Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von Sol-Gel-Beschichtungen durch Optimierung der Ausgangszusammensetzung und der Applikations-Parameter für den Korrosionsschutz der Aluminium-Legierung AA7075. Verschiedene Arten von Silanen, z. B. Tetraethoxysilan (TEOS), Phenyltriethoxysilan (PTES) und Phenyltrim­ethoxysilan (PTMS) sind verglichen worden: Der Sol-Gel-Film aus PTMS präpariert, weist dabei die höchste Hydrophobizität auf, was sich insbesondere in den Barriere-Eigenschaften dieser Verbindung zeigte. Die Wirkung von Essigsäure als Katalysator in Sol-Gel-Prozessen wurden untersucht, um die optimale Katalysatorkonzentration für den Korrosionsschutz der beschichteten Proben zu ermitteln. Die Korrosionsbeständigkeit der beschichteten Proben sinkt bei höheren Konzentrationen des sauren Katalysators durch die Auflösung des Aluminiumoxids an der Substratoberfläche. Allerdings führten zu niedrige Konzentrationen des Katalysators zur Verlangsamung der Hydrolysereaktionen der Silane und es bildete sich poröse Sol-Gel-Schichten. Die Wärmebehandlung der beschichteten Aluminium-Proben ist für die Vernetzung des Films erforderlich. Eine Wärmebehandlung bei 300 ˚C für 2,5 Stunden ergab dabei den besten Korrosionsschutz. Höhere Temperaturen führten zu einer Verschlechterung der Eigenschaften der Filme, was mit der Zerstörung des organischen Teil des Films erklärt werden kann. Darüber hinaus verursachen zu niedrige Temperaturen einen geringeren Korrosionsschutz der beschichteten Aluminium-Proben. Vermutlich ist die geringe Vernetzung des Sol-Gel-Films bei Temperaturen was für als 300 ˚C verantwortlich. Die beschichteten Aluminium-Proben wuden mittels Raster-Elektronenmikroskopie (SEM), Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX), Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) und elektrochemischen Techniken charakterisiert. / The present work pertains to the development of sol-gel coatings by optimizing the composition and the application parameters for corrosion protection of aluminum alloy AA7075. Different kinds of silanes e.g. tetraethoxysilane (TEOS), phenyltriethoxysilane (PTES) and phenyltrimethoxysilane (PTMS) have been compared: the sol-gel film prepared from PTMS shows highest hydrophobicity manifested by the best barrier property of this compound. The effect of acetic acid as a catalyst on the chemistry of the sol is investigated in order to estimate the best catalyst concentration for better corrosion protection of the coated samples. The corrosion resistance of the coated samples is found to be decreasing at higher concentrations of the catalyst due to the dissolution of the aluminum oxide at the substrate surface in the acid sol. However, lower concentrations of the catalyst lead to low hydrolysis reactions of the silanes and non-dense sol-gel films have been formed. The heat treatment of the coated aluminum samples is required for cross-linking of the film. The heat treatment at 300 ˚C for 2.5 hours exhibits the best corrosion protection. Higher treatment-temperatures lead to degradation of the properties of the film which can be described in terms of destroying the organic part of the film. Moreover, low treatment-temperatures cause low corrosion protection of the coated aluminum samples which is presumably attributed to the low cross-linking of the sol-gel film at temperatures less than 300 ˚C. The coated aluminum samples are characterized by scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and electrochemical techniques.

In recent developments of mixed potential gas sensors based on Yttrium Stabilized Zirconia (YSZ), the combination of Au/AuPt-admixtures and oxides was found to be promising electrode materials. With this material combination, satisfactory sensing characteristics were achieved, but the role of Au addition, especially its effect on the processes contributing to the mixed potential formation, has not yet been well understood. Deeper insights of the influence of Au on the electrochemical behaviors of this kind of electrodes are necessary for better understanding of the sensing behaviors and for achieving further technological improvements, as for instance, enhancement of the long-term stability. This situation motivated studies of a layered Au,Pt-YSZ mixed potential gas sensing electrode and its dependence on the thickness of the Au-layer and the sintering conditions. In this work, for the first time three variations of this kind of electrode, which generally comprises a thick-film Pt-YSZ electrode and a thin-film Au layer deposited on top, were studied by different kinds of material analytical approaches and electrochemical methods. These studies elucidated the correlation among the electrochemical behaviors of the electrodes, the amount of gold deposition and its non-uniform distribution over the electrode. Based on these structural and electrochemical data, a qualitative model for the first time is proposed to interpret the sensing mechanism of the layered Au,Pt-YSZ electrodes. In the past such a theory was only available for the electrodes at which the Au was homogeneously admixed with the Pt-YSZ composite. From the structural studies including the ESEM, the XRD and the Glow Discharge-Optical Emission Spectroscopy analysis (GD-OES), it was shown that the thin film Au layer at the layered Au,Pt-YSZ electrodes is not uniformly admixed with the Pt-YSZ bulk after firing, but results in a non-uniform lateral distribution on the electrode surface and a concentration gradient of Au from top over the thickness of the electrode. This Au distribution is strongly affected by the sintering temperature. The higher sintering temperature (1050 °C) results in not only a more uniform morphology of the electrode surface without a separate crystalline phase of gold , but also a better alloying of Au and Pt in the inner parts of the electrode during the sintering process, compared to the electrodes sintered at a lower temperature (850 °C). These clear structural differences of the electrodes fired at different temperatures are related to different catalytic activities over the electrode layer, and accordingly affect their open circuit potential (OCP) sensing behaviors and other electrochemical properties. With respect to selectivity and stability of the sensors, the highest sensing response was observed in the H2 containing gases compared to the other gas species like CO, CH4, and C3H6 for both the type II (low temperature sintered) and the type III (high temperature sintered) sensors. However, clear response and potential stability losses were observed at exposure to C3H6. Formation of coking layers on the electrode seems to be correlated with this response decrease. Surprisingly, the response degradation was even observed by aging the sensors at 600 °C in ambient air. Combined OCP, CV and EIS studies revealed that, the aging process results in some minor irreversible but mainly reversible changes at the electrode/electrolyte interface. Both induce the response degradation which is well correlated with an impedance increase and a CV current decrease. The reversible changes are assumed to be attributed to the formation of an oxidation phase of the metallic parts at the TPB, which is well described in literature. Now, for the first time in this work it could be demonstrated that this reversible response degradation can be nearly fully recovered by the application of cathodic polarization sequences. Consequently, due to the strong correlation between the OCP response to CO and the dynamic electrochemical behaviors ((EIS and CV)) at ambient air, both the EIS and the CV method can be used as efficient tools to check the sensitivity of the sensor at ambient air conditions. In case of OCP response degradation, the sensitivity can be almost fully regenerated by application of cathodic polarization at enhanced temperatures (T700°C). This combination of OCP measurements with dynamic electrochemical methods and the application of cathodic polarization procedures is of enormous practical relevance and was filed for a patent. It excited high interest of the sensor chip producer (Lamtec Meß- und Regeltechnik für Feuerungen GmbH, Walldorf) because it allows sensitivity estimation and regeneration of layered Au,Pt-YSZ gas sensing electrodes whenever ambient air conditions are given. For instance, in case of long-term CO/HC-monitoring for improvement of automated combustion process control of firing appliances, this procedure could be carried out in breaks between firing batches without the need of de-installation of the sensor and, indeed, without any exposure to model gases.

Es besteht enormes Interesse den Stofftransport in nanoskaligen Systemen zu verstehen und selektiv zu steuern, um analytische und synthetische Anwendungen zu entwickeln, aber auch um die physiologischen Prozesse lebender Zellen zu entschlüsseln. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss der elektrochemischen Doppelschicht an ausgewählten nanoskaligen Elektrolytsystemen untersucht. Die Gleichrichtung von Ionenströmen (engl. Ionic Current Rectification ICR) in Nanoporen mit einer Oberflächenladung äußert sich in einer gekrümmten Strom-Spannungs-Kurve. Die Überlappung von innerem und äußerem Potential ist dabei hinsichtlich der Ionenverteilung und somit der Porenleitfähigkeit einander verstärkend oder gegenläufig. Auf Grundlage dieses Mechanismus wurde die Gleichrichtung bei einem sehr großen Verhältnis von Porenöffnung zu Debye-Länge erklärt. Ferner wurde mittels der eingeführten relativen Leitfähigkeit κ´ die verschiedenen Leitfähigkeitszustände in Abhängigkeit der Elektrolytkonzentration und Temperatur sichtbar gemacht und Implikationen für Sensoranwendungen wie z.B. dem resistiven Pulszähler zur Partikelanalyse abgeleitet. Es wurde ein numerisches Modell basierend auf dem Poisson-Nernst-Planck-Gleichungssystem entwickelt, um die Translokation eines Nanopartikels durch eine konische Nanopore bei einer geringen Leitsalzkonzentration zu beschreiben. Neben dem klassischen Volumenausschluss-Effekt tritt zusätzlich ein Gleichrichtungseffekt (ICR-Effekt) in der Pore auf. Eine Analyse zur Entflechtung von Partikelgröße und Partikelladung aus der Pulshöhe und Pulsform wurde erfolgreich durchgeführt. Wie der Stofftransport durch eine Oberflächenladung auf dem umgebenden Material einer Nanoelektrode beeinflusst wird, wurde anhand des voltammetrischen Verhaltens diskutiert. An sehr kleinen Elektroden (< 10 nm) ist demnach der Einfluss der elektrochemischen Doppelschicht auf die Strom-Spannungs-Kurve besonders groß und kann auch bei Vorliegen eines hohen Leitsalzüberschusses nicht vernachlässigt werden. In leitsalzfreien Elektrolyten sind die gefundenen Effekte so deutlich, dass sie auch an größeren Elektroden experimentell zweifelsfrei festgestellt worden sind. / There is an enormous interest in understanding and selectively controlling the material transport in nanoscale systems to develop analytical and synthetic applications, but also to decipher the physiological processes of living cells. Within this thesis, the influence of the electrochemical double layer on selected nanoscale electrolyte systems was studied. Ionic Current Rectification (ICR) in nanopores carrying a surface charge manifests itself in a non-linear current-voltage-curve. The overlap of interior and exterior potential is cumulative or opposing with regard to the ion distribution and therefore the pore conductivity. Based on this mechanism, ICR for very large ratios of pore size and Debye length was explained. Furthermore, the different conducting states as a function of electrolyte concentration and temperature were visualized by introducing the relative conductivity κ´ and hence implications for sensor applications such as the resistive pulse sensor have been deduced. A numerical model based on the Poisson-Nernst-Planck-equations was developed to describe the translocation of a nanoparticle through a conical nanopore at a low electrolyte concentration. An additional rectification effect (ICR effect) occurs in the pore beside the conventional volume exclusion effect. An analysis was successfully performed to deconstruct the particle size and particle charge from the pulse height and shape. The material transport is affected by a surface charge on the shrouding material of nanoelectrodes as it was discussed by means of the voltammetric behaviour. The influence of the electrochemical double layer on the current-voltage-curve is particularly large at very small electrodes (< 10 nm) and cannot be neglected even at a high excess of supporting electrolyte. The observed effects were pronounced in unsupported electrolytes, so that they could be clearly detected experimentally at even larger electrodes.

The investigations are related to the influence of nonionic polyethoxylated surfactant on Tin- and Tin-Silver depositions. Cyclovoltammetry, electrochemical depositions in Hull cell, with quartz crystal microbalance, impedance spectroscopy, X-ray diffraction, REM and others were used as methods of characterization. / Die Untersuchungen befasssen sich mit dem Einfluss von nichtionischen polyethoxylierten Tenside auf die Zinn- und Zinn-Silber-Abscheidung, die durch Zyklovoltammetrie, Abscheidungen in der Hullzelle, mit der elektrochemischen Quarzmikrowaage, der Impedanzspektroskopie, Röntgendiffraktometrie, Rasterelektronenmikroskopie und Tensiometrie charakterisiert wurden.

Die in Blockcopolymeren beobachtete Mikrophasenseparation ermöglicht die Herstellung von periodischen Strukturen mit einer charakteristische Länge kleiner 100 nm. In der vorliegenden Arbeit wurden dünne Blockcopolymerfilme als Template zur Herstellung von metallischen, keramischen bzw. polymeren Nanodots untersucht. Derartige Nanodots könnten in magnetischen Datenspeichern, Superkondensatoren oder als photonische Kristalle eingesetzt werden. / The microphase seregation observed in block copolymers enables the generation of mesoscopic structures with characteristic lengths below 100 nm on a large scale. In this thesis, thin block copolymer films were investigated as templates for the synthesis of metallic, ceramic and polymeric nanodots. Such nanodots could be used in magnetic data storage devices, supercapacitors or photonic crystals.

Ziel der Arbeit war es in einem pulvermetallurgischen Ansatz gasverdüste Ti-45Nb-Pulver mittels Heißpressen zunächst zu kompakten Formkörpern zu verpressen und über geeignete Gefügeeinstellung und bestmöglicher Partikelverzahnung maximale Druckfestigkeiten bei gleichzeitig niedrigem E-Modul zu erhalten. In einem nächsten Schritt wurden mittels Heißpressen mit Platzhalterphase definierte Porenanteile in die Formkörper eingebracht und der Einfluss dieser auf die mechanischen Eigenschaften untersucht. Die porösen Strukturen sollen als Knochenersatzmaterial in einem osteoporotischen Knochendefekt dienen. In einem solchen Defekt stellen Druckkräfte den dominierenden Belastungsfall dar. Die mechanische Charakterisierung der im Rahmen der Arbeit erzeugten porösen Formkörper erfolgte daher im Druckversuch. Die Oberfläche eines metallischen Knochenersatzmaterials muss chemisch und topografisch modifiziert werden, um damit Einfluss auf das Gleichgewicht zwischen zellbiologischen Prozessen zum Knochenauf- und -abbau an der Grenzfläche zwischen Implantat und Knochengewebe zu nehmen. Im speziellen Fall von Osteoporose, wo dieses Gleichgewicht nachweislich gestört ist, spielt die Stimulation des Knochenaufbaus eine besondere Rolle. Für Strontiumspezies konnte eine das Knochenwachstum stimulierende Wirkung und die Inhibierung des Knochenabbaus in mehreren Studien gezeigt werden. Ein weiteres Ziel der Arbeit stellte daher die Erzeugung von strontiumhaltigen Hydroxylapatitschichten mittels Elektrodeposition dar. Die erzeugten Schichten wurden strukturell, morphologisch und chemisch charakterisiert. Weiterhin wurden die Sr-Freisetzung aus den Schichten und die zellbiologische Wirkung untersucht. Konzepte zur Abscheidung auf planaren Legierungsoberflächen konnten in einem nächsten Schritt im Rahmen einer Machbarkeitsstudie auf poröse Ti-45Nb Strukturen übertragen werden. / Aim of the work was the production of dense Ti-45Nb material by hot-pressing of gas-atomized Ti-45Nb powder. Maximum compression strength and low Young’s modulus values were obtained by means of a tailored microstructure and improved interlinking of the powder particles. In a next step defined amounts of porosity were introduced by hot-pressing the alloy powder with a space holder phase. The produced porous structures should be used as bone substitute material in an osteoporotic bone defect. Compression is the dominating load in such a defect. Accordingly, compression tests were conducted to assess the mechanical properties. The surface state of metallic bone replacement materials plays an important role regarding the osseointegration of the material into the surrounding bone tissue. A chemical and topographical modification of the surface is necessary to influence the equilibrium between the formation and resorption of bone on the interphase of implant and bone tissue. Especially in case of osteoporosis the stimulation bone formation is essential. Several studies have shown that strontium species have a positive effect on the formation of bone tissue and the inhibition of bone resorption. Therefore, a further aim of the work was the electrodeposition of Sr-containing hydroxyapatite layers and the structural, morphological and chemical characterization of the deposited layers. Furthermore, the release of Sr-species from the layers and the effect on hMSC (human mesenchymal stroma cells) were examined. Originating from studies on planar alloy surfaces, the transfer of the deposition approaches was shown in a proof of concept on the porous Ti-45Nb scaffolds.

Die Planung von Festkörpersynthesen schließt neben einer sinnvollen Aufteilung der zu untersuchenden Bereiche der Zusammensetzung xi auch eine fundierte Abschätzung der zu erwartenden Existenzbereiche (p, T)x der neuen Phasen ein. Die Form der Darstellung der Phasengleichgewichte in Zustandsbarogrammen folgt aus den thermodynamischen Beziehungen der betreffenden Gasphasenreaktionen (Kp G(T)) als lg(p) - 1/T - Diagramm. Für einfache Konstitutionstypen von Zustandsdiagrammen und –barogrammen wurde eine zusammenfassende Darstellung gegeben. Neben der Abhängigkeit der Existenz von Festkörpern von deren Gesamtdruck können sich wesentliche Bedingungen der Phasenbildung aus dem Partialdruckverhalten der Komponenten ergeben. Für eine phasenreine Darstellung von Oxiden erweist sich entsprechend die Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks p(O2) als essentiell. Zur globalen Einordnung der Existenzbereiche (p(O2), T) bzw. der abgeleiteten Redox-Potentiale oxidischer Festkörper wurde das Konzept einer elektrochemischen Spannungsreihe für Festkörper entwickelt. Auf der Grundlage dieser Prinzipien und mit der Anschaulichkeit der Diagramme der Spannungsreihe lassen sich die Redoxgleichgewichte von Festkörperreaktionen beliebiger Kombination der Elemente M und M’ in einfacher Weise abschätzen. Über die Prinzipien druckabhängiger Gleichgewichtsbeziehungen zwischen kondensierten Bodenkörpern und der Gasphase in einem Gleichgewichtsraum hinaus wurden auch die Mechanismen von Bodenkörper-Gasphasen-Gleichgewichten zwischen zwei miteinander verbundenen Gleichgewichtsräumen untersucht. Neben den bekannten Erscheinungen der Sublimation und Zersetzungssublimation wurde ein neuer Reaktionsmechanismus des Chemischen Transports mit theoretischen Hintergründen, thermodynamischen Modellierungen und experimentellen Beispielen als Auto- oder Selbsttransport beschrieben. / The planning of solid-state synthesis includes beside the areas of composition x a thorough assessment of the existence ranges (p, T) of the new phases. The form of presentation of the phase equilibria in phase barograms follows from the thermodynamic relations of the gas-phase reactions (Kp, G(T)) as a lg(p) - 1/T - diagram. For simple constitution types of phase diagrams and barograms a summary was presented. Apart from the dependence of the existence of solids from the total pressure essential conditions of the phase formation can be deduced from the partial pressure behaviour of the components. The oxygen partial pressure p(O2) is accordingly essential for the formation of phase pure oxides. For global classification of the existence ranges (p(O2), T) and the derived redox potentials of oxidic solids, the concept of an electromotive series for solids has been originated. On the basis of these principles, and with the clarity of the diagrams of the voltage range the redox balance of solid state reactions of any combination of elements M and M' in a simple way is to estimate. In addition to the principles of pressure equilibria between condensed materials and the gas phase in only one equilibrium range the mechanisms of solid - gas equilibria between two interconnected ranges were also described. Besides the well-known phenomena of sublimation and decomposition sublimation a new reaction mechanism of the chemical transport was evaluated as an Auto- or Selftransport with theoretical backgrounds, thermodynamic modelling and experimental examples.

Organic electrochemical transistors (OECTs) based on Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonic acid) (PEDOT:PSS) are a benchmark system in organic bioelectronics. In particular, the superior mechanical properties and the ionic-electronic transduction yield excellent potential for the field of implantable or wearable sensing technology. However, depletion-mode operation PEDOT:PSS-based OECTs cause high static power dissipation in electronic circuits, limiting their application in electronic systems. Hence, having control over the threshold voltage is of utmost technological importance. Here, PEDOT:PSS-based dual-gate OECTs with solid-state electrolyte where the threshold voltage is seamlessly adjustable during operation are demonstrated. It is shown that the degree of threshold voltage tuning linearly depends on the gate capacitance, which is a straightforward approach for circuit designers to adjust the threshold voltage only by the device dimensions. The PEDOT:PSS-based dual-gate OECTs show excellent device performance and can be pushed to accumulation-mode operation, resulting in a simplified and relaxed design of complementary inverters.

In dieser Arbeit wurden zwei Messaufbauten für die online Gasanalyse von elektrochemischen Reaktionen entwickelt und im Hinblick auf ihre Unterschiede und Gemeinsamkeiten sowie auf den Designprozess im Allgemeinen verglichen: Differenzielle elektrochemische Massenspektrometrie (DEMS) zur Untersuchung von Nebenreaktionen in Natriumionenbatterien (SIBs). Verschiedene Designansätze aus der Literatur wurden verglichen, um den für die Anwendung in SIBs am besten geeigneten zu finden. Danach wurde ein selbst entwickeltes Design implementiert und validiert. Für die Datenauswertung wird ein neuartiger Ansatz für DEMS in Alkaliionenbatterien vorgestellt, der eine interne Validierung der Ergebnisse ermöglicht. Eine Zusammenfassung der Literatur über bekannte Reaktionen, die zur Gasbildung in Alkali-Ionen-Batterien führen, wird als Referenz die Gasentwicklung in den in dieser Arbeit untersuchten Materialien herangezogen. Das System wird zur Messung der Gasentwicklung verschiedener Elektrodenmaterialien in Halbzellenkonfiguration und zur Bewertung des Zusammenspiels einiger Elektroden in Vollzellenkonfiguration verwendet. Bei den untersuchten Materialien handelt es sich um: Natrium-Mangan-Nickeloxid (NaMNO), Natrium-Vanadium-Phosphat (NVP), Preußisch Weiß (PW), Graphit und Hartkohlenstoff. Als Elektrolyte wurden überwiegend 1M NaPF6 in Diglyme (2G), bzw. Propylencarbonat (PC) verwendet. Das zweite System ist eine rotierende Scheibenelektrode in Verbindung mit Gaschromatographie (RDE-GC). Es wurde entwickelt, um kinetische Effekte bei der elektrokatalytischen CO2-Reduktion an Kupferelektroden zu untersuchen. Die Korrelation von Massentransporteigenschaften und der Gasproduktanalyse kann Aufschluss über die Massentransportabhängigkeit von Selektivität und Aktivität der Reaktion geben. Hier wird die Gasanalyse genutzt, um die elektrochemischen Daten in Teilstromdichten zu dekonvolutieren, die unter definierten Stofftransportbedingungen zur Bildung verschiedener Produkte führen. / In this thesis two independent measurement setups for online gas analysis, in electrochemical reactions are developed and compared in terms of their differences and similarities and on the design: Differential electrochemical mass spectrometry (DEMS) for the investigation of side reactions in sodium-ion batteries (SIBs). Different design approaches from literature are evaluated to find the most suitable for the application in SIBs. After that a custom design is implemented and validated. A novel approach to DEMS in alkali-ion batteries for the data evaluation is presented, that enables internal verification of the results. Known reactions that lead to gas formation in alkali-ion batteries are reviewed form the literature, as a reference to discuss the gas evolution found in materials investigated. The system is used to measure the gas evolution of different electrode materials in half-cell configuration, and to evaluate the interplay of some of the electrodes in full-cell configuration. Materials that are studied are: sodium manganese nickel oxide (NaMNO), sodium vanadium phosphate (NVP), prussian white (PW), graphite and hard carbon. To do that two model electrolytes were selected 1M NaPF6 in diglyme (2G) and propylene carbonate (PC). The second system is a rotating disc electrode coupled with gas chromatography (RDE-GC). It is designed to study kinetic effects on the electrocatalytic CO2 reduction (CO2RR) on copper electrodes. The correlation of defined mass transport properties and gas product analysis can give insight into the mass transport dependencies on the selectivity and activity of the reaction. Here the gas analysis is used to deconvolute the electrochemical data into partial current densities, that lead to the formation of different products, under defined mass transport conditions. While some challenges remain, preliminary data that underlines the capability of such system as well as the findings on how to design such a system are presented.

Ziel dieser Arbeit war es, die Morphologie und mechanischen Eigenschaften von einzelnen nativen Typ-I-Kollagenfibrillen bei verschiedenen Umgebungsbedingungen zu untersuchen. Um auf der Nanometerskala die mechanischen Eigenschaften der Fibrillenoberfläche und des Fibrillenvolumens bestimmen zu können, wurde die dynamische (MUSIC-Mode) und statische (FD) Rasterkraftmikroskopie (engl.: Atomic-Force-Microscopy – AFM) genutzt. Die dynamische Spektroskopie erlaubte Rückschlüsse auf die Änderung der mechanischen Eigenschaften von Oberflächen (unter Einbeziehung der ersten 10 nm) bei Variation der Umgebungsbedingungen, wohingegen die statische Kraftspektroskopie Einblicke in das mechanische Verhalten der Volumenphase des Materials (Bulk) gestattete. Es wurden einzelne ovine (vom Schaf stammende) Kollagenfibrillen hinsichtlich ihrer mechanischen und morphologischen Veränderung als Folge von variierten Umwelteinflüssen (Salzkonzentrations-änderung des umgebenden Mediums sowie beim Durchlaufen des Peroxo-essigsäure/Ethanol-Sterilisationsprozesses) untersucht. Im Einzelnen konnte mit dem MUSIC-Mode-AFM und der FD-Spektroskopie die Denaturierung einer Kollagenfibrille in Abhängigkeit der Salzkonzentration beobachtet werden. Ebenfalls konnte mittels der MUSIC-Mode und der FD-Spektroskopie für mehrere Fibrillen unterschiedlichen Durchmessers nachgewiesen werden, dass während des Entfettungsschrittes des Peroxoessigsäure/Ethanol-Sterilisationsprozesses irreversible Veränderungen ihres Quellverhaltens sowie ihrer mechanischen Eigenschaften auftreten.:1 Einleitung ...................................................................................... 8 2 Zielstellungen dieser Arbeit .......................................................... 9 3 Kollagen ...................................................................................... 10 3.1 Aufbau und Struktur .......................................................................... 10 3.2 Die Rolle des Wassers und der Einfluss des Salzes auf die mechanischen Eigenschaften von Kollagen .......................................... 14 3.3 Einfluss der Sterilisation auf Kollagen ................................................ 20 3.4 Bisherige Untersuchungen von Kollagen mit dem AFM – Stand der Technik .................................................................. 24 4 Methoden .................................................................................... 29 4.1 Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope–AFM) .................... 29 4.1.1 Statische Kraftspektroskopie ........................................................... 33 4.1.2 Dynamische Kraftspektroskopie ...................................................... 35 4.1.3 Kontaktmodelle ............................................................................... 39 4.1.4 Spitze-Probe Wechselwirkungen ...................................................... 41 4.2 Infrarotspektroskopie [152] .................................................................. 48 4.2.1 Funktionsweise des ATR-FTIR ....................................................... 50 4.2.2 IR-Spektroskopie an Proteinen ........................................................ 51 5 Experimenteller Teil ................................................................... 53 5.1 Herstellung der Kollagenproben .......................................................... 53 5.2 Durchführung der AFM-Messungen .................................................... 53 5.2.1 Durchführung der AFM-Messung zum Kapitel „Einfluss der NaCl-Konzentration auf Typ-I-Kollagen“ ................................................. 54 5.2.2 Durchführung der Untersuchungen zum Sterilisationsprozess ......... 55