Für eine effiziente und nachhaltige Nutzung von Georeservoiren sind bestmögliche Reservoirmanagementverfahren erforderlich. Oft setzen diese Verfahren auf Tracer-Tests. Dabei enthalten die aufgezeichneten Tracersignale integrale Informationen der Reservoireigenschaften. Tracer-Tests bieten somit eine leistungsfähige Technik zur Charakterisierung und Überwachung der bewirtschafteten Georeservoire. Im Gegensatz zu Tracer-Tests mit konservativen Tracern, welche bereits etablierte Testroutinen zur Verfügung stellen, ist die Verwendung von reaktiven Tracern ein neuer Ansatz. Aufgrund unpassender physikalisch-chemischer Modelle und/oder falschen Annahmen ist die Analyse und Interpretation von reaktiven Tracersignalen jedoch oft verzerrt, fehlinterpretiert oder sogar unmöglich. Reaktive Tracer sind dennoch unersetzbar, da sie durch die gezielte Ausnutzung selektiver und spezifischer Reaktionen mögliche Metriken von Reservoirtestverfahren auf einzigartige Weise erweitern. So liefern reaktive Tracer für ein integriertes Reservoirmanagement geforderten Aussagen über Reservoirmetriken wie z.B. Wärmeaustauschflächen oder in-situ Temperaturen. Um Unsicherheiten bei der Auswertung von Tracerexperimenten zu reduzieren, werden theoretische und experimentelle Untersuchungen zu hydrolysierenden Tracern vorgestellt. Diese Tracer sind durch ihre Reaktion mit Wasser charakterisiert. Einerseits können sie als thermo-sensitive Tracer Informationen über Temperaturen und abgekühlte Anteile eines beprobten Reservoirs liefern. Für die Interpretation von thermo-sensitiven Tracerexperimenten sind die Kenntnis der zugrunde liegenden Reaktionsmechanismen sowie bekannte Arrhenius-Parameter Voraussetzung, um die verwendete Reaktion pseudo erster Ordnung nutzen zu können. Darüber hinaus ermöglichen die verwendeten Verbindungen durch ihre Fluoreszenzeigenschaften eine Online-Messung. Um die Empfindlichkeit und praktischen Grenzen thermo-sensitiver Tracer zu untersuchen, wurden kontrollierte Laborexperimente in einem eigens dafür entwickelten Versuchsaufbau durchgeführt. Dieser besteht aus zwei seriell geschalteten Säulen, die beide mit Sand gefüllt sind und jeweils auf eine eigene Temperatur eingestellt werden können. Somit ist es möglich, verschiedene thermische Einstellungen zu betrachten. Die untersuchten experimentellen Szenarien imitieren größtenteils Feldanwendungen: Durchflussexperimente sowie auch Experimente mit einer Umkehr der Fließrichtung. Darüber hinaus wurde untersucht, ob thermo-sensitive Tracer auch sensitiv gegenüber der Position der Temperaturfront sind. Dabei wurden die Tracer kontinuierlich oder gepulst injiziert. Die Ergebnisse bestätigen die zugrunde liegende Theorie experimentell. Wenn die pH-Abhängigkeit der Hydrolyse bei der Analyse berücksichtigt wird, kann eine Temperaturschätzung mit einer Genauigkeit und Präzision von bis zu 1 K erreicht werden. Die Schätzungen sind von Verweilzeit und gemessenen Konzentrationen unabhängig. Weiterhin lässt sich eine Schätzung über den ausgekühlten Anteil des Systems erhalten. Durch die steuerbaren und definierten Laborbedingungen ist es erstmals möglich, die geforderte Anwendbarkeit von thermo-sensitiven Tracern belastbar nachzuweisen. Des Weiteren wird eine zweite Anwendung hydrolysierender Tracer vorgeschlagen. Beim Lösen von CO2 für „Carbon Capture and Storage“-Anwendungen hängt die Effizienz maßgeblich von der Grenzfläche zwischen CO2 und der Sole in tiefen Reservoiren ab. Somit ist diese Metrik wichtig, um die Effizienz der CO2 Auflösung in Wasser zu bewerten. Die gezielt entwickelten Kinetic-Interface-Senitive-Tracer (KIS-Tracer) nutzen, zusätzlich zur Hydrolyse an der Grenzfläche, die unterschiedlichen Lösungseigenschaften von Tracer und Reaktionsprodukt im entsprechenden Fluid. Somit lassen sich potentiell Aussagen über die Dynamik der Grenzfläche machen. Neben dem grundlegenden Konzept sowie den theoretischen Tracer-Anforderungen wird eine erste Anwendung im Laborexperiment vorgestellt. Diese zeigt das erfolgreiche, zielorientierte Moleküldesign und bietet eine experimentelle Basis für ein makroskopisches numerisches Modell, mit welchem numerische Simulationen verschiedener Testszenarien durchgeführt werden, um das Zusammenspiel von KIS-Tracer und dynamischer Grenzfläche zu untersuchen. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit hydrolysierender Tracer werden in der Regel auch thermische Signale aufgezeichnet. Der letzte Teil prüft die Möglichkeit, Informationen aus den aufgezeichneten Temperaturen zu extrahieren. Für ein idealisiertes Einzelkluftsystem wird eine Reihe von analytischen Lösungen diskutiert. Aus thermischen Injektion-/Entzugsversuchen können damit räumliche und zeitliche Profile abgeleitet werden. Mit der Verwendung von mathematisch effizienten Inversionsverfahren wie der iterativen Laplace-Transformation lassen sich rechentechnisch effiziente Realraum-Lösungen ableiten. Durch die Einführung von drei dimensionslosen Kennzahlen können die berechneten Temperaturprofile auf Bruchbreite oder Wärmetransportrate, wechselnde Injektions-/ Pumpraten und/oder auf in der Nähe beobachtbare räumliche Informationen analysiert werden. Schließlich werden analytische Lösungen als Kernel-Funktionen für nichtlineare Optimierungsalgorithmen vorgestellt. Zusammenfassend bearbeitet die vorliegende Arbeit den Übergang zwischen Tracerauswahl und Traceranwendung. Die Ergebnisse helfen Planungs- und Analyseunsicherheiten zu reduzieren. Dies wird bezüglich der Empfindlichkeit gegenüber Temperaturen, Kühlungsanteilen, flüssig/flüssig-Grenzfläche, Kluftbreite und Wärmetransportrate gezeigt. Somit bieten die vorgestellten Tracerkonzepte neue Metriken zur Verbesserung von Reservoirmanagementverfahren. Die experimentellen Ergebnisse und die neuen analytischen Modelle ermöglichen einen tiefen Einblick in die kollektive Rolle der Parameter, welche die Hydrolyse und den Wärmetransport in Georeservoiren kontrollieren.

This thesis describes the study on structure and dynamics of various kinds of molecular membranes in general. We have studied the morphological transition of colloidal as well as biologically relevant membranes and qualitatively argued regarding the interplay between structure and dynamics. Systematic measurements have been performed to address the issue of ambiguous behavior of molecules under stress when its confined at the interface. The structural and dynamical effect on interfacial membranes have been studied for soft colloidal free standing langmuir monolayer as well as for the quasi two dimensional lipid membranes on solid supports. For organic nanoparticle monolayer we have observed a correlation between the nanoparticle raft dynamics and the underlying morphological transition. In this study we have also found a non-monotonic behavior of dynamical heterogeneity with time which is unusual for a colloidal system in common and beyond the prediction of Mode Coupling Theory. In the case of lipid membrane, we have given an experimental evidence of lipid molecular rearrangement process at molecular level when its perturbed by foreign entities. Using sophisticated X-Ray scattering techniques, we were able to capture the subtle changes happening in the assembly of lipid molecules in a planar bilayer structure when it interacts with molecules having biological relevance. In the next level we have used lipid membranes as an active plat-form to study the physical interaction with several kinds of nanoparticles and explored the mechanism of active participation of lipid molecules in self assembly process. Besides with the help of Fluorescence Correlation Spectroscopy, we have also studied the effect of nanoparticles assemblies on the dynamics of lipid molecules itself. In Chapter 1, we have provided the background along with a brief review of the existing literature for understanding the results represented in the subsequent chapters. This includes discussion on the various physical properties of our systems of interest, including dynamic behavior of colloidal particles in different concentration regime and a detailed theoretical understanding regarding the glass transition and jamming transition for a highly dense colloidal packing. In this section we have also discussed the advantages of interfacial microrheology technique over conventional bulk rheology in terms of efficiency and sensitivity. Here we have also pointed out the formulation of the multi-particle tracking method for achieving different parameters which are correlated in space and time for a given system. Followed by that the Dynamical Susceptibility and the anomaly in Van Hove correlation function, for a heterogeneous system has been argued thoroughly. Towards the end we have discussed about the general features of another type of two dimensional membrane i.e. the lipid membrane at interface. Using raft theory we have also tried to give a plausible explanation of the dynamical heterogeneity of the real cell membrane which is mimicked by the model supported lipid membrane. Here we have argued about the structural six fold symmetry of a compact monolayer. Finally in the last part we have summarized the theoretical aspects of the lipid molecule mediated self assembly process and the how the lipid diffusion plays a vital role in it. Chapter 2 deals with the aspect of measuring the morphological transition and its effect on the dynamics for a two dimensional membrane at air/water interface. It starts with the discussion on the synthesis method for various types of organic molecule grafted nanoparticles like Cadmium Selenide(CdSe Quantum Dots) and Gold Nanoparticle(Au NPs) of different size and properties and followed by a preparation method of 2D film at air/water interface and on solid substrate using Langmuir-Blodgett method. In this chapter we have discussed about the basic principles of several experimental tools like Brewster Angle Microscopy(BAM), Laser Scanning Confocal Microscopy(LSCM), Atomic Force Microscopy(AFM), Thermogravimetric Analysis(TGA), X Ray Reflectivity(XRR), Grazing Incidence Diffraction(GID), Fluorescence Correlation Spectroscopy(FCS) etc. Chapter 3 explains the main aspects of the microscopic dynamics in dense amorphous nanoparticle monolayer at the air-water interface. In this study we have found a transition in mechanical properties, tracked down through the systematic variation of isothermal compressibility(�) with increasing two dimensional packing fraction of nanoparticle rafts up to the area fraction of Φ∼0.82 using Laser Scanning Confocal Microscope. Here we have used multi particle tracking method for a close packed gold monolayer with CdSe tracer to estimate different dynamical properties like Mean Square Displacement(MSD), Dynamical Heterogeneity etc. These calculations indeed point out the non-monotonic variation of the amplitude in the four-point dynamic susceptibility (χ4), a signature of spatio-temporal extension of correlated domains. Along with that we have also observed the anomaly in trend for the inherent relaxation time τ∗with increasing area fraction(Φ). Interestingly the variation in χ4exactly follows the systematic we found for the isothermal compressibility( �) with increasing Φ and that indicates the connection between the observed macroscopic transitions in mechanical properties and the microscopic dynamical phase transitions. Finally we have given a possible explanation of these kind of events in terms of the interaction between this sterically stabilized nanoparticle domains with the help of interpenetration of the capping long chain polymers of the neighboring nanoparticle. Chapter 4 opens up the possibilities of probing the hidden features of biomembranes at molecular scale with the help of very precise techniques based on synchrotron X ray diffraction. Here we have studied the rearrangement of the lipid molecules of an artificial membrane on a solid support as an effect of ad-sorption of organic branched molecules. In this work we have used non toxic PETIM dendrimers of two different generations, i.e. G3and G4which differs a lot in terms of size, no of termination groups, molecular weights and protonation states. Our initial measurements shows quantitatively the in-plane and out of plane symmetry breaking of the lipid bilayer as a result of the interaction with these two types of molecules. The molecular adsorption effect was quantified in terms of thickness reduction and the change in the scattering length density(SLD) or the electron density of the top layer in out of plane reflectivity model. Interestingly both the dendrimers showed different behavior and the interaction reflected in terms of membrane penetration was found stronger for higher generation. On the other hand the GID measurement indicates an enhancement of the in plane unit cell dimension and associated parameters of the arrangement of lipid molecules as a result of interaction with dendrimers. The combined XRR and GID measurements indicate a local fluidization of lipid packing as an outcome of charged branched molecules adsorption on the membrane surface. Chapter 5 is summarizes the lipid mediated self assembly process of nanoparticles on a bilayer and how the interaction changes the local properties of the bilayer represented by the molecular diffusivity. In this study we have used particles of wide variety of features in terms of size, charge, functionality, polarity etc and found a quite dramatic effect in the nanoparticle adsorption event on a solid supported Lαphased DMPC lipid bilayer. We have also seen that de-pending on the concentration and amount of surface charge the nanoparticles form two dimensional regular self assembled patterns on the bilayer surface. In FCS measurement, we have also found a second group of dynamics ( distribution of diffusivity) along with the normal bilayer diffusion which has been identified as the diffusion of the lipid molecules where nanoparticles are adsorbed. The inherent increment in diffusivity supports the argument of local fluidization in lipid membrane in presence of charged nanoparticle as we have observed in our XRR and GID data described in chapter 4. Chapter 6 contains the summary and the future perspective of the work presented here.

This thesis deals with the dynamics of a thin liquid film falling down a heated plate. The heating yields surface tension gradients that induce thermocapillary stresses on the free surface, thus affecting the stability and the evolution of the film. Accounting for the coherence of the flow due to viscosity, two main approaches that reduce the dimensionality of the original problem are usually considered depending on the flow rate (as measured by the Reynolds number): the `long wave' asymptotic expansion for small Reynolds numbers and the `integral boundary layer' approximation for moderate Reynolds numbers. The former suffers from singularities and the latter from incorrectness of the instability threshold for the occurrence of hydrodynamic waves. Thus, the aim of this thesis is twofold: in a first part, we define quantitatively the validity of the `long wave' evolution equation (Benney equation) for the film thickness h including the thermocapillary effect; and in a second part, we improve the `integral boundary layer' approach by combining a gradient expansion to a weighted residual method. <p>In the first part, we further investigate the Benney equation in its validity domain in the case of periodically inhomogeneous heating in the streamwise direction. It induces steady-state deformations of the free surface with increased transfer rate in regions where the film is thinner, and also in average. The inhomogeneities of the heating also modify the nature of travelling wave solutions at moderate temperature gradients and allows for suppressing wave motion at larger ones.<p>Moreover, large temperature gradients (for instance positive ones) in the streamwise direction produce large local film thickening that may in turn become unstable with respect to transverse disturbances such that the flow may organize in rivulet-like structures. The mechanism of such instability is elucidated via an energy analysis. The main features of the rivulet pattern are described experimentally and recovered by direct numerical simulations.<p>In the second part, various models are obtained, which are valid for larger Reynolds numbers than the Benney equation and account for second-order viscous and inertial effects. We then elaborate a strategy to select the optimal model in terms of linear stability properties and existence of nonlinear solutions (solitary waves), for the widest possible range of parameters. This model -- called reduced model -- is a system of three coupled evolution equations for the local film thickness h, the local flow rate q and the surface temperature Ts. Solutions of this model indicate that the interaction of the hydrodynamic and thermocapillary modes is non-trivial, especially in the region of large-amplitude solitary waves.<p>Finally, the three-dimensional evolution of the solutions of the reduced model in the presence of periodic forcing and noise compares favourably with available experimental data in isothermal conditions and with direct numerical simulations in non-isothermal conditions.<p><p>------------------------------------------------<p><p>Cette thèse analyse la dynamique d'un film mince s'écoulant le long d'une paroi chauffée. Le chauffage crée des gradients de tension superficielle qui induisent des tensions thermocapillaires à la surface libre, altérant ainsi la stabilité et l'évolution du film. Grâce à la cohérence de l'écoulement assurée par la viscosité, deux approches permettant de réduire la dimensionnalité du problème original sont habituellement considérées suivant le débit (mesuré par le nombre de Reynolds): l'approximation asymptotique dite `longues ondes' pour les faibles nombres de Reynolds et l'approximation `intégrale couche limite' pour les nombres de Reynolds modérés. Cependant, la première approximation souffre de singularités et la dernière de prédictions imprécises du seuil de stabilité des ondes hydrodynamiques à la surface du film. Le but de cette thèse est donc double: dans une première partie, il s'agit de déterminer, de manière quantitative, la validité de l'équation d'évolution `longues ondes' (ou équation de Benney) pour l'épaisseur du film h, en y incluant l'effet thermocapillaire; et dans une seconde partie, il s'agit d'améliorer l'approche `intégrale couche limite' en combinant un développement en gradients avec une méthode aux résidus pondérés.<p>Dans la première partie, nous étudions l'équation de Benney, dans son domaine de validité, dans le cas d'un chauffage inhomogène et périodique dans la direction de l'écoulement. Cela induit des déformations permanentes de la surface libre avec un accroissement du transfert de chaleur dans les régions où le film est plus mince, mais aussi en moyenne. Un chauffage inhomogène modifie également la nature des solutions d'ondes progressives pour des gradients de températures modérés et conduit même à leur suppression pour des gradients de températures plus importants. De plus, ceux-ci, lorsqu'ils sont par exemple positifs le long de l'écoulement, produisent des épaississements localisés du film qui peuvent à leur tour devenir instables par rapport à des perturbations suivant la direction transverse à l'écoulement. Ce dernier s'organise alors sous forme d'une structure en rivulets. Le mécanisme de cette instabilité est élucidé via une analyse énergétique des perturbations. Les principales caractéristiques des structures en rivulets sont décrites expérimentalement et retrouvées par l'intermédiaire de simulations numériques. <p>Dans la seconde partie, nous dérivons une famille de modèles valables pour des nombres de Reynolds plus grands que l'équation de Benney, qui prennent en compte les effets visqueux et inertiels du second ordre. Nous élaborons ensuite une stratégie pour sélectionner le modèle optimal en fonction de ses propriétés de stabilité linéaire et de l'existence de solutions non-linéaires (ondes solitaires), et ce pour la gamme de paramètres la plus large possible. Ce modèle -- appelé modèle réduit -- est un système de trois équations d'évolution couplées pour l'épaisseur locale de film h, le débit local q et la température de surface Ts. Les solutions de ce modèle indiquent que l'interaction des modes hydrodynamiques et thermocapillaires n'est pas triviale, spécialement dans le domaine des ondes solitaires de grande amplitude. Finalement, l'évolution tri-dimensionnelle des solutions du modèle réduit en présence d'un forçage périodique ou d'un bruit se compare favorablement aux données expérimentales disponibles en conditions isothermes, ainsi qu'aux simulations numériques directes en conditions non-isothermes<p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

As advances in thin films are made there is a parallel requirement to develop equipment capable of measuring their properties accurately and consistently. In addition there is a need to understand the parameters that are measured. Typical DPI measurements allow both the refractive index (related to density) and the thickness of the adsorbed layer to be calculated with relatively few assumptions, to a very high precision in real time. This thesis presents the research undertaken to develop multiple path length dual polarisation interferometry (MPL-DPI) and absorption enhanced dual polarisation interferometry (AE-DPI). In addition research is presented that can be used to improve the interpretation of the measured parameters for inhomogeneous films and uniaxial films. The new Interferometric technique MPL-DPI allows the thickness and refractive index of in situ and ex-situ coated ultra-thin films to be measured. The procedures and the mathematics required to calculate the properties of films have been described and the technique verified. The technique was demonstrated using films of PMMA, where good agreement was found with complementary techniques. Furthermore, some key features of MPL-DPI were demonstrated using the measurements of interfacially grafted acrylic acid. The absorption enhanced DPI uses the attenuation of the light within the waveguide, due to the light absorbing properties of a film on its surface. As the composition of a film changed, it was shown that the refractive index and extinction coefficients could be used to separate the mass of the components of the film that absorbed light, from the components of the film that did not. With the use of a semi-uniaxial model, the extra data from the attenuation in two polarisations was used to fit the extraordinary and ordinary extinction coefficients. The extraordinary and ordinary extinction coefficients were used to demonstrate that molecular orientation could be implied. The influence that an inhomogeneous film has on the measured thickness, refractive index and extinction coefficient fitted by homogeneous models were investigated. Formulas are presented to explain the thickness, refractive index and extinction coefficient of the measured film. A formula for the total mass per unit area that uses the refractive index was created to account for films that contain molecules of different refractive index increments (dn/dc's). To separate the mass of the individual molecular species from the total mass per unit area, formulas that use the extinction coefficient were derived so molecules that absorb light could be separated from those that do not. The mass calculated from the refractive index and the mass calculated from the extinction coefficient were also examined for uniaxial films. For uniaxial films both measures of the adsorbed mass were found to be relatively accurate and benefited from a partial cancellation of errors. The accuracy of the measurements made by dual polarisation interferometry technology is systematically examined throughout this thesis. Improvements in the calibration routines are suggested and a procedure for the identification and reduction of errors in the phase and contrast is demonstrated.

Afin de répondre à des besoins croissants en nano-caractérisation, nous avons développé une plateforme multifonctionnelle combinant des techniques de microscopie optique et de microscopies en champ proche.Au coeur de ce dispositif se trouve l'échantillon. Ceux optiquement semi-transparents en exploiteront au mieux la palette des techniques implémentées. Parmi eux des couches minces (100nm), nanostructurées, de matériaux organiques photovoltaïques.La plateforme permet d'utiliser différentes techniques de microscopies à sonde locale (AFM1, KPFM2, SNOM3, ...) couplées à un microscope optique inversé qui autorise illumination ou imagerie. Versatile, elle peut accueillir des portes-échantillons d'autres techniques développées ou présentes au laboratoire (en particulier les microscopies électroniques à projection, à transmission ou à balayage). Elle est également conçue pour faciliter l'intégration d'autres techniques.Outre le développement de la plateforme, ce manuscrit montre la part importante du travail effectuée pour mettre au point et exploiter une microscopie à sonde de Kelvin (KPFM) à haute résolution sous illumination.Des résultats obtenus sur des matériaux organiques photovoltaïques permettent notamment d'illustrer les excellentes performances de notre plateforme de nano-caractérisation et des techniques associées. / To address the increasing demand on nanomaterials investigation, we developed a cross-characterization platform combining scanning probe microscopies (AFM 1, KPFM 2, SNOM 3, ...) and inverted optical microscopy. The inverted optical microscope, allowing both illumination and imaging, is augmented with near field microscopies such as cited above.The heart of our setup is the sample. Optically semi-transparent samples will best benefit the range of implemented complementary technics, among these samples, nanostructured organic photovoltaic thin (100nm) films. However, the flexible platform is thought to be adaptable to other samples and thus sample-holders used for other characterization techniques existing in the Institute, such as scanning or transmission electron or projection microscopies. The platform is also designed to simplify future extension to other experimental technics.Beyond the platform itself, the manuscript shows the important effort devoted to develop, and take benefit of, a Kelvin probe microscopy under illumination.Results obtained on organic photovoltaic materials demonstrate the possibilities of our original setup and prove its performance to be at state of the art.

Les enzymes lipolytiques sont solubles en phase aqueuse mais hydrolysent des substrats insolubles. Leurs activités lipolytiques dépendent donc fortement de l’organisation des substrats lipidiques présents sous forme de structures interfaciales telles que des émulsions, des micelles, des liposomes, ou des bicouches lipidiques. Les propriétés cinétiques et la spécificité de substrat de ces enzymes résultent de l’étape initiale d’adsorption à l’interface lipide-eau et des interactions entre le substrat et le site actif. Dans le cadre de ce travail de thèse, la technique des films monomoléculaires a été utilisée pour étudier en détail les étapes séquentielles d’adsorption, de catalyse et d’inhibition de l’enzyme à l’interface lipide-eau. Dans une première partie, nous avons réalisé la caractérisation physico-chimique de la lipase gastrique de chien (DGL), avec l’étude :  de son adsorption sur un film non substrat de dilauroylphosphatidylcholine ; ‚ de l’hydrolyse interfaciale de la 1,2-dicaprine dans des films mixtes en présence d’Orlistat. Concernant l’étape de catalyse, nous avons étudié l’effet du propeptide sur la spécificité de substrat et l’activité interfaciale de la phospholipase A2 sécrétée de groupe X de souris. Enfin, dans une troisième partie, nous avons comparé les propriétés interfaciales de la lipase YLLIP2 de la levure Yarrowia lipolytica qui serait un bon candidat pour l’enzymothérapie de substitution chez les patients atteints d’insuffisance pancréatique exocrine (IPE), la lipase pancréatique humaine et la DGL. Nos résultats ont confirmé le rôle d’YLLIP2 en tant qu’excellent « substitut » non seulement de la HPL en cas d’IPE, mais aussi de la DGL. / Lipolytic enzymes are water-soluble whereas their substrates are insoluble in water. Their lipolytic activities depend strongly on the organization of the lipid substrates present in interfacial structures such as oil-in-water emulsions, micelles, liposomes, and membrane bilayers. The kinetic properties and substrate specificity of these enzymes result from both their adsorption at the lipid-water interface, and the interactions occurring between the substrate and the active site. In this thesis work, the monomolecular film technique was used to study in details the sequential steps of adsorption, catalysis and inhibition of model enzymes at the lipid-water interface. In a first part, we performed the physico-chemical characterization of the dog gastric lipase (DGL), by studying:  its adsorption onto a dilauroylphosphatidylcholine non-substrate film; ‚ its interfacial hydrolysis of 1,2-dicaprin in mixed films with various amounts of Orlistat. Regarding the catalysis step, we studied the effect of the propeptide on the substrate specificity and interfacial activity of the murine group X secreted phospholipase A2. A model of this enzyme with its propeptide was built from the available 3D structure of the corresponding mature human enzyme. Finally, in the third part, we compared the interfacial kinetic properties of YLLIP2 lipase of the yeast Yarrowia lipolytica which has been identified as a good candidate for enzyme replacement therapy for patients with exocrine pancreatic insufficiency (EPI), human pancreatic lipase and DGL. Our results confirmed the role of YLLIP2 as an excellent "substitute" not only for HPL in case of PEI, but also for the DGL at acidic pH values.

The dissertation thesis deals with the preparation and characterisation of a-CSi:H and a CSiO:H thin films prepared using the process of plasma enhanced chemical vapour deposition (PECVD). Tetravinylsilane (TVS) and its mixtures with argon and oxygen were used to deposit films on both planar substrates and fibre bundles. Main characterisation techniques were employed to study the topography of films, namely atomic force microscopy (AFM). Their mechanical properties were studied through nanoindentation; the nanoscratch test was used to assess the film adhesion to the substrate. Other analysed properties were internal stress and friction coefficient. The particular attention was paid to the work of adhesion and its determination. This knowledge was further applied to the preparation of surface treatments of glass fibres and, subsequently, polymer composites. Those were tested using the push-out test and the short beam shear test. Based on the results, the effects of deposition conditions and the relationships between the studied properties and quantities were determined.

The European legislation prohibits the use of lead containing solders in Europe. However, lead free solders have a higher melting point (typical 20%) and their mechanical characteristics are worse. Additional problems are aging and adhesion of the solder on the electronic circuits. Thus, research activities must focus on the optimization of the properties of Sn-Ag-Cu based lead free solders chosen by the industry. Two main objectives are treated in this work. In the center of the first one is the study of curious hysteresis effects of metallic cadmium-antimony alloys after thermal cycles by measuring electronic transport phenomena (thermoelectric power and electrical resistivity). The second objective, within the framework of “cotutelle” between the universities of Metz and of Chemnitz and supported by COST531, is to study more specifically lead free solders. A welding must well conduct electricity and well conduct and dissipate heat. In Metz, we determined the electrical conductivity, the thermoelectric power and the thermal conductivity of various lead free solders (Sn-Ag-Cu, Sn-Cu, Sn-Ag, Sn-Sb) as well in the liquid as well in the solid state. The results have been compared to classical lead-tin (Pb-Sn) solders. In Chemnitz we measured the surface tension, the interfacial tension and the density of lead free solders. We also measured the viscosity of these solders without and with additives, in particular nickel. These properties were related to the industrial problems of wettability and spreadability. Lastly, we solidified alloys under various conditions. We observed undercooling. We developed a technique of mixture of nanocristalline powder with lead free solders "to sow" the liquid bath in order to obtain "different" solids which were examined using optical and electron microscopy. / Die europäische Gesetzgebung verbietet die Benutzung von Lötmitteln, die Blei enthalten. Bleilose Lote haben aber einen höheren Schmelzpunkt (typisch 20%) und ihre mechanischen Eigenschaften sind schlechter. Zusätzliche Probleme sind das Alterungsverhalten und das Haftvermögen des Lots an den Leiterbahnen. Daher müssen sich Forschungsaktivitäten auf die Optimierung der Eigenschaften von bleifreien Sn-Ag-Cu (SAC) Loten konzentrieren, die von der Industrie gewählt wurden. Zwei Hauptgebiete werden in dieser Arbeit bearbeitet. Im Zentrum des Ersten stehen seltsame Hysterese-Effekte von metallischen Kadmium- Antimon Legierungen bei thermischen Zyklen, wobei Transporteigenschaften wie die thermoelektrische Kraft und der elektrische Widerstand untersucht werden. Die zweite Aktivität, die in einer Kooperation der Universitäten Metz und Chemnitz (cotutelle) bearbeitet und die durch COST531 unterstützt wird, besteht in der detaillierten Erforschung des Lötprozesses ohne Blei. Eine Lötverbindung muß den Strom gut führen und die Wärme gut ableiten. In Metz haben wir die elektrische Leitfähigkeit, die thermoelektrische Kraft und das Wärmeleitvermögen bestimmt für verschiedene bleilose Lote (Sn-Ag-Cu, Sn-Cu, Sn-Ag, Sn-Sb), sowohl im flüssigen als auch festen Zustand. Die Ergebnisse wurden mit dem klassischen bleihaltigen Lötzinn (Sn-Pb) verglichen. In Chemnitz haben wir die Oberflächen- und Grenzflächenspannung und die Dichte bleifreier Lote gemessen. Ebenfalls wurde die Viskosität dieser Lote ohne und mit Zusätzen (insbesondere Nickel) gemessen. Diese Eigenschaften wurden in Beziehung gesetzt zu den industriellen Problemen der Benetzbarkeit und des Fließverhaltens. Schließlich haben wir Legierungen unter verschiedenen Bedingungen verfestigt. Wir haben Unterkühlung beobachtet. Wir haben eine Technik entwickelt, basierend auf einer Mischung von Lot mit Pulver. Durch "Einsäen" von Nanokristallen in das flüssige Bad erhielten wir "verschiedene" Festkörper, die mit optischer und Elektronenmikroskopie untersucht wurden.

In dieser Arbeit wurde die Grenzfläche zwischen Ti-3Al-2,5V und CF/PEEK in thermoplastischen Ti-CF/PEEK-Laminaten untersucht. Vergleichende Untersuchungen von mechanischen, chemischen, chemisch-physikalischen und physikalischen Oberflächenvorbehandlungen im Zugscherversuch haben gezeigt, dass sich durch die Vorbehandlung mit einem Nd:YAG-Laser ein stabiles und feuchtigkeitsbeständiges Grenzflächensystem erzeugen lässt. Ti-CF/PEEK-Laminate wurden bruchmechanisch im Mixed-Mode-Bending-Versuch sowohl bei reiner als auch bei überlagerter Mode I- und Mode II-Belastung geprüft. Die Versagensmechanismen wurden an den Bruchflächen der Mixed-Mode-Bending-Proben und an den Bruchflächen der Zugscherproben mittels mikroskopischer und spektroskopischer Methoden bestimmt. Verschiedene Analyseverfahren wurden eingesetzt, um Ti-3Al-2,5V-Oberflächen vor und nach der Laservorbehandlung, um laserbehandelte und wärmebehandelte Ti-3Al-2,5V-Oberflächen und um das Grenzflächensystem im Verbund zwischen Ti-3Al-2,5V und CF/PEEK vor und nach Alterung in 80°C warmem Wasser zu analysieren. Dabei wurden sowohl die grenzflächennahen Phasen im Ti-3Al-2,5V als auch die grenzflächennahen Phasen im PEEK berücksichtigt. Die Untersuchgen zeigen, dass sich nicht alle eingesetzten Analyseverfahren zur Charakterisierung eignen und dass nicht jedes Analyseverfahren eindeutig interpretierbare Ergebnisse liefert. Die eingesetzten Analyseverfahren werden in dieser Arbeit miteinander verglichen und in Bezug zu ihrer Einsetzbarkeit und zu ihren Einsatzgrenzen bewertet. Titan-PEEK-Verbindungen zeigen je nach eingesetzter Vorbehandlungsmethode unterschiedliche Adhäsions-, Versagens- und Alterungsmechanismen. Die Ergebnisse aus den Untersuchungen der Verbindung zwischen PEEK und laserbehandeltem Ti-3Al-2,5V zeigen, dass neben mechanischer Adhäsion auf Mikro- und Nanoebene weitere Adhäsionsmechanismen in Frage kommen. Die Aluminiumanreicherung an der Oberfläche und die erhöhte Reaktivität durch mikro- und nanostrukturierte Oberflächen können chemische Wechselwirkungen zwischen PEEK und laserbehandeltem Ti-3Al-2,5V begünstigen. Die Untersuchungen geben ebenfalls Hinweise darauf, dass die Verbundeigenschaften im Titan-PEEK-Verbund durch die Morphologie von PEEK beeinflusst wird. An der Titan-PEEK-Grenzfläche wurde Grenzflächenkristallisation nachgewiesen, von der bekannt ist, dass sie die Verbundeigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen senkrecht zur Faserorientierung verbessern. Nicht nachgewiesen, aber durchaus möglich ist, dass sich mechanisch verklammertes PEEK in der porösen Oxidschicht aufgrund thermischer Eigenspannungen während der Abkühlung orientiert und die mechanischen Eigenschaften an der Grenzfläche in Analogie zu selbst verstärkten Polymeren verbessert. Dieser Ansatz kann eine Erklärung dafür sein, warum im MMB-Versuch nicht nur hohe kritische Energiefreisetzungsraten bei reiner Mode II-Belastung, sondern vor allem auch bei reiner Mode I-Belastung beobachtet wird. Die auf PEEK basierenden Mechanismen sind materialspezifisch und nicht auf chemisch aushärtbare Klebstoffe anwendbar. Der Einfluss der Größenordnung von Oberflächenstrukturen auf die Langzeit- und Feuchtigkeitsbeständigkeit, der bereits aus der Literatur bekannt ist, wird in dieser Arbeit bestätigt. Mit mikrostrukturierten Oberflächen, die mittels Sandstrahlen erzeugt werden, lassen sich im Gegensatz zu nanostrukturierten Oberflächen, die mittels Laserbehandlung erzeugt werden, keine langzeit- und feuchtigkeitsbeständige Verbindungen zwischen PEEK und Ti-3Al-2,5V erzeugen. In Titan-PEEK-Verbindungen ist nicht nur die Haftung zwischen PEEK und Ti-3Al-2,5V entscheidend, sondern auch die Stabilität der Phasen im Grenzflächensystem, wie am Beispiel der Verbindung zwischen anodisiertem Ti-3Al-2,5V und PEEK gezeigt wird. Geringe Verbundfestigkeiten können somit als Folge thermischer Alterung während der Verbundherstellung verursacht werden, bei der die Oxidschicht durch Sauerstoffdiffusion geschädigt wird. Thermische Eigenspannungen, die sowohl zur Rissbildung im Oxid als auch im martensitischen Bereich führen, und ungenügende Verbundqualität, die beispielsweise durch eingeschlossene Luft bei großflächigen Klebungen entsteht, begünstigen die Alterung in hydrothermischer Umgebung. Zum Verständnis von Adhäsions- und Alterungsmechanismen an der Grenzfläche zwischen Ti-3Al-2,5V und PEEK trägt nicht nur das Eigenschaftsbild der Metall-, Oxid- und Polymerphasen im Grenzflächensystem bei, sondern auch Änderungen in den einzelnen grenzflächennahen Phasen während Oberflächenvorbehandlung und der Konsolidierung. Bei der Verwendung von thermoplastischen Klebstoffen sind im Gegensatz zu Reaktionsklebstoffen besonders die vergleichsweise hohen Konsolidierungstemperaturen, die Kristallisationskinetik und die Schmelzviskosität zu berücksichtigen. So sollte bereits bei der Oberflächenvorbehandlung die Bildung thermisch unstabiler Oberflächenphasen vermieden werden, da diese während der Herstellung thermisch geschädigt werden können. Der Verbindungsprozess erfordert besonders bei großen Klebeflächen Maßnahmen, um das Phänomen der «eingeschlossenen Luft» zu vermeiden, da sich schlecht infiltrierte Bereiche negativ auf die Alterungsbeständigkeit auswirken. Bei porösen Oberflächenstrukturen auf Nanoskala ist ebenso eine Abstimmung zwischen Porengröße und Schmelzviskosität des Thermoplasten erforderlich, um ausreichende Infiltration des Thermoplasten an porösen Oberflächenstrukturen zu gewährleisten. Die grenzflächennahen Phasen von PEEK wurden erstmals an der Ti-3Al-2,5V-Oberfläche nachgewiesen. Die Einflussfaktoren und die Eigenschaften der grenzflächennahen Phasen von PEEK sind bereits aus Untersuchungen von CF/PEEK-Verbunden bekannt. Die Ergebnisse zeigen großes Potential der Übertragbarkeit auf die Titan-PEEK-Grenzfläche. So kann beispielsweise die PEEK-Morphologie durch gezielte Temperaturführung beim Kleben beeinflusst werden. Die Mechanismen an der Grenzfläche und die daraus resultierenden Verbundeigenschaften, die sich an der Grenzfläche zwischen Ti-3Al-2,5V und PEEK ergeben, zeigen großes Potential. Die Erkenntnisse aus dieser Arbeit zur Herstellung von Ti-PEEK-Grenzflächen mit hoher Verbundfestigkeit und Alterungsbeständigkeit zeigen ebenfalls großes Potential der Übertragbarkeit auf andere Metall-Thermoplast-Verbindungen. / The interface between titanium Ti-3Al-2,5V and Polyetheretherketone (PEEK) in Ti-CF/PEEK laminates are investigated. Comparative investigations of mechanical, chemical, chemo-physical and physical surface pre-treatments evidenced that surface pre-treatment by a pulsed Nd:YAG laser (physical pre-treatment) offers both good adhesion and superior moisture resistance of the titanium-PEEK interface. The titanium-PEEK interface modified by laser pre-treatment is characterized mechanically and analytical in detail. This investigation takes into account all process steps (surface pre-treatment, bonding, and ageing) as well as all the phases and interfaces in the titanium-PEEK system (i.e. titanium, oxide, and also PEEK). The delamination behavior is investigated mechanically with the mixed mode bending experiment (MMB). The MMB loading was represented by a superposition of simple mode I and mode II loadings. Based on MMB fracture surface analysis, a failure and damaging mechanism could be assumed. The analytical methods used in this investigation are a cryo-fracture, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), secondary electron microscopy (SEM, EDX, transmission electron microscopy (TEM), analytical TEM (EDX, EFTEM, EELS), adsorption/desorption experiments (Krypton-BET), Laser scanning microscopy (LSM), contact angle measurements, and Raman microscopy. The adhesion and degradation mechanism observed at the titanium-PEEK interface strongly depends on the applied surface pre-treatment. The interface properties between pretreated Ti-3Al-2.5V and PEEK show an influence of the morphology of PEEK. For the first time, interfacial crystallization of PEEK at the Ti-3Al-2.5V surface was confirmed by experimental results. Interfacial crystallization is known for its strengthening effect perpendicular to C-fibers within CF/PEEK laminates and implies a strong interaction between PEEK and the oxide layer on the Ti-3Al-2.5V joining partner. Moreover, the investigations of the interface between laser treated Ti-3Al-2.5V and PEEK indicate that adhesion is not only due to mechanical interlocking on micro- and nano-scale. Chemical interactions between the polymer and the joining surface seem be promoted byan increased surface reactivity due to the high surface area structures on micro- and nano-scale. In addition, an aluminum-enrichment was detected with TEM at the treated surface that may play a role in the bonding. During the cooling phase of the consolidation of the thermoplastic, thermal stress arise at the interface due to suppressed expansion and contraction of the individual components. It can be assumed that PEEK, which is interlocked within the oxide pores, reduces the stress by relaxation processes. Relaxation induced re-orientation of the molecule structure is able strengthen the interface as it is known from self-reinforced polymers. This assumption could explain the interface behavior characterized by mode I and mode II loadings. High energy release rates observed at mode I loadings could be traced back to the re-orientated molecule structure which is equal to the direction of mode I loading. This mechanism is material specific and can be applied only to cure-free thermoplastics. The long-term durability is enhanced significantly when of surface structures on nano-scale are formed by the pretreatment. This result is in good agreement with the literature. However, during the bonding process not only on the formation of adhesion between PEEK and Ti-3Al-2.5V is important but also the stability of the interfacial phases within the Ti-PEEK interfacial system as shown on the interface properties between anodized Ti-3Al-2.5V. Anodized oxide phases, for example, which degrade during the bonding by oxidation diffusion, were found to result in low interfacial strength and low long-term durability. Aging in hydro-thermal environment are enhanced by further factors. Residual stress which arises during the bonding process leads to cracks within the oxide and within martensitic region. Entrapped air which especially develop when large areas are bonded enhance water diffusion along the interface and hydrothermal aging. A basic understanding of the titanium-PEEK system requires that all phases and interfaces in the titanium-PEEK system as well as all process steps are taken into account. Although the polymer will be neglected in most cases this investigation reveals that even the polymer morphology significantly influences the interface properties.

During development of tissues, cells collectively organize to form complex patterns and morphologies. A general feature of many developing epithelia is their distinct organization into cellular compartments of different cell lineages. The interfaces between these compartments, called compartment boundaries, maintain straight and sharp morphologies. The interfaces play key roles in tissue development and pattern formation. An important model system to study the morphology of compartment boundaries during development is the wing disc of the fruit fly. Two compartment boundaries exist in the fly wing disc, the anteroposterior (AP) boundary and the dorsoventral (DV) boundary. A crucial question is how compartment boundaries are shaped and remain stable during growth. In this work, we discuss the dynamics and mechanisms of compartment boundaries in developing epithelia. We analyze the general features of interfacial phenomena in coarse- grained models of passive and active fluids. We introduce a continuum description of tissues with two cell types. This model allows us to study the propagation of interfaces due to the interplay of cell dynamics and tissue mechanics. We also use a vertex model to describe cellular compartments in growing epithelia. The vertex model accounts for cell mechanics and describes a 2D picture of tissues where the network of adherens junctions characterizes cell shapes. We use this model to study the general physical mechanisms by which compartment boundaries are shaped. We quantify the stresses in the cellular network and discuss how cell mechanics and growth influence the stress profile. With the help of the anisotropic stress profile near the interfaces we calculate the interfacial tension. We show that cell area pressure, cell proliferation rate, orientation of cell division, cell elongation created by external stress, and cell bond tension all have distinct effects on the morphology of interfaces during tissue growth. Furthermore, we investigate how much different mechanisms contribute to the effective interfacial tension. We study the mechanisms shaping the DV boundary in wing imaginal disc at different stages during the development. We analyze the images of wing discs to quantify the roughness of the DV boundary and average cell elongation in its vicinity. We quantify increased cell bond tension along the boundary and analyze the role of localized reduction in cell proliferation on the morphology of the DV boundary. We use experimentally determined values for cell bond tension, cell elongation and bias in orientation of cell division in simulations of tissue growth in order to reproduce the main features of the time-evolution of the DV boundary shape.