Techn. Universiẗat, Diss., 2005--Chemnitz.

This thesis reports the inspection and manipulation of thin ferroelectric films of lead titanate (PbTiO3 : PTO), lead zirconium titanate (Pb(Zr0.25Ti0.75)O3 : PZT), and barium titanate (BaTiO3 : BTO) by means of scanning force microscopy - specifically Piezoresponse and Kelvin-Probe. The film thickness of the investigated samples ranged between 50nm and 800nm. This experimental work focussed on the following issues: native domain structures, creation of domains by short voltage pulses and area-switching with the force microscope, local qualitative and quantitative measurements of the ferroelectric hysteresis loops, and investigations at the interface between film and platinum-electrode in the PZT/Pt-System. Lamellar domain structures were visualized with high lateral resolution of 5nm on the surface of the PTO-samples, whereas the PZT- and BTO-samples showed prepolarisation and no domains. In the switching experiments a pronounced thickness dependence was found and partly a good agreement to macroscopic measurements. For BTO-films of 50nm and 125nm thickness no stable switching of polarisation could be observed. Using appropriate preparation methods it was possible to provide evidence of a 200nm thick interface layer with reduced polarisation above the electrode in the PZT/Pt-system. / Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung dünner ferroelektrischer Schichten von Bleititanat (PbTiO3 : PTO), Bleizirkoniumtitanat (Pb(Zr0.25Ti0.75)O3 : PZT) und Bariumtitanat (BaTiO3 : BTO) und deren Manipulation auf der sub-µm-Skalamittels Rasterkraftmikroskopie. Die Dicke der Schichten lag im Bereich von 50nm bis 800nm. Zum Einsatz kamen die Meßmodi Piezoresponse und Kelvin-Sonde. Die experimentelle Arbeit erstreckte sich über die Abbildung von Domänenstrukturen, die Erzeugung von Domänen durch kurze Spannungspulse und flächiges Umschalten mit dem Kraftmikroskop, lokale qualitative und quantitative Messungen der ferroelektrischen Hysterese, sowie Untersuchungen an der Grenzschicht zwischen Film und Platin-Elektrode am PZT/Pt-System. Lamellenartige Domänenstrukturen konnten mit hoher lateraler Auflösung von 5nm auf der Oberfläche von PTO abgebildet werden. Die PZT- und BTO-Proben waren vorpolarisiert und es ließen sich keine Domänen nachweisen. Bei den Schaltversuchen wurde eine ausgeprägte Schichtdickenabhängigkeit der Koerzitivfeldstärken und teilweise gute Übereinstimmung mit makroskopischen Messungen gefunden. Für dünne BTO-Schichten von 50nm und 125nm Dicke konnte kein stabiles Umschalten der Polarisation gezeigt werden. Mittels geeigneter Präparation der PZT/Pt-Grenzschicht konnte durch direkte Messung eine Schicht von 200nm Dicke mit verminderter Polarisation oberhalb der Elektrode nachgewiesen werden.

This thesis reports the inspection and manipulation of thin ferroelectric films of lead titanate (PbTiO3 : PTO), lead zirconium titanate (Pb(Zr0.25Ti0.75)O3 : PZT), and barium titanate (BaTiO3 : BTO) by means of scanning force microscopy - specifically Piezoresponse and Kelvin-Probe. The film thickness of the investigated samples ranged between 50nm and 800nm. This experimental work focussed on the following issues: native domain structures, creation of domains by short voltage pulses and area-switching with the force microscope, local qualitative and quantitative measurements of the ferroelectric hysteresis loops, and investigations at the interface between film and platinum-electrode in the PZT/Pt-System. Lamellar domain structures were visualized with high lateral resolution of 5nm on the surface of the PTO-samples, whereas the PZT- and BTO-samples showed prepolarisation and no domains. In the switching experiments a pronounced thickness dependence was found and partly a good agreement to macroscopic measurements. For BTO-films of 50nm and 125nm thickness no stable switching of polarisation could be observed. Using appropriate preparation methods it was possible to provide evidence of a 200nm thick interface layer with reduced polarisation above the electrode in the PZT/Pt-system. / Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung dünner ferroelektrischer Schichten von Bleititanat (PbTiO3 : PTO), Bleizirkoniumtitanat (Pb(Zr0.25Ti0.75)O3 : PZT) und Bariumtitanat (BaTiO3 : BTO) und deren Manipulation auf der sub-µm-Skalamittels Rasterkraftmikroskopie. Die Dicke der Schichten lag im Bereich von 50nm bis 800nm. Zum Einsatz kamen die Meßmodi Piezoresponse und Kelvin-Sonde. Die experimentelle Arbeit erstreckte sich über die Abbildung von Domänenstrukturen, die Erzeugung von Domänen durch kurze Spannungspulse und flächiges Umschalten mit dem Kraftmikroskop, lokale qualitative und quantitative Messungen der ferroelektrischen Hysterese, sowie Untersuchungen an der Grenzschicht zwischen Film und Platin-Elektrode am PZT/Pt-System. Lamellenartige Domänenstrukturen konnten mit hoher lateraler Auflösung von 5nm auf der Oberfläche von PTO abgebildet werden. Die PZT- und BTO-Proben waren vorpolarisiert und es ließen sich keine Domänen nachweisen. Bei den Schaltversuchen wurde eine ausgeprägte Schichtdickenabhängigkeit der Koerzitivfeldstärken und teilweise gute Übereinstimmung mit makroskopischen Messungen gefunden. Für dünne BTO-Schichten von 50nm und 125nm Dicke konnte kein stabiles Umschalten der Polarisation gezeigt werden. Mittels geeigneter Präparation der PZT/Pt-Grenzschicht konnte durch direkte Messung eine Schicht von 200nm Dicke mit verminderter Polarisation oberhalb der Elektrode nachgewiesen werden.

<p>Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit zwei Themengebieten. Es ging zum einen um die mechanischen Eigenschaften von Polyelektrolythohlkapseln und zum anderen um die Adhäsion von Polyelektrolythohlkapseln.</p> <p>Die mechanischen Eigenschaften wurden mit der AFM „colloidal probe” Technik untersucht. Dabei zeigte sich, dass die Kraftdeformationskurven für kleine Deformationen den nach der Schalentheorie vorhergesagten linearen Verlauf haben. Ebenso wurde die quadratische Abhängigkeit der Federkonstanten von der Dicke bestätigt. Für PAH/PSS findet man einen E-Modul von 0.25 GPa. Zusammen mit der Tatsache, dass die Deformationskurven unabhängig von der Geschwindigkeit sind und praktisch keine Hysterese zeigen, sowie der Möglichkeit die Kapseln plastisch zu deformieren, kann man schließen, dass das System in einem glasartigen Zustand vorliegt.</p> <pt>Erwartungsgemäß zeigte der pH einen starken Einfluss auf die PEM. Während in einem pH-Bereich zwischen 2 und 11.5 keine morphologischen Änderungen festgestellt werden konnten, vergrößerte sich der Radius bei pH = 12 um bis zu 50 %. Diese Radienänderung war reversibel und ging einher mit einem sichtbaren Weicherwerden der Kapseln. Eine Abnahme des E-Moduls um mindestens drei Größenordungen wurde durch Kraftdeformationsmessungen bestätigt. Die Kraftdeformationskurven zeigen eine starke Hysterese. Das System befindet sich nun nicht mehr in einem glasartigen Zustand, sondern ist viskos bis gummiartig geworden.</p> <p>Messungen an Kapseln, die mit Glutardialdehyd behandelt wurden, zeigten, dass die Behandlung das pH-abhängige Verhalten verändert. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass das PAH durch den Glutardialdehyd quervernetzt wird. Bei einem hohen Quervernetzungsgrad, zeigen die Kapseln keine Änderung des mechanischen Verhaltens bei pH = 12. Schwach quervernetzte Kapseln werden immer noch signifikant weicher bei pH = 12, jedoch ändert sich der Radius nicht.</p> <p>Außerdem wurden Multilagenkapseln untersucht, deren Stabilität nicht auf elektrostatischen Wechselwirkungen sondern auf Wasserstoffbrückenbindungen beruhte. Diese Kapseln zeigten eine deutlich höhere Steifigkeit mit E-Modulen bis zu 1 GPa. Es wurde gefunden, dass auch dieses System für kleine Deformationen ein lineares Kraft-Deformationsverhalten zeigt, und dass die Federkonstante quadratisch von der Dicke abhängt. Die Kapseln lösen sich praktisch sofort bei pH = 6.5 auf. In der Nähe dieses pHs konnte das Abnehmen der Federkonstanten verfolgt werden.</p> <p>Außerdem wurde das Adhäsionsverhalten von PAH/PSS Kapseln auf mit PEI-beschichtetem Glas untersucht. Die Adhäsionsflächen waren zu einem großen Teil rund und ließen sich quantitativ auswerten. Der Adhäsionsradius nimmt mit dem Kapselradius zu und mit der Dicke ab. Das Verhalten konnte mit zwei Modellen, einem für die große und einem für die kleine Deformation beschrieben werden. Das große Deformationsmodell liefert um eine Größenordung niedrigere Adhäsionsenergien als das kleine Deformationsmodell, welches mit Werten von ‑0.2 mJ/m² Werte in einem plausiblen Bereich liefert. Es wurde gefunden, dass bei einem Verhältnis von Dicke zu Deformation von etwa eins "buckling" auftritt. Dieser Punkt markierte zugleich den Übergang von der großen zur kleinen Deformation.</p> / <p>This work had two objectives. The first was to study the mechanical properties of polyelectrolyte hollow capsules depending on the pH and the wall composition utilizing the AFM colloidal probe technique. The second objective was to study the adhesion of these capsules varying the radius and thickness.</p> <p>It was found that the AFM colloidal probe technique can be utilized to measure the shells spring constant. The acquired deformation curves for small deformations showed the linear force deformation relation predicted by the shell theory. The stiffness of capsules composed of polyallylamine and polystyrenesulfonate scales quadratically with the thickness giving Young’s modulus of 0.25 GPa.</p> <p>Changing the pH had no effect concerning the morphology and the elastic properties of the afore mentioned capsules up to pH = 11.5. At pH = 12 the capsules’ radius increased between 30 % and 50 % and the elastic modulus decreased by more than one order of magnitude. This pH-change can be viewed as the glass transition of the material, being in a glassy state below pH = 11.5 and becoming rubbery at pH = 12. Introducing crosslinking into the capsule wall inhibited any morphological changes at pH = 12, while leaving the capsule stiffness sensitive for small degrees of crosslinking.</p> <p>It was possible to prove the quadratic thickness dependency of the stiffness for a system where the internal forces keeping together the multilayer were hydrogen bonds (poly(methacrylic acid) / poly-4-vinylpyrrolidone). These apsules are significantly stiffer than the afore mentioned ones (Young’s modulus 0.6 to 1 GPa) and show a strong reaction towards increasing the pH by dissolving within seconds. Close to the dissolution pH these capsules also exhibit a transition from a glassy to a rubbery state.</p> <p>Capsules composed of polyallylamine / polystyrene sulfonate adhered to polyethylene imine coated glass. The radius of the adhesion disc increased with the radius of the capsule and decreased with increasing thickness. This behaviour could be semi quantitatively described with a strong and a weak deformation model giving a value for the adhesion energy of ‑0.02 mJ/m² for the small deformation model. At deformations of the order of the thickness, the theoretically predicted buckling was observed.</p>

Diverse conformational transitions and aggregations of regioregular head-to-tail polyhexylthiophene in different environments have been studied by means of AFM and UV-vis spectroscopy. A helical conformation of the main chain with 12 thiophenes rings per each helical turn has been proposed. Length of the particles varies from several nanometers to several hundreds nanometers and can be adjusted by the solvents composition or concentration of PATs. Such well-defined organic semiconductor 1D particles can be used as building blocks for future nanoscale and molecular level electronic devices. Oligothiophenes represent one of the most promising class of semiconductive materials for FET fabrication because of their good mobility and environmental stability. However, most of unsubstituted oligothiophenes are insoluble that suppresses their potential industrial utility. On the first stage of the work, conformation, crystalline structure, molecular packing and charge carrier mobility of the highly soluble regiochemically pure [Beta]-substituted sexithiophene were systematically studied. It was found that [Beta, Beta´]-DH6T possesses moderate PR-TRMC charge carrier mobility, but rather low field-effect mobility. The investigation showed that such a poor macroscopic electrical properties of [Beta, Beta´]-DH6T originate neither from the twist of the conjugated system nor from the crystalline disorder, but rather from low-dense crystalline packing and &amp;quot;wrong&amp;quot; molecular orientation. To overcome these obstacles two thiophene-based azomethines were designed to optimize a solubility, self-assembly, and a charge carrier mobility. The idea was to utilize the ability of the amide group to form strong hydrogen bonds in non-polar solvents and in solid state, but to be easily broken in presence of polar solvents. Thus, at the stage of a dissolution and a deposition, when the solubility is important, the hydrogen bonding can be &amp;quot;switched off&amp;quot; simply by addition of polar solvents and then, after the removal of polar additives, the self-assembly can be &amp;quot;switched on&amp;quot;. It was found that incorporation of azomethine and amide moieties in the [Alpha, Omega]-position, and hexyl chains in [Beta]-position of quaterthiophene, indeed considerably improves the self-assembly properties without suppression of the solubility. Self-assembly of azomethine oligomers with (QT-amide) and without amide moieties (QT-aniline) were monitored by UV-vis, XRD, and AFM. It was found that QT-amide, processed from solution, forms highly ordered layered (terrace) structures. This aggregation mode is similar to the self-assembly of unsubstituted conjugated oligomers (such as pentacene) occurred upon their evaporation in vacuum. The sum of charge carrier mobilities (PR-TRMC data) for QT-aniline was shown to be below the detectable limit, but the mobility of QT-amide was determined to be 1.10-2 cm2 V-1 s-1. The later is comparable with the mobilities of the best organic semiconductors. All these significant differences in properties of related compounds can be attributed to the hydrogen bonding between QT-amide molecules responsible for the observed self-assembly.

Selective ion and solute transport across cell membranes is a vital process occurring in all types of cells. Evolutionarily developed transport proteins work as membrane-embedded molecular machines, which alternately open a gate on each side of the membrane to bind and translocate specific ions. Sodium/proton exchange plays a crucial role in maintaining cytoplasmic pH and membrane potential, while, if not regulated, the process causes severe heart diseases in humans. Here I applied single-molecule force spectroscopy to investigate molecular interactions determining the structural stability of the sodium/proton antiporter NhaA of Escherichia coli, which serves as a model system for this class of proteins. Mechanical pulling of NhaA molecules embedded in the native lipid bilayer caused a step-wise unfolding of the protein and provided insights into its stability. Modified experiments allowed observing refolding of NhaA molecules and estimating folding kinetics for individual structural elements, as well as detecting eventual misfolded conformations of the protein. The activity of NhaA increases 2000fold upon switching pH from 6 to 8. Single-molecule force measurements revealed a reversible change in molecular interactions within the ligand-binding site of the transporter at pH 5.5. The effect was enhanced in the presence of sodium ions. The observation suggests an early activation stage of the protein and provides new insights into the functioning mechanism. When studying interactions of NhaA with the inhibitor 2-aminoperimidine, I exploited single-molecule force measurements to validate the binding mechanism and to describe quantitatively formation of the protein:inhibitor complex. The ability of single-molecule force measurements to probe structurally and functionally important interactions of membrane proteins opens new prospects for using the approach in protein science and applied research.

Compartmentalization of cell membranes, in particular of the apical membrane of columnar epithelia, is the topic of this thesis. The first part characterizes the apical membrane and its specialized organization and morphology, whereas the second part focuses on the formation of this unique plasma membrane domain during epithelial polarization. The apical membrane of columnar epithelia is enriched in glycosphingolipids, a class of lipids that are known to interact with cholesterol to form liquid ordered domains, also termed &amp;quot;rafts&amp;quot;, in cell membranes. Imaging the apical surface of untreated and raft lipid depleted MDCK cells with atomic force microscopy revealed that raft lipids are involved in the formation and/or maintenance of microvilli, actin based protrusions of the apical plasma membrane, indicating a regulatory link between membrane domains and the cytoskeleton. Furthermore, antibody patching and photobleaching experiments performed during the work of this thesis suggest that the organization into raft and non-raft domains is very different in the apical membrane of MDCK cells compared to the plasma membrane of a fibroblast. In fact, the data support the hypothesis that the apical membrane could be a percolating raft membrane in which rafts constitute the major phase and non-raft domains exist as isolated entities. The second part of this thesis analyses the segregation of apical and basolateral membrane domains during epithelial polarization. This segregation can either be achieved by generating scaffolded domains prior to junction formation or by polarized secretory and endocytic membrane traffic after the establishment of cell junctions. While most apical and basolateral marker proteins in MDCK cells follow the latter mechanism, this thesis reports that the apical marker gp135 is confined to the dorsal face already in single attached cells. The unknown antigen was purified and identified as podocalyxin. Analysis of a series of domain mutants revealed that the C-terminal PDZ-binding motif of podocalyxin is mainly responsible for its special localization, which it shares with the PDZ protein NHERF-2. Knocking down podocalyxin by RNA interference resulted in retardation of cell growth and epithelial polarization. Taken together, the data suggest that podocalyxin and NHERF-2 could be part of an early apical polarity scaffolding system based on PDZ-binding and PDZ-containing proteins.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung, Synthese und Charakterisierung neuartiger oligofunktionalisierter Amphiphile mit potentiellen Sammler- und LB-Filmbildungseigenschaften. Basierend auf dem entwickelten Konzept der supramolekularen Strukturbildung zum Aufbau präorganisierter und gebündelter Sammleraggregate wurden zwei Typen neuartiger oligofunktioneller Tenside synthetisiert, die sich insbesondere in ihrer konformativen Flexibilität und Hydrophilie-Lipophilie-Balance unterscheiden. Ausgeprägte oberflächenaktive Eigenschaften wurden bei den bi-, tri- und tetrafunktionellen Aminosäure-analogen Zielverbindungen (Typ II) mit linearer, trigonaler und tetragonaler Molekülstruktur gefunden. Diese Verbindungen bilden auch stabile monomolekulare Filme geringer Heterogenität aus. Im mineralischen Flotationsprozess ergeben diese präorganisierten Tenside mit geometrisch kontrollierter Positionierung der lateralen Funktionseinheiten im Vergleich zu konventionellen Sammlern bei spezifischem Verhalten eine bemerkenswerte Steigerung der flotativen Effizienz.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung, Synthese und Charakterisierung neuartiger oligofunktionalisierter Amphiphile mit potentiellen Sammler- und LB-Filmbildungseigenschaften. Basierend auf dem entwickelten Konzept der supramolekularen Strukturbildung zum Aufbau präorganisierter und gebündelter Sammleraggregate wurden zwei Typen neuartiger oligofunktioneller Tenside synthetisiert, die sich insbesondere in ihrer konformativen Flexibilität und Hydrophilie-Lipophilie-Balance unterscheiden. Ausgeprägte oberflächenaktive Eigenschaften wurden bei den bi-, tri- und tetrafunktionellen Aminosäure-analogen Zielverbindungen (Typ II) mit linearer, trigonaler und tetragonaler Molekülstruktur gefunden. Diese Verbindungen bilden auch stabile monomolekulare Filme geringer Heterogenität aus. Im mineralischen Flotationsprozess ergeben diese präorganisierten Tenside mit geometrisch kontrollierter Positionierung der lateralen Funktionseinheiten im Vergleich zu konventionellen Sammlern bei spezifischem Verhalten eine bemerkenswerte Steigerung der flotativen Effizienz.

Compartmentalization of cell membranes, in particular of the apical membrane of columnar epithelia, is the topic of this thesis. The first part characterizes the apical membrane and its specialized organization and morphology, whereas the second part focuses on the formation of this unique plasma membrane domain during epithelial polarization. The apical membrane of columnar epithelia is enriched in glycosphingolipids, a class of lipids that are known to interact with cholesterol to form liquid ordered domains, also termed &amp;quot;rafts&amp;quot;, in cell membranes. Imaging the apical surface of untreated and raft lipid depleted MDCK cells with atomic force microscopy revealed that raft lipids are involved in the formation and/or maintenance of microvilli, actin based protrusions of the apical plasma membrane, indicating a regulatory link between membrane domains and the cytoskeleton. Furthermore, antibody patching and photobleaching experiments performed during the work of this thesis suggest that the organization into raft and non-raft domains is very different in the apical membrane of MDCK cells compared to the plasma membrane of a fibroblast. In fact, the data support the hypothesis that the apical membrane could be a percolating raft membrane in which rafts constitute the major phase and non-raft domains exist as isolated entities. The second part of this thesis analyses the segregation of apical and basolateral membrane domains during epithelial polarization. This segregation can either be achieved by generating scaffolded domains prior to junction formation or by polarized secretory and endocytic membrane traffic after the establishment of cell junctions. While most apical and basolateral marker proteins in MDCK cells follow the latter mechanism, this thesis reports that the apical marker gp135 is confined to the dorsal face already in single attached cells. The unknown antigen was purified and identified as podocalyxin. Analysis of a series of domain mutants revealed that the C-terminal PDZ-binding motif of podocalyxin is mainly responsible for its special localization, which it shares with the PDZ protein NHERF-2. Knocking down podocalyxin by RNA interference resulted in retardation of cell growth and epithelial polarization. Taken together, the data suggest that podocalyxin and NHERF-2 could be part of an early apical polarity scaffolding system based on PDZ-binding and PDZ-containing proteins.