The majority of bacteria are organized in surface-associated communities, the so called biofilms. Crucial processes that drive the formation of such biofilms are the motility of bacteria on a substrate, enabling cells to reach each others vicinity, and attractive cell-cell-interactions, driving the formation of microcolonies. These colonies, aggregates consisting of thousands of cells, are the precursors of biofilms. In this thesis we investigate the role of cell appendages, called type IV pili, in the substrate motion of bacteria and the formation of bacterial microcolonies. Therefore, we study the bacterial dynamics with the help of experiments and theoretical models. We introduce a novel simulation tool in the tradition of Brownian dynamics simulations. In this computational model, that was developed alongside experimental observations, we study how explicit pili dynamics, pili-substrate and pili–pili interactions drive the cell dynamics. First, we apply our model to investigate how individual cells move on a substrate due to cycles of protrusion and retraction of type IV pili. We show that the characteristic features, in particular persistent motion, can solely originate from collective interactions of pili. Next, we perform experiments to study the coalescence of bacterial microcolonies. With the help of experiments and our computational model, we identify a spatially-dependent gradient of motility of cells within the colony as the origin of a separation of time scale, a feature which is in disagreement with the coalescence dynamics of fluid droplets. Additionally, we show that altering the force generation of pili can cause demixing of cells within bacterial aggregates. Finally, we combine our knowledge of the substrate motion of cells and of the pili-mediated interactions of colonies to identify the main processes (aggregation, fragmentation and cell divisions) that drive assembly of colonies. Starting from experiments, we develop a mathematical model and observe excellent qualitative and quantitative agreement to experimental data of the density of colonies of different sizes. In summary, hand in hand with experiments, we develop theoretical frameworks to unravel the role of type IV pili in bacterial surface motility, microcolony dynamics and colony formation.

A class of novel nickel cobalt oxide hollow nanosponges were synthesized through a sodium borohydride reduction strategy. Due to their porous and hollow nanostructures, and synergetic effects between their components, the optimized nickel cobalt oxide nanosponges exhibited excellent catalytic activity towards oxygen evolution reaction.

Die Herstellung von ultradünnen Germaniumdioxidfilmen auf Metallsubstraten ist erstmals erfolgreich gelungen. Die Filmstruktur konnte mittels oberflächensensitiven Techniken mit atomarer Präzision und chemischer Sensitivität aufgelöst werden. Zur Untersuchung werden STM-Bilder analysiert und durch niederenergetische Elektronenbeugung (LEED), eine dynamischen LEED-Studie und extern ausgeführte Dichtefunktionaltheorieberechnungen (DFT) ergänzt. In dieser Arbeit werden atomar aufgelöste Rastertunnelmikroskopiebilder (STM) von ultradünnen Germaniumdioxid- und Siliziumdioxidfilmen direkt verglichen. Ziel der Analyse ist es, den Einfluss des Metallsubstrats auf die Struktur von Oxidfilmen zu untersuchen. Zu diesem Zweck werden ultradünne Germaniumdioxid-Filme auf Ru(0001), Pt(111) und Au(111) abgeschieden und mit Siliziumdioxid-Filmen auf verschiedenen Substraten verglichen, die in früheren Studien untersucht wurden. Germaniumdioxid und Siliziumdioxid sind eng miteinader verknüpft. Hierbei sind Struktur und chemische Eigenschaften als äquivalent anzusehen. Es wurden drei verschiedene Netzwerkstrukturen aufgeklärt: Monolagen-, Zickzack- und Bilagenfilme. Die einzelnen Bausteine in diesen Filmsystemen bestehen aus verzerrten Tetraedern, in denen ein Germaniumatom von vier Sauerstoffatomen umgeben ist. Benachbarte Tetraeder sind durch Ge-O-Ge-Bindungen miteinander verknüpft und binden im Fall der Monolagenfilme an das darunterliegende Metallsubstrat. In Bilagenfilmen hingegen gibt es keine chemischen Bindungen zum Substrat, wodurch die Filmstruktur flexibler wird. Durch Variation der Herstellungsbedingungen kann man rein kristalline, amorphe oder Phasen mittlerer Ordnung erhalten. Es ist wichtig hervorzuheben, dass der amorphe Germaniumdioxid-Bilagenfilm ein neues amorphes zweidimensionales Material darstellt. / The preparation of metal-supported ultrathin films of germanium dioxide, termed also germania, has been successfully achieved for the first time. The structure of the films is elucidated with atomic precision and chemical sensitivity using surface science techniques. The investigation is performed by analyzing STM images and is complemented by low-energy electron diffraction (LEED) patterns, a dynamical LEED study, and external support from density functional theory (DFT) calculations. In this work, we compare side-by-side atomically-resolved scanning tunneling microscopy (STM) images of ultrathin films of germania and silica. The analysis aims to investigate the impact of the metal support on the structure of oxide films. For that purpose, ultrathin germania films are grown on Ru(0001), Pt(111) and Au(111), and compared with previously reported silica ultrathin films supported on different substrates. Germania has been widely associated with silica since they are considered to be structural and chemical equivalent materials. Three main network structures have been characterized: monolayer, zigzag and bilayer films. In all systems, the building block consists of a distorted tetrahedron with a germanium atom surrounded by four oxygen atoms. Adjacent tetrahedra connect to each other through Ge-O-Ge bonds and, in the case of the monolayer films, they also bind to the metal support. Conversely, in bilayer films there are no chemical bonds to the metal substrate, thus providing more flexibility to the film structure. Through a meticulous control of the preparation conditions one can obtain a purely crystalline phase, an amorphous one, or one with intermediate order. It is important to highlight that the amorphous germania bilayer film represents a new 2-dimensional amorphous material.

In der vorliegenden Arbeit werden die waehrend der reaktiven Vakuumbogenverdampfung ablaufenden Prozesse untersucht und eine modellmaessige Beschreibung des Gesamtprozesses entwickelt. Das Verfahren wird zur Herstellung von duennen Schichten zahlreicher chemischer Verbindungen, insbesondere von Hartstoffschichten auf der Basis der Karbide und Nitride der Uebergangsmetalle, genutzt. Entsprechend wurden in dieser Arbeit als Katodenmaterial Titan, Chrom und Zirkonium eingesetzt, als Reaktivgase Stickstoff und Methan. Zunaechst werden einige Grundlagen der Vakuumbogenverdampfung dargestellt, die fuer die Bearbeitung des Themas wesentlich sind. Anschliessend wird der Aufbau der fuer die Experimente genutzten Beschichtungsapparatur beschrieben. Im Hauptteil der Arbeit wird zuerst auf experimentellem Wege die Materialbilanz der Entladung bei Variation des Reaktivgasdruckes analysiert. Die Generation an Metalldampfplasma wird ueber die Katodenerosionsrate bestimmt, wobei sich beim Betrieb mit Stickstoff als Reaktivgas signifikante Unterschiede in der Druckabhaengigkeit der Katodenerosionsrate µ zwischen Titan bzw. Zirkonium einerseits und Chrom andererseits zeigen. Die Hypothese, dass hier die Ausbildung einer Verbindungsschicht an der Katodenoberflaeche den Erosionsprozess beeinflusst, wurde sowohl durch RBS-Messungen als auch durch Vergleichsexperimente mit einer massiven TiN-Katode bestaetigt. Weitere Auswirkungen derartiger Oberflaechenbedeckungen auf die Dynamik des Katodenbrennfleckes wurden durch Videountersuchungen am Beispiel Ti+N_2 nachgewiesen. Die Konsumtion des Reaktivgases waehrend der Entladung wird anhand der Gasfluss-Druck-Charakteristiken untersucht und das je nach Katodenmaterial unterschiedliche Gettervermoegen diskutiert. Direkte Informationen ueber den Stickstoffeinbau in die Schichten in Abhaengigkeit vom Reaktivgasdruck werden aus RBS-Untersuchungen an entsprechenden Probenserien gewonnen. Analoge Untersuchungen mit Methan als Reaktivgas fuehrten zu prinzipiell aehnlichen Resultaten. Mit den gewonnenen experimentellen Daten als Grundlage wurde ein Modell entwickelt, das die Materialbilanz der Vakuumbogenverdampfung mathematisch beschreibt. Hier wurden, ausgehend von einem fuer das reaktive Magnetronsputtern aufgestellten Modell, die Besonderheiten der stark lokalisierten Metalldampfgeneration bei der Vakuumbogenverdampfung beruecksichtigt. Die erreichte Uebereinstimmung der Modellkurven mit den experimentellen Daten zeigt, dass mit der Modellierung wesentliche Mechanismen bei der reaktiven Vakuumbogenverdampfung richtig erfasst wurden. Aus den Ergebnissen folgt, dass die Erzeugung von reaktionsfaehigen Stickstoffspezies an die Katodenerosion gekoppelt ist: erstens ueber die Erosion nitridbedeckter Oberflaechenbereiche und zweitens ueber die Wechselwirkung des Metalldampfplasmas mit dem Reaktivgas. Diese Wechselwirkungsprozesse werden durch Untersuchungen mit elektrischen Sondenmessungen sowie mittels optischer Emissionsspektroskopie (OES) naeher charakterisiert. Als wesentliches Ergebnis zeigt sich dabei, dass trotz der Unterschiede hinsichtlich des Verhaltens an der Katode bei Ti- bzw. Cr-Entladungen in Stickstoff Anregungs- und Ionisationsgrad des Reaktivgases praktisch gleich sind. Im Zusammenhang damit wird die Rolle von Ladungstransfer- und Anregungsprozessen infolge von Stoessen schneller Ionen mit Molekuelen und Neutralatomen diskutiert.

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Die Zukunft liegt bereits heute schon im Internet der Dinge, Daten, Dienste und Personen. Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) beeinflussen vermehrt die alltäglichen Abläufe, übernehmen im Ernstfall lebenserhaltende Körperfunktionen, unterstützen Arbeits- und Produktionsprozesse und halten Einzug in unsere Wohnbereiche. Dabei rückt der Gedanke einer anwendungsnahen und integrierten Sicht von Software zunehmend in den Vordergrund und verlangt deshalb interdisziplinäre Ansätze. Eine frühzeitige technische Abstimmung zwischen Soft- und Hardware sowie unterschiedlichen technischen Öko-Systemen wird dabei notwendiger und fordert Politik, Wissenschaft und Wirtschaft in gleichem Maße. Das Innovationsforum open4INNOVATION2012 am 9.Mai bot dazu Praktikern und Akademikern eine Plattform für den interdisziplinären und fachbereichsübergreifenden Austausch zu neuen und anwendungsnahen IKT-Ansätzen. Unter dem Motto regional kooperativ, global innovativ galt es dabei regional politische, wirtschaftliche und wissenschaftliche Kompetenzen zu bündeln, um globale Märkte erfolgreich zu bestreiten. In dem vorliegenden Tagungsband finden Sie die Beiträge des Fachforums, welches ein Hauptformat der Veranstaltung darstellte. Zusätzlich kam es auf dem Innovationsforum open4INNOVATION2012 erstmals zur aktiven Vernetzung sächsischer Forschergruppen, deren wissenschaftlicher Schwerpunkt die Robotik ist. Auf diesem ersten sächsischen Robotertreffen stand vor allem die Arbeit mit humanoiden Robotern im Mittelpunkt.

Wood Plastic Composites (WPC) bilden eine inzwischen beträchtlich wachsende Produktgruppe der Naturfaserverbundwerkstoffe. Diese kombinieren vorteilhafte anwendungstechnische Eigenschaften mit vergleichsweise kostengünstiger Verfügbarkeit. Derzeit sucht die europäische WPC-Industrie intensiv nach neuen Anwendungsbereichen, die für diese Werkstoffgruppe geeignet sind. Anwendungen von Spritzgießteilen aus WPC, z.B. in der Automobil- oder Möbelindustrie, könnten die jährliche Produktion enorm erhöhen. Hierfür müssten jedoch auch die Eigenschaften die hohen Erwartungskriterien erfüllen.Eine Vielzahl vorgängiger Arbeiten zeigt starke Abhängigkeit der Eigenschaften der WPC von der Art und der Morphologie der Holzfaser, der Kunststoffmatrix, dem Zuschlag von Additiven und der Folge daraus von den Verarbeitungsparameter. Das Ziel der vorliegenden Arbeit liegt in der Suche nach Zusammenhängen zwischen der systematischen Rezepturvariation, den Eigenschaften des Verbundes und der Verarbeitungsgüte beim Compoundieren und Spritzgießen von WPC. Die Fließeigenschaften werden in Abhängigkeit definierter Rezepturparameter quantitativ erfasst. Systematische Rezepturvariationen zur Wasseraufnahme und zum Einfluss von Additiv-Wachsen werden ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit analysiert. Nicht zuletzt werde untersucht, wie verschiedene Verarbeitungstechnologien (Direktextrusion, Extrusion aus fertigen Compounds und Spritzgießen) die Eigenschaften von WPC mit vergleichbarer Zusammensetzung beeinflussen.

In this work, photocatalytic bismuth vanadate microparticles of different morphologies were investigated as artificial single.component microswimmers. In the first chapter, the motion mechanism as well as influence factors on the motion behavior such as solution pH and solution conductivity, hydrogen peroxide fuel concentration and decomposition kinetics and the surface charge of the particles were studied in detail. Furthermore, fluid flow profiles around the particles were determined. In the following chapter, interactions between the microswimmers were studied and exploited to create active assemblies that can be used to integrate multiple functionalities in one assembly. Eventually, alternative propulsion mechanisms besides hydrogen peroxide fuel decomposition were studied. The presented approaches include the catalysis of an organic oxidation and photoreduction of noble metals onto the particles, which proved to increase their catalytic activity and enabled propulsion of the modified microswimmers in pure water.:Acknowledgments III List of Abbreviations V 1. Introduction 1 2. Fundamentals of Photocatalysis and Active Matter 5 2.1. Photocatalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1. Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.2. Processes in Semiconductor Photocatalysis . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.3. Properties of Bismuth Vanadate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1.4. Photocatalytic H2O2 decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2. Active Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.1. Motion at the Microscale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.2. Mechanisms of Catalytic Active Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2.3. Light-Driven Active Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2.4. Origin of Asymmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3. Aim and Motivation 27 4. Results and Discussion 29 4.1. Microparticle Synthesis und Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.1.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.1.2. Syntheses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.1.3. Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.1.4. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.2. Motion Studies and Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.2.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.2.2. Characterization of Active Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.2.3. Influence of Experimental Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.2.4. Adjustment of Motion Mode by pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.2.5. Flow Fields Around Single Crystalline Microparticles . . . . . . . . . . . 73 4.2.6. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.3. Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.3.2. Interactions Between BiVO4 Microswimmers . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.3.3. Interactions between Spheroidal Microswimmers . . . . . . . . . . . . . 84 4.3.4. Surface Modification of Spheroidal Microswimmers . . . . . . . . . . . . 88 4.3.5. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.4. Towards Alternative Propulsion Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.4.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.4.2. Oxidation of Dibenzylamine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.4.3. Photodeposition of Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.4.4. Towards Propulsion in Pure Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.4.5. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5. Summary and Final Remarks 103 6. Experimental Details 113 6.1. Syntheses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 6.1.1. Microparticle Synthesis and Characterization . . . . . . . . . . . . . . . 113 6.1.2. Motion Studies and Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 6.1.3. Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 6.1.4. Towards Alternative Propulsion Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 6.2. Apparatus and Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 6.2.1. Scanning Electron Microscopy (SEM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 6.2.2. Transmission Electron microscopy (TEM) . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 6.2.3. Nitrogen physisorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.2.4. Gas Chromatography (GC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.2.5. Powder X-ray Crystallography (XRD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.2.6. Absorption Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.2.7. Fluorescence Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.2.8. Zeta Potential Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 6.2.9. Fluorescence Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 6.2.10. Light Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 A. Appendix 123 Bibliography 139 List of Publications 149 Erklärung 151

Die Samenausbreitung ist eine entscheidende Phase im Lebenszyklus von Pflanzen. Verschiedene Mechanismen haben sich entwickelt, um eine erfolgreiche Keimung zukünftiger Generationen sicherzustellen. Diese schließen die Selbstverbreitung von Samen durch hygroskopische Bewegung von Grannen neben der Verbreitung durch Wind, Wasser oder Tiere ein. Das Verständnis der Struktur-Funktions-Beziehung ist sowohl für das Verstehen, wie sich Pflanzen an spezifische Umweltbedingungen anpassen können, als auch für die potenzielle Entwicklung biomimetischer Anwendungen wichtig. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Ausbreitung von Taubem Hafer (Avena sterilis) und zielt darauf ab, die komplexe Bewegung der Grannen zu charakterisieren. Dies wird erreicht, indem die Zellwandstruktur und -zusammensetzung, welche die Bewegung antreiben, mit einer Reihe von komplementären mikroskopischen und spektroskopischen Methoden analysiert werden. / Seed dispersal is a crucial stage in the life cycle of plants. Different mechanisms have evolved to ensure successful germination of future generations. This includes the self-dispersal of seeds by hygroscopic movement of awns among dispersal by wind, water, or animals. Understanding the structure-function relationship is important to comprehend how plants can adapt to specific environmental conditions and also for potential development of biomimetic applications. This thesis focuses on the dispersal of wild oats (Avena sterilis) and aims to characterize the complex movement of the awns by analyzing the cell wall structure and composition that drives the motion with a range of complementary microscopic and spectroscopic methods.

Lumineszenzmessungen und Lumineszenz-Bildgebung spielen in den Biowissenschaften eine wichtige Rolle und ermöglichen den Nachweis und die Detektion von biomolekularen Wechselwirkungen und Analyten, die selbst keine intrinsische Farbe und / oder Lumineszenz aufweisen. Ein vielversprechender Ansatz ist die Verwendung von im Nahinfrarot (NIR) anregbaren, mehrfarbig emittierenden Aufkonversions-Nanokristallen (UCNPs) wie mit Yb3+ und Er3+ dotierten NaYF4-Nanopartikeln. Diese Nanopartikel können als Lumineszenzreporter oder Energiedonoren (Nanolampen) für die Anregung von Analyt-sensitiven Sonden benutzt werden. In dieser Arbeit, die den Aufbau eines selbstreferenzierten UCNP-basierten Sensors für die Ermittlung von pH-Werten als Ziel hatte, wurden beide Sensorkomponenten gezielt ausgewählt, synthetisiert und spektroskopisch charakterisiert. Dies beinhaltete i) UCNPs mit unterschiedlichen Größen, Partikelarchitekturen und Oberflächenfunktionalisierungen oder -beschichtungen und ii) Rosamin-Farbstoffe mit Absorptions- und Emissionseigenschaften, die für die gewünschte Kombination mit UCNPs geeignet sind. Des Weiteren wurde eine umfassende Untersuchung der chemischen Stabilität von unterschiedlich oberflächenfunktionalisierten und beschichteten UCNPs in biologisch relevanten Puffern durchgeführt. Für die schnelle Ermittlung der UCNP-Stabilität wurde eine einfache optische Überwachungsmethode zum Nachweis der Partikeldisintegationentwickelt, die die Abhängigkeit der UC-Lumineszenz und ihrer Lebensdauer von der Partikelgröße und Oberfläche ausnutzt. Im letzten Teil der Doktorarbeit wurden pH-Sensorfilme und Nanosensoren durch die Kombination der optimierten Yb3+, Er3+-co-dotierten UCNPs mit den pH-sensitiven Rosaminfarbstoffen als Energie-Akzeptoren unter Verwendung eines einfachen inneren Filters (Reabsorption) oder eines RET – Sensorkonzept konstruiert. / Luminescence sensing and imaging play an important role in the life sciences, enabling the detection and monitoring of biomolecular interactions and molecular targets that have no intrinsic colour and/or luminescence even in complex biological samples. A very promising approach presents the utilization of near-infrared (NIR) excitable multi-colour emissive upconversion nanocrystals (UCNPs) like NaYF4 nanoparticles doped with Yb3+ and Er3+ as luminescent reporters and as energy donors or “nanolamps” for the excitation of analyte-responsive probes. In this work, aiming at the design of self-referenced UCNP-based sensors for pH, both sensor components were rationally designed, synthesized, and spectroscopically characterized. This included i) UCNPs with different sizes, architectures, and surface chemistries or coatings and ii) rosamine dyes with absorption and emission properties adapted to the UC emission of the NaYF4: Yb3+, Er3+-doped UCNPs. Additionally, an extensive study of the chemical stability of differently surface functionalized and coated UCNPs in biologically relevant buffers was performed. To simplify stability monitoring, an optical monitoring method was developed for the detection of particle disintegration utilizing the size and environment dependence of the UC emission intensity and decay kinetics. Finally, pH sensor films and nanosensors were constructed by combining the initially optimized Yb3+, Er3+ co-doped UCNPs with pH-responsive rosamine dyes acting as energy acceptors utilizing a simple inner filter (reabsorption)- and a RET-based sensor concept.