Die Bildung und Beständigkeit von CSH-Phasen wurde in Abhängigkeit von Zeit, Ca/Si-Verhältnis, Temperatur, SiO2-Reaktivität, w/s-Verhältnis und NaCl-Sättigung der Lösung untersucht. Semikristalline CSH-Phasen bilden tobermoritähnliche Schichtstrukturen aus und weisen trotz ihrer Metastabilität hohe Beständigkeit bei 25 °C auf. Durch Erhöhung von Temperatur und w/s-Verhältnis wird deren Umwandlung zu kristallinen CSH-Phasen begünstigt, während NaCl-Sättigung der wässrigen Lösung die Kristallisation hemmt. Die Löslichkeit von CSH-Phasen ändert sich ebenfalls durch Variation von Temperatur und NaCl-Konzentration. Die NaCl-Sättigung führt in Folge der teilweisen Substitution von Ca2+ durch Na+ in den Festphasen zu einer deutlichen Erhöhung der Ca2+-Konzentrationen in Lösung. Mischphasenmodelle beschreiben dieses Verhalten in Berechnungen zumeist nicht hinreichend. Die Erweiterung der Datenbasis und Anpassungen der Modelle sind nötig. Mg2+-haltige Kontaktlösungen führen zur Auflösung von CSH- unter Bildung von MSH-Phasen.

Die Herstellung von homogenen Referenzmaterialien ist für die ortsaufgelöste Festkörperanalytik von besonderer Bedeutung. Eine neue Methode zur Herstellung von Referenzmaterialien auf Polymerbasis unter Verwendung von Metallacetylacetonaten wurde entwickelt. Die Elemente Al, Ca, Cd, Co, Cr, Fe, La, Mg, Pb, Sr und Zn wurden im Spurenbereich eingebracht. Mit µRFA, LA-ICP-MS und LIBS konnte die homogene Elementverteilung in den auf diese Weise hergestellten Polymerschichten und deren Anwendbarkeit zur Kalibrierung von quantitativen Analysen gezeigt werden. Aufgrund der guten Stapelbarkeit der Polymerschichten, konnten diese auch für tiefenaufgelöste Messungen mittels CµRFA erfolgreich eingesetzt werden. Anhand der hergestellten Materialien wurden die Einflüsse verschiedener Messbedingungen bei LA-ICP-MS-Analysen auf das Untersuchungsergebnis evaluiert. Für die Auswertung und Visualisierung der Elementverteilungen sowie deren Kombination mit molekülspektrometrischen Daten wurden, passende Pythonskripte entwickelt.:1 Abkürzungsverzeichnis 2 Einleitung 3 Stand der Forschung 3.1 LA-ICP-MS 3.1.1 Allgemeiner Aufbau 3.1.2 Einflüsse auf das Messergebnis 3.2 Röntgenfluoreszenzanalyse 3.2.1 Allgemeines Prinzip 3.2.2 Besonderheiten der Mikro- und konfokalen Röntgenfluoreszenzanalyse 3.3 Referenzmaterialien 3.3.1 Allgemeiner Zweck 3.3.2 Kalibrierstrategien 3.3.3 Etablierte Materialien für matrixangepasste Standards 3.3.4 Referenzmaterialien auf Basis polymerer Kunststoffe 3.3.5 Zusammenfassung 4 Herstellung von Referenzmaterialien auf Basis strahlenhärtender Lacke 4.1 Hinführung zum Thema 4.2 Herstellung der Acetylacetonat-Komplexe 4.3 Einbringen der Komplexe in die Lackschichten und Bestimmung der Homogenität4.3.1 Präparation der Lackschichten 4.3.2 Probensysteme 4.3.3 Homogenitätsbestimmung 4.3.4 Analyse mit NMR 4.4 Kalibrierreihe 4.4.1 μRFA 4.4.2. LA-ICP-MS 4.4.3 Handheld LIBS 4.4.4 Tiefenprofile 4.5 Multischichtsysteme 4.5.1 Tiefenprofilmessungen gestapelter Lackschichten 4.5.2 Anwendbarkeit für die Tiefenkalibrierung 4.5.3 Temperatureinflüsse auf gestapelte Proben 4.6 Zusammenfassung 5 Einfluss verschiedener Messparameter auf das Ergebnis der LA-ICP-MS-Analysen 5.1 Hinführung zum Thema 5.2 Einfluss auf die Gesamtintensität 5.2.1 Gasflussgeschwindigkeiten 5.2.2 Beurteilung der Schussrate 5.3 Einfluss auf das Austragsverhalten 5.3.1 Skript zur Auswertung der Peakform 5.3.2 Auswertung der Peakform 5.4 Ablagerung von Material auf der Probenoberfläche 5.4.1 Analyse der geklebten Proben 5.4.2 Analyse der gestapelten Proben 5.5 Zusammenfassung 6 Etablierung einer Auswerteroutine 6.1 LA-ICP-MS-Mapping 6.1.1 Einlesen der Daten 6.1.2 Offset-Korrektur 6.1.3 Auswerten von Linienmessungen 6.1.4 Auswertung und Darstellung von Mappings 6.1.5 Clusteranalyse 6.2 Datenkombination verschiedener Analysemethoden 6.2.1 Daten der ultrahochauflösenden Molekülmassenspektrometrie 6.2.2 Probenpräparation 6.2.3 Zusammenfügen der Einzeldaten 6.3 CμRFA-Datenverarbeitung 6.3.1 Einlesen der Daten 6.3.2 Subtraktion und Addition 6.3.3 Darstellung der dreidimensionalen Elementverteilung mit MayaVi 6.3.4 Anpassung des dargestellten Volumens 6.3.5 Datenkorrektur mittels Gaußfit 6.4 Zusammenfassung 7 Zusammenfassung und Ausblick 8 Anhang 8.1 Literatur 8.2 zusätzliche Graphiken und Tabellen 8.3 Pythonskripte 8.4 Geräte und Chemikalien 8.4.1 Chemikalienliste 8.4.2 Geräte und Parameter 8.5 Publikationsliste 8.5.1 Artikel in Fachzeitschriften 8.5.2 Patenteinreichung 8.5.3 Konferenzbeiträge 8.6 Lebenslauf

Laser-plasma-based ion accelerators are becoming a versatile platform to drive different fields of applied research and life sciences, for example translational research in radiation oncology. To ensure stable accelerator performance, complete control over the ion source, i.e., the high-intensity laser-solid interaction, is required. However, idealized interaction conditions are almost impossible to reach, as the utilized high-power lasers always feature a non-negligible amount of light preceding the laser peak. This leading edge of the laser pulse usually exceeds the ionization potential of bound electrons much earlier than the arrival of the high-power laser peak and the solid-density target undergoes significant modifications even before the actual high-intensity laser-plasma interaction starts. Control over this so-called target pre-expansion is a key requirement to achieve quantitative agreement between numerical simulations and experiments of high-intensity laser-solid interactions. This thesis investigates several aspects that are relevant to improve the capability of simulations to model realistic experimental scenarios. The corresponding experiments are conducted with cryogenic hydrogen-jet targets and the DRACO-PW laser at peak intensities between 10^12 W/cm^2 and 10^21 W/cm^2 . The experimental implementation of time-resolved optical-probing diagnostics and technical innovations with respect to the technique of off-harmonic optical probing overcome the disturbances by parasitic plasma self-emission and allow for unprecedented observations of the target evolution during the laser-target interactions. The laser-induced breakdown of solids, i.e., the phase transition from the solid to the plasma state, can be considered as an heuristic starting point of high-intensity laser-solid interactions. As it is highly relevant to simulations of target pre-expansion, Chapter 3 of this thesis presents time-resolved measurements of laser-induced breakdown in laser-target interactions at peak intensities between 0.6 * 10^21 W/cm^2 and 5.7 * 10^21 W/cm^2 . By increasing the peak intensity, a lowering of the applicable threshold intensity of laser-induced breakdown well below the appearance intensity of barrier-suppression ionization occurs. The observation demonstrates the relevance of the pulse-duration dependence of laser-induced breakdown and laser-induced damage threshold to the starting point of high-intensity laser-solid interactions. To apply the results to other laser-target assemblies, we provide a detailed instruction of how to pinpoint the starting point by comparing measurements of the laser contrast with a characterization study of the target-specific thresholds of laser-induced breakdown at low laser intensity. Chapter 4 of this thesis presents an example of how optical-probing diagnostics are able to estimate target pre-expansion as a starting condition for particle-in-cell simulations. The measurement allows to restrict the surface gradient of the pre-expanded plasma density to an exponential scalelength between 0.06 um and 0.13 um. Furthermore, the plasma-expansion dynamics induced by the ultra-relativistic laser peak are computed and post-processed by ray-tracing simulations. A comparison to the experimental results yields that the formation of the measured shadowgrams is governed by refraction in the plasma-density gradients and that the observed volumetric transparency of the target at 1.4 ps after the laser peak is not caused by relativistically induced transparency but by plasma expansion into vacuum instead. Chapter 5 of this thesis shows that a precise adjustment of the target density to the arrival of the ultra-relativistic laser peak by all-optical target-density tailoring in combination with the low solid density of the cryogenic hydrogen-jet target allows to explore the laser-target interaction in the nearcritical density regime. The chapter presents an experimental demonstration of all-optical target-density tailoring by isochoric heating via ultra-short laser pulses with a dimensionless vector potential a_0 ∼ 1. A hybrid of hydrodynamics and ray-tracing simulations allows to determine the evolution of the full target-density distribution after isochoric heating. Finally, the utilization of the method as a testbed platform to experimentally benchmark collisional particle-in-cell simulations is proposed and an experimental exploration of future possibilities of all-optical target-density tailoring is given. / Laser-Plasma-basierte Ionenbeschleuniger stellen einer vielseitigen Plattform für verschiedene Bereiche der angewandten Forschung und der Biowissenschaften dar, z. B. für die translationale Forschung in der Strahlentherapie. Um eine stabile Beschleunigerleistung zu gewährleisten, muss die Ionenquelle, d. h. die Wechselwirkung zwischen dem Hochintensitätslaser und einem Festkörper, vollständig kontrolliert sein. Idealisierte Wechselwirkungsbedingungen können jedoch fast nie erreicht werden, da die verwendeten Hochleistungslaser immer eine nicht zu vernachlässigende Lichtmenge vor der Spitze des Laserpulses aufweisen. Diese vorangehende Flanke des Laserpulses überschreitet Intensitäten, welche zur Ionisation gebundener Elektronen führen, in der Regel schon wesentlich eher als das die Spitze des Hochleistungslaserpulses eintrifft. Der Festkörper unterliegt deshalb noch vor der eigentlichen hochintensiven Wechselwirkung erheblichen Modifikationenen durch die vorangehende Flanke. Die Kontrolle dieser so genannten Vorexpansion ist eine wichtige Voraussetzung für die quantitative Übereinstimmung zwischen numerischen Simulationen und Experimenten von Wechselwirkungen zwischen hochintensiven Lasern und Festkörpern. Diese Arbeit untersucht mehrere Aspekte, welche für die Verbesserung von Simulationen realistischer experimenteller Szenarien relevant sind. Die entsprechenden Experimente werden mit Festkörpern aus kryogenen Wasserstoff und dem DRACO PW Laser mit Intensitäten zwischen 10^12 W/cm^2 und 10^21 W/cm^2 durchgeführt. Die experimentelle Implementierung zeitaufgelöster optischer Mikroskopie und technische Innovationen für die Technik der optischen Untersuchung abseits der Harmonischen des Lasers (off-harmonic optical probing) überwinden Störungen durch parasitäre Selbstemission des Plasmas und ermöglichen bisher unerreichte Beobachtungen der Evolution des Plasmas. Die laserinduzierte Zerstörschwelle des Festkörpers, d.h. der Phasenübergang vom festen Aggregatzustand in den Plasmazustand, kann als heuristischer Anfangszeitpunkt der Wechselwirkung eines hochintensiven Lasers mit einem Festkörper betrachtet werden. Da dies für Simulationen der Vorexpansion von großer Bedeutung ist, werden in Kapitel 3 dieser Arbeit zeitaufgelöste Messungen der laserinduzierten Zerstörung von Festkörpern in Wechselwirkungen mit Laserpulsen, deren Spitzenintensität zwischen 0.6 * 10^21 W/cm^2 und 5.7 * 10^21 W/cm^2 liegt, präsentiert. Durch die Erhöhung der Spitzenintensität kommt es zu einer Absenkung der anwendbaren laserinduzierten Zerstörschwellintensität deutlich unter die Erscheinungsintensität (appearance intensity) der Ionisation mittels Absenkung des Coulomb Potentials (barrier-suppression ionization). Die Beobachtung demonstriert die Relevanz der Pulsdauerabhängigkeit von Messungen laserinduzierter Zerstörschwellen auch für den Anfangszeitpunkt von Wechselwirkungen zwischen Festkörpern und hochintensiven Laserpulsen. Um die Ergebnisse auf die Wechselwirkung anderer Kombinationen von Lasern und Festkörpern anwenden zu können, stellen wir eine detaillierte Anleitung zur Bestimmung des Anfangszeitpunkts der Vorexpansion dar, welche auf dem Vergleich der Messungen des Laserkontrasts mit einer Charakterisierungsstudie der spezifischen laserinduzierten Zerstörschwellen bei niedriger Laserintensität basiert. Kapitel 4 dieser Arbeit präsentiert ein Beispiel, wie mit Hilfe der zeitaufgelösten optischen Mikroskopie die Vorexpansion als Ausgangsbedingung für Teilchen-in-Zellen (particle-in-cell) Simulationen abgeschätzt werden kann. Die Messungen erlauben es, den Oberflächengradienten der vorexpandierten Plasmadichte auf eine exponentielle Skalenlänge zwischen 0.06 μm und 0.13 μm einzugrenzen. Darüber hinaus wird die Plasmaexpansionsdynamik, welche durch die hochintensive Spitze des Laserpulses induzierte wird, berechnet und durch Lichtstrahlverfolgungssimulationen (ray-tracing simulations) nachbearbeitet. Ein Vergleich mit den experimentellen Ergebnissen zeigt, dass die Erzeugung der gemessenen Schattenbilder durch Brechung in den Dichtegradienten des Plasmas bestimmt ist und, dass die beobachtete volumetrische Transparenz des Plasmas 1.4 ps nach der Spitze des Laserpulses nicht durch relativistisch induzierte Transparenz, sondern durch Plasmaexpansion in das umliegende Vakuum verursacht wird. Abschließend zeigt Kapitel 5 dieser Arbeit, dass eine präzise Anpassung der Plasmadichte zum Zeitpunkt des Eintreffens der hochintensiven Spitzenintensität durch eine gezielte optisch-induzierte Plasmaexpansion in Kombination mit der niedrigen initialen Festkörperdichte des kryogenen Wasserstoffs die Untersuchung von Wechselwirkungen im nahkritischen Dichtebereich ermöglicht. Das Kapitel stellt eine experimentelle Demonstration der gezielten optisch induzierten Plasmaexpansion durch isochores Heizen mittels ultrakurzer Laserpulse mit einem dimensionslosen Vektorpotential a_0 ∼ 1 vor. Ein Hybrid aus Hydrodynamik- und Lichtstrahlverfolgungssimulationen ermöglicht es, die zeitliche Entwicklung der gesamten Dichteverteilung des Plasmas nach dem isochoren Heizen zu bestimmen. Abschließend präsentiert das Kapitel ein Konzept, um die Methode als Testplattform für die experimentelle Überprüfung von kollisionalen Teilchen-in-Zellen Simulationen zu nutzen und es werden die Ergebnisse einer experimentellen Untersuchung zu zukünftigen Möglichkeiten der Methode dargelegt.

Spontaneous Raman spectroscopy (SR) is a versatile method for analysis and visualization of ferroelectric crystal structures, including domain walls. Nevertheless, the necessary acquisition time makes SR impractical for in situ analysis and large scale imaging. In this work, we introduce broadband coherent anti-Stokes Raman spectroscopy (B-CARS) as a high-speed alternative to conventional Raman techniques and demonstrate its benefits for ferroelectric domain wall analysis. Using the example of poled lithium niobate, we compare the spectral output of both techniques in terms of domain wall signatures and imaging capabilities. We extract the Raman-like resonant part of the coherent anti-Stokes signal via a Kramers–Kronigbased phase retrieval algorithm and compare the raw and phase-retrieved signals to SR characteristics. Finally, we propose a mechanism for the observed domain wall signal strength that resembles a Cerenkov-like behavior, in close analogy to domain wall signatures obtained by secondharmonic generation imaging.We, thus, lay here the foundations for future investigations on other poled ferroelectric crystals using B-CARS.

High-intensity, short-pulse laser-solid interactions are of great importance for a number of applications and fundamental research, such as high energy density (HED) physics, laboratory astrophysics, inertial confinement fusion (ICF), particle acceleration, and ultrafast x-ray sources. X-ray spectroscopy is a powerful diagnostic tool to investigate the extreme states of matter created by these interactions. This thesis presents the development and application of x-ray spectroscopy in relativistic laser-solid interactions. Two x-ray crystal spectrometers have been developed on the DRACO and European X-ray Free Electron Laser (XFEL) facilities for the diagnosis of dense plasmas produced by ultrashort relativistic laser pulses. A high-resolution x-ray crystal spectrometer is developed at the DRACO petawatt laser, measuring the K-shell emission spectra of Ti targets ranging from cold Kα to thermal Heα lines. This spectrometer employs a spherically bent quartz crystal and adopts Johann geometry in the dispersive plane. Geometrical analysis and ray-tracing simulations are implemented, respectively, to determine the most suitable configuration and evaluate the performance of the spectrometer, showing an excellent spectral resolution of E/δE≈15000. With the quartz spectrometer, the production and transport of hot electrons as well as the heating state in the proton acceleration Ti targets can be investigated at the DRACO petawatt laser. In addition, a multipurpose imaging x-ray crystal spectrometer is developed for the HED instrument of the European XFEL. This spectrometer is designed to measure x-rays in the energy range of 4 - 10 keV, providing high-resolution, spatially-resolved spectral measurements. A toroidally bent germanium (Ge) crystal is used, allowing x-ray diffraction from the crystal to image along a one-dimensional spatial profile while spectrally resolving along the other. A detailed geometrical analysis is performed to determine the curvature of the crystal. The theoretical performance of the spectrometer in various configurations is calculated by ray-tracing simulations. The key properties of the spectrometer, including the spectral and spatial resolution, are demonstrated experimentally on different platforms. Experimental results prove that this Ge spectrometer is a powerful tool for spatially resolved measurements of x-ray emission, scattering, or absorption spectra in high energy density physics. The enhancement effect of a microstructured surface on laser absorption and characteristic Kα emission has been investigated by measuring K-shell emission from titanium (Ti) targets irradiated with high-intensity (~ 10^20 W/cm^2), sub-picosecond (500 fs) laser pulses. The experimental results indicate a modest enhancement (1.6x) of Kα emission from microstructured targets compared to flat foils, but with similar intensity and profile of Heα and Li-like satellites. Particle-in-cell (PIC) simulations are implemented to further understand the underlying physical processes in the laser interaction with both targets, interpreting the mechanisms responsible for the Kα enhancement. The reasons for the lower-than-expected enhancement of Kα emission are discussed. The rapid heating of the bulk plasma might result in the premature shutdown of Kα emission before the thermalization of hot electrons or even the end of laser pulses, suggesting that the use of Kα emission as a diagnostic of the hot-electron yield or relaxation could lead to a misinterpretation. This work reveals that an optimized microstructured target shows promise to produce high-brightness, quasi-monochromatic laser-driven x-ray sources for many probing applications. While x-ray spectroscopy has been widely used for diagnosing the internal conditions of laser-produced plasmas, it is usually very challenging to extract reliable and accurate physical information from the raw x-ray spectra, especially for time- and space-integrated spectra emitting from a range of plasma conditions. In this thesis, a complex spatio-temporally resolved analysis of time- and space-integrated x-ray emission spectroscopy from the relativistic laser plasmas is presented. Particle-in-cell (PIC) simulations using the PICLS code are performed to investigate the laser-solid interaction within a picosecond (ps). The subsequent plasma evolution is simulated with the hydrodynamic code FLASH on a larger timescale (hundreds of ps). With the outputs of PIC and hydrodynamic simulations, atomic kinetics-spectroscopy simulations using the FLYCHK, SCFLY, and ATOMIC codes are performed to generate a series of synthetic spectra. These synthetic spectra are used to reconstruct a composite emission spectrum and then compared to the measured integrated spectra. A full-time evolution of electron density, temperature, and ionization state of laser plasmas is thus extracted, and verified by the comparison between the measured and simulated spectra. By this methodology, the dynamics of ultrafast relativistic laser-plasma systems was studied. The combination of x-ray spectroscopy, atomic physics, and multi-scale (i.e. PIC and hydro-) simulations is demonstrated to be a promising method to characterize the evolution of internal conditions of laser-produced plasmas. This method can also be used as an effective benchmark or reference for these numerical simulations.

In der hier vorgestellten Arbeit werden neuartige Festkörper-NMR (Nuclear Magnetic Resonance) Experimente vorgestellt, die eine direkte Detektion von Protonen einbeziehen. Die Technik basiert auf einer weitgehenden Verdünnung der Protonen durch Deuteronen in vollständig isotopenmarkierten, rekombinant exprimierten Proteinen und ermöglicht Festkörper-NMR mit sehr schmalen Linienbreiten aller standardmäßig erfassbaren Kerne (Protonen, Stickstoff, Kohlenstoff) ohne Hochleistungsentkopplung. Zusätzlich werden Methoden für ein besonders hohes Signal-zu-Rausch durch Paramagnetic Relaxation Enhancement (PRE) entwickelt. Die so präparierten Proteine erweisen sich tauglich für eine stark verbesserte NMR-Charakterisierung durch eine Vielzahl neuer Struktur- und Zuordnungsexperimente, in denen Techniken aus Festkörper- und Lösungs-NMR vereint werden. Dabei können hier erstmals auch Bereiche im Protein mit einbezogen werden, die langsame Dynamik vollziehen. Die Experimente finden Anwendung auf die SH3-Domäne von alpha-Spektrin, das Alzheimer-Peptid Abeta1-40 und das Membranprotein Omp G. / In this work, novel solid-state NMR (Nuclear Magnetic Resonance) experiments are presented that imply direct detection of protons. The technique is based on extensive dilution of protons with deuterons in uniformly labelled, recombinantly expressed proteins and allows for solid-state NMR providing very narrow lines of all commonly accessible nuclei (protons, nitrogen, carbon) without high-power decoupling. In addition, methods are developed that yield a particularly high signal-to-noise through Paramagnetic Relaxation Enhancement (PRE). The accordingly prepared proteins are shown to be applicable for a significantly improved NMR-characterization by manifold new experiments for assignment and structure elucidation, in which techniques from solid-state and solution NMR are united. For the first time, also those regions in a protein can be accessed that undergo slow dynamics. The experiments are employed on the SH3-domain of alpha-spectrin, Alzheimer’s peptide Abeta1‑40, and the membrane protein Omp G.

Ionenkanäle sind für die zelluläre Homöostase und die elektrische Aktivität in höheren Eukaryoten essentiell. Die vorliegende Arbeit widmet sich dem nichtselektiven Kanal NaK und seinen kaliumselektiven Mutanten. Die Bedeutung von Ionenkanälen wird in Kapitel 1 speziell für die kationenselektive Ionenkanal-Superfamilie diskutiert. Darin werden verschiedene Vertreter dieser Superfamilie untersucht und ihre Strukturen und Ionenselektivität analysiert. In Kapitel 2 wird gezeigt, dass NaK zwei unterschiedliche Selektivitätsfilterkonformationen aufweist, die entweder durch Na+- oder K+-Ionen stabilisiert sind. Unter Verwendung von Festkörper-NMR Spektroskopie und molekulardynamischen Simulationen wurden zwei Ionenleitungswege entdeckt. In Kapitel 3 wurde eine Kristallstruktur von NaK ermittelt, welche die vorhergesagte und für den Seiteneintrittsmechanismus essentielle seitliche Ionenbindungsstelle bestätigt. Die zwei Untereinheiten in der asymmetrischen Einheit zeigen die dynamische Natur der unteren Teile der Transmembranhelices sowie duale Konformationen für die Reste im Selektivitätsfilter. Im Gegensatz zu NaK sind die kaliumselektiven Mutanten ionensensitiver, wie in Kapitel 4 gezeigt: Unter Na+-Bedingungen verliert der gesamte Selektivitätsfilter in den kaliumselektiven Mutanten seine Stabilität. Die stärkere Verbindung zwischen Selektivitätsfilter und der Porenhelix in den kaliumselektiven Mutanten ermöglicht keine nichtselektive Ionenleitung. Unter Verwendung von protonendetektierter Festkörper-NMR wurde die Wechselwirkung zwischen Wassermolekülen und der kaliumselektiven Mutante NaK2K charakterisiert und präsentiert in Kapitel 5. Es wurde gezeigt, dass der Selektivitätsfilter von NaK2K unter physiologischen Bedingungen wasserfrei ist. Diese Ergebnisse werden in Kapitel 6 im Ganzen betrachtet und die verbleibenden Fragen werden erörtert, außerdem wird ein kurzer Ausblick auf die zukünftige Forschung zum Thema Ionenselektivität im NaK-Kanal gegeben. / Ion channels are essential to cellular homeostasis and electrical activity in higher eukaryotes. This thesis discusses the non-selective channel NaK and its potassium-selective mutants. The importance of ion channels is discussed in chapter 1 with a special focus on the tetrameric cation-selective ion channel superfamily. Various members of this superfamily are explored and their structures and ion selectivity are analysed. NaK is shown to have two distinct selectivity filter conformations that are stabilized by either Na+ or K+ ions in chapter 2. Using solid-state NMR spectroscopy and molecular dynamics simulations, two ion conduction pathways were discovered. In chapter 3 a crystal structure of NaK was determined that confirms the previously predicted side-entry ion binding site, essential to the side-entry pathway. The two subunits in the asymmetric unit display the dynamical nature of the lower parts of the transmembrane helices as well as dual conformations for residues in the selectivity filter. In contrast to NaK the potassium-selective mutants are more ion sensitive as shown in chapter 4. The entire selectivity filter loses its stability under Na+ conditions for the potassium-selective mutants. The stronger connection of the selectivity filter and the pore helix in the potassium-selective mutants does not allow for non-selective ion conduction. Using proton-detected ssNMR, the interaction between water molecules and the potassium-selective mutant NaK2K was characterized and this is presented in chapter 5. The selectivity filter of NaK2K was shown to be free of water under physiological conditions. These results get put in perspective and the questions which remain are discussed in chapter 6. A short outlook on future research for the topic of ion selectivity in the NaK channel is given.

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