Molybdenum chalcohalide nanowires are systems, which structural, electronic and optical properties have been analyzed in detail. However, their potential as building blocks for electronic devices has not been investigated so far. This question is raised in Dissertation, focusing on unique electronic transport properties of these systems, and comparing them with those of the popular carbon nanotubes.

Der erste Teil der Dissertation behandelt die Substanz Phenylacetaldehyd, welche im Honig ausgehend von der Aminosäure Phenylalanin als natürlicher Stoff, aber auch als Rückstand nach Einsatz als Bienenvertreibungsmittel vorliegen kann. Die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass der Gehalt an Phenylalanin sowie äußere Bedingungen, denen Honige ausgesetzt sind, für die Konzentration an Phenylacetaldehyd maßgebend sind. Diese Parameter müssen mindestens bekannt sein, um entscheiden zu können, ob Phenylacetaldehyd als Rückstand im Honig vorliegt. Der zweite Teil befasst sich mit der Filtration von Honig, welche in manchen Ländern durchgeführt wird, um eine Kristallisation zu herauszuzögern. Es wurde eine Methode entwickelt, um illegale Beimischungen gefilterter Honige zu ungefilterten Honigen nachzuweisen. Dazu wird das Enzym Saccharase gelchromatographisch isoliert und diese Fraktion elektrophoretisch untersucht. Die Veränderung des Proteinspektrums lässt sich mit Hilfe einer densitometrischen Auswertung quantifizieren und zeigt gefilterten Honig auch in Mischungen bis zu einem Anteil von mindestens 15 % an.

During development, organs with different shape and functionality form from a single fertilized egg cell. Mechanisms that control shape, size and morphology of tissues pose challenges for developmental biology. These mechanisms are tightly controlled by an underlying signaling system by which cells communicate to each other. However, these signaling networks can affect tissue size and morphology through limited processes such as cell proliferation, cell death and cell shape changes,which are controlled by cell mechanics and cell adhesion. One example of such a signaling system is the network of interacting proteins that control planar polarization of cells. These proteins distribute asymmetrically within cells and their distribution in each cell determines of the polarity of the neighboring cells. These proteins control the pattern of hairs in the adult Drosophila wing as well as hexagonal repacking of wing cells during development. Planar polarity proteins also control developmental processes such as convergent-extension. We present a theoretical study of cell packing geometry in developing epithelia. We use a vertex model to describe the packing geometry of tissues, for which forces are balanced throughout the tissue. We introduce a cell division algorithm and show that repeated cell division results in the formation of a distinct pattern of cells, which is controlled by cell mechanics and cell-cell interactions. We compare the vertex model with experimental measurements in the wing disc of Drosophila and quantify for the first time cell adhesion and perimeter contractility of cells. We also present a simple model for the dynamics of polarity order in tissues. We identify a basic mechanism by which long-range polarity order throughout the tissue can be established. In particular we study the role of shear deformations on polarity pattern and show that the polarity of the tissue reorients during shear flow. Our simple mechanisms for ordering can account for the processes observed during development of the Drosophila wing.

Polyelectrolyte complexation is a rapidly growing field with applications in functional multilayer (PEM) and nanoparticle (PEC) generation, where PEM films are deposited using Layer-by-Layer technique initiated by Decher and PECs are prepared using mixing-centrifugation technique initiated by our group. Its advantages (e.g. easy preparation) result in various applications in aqueous solution, especially in pharmaceutical and biomedical fields. Therefore, the objectives in this study are to explore interesting applications of polyelectrolyte complexation in the field of low molecular chiral compound and high molecular protein binding. Due to the rapidly growing demands for preparing optically pure compounds in the pharmaceutical field, herein, enantiospecific PEM and PEC were prepared using chiral polyelectrolytes (e.g. homo-polypeptide) and their ability of chiral recognition was investigated by ATR-FTIR, UV/Vis etc.. Chiral PEM and PEC showed pronounced enantiospecificity for both small (amino acids, vitamin) and large (protein) chiral compounds. This chiral recognition is performed by a diffusion process of chiral compounds into PEM based on the structures of chiral selector (PEM, PEC) and chiral probes (chiral compounds). However, the influences, e.g. pH value, ionic strength, surface orientation etc., were found to affect significantly the enantiospecificity. Beside planar substrates, porous membranes (e.g. PTFE) were modified using chiral PEM and successfully applied in enantiospecific permeation. Additionally, protein binding properties of PEC particle dispersions or PEC particle films were also studied. Due to the properties of polyelectrolytes used for PEC (e.g. molecular weight, charge density) and proteins (e.g. isoelectric point, size, hydrophobicity), PEC showed different uptake characteristics towards different proteins. Electrostatic and hydrophobic interaction as well as counterion release force were considered as possible driving forces for protein binding.

Polymer brushes provide the responsive smart surfaces which can be used for fabrication of various devices. In this thesis work, adhesion, friction, and wear of polystyrene (PS) - poly(2-vinyl pyridine) (P2VP) and polystyrene - poly(acrylic acid) (PAA) binary brushes and corresponding monobrushes were investigated in dried state under controlled environment. Spin-coated films were also investigated for comparison. The aim was to explore possibilities to control/tune adhesion, friction, and wear between inorganic or polymeric surfaces by use of polymer brushes. Atomic force microscopy (AFM) with sharp silicon nitride tip and colloidal probes was employed to investigate the nanoscale adhesion and friction forces between different inorganic and polymeric surfaces. Adhesion and friction on the polymer brushes were comparable to that on the spin-coated films. Adhesion and friction force values were correlated, and were in accordance with the wettability of the brush surfaces for most of the samples. Switching in the adhesion and friction forces was observed for the PS+P2VP and PS+PAA binary brushes on treatment with selective solvents. Maximum switching in adhesion force and friction coefficient was by a factor of 2.7 and 5.4, respectively. Furthermore, switching of friction for mixed brush surface was observed during macroscale friction measurements using nanoindenter. Friction coefficients at macroscale were higher than those at the nanoscale. Moreover, adhesion and friction forces between the surfaces were significantly influenced by the humidity, grafting density of polymer brushes, chemical composition of top of the binary brush surface, and tip scan velocity. Nanowear studies were carried out with AFM using sharp silicon nitride tip while macrowear studies were carried out using nanoindenter. Nanowear on the surfaces was affected by molecular entanglements, adhesion and friction forces as well as shape and status of the tip. It was observed that the typical wear mode for PS brushes (treated with toluene) was ripple formation. In case of P2VP brushes (treated with ethanol) and PAA brushes (treated with pH 10 water), wear occurred via removal of the polymeric material. Wear mechanism observed for the monobrushes was similar to that observed for the spin-coated thick films of the same polymeric material. However, extent of the wear on the brush surfaces significantly differed from that on the spin-coated films. In case of PS+P2VP and PS+PAA binary brush samples, change in the wear mode was observed on treatment with the different selective solvents. On treatment with toluene (PS on the top), both of these binary brushes showed the wear by formation of the ripples. On the other hand, when these binary brushes were treated with selective solvent for P2VP or PAA, wear occurred mainly via removal of the polymeric material. The amount of wear increased with the number of scans for all the polymer brush samples. Moreover, wear on the polymer brush surfaces was also increased on increase in the applied load and decrease in the scan speed. Wear behavior on macroscale was averaged due to contact between surfaces at large number of asperities. Our results show that adhesion, friction, and wear of polymer surfaces can be controlled/tuned by the use of binary polymer brushes.

Two-dimensional covalent organic frameworks (2D COFs) with covalently bonded repeat units and crystalline, porous framework backbones have attracted immense attention since the first 2D COFs were reported by Yaghi’s group in 2005. The extended single-layer structures of 2D COFs are also generally considered to be the 2D polymers. The precise incorporation of molecular building blocks into ordered frameworks enables the synthesis of novel organic materials with designable and predictable properties for specific applications, such as in optoelectronics, energy storage, and conversion. In particular, the 2D π-conjugated COFs (2D-c-COFs) represent a unique class of 2D conjugated polymers that have 2D molecular-periodic structures with extended in-plane π-conjugations. In the 2D-c-COFs, the conjugated skeletons and π–π stacking interactions can provide the pathways for electron transport, while the porous channel can enable the loading of active sites for catalysis and sensing. Thus far, the synthesis of 2D-c-COFs has been mostly limited to Schiff base chemistry based on the condensation reaction between amine and aldehyde/ketone monomers because the construction of 2D COFs as thermodynamically controlled products generally requires a highly reversible reaction for error-correction processes. However, the high reversibility of imine linkages would conversely endow moderate π-electron delocalization due to the polarized carbon–nitrogen bonds and poor stability against strong acids/bases. To achieve robust and highly conjugated 2D-c-COFs, a series of synthesis strategies have been developed, including a one-step reversible reaction with a bond-forming–bond braking–bond reforming function, a quasi-reversible reaction combing reversible and irreversible processes, and postmodifications converting labile bonds to a robust linkage. Among all of the reported 2D-c-COFs, vinylene-linked (also sp2-carbon-linked) 2D covalent organic frameworks (V-2D-COFs) with high in-plane π-conjugation have attracted increasing interest after we reported the first V-2D-COFs via a Knoevenagel polycondensation in 2016. Although C═C bonds have low reversibility, making the synthesis of V-2D-COFs quite challenging, there have been around 40 V-2D-COFs reported over the past 5 years, which demonstrated the merits of V-2D-COFs combining with unique optoelectronic, redox, and magnetic properties. In this Account, we will summarize the development of V-2D-COFs, covering the important aspects of synthesis methods, design strategies, unique physical properties, and functions. First, the solvothermal synthesis of V-2D-COFs using different reaction methodologies and design principles will be presented, including Knoevenagel polycondensation, other aldol-type polycondensations, and Horner–Wadsworth–Emmons (HWE) polycondensation. Second, we will discuss the optoelectronic and magnetic properties of V-2D-COFs. Finally, the promising applications of V-2D-COF in the fields of sensing, photocatalysis, energy storage, and conversion will be demonstrated, which benefit from their robust vinylene-linked skeleton, full in-plane π-conjugation, and tailorable structures. We anticipate that this Account will provide an intensive understanding of the synthesis of V-2D-COFs and inspire the further development of this emerging class of conjugated organic crystalline materials with unique physicochemical properties and applications across different areas.

Cononsolvency occurs if a mixture of two good solvents causes the collapse or demixing of polymers into a polymer-rich phase in a certain range of compositions of these two solvents. The better solvent is usually called cosolvent and another common solvent is called solvent. So far, the phase-transition mechanism behind cononsolvency is still rather controversially debated in literature. In this thesis, I experimentally investigated the cononsolvency effect of poly(N-isopropylacrylamide) (PNiPAAm) brushes with different grafting density in aqueous alcohol mixtures. I have used Vis-spectroscopic ellipsometry measurements and proved the hypothesis that the cononsolvency transition of PNiPAAm brushes consists of a volume phase-like equilibrium transition. I found a strong collapse transition in PNiPAAm brushes followed by a reentry behavior as observed by ellipsometry measurements. Using a series of alcohols with increasing alkyl-chain length I have demonstrated that the cononsolvency effect is enhanced and shifted to smaller volume fractions of the alcohol. Particularly for the alcohol with increasing hydrophobic property this is correlated with an increasing tendency of demixing between the cosolvent and water. This is apparently in contrast to the hypothesis of strongly associative solvents being the origin of the cononsolvency effect. The hypothesis of preferential adsorption, on the other hand, can account for this case by assuming an increasing hydrophobically driven adsorption of the cosolvent on the polymer chains. The recently proposed adsorption-attraction model based on the concept of preferential adsorption, can be used to predict the corresponding phase-transition behavior. In particularly the model predictions for variation of the grafting density is in agreement with the experimental findings. However, to reflect the imperfect mixing of the longer alcohols in water as well as finite miscibility of the polymers in the common solvent, extensions of the model have to be considered. I have shown that the simplest extension of the model taking into account the Flory-Huggins parameter for polymer and water can account for the qualitative changes observed for temperature changes in my experiments. Both a theoretical analysis and experimental observations show that the phase-transition mechanism of cononsolvency depends on the relative strengths of various interactions in the polymer solutions. A cononsolvency transition can be driven by a strong cosolvent-solvent attraction or by the preferential adsorption of cosolvent onto the polymer. By an extension of the adsorption-attraction model, I report on a comprehensive and quantitative theoretical study of the cononsolvency effect of neutral polymers such as PNiPAAm brushes, macro-gels and single long chains. The extended adsorption-attraction model is able to describe and predict the phase-transition behaviors of these systems in various aqueous alcohol solutions quantitatively. My analysis showed that besides the dominant role of polymer-cosolvent preferential adsorption and the monomer-cosolvent-monomer triple contacts (cosolvent-assisted temporary cross-linking effect) that define the strength of the collapse-transition in the cosolvent-poor region, other effects are shown to be of relevance: The non-ideal mixing between polymer and solvent plays a role in shifting the collapse transition to the lower-concentration region of cosolvent, and an increase of the demixing tendency between cosolvent and solvent on the polymer chains reduces the window width of the cononsolvency transition. Using data from my own experiments and literature I can show that the cononsolvency response of brushes, gels and single long polymer chain can be consistently described with the same model. The model parameters are consistent with their microscopic interpretation. In addition, weakening of the cononsolvency transition in cosolvent-poor aqueous solutions at high hydrostatic pressure can be explained by the suppression of demixing tendency between cosolvent and water, and between polymer and water in the case of PNiPAAm. An investigation of the grafting-density effect in the cononsolvency transition of grafted PNiPAAm polymer, showed that a decrease of grafting density at the collapse state as well as the temperature is fixed, the swollen polymer chains can show various morphologies not limited to collapse brush. In addition, my experimental results clearly showed that the strongest collapse state can be only realized by polymer brushes with moderate grafting densities. My results display the universal character of the cononsolvency effect with respect to series of cosolvents and show that PNiPAAm brushes display a well-defined and sharp collapse transition. This is most pronounced for 1-propanol as cosolvent which is still fully miscible in water. Potential applications are switches built from implementation of brushes in pores and similar concave geometries can be realized by harnessing the cononsolvency effect of stimuli-responsive polymers such as PNiPAAm. As an example of application of cononsolvency effect of grafted polymers, different molecular-weight PNiPAAm polymers are grafted around the rim of solid-state nanopores by using grafting-to method. I demonstrate that small amounts of ethanol admixed to an aqueous solution can trigger the translocation of fluorescence DNA through polymer-decorated nanopores. I can identify the cononsolvency effect as being responsible for this observation which causes an abrupt collapse of the brush by increasing the alcohol content of the aqueous solution followed by a reswelling at higher alcohol concentration. For the first time, I provide a quantitative method to estimate hydrodynamic thickness of a polymer layer which is grafted around the rim of nanopores. Regardless of the grafting density of a grafted PNiPAAm polymer layer around the rim of nanopores, in the alcohol-tris buffer mixtures, the polymer layer displays solvent-composition responsive behaviors in the range of metabolic pH values and room temperatures. Although in this study PNiPAAm was chosen as a model synthetic polymer, I believe in that the conclusions made for PNiPAAm can be also in general extended to other synthetic polymers as well as to biopolymers such as proteins. As a proof of concept of using synthetic polymers to mimic biological functions of cell-membrane channels, my study clearly transpired that cononsolvency effect of polymers can be used as a trigger to change the size of nanopores in analogy to the opening and closure of the gates of cell-membrane channels.:Chapter 1 Background and motivation 4 1.1 Liquid-liquid phase separation 4 1.2 Polymer phase separation in a pure solvent 5 1.3 Polymer phase separation in mixtures of two good solvents 10 1.4 Characterizing cononsolvency transition in experimental study 14 1.5 Research motivation 16 Chapter 2 Phase behaviors of PNiPAAm brushes in alcohol/water mixtures: A combined experimental and theoretical study 17 2.1 Introduction 17 2.2 Materials and Methods 17 2.2.1 Materials 17 2.2.2 Preparation of Polymer Brushes 18 2.2.3 VIS-Spectroscopic Ellipsometry Measurement 18 2.2.4 Determining a polymer brush’s overlap grafting density 19 2.2.5 Test of PNiPAAm solubility in short-chain polyols 20 2.3 The adsorption-attraction model 20 2.4 Equilibrium behavior of cononsolvency transition of PNiPAAm brushes 22 2.5 Role of volume of solvent molecules in the swelling of PNiPAAm brushes 24 2.6 Cononsolvency transition of PNiPAAm brushes in aqueous solutions of a series of alcohol 24 2.7 Isomer effect of alcohol in the cononsolvency transition of PNiPAAm brushes 27 2.8 Role of alcohol-water interaction in the cononsolvency transition of PNiPAAm polymers 28 2.9 Temperature effect in the cononsolvency transition of PNiPAAm brushes 30 2.10 Grafting-density effect in the cononsolvency transition of PNiPAAm brushes 33 2.11 Octopus-shape-micelle morphology of grafted PNiPAAm polymers 34 2.12 Chapter summary 35 2.13 Chapter appendix 37 2.13.1 Data extraction and reprocessing for the molar Gibbs free energy of mixing 37 2.13.2 Temperature effect in the cononsolvency transition of PNiPAAm gels 37 Chapter 3 The extended adsorption-attraction model 41 3.1 Introduction 41 3.2 An extension of the adsorption-attraction model 43 3.3 Numerical solution of the extended adsorption-attraction model 47 3.4 Validation of the extended adsorption-attraction model 50 3.4.1 Cononsolvency transition of polymer brushes and macro-gels in different alcohol-water mixtures 51 3.4.2 An analysis of the enthalpic interaction between cosolvent and solvent 57 3.4.3 The window width of the cononsolvency transition 60 3.4.4 Pressure effect in the cononsolvency transition of PNiPAAm polymers 61 3.4.5 Cononsolvency transition of a single long polymer 65 3.5 Chapter summary 66 3.6 Chapter appendix 67 3.6.1 Chemical potential change of mixing two components 67 3.6.2 The Enthalpic Wilson model 68 3.6.3 Estimation of effective Flory-interaction parameter 73 3.6.4 Crosslink-density effect in the cononsolvency transition of poly(N-isopropylacrylamide) micro-gel and macro-gel 74 3.6.5 Pressure effect on the dimensionless chemical potential change (μ) 75 3.6.6 Pressure effect on the cosolvent-solvent interaction (χcs) 76 3.6.7 Pressure effect on the polymer-solvent interaction (χps) 77 3.6.8 Chemical potential change of DMSO/water mixtures 78 Chapter 4 Gating the translocation of DNA through poly(N-isopropylacrylamide) decorated nanopores using the cononsolvency effect in aqueous environments 80 4.1 Introduction 80 4.2 Methods 80 4.2.1 Preparation of polymer-grafted gold membrane 80 4.2.2 Translocation experiments of fluorescence λ-DNA through nanopores 82 4.2.3 Method of identification and counting of DNA translocation events 84 4.3 Results and discussion 86 4.3.1 Grafting density effect on the swollen behaviors of PNiPAAm polymers around the rim of nanopores 86 4.3.2 Switching effect of polymer chains around the rim of nanopores in the tri-buffer/ethanol mixtures 88 4.3.3 Switching effect of polymer brushes on the flat surface in the tri-buffer/ethanol mixtures 92 4.3.4 An attempt of numerical fit of experimental data using the extended adsorption-attraction model 94 4.4 Chapter summary 95 4.5 Chapter appendix 96 4.5.1 An estimation of grafting density 96 4.5.2 The method of processing data 97 Chapter 5 Concluding remarks and outlooks 100 5.1 Concluding remarks 100 5.2 Outlooks: A preliminary discussion of the cononsolvency transition of polymer solutions 102 References and notes 108 List of figures 119 List of tables 128 Acknowledgements 130 List of publications 131 Erklärung 132

Das moderne digitale Leben bringt eine steigende Nachfrage an immer kleineren kompakten Geräten mit höheren Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Multifunktionalität mit sich. Der in diesem Zusammenhang fortschreitende Prozess der Miniaturisierung findet damit in immer mehr Bereichen Anwendung. Der aktuelle Trend geht hierbei zu immer kleineren autonomen Systemen, welche vor allem einen wartungsfreien Betrieb mit guter Langlebigkeit garantieren sollen. Hierbei kommt die Integration von zusätzlichen Energiespeichereinheiten wie Mikro-Superkondensatoren (MSC) zum Einsatz. Die so genannten elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren können durch ihren rein elektrostatischen Energiespeichermechanismus innerhalb weniger Sekunden vollständig geladen und entladen werden und ermöglichen somit hohe Leistungsdichten bei gleichzeitig hohen Lebensdauern. Strukturierungen im Mikrometerbereich können vor allem durch additive Druckmethoden (3D-Druck, Inkjet-Druck) realisiert werden, welche zudem eine sehr hohe Variabilität in der Zielgeometrie bieten. Ein weiteres vielversprechendes Verfahren hinsichtlich hoher Produktionsdurchsätze und einem geringen Preisaufwand stellt die weiche Lithographie dar. Sie ermöglicht Drucke mit hoher Auflösung bis in den Nanometerbereich. Aus diesem Grund soll im ersten Teil dieser Arbeit die Nanoprägelithographie (NIL) als softlithographische Technik für die Herstellung strukturierter Kohlenstoffelektroden genutzt werden. Die gewählten Elektrodenstrukturen zeichnen sich vor allem durch ihre hohe Auflösung im Sub-Mikrometer-Bereich aus und stellen damit die derzeit kleinsten literaturbekannten interdigitalen Kohlenstoffelektroden dar. Zielstellung dieser Arbeit war zunächst die Entwicklung verschiedener flüssiger, druckbarer Kohlenstoffpräkursoren. Die erhaltenen Mikrostrukturen wurden anschließend für die Anwendung in MSCs optimiert. Im ersten Teil der Arbeit konnten in diesem Sinne drei verschiedene Präkursorsysteme entwickelt werden. Das erste, Saccharose-basierte System setzte sich aus einer wässrigen Saccharoselösung zusammen, welche schwefelsäurekatalysiert zu Kohlenstoff umgesetzt wurde. Die zusätzliche Einbringung von Stickstoffgruppen in den Kohlenstoff erfolgte durch die Zugabe von Harnstoff. Das zweite Präkursorsystem basierte auf einem umweltfreundlichen Resol aus Phloroglucinol und Glyoxylsäure. Durch Weichtemplatverfahren unter Nutzung von Pluronic F127 gelang zudem eine Einbringung geordneter Porosität in die Kohlenstoffmatrix. Eine schnelle Assemblierung und Polymerisation der Edukte konnten durch den EISA-Prozess ermöglicht werden, sodass der Präkursor auch für die NIL genutzt werden konnte. Bei dem dritten System handelte es sich um einen Polymerpräkursor, welcher durch Auflösung von Polyacrylnitril in DMF hergestellt wurde. Dieses Polymersystem eignete sich zudem auch sehr gut als Matrixmaterial für die Einbettung von Nanopartikeln. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das System genutzt, um Polymerhohlkugeln einzubetten und diese in situ unter vollständiger Strukturerhaltung zu Kohlenstoff umzusetzen. Alle drei Präkursorsysteme konnten im nächsten Schritt erfolgreich in der Nanoprägelithographie angewendet werden. Die entsprechenden Strukturen besaßen Liniengrößen von 250 bis 500 nm mit Abständen zwischen 1 und 10 μm. Für alle Geometrien wurden hierbei vollständige und stabile Strukturen erhalten. Nach der Umsetzung der Präkursoren zu Kohlenstoff blieben die Strukturen weiterhin erhalten. Das Saccharose-basierte System wurde im Anschluss genutzt, um einen Hydrogel-Elektrolyten auf Basis von PVA und Schwefelsäure zu optimieren. Im Vergleich zu einem herkömmlichen wässrigen Elektrolyten konnten deutlich höhere Kapazitäten erreicht werden. Für die wässrige Li2SO4-Lösung wurde so eine Device-Kapazität von 0,02 mF cm-2 ermittelt, welche durch die Verwendung eines PVA/H2SO4-Gelelektrolyten auf 0,3 mF cm-2 gesteigert werden konnte. Zudem zeigte der Gel-Elektrolyt deutliche Vorteile bei der Langzeitstabilität und Auslaufsicherheit. Weiterhin wurden auch die Leitadditive und Konzentrationen variiert und getestet. Hierbei stellten sich Schwefelsäure als am besten geeignetes Additiv und ein Massenverhältnis von m(PVA): m(H2SO4) von 1:1 als optimale Konzentration heraus. Mit diesem Elektrolyten wurden im Anschluss die Einflüsse verschiedener Liniengrößen und Fingerabstände untersucht. Aufgrund des insgesamt besten Druckergebnisses zeigte die IDE500/10 auch die größten Kapazitäten. Weiterhin bewirkte eine N-Dotierung des Kohlenstoffes eine Verbesserung in der Benetzbarkeit und Leitfähigkeit der Elektroden, wodurch für alle Strukturen die Kapazität weiter gesteigert werden konnte. Auch der Resol-basierte Präkursor konnte genutzt werden, um Superkondensatoren herzustellen. Für beide Präkursorvarianten mit und ohne Templat wurden auch funktionsfähige Mikro-Superkondensatoren hergestellt. Hierbei konnte ebenfalls eine deutliche Kapazitätserhöhung durch die Einbringung des Templats beobachtet werden. Damit wurde gezeigt, dass auch in den Mikrostrukturen Porosität oder Oberflächenrauigkeit durch das Tensid erzeugt wird. Hierbei erhöhte sich die Flächenkapazität sogar um das Fünffache von 0,4 auf 2,0 mF cm-2. Mit dem dritten Präkursorsystem basierend auf PAN, konnte für IDE500/10 eine Flächenkapazität von 0,4 mF cm-2 erreicht werden. Auch die Integration der Hohlkugeln ermöglichte die Herstellung leitfähiger Elektroden. Für dieses System wurde eine Flächenkapazität von 0,2 mF cm-2 erreicht. Im Hinblick auf die Miniaturisierung ist oft die Größenbeschränkung des gesamten Bauteils limitierend für die erreichbare Leistung. Aus diesem Grund liegt der Fokus aktuell auch auf der Entwicklung multifunktionaler Bauteile. Weiterhin geht der Trend in Richtung intelligenter Systeme, welche beispielsweise biologische Prozesse nachahmen können. Im zweiten Teil dieser Arbeit sollte auf Basis dieser Entwicklungen ein schaltbarer Mikro-Superkondensator mit typischen Charakteristiken eines Feldeffekttranistors entwickelt werden. In diesem Sinn wurden die Einflüsse verschiedener Kenngrößen untersucht und ein Zusammenhang von Schaltverhalten und Architektur soll gefunden werden. Auf Basis des Saccharose-abgeleiteten Kohlenstoffes wurden mit Hilfe des piezoelektrischen Inkjet-Drucks Interdigitalelektroden angefertigt. Als dritte Gate-Elektrode wurde ein Kohlenstofffilm des gleichen Materials genutzt und im Schichtaufbau mit der Interdigitalelektrode und dem Hydrogel-Elektrolyten assembliert. Mit diesem Gate-Cap konnte der W-Cap mit sehr hohen Schaltraten an- und ausgeschaltet werden. Wird eine Bias-Spannung von -0,5 V genutzt, so kann die Kapazität auf 1,8 % der Ausgangskapazität verringert werden. Weiterhin wurde der Einfluss verschiedener Vorschubgeschwindigkeiten und Bias-Potentialen untersucht. Grundsätzlich eignen sich kleine Vorschubgeschwindigkeiten sehr gut, um effektivere Schaltraten zu generieren. Für unterschiedliche Gate-Spannungen konnten so unterschiedliche Schaltraten erhalten werden, sodass sich ein vergleichbares Verhalten mit einem FET ergab. Hierbei konnte zudem gezeigt werden, dass bereits für eine Spannung von -0,2 V eine Verringerung auf unter 3 % der Ausgangskapazität erhalten wurde. Dies ist vor allem für potenzielle Anwendungen in implantierbaren Mikrosystemen vorteilhaft, welche mit sehr kleinen Betriebsspannungen arbeiten. Die Langzeitstabilität des Gate-Caps wurde zum einen durch sehr schnelles wiederholtes Schalten als auch über einen Langzeitbetrieb im Aus-Zustand gezeigt. Hierbei zeigte sich eine sehr gute Reproduzierbarkeit über mehrere Sequenzen. Über die verschiedenen Schaltversuche und die zusätzliche Variation des Elektrolyten unter Nutzung verdünnter Schwefelsäure konnte der Ablauf des vor allem protonengesteuerten Schaltprozesses näher betrachtet werden. Hierbei zeigte sich, dass vor allem ein unidirektionales Schaltverhalten vorliegt und der Gate-Cap nur durch das Anlegen negativer Potentiale effektiv geschalten werden kann.

Smartphones, schnell faltbar für die Hosentasche, ein Laptop, dünn wie Papier mit gestochen scharfem Kontrast, transparente Displays in Windschutzscheiben von Fahrzeugen, oder Fensterscheiben - Diese Technologien werden zunehmend als reale Szenarien diskutiert und haben Eines gemeinsam. Ihre Verwirklichung wird erst durch den Einsatz organischer Leuchtdioden (engl. organic light emitting diode, OLED) ermöglicht. Vor allem in internetbasierten Technologien, sowie neuartiger Displaytechniken und modernem Lichtmanagement wurde das Potential der OLEDs von der Industrie erkannt. Im Vergleich zu herkömmlichen Leuchtmitteln zeichnen sich OLEDs durch eine hohe Energieeffizienz aus. Ihre herausragende Eigenschaft als einzige Lichtquelle, direkt flächiges Licht abzugeben und zudem die Möglichkeit des Aufbaus aus flexiblen, transparenten Dünnschichten geben den OLEDs eine Sonderstellung für diese zukünftigen Anwendungen. Auch die steigende Anzahl an OLED-gestützten Produkten wie Bildschirmen, Smartphones und anderen Displaybauteilen zeigt diesen Trend deutlich. Dabei besteht für die industrielle Nutzung jedoch noch Forschungsbedarf. Diese Maßnahme wird mit Mitteln aus dem Europäischen Sozialfond gefördert und mitfinanziert durch Steuermittel auf Grundlage des von den Abgeordneten des Sächsischen Landtags beschlossenen Haushaltes.

Aerogels with extraordinary mechanical properties attract a lot of interest for their wide spread applications. However, the required flexibility is yet to be satisfied, especially under extreme conditions. Herein, a boron nitride nanoribbon aerogel with excellent temperature‐invariant super‐flexibility is developed by high temperature amination of a melamine diborate precursor formed by hydrogen bonding assembly. The unique structure of the aerogel provides it with outstanding compressing/bending/twisting elasticity, cutting resistance, and recoverable properties. Furthermore, the excellent mechanical super‐flexibility is maintained over a wide temperature range, from liquid nitrogen temperature (−196 °C) to higher than 1000 °C, which extends their possible applications to harsh environments.