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.

In this paper, we propose strain-sensitive thin films based on chemically reduced graphene oxide (GO) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) without adding any further surfactants. In spite of the insulating properties of the thin-film-based GO due to the presence functional groups such as hydroxyl, epoxy, and carbonyl groups in its atomic structure, a significant enhancement of the film conductivity was reached by chemical reduction with hydro-iodic acid. By optimizing the MWCNT content, a significant improvement of electrical and mechanical thin film sensitivity is realized. The optical properties and the morphology of the prepared thin films were studied using ultraviolet-visible spectroscopy (UV-Vis) and scanning electron microscope (SEM). The UV-Vis spectra showed the ability to tune the band gap of the GO by changing the MWCNT content, whereas the SEM indicated that the MWCNTs were well dissolved and coated by the GO. Investigations of the piezoresistive properties of the hybrid nanocomposite material under mechanical load show a linear trend between the electrical resistance and the applied strain. A relatively high gauge factor of 8.5 is reached compared to the commercial metallic strain gauges. The self-assembled hybrid films exhibit outstanding properties in electric conductivity, mechanical strength, and strain sensitivity, which provide a high potential for use in strain-sensing applications.

In this paper, we propose strain-sensitive thin films based on chemically reduced graphene oxide (GO) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) without adding any further surfactants. In spite of the insulating properties of the thin-film-based GO due to the presence functional groups such as hydroxyl, epoxy, and carbonyl groups in its atomic structure, a significant enhancement of the film conductivity was reached by chemical reduction with hydro-iodic acid. By optimizing the MWCNT content, a significant improvement of electrical and mechanical thin film sensitivity is realized. The optical properties and the morphology of the prepared thin films were studied using ultraviolet-visible spectroscopy (UV-Vis) and scanning electron microscope (SEM). The UV-Vis spectra showed the ability to tune the band gap of the GO by changing the MWCNT content, whereas the SEM indicated that the MWCNTs were well dissolved and coated by the GO. Investigations of the piezoresistive properties of the hybrid nanocomposite material under mechanical load show a linear trend between the electrical resistance and the applied strain. A relatively high gauge factor of 8.5 is reached compared to the commercial metallic strain gauges. The self-assembled hybrid films exhibit outstanding properties in electric conductivity, mechanical strength, and strain sensitivity, which provide a high potential for use in strain-sensing applications.

Kohlenstoff 2D-Nanoschichten wie Graphen und Graphenoxid sind vielversprechend, aber schwierig in Bezug auf multivalente Wechselwirkungen zu kontrollieren. Das Verständnis, wie neuartige Funktionalisierungsmethoden die Geometrie, Wechselwirkungen und elektronischen Eigenschaften der Graphenblätter beeinflussen, ist der Schwerpunkt dieser Arbeit. Diese Arbeit untersucht zwei Methoden zur Modifikation von 2D-Graphennanoschichten: "Graft to" und "Graft from" Techniken, unter Verwendung von „[2+1] Nitren-Cycloaddition“ und ringöffnender Polymerisation von Glycerin, zusätzlich zum Wachstum von 2D-Triazin-Kohlenstoffstrukturen. Diese modifizierten Nanoschichten wurden hinsichtlich ihrer Wechselwirkung mit dem Vesikulären Stomatitis-Virus (VSV) und ihrer Zweidimensionalität mittels Rastersondenmikroskopie und Raman-Spektroskopie untersucht. Die Studie zeigt das Potenzial funktionalisierter Graphen in der Virologie und liefert Einblicke für zukünftige Forschungen. Ergebnisse zeigten, dass funktionalisierte 2D-TRGO an VSV-Partikel bindet und flexibel genug bleibt, um auf einer flachen Glimmeroberfläche Falten zu bilden, aber sie können die Virushüllen nicht vollständig umschließen. Dies liegt an den hohen Energiekosten für das Biegen großer lateraler Dimensionen (~1-2 μm) im Vergleich zur 200 nm Länge der VSV-Partikel. Eine optimale laterale Dimension von ~300 nm für funktionalisierte 2D-TRGO-Blätter maximiert virale Wechselwirkungen, Hemmungseffizienz und Anzeichen viraler Umhüllung. Triazin, ein Schlüsselmolekül in der Funktionalisierung, kann zur Herstellung von 2D-Triazin-Strukturen im Gramm-Maßstab verwendet werden. Potenzielle Anwendungen funktionalisierter Graphene umfassen spezialisierte antivirale Therapien und die Verwendung als Plattform für antivirale Medikamente. Zudem zeigten die Ergebnisse minimale Störungen der elektronischen Struktur von Graphen durch Triazin-Funktionalisierung. / Carbon-based 2D nanosheets like graphene and graphene oxide are promising but challenging to control in terms of multivalent interactions. Understanding how novel functionalization methods affect graphene sheets' geometry, interaction specificity and electronic properties is the focus of this thesis, which is crucial for advancing the design of 2D nanomaterials. This thesis examines two novel methods for modifying 2D graphene nanosheets: "graft to" and "graft from" techniques, using [2+1] nitrene cycloaddition reactions and ring-opening multibranch polymerization of glycerol in addition to in plane growth of 2D triazine -carbon based structures. These modified nanosheets were studied for their interaction with vesicular stomatitis virus (VSV) and their two-dimensionality using scanning probe microscopy methods and Raman spectroscopy. The study highlights the potential of functionalized graphene nanosheets in virology and provides insights for future research. Results revealed that functionalized 2D TRGO binds to VSV particles and remains flexible enough to wrinkle on a flat mica interface but they cannot completely wrap the viral envelopes. This is due to the high energy cost of bending large lateral dimensions (~1-2μm) compared to the 200 nm length of VSV particles. An optimum lateral dimension of ~300 nm for functionalized 2D TRGO sheets was found to maximize viral interactions, inhibition efficiency, and signs of viral envelopment. Triazine, a key molecule in functionalization, can also be used to create 2D triazine structures on a gram scale. Functionalized graphene's potential applications include specialized antiviral therapies, such as targeted therapies exploiting multivalent interactions between viruses and cellular receptors, and using functionalized graphene as a delivery platform for antiviral drugs. Additionally, results showed minimal disturbance of graphene electronic structure via Triazine functionalization.

Das Verhalten von durch Graphen oder Graphenoxid (GO) begrenzten Molekülen hat sich, bedingt durch die bemerkenswerten strukturellen und optischen Eigenschaften dieser quasi-zweidimensionalen Materialien, als vielversprechendes Forschungsfeld erwiesen. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf das Hydrationsverhalten von GO und das Verhalten kleiner, von Graphen begrenzter Moleküle. In dieser Arbeit wurde auf Rasterkraftmikroskopie (SFM) zurückgegriffen, um die GO-Hydration zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen ein graduelles bzw. stufenweises Ansteigen des durchschnittlichen Schichtabstands für relative Luftfeuchtigkeiten (RH) unter halb von 80%, beziehungsweise in flüssigem Wasser. Diese experimentellen Beobachtungen stimmen mit den XRD an vielschichtigem GO in der Literatur überein. Die hier gezeigten Ergebnisse lassen jedoch den angenommenen Einlagerungseffekt, bei der Hydrierung von GO bei geringer RH, außen vor. Stattdessen wird die allmähliche Ausdehnung der kontinuierlichen Einlagerung von Wassermolekülen in den einzelnen GO-Schichten zugeschrieben, während die stufenweise Ausdehnung im komplett in Wasser getauchten Zustand auf das Eindringen einer ganzen Wassermonolage zurückgeführt wird. Andererseits könnte die Grenzfläche zwischen Graphen und dem Substrat ein begrenztes elektrisches Feld aufweisen, das ein weit verbreitetes, auf Ladungstransfer an Grenzflächen zurückzuführendes Phänomen darstellt. Die vorliegende Arbeit behandelt dieses Thema unter Nutzung von Rhodamin 6G (R6G) als Molekül zwischen Graphen und Glimmer, die es begrenzen. Eine Rot-Verschiebung der R6G-Maxima bei geringer RH wird sowohl auf elektrische Felder, die sich auf die Moleküle auswirken, als auch auf mechanische Deformationen der R6G-Struktur an der Grenzschicht zurückgeführt. Die Stärke des elektrischen Feldes wird anhand des Graphen-Raman-Spektrums auf etwa 1 V/nm abgeschätzt. / The behavior of molecules confined by graphene or graphene oxide (GO) has proven to be a promising area of research owing to the remarkable structural and optical properties of these quasi two-dimensional materials. This thesis focuses on the hydration behavior of GO and the behavior of small molecules confined by graphene. In this work, scanning force microscopy (SFM) has been employed to investigate the hydration of GO. The results show a gradual and a step-like increase of the average interlayer distance for relative humidities (RH) below 80% and in liquid water, respectively. These experimental observations are consistent with XRD results on multilayered graphite oxide as reported in the literature. However, the results presented here exclude the postulated interstratification effect, for hydration of GO at low RH. Instead, the gradual expansion is attributed to the continuous incorporation of water molecules into single GO layers, while the step-like expansion when completely immersed in water, is attributed to the insertion of a full monolayer of water. On the other hand, the interface between graphene and its substrate may exhibit a confined electric field, a common phenomenon due to charge transfer at interfaces. In this work, this subject is addressed using Rhodamine 6G (R6G) as a probe molecule confined between graphene and mica. A red shift of the RG6 peaks at low RH is argued to be due to both, electric fields acting on the molecules and mechanical deformation of the R6G structure at the interface. The strength of the field is estimated from the graphene Raman spectra to be on the order of 1 V/nm.