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The field of DNA nanotechnology offers a wide range of design strategies with which nanometer-sized structures with a desired shape, size and aspect ratio can be built. The most established techniques in the field rely on close-packed 'solid' DNA nanostructures produced with either the DNA origami or the single-stranded tile techniques. These structures depend on high-salt buffer solutions and require more material than comparable size hollow wireframe structures. This dissertation explores the construction of hollow wireframe DNA nanostructures composed of equilateral triangles. To achieve maximal material efficiency the design is restricted to use a single DNA double helix per triangle edge. As a proof of principle, the DNA origami technique is extended to produce a series of truss structures including the flat, tetrahedral, octahedral, or irregular dodecahedral truss designs. In contrast to close packed DNA origami designs these structures fold at low-salt buffer conditions. These structures have defined cavities that may in the future be used to precisely position functional elements such as metallic nanoparticles or enzymes. The design process of these structures is simplified by a custom design software. Next, the triangulated construction motif is extended to the single-stranded DNA tile technique. A collection of finite structures, as well as one-dimensional crystalline assemblies is explored. The ideal assembly conditions are determined experimentally and using molecular dynamics simulations. A custom design software is presented to simplify the design and handling of these structures. At last, the cost-effective prototyping of triangulated wireframe DNA origami structures is explored. This is achieved through the introduction of single-stranded “gap” regions along the triangle edges. These gap regions are then filled using a DNA polymerase rather than by synthetic oligonucleotides. This technique also allows the mechanical transformation of these structures, which is exemplified by the transition of a bent into a straight structure upon completion of the gap filling.:Abstract v Publications vii Acknowledgements ix Contents xi Chapter 1 A short introduction into DNA nanotechnology 1 1.1 Nanotechnology 1 1.1.1 Top down 1 1.1.2 Bottom up 3 1.2 Deoxyribonucleic acid (DNA) 4 1.3 DNA Nanotechnology 6 1.3.1 Tile based assembly 9 1.3.2 DNA origami and single-stranded tiles 10 1.3.3 Some applications of DNA nanotechnology 12 1.3.4 Wireframe structures 15 1.3.5 Computational tools and DNA nanotechnology. 17 Chapter 2 Motivation and objectives 19 Chapter 3 Design and Synthesis of Triangulated DNA Origami Trusses 20 3.1 Introduction 20 3.2 Results and Discussion 21 3.2.1 Design 21 3.2.2 Nomenclature and parameters of the tube structures 23 3.2.3 Gel electrophoreses analysis 25 3.2.4 Imaging of the purified structures 26 3.2.5 Optimizing the folding conditions 28 3.2.6 Comparison to vHelix 29 3.3 Conclusions 29 3.4 Methods 30 3.4.1 Standard DNA origami assembly reaction. 30 3.4.2 Gel purification. 30 3.4.3 AFM sample preparation. 31 3.4.4 TEM sample preparation. 31 3.4.5 Instructions for mixing the staple sets. 31 Chapter 4 Triangulated wireframe structures assembled using single-stranded DNA tiles 33 4.1 Introduction 33 4.2 Results and Discussion 35 4.2.1 Designing the structures 35 4.2.2 Synthesis of test structures 37 4.2.3 Molecular dynamics simulations of 6-arm junctions 38 4.2.4 Assembly of the finite structures 40 4.2.5 Influence of salt concentration and folding times 42 4.2.6 Molecular dynamics simulations of the rhombus structure 43 4.2.7 1D SST crystals 44 4.2.8 Controlling the crystal growth 46 4.3 Conclusions 48 4.4 Methods 49 4.4.1 SST Folding 49 4.4.2 Agarose Gel Electrophoresis 49 4.4.3 tSEM Characterization 49 4.4.4 AFM Imaging 49 4.4.5 AGE-Based Folding-Yield Estimation 49 4.4.6 Molecular Dynamics Simulations 50 Chapter 5 Structural transformation of wireframe DNA origami via DNA polymerase assisted gap-filling 52 5.1 Introduction 52 5.2 Results and Discussion 54 5.2.1 Design of the Structures 54 5.2.2 Folding of Gap-Structures 56 5.2.3 Inactivation of Polymerase. 57 5.2.4 Secondary Structures. 58 5.2.5 Folding Kinetics of Gap Origami. 60 5.3 Conclusions 61 5.4 Methods 62 5.4.1 DNA origami folding 62 5.4.2 Gap filling of the wireframe DNA origami structures 63 5.4.3 Agarose gel electrophoresis 63 5.4.4 PAGE gel analysis 63 5.4.5 tSEM characterization 64 5.4.6 AFM imaging 64 5.4.7 AGE based folding-yield estimation 64 5.4.8 Gibbs free energy simulation using mfold 65 5.4.9 List of sequence for folding the DNA origami triangulated structures 65 Chapter 6 Summary and outlook 67 Appendix 69 A.1 Additional figures from chapter 369 A.2 Additional figures from chapter 4 77 A.3 Additional figures from chapter 5 111 Bibliography 127 Erklärung 138

Vor dem Hintergrund zukünftiger Sensoren, basierend auf dem piezoresistiven Effekt von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT), werden in dieser Arbeit umfangreiche Ergebnisse zum mechanischen Verhalten von Grenzflächen zwischen SWCNTs und edlen Metallen am Beispiel von Pd und Au präsentiert. Im Fokus steht dabei die Synergie von rechnerischen und experimentellen Methoden Molekulardynamik (MD), nanoskalige Tests und Analytik , um (1) mit guter Genauigkeit maximale Kräfte von gezogenen SWCNTs, welche in Metall eingebettet sind, vorauszuberechnen und (2) einen wertvollen Beitrag zum Verständnis der zu Grunde liegenden Fehlermechanismen zu liefern. Es wurde ein MDModell eines in eine einkristalline Matrix eingebetteten SWCNTs mit Randbedingen eines Auszugsversuchs entwickelt. Mit diesem Modell können Kraft-Weg-Beziehungen und Energieverläufe für einen quasistatischen verschiebungsgesteuerten Auszugsversuch errechnet werden. Das Modell liefert kritische Kräfte bei Versagen des Systems. Des Weiteren können mit diesem Modell der Einfluss des SWCNT-Typus, der Einbettungslänge, der Temperatur, von intrinsischen Defekten und Oberflächengruppen (SFGs) auf das Grenzflächenverhalten untersucht werden. Zum Vergleich wurden kritische Kräfte experimentell durch in situ Auszugsversuche in einem Rasterelektronenmikroskop bestimmt. Es wurde eine sehr gute Übereinstimmung von rechnerischen und experimentellen Daten festgestellt. Der vorherrschende Fehler im Experiment ist der SWCNT-Bruch, jedoch wurden auch einige SWCNT-Auszüge beobachtet. Mit Hilfe der MD-Simulationen wurde gefunden, dass die SFGs als kleine Anker in der umgebenden metallischen Matrix wirken und somit die maximalen Kräfte signifikant erhöhen. Diese Grenzflächenverstärkung kann Zugspannungen verursachen, die genügend hoch sind, so dass SWCNT-Bruch initiert wird. Im Gegensatz dazu zeigten Simulationen von Auszugstests mit idealen SWCNTs nur kleine Auszugskräfte, welche meistens unabhängig von der Einbettungslänge des SWCNTs sind. Dieses Verhalten wird mit einer inkommensurablen Konfiguration der Kristallstrukturen an der Grenzfläche von SWCNTs und der einbettenden Edelmetalle interpretiert. Zur Qualifizierung der Existenz von carboxylatischen Oberflächengruppen auf dem genutzten SWCNT-Material wurden analytische Untersuchungen mittels Fluoreszenzmarkierung von Oberflächengruppen durchgeführt. In Übereinstimmung mit Literaturstellen zum gesicherten Nachweis von SFGs, bedingt durch technologische Behandlungen, weisen diese Experimente stark auf das Vorhandensein von carboxylatischen Oberflächengruppen auf dem genutzten SWCNT-Material hin. Demnach kann der dominante SWCNT-Bruch Fehler durch die Grenzflächenverstärkung auf Grund von SFGs erklärt werden. / In the light of future sensors, that are based upon the piezoresistive effect of singlewalled carbon nanotubes (SWCNTs), this work presents comprehensive results of studies on the mechanical behavior of interfaces between SWCNTs and noble metals using the examples of Pd and Au. With this contribution, the focus is on a synergy between computational and experimental approaches involving molecular dynamics (MD) simulations, nanoscale testing, and analytics (1) to predict to a good degree of accuracy maximum forces of pulled SWCNTs embedded in a noble metal matrix and (2) to provide valuable input to understand the underlying mechanisms of failure. A MD model of a SWCNT embedded in a single crystalline matrix with pull-out test boundary conditions was developed. With this model, force-displacement relations and energy evolutions for a quasi-static displacement controlled test can be computed. The model provides critical forces for failure of the system. Furthermore, the influence of SWCNT type, embedding length, temperature, intrinsic defects and surface functional groups (SFGs) on the interface behavior can be studied using this model. For comparison, critical forces were experimentally determined by conducting pull-out tests in situ, inside a scanning electron microscope. A very good agreement of computational and experimental values was discovered. The dominant failure mode in the experiment was a SWCNT rupture, although several pull-out failures were also observed. From MD simulations, it was found that SFGs act as small anchors in the metal matrix and significantly enhance the maximum forces. This interface reinforcement can lead to tensile stresses sufficiently high to initiate SWCNT rupture. In contrast, pull-out test simulations of ideal SWCNTs show only small pull-out forces, which are mostly independent on SWCNT embedding length. This behavior is interpreted with an incommensurate configuration of crystal structures at the interface between SWCNTs and embedding noble metals. To qualify the existence of carboxylic SFGs on the used SWCNT material, an analytical investigation by means of fluorescence labeling of surface species was performed. In agreement with literature reports on the secured verification of SFGs due to necessary technological treatments, these experiments strongly indicate the presence of carboxylic SFGs on the used SWCNT material. Thus, the dominant SWCNT rupture failure is explained with an interface reinforcement by SFGs.

Vor dem Hintergrund zukünftiger Sensoren, basierend auf dem piezoresistiven Effekt von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT), werden in dieser Arbeit umfangreiche Ergebnisse zum mechanischen Verhalten von Grenzflächen zwischen SWCNTs und edlen Metallen am Beispiel von Pd und Au präsentiert. Im Fokus steht dabei die Synergie von rechnerischen und experimentellen Methoden Molekulardynamik (MD), nanoskalige Tests und Analytik , um (1) mit guter Genauigkeit maximale Kräfte von gezogenen SWCNTs, welche in Metall eingebettet sind, vorauszuberechnen und (2) einen wertvollen Beitrag zum Verständnis der zu Grunde liegenden Fehlermechanismen zu liefern. Es wurde ein MDModell eines in eine einkristalline Matrix eingebetteten SWCNTs mit Randbedingen eines Auszugsversuchs entwickelt. Mit diesem Modell können Kraft-Weg-Beziehungen und Energieverläufe für einen quasistatischen verschiebungsgesteuerten Auszugsversuch errechnet werden. Das Modell liefert kritische Kräfte bei Versagen des Systems. Des Weiteren können mit diesem Modell der Einfluss des SWCNT-Typus, der Einbettungslänge, der Temperatur, von intrinsischen Defekten und Oberflächengruppen (SFGs) auf das Grenzflächenverhalten untersucht werden. Zum Vergleich wurden kritische Kräfte experimentell durch in situ Auszugsversuche in einem Rasterelektronenmikroskop bestimmt. Es wurde eine sehr gute Übereinstimmung von rechnerischen und experimentellen Daten festgestellt. Der vorherrschende Fehler im Experiment ist der SWCNT-Bruch, jedoch wurden auch einige SWCNT-Auszüge beobachtet. Mit Hilfe der MD-Simulationen wurde gefunden, dass die SFGs als kleine Anker in der umgebenden metallischen Matrix wirken und somit die maximalen Kräfte signifikant erhöhen. Diese Grenzflächenverstärkung kann Zugspannungen verursachen, die genügend hoch sind, so dass SWCNT-Bruch initiert wird. Im Gegensatz dazu zeigten Simulationen von Auszugstests mit idealen SWCNTs nur kleine Auszugskräfte, welche meistens unabhängig von der Einbettungslänge des SWCNTs sind. Dieses Verhalten wird mit einer inkommensurablen Konfiguration der Kristallstrukturen an der Grenzfläche von SWCNTs und der einbettenden Edelmetalle interpretiert. Zur Qualifizierung der Existenz von carboxylatischen Oberflächengruppen auf dem genutzten SWCNT-Material wurden analytische Untersuchungen mittels Fluoreszenzmarkierung von Oberflächengruppen durchgeführt. In Übereinstimmung mit Literaturstellen zum gesicherten Nachweis von SFGs, bedingt durch technologische Behandlungen, weisen diese Experimente stark auf das Vorhandensein von carboxylatischen Oberflächengruppen auf dem genutzten SWCNT-Material hin. Demnach kann der dominante SWCNT-Bruch Fehler durch die Grenzflächenverstärkung auf Grund von SFGs erklärt werden. / In the light of future sensors, that are based upon the piezoresistive effect of singlewalled carbon nanotubes (SWCNTs), this work presents comprehensive results of studies on the mechanical behavior of interfaces between SWCNTs and noble metals using the examples of Pd and Au. With this contribution, the focus is on a synergy between computational and experimental approaches involving molecular dynamics (MD) simulations, nanoscale testing, and analytics (1) to predict to a good degree of accuracy maximum forces of pulled SWCNTs embedded in a noble metal matrix and (2) to provide valuable input to understand the underlying mechanisms of failure. A MD model of a SWCNT embedded in a single crystalline matrix with pull-out test boundary conditions was developed. With this model, force-displacement relations and energy evolutions for a quasi-static displacement controlled test can be computed. The model provides critical forces for failure of the system. Furthermore, the influence of SWCNT type, embedding length, temperature, intrinsic defects and surface functional groups (SFGs) on the interface behavior can be studied using this model. For comparison, critical forces were experimentally determined by conducting pull-out tests in situ, inside a scanning electron microscope. A very good agreement of computational and experimental values was discovered. The dominant failure mode in the experiment was a SWCNT rupture, although several pull-out failures were also observed. From MD simulations, it was found that SFGs act as small anchors in the metal matrix and significantly enhance the maximum forces. This interface reinforcement can lead to tensile stresses sufficiently high to initiate SWCNT rupture. In contrast, pull-out test simulations of ideal SWCNTs show only small pull-out forces, which are mostly independent on SWCNT embedding length. This behavior is interpreted with an incommensurate configuration of crystal structures at the interface between SWCNTs and embedding noble metals. To qualify the existence of carboxylic SFGs on the used SWCNT material, an analytical investigation by means of fluorescence labeling of surface species was performed. In agreement with literature reports on the secured verification of SFGs due to necessary technological treatments, these experiments strongly indicate the presence of carboxylic SFGs on the used SWCNT material. Thus, the dominant SWCNT rupture failure is explained with an interface reinforcement by SFGs.

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