Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit lag auf der Synthese neuer binärer tetrelreicher Silicide und Germanide der Erdalkali- und Seltenerdmetalle. Die Verbindungen wurden unter Hochdruck-Hochtemperaturbedingungen mit einer Vielstempelpresse bei Drücken bis 15 GPa und Temperaturen bis 1500 K synthetisiert und umfassend charakterisiert. Im Rahmen dieser Arbeit konnten binäre Silicide und Germanide der Erdalkali- und Seltenerdmetalle, basierend auf der Analyse der auftretenden Strukturmotive, insbesondere in der anionischen Teilstruktur, und der Anzahl der homoatomaren Tetrel-Tetrel-Bindungen, klassifiziert werden. Sieben Gruppen können unterschieden werden: Strukturen mit dichtesten Packungen, isolierten Atomen und Tt2-Hanteln (und Vierecken), isolierten Polyanionen, Ketten und Bändern, Schichten und Netzwerken. Die letzte Gruppe kann weiter in die Untergruppen dreidimensionaler Netzwerke ohne unterscheidbare Polyanionen, mit unterscheidbaren Polyanionen und aus unterscheidbaren kondensierten Käfigen in der anionischen Teilstruktur eingeteilt werden. Bei den Verbindungen dieser Arbeit handelt es sich im Falle derer mit einer 1:3 Zusammensetzung um atomare Anordnungen mit kubisch dichtester Packung oder Schichtstrukturen. Die siliciumreicheren Verbindungen sind den Käfigverbindungen zuzuordnen. In den binären Systemen M-Tt (M = Ba, Sm, Lu) konnten die Tritetrele SmGe3, LuGe3 und BaSi3 erhalten werden. SmGe3 besitzt eine neue 2×2×2-Überstruktur des kubisch primitiven Cu3Au-Typs. Temperaturabhängige Messungen der magnetischen Suszeptibilität und des spezifischen elektrischen Widerstands zeigen metallisches Verhalten. LuGe3 ist isotyp zu DyGe3 und besitzt Ketten und Doppelschichten in der anionischen Ge-Teilstruktur. Messungen der magnetischen Suszeptibilität, der spezifischen Wärmekapazität und des spezifischen elektrischen Widerstands zeigen den Übergang in einen supraleitenden Zustand unterhalb einer Temperatur von 3.3(3) K. Um die Ge-Ketten mit im Vergleich zu elementaren Germanium langen Abständen dGe-Ge an Pulver- und Einkristalldaten näher zu charakterisieren, ist LuGe (FeB-Typ) mit dem Strukturmotiv eindimensionaler Germaniumketten als Referenzverbindung synthetisiert worden. Der Abstand in der eindimensionalen Germaniumkette steht in guter Übereinstimmung zu demjenigen in LuGe3 sowie zahlreicher weiterer Silicide und Germanide mit diesem Strukturmotiv. Die Bindungsanalyse der Ge-Ketten hat homoatomare Wechselwirkungen der Germaniumatome sowie heteroatomare Interaktionen unter Beteiligung von mehreren Lutetium- und Germaniumatomen ergeben. Im Falle von LuGe konnten sogar Hinweise auf Metall-Metall-Wechselwirkungen gefunden werden. Wechselwirkungen zwischen fünf Atomen konnten auch zwischen den Ge-Ketten und Lu in LuGe3 und zwischen dem jeweiligen Metallatom und den Tetrelschichten in BaSi3 bzw. -doppelschichten in LuGe3 gefunden werden. BaSi3 zeigt eine einzigartige atomare Anordnung, die als Deformationsvariante des CaGe3-Typs aufgefasst werden kann. Die Temperaturabhängigkeit des spezifischen elektrischen Widerstands und Messungen der magnetischen Suszeptibilität deuten auf metallisches Verhalten hin. In den binären Systemen Mg-Si und Sr-Si sind siliciumreiche Verbindungen mit kondensierten Käfigen in der anionischen Teilstruktur gefunden worden. Die Bestimmung der Kristallstruktur von MgSi5 mittels Elektronendiffraktion hat die Grundlage für die Phasenbestimmung im Prozess der Syntheseoptimierung gebildet, was die Synthese von für Röntgendiffraktionsexperimente geeigneten Einkristallen ermöglicht hat. Die Kristallstruktur von MgSi5 (Raumgruppe Cmme) stellt einen neuen Typ eines Netzwerks vierbindiger Siliciumatome dar, welche Si15-Käfige um die Magnesiumatome bildet. Zwei Arten kleinerer Si8-Käfige bleiben leer. Die atomaren Wechselwirkungen werden durch zwei-Zentren-Bindungen innerhalb des Siliciumnetzwerks charakterisiert. Zusätzlich gibt es Wechselwirkungen unter Beteiligung von mehreren Magnesium- und Siliciumatomen in den großen Käfigen. Die Verbindung ist diamagnetisch. Sr8Si46 ist isotyp zu Na8Si46 (Clathtrat-I). Die Charakterisierung der Struktur ist an Pulver- und Einkristalldaten durchgeführt worden. Die Bindungsanalyse zeigt neben konventionellen kovalenten Bindungen innerhalb des Siliciumnetzwerks zusätzliche Wechselwirkungen zwischen mehreren Strontium- und Siliciumatomen in den Käfigen. Physikalische Messungen belegen den Übergang in den supraleitenden Zustand bei Temperaturen unterhalb von 3.8(3) K. Bei Normaldruck zersetzen sich die Hochdruckphasen, mit Ausnahme von LuGe, exotherm in Randphasen, die im jeweiligen Phasendiagramm stabil sind, und belegen damit ihren metastabilen Charakter. Die systematische Analyse von Zusammensetzungen und Tetrelkonnektivitäten in Polyanionen binärer tetrelreicher Silicide und Germanide der Erdalkali- und Seltenerdmetalle hat eine Vielfalt von Motiven ergeben, deren Elektronenbilanz den klassischen Elektronenzählregeln nicht entspricht. Solche Grenzfälle zwischen Zintl-Phasen und intermetallischen Verbindungen können wichtige Einsichten in die chemische Bindung und Bausteine für die Entwicklung neuer Konzepte liefern. Diese Betrachtungen haben tetrelreiche Verbindungen mit der Zusammensetzung MTtx (M = Erdalkali- oder Seltenerdmetall, Tt = Si, Ge, x ≥ 3) als interessantes Arbeitsgebiet offenbart. Die Synthese dieser Verbindungen bedarf häufig Hochdruck-(Hochtemperatur)-Bedingungen. Während metallreiche Verbindungen meist dicht gepackte Strukturen aufweisen, in denen ionische Wechselwirkungen eine große Rolle spielen, wird die Bedeutung kovalenter Wechselwirkungen in tetrelreichen Verbindungen mit der Zusammensetzung MTtx (M = Erdalkali- oder Seltenerdmetall, Tt = Si, Ge, x ≥ 3) beispielsweise durch die Ähnlichkeit der normierten Volumina zu denen der entsprechenden Tetrele beleuchtet. Diese kovalenten Wechselwirkungen gehen meist mit metallischer Leitfähigkeit und in einigen Fällen mit Supraleitung einher. Zahlreiche dieser tetrelreichen Verbindungen überschreiten den Gültigkeitsbereich der 8-N-Regel und weisen keine elektronenpräzise Elektronenbilanz gemäß dem Zintl-Konzept auf. Die Untersuchung der interatomaren Abstände, Koordination und der chemischen Bindung schafft die Grundlage für die Entwicklung eines Konzepts zum Verständnis von Verbindungen, die sich an der Grenze zwischen Zintl-Phasen und intermetallischen Verbindungen befinden. Die Analyse der chemischen Bindung hat für die untersuchten Verbindungen Elektronenpaare offenbart, die in einem isolierten Molekül freien Elektronenpaaren entsprechen würden und die zu Wechselwirkungen zwischen der anionischen Partialstruktur und den Metallatomen beitragen.:Danksagung I 1. Einleitung 1 2. Grundlagen 3 2.1. Bindungskonzepte in polaren intermetallischen Phasen 3 2.1.1. Zintl-Klemm-Konzept 3 2.1.2. Quantenchemische Berechnungen zur Analyse der chemischen Bindung 4 2.2. Einfluss von Hochdruck- und Hochtemperaturbedingungen auf Materie 6 2.2.1. Hochdruck-Hochtemperaturmethoden im Überblick 8 2.2.2. Thermodynamische und kinetische Betrachtungen 10 2.2.3. Strukturelle Phasenumwandlungen unter Druck 12 2.2.4. Hochdruckmodifikationen der Tetrele 13 3. Methodik 15 3.1. Präparative Methoden 15 3.1.1. Edukte 15 3.1.2. Ausgangsverbindungen 15 3.1.3. Hochdruck-Hochtemperatur-Synthese 16 3.2. Charakterisierung 22 3.2.1. Thermische Analyse 22 3.2.2. Pulverröntgendiffraktometrie 22 3.2.3. Einkristallröntgendiffraktometrie 23 3.2.4. Chemische Analyse 23 3.2.5. Dichtebestimmung 24 3.2.6. Metallographische Analyse 24 3.2.7. Transmissionselektronenmikroskopie 25 3.2.8. Kernspinresonanzspektroskopie 26 3.2.9. Quantenchemische Berechnungen 27 3.2.10. Physikalische Eigenschaften 28 4. Ergebnisse 33 4.1. Strukturelle Klassifikation binärer Silicide und Germanide mit Erdalkaliund Seltenerdmetallen 33 4.2. SmGe3 38 4.2.1. Synthese 38 4.2.2. Charakterisierung 38 4.3. LuGe 45 4.3.1. Darstellung 45 4.3.2. Charakterisierung 45 4.4. LuGe3 51 4.4.1. Synthese 51 4.4.2. Charakterisierung 52 4.5. BaSi3 62 4.5.1. Darstellung 62 4.5.2. Charakterisierung 62 4.6. MgSi5 72 4.6.1. Synthese 72 4.6.2. Charakterisierung 73 4.7. Sr8Si46 80 4.7.1. Präparation 80 4.7.2. Charakterisierung 80 4.8. Diskussion 91 4.8.1. Dichteste Packung in SmGe3 91 4.8.2. Ketten in LuGe und LuGe3 93 4.8.3. Schichten in BaSi3 und LuGe3 94 4.8.4. Kristallchemischer Vergleich von dichtesten Packungen, isolierten Polyanionen, Ketten und Schichten in Tritetreliden 95 4.8.5. Käfigverbindungen MgSi5 und Sr8Si46 101 5. Vergleichende Diskussion binärer Silicide und Germanide der Erdalkali- und Seltenerdmetalle 105 6. Zusammenfassung 113 Literaturverzeichnis 117 Abkürzungs- und Symbolverzeichnis 153 Abbildungsverzeichnis 157 Tabellenverzeichnis 167 Publikationen 169 Lebenslauf 171 Beiträge zu dieser Arbeit 173 A. Anhang 175 A.1. Grundlagen 175 A.1.1. Hochdruckmodifikationen der Tetrele 175 A.1.2. Bekannte binäre Silicide und Germanide mit Erdalkali- und Seltenerdmetallen 175 A.2. Methodik 179 A.2.1. Edukte 179 A.3. Ergebnisse 179 A.3.1. Sm3Ge5 179 A.3.2. SmGe3 181 A.3.3. MgSi5 181 A.4. Vergleichende Diskussion der binären Silicide und Germanide dieser Arbeit 182 B. Anhang 183 B.1. Ergebnisse 183 B.1.1. SmGe3 183 B.1.2. LuGe 185 B.1.3. LuGe3 188 B.1.4. BaSi3 192 B.1.5. MgSi5 195 B.1.6. Sr8Si46 203 Eidesstattliche Erklärung 210

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Anwendung der Kernmagnetresonanz (NMR) unter extremen Drücken bis 101 kbar. Es wird gezeigt, dass die Empfindlichkeit von NMR Experimenten unter hohen Drücken in Diamantstempel- und ähnlichen Hochdruckzellen im Vergleich zu früheren experimentellen Versuchsanordnungen durch Verwendung von Mikrospulen um mehrere Größenordnungen verbessert werden kann. Die neue Versuchsanordnung wird dann zum einen bei der Untersuchung der Druckabhängigkeit elektronischer Eigenschaften von metallischem Aluminium bis 101 kbar verwendet. Zum anderen wird damit der Pseudogap des Hochtemperatursupraleiters YBa2Cu4O8 bei Drücken bis zu 63 kbar untersucht.

Kinetic inactivation of factor XIIIa and MTG were performed in a pressure range from 0.1 to 400 MPa at 40°C within a time from 0 to 60 min in a TRIS-acetate buffer at pH 6.0. The inactivation of both enzymes at these conditions followed a first order reaction model. The high inactivation rate constant of 26.6 x10-3/min-1 for factor XIIIa at low pressure (50 MP) indicated that this enzyme is much easier to inactivate than MTG, which achieved an inactivation rate constant value of 9.7 x10-3/min at higher pressure (200 MPa). An inactivation volume of –10.17±0.5 cm3/mol confirmed that MTG is very stable under high pressure. The stability of MTG under high pressure and thermal treatment was related to its conformational changes. Enzyme inactivation was accompanied by secondary and tertiary structure changes until an irreversible protein precipitation is achieved. The tertiary structure, represented by circular dichroism spectra in the aromatic region showed differences among native and MTG samples treated under high pressure, as well as at elevated temperature. Tyrosine bands, indicating protein unfolding, increased proportionally with increasing pressure treatment above 400 MPa. Nevertheless, compared to pressure, a maximal enhancement could be observed after thermal treatment at 0.1 MPa at 80°C. That demonstrated the exposure of hydrophobic groups to the protein surface with a concomitant protein unfolding. The spectra in the far ultraviolet region showed that increasing high pressure and high temperature lead to alterations in the secondary structure. The mathematical algorithms CONTIN used to calculate secondary structures stated that the 24.5% of alpha-helix of native MTG decreased to 17.2% after a treatment at 400 MPa at 40°C for 60 min and to 6.5% after a treatment at 0.1 MPa at 80°C for 2 min. However, beta-strand structures remained relatively stable after these several treatments. MTG is arranged in a way that the active site is located between beta-strand domains that are surrounded by alpha-helices, the results of this investigation suggested that MTG activity is related with the relative stability of alpha-helix and the outstanding stability of the central beta-strand structure. The irreversible precipitated protein observed at 600 MPa at 40°C for 60 min and 0.1 MPa at 80°C for 2 min was caused principally by the formation of disulfides bonds, because high pressure and high thermal treatment lead to the exposition of the Cys64 residue towards the solvent with the subsequent ability to react with neighbouring cysteine residues. Furthermore, the reaction between protein and reducing sugars resulted in the formation of Maillard products. Furosine, as an indicator of the early stages of Maillard reaction was measured. Concentration values of 261.0 mg/g protein from samples treated at 600 MPa and 40°C and 238.5 mg/g protein from samples treated at and 0.1 MPa and 80°C for 2 min were obtained. Pentosidine a subsequent product observed in the advanced Maillard reaction was also present. Concentrations of 13.7 and 6.7 mg/g protein were obtained in the samples treated at 600 MPa and 40°C for 60 min and 0.1 MPa and 80°C for 2 min, respectively. Kinetic inactivation studies of MTG in a pressure range from 0.1 to 600 MPa at 10, 30, 40, and 50°C within a long time range from 0 to 140 h were performed in order to study MTG stability under the simultaneous effect of pressure and temperature. The inactivation kinetic showed a first and very fast step and a second very slow step suggesting irreversible inactivation behaviour. Activation energy and entropy difference decreased with increasing pressure. Thereby, the inactivation rate constants of enzyme were less temperature dependent at high pressure. The effect of pressure and temperature on MTG inactivation had a synergistic behaviour. At temperatures of 10, 30, and 40°C, increasing pressure leads to increasing inactivation rate constants. However at 50°C a tendency change occurred. Negative activation volumes of –16.2±0.5, -13.6±0.1, -11.2±0.3 cm3/mol were obtained for 10, 30 and 40°C respectively and for treatment at 50°C a positive value of about +3.0±2.0 cm3/mol in a pressure range from 0.1 to 300 and a negative volume of –11.0±0.4 cm3/mol MPa from 300 to 600 MPa were calculated. A pressure/temperature diagram from inactivation rate constants was performed to represent MTG stability. The diagram shows that in a pressure and temperature range from 0.1 to 550 MPa and 10 to 40°C, pressure induces MTG stabilization against heat denaturation. At 50°C in range from 0.1 to 300 MPa, pressure induces also enzyme stabilization again heat denaturation, but at the same temperature and above 300 MPa the enzyme was inactivated. After MTG stability analysis, reaction kinetics from MTG with individual caseins in a TRIS-acetate buffer pH 6.0 were performed under atmospheric pressure (0.1 MPa) and high pressure (400 MPa) at 40°C. The reaction was monitored by gel permeation chromatography under in three assumptions: 1) The initial velocity kinetics was obtained from a non-progressive enzymatic reactions with the products. 2) The substrate concentration exceeded enzyme concentration. 3) The sum of the individual catalytic constants of the reactive glutamine residues inside caseins are represented by a single MTG-monomeric casein complex. Enzyme reaction kinetics of MTG with the individual caseins carried out at 0.1 MPa at 40°C showed Michaelis-Menten-Henri behaviour with maximal velocities of 2.7 x 10-3, 0.8 x 10-3, and 1.3 x 10-3 mmol/L∙min and Km values of 59 x 10-3, 64 x 10-3 and 50 x 10-3 mmol/L of beta-, alpha-s1-, and whole-casein, respectively. This suggested that MTG achieved a maximal velocity with ß-casein, but had the best affinity with acid casein followed by beta- casein and finally alpha-s1-casein. Enzyme reaction kinetics of beta-casein carried out at 400 MPa and 40°C also showed a Michaelis-Menten-Henri behaviour with a similar maximal velocity of 2.6 x 10-3 mmol/L×min, but the Km value of 144 x 10-3 mmol/L showing kinetical similarity to a non-competitive inhibition. The reaction of MTG with alpha-s1-casein under high pressure did not fit in to Henri-Michaelis-Menten kinetics. Kinetic parameters showed that the affinity of MTG to beta- and alpha-s1-casein under atmospheric pressure is higher than the affinity of MTG to these caseins under high pressure. This loss of affinity can be explained by a constant number of reactive glutamine residues of casein, although the protein is unfolding at high pressure, a decrease of enzyme activity of MTG to 74% after treatment at 400 MPa at 40°C for 15 min and self association of casein under thermal and high pressure treatment. Fur technological application, the formation of acid milk gels was studied under the influence of MTG within its range of pH stability. Simultaneous addition of MTG and different concentrations of glucono-delta-lactone (Gdl) to casein solutions (5% w/v) at 40°C was analysed. Gels firmness was accessed by oscillation rheometry and gel permeation chromatography. Oscillation rheometry data showed that the time of gelation decreased with an increasing Gdl concentration added to the system, however higher concentrations of Gdl caused the formation of weaker gels. Addition of 1 g Gdl/g protein without MTG caused gelation within 5 min and a storage module value G´ of 48.9 Pa. With the simultaneous addition of 1 g Gdl/g protein and 6 U MTG/ g protein the gelation time was 4 min and the reached storage modulus was 63.7 Pa. However, the addition of 0.21 g Gdl/g protein and 6 U/g protein MTG increase the gelation time to about 69 min, but, a higher module value G´ of 111.0 Pa was achieved. Addition of high Gdl concentration caused a rapid drop of pH below 5 leading to a fast enzyme inactivation. However addition of very low Gdl concentrations was also not optimal. The simultaneous influence of MTG and Gdl concentration on the gelation time and elastic properties was evaluated by a central composite rotatable design (CCRD). The resulting quadratic storage modulus model showed that, MTG concentration had a significant influence on storage modulus G´ and, that the firmness of the gels increase in direct proportion with MTG activity with the existence of a optimum Gdl concentration, whereas the resulting linear model of the gelation time stated that Gdl concentration has a significant influence on the gelation time, while it is independent of the MTG activity. A maximal firmness of 136 ± 2 Pa was reached between a range of 0.24 - 0.27 g Gdl/g protein and 5.8 U MTG/g within a time from 49 to 59 min. Gel permeation chromatography analysis demonstrated that acid gels induced by Gdl were formed by reversible cross-linking like electrostatic interactions and hydrogen bonds as well as disulfide bonds caused by temperature treatment. Whereas, the addition of MTG proved the formation of non-reversible cross-linking like oligomers based on Ne-(g-glutamyl)- lysine, which gave more firmness and stabilization on the casein gel network.

Kinetic inactivation of factor XIIIa and MTG were performed in a pressure range from 0.1 to 400 MPa at 40°C within a time from 0 to 60 min in a TRIS-acetate buffer at pH 6.0. The inactivation of both enzymes at these conditions followed a first order reaction model. The high inactivation rate constant of 26.6 x10-3/min-1 for factor XIIIa at low pressure (50 MP) indicated that this enzyme is much easier to inactivate than MTG, which achieved an inactivation rate constant value of 9.7 x10-3/min at higher pressure (200 MPa). An inactivation volume of –10.17±0.5 cm3/mol confirmed that MTG is very stable under high pressure. The stability of MTG under high pressure and thermal treatment was related to its conformational changes. Enzyme inactivation was accompanied by secondary and tertiary structure changes until an irreversible protein precipitation is achieved. The tertiary structure, represented by circular dichroism spectra in the aromatic region showed differences among native and MTG samples treated under high pressure, as well as at elevated temperature. Tyrosine bands, indicating protein unfolding, increased proportionally with increasing pressure treatment above 400 MPa. Nevertheless, compared to pressure, a maximal enhancement could be observed after thermal treatment at 0.1 MPa at 80°C. That demonstrated the exposure of hydrophobic groups to the protein surface with a concomitant protein unfolding. The spectra in the far ultraviolet region showed that increasing high pressure and high temperature lead to alterations in the secondary structure. The mathematical algorithms CONTIN used to calculate secondary structures stated that the 24.5% of alpha-helix of native MTG decreased to 17.2% after a treatment at 400 MPa at 40°C for 60 min and to 6.5% after a treatment at 0.1 MPa at 80°C for 2 min. However, beta-strand structures remained relatively stable after these several treatments. MTG is arranged in a way that the active site is located between beta-strand domains that are surrounded by alpha-helices, the results of this investigation suggested that MTG activity is related with the relative stability of alpha-helix and the outstanding stability of the central beta-strand structure. The irreversible precipitated protein observed at 600 MPa at 40°C for 60 min and 0.1 MPa at 80°C for 2 min was caused principally by the formation of disulfides bonds, because high pressure and high thermal treatment lead to the exposition of the Cys64 residue towards the solvent with the subsequent ability to react with neighbouring cysteine residues. Furthermore, the reaction between protein and reducing sugars resulted in the formation of Maillard products. Furosine, as an indicator of the early stages of Maillard reaction was measured. Concentration values of 261.0 mg/g protein from samples treated at 600 MPa and 40°C and 238.5 mg/g protein from samples treated at and 0.1 MPa and 80°C for 2 min were obtained. Pentosidine a subsequent product observed in the advanced Maillard reaction was also present. Concentrations of 13.7 and 6.7 mg/g protein were obtained in the samples treated at 600 MPa and 40°C for 60 min and 0.1 MPa and 80°C for 2 min, respectively. Kinetic inactivation studies of MTG in a pressure range from 0.1 to 600 MPa at 10, 30, 40, and 50°C within a long time range from 0 to 140 h were performed in order to study MTG stability under the simultaneous effect of pressure and temperature. The inactivation kinetic showed a first and very fast step and a second very slow step suggesting irreversible inactivation behaviour. Activation energy and entropy difference decreased with increasing pressure. Thereby, the inactivation rate constants of enzyme were less temperature dependent at high pressure. The effect of pressure and temperature on MTG inactivation had a synergistic behaviour. At temperatures of 10, 30, and 40°C, increasing pressure leads to increasing inactivation rate constants. However at 50°C a tendency change occurred. Negative activation volumes of –16.2±0.5, -13.6±0.1, -11.2±0.3 cm3/mol were obtained for 10, 30 and 40°C respectively and for treatment at 50°C a positive value of about +3.0±2.0 cm3/mol in a pressure range from 0.1 to 300 and a negative volume of –11.0±0.4 cm3/mol MPa from 300 to 600 MPa were calculated. A pressure/temperature diagram from inactivation rate constants was performed to represent MTG stability. The diagram shows that in a pressure and temperature range from 0.1 to 550 MPa and 10 to 40°C, pressure induces MTG stabilization against heat denaturation. At 50°C in range from 0.1 to 300 MPa, pressure induces also enzyme stabilization again heat denaturation, but at the same temperature and above 300 MPa the enzyme was inactivated. After MTG stability analysis, reaction kinetics from MTG with individual caseins in a TRIS-acetate buffer pH 6.0 were performed under atmospheric pressure (0.1 MPa) and high pressure (400 MPa) at 40°C. The reaction was monitored by gel permeation chromatography under in three assumptions: 1) The initial velocity kinetics was obtained from a non-progressive enzymatic reactions with the products. 2) The substrate concentration exceeded enzyme concentration. 3) The sum of the individual catalytic constants of the reactive glutamine residues inside caseins are represented by a single MTG-monomeric casein complex. Enzyme reaction kinetics of MTG with the individual caseins carried out at 0.1 MPa at 40°C showed Michaelis-Menten-Henri behaviour with maximal velocities of 2.7 x 10-3, 0.8 x 10-3, and 1.3 x 10-3 mmol/L∙min and Km values of 59 x 10-3, 64 x 10-3 and 50 x 10-3 mmol/L of beta-, alpha-s1-, and whole-casein, respectively. This suggested that MTG achieved a maximal velocity with ß-casein, but had the best affinity with acid casein followed by beta- casein and finally alpha-s1-casein. Enzyme reaction kinetics of beta-casein carried out at 400 MPa and 40°C also showed a Michaelis-Menten-Henri behaviour with a similar maximal velocity of 2.6 x 10-3 mmol/L×min, but the Km value of 144 x 10-3 mmol/L showing kinetical similarity to a non-competitive inhibition. The reaction of MTG with alpha-s1-casein under high pressure did not fit in to Henri-Michaelis-Menten kinetics. Kinetic parameters showed that the affinity of MTG to beta- and alpha-s1-casein under atmospheric pressure is higher than the affinity of MTG to these caseins under high pressure. This loss of affinity can be explained by a constant number of reactive glutamine residues of casein, although the protein is unfolding at high pressure, a decrease of enzyme activity of MTG to 74% after treatment at 400 MPa at 40°C for 15 min and self association of casein under thermal and high pressure treatment. Fur technological application, the formation of acid milk gels was studied under the influence of MTG within its range of pH stability. Simultaneous addition of MTG and different concentrations of glucono-delta-lactone (Gdl) to casein solutions (5% w/v) at 40°C was analysed. Gels firmness was accessed by oscillation rheometry and gel permeation chromatography. Oscillation rheometry data showed that the time of gelation decreased with an increasing Gdl concentration added to the system, however higher concentrations of Gdl caused the formation of weaker gels. Addition of 1 g Gdl/g protein without MTG caused gelation within 5 min and a storage module value G´ of 48.9 Pa. With the simultaneous addition of 1 g Gdl/g protein and 6 U MTG/ g protein the gelation time was 4 min and the reached storage modulus was 63.7 Pa. However, the addition of 0.21 g Gdl/g protein and 6 U/g protein MTG increase the gelation time to about 69 min, but, a higher module value G´ of 111.0 Pa was achieved. Addition of high Gdl concentration caused a rapid drop of pH below 5 leading to a fast enzyme inactivation. However addition of very low Gdl concentrations was also not optimal. The simultaneous influence of MTG and Gdl concentration on the gelation time and elastic properties was evaluated by a central composite rotatable design (CCRD). The resulting quadratic storage modulus model showed that, MTG concentration had a significant influence on storage modulus G´ and, that the firmness of the gels increase in direct proportion with MTG activity with the existence of a optimum Gdl concentration, whereas the resulting linear model of the gelation time stated that Gdl concentration has a significant influence on the gelation time, while it is independent of the MTG activity. A maximal firmness of 136 ± 2 Pa was reached between a range of 0.24 - 0.27 g Gdl/g protein and 5.8 U MTG/g within a time from 49 to 59 min. Gel permeation chromatography analysis demonstrated that acid gels induced by Gdl were formed by reversible cross-linking like electrostatic interactions and hydrogen bonds as well as disulfide bonds caused by temperature treatment. Whereas, the addition of MTG proved the formation of non-reversible cross-linking like oligomers based on Ne-(g-glutamyl)- lysine, which gave more firmness and stabilization on the casein gel network.

Untersuchungen zur Reaktion von Proteinen während einer Hochdruckbehandlung (HD) ermöglichen ein besseres Verständnis der Reaktivität und Struktur auf molekularer Ebene. In der vorliegenden Arbeit wurde die enzymatische Oligomerisierung von Hühnereiweißlysozym (HEWL) mithilfe der druckstabilen mikrobiellen Transglutaminase (mTGase) unter HD untersucht. Die resultierenden Oligomere wurden anschließend hinsichtlich ihrer strukturellen und funktionellen Eigenschaften charakterisiert. Vergleichende Untersuchungen wurden mit dem evolutionsbiologisch verwandten Protein, dem α-Lactalbumin durchgeführt. Abschließend erfolgten orientierende Studien zur nicht-enzymatischen Vernetzung von HEWL und ausgewählten Milchproteinen, bei welchen eine kovalente Verknüpfung über vergleichbare Isopeptide nachgewiesen werden konnte. Kompakte, globuläre Proteine, wie das untersuchte HEWL stellten unter Normaldruck keine Substrate für die mTGase dar. Auch war eine enzymatische Vernetzung nach erfolgter Hochdruckbehandlung aufgrund der Reversibilität der druckinduzierten Auffaltung nicht möglich. So wurde HEWL nur bei simultaner Behandlung mit mTGase und hohem hydrostatischem Druck zu Homooligomeren vernetzt. Neben einem geeigneten Puffersystem wurden der pH-Wert, die Inkubationszeit, die Temperatur, der hydrostatische Druck, die Enzymaktivität der mTGase und die Proteinkonzentration des Lysozyms verändert. Abhängig von den Reaktionsbedingungen wurden Produkte mit stark variierenden Vernetzungsgraden erhalten, wobei eine maximale Oligomerisierung von zirka 75% aus einer 3%igen HEWL-Probe in Tris-HCl-Puffer bei pH 7,5 mit 160 U mTGase/g Protein über 30 min, 600 MPa und 40°C erreicht wurde. Zudem erfolgte eine Kategorisierung aller resultierenden Proben anhand ihres mittels Gelelektrophorese bestimmten Vernetzungsgrades in drei Untergruppen: LMW (niedrig vernetzt, 0 - 30%), MMW (mittel vernetzt, 30 - 60%) und HMW (hoch vernetzt, 60 - 100%). In den so vernetzten Proben wurden das reaktionsspezifisch gebildete Isopeptid N ε (γ L Glutamyl)-L-Lysin (Glu_Lys) nachgewiesen und die beteiligten reaktiven Aminosäuren identifiziert. Die Bestimmung von Glu_Lys, welches für die kovalenten Verknüpfungen verantwortlich ist, erfolgte nach enzymatischer Hydrolyse am Aminosäureanalysator mit Ninhydrin-Nachsäulen-Derivatisierung. Eine erste Abschätzung des Isopeptid¬gehaltes zeigte zudem, dass es bei der Oligomerisierung sowohl zu inter- als auch intra¬molekularer Vernetzung kam. Der minimal notwendige Gehalt an Cross-Link-Aminosäuren, [CLAA]min lag zum Teil um den Faktor zwei unter dem Gehalt des quantifizierten Glu_Lys. Anschließend konnte nach tryptischem Verdau über die RP-HPLC/ESI-TOF-MS für die gering vernetzten Proben (LMW) genau eine definierte kovalente Verknüpfungsstelle ermittelt werden. Für die MMW- und HMW-Proben wurden fünf bzw. sechs Peptidfragmente detektiert. Bei den LMW-Proben wurde Lys1 mit Gln121 vernetzt. Den höher oligomerisierten Proben konnten die Lysinreste Lys1, Lys13, Lys116 und die Glutaminreste Gln41, Gln57, Gln121 zugeordnet werden. Somit gelang eine erste strukturelle Aufklärung der Vernetzungsprodukte. Der Aufbau der Oligomere läuft demnach zuerst gerichtet und linear ab. Insbesondere bei höheren Temperaturen und Enzymaktivitäten werden jedoch ungeordnete Strukturen gebildet. Die einzelnen Vernetzungsprodukte scheinen aufgrund der Lage der reaktiven Aminosäuren im HEWL-Molekül über mehrere intermolekulare Bindungen eine variierende Struktur auszubilden. Eine Quantifizierung der einzelnen Isopeptide erfolgte nicht, orientierende MS-Untersuchungen lassen aber vermuten, dass auch hier bevorzugte Reaktionsorte existieren. Die vernetzten Proben wurden nachfolgend über Ammoniumsulfatfällung konzentriert und mittels Gelpermeationschromatographie (GPC) fraktioniert. Die Ausbeuten der GPC waren sehr gering. Eine Fraktionierung in einzelne, selektiv verknüpfte Oligomere wurde nicht erreicht. Die enzymatisch oligomerisierten Proben sowie ausgewählte GPC-Fraktionen mit höheren Oligomeren wurden hinsichtlich funktioneller und struktureller Konsequenzen untersucht. Begonnen wurde dabei mit der lytischen Enzymaktivität des HEWL gegen Zellwände des Micrococcus lysodeikticus. Eine abnehmende bzw. verbleibende Lyseaktivität korrelierte mit einer zunehmenden Oberflächen¬hydrophobität der Oligomerengemische. Beide Größen verhielten sich indirekt proportional zueinander. Während der hydrophobe Kern des Moleküls mit steigender Oligomerisierungsrate freigelegt wurde, senkte sich die Lyseaktivität bis auf null ab. Eine räumliche Deformation oder Barriere entstand mutmaßlich im oder in der Nähe des reaktiven Zentrums (Glu35 und Asp52) des Lysozyms, so dass der Enzym-Substrat-Komplex nicht mehr ausgebildet werden konnte. Die Untersuchung der Veränderung sekundärer und tertiärer Strukturbestandteilte erfolgte mithilfe der Zirkular-Dichroismus-Spektroskopie. Gleichwohl für die Tertiärstruktur keine großen Veränderungen aufgezeigt wurden, ist für die Sekundärstruktur mit zunehmendem Vernetzungsgrad eine Abnahme der α-Helices und eine Zunahme von ungeordneten und β Faltblatt-Bereichen detektiert worden. Es konnte daher die unter Hochdruck bekannte Auffaltung des HEWL über die enzymatische Vernetzung derart stabilisiert werden, dass eine vollständige Rückfaltung nicht mehr gegeben war. Das Fibrillierungsverhalten der oligomerisierten Proben im Sauren im Vergleich zum unbehandelten HEWL stellte eine weitere Charakterisierungsmöglichkeit dar. Die Analyse der inkubierten Proben erfolgte mithilfe dreier photometrischer Methoden (Umsetzung mit den Reagenzien 8-Anilino-1-naphtalinsulfonsäure, Kongorot oder Thioflavin T). Die fibrillierten Proben wurden zudem transmissionselektronenmikroskopisch (TEM) untersucht. Mit zunehmender Vernetzung war dabei eine abnehmende Fibrillierungsneigung zu beobachten, welche gut strukturell zu erklären ist, da die zusätzlichen, kovalenten Isopeptidbindungen die Proteinmoleküle gegen eine saure Auffaltung stabilisieren. Eine Auffaltung ist jedoch die Grundvoraussetzung für eine Assoziation und Bildung in-vitro-induzierter, amyloider Strukturen. Ferner wurde das antimikrobielle Verhalten der Präparate gegen grampositive und -negative Mikroorganismen getestet. Unbehandeltes Lysozym zeigt grundsätzlich gegenüber grampositiven Mikroorganismen eine gute antimikrobielle Aktivität. Eingesetzt wurden der Agardiffusions- und der bakterielle Hemmtest (Trübungsassay). Hierbei zeigten alle geprüften Proben keine Wirkung gegenüber gramnegativen Bakterien. Die antimikrobielle Wirkung gegenüber den grampositiven Mikroorganismen variierte stark. Das Phänomen der erhöhten Sensibilität gegenüber ausgewählten Bakterienstämmen im niederkonzentrierten Bereich wurde für Bacillus subtilis (grampositiv) und die mittel- bzw. hochvernetzten Proben im Vergleich zu unbehandelten HEWL (je 0,00625% Probe, w/v) reproduzierbar nachgewiesen. Auf die umfassende Charakterisierung der enzymatisch vernetzten HEWL-Proben folgten orientierende Vergleichsstudien mit dem evolutionsbiologisch verwandten α Lactalbumin (α-LA). Die enzymatische Oligomerisierung konnte für das Molkenprotein dabei im Gegensatz zum HEWL bereits unter Atmosphärendruck erzielt werden. Die Vernetzungsraten betrugen, unabhängig von den untersuchten Rahmenparametern aber abhängig vom Calciumgehalt, zirka 35% (mit Ca) bis 72% (ohne Ca). Das α-LA als Calcium-bindendes Protein wurde somit durch die Abwesenheit des Metallions derart destabilisiert, dass es für die mTGase besser umsetzbar wurde. Die im Vergleich zum Lysozym vermehrt enthaltenen potentiell reaktiven Aminosäuren (doppelt so viel Lys und Gln) trugen ebenfalls zu einer stärkeren Oligomerisierung bei. Abschließend erfolgten Studien zu nicht-enzymatischen, vakuuminduzierten Kondensations-reaktionen. Dabei wurde trockenes HEWL im Vakuum thermisch induziert vernetzt. Die Methode ist in der Literatur als Zero-Length-Cross-Linking (ZLCL) beschrieben. Die Untersuchung der Parameter Vakuum, Temperatur, pH-Wert und Zyklenzahl erfolgte an dem globulären Protein. Dieses konnte unter nicht denaturierenden Bedingungen bis zum Di- und Trimer vernetzt werden. Weitere Milchproteinproben (ein Molkenproteinisolat und β-Casein) wurden nur exemplarisch unter Standardbedingungen untersucht. Hierbei wurde das Molkenproteinisolat deutlich besser als HEWL und das β-Casein bei 85°C über je 24 h und Einsatz von Vakuum am stärksten oligomerisiert. Die gute Umsetzung des β-Caseins ist dabei auf die fehlende Tertiär- und Sekundärstruktur zurückzuführen. Zum Teil entstanden auch Casein-Polymere, welche nicht mehr elektrophoresegängig waren. Die beteiligten Isopeptide wurden analog zu den enzymatisch vernetzten Proben über die Aminosäureanalytik nachgewiesen. Es konnte das Isopeptid N-ε-(β-Aspartyl-)Lysin (Asp_Lys) neben Lysinoalanin (LAL), aber kein Glu_Lys in HEWL nachgewiesen werden. Beide Isopeptide (Asp_Lys und Glu_Lys) sowie LAL sind dagegen im β Casein gebildet worden. Der Einfluss struktureller Gegebenheiten auf die Reaktionsfähigkeit der Proteine konnte folglich eindeutig belegt werden.

In dieser Dissertation wird die Darstellung tetrelreicher Seltenerdmetall–Verbindungen in den Systemen SE:Tt (SE = La, Nd, Sm, Gd, Tb, Ho, Lu; Tt = Si, Ge) und die Charakterisierung ihrer Eigenschaften beschrieben. Diese Verbindungen, welche mittels der Hochdruck–Hochtemperatur–Methode dargestellt wurden, zeigen neuartige Verknüpfungsmuster in der Tetrel–Partialstruktur. Neben der Charakterisierung der Verbindungen hinsichtlich der thermischen Stabilität und der physikalischen Eigenschaften bei Normaldruck wurde bei den Germanium–reichen Seltenerdmetall–Verbindungen eine Untersuchung der Veränderungen der Kristallstruktur bei Variation des Drucks oder der Temperatur vorgenommen. Die dargestellten Seltenerdmetall–Trisilicide SESi3 (SE = Gd, Ho, Lu) kristallisieren tetragonal isotyp zu YbSi3. LuSi3 zeigt Supraleitung mit Tc = 7.0 K. In den Systemen Gd–Si und SE–Ge (SE = La, Nd, Sm, Gd, Tb) wurden die Verbindungen GdSi5 und SEGe5 (SE = La, Nd, Sm, Gd, Tb) synthetisiert. Sie kristallisieren orthorhombisch isotyp zu LaGe5. Durch in–situ Röntgenbeugungsexperimente bei erhöhten Temperaturen kann die Existenz metastabiler Germanium–ärmerer Verbindungen SE2Ge9 (SE = Nd, Sm) nachgewiesen werden. Es handelt sich um Defektvarianten der Verbindungen SEGe5 (SE = Nd, Sm). Die strukturelle Verwandtschaft zum Aristotyp SEGe5 wird anhand einer Gruppe–Untergruppe–Beziehung aufgezeigt. Eine alternative Synthesemethode zur Darstellung tetrelreicher Verbindungen mit Gerüststrukturen bei extremen Reaktionsbedingungen stellt das Spark–Plasma–Sinterverfahren (SPS) dar. Die Darstellung der Clathratphase Ba8Ga16±xGe30∓x (x = 0, 1) erfolgte mittels SPS aus den Precursoren BaGa2±x (x = 0, 0.125) und Germanium. Die Untersuchungen der thermoelektrischen Eigenschaften zeigen, dass durch Variation der nominellen Zusammensetzung sowohl n–leitende als auch p–leitende Eigenschaften erhalten werden können. / In this thesis the synthesis of tetrel–rich rare–earth metal compounds in the systems RE:Tt (RE = La, Nd, Sm, Gd, Tb, Ho, Lu; Tt = Si, Ge) and the characterization of their properties is described. These compounds, synthesized by means of high–pressure high–temperature method, show new structural motifs in the tetrel partial structure. The compounds were characterized with respect to their thermal stability and their physical properties at ambient pressure. In addition, the changes in the crystal structure of the germanium-rich rare–earth metal compounds by variation of pressure or temperature were investigated. The synthesized rare–earth trisilicides SESi3 (SE = Gd, Ho, Lu) crystallize tetragonal, isotypic to YbSi3. LuSi3 is a superconductor with Tc = 7.0 K. In the systems Gd–Si and SE–Ge (SE = La, Nd, Sm, Gd, Tb) the compounds GdSi5 and SEGe5 (SE = La, Nd, Sm, Gd, Tb) were synthesized. They crystallize orthorhombic isotypic to LaGe5. Using in-situ high–temperature X-ray experiments the metastable germanium-poorer compounds SE2Ge9 (SE = Nd, Sm) could be observed. These compounds are defect variants of the pentagermanides SEGe5 (SE = Nd, Sm). The structural relationship to the aristotype SEGe5 is given via a group-subgroup relation. An alternative synthesis route for the preparation of tetrel–rich compounds with framework structures at extreme reaction conditions is the spark plasma sintering method (SPS). The clathrate phase Ba8Ga16±xGe30∓x (x = 0, 1) was synthesized from the precursors BaGa2±x (x = 0, 0.125) and germanium by means of SPS. The investigation of the thermoelectric properties shows, that through variation of the nominal composition both n-type and p-type conduction properties can be obtained.

The aim of this thesis was to find anomalies of elastic properties induced by topological changes of the Fermi surface. The latter are called "Lifshitz transitions". Lifshitz transitions are an interesting subject to study because a topological change of the Fermi surface results in a van Hove singularity of the density of states at the Fermi energy, which again induces an anomaly in the free energy and therefore yield anomalies of observable physical quantities. In all cases the question arose, if the corresponding van Hove singularities are large enough to cause anomalies in the elastic properties, which are measurable by nowadays experimental techniques and computable within the accuracy reachable in nowadays computer calculations. The calculations have been done with the Full-Potential nonorthogonal Local-Orbital minimum-basis band-structure code FPLO. To shift the van Hove singularities through the Fermi energy we used hydrostatic pressure, which is mimicked in the computations by decreasing the volume of the unit cell. The materials under consideration had been YCo5 and LaCo5 as examples for magnetic compounds and the element Osmium as an example for a non-magnetic material. All these materials exhibit hexagonal symmetry. In the case of YCo5 our calculations yield a first order Lifshitz transition. Here, an extraordinarily large peak in the spin-up part of the DOS, which is caused by a nearly dispersionless band in the hexagonal plane, crosses the Fermi level under a pressure of about 21 GPa. Thus, the spin-up 3d states become partly depopulated, which results in a drop of the total magnetic moment of 35%. Therefore the transition can be regarded as a transition from strong to weak ferromagnetism. Further, the transition results in a volume collapse of 1.4%. Though the volume collapse is isomorphic, it exhibits the following anisotropy: while the lattice constant in the hexagonal plane is almost smoothly contracting with increasing pressure, the lattice constant in c-direction collapses at the transition-pressure. This volume collapse has been verified in experiment. Analogous calculations have been performed for the compound LaCo5, which is isoelectronic to YCo5. Here as well we predict a first order Lifshitz transition, taking place at a pressure of about 23 GPa. The mechanism of the transition is the same than in YCo5. Again we find a volume collapse under pressure together with a decrease of the magnetic moment. The relative volume change amounts to 1.3%. Like in YCo5, the unit cell dimensions in the hexagonal plane are decreasing almost smoothly with pressure while in c-direction the lattice constant collapses at the transition-pressure. For LaCo5 there are no such experiments done so far to the best of our knowledge. For Osmium we found, that LDA reproduces the ground state volume very well. Furthermore, we could detect three Lifshitz transitions taking place at very high pressures of about 72 GPa, 81 GPa, and 122 GPa. At first, a hole ellipsoid appears at the Gamma-point (V=24.6Å^3, P=72 GPa), then a neck is created at the symmetry-line LH (V=24.2Å^3, P=81 GPa), and finally a hole ellipsoid appears at the L-point (V=23.2 Å^3, P=122 GPa). Due to a degeneracy in the band structure, the hole ellipsoid at the L-point appears at the same pressure when the necks, situated at the symmetry-lines LH merge at L. The corresponding van Hove singularities in the DOS are very tiny and thus no anomalies in the elastic properties could be detected. Furthermore, we showed that the kink in c/a at 25 GPa and at 27 GPa found by Occelli et al. [Occelli et al., Phys. Rev. Lett. 93, 095502 (2004)] and Ma et al. [Ma et al., Phys. Rev. B 72, 174103 (2005)], respectively, is not statistically significant and that (c/a)(P) can be fitted equally well by a smooth function as by piece-wise linear functions as proposed in these references. / Das Ziel dieser Arbeit war es, Anomalien in den elastischen Eigenschaften zu finden, die durch topologische Änderungen der Fermifläche - genannt "Lifschitz Übergänge" - hervorgerufen werden. Lifschitz Übergänge sind ein interessantes Forschungsgebiet, denn die topologische Änderung der Fermifläche führt zu einer van Hove Singularität in der Zustandsdichte, die an der Fermienergie liegt und eine Anomalie in der freien Energie hervorruft und deswegen zu Anomalien in beobachtbaren physikalischen Größen führt. In allen Fällen kam die Frage auf, ob die entsprechenden van Hove Singularitäten groß genug sind, um mit heutigen Methoden meßbare und berechenbare Anomalien in den elastischen Eigenschaften zu verursachen. Die Daten wurden mit dem Computerprogramm FPLO (Full-Potential nonorthogonal Local-Orbital minimum-basis band-structure scheme) berechnet. Um die van Hove Singularitäten durch die Fermienergie zu schieben, verkleinerten wir das Volumen der Einheitszelle, um hydrostatischen Druck zu simulieren. Als zu untersuchende Stoffe wurden YCo5 und LaCo5 als Beispiele für magnetische Verbindungen gewählt und Osmium als Beispiel für ein nicht magnetisches Element. Im Falle von YCo5 fanden wir einen Lifschitz Übergang erster Ordnung. Hier springt ein besonders großer Peak im Spin-auf Teil der Zustandsdichte unter einem Druck von ca. 21 GPa über die Fermienergie. Dadurch werden die Spin-auf 3d Zustände teilweise unbesetzt und das magnetische Moment verringert sich um 35%. Deswegen kann man den Übergang als einen Übergang von starkem Ferromagnetismus zu schwachem Ferromagnetismus bezeichnen. Das Volumen verkleinert sich hierbei um 1.4%. Obwohl dieser Volumenkollaps isomorph ist, zeigt er folgende Anisotropie: während die Gitterkonstante in der hexagonalen Ebene mit zunehmendem Druck mehr oder weniger glatt kontrahiert, kollabiert am Übergangsdruck die Gitterkonstante in c-Richtung. Dieser Volumenkollaps wurde vom Experiment verifiziert. Analoge Rechnungen wurden für die Verbindung LaCo5, die isoelektronisch zu YCo5 ist, durchgeführt. Auch hier sagen wir einen Lifschitz Übergang erster Ordnung voraus, der bei einem Druck von ca. 23 GPa stattfinden wird. Der Mechanismus dieses Übergangs ist der selbe wie in YCo5. Wiederum finden wir einen Volumenkollaps unter Druck zusammen mit einer Verringerung des magnetischen Moments. Die relative Volumenänderung beträgt hier 1.3%. Wie in YCo5 verläuft hier die Kontraktion der Gitterkonstante in der hexagonalen Ebene mehr oder weniger glatt, während die Gitterkonstante in c-Richtung am Übergang kollabiert. Für LaCo5 existieren unseres Wissens hierzu noch keine Experimente. Im Falle von Osmium fanden wir drei Lifschitz Übergänge bei sehr hohen Drücken von ca. 72 GPa, 81 GPa, und 122 GPa. Zuerst bildet sich ein Lochellipsoid am Gamma-Punkt (V=24.6Å^3, P=72 GPa), dann bildet sich ein Hals an der Symmetrielinie LH (V=24.2Å^3, P=81 GPa), und zum Schluß erscheint ein Lochellipsoid am L-Punkt (V=23.2 Å^3, P=122 GPa). Auf Grund einer Entartung in der Bandstruktur taucht das Lochellipsoid am L-Punkt an dem Druck auf, an dem sich auch die Hälse auf der Symmetrielinie LH bei L verbinden. Die entsprechenden van Hove Singularitäten in der Zustandsdichte sind jedoch extrem klein und deswegen können keine Anomalien in den elastischen Eigenschaften detektiert werden. Desweiteren zeigten wir, daß der Knick in c/a, den Occelli et al. [Occelli et al., Phys. Rev. Lett. 93, 095502 (2004)] bei 25 GPa und Ma et al. [Ma et al., Phys. Rev. B 72, 174103 (2005)] bei 27 GPa fanden, statistisch nicht relevant ist und daß (c/a)(P) genauso gut von einer glatten Funktion gefittet wird als von stückweise linearen Funktionen.

In this work, atomic scale investigation of pressure-induced transformations in the solid state have been carried out. A series of compounds including GaN, ZnO, CaF2, and AgI, in addition to elemental phosphorus have been studied. The corresponding transition mechanisms have been elucidated with a clear description of atomic displacements and intermediate structures involved therein. In the first group of compounds, the long standing debate on the transition path of the wurtzite(WZ)-to-rocksalt(RS) transition in semiconductors, GaN and ZnO was resolved using geometrical modeling combined with molecular dynamics (MD) simulations conducted in the frame of transition path sampling (TPS) method. In GaN, a two-step mechanism through a metastable intermediate phase with a tetragonal structure iT has been revealed from simulations. In ZnO, the tetragonal intermediate structure was kinetically less stable, although still part of the real transition mechanism. It appeared at the interface between WZ and RS as consequence of a layers shearing. The transition regime in ZnO was characterized by a competition between iT structure and another hexagonal intermediate with hexagonal symmetry iH. Although possible, the latter is not functional for the transition. In both cases, GaN and ZnO, two points of agreement with experiments have been revealed. The tilting of structures after transition, and the phonon mode softening associated with atomic displacements leading to the tetragonal structure iT In the second group of compounds, the investigation of transitions in superionic conductors, CaF2 and AgI, demonstrated a different and particular behavior of atomic motion under pressure. The solid-solid reconstruction of CaF2 structure was shown to be initiated and precedented by high disorder of the anionic sublattice. The percolation of fluoride ions through voids in the fluorite structure created a thin interface of liquid like state. The sparce regions caused by the departure of anions facilitates the cation sublattice reconstruction. In AgI, ion diffusion during the wurtzite/zincnlende(ZB)$rocksalt transition was more pronounced due to the extended stacking disorder WZ/ZB. The Ag+ ions profited not only from the structure of the interface but used the combination of interstitial voids offered by both phases, WZ and ZB, to achieve long diffusion paths and cause the cation sublattice to melt. Clearly, a proper account for such phenomena cannot be provided by geometry-designed mechanisms based on symmetry arguments. In phosphorus, the question of how the stereochemically active lone pairs are reorganized during the orthorhombic (PI) to trigonal (PV) structural transition was answered by means of simulations. Computation was performed at different levels theory. First, the mechanism of the transition was obtained from TPS MD simulations. MD runs were performed within density functional tight binding method (DFTB). The analysis of atomic displacements along the real transformation path indicated a fast bond switching mechanism. In a second step, the nature of the interplay between orbitals of phosphorus during the bond switching was investigated. A simultaneous deformation of lone pair and P−P bond showed a mutual switching of roles during the transformation. This interplay caused a low dimensional polymerization of phosphorus under pressure. The corresponding structure formed as zigzag linear chain of fourfold coordinated phosphorus atoms (· · ·(P(P2))n · · ·) at the interface between PI and PV phases. A further result of this work was the development of a simulation strategy to incorporate defects and chemical doping to structural transformations. On top of the transition path sampling iterations, a Monte Carlo like procedure is added to stepwise substitute atoms in the transforming system. Introducing a chemically different dopant to a pure system represents a perturbation to the energy landscape where the walk between different phases is performed. Therefore, any change in the transition regime reflects the kinetic preference of a given structural motif at times of phase formation. This method was applied to the elucidation of WZ-RS transition mechanism in the series of semiconducting compounds AlN, GaN, and InN. Simulations showed that In atoms adopt the same transformation mechanism as in GaN and favor it, while Al atoms demonstrated a significant reluctance to the path going through tetragonal intermediate iT. The difference between transition regime in mixed systems InxGa1−xN and AlxGa1−xN is in agreement with experiments on high pressure behavior of AlN, GaN, and InN. While transitions in GaN and InN are reversible down to ambient conditions, AlN is stable. The work presented in this thesis constitutes the seed of new perspectives in the understanding of pressure-induced phase transformations in the solid state, where the physics and the chemistry are brought together by means of computer simulations.

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