Photonic metasurfaces obtain their unique optical properties from the periodic arrangement of sub-wavelength building blocks and can manipulate light in ways that differ significantly from bulk materials. Until recently, metasurfaces have been fabricated using top-down methods on a limited surface area. With the development of directed self-assembly methods and utilization of nanoscale colloids, metasurfaces can be fabricated on a larger scale and with reasonable efforts. In particular, soft nanoimprint lithography, based on the controlled drying of the colloidal solution within a structured template, allows for the precise placement of versatile colloidal building blocks on a substrate of choice. In this dissertation, the material and optical properties of self-assembled plasmonic and photoluminescent nanoparticles are systematically studied in terms of their short- and long-range interactions. It is shown that 1D plasmonic lattices exploit the intrinsic anisotropy and substrate-dependent collective resonant coupling. Likewise, semiconductor nanoparticles organized into linear gratings, result in light-emitting metasurfaces, featuring geometry-dependent amplification of the photoluminescence that can be further promoted to a non-linear amplification regime. Moreover, on flexible substrates, these self-assembled light-emitting metasurfaces can be stacked and twisted, inducing remarkably strong chiral effects and subsequently used for directional light sources, nanolasers, sensing, and labeling applications. Supported by theoretical modeling, this work provides a novel approach to realize anisotropic and non-linear optical properties on centimeter-scaled surface area using soft-lithography and directed self-assembly methods. It bridges the gap between nanoscale colloids and optoelectronics while advancing the integration of metasurfaces into functional devices. / Photonische Metaoberflächen erhalten ihre einzigartigen optischen Eigenschaften durch die periodische Anordnung von Bauelementen im Sub-Wellenlängenbereich und können Licht auf eine Weise manipulieren, die sich deutlich von Ausgangsmaterialien unterscheidet. Bis vor kurzem wurden Metaoberflächen mit Top-Down-Methoden auf einer begrenzten Oberfläche hergestellt. Mit der Entwicklung von Methoden der gerichteten Selbstorganisation und der Nutzung von Kolloiden im Nanomaßstab können Metaoberflächen in größerem Maßstab und mit angemessenem Aufwand hergestellt werden. Insbesondere die Soft-Nanoimprint-Lithographie, die auf der kontrollierten Trocknung der kolloidalen Lösung innerhalb einer strukturierten Template basiert, ermöglicht die präzise Platzierung vielseitiger kolloidaler Bauelemente auf einem Substrat der Wahl. In dieser Dissertation werden die materiellen und optischen Eigenschaften selbstorganisierter plasmonischer und photolumineszenter Nanopartikel im Hinblick auf ihre Kurz- und Langstreckenwechselwirkungen systematisch untersucht. Es wird gezeigt, dass plasmonische 1D-Gitter die intrinsische Anisotropie und die substratabhängige kollektive Resonanzkopplung ausnutzen. Ebenso führen Halbleiter-Nanopartikel, die in linearen Gittern organisiert sind, zu lichtemittierenden Metaoberflächen, welche eine geometrieabhängige Verstärkung der Photolumineszenz aufweisen, die bis zu einem nichtlinearen Verstärkungsregime weitergeführt werden kann. Außerdem können diese selbstorganisierten, lichtemittierenden Metaoberflächen auf flexiblen Substraten gestapelt und verdreht werden, was zu bemerkenswert starken chiralen Effekten führt und anschließend für gerichtete Lichtquellen, Nanolaser, Sensor- und Beschriftungsanwendungen genutzt werden kann. Unterstützt durch theoretische Modellierung bietet diese Arbeit einen neuartigen Ansatz zur Realisierung anisotroper und nichtlinearer optischer Eigenschaften auf zentimetergroßen Oberflächen unter Verwendung von Softlithographie und Methoden der gerichteten Selbstmontage. Sie überbrückt die Lücke zwischen Kolloiden im Nanomaßstab und der Optoelektronik und treibt gleichzeitig die Integration von Metaoberflächen in funktionale Geräte voran.

Miniemulsionen bestehen aus zwei miteinander nicht mischbaren Flüssigkeiten, von der die eine in Form kleiner Tröpfchen fein in der anderen verteilt (dispergiert) ist. Miniemulsionströpfchen sind mit Durchmessern von ungefähr 0,1 Mikrometer kleiner als herkömmliche Emulsionen und können u. a. als voneinander unabhängige Nanoreaktoren für chemische Reaktionen verwendet werden. Man unterteilt sie in direkte Miniemulsionen, in denen ein Öl in Wasser dispergiert ist, und inverse Miniemulsionen, in denen Wasser in Öl dispergiert wird. In dieser Arbeit wird das besondere chemische und physikalische Verhalten solcher Miniemulsionen unter dem Einfluß von Mikrowellenstrahlung untersucht. Dabei werden sowohl für Öl-in-Wasser als auch für Wasser-in-Öl-Miniemulsionen grundlagenwissenschaftliche Entdeckungen beschrieben und durch neue Modelle erklärt. Der praktische Nutzen dieser bislang unbeschriebenen Effekte wird durch ingenieurwissenschaftliche Anwendungsbeispiele im Bereich der Polymerchemie verdeutlicht. <br><br> 1. Polymerisation mit "überlebenden Radikalen" (Surviving Radical Polymerization)<br> Für die Herstellung von sog. Polymerlatizes (Kunststoffdispersionen, wie sie u. a. für Farben verwendet werden) aus direkten Styrol-in-Wasser Miniemulsionen werden die Styroltröpfchen als Nanoreaktoren verwendet: Sie werden mit Hilfe von Radikalen durch eine Kettenreaktion zu winzigen Polymerpartikeln umgesetzt, die im Wasser dispergiert sind. Ihre Materialeigenschaften hängen stark von der Kettenlänge der Polymermoleküle ab. In dieser Arbeit konnten durch den Einsatz von Mikrowellenstrahlung erstmals große Mengen an Radikalen erzeugt werden, die jeweils einzeln in Tröpfchen (Nanoreaktoren) auch noch lange Zeit nach dem Verlassen der Mikrowelle überleben und eine Polymerisationskettenreaktion ausführen können. Diese Methode ermöglicht nicht nur die Herstellung von Polymeren in technisch zuvor unerreichbaren Kettenlängen, mit ihr sind auch enorm hohe Umsätze nach sehr kurzen Verweilzeiten in der Mikrowelle möglich – denn die eigentliche Reaktion findet außerhalb statt. Es konnte gezeigt werden, dass durch Einsatz von Zusatzstoffen bei unvermindert hohem Umsatz die Polymerkettenlänge variiert werden kann. Die technischen Vorzüge dieses Verfahrens konnten in einer kontinuierlich betriebenen Pilotanlage nachgewiesen werden. <br><br> 2. Aufheizverhalten inverser Miniemulsionen in Mikrowellenöfen<br> Das Aufheizverhalen von Wasser-in-Öl Miniemulsionen mit kleinen Durchmessern durch Mikrowellen ist überaus träge, da sich nur das wenige Wasser in den Tröpfchen mit Mikrowellen aufheizen lässt, das Öl jedoch kaum. Solche Systeme verhalten sich gemäß der "Theorie des effektiven Mediums". Werden aber etwas größere Tröpfchen im Mikrometerbereich Mikrowellen ausgesetzt, so konnte eine wesentlich schnellere Aufheizung beobachtet werden, die auf eine Maxwell-Wagner-Grenzflächenpolarisation zurückgeführt werden kann. Die Größenabhängigkeit dieses Effekts wurde mit Hilfe der dielektrischen Spektroskopie quantifiziert und ist bislang in der Literatur nie beschrieben worden. Zur genauen Messung dieses Effekts und zu seiner technischen Nutzung wurde ein neuartiges Membranverfahren für die Herstellung von großen Miniemulsionströpfchen im Mikrometerbereich entwickelt. <br><br> 3. Herstellung von Kompositpolymeren für Mikrowellenanwendungen<br> Um die untersuchte Maxwell-Wagner-Grenzflächenpolarisation technisch nutzen zu können, wurden als dafür geeignete Materialien Kompositpolymere hergestellt. Das sind Kunststoffe, in denen winzige Wassertropfen oder Keramikpartikel eingeschlossen sind. Dazu wurden neuartige Synthesewege auf der Grundlage der Miniemulsionstechnik entwickelt. Ihr gemeinsames Ziel ist die Einschränkung der üblicherweise bei Polymerisation auftretenden Entmischung: In einem Verfahren wurde durch Gelierung die Beweglichkeit der emulgierten Wassertröpfchen eingeschränkt, in einem anderen wurde durch das Einschließen von Keramikpartikeln in Miniemulsionströpfchen die Entmischung auf deren Größe beschränkt. Anwendungen solcher Kompositpolymere könnten künstliche Muskeln, die Absorption von Radarstrahlung, z. B. für Tarnkappenflugzeuge, oder kratzfeste Lacke sein.<br><br>Bei diesen Experimenten wurde beobachtet, daß sich u. U. in der Miniemulsion große Tröpfchen bilden. Ihr Ursprung wird mit einer neuen Modellvorstellung erklärt, die die Einflüsse auf die Stabilität von Miniemulsionen beschreibt. / Miniemulsions are composed of two immiscible fluids. One of which is distributed as small droplets (dispersed) in the other one. Having diameters of down to 0.05 micrometers, droplets of miniemulsions are smaller than those of conventional emulsions. Among other applications, they can be employed as independent nano-reactors for chemical reactions. They are subdivided in direct miniemulsions, for which an oil is dispersed in an aqueous phase, and inverse miniemulsions, for which water is dispersed in an oil phase. In this work, the specific chemical and physical behaviour of miniemulsions under the influence of microwave-radiation was investigated. For water-in-oil as well as for oil-in-water miniemulsions fundamental discoveries are described and explained by new models. The practical importance of these new effects is exemplified by applications in the field of polymer-chemistry. <br><br> 1. Polymerization with "surviving radicals"<br> For the production of so-called polymer-latices (dispersions of plastics, as they are used in paints and coatings) from direct styrene-in-water miniemulsions, the styrene-droplets can be considered as separate nano-reactors. Upon radical polymerization, they may be transformed to polymer particles dispersed in water in a 1:1 conversion. Their material properties strongly depend on the chain-length of the polymer molecules. In this work, using microwave radiation, for the first time great quantities of radicals could be generated that survive within the individual droplets (nano-reactors) even for a long time after leaving the microwave oven, carrying out polymerization. This method is suited for the production of polymers with great chain-lengths that cannot be obtained with other technically relevant methods. Moreover, it yields great conversion after very short residence-times in the microwave-oven: the actual reaction takes place outside of the oven. Employing additives allows the variation of chain-length at the same great net rates of conversion. The technical promises of this method could be demonstrated in a continuously operated pilot plant. <br><br> 2. Heating behaviour of inverse miniemulsions with microwave-radiation<br> The heating of water-in-oil miniemulsions with small droplets using microwaves is very slow, as only the water absorbs microwave-radiation and not the oil. The system behaves according to the "effective medium theory". If slightly larger droplets with diameters of about a micron are subjected to microwaves, they are being heated much more readily, which can be attributed to a Maxwell-Wagner-effect. The size-dependence of this effect has never been described in the literature. It could be quantified with dielectric spectroscopy. For the controlled production of big miniemulsion droples on the micron-scale and for the technical application of the size-dependence, a continuously operated membrane-emulsification device was developed. <br><br> 3. Production of composite polymers for microwave-applications<br> Suitable composite polymers were produced in order to technically exploit the size-dependence of the Maxwell-Wagner-effect. They may contain sub-micron sized water droplets or ceramic nanoparticles. For their synthesis, new strategies on the basis of miniemulsion-systems were developped, which avoid the usual phase-separation upon polymerization. In one approach, the mobility of the dispersed water droplets was limited through the gelation of the oil phase, in another approach phase separation of ceramic nanoparticles entrapped within miniemulsion droplets was restricted to the dimensions of the droplets. Applications of such composite polymers could be the development of artificial muscles, the absorption of radar radiation (e.g. for stealth applications) or scratch-resistant coatings.<br><br> In these experiments the existence of stable big droplets in miniemulsions was discovered. Their origin can be explained by a new model that describes the influences on miniemulsion stability.

The design of functional materials with complex properties is very important for different applications, such as coatings, microelectronics, biotechnologies and medicine. It is also crucial that such kinds of materials have a long service lifetime. Unfortunately, cracks or other types of damages may occur during everyday use and some parts of the material should be changed for the regeneration of the initial properties. One of the approaches to avoid the replacement is utilization of self-healing materials. The aim of this thesis was to design a self-repairable material with superhydrophobic and switchable properties using colloidal particles. Specific goals were the synthesis of colloidal particles and the preparation of functional surfaces incorporated with the obtained particles, which would exhibit a repairable switching behavior and repairable superhydrophobicity. In order to achieve these goals, first, methods of preparation of simple and functional colloidal particles were developed. Second, the behavior of particles at surfaces of easy fusible solid materials, namely, paraffin wax or perfluorodecane, was investigated.

Dans ce mémoire nous discutons le développement de l’électrode de travail d’un bioréacteur électrochimique, dispositif permettant de synthétiser suivant un procédé dit de « Chimie Verte » des substances chimiques à haute valeur ajoutée. L’électrode de travail étant le siège de la synthèse électrocatalytique en jeu, l’optimisation de sa structure a été étudiée dans le but de maximiser l’aire de sa surface active. L’élaboration d’électrodes macroporeuses hautement organisées et de taille définie par les dimensions du prototype du réacteur pilote, a pu être obtenue en utilisant la méthode de Langmuir-Blodgett pour assembler le cristal colloïdal servant de template. La formation de ce dépôt organisé de colloïdes est suivie de l’électrodéposition du matériau d’électrode puis de la dissolution du template afin de révéler la structure macroporeuse. L’immobilisation de l’intégralité du matériel bio-électrocatalytique à l’intérieur des pores a été investiguée dans le but de prévenir la pollution du milieu contenant le produit final d’électrosynthèse par un des constituants redox et d’augmenter la durée de vie du dispositif. Ainsi, des couches ultra-minces de silice électrogénérée et des matrices de polymère électrodéposé ont été étudiées dans le but de préserver et d’optimiser l’activité enzymatique du système qu’elles encapsulent. Une attention particulière a été portée sur la qualité des dépôts au sein des structures poreuses. La procédure d’immobilisation des protéines rédox dans les matrices de silice et de polymère a été en outre associée à un jeu de construction moléculaire qui a permis par l’instauration de diverses interactions électrostatiques, de retenir toutes les espèces responsables de la catalyse à la surface de l’électrode. Enfin, dans le but d’intensifier les réactions catalytiques responsables de la synthèse à réaliser, des nano-particules d’ormodifiées par une couche monomoléculaire d’un médiateur redox ont été incorporées aux différents matériaux d’immobilisation permettant de ce fait d’augmenter les interfaces d’échanges électrochimiques entre matériau conducteur et biomolécules. L’insertion de ces nano-objectscombinée à la nanostructuration du matériau d’électrode a permis de multiplier par plus de 170 fois l’intensité des réactions enregistrées. / The present work deals with the development of the working electrode of an electrochemicalbioreactor. This device enables the green synthesis of high added value chemical compounds. As theelectrochemical synthesis is located at the interface of the working electrode, structural optimizationof this reactor key component is required in order to maximize the available active surface area.Elaboration of highly organized macroporous gold electrodes with a size required by the pilot reactordimensions were obtained with the Langmuir-Blodgett method that was used to assemble a colloidalcrystal as a template. The elaboration of the organized colloidal deposit is first followed by theelectrodeposition of the electrode material, then by the dissolution of the template. The immobilization of the complete bio-electrochemical system inside the electrode pores was investigated in order to prevent pollution of the final product medium by one of the catalytic chaincomponent. This also improves the device life time. Subsequently electrogenerated ultra-thin silicalayers and electrodeposited polymer matrices were studied in order to preserve and optimize the catalytic activity of the redox proteins. In order to enhance the electrocatalytic synthesis, mediatormodified gold nanoparticules were incorporated in the different immobilization matrices. This allowed to increase the area of the electrochemical interface. The combination of the nano-objectincorporation and electrode nano-structuring intensified by a factor of 170 the catalytic process. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Arbeitselektrode für einenelektrochemischen Bioreaktor, der die umweltfreundliche Synthese von wertvollen chemischenKomponenten ermöglicht. Da die elektrochemische Synthese an der Oberfläche der Arbeitselektrodestattfindet, ist es nötig, den strukturellen Aufbau der Schlüsselkomponente des Reaktors zuoptimieren und die aktive Oberfläche der Elektrode zu erhöhen. Mit Hilfe der Langmuir-BlodgettTechnik wurden kolloidale Kristalle erzeugt, die als Template dienten, um hochgeordnetemakroporöse Goldelektroden, deren Dimensionen von dem Pilotreaktor bestimmt wurden,herzustellen. Nach dem Erzeugen von geordneten kolloidalen Filmen wurde der Zwischenraumzwischen den Partikeln mittels elektrochemischer Abscheidung gefüllt und das Templateanschließend chemisch aufgelöst. In der Folge wurde die Immobilisierung des komplettenbioelektrochemischen Systems im Poreninnenraum untersucht, mit dem Ziel eine Verunreinigung desReaktionsmediums durch eine der katalytischen Komponenten zu verhindern. Die Lebensdauer derElektrode kann so zusätzlich erhöht werden. Es wurde untersucht, inwieweit durch elektrogenerierteultra-dünne Silikaschichten oder durch Elektroabscheidung erzeugte Polymerfilme die katalytischeAktivität der Redoxproteine erhalten und weiter optimiert werden kann. Goldnanopartikel, die miteinem Mediator modifiziert wurden, wurden in die jeweilige Immobilisationsschicht integriert, mitdem Ziel die Effizienz der elektrokatalytischen Synthese zu erhöhen. Auf diese Weise konnte dieaktive elektrochemische Oberfläche der Elektrode weiter erhöht werden. Die Kombination aus einernanostrukturierten Elektrode und Nanoobjekten die in die Immobilisationsschicht eingebettetwurden, führte zu einer Signalerhöhung des katalytischen Prozesses um mehr als eineGrössenordnung.

The exploitation of colloidal building blocks with morphological and functional anisotropy facilitates the generation of complex structures with unique properties, which are not exhibited by isotropic particle assemblies. Herein, we demonstrate an easy and scalable bottom-up approach for the programmed assembly of hairy oppositely charged homogeneously decorated and Janus particles based on electrostatic interactions mediated by polyelectrolytes grafted onto their surface. Two different assembly routes are proposed depending on the target structures: raspberry-like/half-raspberry-like or dumbbell-like micro-clusters. Ultimately, stable symmetric and asymmetric microstructures could be obtained in a well-controlled manner for the homogeneous–homogeneous and homogeneous–Janus particle assemblies, respectively. The spatially separated functionalities of the asymmetric Janus particle-based micro-clusters allow their further assembly into complex hierarchical constructs, which may potentially lead to the design of materials with tailored plasmonics and optical properties.

The SCP-RICM assay employs the measurable surface energy (or adhesive work W_adh) of a micrometer-sized polymeric sphere (soft colloidal probe, SCP) interacting with a glass chip using reflection interfer-ence contrast microscopy (RICM). Depending on those two interacting surfaces' nature and functional-ization, the SCP will deform, creating a contact area with the hard glass chip. This contact area is clearly distinguishable from the sphere’s interference ring pattern and can be measured. The adhesive surface energy W_adh can be calculated from the size of the contact area. An immobilization can be overcome by choosing a two-component analyte-dependent interaction, here presented for the copper (Cu) detection. The detection of Cu was chosen as a proof-of-concept system. However, detecting metal ions is an essential endeavor because, in excessive amounts, they present a severe threat to health and the environment. The copper-dependent interaction of the yeast chaperones yCox17 (also Cox17) and ySco1 (also Sco1) were chosen as the two-component analyte-dependent interaction. The chaperones partic-ipate in vivo in the formation of the electron transport chain of S. cerevisiae and interact in the mito-chondrial inner membrane to transfer one Cu(I) ion from Cox17 to Sco1. It was necessary to immobilize one protein to the SCPs and one to the chip surface, to transfer the copper chaperones' interaction into the SCP-RICM assay core detection components. The unique self-assembling characteristics of the class I hydrophobin Ccg-2 from N. crassa were used to immobilize one interaction partner to the chip surface. Class I hydrophobins are known for the formation of re-sistant and uniform layers at hydrophilic/hydrophobic interfaces. Initial SCP-RICM assay measurements with Sco1Δ95_a-SCPs and the Cox17_c-chips indicate that copper detection using the proposed mechanism is possible (Figure 39-3). Measurements can be differentiated between 0 and 0.1 mM Cu(I) concentration in solution. Further screening of concentrations be-low 0.1 mM is still necessary. The presented proof-of-principle system for the indirect detection of copper shows copper-dependent behavior. These positive results give rise to many more options to use the SCP-RICM assay as an indirect detection system. The application range of the SCP-RICM assay could be enlarged for different analytes such as other heavy metals, bacteriophages, biomarkers, et cetera, and is relevant for fields from medicine to environmental monitoring.:TABLE OF CONTENT Table of Content I List of Figures VII List of Tables IX List of Abbreviations XI 1 Introduction 1 1.1 Biosensors 1 1.2 Analytical Detection Methods: Copper 2 1.3 SCP-RICM Assay 3 1.3.1 Sensor Chip Surface 4 1.3.2 Soft Colloidal Probes 5 1.3.3 Reflection Interference Contrast Microscopy 6 1.4 Hydrophobins 9 1.4.1 Structure and Functions of Hydrophobins 9 1.4.2 Ex vivo Applications of Hydrophobins 11 1.4.3 Class I Hydrophobin: Ccg-2 12 1.5 Mitochondrial Respiratory Chain 14 1.5.1 Copper Transport in Yeast 14 1.5.2 S. cerevisiae Sco1 protein 18 1.5.3 S. cerevisiae Cox17 protein 21 1.6 SCP-RICM Assay for Copper Detection 23 1.7 Aim of the Study 24 2 Materials and Methods 25 2.1 Laboratory Equipment 25 2.1.1 Devices 25 2.1.2 Chemicals 26 2.1.3 Consumables 28 2.1.4 Antibodies 29 2.1.5 Enzymes 30 2.1.6 Molecular Weight Standards 30 2.1.7 DNA Oligonucleotides 31 2.1.8 Plasmids and Vectors 32 2.2 Microorganisms 33 2.2.1 Strains 33 2.2.2 Cultivation of Microorganisms 34 2.2.3 Preparation of Electrocompetent E. coli Cells 36 2.2.4 Preparation of E. coli Glycerol Stocks 36 2.3 Protein Design 37 2.4 Molecular Cloning Methods 38 2.4.1 Vector Template Preparation 38 2.4.2 Agarose Gel Electrophoresis 40 2.4.3 DNA Extraction from Agarose Gels 41 2.4.4 Polymerase Chain Reaction 41 2.4.5 DNA Restriction Digest 42 2.4.6 DNA Dialysis 43 2.4.7 Ligation of DNA Fragments 43 2.4.8 Isolation of DNA from E. coli 44 2.4.9 DNA Sequencing 45 2.4.10 Transformation of E. coli via Electroporation 45 2.5 Protein Detection and Quantification 46 2.5.1 SDS PAGE 46 2.5.2 Coomassie Staining 50 2.5.3 Western Blot Analysis 51 2.5.4 Immunological Detection 51 2.5.5 Protein Quantification: Lowry Assay 52 2.5.6 Protein Quantification: Bradford Assay 53 2.5.7 Protein Quantification: NanoDrop Measurement 53 2.6 Protein Purification and Storage 54 2.6.1 Expression Analysis of Recombinant Proteins 54 2.6.2 Solubility Analysis 54 2.6.3 Protein Purification by Ni2+ Affinity Chromatography 55 2.6.4 Quantification of Purified Proteins 64 2.6.5 Dialysis of Purified Proteins 65 2.7 Glass Surface Functionalization 65 2.7.1 Glass Surface Preparation 66 2.7.2 Hydrophobin and Fusion Protein-Based Coating 66 2.7.3 Contact Angle Measurement 67 2.7.4 DRoPS Test 67 2.7.5 Atomic Force Microscopy 67 2.8 SCP Functionalization 68 2.8.1 Functionalization of SCPs with Proteins 68 2.8.2 Validation of SCP Functionalization with FITC Staining 69 2.9 SCP-RICM Assay and Its Analysis 69 3 Results 73 3.1 Generation of Recombinant Fusion Proteins 73 3.1.1 Sco1 and Sco1∆95 73 3.1.2 Cox17 84 3.1.3 Ccg-2 88 3.1.4 Overview: Optimization of Expression and Purification of Recombinant Proteins 90 3.2 His-Tag Cleavage 92 3.3 Chip Surface Functionalization 94 3.3.1 Optimization of the Glass Chip Preparation 94 3.3.2 Macroscopic Properties of the Functionalized Chip Surface 95 3.3.3 AFM Measurements 102 3.3.4 Theoretical Package of Hydrophobin Ccg-2 on the Chip Surface 103 3.4 SCP Functionalization 104 3.4.1 SCP Functionalization and FITC Staining 104 3.4.2 Theoretical Package of Proteins on SCPs 106 3.5 SCP-RICM Assay 107 4 Discussion and Further Prospectives 113 4.1 Discussion: SCP-RICM Assay and Protein-Protein Interaction 113 4.2 Outlook and Further Prospects 119 4.2.1 Heterologous Protein Expression and Purification: Methods, Cleavage and Refolding 119 4.2.2 Further Analysis of Chip Surface Functionalization 124 4.2.3 Alternative Chip Surface Functionalization Methods 126 4.2.4 SCP-RICM Assay: Data Acquisition and Evaluation 128 4.2.5 SCP-RICM Assay: Copper Detection 130 4.2.6 Exploiting the SCP-RICM Assay using Protein-Protein Interactions 131 4.2.7 Exploiting the SCP-RICM Assay with Alternative Interactions 133 5 Summary 137 6 Bibliography 141 7 Appendix 165 7.1 Sequences of Protein Constructs 165 7.1.1 Sequences of the Protein Construct Cox17_a 165 7.1.2 Sequences of the Hydrophobin-Cox17 Fusion Protein Cox17_b 165 7.1.3 Sequences of the Hydrophobin-Cox17 Fusion Protein Construct Cox17_c 166 7.1.4 Sequences of the Protein Construct Sco1_a and Sco1Δ95_a 167 7.1.5 Sequences of the Hydrophobin-Sco1 Fusion Protein Constructs Sco1_b and Sco1Δ95_b 169 7.1.6 Sequences of the Hydrophobin-Sco1 Fusion Protein Constructs Sco1_c and Sco1Δ95_c 171 7.1.7 Sequences of the Hydrophobin Ccg-2 173 7.2 pET-28b(+): Plasmid Map 173 7.3 Nickel Removal During Dialysis 175 7.4 DGR Assay 176 7.5 SCP diameter 179 Acknowledgements 181 Declaration of Authorship 183

The design of functional materials with complex properties is very important for different applications, such as coatings, microelectronics, biotechnologies and medicine. It is also crucial that such kinds of materials have a long service lifetime. Unfortunately, cracks or other types of damages may occur during everyday use and some parts of the material should be changed for the regeneration of the initial properties. One of the approaches to avoid the replacement is utilization of self-healing materials. The aim of this thesis was to design a self-repairable material with superhydrophobic and switchable properties using colloidal particles. Specific goals were the synthesis of colloidal particles and the preparation of functional surfaces incorporated with the obtained particles, which would exhibit a repairable switching behavior and repairable superhydrophobicity. In order to achieve these goals, first, methods of preparation of simple and functional colloidal particles were developed. Second, the behavior of particles at surfaces of easy fusible solid materials, namely, paraffin wax or perfluorodecane, was investigated.

The application of electrochemical methods for the characterization of colloidal quantum dots (QDs) attracts considerable attention as these methods may allow for monitoring of some crucial parameters, such as energetic levels of conduction and valence bands as well as surface traps and ligands under real conditions of colloidal solution. In the present work we extend the applications of cyclic voltammetry (CV) to in situ monitoring of degradation processes of water-soluble CdTe QDs. This degradation occurs under lowering of pH to the values around 5, i.e. under conditions relevant to bioimaging applications of these QDs, and is accompanied by pronounced changes of their photoluminescence. Observed correlations between characteristic features of CV diagrams and the fluorescence spectra allowed us to propose mechanisms responsible for evolution of the photoluminescence properties as well as degradation pathway of CdTe QDs at low pH.

This work summarizes results of about ten years of the author’s own research activities in the field of colloidal synthesis of semiconductor nanoparticles, their postsynthetic chemical modification, assembly, and applications. I attempted to provide a concise yet comprehensive overview presenting my own results as a part of the knowledge framework created in close collaboration with many colleagues from all over the world. This habilitation thesis consists of an introduction, explaining the motivation of the research accomplished, followed by a main part which briefly presents key achievements of the author with links to appropriate annexes, i.e. original published articles in peer review journals which are attached to this cumulative script, and completed by conclusions.

Atoms change their optical properties drastically when combined into molecules or crystals. This becomes evident when comparing isolated carbon atoms with their solid-state polymorphs graphite and diamond. Plasmonic meta-surfaces adopt this concept to design the optical properties of thin films at will. In analogy to natural materials, the optical response of a meta-surface is dictated by the arrangement and plasmonic coupling (hybridization) of sub-wavelength metallic objects, so-called meta-atoms, rather than by the individual components. Although traditional direct writing approaches offer a high degree of freedom in design of nanostructures, reconfiguration of meta-atoms is usually limited. Especially their spatial rearrangement remains a huge challenge. Postfabrication tunability, however, would be crucial to advance device miniaturization and optical computing, by introducing dynamically tunable optics and optical switches. This thesis investigates colloidal assembly as a cost-efficient approach to fabricate meta-surfaces on cm²-areas whose optical properties can be tuned by geometrical reconfiguration. Hydrodynamic fields and topographical templates guide the deposition of colloidal nanoparticles with precise orientational and/or positional control. In the course of this work, the level of particle assembly complexity is successively increased to realize 1-, 2-, and 3-dimensional (1D, 2D, 3D) plasmonic assemblies. Strongly correlated with assembly geometry, different aspects of light are controllable. (I) 1D alignment of silver nanowires (AgNWs) produces differential transmission for linear polarization states (linear dichroism). (II) Single particles in a 2D square array interact coherently to produce a sharp, so-called surface lattice resonance (SLR). This effect confines strong electromagnetic fields in the lattice plane, which is promising for plasmonic lasing. (III) 3D chiral, cross-stacked particle chains control the transmission of circular polarization states (circular dichroism, CD). The unique advantages of colloidal assembly are demonstrated. (I) Spray coating allows rapid deposition of oriented AgNWs over large areas and is compatible with roll-to-roll processing. Employing wrinkle-structured receiver substrates, gradients of continuously varying linear dichroism are feasible in a single step. (II) Capillary assembly is able to realize ~1 nm inter-particle spacing, which is not achievable by conventional top-down lithographical methods. The small spacing enhances inter-particle plasmon coupling and boosts CD in cross-stacked, chiral particle chains, as presented in this thesis. (III) Such hierarchical and restackable, chiral structures make large volumes of superchiral fields accessible for ultrasensitive, enantioselective detection of analytes. This is in vast contrast to stacked nanobars produced via lithography where the most pronounced fields in the inter-layer gap are blocked by the presence of spacing layers. A central focus of this thesis is the postfabrication reconfiguration of the systems presented. This in-situ tunability is realized by elastic and reversibly stackable templates. (I) Uniaxial, mechanical strain converts the 2D square lattice into a rectangular one. This splits the SLR into two polarization-dependent modes whose resonance position is shifted reversibly when load is applied. (II) The cross-stacked, chiral particle chains are restackable. This allows adjustment of the stacking angle to tune CD magnitude and sign. (III) Reversible compression of this chiral stack induces a bending of the chains to shift the spectral position of CD modes. In a proof of concept, locally varying compression is shown to create a gradient of CD response as important step towards on-chip CD spectroscopy. Overall, this thesis (I) tests the limits of colloidal assembly by going from single-particle arrays to complex 3D arrangements; (II) explores geometrical reconfiguration of these plasmonic nanostructures to tune pronounced optical effects. The strategies presented herein can be extended to other colloidal particle shapes and materials. Moreover, the concepts of restackable meta-surfaces and local compression for tuning optical response open an intriguing playground and might inspire top-down approaches as well. / Atome ändern ihre optischen Eigenschaften drastisch, wenn sie sich zu Molekülen oder Kristallen vereinigen. Dies wird deutlich, wenn man isolierte Kohlenstoffatome mit ihren Festkörperpolymorphen Graphit und Diamant vergleicht. Plasmonische Meta-Oberflächen übernehmen dieses Konzept, um die optischen Eigenschaften dünner Schichten nach Belieben einzustellen. In Analogie zu natürlichen Materialien wird die optische Antwort einer Meta-Oberfläche durch die Anordnung und plasmonische Kopplung (Hybridisierung) metallischer Mikro- und Nano-Objekte, den sogenannten Meta-Atomen, bestimmt und kann sich stark von den Eigenschaften der Einzelkomponenten unterscheiden. Obwohl traditionelle Direktschreibverfahren ein hohes Maß an Gestaltungsfreiheit in der Nanostrukturierung bieten, ist die Rekonfiguration von Meta-Atomen in der Regel begrenzt. Vor allem ihre räumliche Neuordnung bleibt eine große Herausforderung. Eine Durchstimmbarkeit auch nach der Herstellung zu gewährleisten wäre jedoch entscheidend, um die Miniaturisierung von Geräten und die Realisierung optischer Computer—durch die Einführung dynamisch durchstimmbarer optischer Bauteile und optischer Schalter—voranzutreiben. Diese Dissertation untersucht kolloidale Assemblierung als kostengünstigen Ansatz zur Herstellung von Meta-Oberflächen im cm²-Maßstab, deren optische Eigenschaften durch geometrische Rekonfiguration durchgestimmt werden können. Hydrodynamische Felder und topographische Template steuern die Ablagerung kolloidaler Nanopartikel mit präziser Orientierungs- und/oder Positionskontrolle. Im Verlauf dieser Arbeit wird die Komplexität der Partikelanordnung sukzessive erhöht, um 1-, 2- und 3-dimensionale (1D, 2D, 3D), plasmonische Anordnungen zu realisieren. Eng verbunden mit der Anordnungsgeometrie können verschiedene Aspekte des Lichts gesteuert werden. (I) Die 1D-Ausrichtung von Silbernanodrähten ruft unterschiedliche Transmission für lineare Polarisationszustände hervor (linearer Dichroismus). (II) Einzelpartikel in einem quadratischen 2D-Kristall wechselwirken kohärent, was eine scharfe, sogenannte Oberflächengitterresonanz (surface lattice resonance) erzeugt. Dieser Effekt konzentriert starke elektromagnetische Felder in der Gitterebene, was ihn für plasmonische Laser interessant macht. (III) 3D-chirale, über Kreuz geschichtete Partikelketten beeinflussen die Transmission zirkularer Polarisationszustände (zirkularer Dichroismus). Die einzigartigen Vorzüge der kolloidalen Assemblierung werden aufgezeigt. (I) Die Sprühbeschichtung ermöglicht eine rasche Abscheidung orientierter Silbernanodrähte auf großen Flächen und lässt sich mit kontinuierlicher Fertigung (Rolle-zu-Rolle) verbinden. Mit Hilfe faltenstrukturierter Substrate können Gradienten mit kontinuierlich variierendem Lineardichroismus in einem einzigen Schritt erzeugt werden. (II) Partikelanordnung mittels Kapillarkräften ermöglicht Partikelabstände von ~1 nm, was mit herkömmlichen, lithographischen Methoden nicht erreichbar ist. Dieser geringe Abstand verbessert die Plasmonenkopplung zwischen den Partikeln und verstärkt den Zirkulardichroismus in gekreuzten, chiralen Partikelketten, wie in dieser Arbeit vorgestellt wird. (III) Solche hierarchischen und wiederholt stapelbaren, chiralen Strukturen machen große Volumina an superchiralen Feldern für Analytmoleküle zugänglich, was deren ultrasensitive, enantioselektive Detektion ermöglicht. Dies steht in starkem Gegensatz zu gestapelten, lithographisch hergestellten Nanostäbchen, bei denen die stärksten Felder im Zwischenschichtspalt durch die Anwesenheit von Abstandsschichten versperrt bleiben. Ein zentrales Thema dieser Arbeit ist die Rekonfiguration der vorgestellten Systeme im Anschluss an deren Fertigung. Diese in-situ-Durchstimmbarkeit wird durch elastische und reversibel stapelbare Template realisiert. (I) Mechanische Deformation entlang einer Achse überführt den quadratischen 2D-Kristall in einen rechteckigen. Dadurch wird die Oberflächengitterresonanz in zwei polarisationsabhängige Moden aufgespalten, deren Resonanzposition unter Krafteinwirkung reversibel verschoben wird. (II) Die über Kreuz gestapelten, chiralen Partikelketten sind wiederholt stapelbar. Dies ermöglicht die Anpassung des Stapelwinkels, um die Stärke und das Vorzeichen des Zirkulardichroismus einzustellen. (III) Reversible Kompression dieses chiralen Stapels verursacht ein Verbiegen der Ketten und verschiebt so die spektrale Position der zirkulardichroitischen Moden. In einer Machbarkeitsstudie konnte gezeigt werden, dass lokal variierende Kompression einen Gradienten des Zirkulardichroismus hervorruft. Dies stellt einen wichtigen Schritt in Richtung Ein-Chip-Spektroskopie dar. Diese Arbeit (I) lotet die Grenzen der kolloidalen Assemblierung aus, indem sie von Einzelpartikel-Anordnungen zu komplexen 3D-Arrangements übergeht; (II) untersucht die geometrische Rekonfiguration dieser plasmonischen Nanostrukturen, um ausgeprägte optische Effekte zu modulieren. Die hier vorgestellten Strategien können auf andere kolloidale Partikelformen und materialien übertragen werden. Darüber hinaus bereiten die Konzepte wiederholt stapelbarer Meta-Oberflächen und der lokalen Kompression zum Einstellen der optischen Eigenschaften eine faszinierende Spielwiese. Auch der Top-Down-Fertigung könnten diese Ansätze als Blaupause dienen.