Chemisch dotiertes Polypyrrol gilt als Modellsubstanz für leitfähige Polymere mit nichtdegeneriertem Grundzustand. Das elektrische Transportverhalten in dotiertem Polypyrrol wird durch lokalisierte Ladungsträger, Bipolaronen und Polaronen, bestimmt. Es besteht dabei eine enge gegenseitige Wechselwirkung zwischen der Struktur der Polymerkette und den Eigenschaften der Ladungsträger. Die in dieser Arbeit vorgestellte Kombination von Hochdruckmethodik und optischer Spektroskopie vertieft das Verständnis der Beziehung zwischen der molekularen und supramolekularen Struktur und den elektronischen und optischen Eigenschaften.<br /> Durch spezifische Synthesemethoden lassen sich unterschiedliche Strukturen in der polymeren Probe induzieren, die sich durch den Anteil an hochgeordneten Polymerketten unterscheiden. Die gezielte Veränderung dieser Strukturen durch Druckexperimente ermöglicht das Studium des Einflusses der Synthesemethoden auf die Ladungsträgereigenschaften. Für diese Studien wurden herkömmlich synthetisierte Polypyrrol-Filme und Filme, die sich aus Polypyrrol-Nanoröhren zusammensetzen (Synthese in Kernspur-membranen, &quot;Template-Synthese&quot;) bei ansonsten gleichen Syntheseparametern untersucht. Raman- und Infrarotspektroskopie sowie UV-Vis-NIR-Absorptionsspektroskopie, die jeweils für die Hochdruckmethodik adaptiert wurden, dienten der Charakterisierung der Proben. Zusätzlich wurden temperatur- und druckabhängige Messungen des elektrischen Widerstands an den Template-Proben durchgeführt. Die Morphologie template-synthetisierter Polypyrrol-Nanoröhren und die filmbildenden Eigenschaften sowie der mögliche Aufbau von Schichtarchitekturen wurden mit transmissions- und rasterelektronenmikroskopischen Techniken untersucht. <br /> Die aus den Hochdruckexperimenten gewonnenen Daten werden in der Arbeit im Hinblick auf die Stabilität der Ladungsträger interpretiert. Im Ergebnis bewirkt die Druckerhöhung eine Dissoziation der Bipolaronen in den untersuchten Proben. Das Ladungsträger-gleichgewicht verschiebt sich dadurch mit steigendem Druck zu Zuständen mit höherem Anteil an polaronischen Ladungsträgern. Die Template-Synthese bewirkt gegenüber herkömmlich synthetisierten Proben einen höheren Anteil an Polaronen bereits bei Normaldruck, und eine Lage des Systems näher bei einem Isolator-Metall-Übergang. Die Dissoziationsrate der Bipolaronen ist für Template- und herkömmlich synthetisierte Proben vergleichbar groß und unabhängig vom Initialzustand nach der Synthese. <br /> <br /> Dieses Verhalten der Ladungsträger wird weitergehend im Rahmen eines Modells untersucht, bei dem der Einfluß benachbarter Polymerketten und der Dotandionen berücksichtigt wird. Dementsprechend können sich die Wellenfunktionen der Ladungsträger unter bestimmten Bedingungen auch auf benachbarte Ketten erstrecken (transversale Polaronen bzw. Bipolaronen). Eine solche Ausdehnung der Wellenfunktionen unter Mitwirkung der Dotandionen wurde in den untersuchten Proben nicht festgestellt. Die Wellenfunktionen der Ladungsträger besitzen demnach hauptsächlich Komponenten entlang der Polymerkette (longitudinale Polaronen bzw. Bipolaronen). Aus der Änderungsrate druckabhängiger spektraler Charakteristiken lassen sich Aussagen über den Ordnungszustand der Probe ableiten.<br /> <br /> Diese auf experimentellem Wege gefundenen Ergebnisse liefern somit Hinweise für die bisher kontrovers diskutierte Koexistenz der beiden Ladungsträgerarten Polaronen und Bipolaronen und die Größe ihrer jeweiligen Bindungsenergien. Druckerhöhung und Template-Synthese bewirken analoge Änderungen der Polymerstruktur. Sowohl höherer Druck wie auch die Template-Synthese lassen sich mit einem höheren Ordnungsgrad in den Template-Proben korrelieren.<br /> <br /> Der Ladungstransport in den Proben kann durch ein Mott Variable Range Hopping-Modell mit druckabhängiger charakteristischer Dimension beschrieben werden. Die Erhöhung des Drucks bewirkt einen Anstieg der Dimension, eine bessere Überlappung der Wellenfunktionen der Ladungsträger und eine Vergrößerung der Lokalisierungslänge der Ladungsträger. Die druckinduzierte Dissoziation der Bipolaronen beeinflußt den Ladungstransport zusätzlich durch Erhöhung der Anzahl unabhängiger Ladungsträger und verbessert diesen aufgrund stärkerer Überlappung der Wellenfunktionen. Template-Proben niedriger Synthesetemperatur zeigen bei Normaldruck eine höhere Dimension des Mott Variable Range Hoppings und eine größere Lokalisierungslänge gegenüber bei Raumtemperatur synthetisierten Proben. Kürzere Synthesezeiten bewirken einen Anstieg der Dimension bei Normaldruck und eine Verschiebung des Dimensionscrossovers zu niedrigeren Temperaturen. Template-Proben kurzer Synthesezeit zeigen geringere druckinduzierte Änderungen als solche mit langer Synthesezeit. Es wurde ein kontinuierliches Ordnungsmodell der Polypyrrol-Nanoröhren entwickelt, das dieses Verhalten beschreibt.<br /> <br /> Die Morphologie und die mechanischen Eigenschaften der Nanoröhren werden durch spezifische Syntheseparameter, wie Temperatur und Dauer, beeinflußt und können mit Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie beobachtet werden. Die filmbildenden Eigenschaften der Röhren hängen stark von diesen mechanischen Eigenschaften ab. Die Struktur der Filme kann dabei von einer unregelmäßigen Anordnung der Röhren bis zu nahezu parallel ausgerichteten Röhren variieren. Es wurden Möglichkeiten untersucht, die Röhren in den Filmen zu orientieren und aus diesen Filmen durch Schichtung makroskopische Architekturen mit einem hohen Grad an orientierten Röhren aufzubauen. Solche Architekturen können für verschiedene Anwendungen, z.B. in elektronischen Bauteilen oder mikroskopischen Bioreaktoren, von Interesse sein. / Chemically doped polypyrrole is a model substance for conducting polymers with non-degenerate ground state. The electrical transport behaviour in doped polypyrrole is determined by localised charge carriers, polarons and bipolarons, respectively. A strong interaction between the structure of the polymer chain and the properties of the carriers exists. In this work the applicability of the combination of high pressure techniques with spectroscopy in the visible spectral range is demonstrated to improve the understanding of the relationship between the molecular and supramolecular structure and the electronic and optical properties.<br /> <br /> The use of specific synthesis methods allows the induction of different structures in the polymeric sample. These structures possess different amounts of highly ordered polymer chains. High pressure experiments are a suitable method to influence the structures in a controlled manner. In this way the effect of the different synthesis methods on the charge carrier properties can be studied. For these investigations polypyrrole films synthesised by ordinary chemical synthesis and films build up of template synthesised polypyrrole nanotubules, respectively, were fabricated under the same chemical synthesis conditions. The characterisation of the samples was carried out by Raman and infrared spectroscopy as well as optical absorption spectroscopy. All spectroscopic methods were adapted for high pressure techniques. Additionally, temperature and pressure dependent measurements of the electrical resistance were performed on the template synthesised samples. The morphology of polypyrrole nanotubules and films consisting of nanotubules as well as architectures built up from these films were examined by transmission and scanning electron microscopy.<br /> <br /> The data obtained from the high pressure experiments are interpreted in view of the stability of the charge carriers. One result is the dissoziation of bipolarons upon pressure increase in the samples under investigation with increasing pressure. The charge carrier equilibrium is shifted to states with larger amount of polarons. Template synthesis, compared with ordinarily synthesised samples, results in a larger amount of polarons at ambient pressure and a position of the samples closer to an insulator-metal transition. The dissoziation rate of bipolarons in template and ordinary synthesised samples is comparable and independent of the initial state after completed synthesis procedure.<br /> <br /> This behaviour of the charge carriers is further investigated in the frame of a model which takes the influence of neighbouring polymer chains and of dopant ions into considerations. According to this model, the wave functions of the charge carriers are also allowed to extend on neighboured chains under certain conditions (transverse polarons or bipolarons, respectively). Such an expansion of the wave functions where dopant ions act as mediating bridges of lower potential cannot be observed in the samples under investigation. Hence, the wave functions of the charge carriers contain mainly components along the polymer chain (longitudinal polarons or bipolarons, respectively). From the alteration rate of pressure dependent spectral characteristics information can be gained on the state of order in the samples.<br /> <br /> These experimental results deliver hints for the up to now controversial discussion on the coexistence of the charge carrier species polarons and bipolarons and the magnitude of their binding energies. Pressure increase and template synthesis yield analogous changes of the polymer structure. High pressure as well as template synthesis can be correlated with a higher degree of order in the samples. <br /> <br /> The charge carrier transport in the samples can be described by a Mott Variable Range Hopping model with a pressure dependent characteristic dimension. The increase of pressure results in an increasing dimension, a larger overlap of the wave function of the charge carriers and an increase of their localisation length. Additionally, pressure induced dissoziation of bipolarons improves the charge carrier transport by increasing the amount of independent charge carriers and larger overlap of the wave functions. Template synthesised samples prepared at lower synthesis temperature show a higher dimension of the Mott Variable Range Hopping and a larger localisation length than samples synthesised at room temperature. Shorter synthesis time results in an increase of the characteristic dimension at ambient pressure and a shift of the dimensional crossover to lower temperatures. Also, these samples show smaller pressure induced changes compared to samples with longer synthesis time. A model is developed describing this behaviour in the frame of a continuous order change in polypyrrole nanotubules.<br /> <br /> The morphology and the mechanical properties of the template synthesised nanotubules are influenced by specific synthesis parameters, e.g. temperature and duration, as can be observed by transmission and scanning electron microscopy. The resulting films formed by the tubules strongly depend on these mechanical properties. The structure of the films can vary between disordered arrangement and almost parallel orientation of the tubules. The possibilities for orienting of the individual tubules in films and for building macroscopic architectures by subsequent stacking of those films were investigated. Such architectures are interesting from an application point of view e.g. in electronic devices and microscopic bioreactors.

Ziel dieser Arbeit ist die phänomenologische Untersuchung der Feuchteempfindlichkeit der elektrischen Eigenschaften dünner Polymerschichten. Diese Untersuchungen stellen gleichzeitig Vorarbeiten zur Entwicklung von Prototypen von zwei polymeren Dünnschicht-Feuchtesensoren dar, die sich durch die spezielle Auswahl der feuchtesensitiven Materialien jeweils durch eine besondere Eigenschaft gegenüber kommerziellen Massenprodukten auszeichnen. Ziel der Entwicklungsarbeiten für den ersten Prototypen war die Konstruktion eines schnellen Feuchtesensors, der plötzliche und sprunghafte Feuchteänderungen in der umgebenden Atmosphäre möglichst rasch detektieren kann. Dafür wurden dünne Schichten von Poly-DADMAC auf Interdigitalstrukturen aufgebracht, die einen möglichst direkten Kontakt zwischen feuchtesensitiver Schicht und umgebender, feuchter Atmosphäre gewährleisten. Als Messgrößen dienten die Wechselstromgrößen Widerstand und Kapazität der Schichten. Die Feuchtekennlinien der Schichten zeigen gute Konstanz und hohe Reproduzierbarkeit. Der Widerstand der Schichten ändert sich durch den Einfluss von Feuchte je nach Schichtdicke um 3 bis 5 Größenordnungen und eignet sich als Messgröße für die Feuchtigkeit im gesamten Feuchtebereich. Die Hysterese der Filme konnte auf kleiner als 2,5% r.F. bestimmt werden, die Reproduzierbarkeit auf besser als 1% r.F. Die Ansprechzeit der Schichten lässt sich schichtdickenabhängig zu 1 bis 10 Sekunden bestimmen. Hierbei zeigen besonders die dünnen Schichten kurze Ansprechzeiten. Zielstellung für den zweiten Feuchtesensor war die Entwicklung eines Prototypen, dessen sensitive Schicht sich biostatisch und biozid verhält, so dass er in biotischen Umgebungen eingesetzt werden kann. Es wurden fünf Polysulfobetaine synthetisiert, deren Biozidität und Biostatik mit dem Kontakttest nach Rönnpagel, dem ISO846-Test und Abbautests bestimmt wurde. Zwei Polymere – Poly-DMMAAPS (BT2) und Poly-[MSA-Styren-Sulfobetain] (BT5) – erwiesen sich als ausreichend biozid und biostatisch. Schichten dieser Polymere wurden auf Interdigitalstrukturen aufgezogen, anschließend wurden die Kennlinien dieser Proben aufgenommen. Die Messwerte zeigen für beide Polymere gute Konstanz und eine hohe Reproduzierbarkeit. BT2-Proben sind zwischen 20% und 80% r.F. besonders empfindlich und zeigen über einen Monat keine Langzeitdrift. Vernetzte Proben zeigen bis 50°C keinen temperaturbedingten Abfall der Feuchteempfindlichkeit. Der Einsatz vernetzter BT5-Schichten als kapazitiver Feuchtesensor ist bis etwa 70°C möglich, die Schichten sind selbst nach Lagerung im Hochvakuum und mehrfacher Betauung stabil. Damit liegen zwei funktionsfähige Prototypen von Feuchtesensoren vor, für die die meisten Kennwerte denen von vergleichbaren kommerziellen Feuchtesensoren entsprechen. Gleichzeitig zeichnen sie sich aber durch eine sehr niedrige Ansprechzeit bzw. eine ausreichende Lebensdauer unter biotischen Bedingungen aus. / The topic of this work is the phenomenological investigation of the humidity sensitivity of the electrical properties of thin polymer films. These investigations also act as preparatory work for the development of prototypes of two polymer thin film humidity sensors, which by the choice of the humidity sensitive materials stand out by one special property each compared with commercial mass products. The aim of the development work for the first prototype was the construction of a fast humidity sensor, which can rapidly detect sudden and erratic humidity changes in the surrounding atmosphere. Thin films of poly-DADMAC were prepared on interdigitated structures that allow for undisturbed contact between the sensitive layer and the surrounding humid atmosphere. Measured variables were the ac resistance and capacity of the films. The humidity characteristics of the films show good stability and high reproducibility. Under the influence of humidity the resistance of the films changes by 3 to 5 orders of magnitude, depending on the film thickness, and is suitable to measure the humidity in the entire humidity range. The hysteresis of the films is lower than 2.5% r.h., the reproducibility better than 1% r.h. The response time of the layers can be determined to 1 to 10 seconds, depending on their thickness. The thin films, specifically, show very short response times. The aim for the second humidity sensor was the development of a prototype, where the sensitive film is biostatic and biocide, so that it can be used to measure the humidity in biotic environments. Five polysulfobetaines were synthesized and their biocidity and biostatics were tested with the contact test according to Rönnpagel, the ISO846 test and degradation tests. Two of the polymers - poly-DMMAAPS (BT2) and poly-[MSA-styrene-sulfobetaine] (BT5) - showed sufficient biocidity and biostatics. Films of these polymers were prepared on interdigitated structures, then their humidity characteristics were recorded. The measured values show good stability and high reproducibility for both polymers. Samples of BT2 are highly sensitive between 20% and 80% r.h. and show no long-term drift after one month. Cross-linked samples show no decrease of the humidity sensitivity in temperatures up to 50 degrees Celsius. Cross-linked films of BT5 can be used as a capacitive humidity sensor up to 70 degrees Celsius, and the samples are stable even after storage in high vacuum and multiple dew cycles. These two functional prototypes of humidity sensors show characteristic data comparable to those of commercial sensors. However, they stand out, respectively, with a very short response time and a sufficient life time in biotic environments.

The biological function and the technological applications of semiflexible polymers, such as DNA, actin filaments and carbon nanotubes, strongly depend on their rigidity. Semiflexible polymers are characterized by their persistence length, the definition of which is the subject of the first part of this thesis. Attractive interactions, that arise e.g.~in the adsorption, the condensation and the bundling of filaments, can change the conformation of a semiflexible polymer. The conformation depends on the relative magnitude of the material parameters and can be influenced by them in a systematic manner. In particular, the morphologies of semiflexible polymer rings, such as circular nanotubes or DNA, which are adsorbed onto substrates with three types of structures, are studied: (i) A topographical channel, (ii) a chemically modified stripe and (iii) a periodic pattern of topographical steps. The results are compared with the condensation of rings by attractive interactions. Furthermore, the bundling of two individual actin filaments, whose ends are anchored, is analyzed. This system geometry is shown to provide a systematic and quantitative method to extract the magnitude of the attraction between the filaments from experimentally observable conformations of the filaments. / Die biologische Funktion und die technologischen Anwendungen semiflexibler Polymere, wie DNA, Aktinfilamente und Nanoröhren aus Kohlenstoff, werden wesentlich von deren Biegesteifigkeit bestimmt. Semiflexible Polymere werden charakterisiert durch ihre Persistenzlänge, mit deren Definition sich der erste Teil dieser Arbeit befasst. Anziehende Wechselwirkungen, wie sie z.B. bei der Adsorption, der Kondensation und der Bündelung von Filamenten auftreten, können die Konformation eines semiflexiblen Polymers verändern. Die Konformation ist dabei abhängig von der relativen Größe der Materialparameter und kann durch diese gezielt beeinflusst werden. Im Einzelnen werden hier die Morphologien semiflexibler Polymerringe, wie z.B. DNA oder ringförmiger Nanoröhren, untersucht, die auf drei verschieden strukturierten Substraten adsorbieren: (i) Ein topographischer Kanal, (ii) ein chemisch modifizierter Streifen und (iii) ein periodisches Muster topographischer Oberflächenstufen. Die Ergebnisse werden mit der Kondensation von Ringen durch anziehende Wechselwirkungen verglichen. Des Weiteren wird die Bündelung zweier Aktinfilamente, deren Enden verankert sind, untersucht. Diese Systemgeometrie liefert eine systematische Methode, um die Stärke der Anziehung zwischen den Filamenten aus experimentell beobachtbaren Konformationen zu berechnen.

In dieser Arbeit werden Knickinstabilitäten von Filamenten in biologischen Systemen untersucht. Das Zytoskelett von Zellen ist aus solchen Filamenten aufgebaut. Sie sind für die mechanische Stabilität der Zelle verantwortlich und spielen eine große Rolle bei intrazellulären Transportprozessen durch molekulare Motoren, die verschiedene Lasten wie beispielsweise Organellen entlang der Filamente des Zytoskeletts transportieren. Filamente sind semiflexible Polymere, deren Biegeenergie ähnlich groß ist wie die thermische Energie, so dass sie auch als elastische Balken auf der Nanoskala gesehen werden können, die signifikante thermische Fluktuationen zeigen. Wie ein makroskopischer elastischer Balken können auch Filamente eine mechanische Knickinstabilität unter Kompression zeigen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird untersucht, wie diese Instabilität durch thermische Fluktuationen der Filamente beeinflusst wird. In Zellen können Kompressionskräfte durch molekulare Motoren erzeugt werden. Das geschieht zum Beispiel während der Zellteilung in der mitotischen Spindel. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchen wir, wie die stochastische Natur einer von Motoren generierten Kraft die Knickinstabilität von Filamenten beeinflusst. Zunächst stellen wir kurz das Problem von Knickinstabilitäten auf der makroskopischen Skala dar und führen ein Modell für das Knicken von Filamenten oder elastischen Stäben in zwei Raumdimensionen und in Anwesenheit thermischer Fluktuationen ein. Wir präsentieren eine analytische Lösung für Knickinstabilitäten in Anwesenheit thermischer Fluktuationen, die auf einer Renormierungsgruppenrechnung im Rahmen des nichtlinearen Sigma-Models basiert. Wir integrieren die kurzwelligen Fluktuationen aus, um eine effektive Theorie für die langwelligen Moden zu erhalten, die die Knickinstabilität bestimmen. Wir berechnen die Änderung der kritischen Kraft für die Knickinstabilität und zeigen, dass die thermischen Fluktuationen in zwei Raumdimensionen zu einer Zunahme der kritischen Kraft führen. Außerdem zeigen wir, dass thermische Fluktuationen im geknickten Zustand zu einer Zunahme der mittleren projizierten Länge des Filaments in Richtung der wirkenden Kraft führen. Als Funktion der Konturlänge des Filaments besitzt die mittlere projizierte Länge eine Spitze an der Knickinstabilität, die durch thermische Fluktuationen abgerundet wird. Unser Hauptresultat ist die Beobachtung, dass ein geknicktes Filament unter dem Einfluss thermischer Fluktuationen gestreckt wird, d.h. dass seine mittlere projizierte Länge in Richtung der Kompressionskraft auf Grund der thermischen Fluktuationen zunimmt. Unsere analytischen Resultate werden durch Monte-Carlo Simulationen der Knickinstabilität semiflexibler Filamente in zwei Raumdimensionen bestätigt. Wir führen auch Monte-Carlo Simulationen in höheren Raumdimensionen durch und zeigen, dass die Zunahme der projizierten Länge unter dem Einfluss thermischer Fluktuationen weniger ausgeprägt ist und stark von der Wahl der Randbedingungen abhängt. Im zweiten Teil der Arbeit formulieren wir ein Modell für die Knickinstabilität semiflexibler Filamente unter dem Einfluss molekularer Motoren. Wir untersuchen ein System, in dem sich eine Gruppe von Motoren entlang eines fixierten Filaments bewegt, und dabei ein zweites Filament als Last trägt. Das Last-Filament wird gegen eine Wand gedrückt und knickt. Während des Knickvorgangs können die Motoren, die die Kraft auf das Filament generieren, stochastisch von dem Filament ab- und an das Filament anbinden. Wir formulieren ein stochastisches Model für dieses System und berechnen die “mean first passage time“, d.h. die mittlere Zeit für den Übergang von einem Zustand, in dem alle Motoren gebundenen sind zu einem Zustand, in dem alle Motoren abgebunden sind. Dieser Übergang entspricht auch einem Übergang aus dem gebogenen zurück in einen ungebogenen Zustand des Last-Filaments. Unser Resultat zeigt, dass für genügend kurze Mikrotubuli die Bewegung der Motoren von der durch das Last-Filament generierten Kraft beeinflusst wird. Diese Ergebnisse können in zukünftigen Experimenten überprüft werden. / We study buckling instabilities of filaments in biological systems. Filaments in a cell are the building blocks of the cytoskeleton. They are responsible for the mechanical stability of cells and play an important role in intracellular transport by molecular motors, which transport cargo such as organelles along cytoskeletal filaments. Filaments of the cytoskeleton are semiflexible polymers, i.e., their bending energy is comparable to the thermal energy such that they can be viewed as elastic rods on the nanometer scale, which exhibit pronounced thermal fluctuations. Like macroscopic elastic rods, filaments can undergo a mechanical buckling instability under a compressive load. In the first part of the thesis, we study how this buckling instability is affected by the pronounced thermal fluctuations of the filaments. In cells, compressive loads on filaments can be generated by molecular motors. This happens, for example, during cell division in the mitotic spindle. In the second part of the thesis, we investigate how the stochastic nature of such motor-generated forces influences the buckling behavior of filaments. In chapter 2 we review briefly the buckling instability problem of rods on the macroscopic scale and introduce an analytical model for buckling of filaments or elastic rods in two spatial dimensions in the presence of thermal fluctuations. We present an analytical treatment of the buckling instability in the presence of thermal fluctuations based on a renormalization-like procedure in terms of the non-linear sigma model where we integrate out short-wavelength fluctuations in order to obtain an effective theory for the mode of the longest wavelength governing the buckling instability. We calculate the resulting shift of the critical force by fluctuation effects and find that, in two spatial dimensions, thermal fluctuations increase this force. Furthermore, in the buckled state, thermal fluctuations lead to an increase in the mean projected length of the filament in the force direction. As a function of the contour length, the mean projected length exhibits a cusp at the buckling instability, which becomes rounded by thermal fluctuations. Our main result is the observation that a buckled filament is stretched by thermal fluctuations, i.e., its mean projected length in the direction of the applied force increases by thermal fluctuations. Our analytical results are confirmed by Monte Carlo simulations for buckling of semiflexible filaments in two spatial dimensions. We also perform Monte Carlo simulations in higher spatial dimensions and show that the increase in projected length by thermal fluctuations is less pronounced than in two dimensions and strongly depends on the choice of the boundary conditions. In the second part of this work, we present a model for buckling of semiflexible filaments under the action of molecular motors. We investigate a system in which a group of motors moves along a clamped filament carrying a second filament as a cargo. The cargo-filament is pushed against the wall and eventually buckles. The force-generating motors can stochastically unbind and rebind to the filament during the buckling process. We formulate a stochastic model of this system and calculate the mean first passage time for the unbinding of all linking motors which corresponds to the transition back to the unbuckled state of the cargo filament in a mean-field model. Our results show that for sufficiently short microtubules the movement of kinesin-I-motors is affected by the load force generated by the cargo filament. Our predictions could be tested in future experiments.

The role played by azobenzene polymers in the modern photonic, electronic and opto-mechanical applications cannot be underestimated. These polymers are successfully used to produce alignment layers for liquid crystalline fluorescent polymers in the display and semiconductor technology, to build waveguides and waveguide couplers, as data storage media and as labels in quality product protection. A very hot topic in modern research are light-driven artificial muscles based on azobenzene elastomers. The incorporation of azobenzene chromophores into polymer systems via covalent bonding or even by blending gives rise to a number of unusual effects under visible (VIS) and ultraviolet light irradiation. The most amazing effect is the inscription of surface relief gratings (SRGs) onto thin azobenzene polymer films. At least seven models have been proposed to explain the origin of the inscribing force but none of them describes satisfactorily the light induced material transport on the molecular level. In most models, to explain the mass transport over micrometer distances during irradiation at room temperature, it is necessary to assume a considerable degree of photoinduced softening, at least comparable with that at the glass transition. Contrary to this assumption, we have gathered a convincing evidence that there is no considerable softening of the azobenzene layers under illumination. Presently we can surely say that light induced softening is a very weak accompanying effect rather than a necessary condition for the formation of SRGs. This means that the inscribing force should be above the yield point of the azobenzene polymer. Hence, an appropriate approach to describe the formation and relaxation of SRGs is a viscoplastic theory. It was used to reproduce pulse-like inscription of SRGs as measured by VIS light scattering. At longer inscription times the VIS scattering pattern exhibits some peculiarities which can be explained by the appearance of a density grating that will be shown to arise due to the final compressibility of the polymer film. As a logical consequence of the aforementioned research, a thermodynamic theory explaining the light-induced deformation of free standing films and the formation of SRGs is proposed. The basic idea of this theory is that under homogeneous illumination an initially isotropic sample should stretch itself along the polarization direction to compensate the entropy decrease produced by the photoinduced reorientation of azobenzene chromophores. Finally, some ideas about further development of this controversial topic will be discussed. / Azobenzenhaltige Polymere sind in modernen photonischen, elektronischen und opto-mechanischen Anwendungen nicht mehr wegzudenken. Diese Polymere werden erfolgreich in der Bildschirm- und Halbleitertechnologie eingesetzt, um Ausrichtungsschichten für flüssig-kristalline fluoreszierende Polymere zu produzieren sowie Wellenleiter und Wellenleiterkoppler herzustellen. Auch dienen sie als Medien für Datenspeicher oder der Sicherung von Qualitätsprodukten. Ein wichtiges Thema in der modernen Forschung sind lichtgetriebene künstliche Muskeln basierend auf azobenzenhaltigen Elastomeren. Die Inkorporation von Azobenzene in Polymersysteme durch kovalente Bindungen oder durch Vermischung resultiert in einer Anzahl ungewöhnlicher Effekte, welche unter Bestrahlung mit sichtbarem und ultraviolettem Licht auftreten. Der erstaunlichste Effekt ist das Erzeugen von Oberflächengittern (Surface Relief Gratings - SRGs) auf dünnen azobenzenhaltigen Polymerfilmen. Es wurden mindestens sieben Modelle zur Erklärung der Herkunft der dieses Gitter erzeugenden Kraft vorgeschlagen aber keines von diesen kann befriedigend den lichtinduzierten Massetransport auf molekularem Niveau beschreiben. Um einen Massetransport über Mikrometerabstände zu erklären, ist es in den meisten Modellen notwendig, eine deutliche lichtinduzierte Erweichung, die mit der Erweichung bei dem Glasübergang vergleichbar ist, anzunehmen. Entgegen dieser Annahme wurden in dieser Arbeit überzeugende Beweise gesammelt, dass es keine signifikante Erweichung in azobenzenhaltigen Schichten bei homogener Bestrahlung gibt. Deshalb kann man davon ausgehen, dass die lichtinduzierte Erweichung eher ein schwacher begleitender Effekt als eine notwendige Voraussetzung für die Bildung derartiger Oberflächengitter ist. Aus dieser Beobachtung muss geschlussfolgert werden, dass die erzeugende Kraft oberhalb der Fließgrenze azobenzenhaltiger Polymer liegt. Deshalb ist die viskoplastische Theorie ein geeigneter Ansatz zur Beschreibung der Formation von Oberflächengittern und deren Relaxation. Dieser Ansatz wurde genutzt, um die beim pulsartigen Erzeugen von Oberflächengittern gemessene Lichtstreuung mit einem Modell zu beschreiben. Bei längeren Bestrahlungszeiten weist das Streumuster einige Besonderheiten auf, die durch die Bildung eines Dichtegitters erklärt werden können. Dieses Gitter entsteht infolge der begrenzten Kompressibilität des Polymerfilms. Als logische Konsequenz der oben genannten Erkenntnisse wird eine thermodynamische Theorie, die die lichtinduzierte Deformation des freistehenden Filmes und die Oberflächen-gitterbildung wiedergeben kann, vorgeschlagen. Die Hauptidee ist, dass eine ursprünglich isotrope Probe sich unter homogener Bestrahlung entlang der Polarisationsrichtung ausdehnen muss, um die Entropieabnahme, die durch die lichtinduzierte Reorientierung der Azobenzene entstanden ist, zu kompensieren. In der Folge werden einige Ideen über die weitere Entwicklung dieses interessanten Themas diskutiert.

Moderne Methoden für die Einzelzellanalyse werden dank der fortschreitenden Weiterentwicklung immer sensitiver. Dabei steigen jedoch auch die Anforderungen an das Probenmaterial. Viele Aufbereitungsprotokolle adhärenter Zellen beinhalten eine enzymatische Spaltung der Oberflächenproteine, um die Ablösung vom Zellkultursubstrat zu ermöglichen. Verschiedene Methoden, wie die Patch-Clamp-Technik oder eine auf der Markierung extrazellulärer Domänen von Membranproteinen basierende Durchflusszytometrie können dann nur noch eingeschränkt eingesetzt werden. Daher ist die Etablierung neuer Zellablösemethoden dringend notwendig. In der vorliegenden Arbeit werden erstmals PEG-basierte thermo-responsive Oberflächen erfolgreich für die Zellkultur eingesetzt. Dabei wird das zerstörungsfreie Ablösen verschiedener Zelllinien von den Oberflächen durch Temperatursenkung realisiert. Die Funktionalität der Oberflächen wird durch Variation der Polymerstruktur, sowie der Konzentration der Beschichtungslösung, durch Beschichtung der Oberflächen mit einem zelladhäsionsfördernden Protein (Fibronektin) und durch Adsorption zelladhäsionsvermittelnder Peptide (RGD) optimiert. Um den Zellablösungsprozess detaillierter zu untersuchen, wird hier zum ersten Mal der direkte Zellkontakt mit thermo-responsiven Oberflächen mittels oberflächensensitiver Mikroskopie (TIRAF) sichtbar gemacht. Mit dieser Technik sind die exakte Quantifizierung und die Analyse der Reduktion der Zelladhäsionsfläche während des Abkühlens möglich. Hierbei werden in Abhängigkeit von der Zelllinie Unterschiede im Zellverhalten während des Ablösens festgestellt: Zellen, wie eine Brustkrebszelllinie und eine Ovarzelllinie, die bekanntermaßen stärker mit ihrer Umgebung in Kontakt treten, vergrößern im Verlauf des Beobachtungszeitraumes den Abstand zwischen Zellmembran und Oberfläche, reduzieren jedoch ihre Zell-Substratkontaktfläche kaum. Mausfibroblasten hingegen verkleinern drastisch die Zelladhäsionsfläche. Der Ablösungsprozess wird vermutlich aktiv von den Zellen gesteuert. Diese Annahme wird durch zwei Beobachtungen gestützt: Erstens verläuft die Reduktion der Zelladhäsionsfläche bei Einschränkung des Zellmetabolismus durch eine Temperatursenkung auf 4 °C verzögert. Zweitens hinterlassen die Zellen Spuren, die nach dem Ablösen der Zellen auf den Oberflächen zurückbleiben. Mittels Kombination von TIRAF- und TIRF-Mikroskopie werden die Zelladhäsionsfläche und die Aktinstruktur gleichzeitig beobachtet. Die Verknüpfung beider Methoden stellt eine neue Möglichkeit dar, intrazelluläre Prozesse mit der Zellablösung von thermo-responsiven Oberflächen zu korrelieren. / Modern methods for single-cell analysis are becoming increasingly sensitive. At the same time, requirements for the sample material are on the rise. Today, sample preparation of adherent cells usually includes steps of enzymatic treatment to digest surface proteins thus, inducing cell detachment from culture substrates. This strongly limits the application of different techniques like patch clamp or labelling of extracellular domains of membrane proteins for flow cytometry. Therefore, a new cell detachment method is urgently required. In the present work, new PEG-based thermo-responsive polymers are used for cell culture for the first time. Here, non-destructive detachment of different cell lines from polymer-coated surfaces is realised by controlled temperature reduction. The surface functionality is systematically optimised by varying the concentration of the coating solutions, by artificial surface coating of a cell adhesion-mediating protein (fibronectin) and by co-adsorption of a cell adhesion-mediating peptide (RGD). For detailed analysis of the cell detachment process, TIRF microscopy is used to directly visualise the cell contacts on the thermo-responsive surfaces. Using this technique allows both the quantification and analysis of the reduction of the cell adhesion area during sample cooling. Furthermore, for several cell lines, different behaviours in cell detachment are observed. Cells that have close contact to their substrate like MCF-7 breast cancer cell line and CHO-K1 ovary cells increase the distance between cell membrane and surface, but there is only little decrease of cell-substrate adhesion area. In contrast, L929 fibroblasts reduce the cell adhesion area drastically. Furthermore, the hypothesis that the cell detachment is an active process is shown by lowering the cell metabolism by temperature reduction to 4 °C and by the cell traces that are left behind after rinsing the surfaces. A combination of TIRAF and TIRF enables visualising the cell adhesion area and actin structures. Measuring both parameters simultaneously opens up new possibilities to correlate intracellular and cell detachment processes on thermo-responsive surfaces.

This work is a numerical examination of a semiflexible polymer exposed to a disorder landscape consisting of hard disks. For a small parameter range and simple constraints it is known that disorder leads to structural transitions of the equilibrium properties of polymers. The scope of this work strongly extends this range by going to both high disorder densities and large stiffnesses of the polymers. The competing length scales of polymer stiffness and average distance between the obstacles of the potential along with the way of assembling the disorder lead to a wide range of effects such as crumpling and stretching of polymer configurations due to the disorder or a modulation of the polymer’s characterizing observables with the correlation function of the potential. The high accuracy results presented in this work have been obtained by means of sophisticated Monte Carlo simulations. The refinement of a rarely applied but highly promising method to a state of the art algorithm in connection with latest numerical techniques made it possible to investigate the impact of hard-disk disorder on semiflexible polymer conformations on a broad scale.

The thesis is devoted to the development of general methods of preparation of tethered polymer layers with laterally changing properties and investigation of their properties with focus on controlled adsorption and liquid flow. The temperature dependent character of the grafting reaction is used for the design of mono- and bicomponent gradient polymer grafted layers. For this purpose, a special stage providing a lateral temperature gradient is designed. The stage consists of two elements, one heating and one cooling, between which the experimental sample is situated. The versatility of these approaches for both fundamental research and practical applications is demonstrated. In general, the gradient approach is proved to be useful for the combinatorial-like investigations of ultrathin polymer films. The systematic study allowed detailed investigation of the grafting kinetics, the morphologies of the grafted polymer layers, the switching mechanism of the mixed polymer brushes, adsorption of colloid particles. The second approach for the preparation of laterally resolved tethered layers consists of a novel strategy for reversible environment-responsive lithography. This strategy implies local fixation of the morphology of mixed polymer brushes via photocrosslinking by UV irradiation. Irradiated areas lose the ability to switch. Exposure to selective and non-selective solvent allows visualization or erasing of the written information, respectively. It is demonstrated that developed approaches are promising for design of smart sensors, microfluidics devices, combinatorial study of the adsorption (separation and identification) of protein molecules and colloids and for other applications.

This work aimed to elucidate basic aspects of the influence of chemical structure and surface topography on the surface properties of a polymer material in order to minimize the work of adhesion. End-functionalised aromatic perfluorinated oligo/polyesters have been chosen to clarify effect of chemical structure. Here, the comprehensive investigation of the influence of molecular architecture on processes of fluorine segregation in the topmost surface layer and surface properties of the end-functionalised aromatic perfluorinated linear and branched oligo-and polyesters were performed. It has been shown, that the character of the surface segregation of fluorinated moieties can be influenced by different factors i.e. conditions of preparation of polymer layers (by means of spin-coated and melt films), chemical structure of fluorinated tail and polymer backbone and slightly by molecular weight. Analysis of obtained results allows distinguishing contribution of each factor. Experimentally obtained results showed a good correlation with Scheutjens-Fleer self-consistent mean-field theory extended by Kumar and Koberstein, which corresponds to the surface segregation of various chemical functional moieties located on functional polymers of different architectures. In correlation with a self-consistent field approach, observed results confirmed that polymers with end fluorinated groups are promising for producing of low-energy surfaces.The effect of surface topography has been studied on the example of regular and irregular structured surfaces fabricated from core-shell particles. A simple and effective approach for designing regularly patterned surfaces with specifically designed surface roughness and chemistry using core-shell colloidal particles was demonstrated. The chemistry was varied by covalent grafting of polymer brushes onto silica particles or by chemisorption of fluorosilane. The modified colloidal spheres were organized into closely packed hemispherical hexagonal arrays either by a vertical deposition technique or by sedimentation on slightly inclined coated silicon wafers. In this way, an increase in the vertical roughness was achieved with increasing particle radius, but without changing the Wenzel roughness factor. Controllable variations in the surface chemistry and morphology were used for a systematic study of the wetting phenomenon on regular structured arrays. The regularity and periodicity of particle structures allowed modelling of wetting. The wetting was modelled according to WENZEL, CASSIE-BAXTER, EXTRAND theories as well as minimal and maximal possible contact angles introduced by SHUTTLEWORTH and BAILEY.It has been found that none of these theories completely describe the experimental results for all particle sizes except for the surfaces made from 0.2 Mikrometer large particles. It was revealed that wetting behaviour on fluorosilane modified particles with the diameter of 0.2 Mikrometer is close to the equilibrium contact angle described by WENZEL and CASSIE-BAXTER theories. It has been shown that the deviations contact angle from equilibrium state increase with increasing particle size, decreasing intrinsic contact angle, and increasing solid free energy of the particle ´shell´. This provides the experimental evidence for the theory proposed by JOHNSON and DETTRE. It was revealed that ultrahydrophobic surfaces couldn´t be observed on layers made from regularly packed core-shell particles. Design of fractal irregular surfaces is an appropriate way for preparation of ultrahydrophobic self-cleaning surfaces. It was demonstrated that fluorination is not an obligatory factor for design of water repellent coatings. The obtained results are of essential interest for industrial application.

Gerbstoffe stabilisieren die Kollagenmatrix der Haut, in dem sie auf unterschiedlichste Art und Weise chemische Quervernetzungen herstellen. Es bleibt jedoch bis heute weitgehend unbeantwortet, auf welcher hierarchischen Ebene der Kollagenstruktur diese Wechselwirkung stattfindet und wie stringent eine solche Bindung mindestens sein muss, um einer Substanz den Charakter eines Gerbstoffes zu verleihen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Modellsystem entwickelt, das es gestattet, Aussagen darüber zu treffen, auf welcher Strukturebene des Kollagens diese Wechselwirkung stattfindet. Dazu wurde auf ein „bottom-up“ Verfahren zurückgegriffen, bei dem der Gerbstoff nicht auf Haut aufgebracht, sondern die Fibrillen in Anwesenheit von verschiedenen Wirkstoffen neu gebildet werden. Für die Untersuchungen wurden Vertreter aus der Substanzklasse der Polymere ausgewählt. Es kam Polyacrylsäure zum Einsatz, die als Fettungsmittel genutzt wird, und Polymethacrylsäure, welche in der Produktion als Nachgerbstoff verwendet wird. Vertreter ungeladener Polymere waren Ethylen-, Diethylen- und Polyethylenglycol, wobei hier die unterschiedlichen Molekülgrößen im Vergleich von Bedeutung waren. Des Weiteren wurde Glutaraldehyd als Vertreter eines gerbenden kovalenten Vernetzers untersucht. Kollagen Typ I Fibrillen wurden in vitro ausgehend von der Monomerform assembliert, und mit UV/Vis-Spektroskopie wurde verfolgt, ob und gegebenenfalls wie die Polymere die Kinetik der in vitro Fibrillogenese verändern. Dabei wurde beobachtet, dass bis auf Polyethylenglycol alle eingesetzten Substanzen auf unterschiedlichste Art schon auf der kleinsten Kollageneinheit - der Tripelhelix wirken. Diese Daten wurden mittels eines mathematischen Modells ausgewertet, das es ermöglicht, die Fibrillogenese in Teilreaktionen zu gliedern und die geschwindigkeitsbestimmenden Schritte zu evaluieren. So konnte ermittelt werden, dass trotz ähnlich erscheinender Fibrillenbildungskinetiken große Unterschiede zwischen Polyacrylsäure und Polymethacrylsäure bezüglich ihres Hauptwirkortes in den hierarchischen Strukturebenen des Kollagens auftreten. Während der Nachgerbstoff Polymethacrylsäure schon in geringen Konzentrationen in großem Maße in alle Teilprozesse der Fibrillogenese eingreift, zeigt Polyacrylsäure die größten Effekte auf mikrofibrillärer Ebene - einer Fibrillensubstruktur. Dieser Einfluss spiegelt sich in Morphologieänderungen in Form von so genannten gesplitteten Fibrillen wider, welche mittels atomkraftmikroskopischen Untersuchungen beobachtet werden konnten. Zusätzlich scheint Polymethacrylsäure ab einer kritischen Konzentration die Fibrillenbildung über einen alternativen Weg ablaufen zu lassen, was sich in der morphologischen Betrachtung in Form von langen, dünnen Fibrillen äußert, welche nicht mehr in der Lage sind zu höheren Strukturen zu verdrillen. Um zusätzlich die Art der Bindung näher zu charakterisieren, wurde ein weiteres Verfahren entwickelt, welches die Umkehrreaktion der in vitro Fibrillogenese beschreibt. Diese Methode der so genannten Deassemblierung ermöglicht eine Unterscheidung zwischen elektrostatischen Wechselwirkungen und kovalenten Bindungen zwischen Kollagen und Polymer, indem die Fibrille wieder in ihre nativen Monomeruntereinheiten zerlegt und gleichzeitig studiert wird, ob sich die Polymere vom Kollagen durch Ladungseintrag lösen lassen. Polyethylenglycol und seine niedermolekularen Äquivalente lassen sich in saurem Milieu problemlos von Kollagen abwaschen, was für sehr schwache Wechselwirkungen spricht. Kovalente Bindungen, wie etwa zwischen Kollagen und Glutaraldehyd lassen sich mit dieser Methode nicht lösen. Polyacrylsäure und Polymethacrylsäure lassen sich nur zu einem geringen Anteil von Kollagen lösen, was auf unterschiedlich affine Bindungsplätze der Polymere an Kollagen deutet. Beeindruckender Weise ist es für ausschließlich mit Polymethacrylsäure vernetztes Kollagen nicht möglich, dieses wieder in seine Untereinheiten zu zerlegen. Polymethacrylsäure ist demnach in der Lage die Kollagenmatrix auch ohne die Ausbildung kovalenter Bindungen ausreichend zu stabilisieren. Damit können die eingesetzten und entwickelten Verfahren als Screeningmethoden gesehen werden, welche schon vor dem eigentlichen Gerbversuch weit reichende Auskünfte über ein mögliches Gerbverhalten der zu Untersuchung eingesetzten Substanz liefern. Die vorliegenden Ergebnisse erlauben Aussagen über den molekularen Charakter der Kollagen - Polymer Wechselwirkung und stellen somit einen Beitrag zum Verständnis der Gerbung dar.