthese von helikalen mehrschichtigen Nanographenen (NG) neuer Topologie ist aufgrund ihrer exotischen physikochemischen Eigenschaften von substanziellem Interesse. Allerdings ist die Synthese dieser Nanographene, speziell mit nicht benzoiden Ringen, äußerst herausfordernd. Wir präsentieren in diesem Artikel die effiziente Synthese des ersten helikalen zweischichtigen nichtbenzoiden Nanographens (HBNG1) ausgehend von einem maßgeschneiderten Azulen-Vorläufer, welcher bereits das neuartige Strukturelement zweier in [10]Helicen eingebetteter heptagonaler Ringe enthält. Die Einkristalldiffraktometrie gibt Einblick in die sterisch stark gespannte Doppelschichtstruktur mit einem Rekordwert für den kleinsten Interschichtabstand von nur 3.2 Å, in der Substanzklasse der doppelschichtigen Nanographene. Bemerkenswerterweise kommt es im Raum zwischen den Schichten zu π–π Wechselwirkungen. Wir untersuchten diesen Effekt durch in situ Spektroelektrochemie und Simulationen mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT). Des Weiteren wurden die chiroptischen Eigenschaften der P/M-Enantiomere von HBNG1 durch Zirkulardichroismus und zirkular polarisierter Fluoreszenz charakterisiert.

Es besteht enormes Interesse den Stofftransport in nanoskaligen Systemen zu verstehen und selektiv zu steuern, um analytische und synthetische Anwendungen zu entwickeln, aber auch um die physiologischen Prozesse lebender Zellen zu entschlüsseln. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss der elektrochemischen Doppelschicht an ausgewählten nanoskaligen Elektrolytsystemen untersucht. Die Gleichrichtung von Ionenströmen (engl. Ionic Current Rectification ICR) in Nanoporen mit einer Oberflächenladung äußert sich in einer gekrümmten Strom-Spannungs-Kurve. Die Überlappung von innerem und äußerem Potential ist dabei hinsichtlich der Ionenverteilung und somit der Porenleitfähigkeit einander verstärkend oder gegenläufig. Auf Grundlage dieses Mechanismus wurde die Gleichrichtung bei einem sehr großen Verhältnis von Porenöffnung zu Debye-Länge erklärt. Ferner wurde mittels der eingeführten relativen Leitfähigkeit κ´ die verschiedenen Leitfähigkeitszustände in Abhängigkeit der Elektrolytkonzentration und Temperatur sichtbar gemacht und Implikationen für Sensoranwendungen wie z.B. dem resistiven Pulszähler zur Partikelanalyse abgeleitet. Es wurde ein numerisches Modell basierend auf dem Poisson-Nernst-Planck-Gleichungssystem entwickelt, um die Translokation eines Nanopartikels durch eine konische Nanopore bei einer geringen Leitsalzkonzentration zu beschreiben. Neben dem klassischen Volumenausschluss-Effekt tritt zusätzlich ein Gleichrichtungseffekt (ICR-Effekt) in der Pore auf. Eine Analyse zur Entflechtung von Partikelgröße und Partikelladung aus der Pulshöhe und Pulsform wurde erfolgreich durchgeführt. Wie der Stofftransport durch eine Oberflächenladung auf dem umgebenden Material einer Nanoelektrode beeinflusst wird, wurde anhand des voltammetrischen Verhaltens diskutiert. An sehr kleinen Elektroden (< 10 nm) ist demnach der Einfluss der elektrochemischen Doppelschicht auf die Strom-Spannungs-Kurve besonders groß und kann auch bei Vorliegen eines hohen Leitsalzüberschusses nicht vernachlässigt werden. In leitsalzfreien Elektrolyten sind die gefundenen Effekte so deutlich, dass sie auch an größeren Elektroden experimentell zweifelsfrei festgestellt worden sind. / There is an enormous interest in understanding and selectively controlling the material transport in nanoscale systems to develop analytical and synthetic applications, but also to decipher the physiological processes of living cells. Within this thesis, the influence of the electrochemical double layer on selected nanoscale electrolyte systems was studied. Ionic Current Rectification (ICR) in nanopores carrying a surface charge manifests itself in a non-linear current-voltage-curve. The overlap of interior and exterior potential is cumulative or opposing with regard to the ion distribution and therefore the pore conductivity. Based on this mechanism, ICR for very large ratios of pore size and Debye length was explained. Furthermore, the different conducting states as a function of electrolyte concentration and temperature were visualized by introducing the relative conductivity κ´ and hence implications for sensor applications such as the resistive pulse sensor have been deduced. A numerical model based on the Poisson-Nernst-Planck-equations was developed to describe the translocation of a nanoparticle through a conical nanopore at a low electrolyte concentration. An additional rectification effect (ICR effect) occurs in the pore beside the conventional volume exclusion effect. An analysis was successfully performed to deconstruct the particle size and particle charge from the pulse height and shape. The material transport is affected by a surface charge on the shrouding material of nanoelectrodes as it was discussed by means of the voltammetric behaviour. The influence of the electrochemical double layer on the current-voltage-curve is particularly large at very small electrodes (< 10 nm) and cannot be neglected even at a high excess of supporting electrolyte. The observed effects were pronounced in unsupported electrolytes, so that they could be clearly detected experimentally at even larger electrodes.

Es besteht enormes Interesse den Stofftransport in nanoskaligen Systemen zu verstehen und selektiv zu steuern, um analytische und synthetische Anwendungen zu entwickeln, aber auch um die physiologischen Prozesse lebender Zellen zu entschlüsseln. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss der elektrochemischen Doppelschicht an ausgewählten nanoskaligen Elektrolytsystemen untersucht. Die Gleichrichtung von Ionenströmen (engl. Ionic Current Rectification ICR) in Nanoporen mit einer Oberflächenladung äußert sich in einer gekrümmten Strom-Spannungs-Kurve. Die Überlappung von innerem und äußerem Potential ist dabei hinsichtlich der Ionenverteilung und somit der Porenleitfähigkeit einander verstärkend oder gegenläufig. Auf Grundlage dieses Mechanismus wurde die Gleichrichtung bei einem sehr großen Verhältnis von Porenöffnung zu Debye-Länge erklärt. Ferner wurde mittels der eingeführten relativen Leitfähigkeit κ´ die verschiedenen Leitfähigkeitszustände in Abhängigkeit der Elektrolytkonzentration und Temperatur sichtbar gemacht und Implikationen für Sensoranwendungen wie z.B. dem resistiven Pulszähler zur Partikelanalyse abgeleitet. Es wurde ein numerisches Modell basierend auf dem Poisson-Nernst-Planck-Gleichungssystem entwickelt, um die Translokation eines Nanopartikels durch eine konische Nanopore bei einer geringen Leitsalzkonzentration zu beschreiben. Neben dem klassischen Volumenausschluss-Effekt tritt zusätzlich ein Gleichrichtungseffekt (ICR-Effekt) in der Pore auf. Eine Analyse zur Entflechtung von Partikelgröße und Partikelladung aus der Pulshöhe und Pulsform wurde erfolgreich durchgeführt. Wie der Stofftransport durch eine Oberflächenladung auf dem umgebenden Material einer Nanoelektrode beeinflusst wird, wurde anhand des voltammetrischen Verhaltens diskutiert. An sehr kleinen Elektroden (< 10 nm) ist demnach der Einfluss der elektrochemischen Doppelschicht auf die Strom-Spannungs-Kurve besonders groß und kann auch bei Vorliegen eines hohen Leitsalzüberschusses nicht vernachlässigt werden. In leitsalzfreien Elektrolyten sind die gefundenen Effekte so deutlich, dass sie auch an größeren Elektroden experimentell zweifelsfrei festgestellt worden sind. / There is an enormous interest in understanding and selectively controlling the material transport in nanoscale systems to develop analytical and synthetic applications, but also to decipher the physiological processes of living cells. Within this thesis, the influence of the electrochemical double layer on selected nanoscale electrolyte systems was studied. Ionic Current Rectification (ICR) in nanopores carrying a surface charge manifests itself in a non-linear current-voltage-curve. The overlap of interior and exterior potential is cumulative or opposing with regard to the ion distribution and therefore the pore conductivity. Based on this mechanism, ICR for very large ratios of pore size and Debye length was explained. Furthermore, the different conducting states as a function of electrolyte concentration and temperature were visualized by introducing the relative conductivity κ´ and hence implications for sensor applications such as the resistive pulse sensor have been deduced. A numerical model based on the Poisson-Nernst-Planck-equations was developed to describe the translocation of a nanoparticle through a conical nanopore at a low electrolyte concentration. An additional rectification effect (ICR effect) occurs in the pore beside the conventional volume exclusion effect. An analysis was successfully performed to deconstruct the particle size and particle charge from the pulse height and shape. The material transport is affected by a surface charge on the shrouding material of nanoelectrodes as it was discussed by means of the voltammetric behaviour. The influence of the electrochemical double layer on the current-voltage-curve is particularly large at very small electrodes (< 10 nm) and cannot be neglected even at a high excess of supporting electrolyte. The observed effects were pronounced in unsupported electrolytes, so that they could be clearly detected experimentally at even larger electrodes.

Ziel dieser Arbeit war es, die Morphologie und mechanischen Eigenschaften von einzelnen nativen Typ-I-Kollagenfibrillen bei verschiedenen Umgebungsbedingungen zu untersuchen. Um auf der Nanometerskala die mechanischen Eigenschaften der Fibrillenoberfläche und des Fibrillenvolumens bestimmen zu können, wurde die dynamische (MUSIC-Mode) und statische (FD) Rasterkraftmikroskopie (engl.: Atomic-Force-Microscopy – AFM) genutzt. Die dynamische Spektroskopie erlaubte Rückschlüsse auf die Änderung der mechanischen Eigenschaften von Oberflächen (unter Einbeziehung der ersten 10 nm) bei Variation der Umgebungsbedingungen, wohingegen die statische Kraftspektroskopie Einblicke in das mechanische Verhalten der Volumenphase des Materials (Bulk) gestattete. Es wurden einzelne ovine (vom Schaf stammende) Kollagenfibrillen hinsichtlich ihrer mechanischen und morphologischen Veränderung als Folge von variierten Umwelteinflüssen (Salzkonzentrations-änderung des umgebenden Mediums sowie beim Durchlaufen des Peroxo-essigsäure/Ethanol-Sterilisationsprozesses) untersucht. Im Einzelnen konnte mit dem MUSIC-Mode-AFM und der FD-Spektroskopie die Denaturierung einer Kollagenfibrille in Abhängigkeit der Salzkonzentration beobachtet werden. Ebenfalls konnte mittels der MUSIC-Mode und der FD-Spektroskopie für mehrere Fibrillen unterschiedlichen Durchmessers nachgewiesen werden, dass während des Entfettungsschrittes des Peroxoessigsäure/Ethanol-Sterilisationsprozesses irreversible Veränderungen ihres Quellverhaltens sowie ihrer mechanischen Eigenschaften auftreten.:1 Einleitung ...................................................................................... 8 2 Zielstellungen dieser Arbeit .......................................................... 9 3 Kollagen ...................................................................................... 10 3.1 Aufbau und Struktur .......................................................................... 10 3.2 Die Rolle des Wassers und der Einfluss des Salzes auf die mechanischen Eigenschaften von Kollagen .......................................... 14 3.3 Einfluss der Sterilisation auf Kollagen ................................................ 20 3.4 Bisherige Untersuchungen von Kollagen mit dem AFM – Stand der Technik .................................................................. 24 4 Methoden .................................................................................... 29 4.1 Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope–AFM) .................... 29 4.1.1 Statische Kraftspektroskopie ........................................................... 33 4.1.2 Dynamische Kraftspektroskopie ...................................................... 35 4.1.3 Kontaktmodelle ............................................................................... 39 4.1.4 Spitze-Probe Wechselwirkungen ...................................................... 41 4.2 Infrarotspektroskopie [152] .................................................................. 48 4.2.1 Funktionsweise des ATR-FTIR ....................................................... 50 4.2.2 IR-Spektroskopie an Proteinen ........................................................ 51 5 Experimenteller Teil ................................................................... 53 5.1 Herstellung der Kollagenproben .......................................................... 53 5.2 Durchführung der AFM-Messungen .................................................... 53 5.2.1 Durchführung der AFM-Messung zum Kapitel „Einfluss der NaCl-Konzentration auf Typ-I-Kollagen“ ................................................. 54 5.2.2 Durchführung der Untersuchungen zum Sterilisationsprozess ......... 55

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