We use time-lapse AFM to visualize collagen fibrils self-assembly. A solution of acid-solubilized collagen was injected into the AFM fluid cell and fibril formation was observed in vitro. Single fibrils continuously grew and fused with each other until the supporting surface was completely covered by a nanoscopically well-defined collagen matrix. Laterally, the fibrils grew in steps of ~4 nm suggesting a two-step mechanism. In a first step, collagen molecules associated together. In the second step, these molecules rearranged into a structure called a microfibril. High-resolution AFM topographs revealed substructural details of the D-band architecture. These substructures correlated well with those revealed from positively stained collagen fibers imaged by transmission electron microscopy. Secondly, a covalent assembly approach to prepare membrane protein for AFM imaging that avoids crystallization was proposed. High-resolution AFM topographs can reveal structural details of single membrane proteins but, as a prerequisite, the proteins must be adsorbed to atomically flat mica and densely packed in a membrane to restrict their lateral mobility. Atomically flat gold, engineered proteins, and chemically modified lipids were combined to rapidly assemble immobile and fully oriented samples. The resulting AFM topographs of single membrane proteins were used to create averaged structures with a resolution approaching that of 2D crystals. Finally, the contribution of specific amino acid residues to the stability of membrane proteins was studied. Two structurally similar proteins sharing only 30% sequence identity were compared. Single-molecule atomic force microscopy and spectroscopy was used to detect molecular interactions stabilizing halorhodopsin (HR) and bacteriorhodopsin (BR). Their unfolding pathways and polypeptide regions that established stable segments were compared. Both proteins unfolded exactly via the same intermediates. This 3 Molecular Assemblies observed by AFM observation implies that these stabilizing regions result from comprehensive contacts of all amino acids within them and that different amino acid compositions can establish structurally indistinguishable energetic barriers. However, one additional unfolding barrier located in a short segment of helix E was detected for HR. This barrier correlated with a Pi-bulk interaction, which locally disrupts helix E and divides into two stable segments.

We use time-lapse AFM to visualize collagen fibrils self-assembly. A solution of acid-solubilized collagen was injected into the AFM fluid cell and fibril formation was observed in vitro. Single fibrils continuously grew and fused with each other until the supporting surface was completely covered by a nanoscopically well-defined collagen matrix. Laterally, the fibrils grew in steps of ~4 nm suggesting a two-step mechanism. In a first step, collagen molecules associated together. In the second step, these molecules rearranged into a structure called a microfibril. High-resolution AFM topographs revealed substructural details of the D-band architecture. These substructures correlated well with those revealed from positively stained collagen fibers imaged by transmission electron microscopy. Secondly, a covalent assembly approach to prepare membrane protein for AFM imaging that avoids crystallization was proposed. High-resolution AFM topographs can reveal structural details of single membrane proteins but, as a prerequisite, the proteins must be adsorbed to atomically flat mica and densely packed in a membrane to restrict their lateral mobility. Atomically flat gold, engineered proteins, and chemically modified lipids were combined to rapidly assemble immobile and fully oriented samples. The resulting AFM topographs of single membrane proteins were used to create averaged structures with a resolution approaching that of 2D crystals. Finally, the contribution of specific amino acid residues to the stability of membrane proteins was studied. Two structurally similar proteins sharing only 30% sequence identity were compared. Single-molecule atomic force microscopy and spectroscopy was used to detect molecular interactions stabilizing halorhodopsin (HR) and bacteriorhodopsin (BR). Their unfolding pathways and polypeptide regions that established stable segments were compared. Both proteins unfolded exactly via the same intermediates. This 3 Molecular Assemblies observed by AFM observation implies that these stabilizing regions result from comprehensive contacts of all amino acids within them and that different amino acid compositions can establish structurally indistinguishable energetic barriers. However, one additional unfolding barrier located in a short segment of helix E was detected for HR. This barrier correlated with a Pi-bulk interaction, which locally disrupts helix E and divides into two stable segments.

In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung von ausschließlich elektrostatisch arbeitenden Sensor-Aktor-Arrays zur Oberflächenprofilbestimmung an Mikroteilen beschrieben. Ein wesentliches Merkmal der Strukturen ist ihr großer Eigenzustellbereich von bis zu 20 Mikrometer. Die Auswertung atomarer Kräfte ermöglicht Wegauflösungen im Nanometerbereich. Auf Grund der geringen Abmessungen durch die mikromechanische Fertigung des Sensorelements und der integrierten Sensor-Aktorfunktion sind Anordnungen als Zeilenarray möglich. Die Entwicklung richtet sich auf Strukturen, welche in klassischer Oberflächentechnologie gefertigt werden können. Durchgeführte experimentelle Tests wurden mit Sensoren in Silizium-bulk-Mikromechanik (SCREAM) realisiert. Der Schwerpunkt der Arbeit behandelt die Charakterisierung der Sensorelemente und damit verbundene Layoutverbesserungen, wie das Einbringen von Feldstoppern und die Nutzbarkeit des Sensors zur Profilbestimmung von Oberflächen unter Beachtung industrieller Anforderungen. Vorteile des Einsatzes eines solchen Sensor-Aktor-Arrays liegen in der Miniaturisierung und dem vergleichsweise großen Eigenzustellbereich jedes einzelnen Sensors. Dadurch ist es möglich, technische Oberflächen, welche im Eigenzustellbereich des Sensorarrays liegen, ohne das Nachregeln einer übergeordneten Positioniereinheit im Profil zu bestimmen. Es wird gezeigt, wie die angewandte kapazitive Wirkungsweise des Sensors mit den sehr kleinen Nutzkapazitäten im Beisein von großen Parasitärkapazitäten zur Signalauswertung genutzt werden kann.

In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung von ausschließlich elektrostatisch arbeitenden Sensor-Aktor-Arrays zur Oberflächenprofilbestimmung an Mikroteilen beschrieben. Ein wesentliches Merkmal der Strukturen ist ihr großer Eigenzustellbereich von bis zu 20 Mikrometer. Die Auswertung atomarer Kräfte ermöglicht Wegauflösungen im Nanometerbereich. Auf Grund der geringen Abmessungen durch die mikromechanische Fertigung des Sensorelements und der integrierten Sensor-Aktorfunktion sind Anordnungen als Zeilenarray möglich. Die Entwicklung richtet sich auf Strukturen, welche in klassischer Oberflächentechnologie gefertigt werden können. Durchgeführte experimentelle Tests wurden mit Sensoren in Silizium-bulk-Mikromechanik (SCREAM) realisiert. Der Schwerpunkt der Arbeit behandelt die Charakterisierung der Sensorelemente und damit verbundene Layoutverbesserungen, wie das Einbringen von Feldstoppern und die Nutzbarkeit des Sensors zur Profilbestimmung von Oberflächen unter Beachtung industrieller Anforderungen. Vorteile des Einsatzes eines solchen Sensor-Aktor-Arrays liegen in der Miniaturisierung und dem vergleichsweise großen Eigenzustellbereich jedes einzelnen Sensors. Dadurch ist es möglich, technische Oberflächen, welche im Eigenzustellbereich des Sensorarrays liegen, ohne das Nachregeln einer übergeordneten Positioniereinheit im Profil zu bestimmen. Es wird gezeigt, wie die angewandte kapazitive Wirkungsweise des Sensors mit den sehr kleinen Nutzkapazitäten im Beisein von großen Parasitärkapazitäten zur Signalauswertung genutzt werden kann.

Wir haben blau, grün und orange leuchtende organische Nanofäden oder Nanonadeln und Mikroringe aus para-Hexaphenyl (p-6P), alpha-Quaterthiophen (alpha-4T) und alpha-Sexithiophen (alpha-6T) mittels Organischer Molekularstrahlepitaxie (OMBE) auf Muskovit Glimmer hergestellt. Die Aggregate haben wir mit der Atomkraftmikroskopie, mit der Fluoreszenz-Mikroskopie und durch UV-vis Spektroskopie charakterisiert. Auf der Muskovit Oberfläche wachsen p-6P Fäden parallel zueinander auf und zeigen zwei verschiedene Orientierungsdomänen entlang [110] und [1-10]. Mit Hilfe einer systematischen statistischen Analyse diskutieren wir das Wachstum dieser p-6P Nadeln für verschiedene Wachstumsbedingungen. Zusätzlich zu den Fäden haben wir p-6P Cluster auf der Oberfläche beobachtet. Nadeln werden durch die Aggregation solcher Cluster gebildet. Ein Realraummodell der Morphologie der Nadeln sowie ein Modell für deren Wachstum werden vorgestellt. Indem wir Glimmer zunächst mit einer dünnen Goldschicht bedecken und die Wachstumsparameter variieren, erreichen wir eine weitgehende Kontrolle der Morphologie der Nadeln (Länge von 0,5 Mikrometer bis 1 mm, Höhe von 25 bis 300 nm und Breite von 100 bis 600 nm). Im Gegensatz zu p-6P orientieren Thiophene ihre Wachstumsrichtungen an allen hoch symmetrischen Richtungen von Glimmer. Es wird gezeigt, dass die Mechanismen für das Fadenwachstum von beiden Oligomere gleich sind, nämlich eine Kombination aus Epitaxie und einer Dipol-unterstützten Ausrichtung. Auch die Strukturen dieser Fäden sind ähnlich: die Moleküle liegen parallel angeordnet auf der Oberfläche, ihre Längsachsen orientieren sich schräg zur Längsachse der Fäden. Auf mit Wasser oder Methanol vorbehandeltem Glimmer wachsen diese beiden Oligomere als gebogene Fäden und Mikroringe auf. Diese Oberflächenvorbehandlungen sowie das Wachstum von p-6P auf Gold/Glimmer unterstützen auch den Wachstumsmechanismus auf der sauberen Glimmer-Oberfläche. / By using organic molecular beam epitaxy (OMBE) blue, green and orange light emitting organic nanofibers or nanoneedles and microrings from para-hexaphenyl (p-6P), alpha-quaterthiophene (alpha-4T) and alpha-sexithiophene (alpha-6T), respectively, on muscovite mica surfaces are generated. The aggregates are characterized by atomic force microscopy, fluorescence microscopy and UV-vis spectroscopy. On muscovite mica, p-6P fibers usually grow mutually parallel showing two domains of their orientations with an angle of 120 degree in between. The detail growth of nanofibers from p-6P by performing a systematic statistical analysis of fibers as a function of various growth conditions is discussed. Furthermore, the morphology exhibits p-6P clusters, which are found to be fibers´ building blocks. A real space model of the fiber and a model for their growth are also presented. By introducing a thin gold layer on mica prior to p-6P deposition together with varying growth parameters, the morphology of fibers is controlled in a wide range (length from 0.5 micrometer to 1 mm, height from 25 to 300 nm and width from 100 to 600 nm). In contrast to p-6P, thiophene fibers exhibit various orientations close to mica high symmetry directions. It is shown that the mechanism behind the fiber growth from all molecules on mica is the same, i.e. a combination of epitaxy and dipole assisted growth process. The fiber microscopic structures are similar, too: molecules take lying orientations and they hold themselves parallel pointing their long axes along an oblique direction off the long fiber axis. The growth of both types of oligomers on water or methanol treated mica surfaces leads to the formation of bent fibers and microrings. This surface pretreatment and the growth of p-6P on gold/mica support the fiber growth mechanism on plain mica.

Ternary lipid mixtures composed of cholesterol, saturated (frequently with sphingosine backbone), and unsaturated phospholipids show stable phase separation and are often used as model systems of lipid rafts. Yet, their ability to reproduce raft properties and function is still debated. We investigated the properties and functional aspects of three lipid raft model systems of varying degrees of biological relevance – PSM/POPC/Chol, DPPC/POPC/Chol, and DPPC/DOPC/Chol – using 2H solidstate nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, fluorescence microscopy, and atomic force microscopy. While some minor differences were observed, the general behavior and properties of all three model mixtures were similar to previously investigated influenza envelope lipid membranes, which closely mimic the lipid composition of biological membranes. For the investigation of the functional aspects, we employed the human N-Ras protein, which is posttranslationally modified by two lipid modifications that anchor the protein to the membrane. It was previously shown that N-Ras preferentially resides in liquid-disordered domains and exhibits a time-dependent accumulation in the domain boundaries of influenza envelope lipid membranes. For all three model mixtures, we observed the same membrane partitioning behavior for N-Ras. Therefore, we conclude that even relatively simple models of raft membranes are able to reproduce many of their specific properties and functions.

Ternary lipid mixtures composed of cholesterol, saturated (frequently with sphingosine backbone), and unsaturated phospholipids show stable phase separation and are often used as model systems of lipid rafts. Yet, their ability to reproduce raft properties and function is still debated. We investigated the properties and functional aspects of three lipid raft model systems of varying degrees of biological relevance – PSM/POPC/Chol, DPPC/POPC/Chol, and DPPC/DOPC/Chol – using 2H solidstate nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, fluorescence microscopy, and atomic force microscopy. While some minor differences were observed, the general behavior and properties of all three model mixtures were similar to previously investigated influenza envelope lipid membranes, which closely mimic the lipid composition of biological membranes. For the investigation of the functional aspects, we employed the human N-Ras protein, which is posttranslationally modified by two lipid modifications that anchor the protein to the membrane. It was previously shown that N-Ras preferentially resides in liquid-disordered domains and exhibits a time-dependent accumulation in the domain boundaries of influenza envelope lipid membranes. For all three model mixtures, we observed the same membrane partitioning behavior for N-Ras. Therefore, we conclude that even relatively simple models of raft membranes are able to reproduce many of their specific properties and functions.

Die Herstellung von verspannten Schichten mittels Heteroepitaxie gewinnt in der aktuellen Festkörperphysik zunehmend an Bedeutung, insbesondere wenn es gelingt, Schichten mit unterschiedlichen Gitterparametern in hoher kristalliner Perfektion, wie sie für die Herstellung elektronischer Bauelemente notwendig ist, aufeinander abzuscheiden. Der Einsatz verspannter Schichtsysteme erlaubt es, bestimmte Materialeigenschaften, wie die Ladungsträgerbeweglichkeiten und den Bandabstand, gezielt zu beeinflussen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die frühe Phase der Relaxation von dünnen verspannten metastabilen Silizium-Germanium-Mischkristallschichten auf (001)-Siliziumsubstrat untersucht. Derartige metastabile Schichten bilden bei Temperaturbehandlung sogenannte Fehlanpassungsversetzungen aus. Die Ausbildung dieser Versetzungen in makroskopischer Ausdehnung in nahezu perfekt kristallinen Materialien setzt einen Nukleationsvorgang und die Ausbreitung durch Gleiten bzw. Klettern voraus. Diese Vorgänge wurden am o.g. Materialsystem systematisch untersucht. Die Untersuchung außerordentlich geringer Versetzungsdichten erfolgte mittels in-situ und ex-situ Röntgentopographie sowie ergänzender Messungen mittels hochauflösender Röntgendiffraktometrie. Die Plane-view-Transmissionselektronenmikroskopie sowie Atomkraftmikroskopie ergänzten die Experimente auf der damit möglichen Längenskala insbesondere für die Beurteilung des Verhaltens von sich kreuzenden Versetzungen. Es wurden Versetzungsgleitgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von verschiedenen Fremdstoffkonzentrationen und Epitaxieverfahren gemessen. Ein signifikante Einfluß dieser Verfahren auf die Gleitgeschwindigkeit konnte nicht nachgewiesen werden, jedoch veringert der Sauerstoffgehalt einiger Proben die Versetzungsgleitgeschwindigkeit. Eine Kohlenstoffdotierung von 0,1% führt bei Einbau auf Gitterplätzen zu keinem messbaren Einfluß auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Fehlanpassungsversetzungen. Der Prozess der Nukleation von Versetzungen wurde durch die heterogene Nukleation an Einzeldefekten, deren Vorhandensein stark vom Epitaxieverfahren abhängt, dominiert. Dies wurde an einer Vielzahl von Proben verifiziert. Die Aktivität der einzelnen Nukleationszentren ist sehr unterschiedlich und lässt sich nur durch ein "Spektrum" von Nukleationszentren unterschiedlicher "Stärke" erklären. Starke Nukleationszentren können bis ca 100 Versetzungen, die zusammen Versetzungsbündel bilden, induzieren. Die Nukleationszentren werden sequentiell aktiviert. Es wurde gezeigt, dass Laserbeschuss schwache Zentren "aktiviert" und eine damit eine sehr gleichmäßige Relaxation von Schichten möglich wird. Durch in-situ-Beobachtungen konnte erstmals röntgentopografisch der Prozess des Versetzungsblockierens und des Quergleitens an sich kreuzenden Versetzungsbündeln über einen großen Skalenbereich verfolgt werden.Es konnte gezeigt werden, dass die Zweikristall-Röntgentopografie ein geeignetes Verfahren zur Untersuchung großer teilrelaxierter Proben mit extrem geringem Relaxationsgrad darstellt. / The deposition of metastable layers by means of heteroepitaxy is gaining more and more in importance in current solid state physics, especially if it is possible to deposit layers with rather different lattice parameters in perfect quality, necessary for the fabrication of electronic devices and semiconductor technology. The use of such layer systems enables to controlling specific material properties, for example the mobility of charge carriers and the energy gap. Within the framework of this work the early stages of the relaxation of very thin strained silicon-germanium layers deposited onto (001)silicon substrates were investigated. Such metastable layers create so-called misfit dislocations at annealing. The formation of dislocations in nearly perfect materials as silicon in macroscopic extension presumes a nucleation process and the propagation by means of gliding and/or climbing of the threading segments. These processes were investigated systematically at silicon-germanium-films on silicon substrates as a modelsystem. Very low densities of dislocations were investigated by in-situ and ex-situ X-ray topography as well as high resolution X-ray diffractometry. Plane-view transmission electron microscopy and atomic force microscopy complemented the experiments in order to study the behavior at the dislocation crossings at smaller length scale. Dislocation glide rates were measured at different concentrations of impurities (e.g. carbon) in the sample and for different growth techniques. There was no significant influence of the epitaxial method on the glide velocities but a very low amount of oxygen decreases the the velocity effectively. A low density of carbon (0,1%) wich occcupy silicon or germanium lattice sites had no significant influence on the propagation of dislocations. The process of nucleation is dominated by heterogeneous nucleation as was verified at a large number of samples and varies in detail for different epitaxial depostion methods. The activity of single nucleation centers is rather different and can interpreted with a "spectrum" of centers of different strength. A strong center can induce as many as 100 dislocations. These dislocations form bunches of dislocations as was observed with X-ray topography. The centers are sequentially activated. This was demonstrated at samples where a pretreatment with an excimer laser "activated" weak centers thereby inducing a comparatively homogeneous distribution of dislocations. By means of in-situ synchrotron radiation experiments the prozesses of propagation, blocking and crossslip could be observed for the first time in large areas of samples. The double crystal X-ray topography is a suitable method to observe these processes in comparatively large samples with a very low degree of relaxation.