Magnetic force microscopy (MFM) is a widely-used technique for measuring the local magnetic properties of a variety of materials. This method covers a large fi eld of applications ranging from fundamental research of micro-magnetic phenomena to industrial applications in the development of magnetic recording components. The image formation in MFM measurements is based on the magneto-static interaction of a sharp magnetic tip with the probed sample. Despite the fact that MFM is quite easy to perform, image interpretation remains challenging. This is due to the accurate characterization of the probing tip that is needed for a quantitative interpretation of the MFM data in terms of the local magnetic properties of the sample. This thesis examines the fabrication and utilization of special MFM probes based on single ferromagnetic nanoparticles as the magnetically interacting element. A magnetic probe that consists of a very small magnetic single-domain particle can be accurately described by a magnetic point dipole. Such a probe potentially yields an improved lateral resolution and a simplifi ed quantitative interpretation of MFM images compared to a standard thin-fi lm coated MFM tip. First of all, one part of this thesis examines the fabrication of suitable single-domain particles. In particular, this part is focussed on experiments concerning the protection of these particles from oxidation in ambient conditions. To this end, these ferromagnetic particles were coated with gold using the light-induced deposition of gold in a photoactive metal-salt solution. The chemical surface passivation of the particles by the gold coating was verifi ed using diff erent techniques (SQUID, MFM). In the next step, these particles were mechanically affi xed to a standard silicon tip of atomic force microscopy (AFM). The controlled attachment of a single particle, as well as the attachment of multiple particles to such a Si-AFM tip was demonstrated. Another part of the thesis examines the magnetic imaging with particle based probes in MFM experiments. A minimum of four cobalt particles affi xed to the tip was determined as the threshold for obtaining a reasonable MFM signal. It was possible to image the magnetic domain structure of a hard disk drive sample with these particle probes. Using a simulation of the MFM data, the orientation and the position of the e ffective tip dipole were determined. The e ffective dipole moment of the tip is found by a calibration experiment assuming a magnetic dipole-dipole interaction between the tip and another magnetic particle.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von geätzten (111) Calciumdifluoridspaltflächen mittels hochauflösender Rasterkraftmikroskopie (SFM). Die Ätzfiguren werden mit verschiedenen Säuren wie Salzsäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure und Salpetersäure erzeugt, die typischerweise zur Versetzungsdefektanalyse eingesetzt werden. Die qualitativen Veränderungen auf der Oberfläche werden charakterisiert. Anschließend erfolgt eine quantitative Auswertung der Ätzgruben in Bezug auf ihre geometrische Erscheinung. Für alle Säuren können neben trigonalen Ätzgruben mit spitzen Böden auch Ätzgruben mit flachen Böden beobachtet werden. Aufbau und Wechselwirkungen der Versetzungen zueinander verursachen bestimmte relative Anordnungen der Ätzgruben wie z.B. Aneinanderreihungen von Ätzgruben bzw. Ätzgräben.. Beim qualitativen Vergleich der Ätzfiguren zeigen sich für die jeweiligen Säuren spezielle Merkmale. Das SFM erlaubt die direkte Auswertung der Größen der untersuchten Ätzgruben. Dadurch lassen sich zwei unterschiedliche Klassen von Ätzgruben unterscheiden. Die eine Klasse entsteht durch an der Oberfläche endende Versetzungsdefekte und ist charakterisiert durch exzentrische tiefe Ätzgruben. Die andere Klasse entsteht durch lokale Defekte unter der Oberfläche, die zentrische Ätzgruben geringerer Tiefe verursachen. Ätzgruben mit flachen Böden konnten ebenfalls in diese Klassen eingeteilt werden.

Wasser verhält sich aus physikalischer Sicht beim Kristallisationsprozess im Vergleich zu anderen molekularen Systemen anomal. So ist aus den Erfahrungen des täglichen Lebens bekannt, dass Wasser sich beim Gefrieren ausdehnt, sodass das entstehende Eis aufgrund seiner angenommenen Festkörperstruktur eine geringere Dichte aufweist und auf der festen Phase aufschwimmt. Das wachsende Volumen des Festkörpers sowie die Ausbildung scharfer Eiskristallnadeln führen immer dann zu Komplikationen, wenn der Expansionsprozess durch feste Begrenzungen limitiert ist. Dies ist z. B. in zellulären Strukturen sowie deren Untereinheiten der Fall. Aus diesem Grund sind für die Untersuchung kryogener biologischer Proben sowohl die Gefriertechnik als auch die angewendete Präparationstechnik von essentieller Bedeutung. Diese stellen bereits seit den 1950er Jahren im Bereich der Kryo-Elektronenmikroskopie eine vielgenutzte Methode dar. Um diese Techniken auch für die, nur im Ultrahochvakuum verwendete, Nicht-Kontakt-Rasterkraftmikroskopie nutzbar machen zu können, muss zunächst eine experimentelle Grundlage geschaffen werden, welche die Implementierung verschiedener Präparationstechniken kryogener Proben in ein Ultrahochvakuum-System erlaubt. Die Arbeit beschreibt neben den gebräuchlichsten Gefrier- und Kryo-Präparationstechniken den detaillierten Aufbau einer entsprechenden Anlage. Um deren Funktionalität zu zeigen, wird die Gefrierätztechnik eingesetzt. Primäre, einfache Untersuchungsobjekte hierfür bilden Eisfilme, die auf ein Goldsubsubstrat aufgebracht werden. Für das Freiätzen von unter der Eisschicht befindlichen biologischen Strukturen ist es von zentraler Bedeutung, die Ätzparameter soweit abschätzen zu können, dass die Struktur für das rasterkraftmikroskopische Messverfahren zugänglich ist. Hierzu vermittelt die Arbeit ebenfalls erste Einblicke. Als einfaches biologisches System für grundlegende Experimente dienen auf diesem Gebiet bakterielle Hüllproteine (S-Schichten), deren Proteinmonomere auf Substratoberflächen außerhalb ihrer zellulären Umgebung durch Selbstorganisation gitterartige Strukturen ausbilden.

Ziel dieser Arbeit ist es, eine Verbindung zwischen der Mikrostruktur teilkristalliner Polymere und derer mechanischen Eigenschaften auf der Mikro- und Nanometerskala aufzubauen. Dazu wurden Methoden der Rasterkraftmikroskopie verwendet um sowohl orts- als auch zeitaufgelöst Kristallisations-, Deformations- und Diffusionsprozesse in der Mikrostruktur von elastomerem Polypropylen (ePP) abzubilden. Die mechanischen Eigenschaften wurden simultan mit Mikrozugversuchen bestimmt. So konnte beispielsweise ein Zusammenhang zwischen abnehmender Kristall-Kristall-Distanz und einem Ansteigen des Elastizitätsmoduls während der Kristallisation nachgewiesen werden. Weiterhin war es möglich die Veränderung der nano-mechanischen Eigenschaften während der Kristallisation einzelner kristalliner Lamellen in deren direkter Umgebung mit MUSIC-mode Rasterkraftmikroskopie zu untersuchen. Laterale Querexpansion (auxetisches Verhalten) konnte bei uniaxialen Zugversuchen für die Kreuzschraffur-Struktur elastomeren Polypropylens auf der Größenskala einiger Mikrometer nachgewiesen werden. Zusätzlich wurde eine Orientierungsabhängigkeit dieses Effekts beobachtet. Außerdem wurde die Diffusion einzelner Kristalle in der Mikrostruktur von ePP beobachtet. Die Heterogenität dieser Diffusion lässt auf eine kristallin-amorph Grenzschicht um alle Kristalle schließen.

Ziel ist die räumliche Abbildung biologischer Materialien (Knochen, Kollagenfibrillen und Zähne) hinsichtlich deren Struktur auf der Nanometerskala mit Hilfe der Nanotomographie. Die Nanotomographie ist eine moderne dreidimensionale Volumenabbildungsmethode auf der Nanometerskala basierend auf der Rasterkraftmikroskopie. Für die Nanotomographie wurden Ätzprotokolle an Zähnen, Kollagenfibrillen und Knochen entwickelt, die einen gleichmäßigen Abtrag bewirken. Lineare Verschiebungen der aufgenommenen Schichten werden mit Hilfe der manuellen Registrierung korrigiert und zu einem Volumenbild rekonstruiert. Ein zentrales Ergebnis sind dabei erste hochaufgelöste Volumenbilder einzelner Kollagenfibrillen im nativen Knochen. Neben der konventionellen Nanotomographie wird ein Ansatz zur automatisierten Nanotomographie mit einer Auflösung von 10 nm am Beispiel des menschlichen Knochens und Zahnes demonstriert. Mit Hilfe von mikroskopischen und elektronenmikroskopischen Techniken wurden die verschiedenen Strukturebenen des humanen Zahn und Knochens abgebildet und die räumlichen Strukturen der TM-AFM-Bilder auf der Mikro- und Nanometerskala eingeordnet. Darüber hinaus konnte mit Hilfe analytischer Messmethoden die chemische Zusammensetzung des kortikalen nativen Knochens erfasst werden und Änderungen durch das Ätzen detektiert werden.

Ziel dieser Arbeit ist es, eine Verbindung zwischen der Mikrostruktur teilkristalliner Polymere und derer mechanischen Eigenschaften auf der Mikro- und Nanometerskala aufzubauen. Dazu wurden Methoden der Rasterkraftmikroskopie verwendet um sowohl orts- als auch zeitaufgelöst Kristallisations-, Deformations- und Diffusionsprozesse in der Mikrostruktur von elastomerem Polypropylen (ePP) abzubilden. Die mechanischen Eigenschaften wurden simultan mit Mikrozugversuchen bestimmt. So konnte beispielsweise ein Zusammenhang zwischen abnehmender Kristall-Kristall-Distanz und einem Ansteigen des Elastizitätsmoduls während der Kristallisation nachgewiesen werden. Weiterhin war es möglich die Veränderung der nano-mechanischen Eigenschaften während der Kristallisation einzelner kristalliner Lamellen in deren direkter Umgebung mit MUSIC-mode Rasterkraftmikroskopie zu untersuchen. Laterale Querexpansion (auxetisches Verhalten) konnte bei uniaxialen Zugversuchen für die Kreuzschraffur-Struktur elastomeren Polypropylens auf der Größenskala einiger Mikrometer nachgewiesen werden. Zusätzlich wurde eine Orientierungsabhängigkeit dieses Effekts beobachtet. Außerdem wurde die Diffusion einzelner Kristalle in der Mikrostruktur von ePP beobachtet. Die Heterogenität dieser Diffusion lässt auf eine kristallin-amorph Grenzschicht um alle Kristalle schließen.

Small cantilevers with ultra-high resonant frequencies (1–3 MHz) have paved the way for high-speed atomic force microscopy. However, their potential for multi-frequency atomic force microscopy is unexplored. Because small cantilevers have small spring constants but large resonant frequencies, they are well-suited for the characterisation of delicate specimens with high imaging rates. We demonstrate their imaging capabilities in a bimodal frequency modulation mode in constant excitation on semi-crystalline polypropylene. The first two flexural modes of the cantilever were simultaneously excited. The detected frequency shift of the first eigenmode was held constant for topographical feedback, whereas the second eigenmode frequency shift was used to map the local properties of the specimen. High-resolution images were acquired depicting crystalline lamellae of approximately 12 nm in width. Additionally, dynamic force curves revealed that the contrast originated from different interaction forces between the tip and the distinct polymer regions. The technique uses gentle forces during scanning and quantified the elastic moduli Eam = 300 MPa and Ecr = 600 MPa on amorphous and crystalline regions, respectively. Thus, multimode measurements with small cantilevers allow one to map material properties on the nanoscale at high resolutions and increase the force sensitivity compared with standard cantilevers. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

In dieser Arbeit wurden auf Substratoberflächen adsorbierte Polymermoleküle mit Rasterkraftmikroskopie (RKM) untersucht. Dabei war die Form der Moleküle (Konformation) von besonderem Interesse. Sie ist von zentralerer Bedeutung in der Polymerphysik und wird üblicherweise in Lösung und mit Streumethoden untersucht. Polymerkonformationen auf Oberflächen sind heutzutage noch wenig untersucht. Üblicherweise wird das Verhalten nach dem so genannten Wormlike-Chain Modell angenommen. Es basiert auf der Annahme, dass die Kettenbiegung nur aus thermischen Fluktuationen resultiert, so dass sich die Kettenform durch statistische Mechanik beschreiben lässt. Es wurden für verschiedene Modellsystem einzelne Moleküle hochaufgelöst abgebildet und die Konformation aus den Bildern bestimmt. Es hat sich gezeigt, dass die idealisierte Vorstellung des Wormlike-Chain Modells tatsächlich nur für wenige der untersuchten Systeme erfüllt ist. Abweichende Konformationen sind oft auffallend regelmäßig: entweder sinusartig mäandrierte oder spiralförmig gedrehte. Beide Charakteristika lassen sich aus dem Prozess der Adsorption erklären, was zeigt, dass die Moleküle auf dem Substrat immobil sind, so dass eine thermische Relaxation der Konformation verhindert ist. Konformtionen lassen sich mit RKM nicht nur beobachten, sondern auch gezielt verändern (Nanomanipulation). Für dendronisierte Polymere konnte so gezeigt werden, dass es einen glasartigen Zustand für das einzelne Molekül gibt. In diesem Zustand verhält sich das Molekül nicht mehr wie eine bewegliche Kette, sondern formstabil, ähnlich einem makroskopischen festen Körper. / In this work single polymer molecules adsorbed onto substrate surfaces were investigated by scanning force microscopy (SFM). The focus was on the shape (conformation) of the molecules, which is of central importance in polymer physics. It is commonly investigated in solutions and with scattering methods. Conformations on surfaces are only little investigated thus far. Often a behavior according to the so-called worm-like chain model is assumed. It is based on the assumption that chain bending results entirely from thermal fluctuations so that the overall chain shape can be described by statistical mechanics. For several model systems single molecules were imaged and the conformation was determined from the images. It was found that the idealistic wormlike chain behavior is only valid for a few systems. Deviations are often remarkable regular: either sine-like undulated or spiral wound. Both characteristics can be explained from the process of adsorption, indicating that molecules are immobile on the substrate so that thermal relaxation is inhibited. Conformations can not only be imaged using the SFM, but also changed in a defined way (nanomanipulation). Manipulation experiments with dendronized polymers the existence of a glassy state for the single polymer. In this state the molecule no longer behaves as a flexible chain but remains its shape, similar to a macroscopic solid body.

Die vorliegende Arbeit präsentiert eine umfassende Untersuchung zu einem speziellen lichtempfindlichen Makromolekül: ein Azobenzol Photoschalter, eingebettet in den Hauptstrang eines synthetischen stäbchenförmigen Polymers. Dazu wurden die Polymere zunächst aus Lösung auf eine Einfachlage Octadecylamin (ODA) aufgebracht, welche auf einer Oberfläche von hochgeordnetem pyrolytischem Graphit (HOPG) lag. Die besondere Eigenschaft der amphiphilen ODAs, sich in Nanolamellen anzuordnen, diente nicht nur der Immobilisierung und Isolierung der stabförmigen Polymere, sondern auch deren Orientierung auf der Oberfläche. Diese Orientierung, insbesondere die Ausrichtung relativ zu den Lamellen, wurde mit einem Modell, basierend auf den hydrophoben W echselwirkungen zwischen den Seitenketten der Polymere und der amphiphilen Unterlage aus ODA, untersucht. Mittels SFM konnte die Kontraktion beziehungsweise Expansion bei Belichtung mit UV- oder sichtbarem Licht untersucht werden. In zeitaufgelösten Messungen wurden lichtinduzierte morphologische Änderungen in Abhängigkeit von der Belichtungszeit der Polymere gemessen. Dies verdeutlichte die lichtinduzierte Bewegung dieser Strukturen innerhalb der Makromoleküle und offenbarte eine kriechende Fortbewegung der Polymere über die Oberfläche. Polymere, die auf Oberflächendefekten nur schwach gebunden waren, änderten ihre Orientierung bei Belichtung zufällig. Daraus schlussfolgere ich, dass die wohldefinierte lokale Umgebung mit Korngrenzen oder Lamellen eine wichtige Rolle als Templat spielt und die Bewegungsrichtung maßgeblich bestimmt. Die entwickelte experimentelle Methode kann verwendet werden, um die Wechselwirkungen zwischen Oberfläche und Polymer zu optimieren, und die anschließende Untersuchung von lichtinduzierten Bewegung der Makromoleküle kann die Entwicklung neuartiger optomechanischer Nanosysteme ermöglichen. / This work presents a comprehensive investigation of one particular photoresponsive macromolecule: Azobenzene photoswitches incorporated into the backbone of synthetic rigid-rod polymers. Firstly, the polymers were deposited from solution onto a monolayer of octadecylamine (ODA) covering the basal plane of highly oriented pyrolytic graphite (HOPG). The unique ODA amphiphilic nanorails, self- assembled on HOPG, served not only to immobilize and isolate the polymers, but also to orient them on the surface. The orientations of rod- like polymers on an ODA surface, i.e., predominally perpendicular or parallel with respect to the underlying lamellar surface, were analyzed with a model based on the hydrophobic interaction of the side chains of the polymers with the amphiphilic nanorails of the ODA molecules. Upon the irradiations with UV and visible light, respectively, large light- induced contractions and extensions of the single macromolecules have been visualized by SFM. An SFM’s time-laps study of morphological changes of polymers at different irradiating times also detailed the light-induced movements within the macromolecules and a crawling movement across the surface. For weakly adsorbed polymers on surface defects, those surface-directed folding/unfolding (or contracting/extending) movements exhibited a random change in orientation. Thus, I conclude, that well-defined local environments, such as domain boundaries or lamellae within the ODA monolayer, play important roles in the template that directs the folding and unfolding movements of polymers during irradiation. The developed setup allows to promote the development of optomechanical nanosystems by optimizing the interaction between single macromolecules and ODA surfaces, followed by visualization of light- induced, on-surface motions of single macromolecules.

Relatively little is known about the folding and stability of membrane proteins. Conventional thermal or chemical unfolding techniques probe the average behavior of large numbers of molecules and thus cannot resolve co-existing minor and major unfolding pathways and intermediates. Here, I applied single-molecule force measurements based on an atomic force microscope (AFM) to characterize the stability of the membrane protein bacteriorhodopsin (BR). In these mechanical unfolding experiments, an external pulling force played the role of the denaturant and lead to unfolding of the three-dimensional structure of individual proteins. It was found that single BRs unfold step-wise in a well-defined sequence of stable intermediates and in different unfolding pathways. Although single [alpha]-helices were sufficiently stable to unfold in individual steps they also exhibited certain probabilities to unfold in pairs. These observations support the "two-stage" and the "helical-hairpin" model of membrane protein folding. Dynamic force measurements showed that [alpha]-helices and helical hairpins are relatively rigid structures, which are stabilized by narrow energy barriers and have stabilities between 100-10?000 seconds. These forced unfolding experiments were complemented with the development of new force measurement techniques. It is demonstrated that hydrodynamic effects need to be considered to obtain more complete kinetic pictures of single molecules. In addition, two force spectroscopy approaches to measure the complex visco-elastic response of single molecules are presented and applied to BR. These experiments revealed that the unfolding patterns of single proteins are dominated by purely elastic polypeptide extension and determined the dissipative interactions associated with the unfolding of single [alpha]-helices. In addition, it was found that kinks result in a reduced unfolding cooperativity of [alpha]-helices.