Im Rahmen dieser Arbeit werden DNA-Basen-Moleküle (Thymin, Cytosin, Adenin und Guanin) auf H-passivierten Si(111)-Substraten mittels theoretischer Berechnungen und optischen Spektroskopien charakterisiert. Für ein einzelnes DNA-Basen-Molekül wurden quantenchemische Berechnungen von Elektronenübergängen und vibronischen Moden durchgeführt. Zusätzlich wurden die vibronischen Eigenschaften von Metall(Ag,In)/Cytosin-Komplexen sowie die Adsorption von einzelnen Cytosin-Molekülen auf H:Si(111)-Oberflächen studiert. Die biomolekularen Schichten von DNA-Basen wurden durch organische Molekularstrahldeposition (OMBD) im Ultrahochvakuum auf flachen und vicinalen H:Si(111)-Oberflächen hergestellt. Die Morphologie, Struktur und Kristallinität von DNA-Basen-Schichten wurden mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM), Röntgenbeugung (XRD) und Röntgenreflektometrie (XRR) charakterisiert. Die Vibrationseigenschaften von biomolekularen Schichten wurden experimentell durch Infrarotspektrokopie untersucht. Metall(Ag,In)/Cytosin/H:Si(111)-Heterostrukturen wurden mittels oberflächenverstärkter Ramanstreuung (SERS) charakterisiert. In dieser Arbeit wurden erstmals die optischen Konstanten und die dielektrischen Funktionen von dicken DNA-Basen-Schichten auf ebenen H:Si(111)-Oberflächen mittels spektroskopischer Ellipsometrie (SE) bestimmt. Ebenfalls zum ersten Mal wurden dünne biomolekulare Schichten auf vicinalen H:Si(111)-Oberflächen durch Reflektionsanisotropiespektroskopie (RAS) charakterisiert.

Nichtlineare Verzerrungen von Rasterkraftmikroskopie (engl.: scanning probe microscopy, Abk.: SPM) Bildern beeinträchtigen die Qualität von Nanotomographiebildern und SPM Bildsequenzen. In dieser Arbeit wird ein neues, nichtlineares Registrierungsverfahren vorgestellt, das auf einem für medizinische Anwendungen entwickelten Algorithmus aufbaut und diesen für die Behandlung von SPM Daten erweitert. Die nichtlineare Registrierung ermöglicht es, verschiedene nanostrukturierte Materialen über große Bereiche (1 µm x 1 µm) mit einer Auflösung von 10 nm abzubilden. Dies erlaubt eine wesentlich detailliertere quantitative Analyse der Daten. Hierfür wurde eine neue Datenreduktions- und Visualisierungsmethode für Mikrodomänennetzwerke von Blockcopolymeren eingeführt. Zwei- und dreidimensionale Mikrodomänenstrukturen werden zu ihrem Skelett reduziert, Verzweigungspunkte farblich codiert und der entstandene Graph visualisiert. Die Anzahl verschiedener Skelettverzweigungen lässt sich über die Zeit verfolgen. Die Methode wurde mit lokalen Minkowskimaßen der ursprünglichen Graustufenbilder verglichen. Sie liefert morphologische und geometrische Informationen auf unterschiedlichen Längenskalen.

Ziel dieser Arbeit war es, neue Methoden in der Rasterkraftmikroskopie (SFM) zu entwickeln und an polymeren Materialien zu demonstrieren. Die Nanotomographie ist eine moderne dreidimensionale Volumenabbildungsmethode auf der Nanometerskala basierend auf der Rasterkraftmikroskopie. In dieser Arbeit wird ein Ansatz zur voll automatisierten Nanotomographie mit einer Auflösung von ~ 10 nm am Beispiel des menschlichen Knochens demonstriert. Die nasschemische Abtragung der Probe und das Entfernen der Ätzrückstände erfolgt dabei automatisch und in situ in einer Flüssigkeitszelle des Rasterkraftmikroskops. Lineare Verschiebungen der aufgenommenen Schichten werden mit Hilfe eines implementierten Kreuzkorrelations-Algorithmus korrigiert. Darüber hinaus wird durch Kombination der Nanotomographie mit dem bimodalen Messprinzip die laterale Auflösung dieser Methode am Beispiel von elastomerem Polypropylen deutlich gesteigert. Die mechanischen Oberflächeneigenschaften dieses Polymers wurden mit dynamischen Indentationsexperimenten mit dem Rasterkraftmikroskop bestimmt. Die Auftragung der dissipierten Energie zwischen Spitze und Oberfläche als Funktion der Schwingungsamplitude der Spitze ergibt für die amorphen und kristallinen Bereiche charakteristische Dissipationskurven. Diese lassen Rückschlüsse auf den Dissipationsmechanismus zwischen Messspitze und Oberfläche zu. Damit können zusätzliche Informationen über die mechanische Eigenschaften der Oberfläche des Polymers gewonnen werden. Darüber hinaus werden Erkenntnisse über die lateralen mechanischen Oberflächeneigenschaften von Polymeren durch den Einsatz des frequenzmodulierten Torsionsmodus der Rasterkraftmikroskopie erlangt.

Ziel der Diplomarbeit ist es, eine Dispersion aus Monomer und Silika-Partikeln auf ein festes Substrat aufzutragen, die so erhaltenen Versuchsträger mit dem Monomer/Partikel-Film (Modell Monomer/Partikel/festes Substrat) anschließend mit dem Rasterkraftmikroskop abzubilden und anschließend hinsichtlich der Oberflächenkrümmung und dem Kontaktwinkel zu untersuchen. Durch die Kontaktwinkelmessung am Dreiphasenpunkt soll eine erste Charakterisierung der kapillaren Oberfläche erfolgen, die jedoch nur ein Teilschritt bis zur vollständigen Optimierung von durch partikel-assistierte Benetzung hergestellte poröse Membranen ist.

Ziel dieser Arbeit war es die Spitze-Probe-Wechselwirkung polymerer Materialien tiefenaufgelöst zu bestimmen. Dazu wurde die tiefenaufgelöste Rasterkraftmikroskopie an polystyrol-gepfropften Graphenoxidlagen angewendet. Die gepfropften Polymere wurden gezielt während der Messung Chloroformdampf ausgesetzt. Dies bewirkte ein selektives Quellen und ein Erweichen der Polystyrolhülle. Damit war es möglich die eingebetteten Graphenoxidlagen tiefenaufgelöst abzubilden. Kapillare und repulsive Kräfte konnten in den Tiefenprofilen unterschieden werden. Durch die akkurate Höhenmessung der polystyrol-gepfropften Graphenoxidlagen konnte der Quellgrad bestimmt werden. Der Quellgrad und die Dicke der Polystyrolhülle lassen Rückschlüsse auf die Kettenkonformation zu. Ein Ergebnis ist, dass die Polystyrolketten bürstenförmig an die Graphenoxidlage gepfropft sind. Die Bestimmung der wahren Oberfläche in der Anwesenheit starker kapillarer Kräfte ist bei weichen polymeren Materialien herausfordernd. Die beste Näherung ist der Beginn der attraktiven Wechselwirkungen. Als Modellsystem eines flüssigen, nanoskaligen Objektes dienten in Chlorofomdampf gequollene Polystyroltropfen. Die Spitze-Probe-Wechselwirkung wurde mit verschiedenen kraftspektroskopischen Methoden charakterisiert. Eine Methode wurde entwickelt, um aus Kraft-Abstands-Kurven dreidimensionale Tiefenprofile der Spitze-Probe-Wechselwirkung zu rekonstruieren. Diese Profile geben Aufschluss über die transiente Deformation des Tropfens. Weiterhin wurde die intrinsische Relaxationszeit der gequollenen Polystyroltropfen mit einem step-strain-Experiment bestimmt. Diese Zeitkonstante ist im Bereich von 7–43 ms und erklärt die Unterschiede in der Wechselwirkung zwischen dynamischen und statischen Kraft-Spektroskopie-Kurven.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss von Adsorptionsschichten auf die Fließfähigkeit feuchter kohäsiver Schüttgüter in Abhängigkeit der relativen Luftfeuchte. Ziel ist der Nachweis einer Ver- bzw. Behinderung der Feuchteadsorption durch eine Hydrophobierung der Partikeloberfläche und die Untersuchung der Abhängigkeit des Feuchteaufnahmevermögens von Zusatzstoff, Substratmaterial und Oberflächeneigenschaften. Dazu wurden Kalksteinpulver und Mikroglaskugeln unterschiedlicher Kornform und Korngrößenverteilung mit oberflächenaktiven Substanzen beschichtet und die erfolgreiche Oberflächenmodifikation u.a über Randwinkelmessungen und Scherversuche belegt. Es konnte gezeigt werden, dass die Modifizierung der Oberfläche und die daraus resultierenden veränderten Oberflächen- sowie Benetzungseigenschaften zusatzstoffspezifisch sind und somit eine gezielte Verbesserung der Fließeigenschaften erreicht werden kann. Beschichtete Schüttgüter können je nach Art des Zusatzstoffes weniger Feuchtigkeit als unbehandelte Pulver adsorbieren, bilden geringere Haftkräfte im Partikelkontakt aus und besitzen ein günstigeres Fließverhalten. Weiterhin wird ein mathematisch-physikalisches Modell zur Abschätzung der Fließfähigkeit feiner Schüttgüter in Abhängigkeit der relativen Luftfeuchtigkeit und einer Oberflächenmodifikation unter Verwendung charakteristischer Schüttgutparameter entwickelt.

Interactions of cells with the extracellular matrix (ECM) have important roles in various physiological and pathological processes, including tissue morphogenesis during embryonic development, wound healing and tumor invasion. Although most of the proteins involved in cell-ECM interactions have been identified, the underlying mechanisms and involved signaling pathways are incompletely understood. Here, atomic force microscope-based imaging and single-cell force measurements were used to characterize the interactions of different cell types with ECM proteins. The interplay between cells and ECM is complex. However, two interaction types, protein-protein and protein-carbohydrate, predominate. Integrins, adhesion receptors for ECM, mediate the former, galectins, a family of animal lectins, the latter. In the second chapter of this thesis, the contributions of both receptor families to the interactions of epithelial MDCK cells with ECM proteins are presented. It was found that galectins-3 and 9 are highly expressed in MDCK cells and required for optimal long-term adhesion (90 minutes) to ECM proteins collagen-I and laminin-111. Interestingly, early adhesion (< 2 minutes) to laminin-111, was integrin-independent and instead mediated by carbohydrate interactions and galectins. In contrast, early adhesion to collagen-I was exclusively mediated by integrins. Moreover, cells frequently entered an enhanced adhesion state, marked by a significant increase in the force required for cell detachment. Although adhesion was mediated by integrins, adhesion enhancement was especially observed in cells depleted for galectin-3. It was proposed that galectin-3 influences integrin-mediated adhesion complex formation by altering receptor clustering. To control their attachment to ECM proteins, cells regulate integrin receptors. One regulatory process is integrin crosstalk, where the binding of one type of integrin influences the activity of another type. In the third chapter, the implementation of a single-cell force spectroscopy assay to identify such crosstalks and gain insight into their mechanisms is described. In this assay the interactions of integrin receptors being specifically attached to one ligand are characterized in dependence of another ligand-bond receptor pair. With this assay a crosstalk between collagen-binding integrin α1β1 and fibronectin-binding integrin α5β1 was identified in HeLa cells. This crosstalk was directional from integrin α1β1 to integrin α5β1 and appeared to regulate integrin α5β1 by inducing its endocytosis. In the fourth and final chapter, mechanisms of matrix-induced cell alignment were studied by imaging cells on two-dimensional matrices assembled of highly aligned collagen fibrils. Integrin α2β1 was identified as the predominant receptor mediating cell polarization. Time-lapse AFM demonstrated that during alignment cells deform the matrix by reorienting individual collagen fibrils. Cells deformed the collagen matrix asymmetrically, revealing an anisotropy in matrix rigidity. When matrix rigidity was rendered uniform by chemical cross-linking or when the matrix was formed from collagen fibrils of reduced tensile strength, cell polarization did not occur. This suggested that both the high tensile strength and pliability of collagen fibrils contribute to the anisotropic rigidity of the matrix and lead to directional cellular traction and cell polarization. During alignment, cellular protrusions contacted the collagen matrix from below and above. This complex entanglement of cellular protrusions and collagen fibrils may further promote cell alignment by maximizing cellular traction. The work presented here adds to the understanding of cell-ECM interactions. Atomic force microscopy imaging allowed characterizing the behavior of cells on nanopatterned collagen matrices whereas single-cell force spectroscopy revealed insights into the regulation of cell adhesion by galectins. Furthermore, methodological advances in the single-cell force spectroscopy assay allowed the intracellular regulation of receptor molecules to be studied. The work demonstrates that atomic force microscopy is a versatile tool to study cell-ECM interactions.

During vertebrate development, gastrulation leads to the formation of three distinct germlayers. In zebrafish a central process is the delamination and the ingression of single cells from a common ancestor tissue - that will lead to the formation of the germlayers. Several molecules have been identified to regulate this process but the precise cellular mechanisms are poorly understood. Differential adhesiveness, a concept first introduced by Steinberg over 40 years ago, has been proposed to represent a key phenomena by which single hypoblast cells separate from the epiblast to form the mesendoderm at later stages. In this work it is shown that differential adhesion among the germlayer progenitor cells alone cannot predict germlayer formation. It is a combination of several mechanical properties such as cell cortex tension, cell adhesion and membrane mechanical properties that influence the migratory behavior of the constituent cells.

Local studies of magnetic flux line (vortex) distribution in superconducting thin films and their pinning by natural and artificial defects have been performed using low-temperature magnetic force microscopy (LT-MFM). Taken a 100 nm thin NbN film as an example, the depinning of vortices from natural defects under the influence of the force that the MFM tip exerts on the individual vortex was visualized and the local pinning force was estimated. The good agreement of these results with global transport measurements demonstrates that MFM is a powerful and reliable method to probe the local variation of the pinning landscape. Furthermore, it was demonstrated that the presence of an ordered array of 1-μm-sized ferromagnetic permalloy dots being in a magneticvortex state underneath the Nb film significantly influences the natural pinning landscape of the superconductor leading to commensurate pinning effects. This strong pinning exceeds the repulsive interaction between the superconducting vortices and allows vortex clusters to be located at each dot. Additionally, for industrially applicable YBa$_2$Cu$_3$O$_{7-\delta} thin films the main question discussed was the possibility of a direct correlation between vortices and artificial defects as well as vortex imaging on rough as-prepared thin films. Since the surface roughness (droplets, precipitates) causes a severe problem to the scanning MFM tip, a nanoscale wedge polishing technique that allows to overcome this problem was developed. Mounting the sample under a defined small angle results in a smooth surface and a monotonic thickness reduction of the film along the length of the sample. It provides a continuous insight from the film surface down to the substrate with surface sensitive scanning techniques.

Nach der Entwicklung des Nicht-Kontakt-Rasterkraftmikroskops (NC-AFM) konnten dessen Leistung, Empfindlichkeit und Anwendungsmöglichkeiten deutlich gesteigert und somit neue grundlegende physikalische Eigenschaften von Festkörperoberflächen mit hoher Auflösung und Präzision untersucht werden. Dabei gibt es jedoch immer wieder neue Errungenschaften, die die Technik noch weiter verbessern können – sei es auf dem Gebiet der Signalverarbeitung, der -detektion oder der prinzipiellen Funktionsweise des Mikroskops. So wird in der vorliegenden Arbeit das theoretische Verständnis der Regelkreise und des Rauschverhaltens des NC-AFMs im Messbetrieb verbessert. Die Regelkreise verhalten sich – anders als im freischwingenden System – in Wechselwirkungsnähe mit der Probe hochgradig dynamisch, sodass die ursprünglich gewählten Parameter der Regelkreise sich nicht eins zu eins auf den echten Messbetrieb übertragen lassen und suboptimale Einstellungen die Bildqualität dadurch beeinträchtigen können. Mithilfe der korrekten Modellierung der Regelkreise in Probennähe kann diese Störquelle nun minimalisiert werden, was durch experimentell bestimmte Spektren bestätigt wird. Bei der Exfoliation von Graphen auf CaF2 an der Raumluft werden Wassermoleküle eingeschlossen, die nicht durch Heizen entfernt werden können, ohne dass das Graphen Blasen schlägt und reißt. Unterschiedliche Mengen an Wasser zwischen den Graphenflocken und dem Substrat haben einen großen Einfluss auf das elektrische Kontaktpotenzial, das mithilfe der Kelvin-Sonden-Kraftmikroskopie vermessen werden kann. Ergebnisse der Kapitel sind die berechnete Adhäsionsenergie von Graphen auf CaF2, inwieweit das Wasser das Graphen dotieren kann und die Erklärung des großen Unterschieds des Kontaktpotenzials.