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Poröse Polymermembranen spielen in der Industrie und Forschung als Filtrationsmedien eine bedeutende Rolle. Eine besondere Form dieser Membranen sind die sogenannten Mikrosiebe, die sich im Vergleich zu herkömmlichen Filtermedien durch eine Membrandicke kleiner als der Durchmesser der Poren, eine enge Porengrößenverteilung und eine hohe Porendichte auszeichnen. Dies führt zu einer hohen Selektivität und Permeabilität dieser Mikrosiebe. Aufgrund der geringen Membrandicke sind sie jedoch, beispielsweise beim Einsatz als Filtermedien, sehr empfindlich gegenüber mechanischer Belastung und benötigen üblicherweise eine zusätzliche (externe) Stützstruktur. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung mikrosiebartiger Polymermembranen, bei denen die Darstellung der späteren Trennschicht und Stützstruktur in einem Prozess erfolgt – den hierarchisch strukturierten porösen Membranen. Es werden zwei neue Verfahren zur Darstellung dieser Membranen vorgestellt. Im ersten Verfahren wird das Prinzip der partikel-assistierten Benetzung mit den sogenannten Kondensationsmustern (Breath Figures Patterns), im zweiten Verfahren mit der Tintenstrahltechnik kombiniert. In beiden Fällen enthalten die resultierenden Polymermembranen die gewünschte hierarchische Porenstruktur, d. h. sie weisen eine Trennschicht mit submikrometergroßen Poren auf der einen Seite und eine Stützstruktur mit größeren, mikrometergroßen Poren auf der anderen Seite auf. Um die Membranen, welche durch Kombination der partikel-assistierten Benetzung mit den Kon-densationsmustern hergestellt werden, für einen möglichen Einsatz als Filtrationsmedium zu charakterisieren, werden Untersuchungen bezüglich des Permeatflusses und der Permeabilität sowie zum Rückhaltevermögen durchgeführt.:Inhaltsverzeichnis iii Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen und Symbole vi Abkürzungen vi Symbole ix 1 Einleitung und Motivation der Arbeit 1 2 Verfahren zur Herstellung hierarchisch strukturierter Membranen durch Kombination von Kondensationsmustern mit dem Prinzip der partikel-assistierten Benetzung 10 2.1 Einleitung 10 2.2 Ergebnisse 15 2.3 Zusammenfassung 24 2.4 Experimenteller Teil 25 2.4.1 Synthese der Siliziumdioxid-Partikel 25 2.4.2 Membranherstellung 26 2.4.2.1 Herstellung der Partikel-Polymer-Dispersionen 26 2.4.2.2 Herstellung der Membranen 28 2.4.3 Rasterelektronenmikroskopische Untersuchung 29 2.4.4 Verwendete Chemikalien 30 2.4.4.1 Herstellung der Siliziumdioxid-Partikel nach Stöber 30 2.4.4.2 Herstellung der Membranen 30 3 Untersuchung der Filtrationseigenschaften der hierarchisch strukturierten porösen Membranen 31 3.1 Einleitung 31 3.1.1 Filtration 31 3.1.2 Ultrafiltration und Mikrofiltration - Prozessführung 36 3.1.2.1 Dead-End-Filtration 37 3.1.2.2 Querstrom-Filtration 40 3.1.3 Membranfouling 41 3.1.4 Mikrofiltration mit Mikrosieben 42 3.2 Ergebnisse 45 3.2.1 Bestimmung der Porosität 46 3.2.2 Bestimmung der Leistungsfähigkeit der hierarchisch strukturierten Membranen 49 3.2.3 Bestimmung des Rückhaltevermögens der hierarchisch strukturierten Membranen 56 3.2.3.1 Filtration von Hefezellen 56 3.2.3.2 Filtration von Rhodamin B markierten Melamin-Partikeln 58 3.3 Zusammenfassung 60 3.4 Experimenteller Teil 62 3.4.1 Herstellung poröser Membranen für Filtrationsversuche 62 3.4.2 Permeatfluss- und Permeabilitätsmessungen 62 3.4.3 Filtrationsmessungen 63 3.4.3.1 Filtration von Hefezellen 63 3.4.3.2 Filtration von Rhodamin B markierten Melamin-Partikeln 64 3.4.4 Rasterelektronenmikroskopische Untersuchung 64 3.4.5 Verwendete Chemikalien 65 3.4.5.1 Herstellung der Membranen 65 3.4.5.2 Permeatfluss- und Permeabilitätsmessungen 65 3.4.5.3 Filtrationsmessungen 66 3.5 Anhang 67 3.5.1 Anhang 3.1 - Ergebnisse der Porositätsbestimmung 67 3.5.2 Anhang 3.2 - Ergebnisse der Bestimmung der Permeatflüsse und Permeabilitäten 78 3.5.3 Anhang 3.3 - Ergebnisse der Filtrationsmessungen 83 4 Herstellung poröser Membranen mittels Inkjet-Technologie 86 4.1 Einleitung 87 4.1.1 Inkjet-Technologie (Tintenstrahltechnik) 87 4.1.2 Ober- und Grenzflächenthermodynamik 91 4.1.3 Herstellung poröser Membranen mit Hilfe der Inkjet-Technologie 96 4.2 Ergebnisse 97 4.2.1 Druckprozess 98 4.2.2 Membranherstellungsprozess 104 4.2.2.1 Membranherstellung mittels Filmziehrahmen 105 4.2.2.2 Membranherstellung mittels Ringmethode 107 4.2.2.3 Vergleich zwischen theoretischem und experimentell ermitteltem Porendurchmesser 110 4.2.2.4 Porosität 116 4.3 Zusammenfassung 118 4.4 Experimenteller Teil 119 4.4.1 Herstellen der Substrate 119 4.4.2 Druckprozess 119 4.4.2.1 Herstellung der Tinte und Befüllen der Patrone 120 4.4.2.2 Einstellung des Druckers 120 4.4.3 Membranherstellung 121 4.4.3.1 Herstellung der Polymerlösungen 121 4.4.3.2 Herstellung und Aufarbeitung der Membranen 122 4.4.4 Rasterelektronenmikroskopische Untersuchung 123 4.4.5 Verwendete Chemikalien 124 4.4.5.1 Herstellung der Substrate 124 4.4.5.2 Druckprozess 124 4.4.5.3 Membranherstellung 124 4.5 Anhang 125 5 Verfahren zur Herstellung hierarchisch strukturierter Membranen durch Kombination der Inkjet-Technologie mit dem Prinzip der partikel-assistierten Benetzung 127 5.1 Einleitung 128 5.1.1 Dünne Polymerfilme 128 5.1.2 Dynamik des Verdunstungsprozesses 129 5.2 Ergebnisse 132 5.2.1 Einfluss der Partikel auf die Membranherstellung 134 5.2.2 Einfluss der Oberflächenfunktionalisierung der Partikel und des Partikel : Polymer-Verhältnisses 137 5.2.3 Einfluss des Lösungsmittels 144 5.2.3.1 Membranherstellung mit einem Lösungsmittelgemisch aus Chloroform und 1-Dekalin 146 5.2.3.2 Membranherstellung mit einem Lösungsmittelgemisch aus Chloroform und 3-Pentanon 148 5.2.3.3 Porosität 153 5.3 Zusammenfassung 155 5.4 Experimenteller Teil 158 5.4.1 Herstellung der Substrate 158 5.4.2 Druckprozess 158 5.4.2.1 Herstellung der Tinte und Befüllen der Patrone 159 5.4.2.2 Einstellung des Druckers 159 5.4.3 Membranherstellung 160 5.4.3.1 Herstellung der Siliziumdioxid-Partikel 160 5.4.3.2 Herstellung der Partikel-Polymer-Dispersion 162 5.4.3.3 Herstellung und Aufarbeitung der Membranen 164 5.4.4 Rasterelektronenmikroskopische Untersuchung 164 5.4.5 Verwendete Chemikalien 166 5.4.5.1 Synthese der Siliziumdioxid-Partikel 166 5.4.5.2 Herstellung der Substrate 167 5.4.5.3 Druckprozess 167 5.4.5.4 Membranherstellung 167 6 Zusammenfassung 168 7 Literatur 172 Abbildungsverzeichnis 180 Tabellenverzeichnis 184 Selbständigkeitserklärung 185 Circum Vitae 186 8 Literatur 191

In dieser Arbeit wird gezeigt, wie Mikrosiebe über das Float Casting Verfahren hergestellt und durch Ink Jet Druck stabilisiert werden. Dazu wurde ein Verfahren entwickelt, das es erlaubt Mikrosiebe großflächig auf einem Langmuirtrog herzustellen und noch schwimmend auf der Wasseroberfläche zu bedrucken, so dass stabilisierte Mikrosiebe von der Wasseroberfläche abgehoben werden können. Zur Herstellung der Mikrosiebe wird das Prinzip der Partikel-assistierten Benetzung verwendet, bei dem eine Dispersion aus Silikapartikeln, Monomer und Initiator auf einer Wasseroberfläche gespreitet wird. Die Partikel ordnen sich dabei von selbst in einer hexagonal dichtesten Packung an und dienen sowohl als Spreithilfe als auch als Porenbildner. Nach dem Entfernen der Partikel entsteht ein poröses Mikrosieb mit einheitlichen, dicht gepackten Poren. Durch das Aufdrucken einer Wabenstruktur als Stützstruktur wird eine ausreichende Stabilisierung erreicht, so dass die Siebe in Filtrationsversuchen eingesetzt werden können. Das entstehende Gefüge, bestehend aus einem Mikrosieb mit einer Dicke im Nanometerbereich wird von einer Stützstruktur, welche eine Dicke im Mikrometerbereich besitzt, stabilisiert. Außerdem wird gezeigt, wie eine Wasseroberfläche Schritt für Schritt modifiziert wird, so dass es möglich ist grazile Strukturen auf eine Wasseroberfläche zu drucken. Diese Strukturen können anschließend von der Wasseroberfläche abgehoben werden und stehen nach dem Trocknen als freistehende Strukturen zur Verfügung.

Systems of interacting colloidal particles are ideal tools for studies of pattern formation and collective non-equilibrium dynamics on the mesoscopic scale. These processes are governed by the interaction between the particles, which can be tuned by sophisticated fabrication. In this thesis, self-assembly of artificially designed magnetic spheres dispersed in water has been studied via video microscopy. The particles are based on silica microspheres with hemispherical ferromagnetic coating of [Co/Pd] multilayers with perpendicular magnetic anisotropy. These particles are exceptional in that they exhibit an off-centered net magnetic moment and yet obey rotational and mirror symmetry. It has been demonstrated how these magnetic properties provide innovative flexibility in pattern formation and collective dynamics based on magnetostatic interactions on the mesoscopic scale. The results are supported by analytical and numerical calculations of interacting spheres with radially shifted point dipoles (sd-particles). In two dimensions, the particles spontaneously self-assemble into branched structures as a result of a bistable assembly behavior where neighboring particles exhibit a non-collinear magnetic orientation. It has been shown that these features, which are atypical for homogeneous systems of magnetic particles, can be reproduced by simulation. It employs a theoretical model of a sphere that contains a distribution of three radially shifted point dipoles in analogy to the magnetization distribution in the coated particles. The stability of the assembly has been examined further by external manipulation using optical tweezers and homogeneous magnetic fields. A rich variety of stable structures with diverse spatial and magnetic ordering has been found. Particularly, the collective alignment of the specially designed particles in external fields opens completely new possibilities for the remote control over reversible pattern formation on the micrometer scale. In time-dependent fields, the collective dynamics of the anisotropic particles has revealed a novel approach for magnetically actuated translation. The variety of stable structures particularly enables control over this motion. / Kolloidale Suspensionen sind geeignete Systeme zur Untersuchung von Strukturbildung und kollektiver Nichtgleichgewichtsdynamik in mesoskopischen Größenskalen. Diese Vorgänge werden durch die Wechselwirkung zwischen den Teilchen bestimmt, welche durch geeignete Partikelherstellung angepasst werden kann. In der vorliegenden Arbeit wird ein System von künstlich hergestellten magnetischen Partikelsuspensionen mittels Videomikroskopie untersucht. Quarzglas-Mikrokugeln wurden halbseitig mit einer ferromagnetischen Dünnschicht aus [Co/Pd] Multilagen mit senkrechter Anisotropie beschichtet. Solche Partikel sind ausgezeichnet durch ein resultierendes magnetisches Moment mit Rotations- und Spiegelsymmterie, welches zusätzlich vom Mittelpunkt der Kugel verschoben ist. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass diese Besonderheit zu einer bisher unbekannten Flexibilität bei der mesoskopischen Strukturbildung und der kollektiven Dynamik auf der Basis magnetostatischer Wechselwirkung führt. Die vorgestellten Ergebnisse werden durch analytische und numerische Berechnungen unterstützt, denen ein Modell einer idealen Kugel mit verschobenem Dipol zugrunde liegt. Die zweidimensionale Selbstanordnung der Partikel zeigt experimentell zwei stabile Formen der Verknüpfung, welche zu verzweigten Strukturen mit unterschiedlich magnetischer Ausrichtung benachbarter Partikel führen. Diese für ein homogenenes System magnetischer Partikel außergewöhnlichen Eigenschaften konnten in Simulationen durch ein Modellsystem aus Kugeln mit drei verschobenen Punktdipolen reproduziert werden. Darüber hinaus wurde die spontante Anordnung unter externer Manipulation mittels optischer Pinzette und magnetischen Feldern untersucht. Es konnte eine Vielfalt an stabilen Strukturen mit verschiedenen magnetischen und strukturellen Anordnungen gefunden werden. Insbesondere die kollektive Ausrichtung dieser Partikel in externen Feldern eröffnet neuartige Möglichkeiten, kontrolliert und reversibel Mikrostrukturen zu erzeugen. In zeitabhängigen Feldern zeigen die anisotropen Partikel zusätzlich eine kollektive Dynamik welche eine neue Möglichkeit zum magnetischen Antrieb von Partikelagglomeraten eröffnet. Die Vielfalt der möglichen stabilen Strukturen erlaubt es in besonderer Weise diese Bewegung zu steuern.

Die eingereichte Arbeit ist ein Beitrag, um das Verständnis der Filtration von metallischen Schmelzen für hochwertige Gussprodukte zu erhöhen. Anhand theoretischer und experimenteller Betrachtungen wird besonders die Benetzung zwischen der kontinuierlichen und der dispersen Phase als Einflussfaktor auf Tiefenfiltrationsprozesse untersucht. Rasterkraftmikroskopische Messungen verdeutlichen die Bedeutung der Benetzung auf die Adhäsionsenergie zwischen zwei Feststoffoberflächen. Durch ein entwickeltes Modellsystem konnte bewiesen werden, dass mit steigendem Kontaktwinkel zwischen disperser und kontinuierlicher Phase die Filtrationseffizienz signifikant ansteigt. Aufgrund der wirkenden Haftmechanismen im getesteten Benetzungssystem können sich dendritische Abscheidestrukturen ausbilden, die zur Redispergierung neigen. Ergänzt um eine numerische Simulation am Einzelkollektor, konnte ein Abscheidemodell entwickelt werden. Dieses berücksichtigt erstmals reale Haftenergieverteilungen, simulierte Aufprallenergieverteilungen und die hydrodynamische Hemmung als relevante Parameter für die Tiefenfiltration.

Morphogens of the Wnt and Hedgehog families are secreted signaling molecules that coordinate growth and patterning of many different tissues. Both, Wingless and Hedgehog spread across long distances in developing wing of Drosophila melanogaster. However, both proteins are covalently modified with lipid moieties. The mechanisms that allow long-range movement of such hydrophobic molecules are unclear. Like Wingles and Hedgehog, glycosylphosphatidylinositol (gpi)-linked proteins also transfer between cells with their lipid anchor intact. It has been speculated that gpi-linked proteins and lipid-linked morphogens travel together on a membranous particle, which was termed an argosome. As yet however, no functional link between argosome production and dispersal of lipid-linked proteins has been established. The topic of this thesis is to understand the cell biological nature of the argosome and thus contribute to understanding of morphogen gradient formation. To address the question of argosome biosynthesis, at least two models have been proposed. One possibility is that argosomes are membranous exovesicles with a complete membrane bilayer. Alternatively, argosomes might resemble lipoprotein particles that comprise on of a family of apolipoproteins scaffolded around a phospholipid monolayer that surrounds a core of esterified cholesterol and triglyceride. Lipid-modified proteins of the exoplasmic face of the membrane (like GFPgpi, Wingless or Hedgehog) might fit well into the outer phospholipid monolayer of such a particle. Here, I utilize biochemical fractionation to determine the sort of particle that lipid-linked proteins associate with. I show that Wingless, Hedgehog and gpi-linked proteins bind Drosophila lipoprotein particles in vitro, and colocalize with them in wing imaginal discs. Next, I use genetic means to address the functional importance of this association. I demonstrate that reducing Lipophorin levels in Drosophila larvae perturbs long-range but not shor-range Wingless and Hedgehog signaling, and increases the sequestration of Hedgehog by Patched. I propose that Lipophorin particles are vehicles for the long-range movement of lipid-linked morphogens and gpi-linked proteins.

Like all other viruses, a successful egress of functional particles from infected cells is a prerequisite for foamy virus (FV) spread within the host. The budding process of FVs involves steps, which are shared by other retroviruses, such as interaction of the capsid protein with components of cellular vacuolar protein sorting (Vps) machinery via late domains identified in some FV capsid proteins. Additionally, there are features of the FV budding strategy quite unique to the spumaretroviruses. This includes secretion of non-infectious subviral particles and a strict dependence on capsid-glycoprotein interaction for release of infectious virions from the cells. Virus-like particle release is not possible since FV capsid proteins lack a membrane-targeting signal. It is noteworthy that in experimental systems, the important capsid-glycoprotein interaction could be bypassed by fusing heterologous membrane-targeting signals to the capsid protein, thus enabling glycoprotein-independent egress. Aside from that, other systems have been developed to enable envelopment of FV capsids by heterologous Env proteins. In this review article, we will summarize the current knowledge on FV budding, the viral components and their domains involved as well as alternative and artificial ways to promote budding of FV particle structures, a feature important for alteration of target tissue tropism of FV-based gene transfer systems.

This thesis presents a numerical method for the phase-resolving simulation of rigid particles and deformable bubbles in viscous, magnetohydrodynamic flows. The presented approach features solid robustness and high numerical efficiency. The implementation is three-dimensional and fully parallel suiting the needs of modern high-performance computing. In addition to the steps towards magnetohydrodynamics, the thesis covers method development with respect to the immersed boundary method which can be summarized in simple words by From rigid spherical particles to deformable bubbles. The development comprises the extension of an existing immersed boundary method to non-spherical particles and very low particle-to-fluid density ratios. A detailed study is dedicated to the complex interaction of particle shape, wake and particle dynamics. Furthermore, the representation of deformable bubble shapes, i.e. the coupling of the bubble shape to the fluid loads, is accounted for. The topic of bubble interaction is surveyed including bubble collision and coalescence and a new coalescence model is introduced. The thesis contains applications of the method to simulations of the rise of a single bubble and a bubble chain in liquid metal with and without magnetic field highlighting the major effects of the field on the bubble dynamics and the flow field. The effect of bubble coalescence is quantified for two closely adjacent bubble chains. A framework for large-scale simulations with many bubbles is provided to study complex multiphase phenomena like bubble-turbulence interaction in an efficient manner.

Die Anforderungen, in vielen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus immer mehr Leichtbaumaßnahmen zu realisieren, steigen ständig weiter an. Die Umsetzung von Leichtbaukonzepten wird durch den Einsatz neu entwickelter Werkstoffe und Werkstoffsubstitution realisiert. Es steht fest, dass die herkömmlichen Technologien eine weitere Steigerung der Leichtbaupotentiale nicht mehr gewährleisten können. In der vorliegenden Arbeit wurden neue innovative Fertigungstechnologien zur Herstellung von hohlen, MMC und damit massereduzierten Bauteilen entwickelt, die in der Kraftfahrzeugtechnik, Wärmetechnik und Medizin sowie im Maschinenbau Anwendung finden können. Die neuen Gießverfahren beinhalten Fertigungsmethoden auf der Basis des bekannten Niederdruckgießens durch gesteuerte Formfüllung und definierte Abkühlungsbedingungen.

Die Charakterisierung von Dispersionen hat das Ziel, die Zusammensetzung und den Zustand von partikelhaltigen Stoffgemischen zu erfassen. Vor allem der Zustand der dispersen Phase (Partikel), der wiederum von der Größe und der Konzentration der Partikel bestimmt wird, ist in diesem Zusammenhang von besonderer Bedeutung. Neben optischen Verfahren, wie der Laserbeugung oder der Lichtstreuung, ist die Anwendung von akustischen Methoden vor allem dann sinnvoll, wenn die zu untersuchenden dispersen Stoffgemische opak und optische Methoden nur noch eingeschränkt (nach Verdünnung) anwendbar sind. Derartige Dispersionen weisen oftmals eine hohe Partikelkonzentration auf. Die Erfassung und Auswertung von Ultraschallechosignalen aus konzentrierten Dispersionen stellt einen neuartigen Ansatz innerhalb der akustischen Partikelmesstechnik dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden theoretische und experimentelle Untersuchungen zum Ultraschallrückstreuverhalten von konzentrierten Dispersionen im unteren Megahertzbereich durchgeführt. Die messtechnische Erfassung der von der Dispersion reflektierten Schallanteile stellte eine besondere Herausforderung dar. Vor allem bei Partikeln, die klein gegenüber der Wellenlänge des Schalls sind oder einen geringen akustischen Kontrast gegenüber der kontinuierlichen Phase aufweisen, ist ein entsprechend schwaches Echosignal zu erwarten. Im Ergebnis der durchgeführten Untersuchungen zeigt sich eine hohe Sensitivität des akustischen Rückstreuverhaltens gegenüber der Zusammensatzung der Dispersion. Vor allem in konzentrierten Dispersionen kann die Messung direkt, d. h. ohne vorherige Verdünnung durchgeführt werden. Dieser Umstand prädestiniert das entwickelte Messverfahren für den Einsatz innerhalb der prozessnahen Charakterisierung von Partikelsystemen, beispielsweise bei Nasszerkleinerungs- oder Kristallisationsprozessen. Bei derartigen Prozessen ist eine Probenahme und Probenaufbereitung nicht oder nur eingeschränkt möglich.