Surface engineering of tailored materials with adjustable characteristics in relation to biological environment, is one of the main prerequisites for biotechnological applications. In recent years, advanced surface coatings in the nanometer range have drawn big attention. A special category of this group are stimuli responsive polymers tethered by one functional end to the surface. When the surface grafting density is big enough, the polymer chains are forced to stretch away from the interface due to excluded volume effects, creating a so called polymer brush. Nano-scaled polymer brushes are advantageous due to their nanostructure, which can be comparable to biological species, and their collaborative response to external stimuli. Moreover, the material design parameters such as chemistry, surface topography, charge, and surface wettability can be adjusted by using the appropriate polymer, or a combination of polymers with respect to the desired material performance. In case of binary polymer brushes, the materials' properties are switched between the properties of two constituent polymers. Besides, upon switching of external stimuli, biomodified binary polymer brushes can hide or expose biofunctionalities, on demand. Hence, they are classified as smart biomaterials' surface coatings.

Substrate topography can have profound effects on initial bacterial adhesion during biofilm formation. We applied Staphylococcus epidermidis and Escherichia coli cells onto periodically structured substrates with different structure dimensions, structure types and wetting properties. We found a strong dependence of cell retention on the structure dimensions of the applied substrates. Periodicities in the range of the cell size increased, whereas smaller periodicities decreased cell retention, independent of contact time (minutes to hours) and hydrophobicity. These novel insights on the role of surface topography on bacterial retention might facilitate the development of non-fouling surfaces in the future.

Fe und Cu wurden als Schlüsselspezies für die Betrachtung von Oberflächenkontamination in der Prozessierung von c-Si-Solarzellen identifiziert. Studien mit gezielt aufgebrachten Metallkonzentrationen vor verschiedenen Passivierungs- und Diffusionsprozessschritten ergaben relativ hohe kritische Werte für Cu, außer bei thermischer Oxidation. Niedrige Werte wurden für beide Elemente vor Hochtemperaturschritten im n-Typ-Hocheffizienzprozess beobachtet, wobei sich die B-Diffusion als etwas weniger empfindlich darstellte. Temporäre Gettereffekte für Fe (in p-Typ-Si) und Cu (in n-Typ-Si) wurden beobachtet. Es zeigte sich, dass As-Cut-Wafer, unabhängig von der Sägeart (SiC-slurry oder Diamantdraht) sehr hohe Metallverunreinigungen (im Bereich 1*1011 – 5*1014 cm-2) in den Prozess einbringen. Das alkalische Ätzen verringert diese Menge kaum, was hohe Anforderungen an die anschließende Reinigung ergibt. Die Optimierung von HF/O3-Reinigungslösung für diese Flächen ergab beste Reinigungsergebnisse bei niedrigen HF-Konzentrationen, abhängig vom alkalischen Ätzschritt und anschließendem HCl/HF-Dip.

The colonization of immersed surfaces by a myriad of marine organisms is a complex, multi-stage, species-specific process giving rise to economic and environmental costs. This unwanted accumulation of organisms in the marine environment, called biofouling, has been attacked from different fronts, going from the ‘problem-elimination-as-problem-solving’ strategy (essentially through the use of biocides) to more elaborated and environmentally-friendly options based on the principle of ‘non-stick’ or ‘easy foul-release’ surfaces, which do not jeopardize marine life viability. Several marine organisms rely on proteinaceous adhesives to secure a holdfast to surfaces. Proteolytic enzymes have been demonstrated to be effective agents against settlement and settlement consolidation onto surfaces of marine bacteria, algae, and invertebrates, their proposed mode-of-action being the enzymatic degradation of the proteinaceous components of the adhesives. So far, however, the evidence remains inconclusive since most of the published investigations refer to commercial preparations where the enzyme is mixed with other components, like additives, which obviously act as additional experimental variables. This work aims at providing clear, conclusive evidence about the potential of serine proteases to target the adhesives produced by a group of model marine biofoulers. The strategy towards the goal consisted in the preparation and characterization of maleic anhydride copolymer nanocoatings modified by a surface-bound enzyme, Subtilisin A, the active constituent of the commercial preparations reported as effective against biofouling. The enzyme-containing maleic anhydride copolymer films were characterized (enzyme surface concentration, activity, stability, roughness and wettability) and thereafter tested in biological assays with three major biofoulers: spores of the green alga Ulva linza, cells of the pennate diatom Navicula perminuta, and cyprid larvae of the barnacle Balanus amphitrite. The purpose of the biological assays was to elucidate the efficacy of the immobilized catalyst to discourage settlement and/or to facilitate removal of these organisms from the bioactive layers. Results confirmed the initial hypotheses related to the enzymatic degradation of the biological adhesives: the immobilized protease was effective at reducing the adhesion strength of Ulva spores and Navicula diatoms in a manner that correlated with the enzyme activity and surface concentration, and deterred settlement of Balanus amphitrite barnacle cyprids even at the lowest surface activity tested. By facilitating the removal of biofilm-forming diatoms and of spores of the troublesome alga Ulva linza, as well as by interfering with the consolidation of adhesion of the calcareous Balanus amphitrite macrofouler, the enzyme-containing coatings here disclosed are considered to constitute an appealing and promising alternative to control marine biofouling without jeopardizing marine life.

Selbstreinigende, ultrahydrophobe Oberflächen lassen sich in der Technik vielfältig einsetzen. Das ultrahydrophobe Verhalten beruht einerseits auf einer Rauigkeit im μm-Bereich und andererseits auf der chemischen Zusammensetzung der Oberfläche. Durch den gegebenen Oberflächenaufbau sind derartige Materialien jedoch empfindlich gegen Verschleiß. In diesem Beitrag wird ein Schichtverbund bestehend aus Aluminiumoxid und zwei polymeren Komponenten vorgestellt. Die Aluminiumoxidschicht wird auf dem Wege der anodischen Oxidation erzeugt. Dieses seit langem bekannte Verfahren ermöglicht nicht nur die Oxidation der Aluminiumoberfläche, sondern gestattet es, auch, definierte Oberflächenprofile einzustellen. Durch den gezielten Einbau des hochmolekularen Polymers Chitosan in die mikroprofilierte Aluminiumoxidschicht wurde eine mechanische Stabilisierung der Schicht im Sinne eines anorganisch-organischen Composites erreicht. Außerdem dienten die Amino-Seitengruppen des Chitosans als reaktives Interface für die notwendige chemische Hydrophobierung und als Reaktionszentrum für Vernetzungen, wodurch eine weitere mechanische Stabilisierung bewirkt wird. Der Schichtaufbau hat wesentlichen

In our experiments, the icing temperature of small water volumes placed on different pyroelectric single crystals (SrxBa1−xNb2O6, LiNbO3, and LiTaO3) was determined using two measurement setups: (1) the sessile droplet and (2) ring system method. In the first method, a free-standing water droplet was exposed to several external factors in the air environment. This was found to lead to higher icing temperatures compared to the second method where the water was more isolated from external factors such as evaporation. In the second method, the material of the ring system was found to be an important factor determining the freezing temperature of the enclosed water. A recommendation for the application of both methods is given, their advantages and disadvantages depending on the purpose of measurement, and their reproducibility for practical applications. In addition to this, the correlation between pyroelectricity and icing temperature, with regard to several types of internal and external factors affecting water freezing, is also discussed in the paper.

Untersuchungen zum statistischen Verhalten von Polymerketten auf anziehenden Oberflächen stellen ein spannendes Forschungsgebiet dar aufgrund des Wechselspiels zwischen dem Entropiegewinn bei Ablösung von der einschränkenden Oberfläche und dem Energiegewinn bei der Bildung von Oberflächenkontakten. Für gute und Theta-Lösungen und lange Ketten ist dieses Gebiet recht alt und gut verstanden, doch gibt es immer noch eine Reihe von offenen Fragen, insbesondere zu endlich langen Polymeren, die gerade im Zeitalter zunehmender Miniaturisierung und experimenteller Auflösung Klärung bedürfen, aber nicht zuletzt auch von prinzipiellem Interesse sind. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Gleichgewichtsverhalten einer endlich langen Polymerkette in Lösung in der Nähe einer anziehenden Oberfläche. Die Anziehungsstärke wird dabei systematisch variiert und der Einfluss auf die Konformation des Homopolymers studiert. Dies geschieht im kanonischen und im mikrokanonischen Ensemble, die im betrachteten endlichen System nicht identisch sind. Da die Lösungsmittelstärke des selbstwechselwirkenden Polymers durch die Temperatur variiert werden kann, gelang so eine systematische Studie einer Reihe von Konformationsübergängen. Ob das Polymer an einem Ende irreversibel mit der Oberfläche verbunden ist oder sich zu einem gewissen Grad von ihr entfernen kann, spielt für insbesondere den Adsorptionsübergang eine Rolle, die untersucht wird. Anschließend wurde der Einfluss nicht homogener Oberflächenanziehung in Form von attraktiven Streifenpotentialen auf der Oberfläche auf die zuvor beschriebenen Konformationsübergänge studiert. Die Natur der so forcierten Mustererkennung konnte unter anderem abhängig von Streifenbreite und -stärke detailliert beleuchtet und mit dem Verhalten an homogenen Oberflächen in Bezug gesetzt werden. Sämtliche Daten wurden mit Monte-Carlo-Computersimulationen in generalisierten Ensemblen und einem Polymermodell, das atomare Details vernachlässigt, gewonnen.

The high stiffness to weight ratio of glass fibre-reinforced polymers (GFRP) makes them an attractive material for rotors e.g. in the aerospace industry. We report on recent developments towards non-contact, in-situ deformation measurements with temporal resolution up to 200 µs and micron measurement uncertainty. We determine the starting point of damage evolution inside the rotor material through radial expansion measurements. This leads to a better understanding of dynamic material behaviour regarding damage evolution and the prediction of damage initiation and propagation. The measurements are conducted using a novel multi-sensor system consisting of four laser Doppler distance (LDD) sensors. The LDD sensor, a two-wavelength Mach-Zehnder interferometer was already successfully applied for dynamic deformation measurements at metallic rotors. While translucency of the GFRP rotor material limits the applicability of most optical measurement techniques due to speckles from both surface and volume of the rotor, the LDD profits from speckles and is not disturbed by backscattered laser light from the rotor volume. The LDD sensor evaluates only signals from the rotor surface. The anisotropic glass fibre-reinforcement results in a rotationally asymmetric dynamic deformation. A novel signal processing algorithm is applied for the combination of the single sensor signals to obtain the shape of the investigated rotors. In conclusion, the applied multi-sensor system allows high temporal resolution dynamic deformation measurements. First investigations regarding damage evolution inside GFRP are presented as an important step towards a fundamental understanding of the material behaviour and the prediction of damage initiation and propagation.

Die Langzeitsicherheitsanalyse für ein Endlager für nukleare Abfälle bedarf einer eingehenden Beschreibung der Mobilität von Radionukliden im Nah- und Fernfeld des Endlagers. Da extrem lange Zeiträume von bis zu einer Million Jahren abgebildet werden müssen, muss diese Beschreibung auf einem molekularen Prozessverständnis beruhen. Nur dann ist eine unbegrenzte zeitliche Extrapolation zulässig. Die wichtigsten Rückhalteprozesse finden an der Wasser/Mineralgrenzfläche statt, wobei in einem realen Endlager sehr viele primäre und sekundäre Mineralphasen vorhanden sind, mit denen die Radionuklide wechselwirken können. Zudem stehen eine Vielzahl verschiedener Reaktionsmechanismen zur Verfügung – innersphärische oder außersphärische Sorption, struktureller Einbau, Oberflächenfällung etc. – die sich hinsichtlich ihrer Rückhaltefähigkeit deutlich unterscheiden. Somit muss auf hochsensitive Methoden zurückgegriffen werden, die in der Lage sind, selektiv Informationen über die relevanten Radionuklide innerhalb der Grenzschicht zu liefern. Die in dieser Arbeit hauptsächlich verwendeten Methoden, die zeitaufgelöste Laser-induzierte Fluoreszenzspektroskopie (TRLFS), und die Oberflächenröntgenbeugungsmethoden crystal truncation rod (CTR) Messung und resonant anomalous X-ray reflectivity (RAXR), haben sich als effiziente Werkzeuge zur Ermittlung struktureller und Speziationsdaten erwiesen. So konnte im Rahmen dieser Arbeit die Wechselwirkung der Radionuklide U, Pu, Am und Cm mit verschiedenen Mineralphasen aufgeklärt, sowie die Abhängigkeit dieser Reaktionen von der Lösungszusammensetzung beschrieben werden.:1 Einleitung 9 1.1 Zeitaufgelöste laser-induzierte Fluoreszenzspektroskopie 12 1.2 Oberflächenröntgenbeugung 18 2 Spektroskopische Charakterisierung von Einbauprozessen 21 2.1 Biswas S, Steudtner R, Schmidt M, McKenna C, Vintró LL 25 Twamley B, et al. An investigation of the interactions of Eu3+ and Am3+ with uranyl minerals: implications for the storage of spent nuclear fuel. Dalton Transactions. 2016; 45(15):6383-93. 2.2 Schmidt M, Heck S, Bosbach D, Ganschow S, Walther 36 C, Stumpf T. Characterization of powellite-based solid solutions by site-selective time resolved laser fluorescence spectroscopy. Dalton Transactions. 2013;42(23):8387 - 93. 2.3 Hellebrandt SE, Hofmann S, Jordan N, Barkleit A, Schmidt M. 43 Incorporation of Eu(III) into Calcite under recrystallization conditions. Scientific Reports. 2016;6:33137. 2.4 Johnstone EV, Hofmann S, Cherkouk A, Schmidt M. 53 Study of the Interaction of Eu3+ with Microbiologically Induced Calcium Carbonate Precipitates using TRLFS. Environmental Science & Technology. 2016;50(22):12411-20. 3 Oberflächeninduzierte Kondensationsreaktionen 63 3.1 Lee SS, Schmidt M, Fister TT, Nagy KL, Sturchio NC, Fenter P. 65 Structural Characterization of Aluminum (Oxy)hydroxide Films at the Muscovite (001)–Water Interface. Langmuir. 2016; 32(2):477-86. 3.2 Hellebrandt S, Lee SS, Knope KE, Lussier AJ, Stubbs JE, Eng 75 PJ, et al. Cooperative effects of adsorption, reduction, and polymerization observed for hexavalent actinides on the muscovitebasal plane. Langmuir. 2016; 32(41):10473-82.6 3.3 Schmidt M, Lee SS, Wilson RE, Knope KE, Bellucci F, Eng 85 PJ, et al. Surface-Mediated Formation of Pu(IV) Nanoparticles at the Muscovite-Electrolyte Interface. Environmental Science & Technology. 2013;47(24):14178-84. 4 Elektrolyteffekte auf Oberflächenprozesse 92 4.1 Lee SS, Schmidt M, Laanait N, Sturchio NC, Fenter P. 94 Investigation of Structure, Adsorption Free Energy, and Overcharging Behavior of Trivalent Yttrium Adsorbed at the Muscovite (001)–Water Interface. The Journal of Physical Chemistry C. 2013;117(45):23738-49. 4.2 Schmidt M, Hellebrandt S, Knope KE, Lee SS, Stubbs JE, 106 Eng PJ, et al. Effects of the Background Electrolyte on Th(IV) Sorption to Muscovite Mica. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2015;165:280-93. 4.3 Hofmann S, Voïtchovsky K, Schmidt M, Stumpf T. Trace 120 concentration – Huge impact: Nitrate in the calcite/Eu(III) system. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2014;125:528-38. 4.4 Hofmann S, Voïtchovsky K, Spijker P, Schmidt M, Stumpf 131 T. Visualising the molecular alteration of the calcite (104)–water interface by sodium nitrate. Scientific Reports. 2016; 6:21576. 5 Schlussfolgerungen 142 Literatur 146 / The safety assessment of a nuclear waste disposal site requires the accurate description of the radionuclides’ mobility in the near and far field of the site. This description must rely on molecular level understanding of the occurring processes to allow extrapolation for time frames of up to one million years. The most important retention mechanisms take place at the water/mineral interface. A disposal site will contain a large number of mineral phases, both as primary and secondary minerals. Moreover, a large number of potential reaction pathways is conceivable, and must be investigated: inner and outer sphere sorption, structural incorporation, surface precipitation, etc. As these mechanisms will differ significantly in their retention potential, it is crucial to be able to differentiate between them. Hence, the need arises for analytical techniques capable of providing selective information about radionuclides at the water/mineral interface. This work employs time-resolved laser-induced fluorescence spectroscopy (TRLFS), as well as the surface X-ray diffraction techniques crystal truncation rod (CTR) measurements and resonant anomalous X-ray reflectivity (RAXR) as efficient tools to obtain both structural and speciation data from these systems. Following this approach, the interaction of the radionuclides U, Pu, Am, and Cm with various mineral phases could be elucidated, while also characterizing the dependence of these reactions on the composition of the aqueous solution.:1 Einleitung 9 1.1 Zeitaufgelöste laser-induzierte Fluoreszenzspektroskopie 12 1.2 Oberflächenröntgenbeugung 18 2 Spektroskopische Charakterisierung von Einbauprozessen 21 2.1 Biswas S, Steudtner R, Schmidt M, McKenna C, Vintró LL 25 Twamley B, et al. An investigation of the interactions of Eu3+ and Am3+ with uranyl minerals: implications for the storage of spent nuclear fuel. Dalton Transactions. 2016; 45(15):6383-93. 2.2 Schmidt M, Heck S, Bosbach D, Ganschow S, Walther 36 C, Stumpf T. Characterization of powellite-based solid solutions by site-selective time resolved laser fluorescence spectroscopy. Dalton Transactions. 2013;42(23):8387 - 93. 2.3 Hellebrandt SE, Hofmann S, Jordan N, Barkleit A, Schmidt M. 43 Incorporation of Eu(III) into Calcite under recrystallization conditions. Scientific Reports. 2016;6:33137. 2.4 Johnstone EV, Hofmann S, Cherkouk A, Schmidt M. 53 Study of the Interaction of Eu3+ with Microbiologically Induced Calcium Carbonate Precipitates using TRLFS. Environmental Science & Technology. 2016;50(22):12411-20. 3 Oberflächeninduzierte Kondensationsreaktionen 63 3.1 Lee SS, Schmidt M, Fister TT, Nagy KL, Sturchio NC, Fenter P. 65 Structural Characterization of Aluminum (Oxy)hydroxide Films at the Muscovite (001)–Water Interface. Langmuir. 2016; 32(2):477-86. 3.2 Hellebrandt S, Lee SS, Knope KE, Lussier AJ, Stubbs JE, Eng 75 PJ, et al. Cooperative effects of adsorption, reduction, and polymerization observed for hexavalent actinides on the muscovitebasal plane. Langmuir. 2016; 32(41):10473-82.6 3.3 Schmidt M, Lee SS, Wilson RE, Knope KE, Bellucci F, Eng 85 PJ, et al. Surface-Mediated Formation of Pu(IV) Nanoparticles at the Muscovite-Electrolyte Interface. Environmental Science & Technology. 2013;47(24):14178-84. 4 Elektrolyteffekte auf Oberflächenprozesse 92 4.1 Lee SS, Schmidt M, Laanait N, Sturchio NC, Fenter P. 94 Investigation of Structure, Adsorption Free Energy, and Overcharging Behavior of Trivalent Yttrium Adsorbed at the Muscovite (001)–Water Interface. The Journal of Physical Chemistry C. 2013;117(45):23738-49. 4.2 Schmidt M, Hellebrandt S, Knope KE, Lee SS, Stubbs JE, 106 Eng PJ, et al. Effects of the Background Electrolyte on Th(IV) Sorption to Muscovite Mica. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2015;165:280-93. 4.3 Hofmann S, Voïtchovsky K, Schmidt M, Stumpf T. Trace 120 concentration – Huge impact: Nitrate in the calcite/Eu(III) system. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2014;125:528-38. 4.4 Hofmann S, Voïtchovsky K, Spijker P, Schmidt M, Stumpf 131 T. Visualising the molecular alteration of the calcite (104)–water interface by sodium nitrate. Scientific Reports. 2016; 6:21576. 5 Schlussfolgerungen 142 Literatur 146

I. Atomare Struktur Mittels Rastertunnelmikroskopie und Beugung langsamer Elektronen wird die atomare Struktur von vizinalen Cu(111)-Oberflächen untersucht. Der mittlere Stufenabstand auf den untersuchten Oberflächen deckt einen Bereich von ca. 1.0-2.5nm ab. Auf allen diesen Oberflächen wird ein regelmäßiges Stufenarray gefunden.Es wird gezeigt, dass das System Ag/Cu(223) ein gutes Beispiel für den Effekt der Selbstorganisation auf Kristalloberflächen darstellt. Durch die Ag-Adsorption im Bereich von 0-1ML wird eine periodische Facettierung der Cu(223)-Oberfläche induziert. Die Gleichgewichtsstruktur setzt sich aus Ag-bedeckten Facetten zusammen, die mit reinen Cu-Streifen alternieren. Die Breite der Cu- und der Ag-Streifen kann in einem Bereich von 3-30nm über die Ag-Bedeckung kontinuierlich eingestellt werden. II. Elektronische Struktur Mittels winkelaufgelöster Photoelektronen-Spektroskopie mit Synchrotron-Strahlung wird der Einfluss von Stufen auf den Oberflächenzustand von vizinalen Cu(111)-Oberflächen untersucht. Veränderungen bzgl. der Bindungsenergie werden im Rahmen eines eindimensionalen Kronig-Penny-Modells interpretiert. Als Ursache für das Kippen der Ausbreitungsebene bei einer kritischen Terrassenbreite (~1.7nm) wird die Überlagerung des Oberflächenzustands mit Volumenzuständen und dem damit verbundenen Übergang zur Oberflächenresonanz diskutiert. Bei dem System Ag/Cu(223) wird der Oberflächenzustand innerhalb der Cu-Streifen zum einen durch die Ag-Streifen lateral begrenzt, zum anderen ändert sich der mittlere Stufenabstand innerhalb der Cu-Streifen. Die hierbei gewonnenen Ergebnisse können im Vergleich mit den Ergebnissen diskutiert werden, die an den sauberen vizinalen Oberflächen gewonnen wurden. Mit größer werdender Bedeckung bildet sich ein neuer Zustand, dessen Ursprung in den Ag-Streifen liegt. Die beiden Zustände können in ihrer energetischen Lage und in ihrem Dispersionsverhalten unterschieden werden.