abstract: Although high performance, light-weight composites are increasingly being used in applications ranging from aircraft, rotorcraft, weapon systems and ground vehicles, the assurance of structural reliability remains a critical issue. In composites, damage is absorbed through various fracture processes, including fiber failure, matrix cracking and delamination. An important element in achieving reliable composite systems is a strong capability of assessing and inspecting physical damage of critical structural components. Installation of a robust Structural Health Monitoring (SHM) system would be very valuable in detecting the onset of composite failure. A number of major issues still require serious attention in connection with the research and development aspects of sensor-integrated reliable SHM systems for composite structures. In particular, the sensitivity of currently available sensor systems does not allow detection of micro level damage; this limits the capability of data driven SHM systems. As a fundamental layer in SHM, modeling can provide in-depth information on material and structural behavior for sensing and detection, as well as data for learning algorithms. This dissertation focusses on the development of a multiscale analysis framework, which is used to detect various forms of damage in complex composite structures. A generalized method of cells based micromechanics analysis, as implemented in NASA's MAC/GMC code, is used for the micro-level analysis. First, a baseline study of MAC/GMC is performed to determine the governing failure theories that best capture the damage progression. The deficiencies associated with various layups and loading conditions are addressed. In most micromechanics analysis, a representative unit cell (RUC) with a common fiber packing arrangement is used. The effect of variation in this arrangement within the RUC has been studied and results indicate this variation influences the macro-scale effective material properties and failure stresses. The developed model has been used to simulate impact damage in a composite beam and an airfoil structure. The model data was verified through active interrogation using piezoelectric sensors. The multiscale model was further extended to develop a coupled damage and wave attenuation model, which was used to study different damage states such as fiber-matrix debonding in composite structures with surface bonded piezoelectric sensors. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Mechanical Engineering 2012

abstract: Civil infrastructures are susceptible to damage under the events of natural or manmade disasters. Over the last two decades, the use of emerging engineering materials, such as the fiber-reinforced plastics (FRPs), in structural retrofitting have gained significant popularity. However, due to their inherent brittleness and lack of energy dissipation, undesirable failure modes of the FRP-retrofitted systems, such as sudden laminate fracture and debonding, have been frequently observed. In this light, a Carbon-fiber reinforced Hybrid-polymeric Matrix Composite (or CHMC) was developed to provide a superior, yet affordable, solution for infrastructure damage mitigation and protection. The microstructural and micromechanical characteristics of the CHMC was investigated using scanning electron microscopy (SEM) and nanoindentation technique. The mechanical performance, such as damping, was identified using free and forced vibration tests. A simplified analytical model based on micromechanics was developed to predict the laminate stiffness using the modulus profile tested by the nanoindentation. The prediction results were verified by the flexural modulus calculated from the vibration tests. The feasibility of using CHMC to retrofit damaged structural systems was investigated via a series of structural component level tests. The effectiveness of using CHMC versus conventional carbon-fiber reinforced epoxy (CF/ epoxy) to retrofit notch damaged steel beams were tested. The comparison of the test results indicated the superior deformation capacity of the CHMC retrofitted beams. The full field strain distributions near the critical notch tip region were experimentally determined by the digital imaging correlation (DIC), and the results matched well with the finite element analysis (FEA) results. In the second series of tests, the application of CHMC was expanded to retrofit the full-scale fatigue-damaged concrete-encased steel (or SRC) girders. Similar to the notched steel beam tests, the CHMC retrofitted SRC girders exhibited substantially better post-peak load ductility than that of CF/ epoxy retrofitted girder. Lastly, a quasi-static push over test on the CHMC retrofitted reinforced concrete shear wall further highlighted the CHMC's capability of enhancing the deformation and energy dissipating potential of the damaged civil infrastructure systems. Analytical and numerical models were developed to assist the retrofitting design using the newly developed CHMC material. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Civil and Environmental Engineering 2013

Os meios rochosos são compostos por blocos de rochas intactos e por descontinuidades. As descontinuidades representam zonas de baixa rigidez, onde as propriedades do maciço estão degradadas, reduzindo a resistência do mesmo. Elas também constituem caminhos para o fluxo de fluidos no interior da rocha. O estudo do comportamento hidráulico-mecânico acoplado existente nos meios porosos é realizado pela poroelasticidade, que relaciona os campos de tensões e deformações no maciço, gerados pela deformação mecânica do esqueleto e pela ação do fluido pressurizado nos poros. Uma abordagem micromecânica permite estender os resultados clássicos da teoria de poroelasticidade para o caso de juntas que são capazes de transferir esforços ao longo de suas faces. Neste contexto, o meio rochoso heterogêneo é substituído por um meio homogêneo equivalente, pela aplicação do conceito de mudança de escala da teoria da homogeneização, que possibilita a determinação das propriedades efetivas do maciço. Demonstra-se que, para certas distribuições geométricas das juntas, é possível obter soluções analíticas para o comportamento do maciço pela aplicação de estimativas como, por exemplo, o esquema Mori-Tanaka, onde as juntas são modeladas como esferoides. Um modelo numérico via método dos elementos finitos, que considera explicitamente as juntas, é usado para comparar os resultados obtidos. / Rock media are composed by blocks of intact rock and discontinuities. Discontinuities represent zones of low stiffness, where the mass properties of the rock are degraded, with reduced resistance. They also provide ways for fluid flow within the rock. The study of coupled mechanical-hydraulic behavior existing in porous media is perfomed by poroelasticity, which relates the stress and strain fields in a rock mass generated by the mechanical deformation of the skeleton and the action of pressurized fluid in the pores. A Micromechanics approach allows to extend the classical results of the theory of poroelasticity to the case of joints that are able to transfer stresses along their faces. In this context, a heterogeneous rock media is replaced by an equivalent homogeneous medium by applying the micro-macro approach from the theory of homogenization, which allows the determination of the effective properties of the rock mass. It is shown that, for some geometric distributions of the joints, it is possible to obtain analytical solutions for the rock behavior by applying estimates methods as the Mori-Tanaka scheme, where the joints are modeled as oblong spheroids. A numerical model via the finite element method, where the joints are considering explicitly, is used in order to compare the results.

En mécanique des matériaux et des structures, l’interface entre deux composants matériels ou deux éléments structuraux est traditionnellement et le plus souvent supposé parfaite. Au sens mécanique, une interface parfaite est une surface à travers laquelle le vecteur de déplacement et le vecteur de contrainte sont tous les deux continus. L’hypothèse des interfaces parfaites est inappropriée dans de nombreuses situations en mécanique. En effet, l’interface entre deux corps ou deux parties d’un corps est un endroit propice aux réactions physico-chimiques complexes et favorable à l’endommagement mécanique. L’intérêt pour les interfaces imparfaites devient depuis quelques années grandissant avec le développement des matériaux et structures nanométriques dans lesquels les interfaces et surfaces jouent un rôle prépondérant. A partir de la configuration de base où une interphase de faible épaisseur sépare deux phases, ce travail établit trois modèles d’interface imparfaite généraux qui permettent de remplacer l’interphase par une interface imparfaite dans les cas de la conduction thermique, de l’élasticité linéaire et de la piézoélectricité sans perturber les champs en questions à une erreur fixée près. La dérivation de ces modèles est basée sur le développement de Taylor et sur une approche originale de géométrie différentielle indépendante de tout système de coordonnées. Les trois modèles généraux permettent non seulement de mieux appréhender certains modèles phénoménologiques d’interface imparfaite mais aussi de décrire les effets d’interface que les modèles existants ne sont pas en mesure de prendre en compte. Les modèles d’interface imparfaite établis sont appliqués dans la détermination des propriétés effectives thermiques, élastiques et piézoélectriques d’un matériau composite constitué d’une matrice renforcée par des particules ou fibres enrobées d’une interphase. La méthode utilisée pour rendre compte des effets des interfaces imparfaites sur les propriétés effectives repose sur une condition d’équivalence énergétique qui ramène un matériau hétérogène avec interfaces imparfaites à un matériau hétérogène avec interfaces parfaites / In mechanics of materials and structures, the interface between two material components or two structural elements is traditionally and the most often assumed to be perfect. In mechanics, a perfect interface is a surface through which the displacement and stress vectors are continuous. The assumption of the perfect interfaces is inappropriate in many situations in mechanics. Indeed, the interface between two bodies or two parts of a body is a place propitious to complex physicochemical reactions and vulnerable to mechanical damage. The interest in imperfect interfaces has become for a few years growing with the development of nanometric materials and structures in which the interfaces and surfaces play a preponderant role. Starting from the basic configuration where an interphase of thin thickness separates two phases, this work establishes three general models of imperfect interface which make it possible to replace the interphase by an imperfect interface in the cases of thermal conduction, linear elasticity and piezoelectricity without disturbing the fields in questions to within a fixed error. The derivation of these models is based on the development of Taylor and an original coordinate-free approach of differential geometry. The three general models make it possible not only to get a better understanding of certain phenomenological models of imperfect interface but also to describe the effects of interface which the existing models are not able to take into account. The established models of imperfect interface are applied to determining the thermal, elastic and piezoelectric effective properties of composite materials consisting of a matrix reinforced by particles or fibers coated with an interphase. The method used to account for the effects of imperfect interfaces on the effective properties rests on an energy equivalency which brings back a heterogeneous material with imperfect interfaces to a heterogeneous material with perfect interfaces

Cette thèse s’inscrit dans le contexte d’une optimisation industrielle et économique des éléments de structure en BFUP permettant d’en garantir la ductilité au niveau structural, tout en ajustant la quantité de fibres et en optimisant le mode de fabrication. Le modèle développé décrit explicitement la participation du renfort fibré en traction au niveau local, en enchaînant une phase de comportement écrouissante suivie d'une phase adoucissante. La loi de comportement est fonction de la densité, de l'orientation des fibres vis-à-vis des directions principales de traction, de leur élancement et d'autres paramètres matériaux usuels liés aux fibres, à la matrice cimentaire et à leur interaction. L'orientation des fibres est prise en compte à partir d'une loi de probabilité normale à une ou deux variables permettant de reproduire n'importe quelle orientation obtenue à partir d’un calcul représentatif de la mise en œuvre du BFUP frais ou renseignée par analyse expérimentale sur prototype. Enfin, le modèle reproduit la fissuration des BFUP sur le principe des modèles de fissures diffuses et tournantes. La loi de comportement est intégrée au sein d'un logiciel de calcul de structure par éléments finis, permettant de l'utiliser comme un outil prédictif de la fiabilité et de la ductilité globale d’éléments en BFUP. Deux campagnes expérimentales ont été effectuées, une à l'Université Laval de Québec et l'autre à l'Ifsttar, Marne-la-Vallée. La première permet de valider la capacité du modèle à reproduire le comportement global sous des sollicitations typiques de traction et de flexion dans des éléments structurels simples pour lesquels l’orientation préférentielle des fibres a été renseignée par tomographie. La seconde campagne expérimentale démontre les capacités du modèle dans une démarche d’optimisation, pour la fabrication de plaques nervurées relativement complexes et présentant un intérêt industriel potentiel pour lesquels différentes modalités de fabrication et des BFUP plus ou moins fibrés ont été envisagés. Le contrôle de la répartition et de l’orientation des fibres a été réalisé à partir d'essais mécaniques sur prélèvements. Les prévisions du modèle ont été confrontées au comportement structurel global et à la ductilité mis en évidence expérimentalement. Le modèle a ainsi pu être qualifié vis-à-vis des méthodes analytiques usuelles de l'ingénierie, en prenant en compte la variabilité statistique. Des pistes d'amélioration et de complément de développement ont été identifiées / This Ph.D. project has been prepared within the context of an industrial and economic optimisation of UHPFRC structural elements to ensure ductility at the structural level, while adjusting the amount of fibre and optimising the manufacturing process. The model developed explicitly describes the participation of local fibre reinforcement in tension, thanks to a hardening behaviour followed by a softening one. The constitutive law is a function of the local fibre content, of the fibre orientation with respect to tensile principal directions, of the fibre slenderness and other usual material parameters related to the fibres, the cementitious matrix and their interaction. The fibre orientation is taken into account using a normal probability distribution with one or two variables to reproduce any orientation either obtained from a representative simulation of casting fresh UHPFRC or informed by experimental analysis on prototypes. Lastly, the model reproduces the cracking of UHPFRC based on the principle of smeared rotating crack models. The constitutive law is implemented in a structural finite element software as a predictive tool of reliability and overall ductility of UHPFRC elements. Two experimental campaigns were carried out, one at Laval University in Quebec and one at Ifsttar, Marne-la-Vallée. The first one is used to confirm the model ability to reproduce the overall behaviour under typical tensile and bending loads in simple structural elements for which the preferential fibre orientation was measured by microtomography. The second experimental campaign demonstrates the capabilities of the model, in an optimisation process, to help manufacture relatively complex ribbed triangular plates of industrial interest in which different manufacturing process and fibre volume have been considered. The identification of fibre distribution and orientation has been performed using mechanical tests on sawn samples. The model predictions have been compared to the global structural behaviour, and to the ductility demonstrated experimentally. The model could be qualified through comparison with conventional analytical engineering methods, taking into account the statistical variability. Improvement and additional developments have been identified

Approche micromécanique est utilisée pour étudier le transport et la congélation dans les milieux poreux non saturés. Dans les milieux poreux non saturés, film d'eau ainsi que la pression de disjonction sont introduits dans le transport et les problèmes de gel. Dans la modélisation, il est constaté que, couche capillaire avec l'eau interstitielle dominent le transport au degré de saturation élevé (Sr> 10%). Cependant, le film d'eau jouera un rôle important dans le transport à degré de saturation basse (Sr <10%), et le coefficient de diffusion sera faible que 3 à 4 ordres de grandeur à celle à degré de saturation élevé. Un modèle micromécanique de gel dans les milieux poreux non saturés est établi. Modèle micromécanique de congélation est plus physique basée dans la nature. En effet, différent du modèle poromécanique du milieu de congélation, dans lequel la pression de cristaux de glace est introduit, la pression de disjonction du film d'eau non gelée à la place de la pression de cristaux de glace est introduite dans le modèle micromécanique de congélation / Micromechanical approach is employed to investigate the transport and freezing within unsaturated porous media. In unsaturated porous media, water film as well as disjoining pressure are introduced in the transport and freezing problems. In the modeling, it is found that, capillary layer along with pore water dominate the transport at high saturation degree (Sr>10%). However, water film will play a significant role in transport at low saturation degree (Sr<10%), and the diffusion coefficient will be lower than 3 to 4 orders of magnitude than that at higher saturation degree. A micromechanical model of freezing in unsaturated porous media is established. Micromechanical model of freezing is more physical based in nature. That is because different from poromechanical model of freezing media in which ice crystal pressure is introduced, the disjoining pressure of unfrozen water film instead of ice crystal pressure is introduced in the micromechanical model of freezing

Ce travail s'inscrit dans le contexte des recherches menées pour la modélisation des composites aléatoires, permettant de déterminer leurs propriétés mécaniques effectives (élasticité et résistance). Parmi les modèles micromécaniques, numériques ou analytiques, développés dans ce but, on retrouve certains qui prennent en compte les effets d'interfaces se produisant aux frontières des inclusions des composites. Ces interfaces ont, selon plusieurs auteurs, une grande influence sur les propriétés élastiques et de rupture. Les modèles les considérant à ce jour sont néanmoins limités aux cas d'inclusions sphériques ou cylindriques. Dans cette thèse, nous proposons plusieurs approches et modèles micromécaniques (ou multi-échelles) qui permettent de déterminer les propriétés élastiques et poroélastiques ainsi que les modes de ruptures de matériaux composites granulaires présentant divers effets d'interfaces. Les morphologies inclusionnaires étudiées ne se limitent pas à la forme sphérique mais s'étendent également aux inclusions ellipsoïdales ce qui nous a amené à examiner une rupture inter-granulaire anisotrope. Les modèles de rupture développés dans ce travail ont été appliqués aux gels de C-S-H (hydrates de la pâte de ciment) ce qui a permis d'améliorer les modèles de rupture consacrés aux pâtes durcies. Les prédictions de ces modèles ont pu être confrontées à des données expérimentales de résistance à la compression simple des pâtes / Modelling composite media in view of determining its effective mechanical behaviour has been the topic of a large number of research papers. Some analytical and numerical models that can be found in the scientific literature on this topic take into account the interface effects that can arise at inclusions' boundaries. These interfaces have a major influence on the mechanical properties of composites according to some researchers. However, the models considering them are limited to spherical and cylindrical inclusions. In this work, several multi-scale approaches and models are developed to consider interface effects in the determination of the effective elastic and poroelastic properties and the failure mechanisms of granular composites. These models are performed on both spherical and ellipsoidal shapes of inclusions. The latter has led us to investigate an anisotropic inter-granular failure in granular media. The failure models developed in this work are applied to the microstructure of C-S-H gels (a cement paste hydrate) in order to improve the existing models on cement paste failure. The predictions of these improved models are compared to experimental data on the compressive strength of cement pastes

L’industrie des matériaux composites ne cesse d’évoluer et de croître en mettant en place de nouveaux matériaux et de nouvelles technologies. En substitution des matériaux d’origine fossile que les matériaux d’origine naturelles (et surtout végétales) commencent à voir le jour. C’est dans ce contexte que notre travail de recherche est proposé. Il s’intéresse à la caractérisation du comportement mécanique d’un composite à matrice Polypropylène, renforcé avec des fibres de Chanvre et du bois de Chanvre (Chènevotte). Les différents moyens et techniques de caractérisation, utilisés par la présente étude, ont montré que ces nouveaux matériaux sont dotés de propriétés, en particulier mécaniques, de haut niveau, qui viennent rivaliser avec celles des autres composites classiques à base de fibres de verre et de carbone.Les essais expérimentaux en statique et de fatigue, ont révélé beaucoup de détails en comparaison avec d’autres matériaux composites. Ces informations ont permis de créer une sorte de base de données qui pourra servir de référence pour d’autres composites de la même famille à base de fibres végétales. Ainsi, des mécanismes d’endommagement ont été mis en évidence grâce aux essais mécaniques (traction monotone, charge-décharge, …) associés à des observations microscopiques (Microscope Electronique à Balayage), et à des outils de détection du dommage basés sur l’émission acoustique. Par le biais de cette technique, nous avons pu apprécier la qualité et l’importance de l’interface fibre/matrice qui est un paramètre fondamental pour la présente étude et pour la détermination de la loi de comportement du composite.La modélisation micromécanique a été intégrée dans ce travail de thèse, grâce au modèle de Mori-Tanaka. Le comportement des matériaux à l’endommagement n’a pas été pris en considération ; seule l’élasticité a été étudiée. A l’aide de ce modèle, nous avons pu remonter aux propriétés intrinsèques des constituants (le module d’élasticité longitudinale des renforts: Chanvre et Chènevotte). / The composites industry continues to evolve and grow by developing new materials and new technologies. Replacing fossil materials by materials with natural origin (especially vegetable) seems to be one of the most promising. In this context our research is proposed. It is interested to characterize the mechanical behavior of a polypropylene matrix composite reinforced with fibers of Hemp and Wood of Hemp (Chenevotte). The various means and characterization techniques used in this study showed that these new materials have interesting mechanical properties, coming rival those of other conventional composites based on carbon and glass fibers.The experimental static and fatigue tests have revealed many details in comparison with other composite materials. The information help creates a database that can serve as reference for other composites of the same family and vegetable fibers. Mechanisms of damage have been highlighted through mechanical tests (tensile monotonous charge-discharge …) associated with microscopic observations (Scanning Electron Microscope), and tools for damage detection based on emission acoustics. Thanks to this technique, we could improve the quality of the interface fiber / matrix which is a basic parameter for this study and for determining the behavior of composite.Micromechanical modeling has been integrated in this thesis, through the Mori-Tanaka model. The behavior of materials during damage has not been taken into account: only the elasticity has been studied. Using this model, we were able to trace the intrinsic properties of the constituents (the longitudinal modulus of elasticity of the reinforcements: Hemp and Chenevotte).

L'enrichissement des modèles numériques de l'être humain est un enjeu majeur dans la recherche en biomécanique des chocs. Dans le cas des os longs, les propriétés mécaniques sont le plus souvent déterminées à partir de caractéristiques macroscopiques sans prendre en compte l'influence de l'architecture du tissu. Ce manque de considération explique les limites de la biofidélité des modèles proposés actuellement. Fort de ce constat, une approche multi-échelle semble être pertinente pour une amélioration des prédictions obtenues. Cette thèse s'intéresse plus particulièrement au comportement de l'humérus humain dans le cadre de sollicitations dynamiques et propose le développement d'une loi micromécanique pour le décrire. Cette loi est un couplage entre le schéma d'homogénéisation linéaire de Mori-Tanaka pour l'estimation des propriétés mécaniques apparentes de l'humérus avec un raisonnement thermodynamique décrivant la progression de l'endommagement au sein de l'os cortical à l'aide d'une loi de croissance des porosités. La validité de ce modèle a été faite à travers l'estimation de l'effort ultime lors d'essais de type impacts. Pour ce faire, cette étude repose sur les résultats de campagnes expérimentales explorant à différentes échelles les propriétés mécaniques de 13 humérus prélevés de 10 sujets humains post-mortem. Ainsi des essais d'impact ont été réalisés sur pièces anatomiques, les propriétés élastiques mésoscopiques et l'influence de l'endommagement sur ces dernières ont été caractérisées à travers des tests de traction/compression ou de flexion sur éprouvettes et les propriétés microscopiques de la matrice osseuse ont été mesurées par nanoindentation. / The relevant of the human numerical models is a major issue in biomechanical researches. The long bones' mechanical properties are often identified from macro-scale characteristics without taking account of bone structure. This lack of consideration explains the limit of the proposed models biofidelity. A multi-scale approach seems to be relevant for the prediction's improvement, in light of this. This thesis studied the human humerus behavior during dynamical solicitations and propose a micromechanical law to describe it. This law is coupling the linear homogenization scheme of Mori-Tanaka to evaluate the apparent mechanical properties of humerus with a thermo dynamical reasoning to describe the cortical bone damaging by porosities growing. The model validity has been established by the estimation of the maximal load during a impact test. This study is based on the results from multi-scale experimental campaigns exploring the mechanicals properties of 13 humerus from 10 post-mortem human cadavers. So impacts tests have been realized on anatomical specimens, the mesoscopic elastic properties and the damaging influence on them have been characterized by traction, compression or flexion tests and the microscopic properties of bone matrix have been measured by nanoindentation.

In the framework of this thesis, a study was conducted dealing with a strategy to change the mechanical properties of microgel particles using inwards-interweaving self-assembly post-synthesis. This technique was invented by my cooperation partners of the Trau group, and they prepared all particles studied. Exemplarily, agarose microparticles were used to interweave a defined shell of complexed poly(allylamine) (PA) and poly(styrenesulfonic acid) (PSS) into such particles. Thereby, the shell thickness can be well-defined. Adjusting the concentration of PA and the incubation time, the filling of the particles can be readily controlled up to complete filling. By adding excessive PSS, the diffusion-controlled shell formation stops by complexation. The shell thickness of individual particles was determined through fluorescence-labeled PA and confocal laser scanning microscopy. The mechanical properties of single particles were inferred by AFM with an attached colloidal probe (CP). Here, a non-linear increase of the elastic modulus (E-modulus) from 10 to 190 kPa was determined while the shell thickness increased from 10 to 24 µm. After adding a second shell, a further gain to 520 kPa on average can be realized. Furthermore, a new concept was developed by Mr. Fery and me to change the surface mechanical properties of mircogel particles by applying a thermal trigger. Meanwhile, a particular focus was laid to maintain constant adhesive properties at every temperature. First, crosslinked poly(N-isopropyl acrylamide) (PNIPAM) particles are prepared by droplet microfluidics. These gelled particles are injected into a second microfluidic device and surrounded by an aqueous solution of uncrosslinked poly(acrylamide) (PAAM). At a second junction, droplets are formed via the cut-off effect of the continuous organic solvent. The droplets now contain the crosslinked PNIPAM core and a thin uncrosslinked PAAM liquid shell. After a short diffusion of PAAM polymers into the core they are crosslinked by UV-light. These experiments were performed by our cooperation partners of the Seiffert group. I applied temperature-controlled CP-AFM to obtain the resulting adhesive and mechanical properties of individual particles. Here, the core-shell particles behaved similarly to plain PNIPAM particles displaying the typical increase in E-modulus at temperatures above 34°C, however lower in magnitude. Further, no temperature effect on the interfacial interaction for these core-shell particles was detected. While one focus of the study above was on constant adhesion, in the following section, a new synthetic approach for mussel inspired underwater adhesives, and their characterization is presented. Based on a peptide sequence of ten amino acids, which is found frequently in natural mussel foot proteins, a new polymerization route was developed by my cooperation partners of the Börner group. Possible reaction pathways were investigated with specifically designed model reaction and analyzed using mass spectroscopy and gel permeation chromatography. The resulting polymers were further characterized using high-performance liquid chromatography and SDS-page. Nanometer thick coatings of these synthetic polymers revealed an excellent persistence even against highly concentrated salt solutions measured by quartz crystal microbalance with dissipation experiments. My contribution was the investigation of the work of adhesion necessary to detach a microparticle from such a coating by CP-AFM in an aqueous environment. Here, the newly developed synthetic polymer provided higher adhesive strength, up to 10.9 mJ m- 2, compared to comparable natural mussel foot proteins. / Im Rahmen dieser Arbeit, wurde eine Studie durchgeführt, welche die Möglichkei¬ten der nachträglichen Elastizitätsveränderung von Mikrogelpartikeln mittels „nach Innen gerichteter, verwebender Selbstassemblierung“ (engl. inwards-interweaving self-as¬sembly) beleuchtet. Diese Technik wurde von meinen Kooperationspartnern aus der Gruppe von Herrn Trau entwickelt. Am Bespiel von Agarose Mikropartikeln, kann mittels dieser Technik eine definierte Schale aus Polyallylamin (PA) und Polystyrolsulfonsäure (PSS) in das Partikel verwoben werden. Die Schalendicke kann dabei kontrolliert variiert werden, bis hin zur vollständigen Ausfüllung des Partikels, in dem die Konzentration von PA und die Inkubationszeit angepasst werden. Durch Zugabe eines Überschusses an PSS wird der diffusionsgesteuerte Schalenaufbau durch Komplexierung beendet. Die Schalendicke der individuellen Partikel wurde mittels Fluoreszenzmarkierung und konfokaler Laser Raster¬mikroskopie (engl. confocal laser scanning microscopy) ermittelt. Die mechanische Cha¬rakterisierung einzelner Partikel durch AFM und kolloidaler Sonde (engl. colloidal probe, CP) ergab eine nicht lineare Erhöhung des Elastizitätsmoduls (E-Modul) von 10 auf 190 kPa bei einem Schalendicken Zuwachs von 10 auf 24 µm. Durch eine zweite Schale, in der Ersten, konnte der E-Modul auf im Mittel 520 kPa gesteigert werden. Weiterführend, wurde von mir und Herrn Fery ein neues Konzept entwickelt, um eine mechanische, oberflächliche Verhärtung von Mikrogelpartikel durch Temperaturver¬änderung zu induzieren mit einem Augenmerk, dass sich die Adhäsionseigenschaften nicht verändern. Zunächst wurden von meinen Kooperationspartnern aus der Gruppe von Herrn Seiffert vernetzte Poly-N-isopropylacrylamid (PNIPAM) Partikel mittels Tropfenmikroflu¬idik hergestellt. In einem zweiten Mikrofluidik Experiment wurde diese Partikel mit einer wässrigen Lösung von Polyacrylamid (PAAM, unvernetzt) umgeben bevor es zu einer Tropfenbildung in der organischen Phase kommt. Nach kurzer Diffusionszeit der PAAM Polymerketten in die Kernpartikel, wurde die PAAM Schale mittels UV-Licht querver-netzt. In temperaturkontrollierten CP-AFM Untersuchungen habe ich die resultierenden Adhäsions- und mechanischen Eigenschaften auf der Einzelpartikel Ebene bestimmt. Hier¬bei konnte bei den Kern-Schale Partikeln der für bloße PNIPAM Partikel typische E-Modul anstieg oberhalb von 34°C nachgewiesen werden, jedoch mit verminderten Absolutwerten. Eine begleitende Veränderung der adhäsiven Eigenschaften der Kern-Schale Partikel konnte dabei nicht beobachtet werden. Lag ein Fokus der vorherigen Arbeit auf konstanten Wechselwirkungen, behandelt der dritte Teil der Ergebnisse, einen neuen Synthese Ansatz zur Herstellung Muschel in¬spirierter Unterwasser Adhäsiva und deren Charakterisierung. Basierend auf einer natürli¬chen Peptidsequenz, wurde eine enzymatische Polymerisationsroute von meinen Koopera¬tionspartner aus der Börner Gruppe entwickelt. Der Reaktionsverlauf wurde durch neu de¬signte Modelreaktion untersucht und mittels Massenspektroskopie und GPC analysiert, das resultierende Polymer zusätzlich mit HPLC und SDS-page. Nanometer dicke Beschichtun¬gen dieser Muschel inspirierten Polymer wiesen eine sehr gute Beständigkeit gegen hoch konzentrierten Salzlösung in QCM-D Experimenten auf. Die Adhäsionsarbeit, welche nö¬tig ist um eine Mikropartikel von diesen in wässeriger Lösung zu entfernen, wurde von mir mittels CP-AFM bestimmt. Nach meiner Erweiterung einer bekannten Adhäsionstheorie, konnten für das synthetische Polymer höhere Werte als für vergleichbare Natürliche von bis zu 10.9 mJ m-2 bestimmt werden.