A prevalent morphology in the microscopic world of artificial microswimmers, bacteria and viruses is that of a helix. The intriguingly different physics at play at the small scale level make it necessary for bacteria to employ swimming strategies different from our everyday experience, such as the rotation of a helical filament. Bio-inspired microswimmers that mimic bacterial locomotion achieve propulsion at the microscale level using magnetically actuated, rotating helical filaments. A promising application of these artificial microswimmers is in non-invasive medicine, for drug delivery to tumours or microsurgery. Two crucial features need to be addressed in the design of microswimmers. First, the ability to selectively control large ensembles and second, the adaptivity to move through complex conduit geometries, such as the constrictions and curves of the tortuous tumour microvasculature. In this dissertation, a mechanics-based selective control mechanism for magnetic microswimmers is proposed, and a model and simulation of an elastic helix passing through a constricted microchannel are developed. Thereafter, a theoretical framework is developed for the propulsion by stiff elastic filaments in viscous fluids. In order to address this fluid-structure problem, a pertubative, asymptotic, elastohydrodynamic approach is used to characterise the deformation that arises from and in turn affects the motion. This framework is applied to the helical filaments of bacteria and magnetically actuated microswimmers. The dissertation then turns to the sub-bacterial scale of bacteriophage viruses, 'phages' for short, that infect bacteria by ejecting their genetic material and replicating inside their host. The valuable insight that phages can offer in our fight against pathogenic bacteria and the possibility of phage therapy as an alternative to antibiotics, are of paramount importance to tackle antibiotics resistance. In contrast to typical phages, flagellotropic phages first attach to bacterial flagella, and have the striking ability to reach the cell body for infection, despite their lack of independent motion. The last part of the dissertation develops the first theoretical model for the nut-and-bolt mechanism (proposed by Berg and Anderson in 1973). A nut being rotated will move along a bolt. Similarly, a phage wraps itself around a flagellum possessing helical grooves, and exploits the rotation of the flagellum in order to passively travel along and towards the cell body, according to this mechanism. The predictions from the model agree with experimental observations with respect to directionality, speed and the requirements for succesful translocation.

La microscopie à force atomique (AFM) permet d’étudier à l’échelle nanométrique la surface d’échantillons. Elle offre de nombreux avantages par rapport aux microscopes optiques et aux microscopes électroniques, tout en évitant des étapes de préparation particulières : pas de nécessité de congeler, de métalliser ou de teinter l’échantillon ni de travailler sous vide. La résolution de l'imagerie AFM est principalement déterminée par la morphologie de la sonde utilisée et peut atteindre la résolution moléculaire. Toutefois, les sondes en silicium sont très fragiles. De plus, leur forme pyramidale ou conique génère des artefacts sur l’image résultante. Parmi les sondes actuellement en développement, les sondes à nanotubes de carbone mono-paroi offrent de bonnes caractéristiques en termes de qualité d'imagerie et de longévité. Ces sondes sont plus résistantes et de plus petite taille que les sondes traditionnelles.Cette thèse s’intéresse à la fabrication directe de sondes à nanotubes mono-paroi sur des extrémités de pointes AFM commerciales par la méthode de dépôt chimique en phase vapeur assistée par filament chaud dans un réacteur développé au CBMN. En jouant sur les paramètres de synthèse, tels que la quantité de catalyseur ou la température, nous optimisons le protocole de synthèse originel en collaboration avec son auteur Anne-Marie Bonnot afin de l’adapter à notre réacteur. Les nanotubes obtenus sont caractérisés par les microscopies Raman, électronique à balayage et transmission et à force atomique. La caractérisation montre que les nanotubes obtenus ont une structure mono-paroi. Le rendement d’obtention de sondes nanotubes utilisables est de 30%.Les courbes d’approche-retrait d'AFM nous donnent des informations sur la sonde à nanotube utilisée, telles que sa raideur, le nombre de nanotubes en contact avec la surface. Ces courbes nous permettent de sélectionner les paramètres d’imagerie. Deux échantillons sont testés avec les sondes produites : du graphite pyrolytique haute orientation et des origamis d’ADN rectangulaires. Nous réalisons des expériences d’imagerie avec des sondes à nanotube dans l’air en mode dynamique FM et en milieu liquide en mode Peak Force. Les résultats montrent des images à haute résolution de l’origami d’ADN où la période de 5,8 nm est observable. Les sondes à nanotube présentent également une plus longue durée de vie que les pointes AFM en silicium. / Atomic force microscopy (AFM) is used to study at nanometer scale samples on surfaces. It offers many advantages over conventional optical microscopes and electron microscopes: no freezing, metal coating, vacuum or dye is needed to prepare the sample. The AFM imaging resolution is mostly determined by the sharpness of the used probe and can reach molecular resolution. However, silicon probes are brittle. Additionally, their pyramidal or conical shape generates artifacts on the resulting image. Among the probes currently under development, single-walled carbon nanotube probes offer good characteristics in terms of imaging quality and longevity. These probes are more resistant and smaller in size than traditional probes.This thesis focuses on the direct fabrication of single-wall nanotube probes at the apex of commercial AFM tips by the hot-filament chemical vapor deposition method in a reactor developed at CBMN. By playing on the synthesis parameters, such as the amount of catalyst or the temperature of synthesis, we optimize the original synthesis protocol in collaboration with its author Anne-Marie Bonnot in order to adapt it to our reactor. The nanotubes obtained are characterized by Raman, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy and AFM. The characterization shows that the nanotubes obtained have a single-wall structure. The yield of nanotube probes for AFM is 30%.AFM approach-retract curves give us information about the nanotube probe used, such as its stiffness or the number of nanotubes in contact with the surface. These curves allow us to select the imaging parameters. Two samples are tested with the produced probes: highly oriented pyrolytic graphite and rectangular DNA origamis. We image the samples with nanotube probes in both air with dynamical FM mode and in liquid medium with Peak Force mode. The results show high resolution images of DNA origami where the 5.8 nm period is observable. Nanotube probes also have longer life than silicon AFM tips.

The paper presents a meso-scopic modeling framework for the simulation of three-phase composite consisting of a brittle cementitious matrix and reinforcing AR-glass yarns impregnated with epoxy resin. The construction of the model is closely related to the experimental program covering both the meso-scale test (yarn tensile test and double sided pull-out test) and the macro-scale test in the form of tensile test on the textile reinforced concrete specimen. The predictions obtained using the model are validated using a-posteriori performed experiments.

Diese Arbeit befasst sich mit Hochleistungsdioden aus den Halbleitermaterialen Silizium und Siliziumkarbid. Analysiert werden die statischen und dynamischen Schalteigenschaften. Bei den SiC-Bauelementen handelt es sich um unipolare Schottky-Dioden und bei den Silizium-Dioden um bipolare pin-Dioden. Bei den SiC-Schottky-Dioden liegt der Schwerpunkt auf der Analyse des statischen Durchbruchverhaltens von Randstrukturen und auf der Untersuchung der Selbsterwärmung bei Einzel- und Mehrpulsbelastung. Bei den bipolaren Silizium-Dioden wird das Durchbruchverhalten bei niedrigen und hohen Stromdichten untersucht. Aus den Sperrcharakteristiken, die positiv und negativ differentielle Widerstandsäste aufweisen, lassen sich Schlussfolgerungen auf das dynamische Verhalten ziehen. Das Abschaltverhalten (reverse recovery) der mit Plasma überschwemmten Bauelemente wird zuerst im Hinblick auf den Einfluss von Strukturparametern untersucht, um die prinzipiellen Einflussgrößen zu erläutern. Dann folgen die Ergebnisse zur Filamentbildung, die bei den hohen Belastungen der Bauelemente während des Kommutierungsprozesses auftreten können. Die auftretenden Filamentstrukturen werden analysiert und - soweit möglich - Einflussgrößen herausgearbeitet. Schließlich wird noch auf den Einfluss von Randstrukturen auf das Filamentierungsverhalten, die als Inhomogenität in jedem Bauelement vorhanden sind, eingegangen.

Die Arbeit befasst sich mit einem neuen textilverstärkten Zugmittel mit formschlüssiger Krafteinleitung. Im Grundlagenteil werden Aufbau, Eigenschaften und Dimensionierungsgrundlagen von Rollenketten und Zahnriemenantrieben erörtert, sowie textile und elastomere Werkstoffe betrachtet. Aus den Betrachtungen zum Stand der Technik, der Maschenware mit hochfesten Filamentgarnen und deren polymeren Beschichtungen wird der Entwicklungsansatz abgeleitet. Mit Hilfe eines Spezialkettenwirkverfahrens werden die textilen Zugträger als Recht/Links-Maschenware hergestellt. Das besondere daran ist die teilungsgenaue Einbindung der Bolzen in die Maschenstruktur bei der Fertigung. Eine anschließende elastomere Beschichtung verbessert die mechanischen Eigenschaften erheblich und fixiert die Bolzen axial. Dabei werden reaktive Polyurethane im Gießverfahren und thermoplastische Elastomere im Spritzgießverfahren eingesetzt. Drei ausgewählte textile Bindungen mit verschiedenen Beschichtungen wurden statisch und dynamisch, anhand von Proben und endlos verbundenen Zugmitteln, ausführlich untersucht. Die daraus abgeleiteten Bauteil-Wöhlerlinien und Leistungsdiagramme bilden die Grundlage zur Auslegung der textilverstärkten Zugmittel für Anwendungen im Maschinenbau. / The dissertation deals with a new textile reinforced with form-closed force application. The basis of structure, properties and sizing basics of roller chain drives and belt drives are discussed and considered textile and elastomeric materials. From consideration of the prior art, the knitted fabric with high tenacity filament of polymeric coatings and their development approach is derived. Using a special knitting process, the textile chain tension members are produced as a right / left-knit fabric. The special thing about it is the exact distribution of involvement of the pins in the mesh structure during manufacturing. Subsequent elastomeric coating significantly improves the mechanical properties and fixes the bolt axially. These reactive polyurethanes by casting and thermoplastic elastomers are used in injection molding. Three selected textile bonds with different coatings were statically and dynamically examine in detail the basis of samples and associated endless traction means. The derived component S/N curves and performance charts are the basis for the design of textile-reinforced tension means for applications in mechanical engineering.

Diese Arbeit befasst sich mit Hochleistungsdioden aus den Halbleitermaterialen Silizium und Siliziumkarbid. Analysiert werden die statischen und dynamischen Schalteigenschaften. Bei den SiC-Bauelementen handelt es sich um unipolare Schottky-Dioden und bei den Silizium-Dioden um bipolare pin-Dioden. Bei den SiC-Schottky-Dioden liegt der Schwerpunkt auf der Analyse des statischen Durchbruchverhaltens von Randstrukturen und auf der Untersuchung der Selbsterwärmung bei Einzel- und Mehrpulsbelastung. Bei den bipolaren Silizium-Dioden wird das Durchbruchverhalten bei niedrigen und hohen Stromdichten untersucht. Aus den Sperrcharakteristiken, die positiv und negativ differentielle Widerstandsäste aufweisen, lassen sich Schlussfolgerungen auf das dynamische Verhalten ziehen. Das Abschaltverhalten (reverse recovery) der mit Plasma überschwemmten Bauelemente wird zuerst im Hinblick auf den Einfluss von Strukturparametern untersucht, um die prinzipiellen Einflussgrößen zu erläutern. Dann folgen die Ergebnisse zur Filamentbildung, die bei den hohen Belastungen der Bauelemente während des Kommutierungsprozesses auftreten können. Die auftretenden Filamentstrukturen werden analysiert und - soweit möglich - Einflussgrößen herausgearbeitet. Schließlich wird noch auf den Einfluss von Randstrukturen auf das Filamentierungsverhalten, die als Inhomogenität in jedem Bauelement vorhanden sind, eingegangen.

The paper presents a meso-scopic modeling framework for the simulation of three-phase composite consisting of a brittle cementitious matrix and reinforcing AR-glass yarns impregnated with epoxy resin. The construction of the model is closely related to the experimental program covering both the meso-scale test (yarn tensile test and double sided pull-out test) and the macro-scale test in the form of tensile test on the textile reinforced concrete specimen. The predictions obtained using the model are validated using a-posteriori performed experiments.

Die Arbeit befasst sich mit einem neuen textilverstärkten Zugmittel mit formschlüssiger Krafteinleitung. Im Grundlagenteil werden Aufbau, Eigenschaften und Dimensionierungsgrundlagen von Rollenketten und Zahnriemenantrieben erörtert, sowie textile und elastomere Werkstoffe betrachtet. Aus den Betrachtungen zum Stand der Technik, der Maschenware mit hochfesten Filamentgarnen und deren polymeren Beschichtungen wird der Entwicklungsansatz abgeleitet. Mit Hilfe eines Spezialkettenwirkverfahrens werden die textilen Zugträger als Recht/Links-Maschenware hergestellt. Das besondere daran ist die teilungsgenaue Einbindung der Bolzen in die Maschenstruktur bei der Fertigung. Eine anschließende elastomere Beschichtung verbessert die mechanischen Eigenschaften erheblich und fixiert die Bolzen axial. Dabei werden reaktive Polyurethane im Gießverfahren und thermoplastische Elastomere im Spritzgießverfahren eingesetzt. Drei ausgewählte textile Bindungen mit verschiedenen Beschichtungen wurden statisch und dynamisch, anhand von Proben und endlos verbundenen Zugmitteln, ausführlich untersucht. Die daraus abgeleiteten Bauteil-Wöhlerlinien und Leistungsdiagramme bilden die Grundlage zur Auslegung der textilverstärkten Zugmittel für Anwendungen im Maschinenbau. / The dissertation deals with a new textile reinforced with form-closed force application. The basis of structure, properties and sizing basics of roller chain drives and belt drives are discussed and considered textile and elastomeric materials. From consideration of the prior art, the knitted fabric with high tenacity filament of polymeric coatings and their development approach is derived. Using a special knitting process, the textile chain tension members are produced as a right / left-knit fabric. The special thing about it is the exact distribution of involvement of the pins in the mesh structure during manufacturing. Subsequent elastomeric coating significantly improves the mechanical properties and fixes the bolt axially. These reactive polyurethanes by casting and thermoplastic elastomers are used in injection molding. Three selected textile bonds with different coatings were statically and dynamically examine in detail the basis of samples and associated endless traction means. The derived component S/N curves and performance charts are the basis for the design of textile-reinforced tension means for applications in mechanical engineering.

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It was found that a significant improvement of mechanical properties of CFRPs can be achieved by the adjustment of the matrix properties such as toughness and CF/matrix adhesion via the chemical modification, as well as the physical modification by a small amount of cheap and environment-friendly nano fibers. Based on investigation of fracture mechanisms at macro/micro scale, the effects of matrix properties and nano fiber on the mechanical properties of CFRP have been discussed. Subsequently, the relationship has been characterized by a numerical model to show how to modulate the parameters of the matrix properties to achieve excellent fatigue properties of CFRP. / 博士(工学) / Doctor of Philosophy in Engineering / 同志社大学 / Doshisha University