Relatively little is known about the folding and stability of membrane proteins. Conventional thermal or chemical unfolding techniques probe the average behavior of large numbers of molecules and thus cannot resolve co-existing minor and major unfolding pathways and intermediates. Here, I applied single-molecule force measurements based on an atomic force microscope (AFM) to characterize the stability of the membrane protein bacteriorhodopsin (BR). In these mechanical unfolding experiments, an external pulling force played the role of the denaturant and lead to unfolding of the three-dimensional structure of individual proteins. It was found that single BRs unfold step-wise in a well-defined sequence of stable intermediates and in different unfolding pathways. Although single [alpha]-helices were sufficiently stable to unfold in individual steps they also exhibited certain probabilities to unfold in pairs. These observations support the "two-stage" and the "helical-hairpin" model of membrane protein folding. Dynamic force measurements showed that [alpha]-helices and helical hairpins are relatively rigid structures, which are stabilized by narrow energy barriers and have stabilities between 100-10?000 seconds. These forced unfolding experiments were complemented with the development of new force measurement techniques. It is demonstrated that hydrodynamic effects need to be considered to obtain more complete kinetic pictures of single molecules. In addition, two force spectroscopy approaches to measure the complex visco-elastic response of single molecules are presented and applied to BR. These experiments revealed that the unfolding patterns of single proteins are dominated by purely elastic polypeptide extension and determined the dissipative interactions associated with the unfolding of single [alpha]-helices. In addition, it was found that kinks result in a reduced unfolding cooperativity of [alpha]-helices.

Ziel der Diplomarbeit ist es, eine Dispersion aus Monomer und Silika-Partikeln auf ein festes Substrat aufzutragen, die so erhaltenen Versuchsträger mit dem Monomer/Partikel-Film (Modell Monomer/Partikel/festes Substrat) anschließend mit dem Rasterkraftmikroskop abzubilden und anschließend hinsichtlich der Oberflächenkrümmung und dem Kontaktwinkel zu untersuchen. Durch die Kontaktwinkelmessung am Dreiphasenpunkt soll eine erste Charakterisierung der kapillaren Oberfläche erfolgen, die jedoch nur ein Teilschritt bis zur vollständigen Optimierung von durch partikel-assistierte Benetzung hergestellte poröse Membranen ist.

Die selbständige, gerichtete Bewegung von biologischen Zellen ist eine der grundlegendsten und komplexesten Erscheinungen der Natur. In höher entwickelten Lebewesen spielt die Zellbewegung eine wichtige Rolle, z.B. bei der Entwicklung des Organismus, bei der Funktion des Immunsystems aber auch bei der Metastase von Krebszellen. Die physikalischen Prozesse die dieser Fähigkeit zugrunde liegen, sind im Fokus dieser Arbeit. Um besser zu verstehen welche Prozesse im Einzelnen und in welcher Kombination den Zellen erlauben sich gerichtet fortzubewegen, wurde in der vorliegenden Arbeit ein representatives Modellsystem von motilen Zellen untersucht. Fischkeratozyten bewegen sich in vitro regelmäßig und gleichförmig, relativ schnell über die Substratfläche, und stellen aus physikalischer Sicht eine optimierte, sich selbständig bewegende Polymermaschine dar. Um Kräfte in der Bewegungsebene der Zellen zu untersuchen, wurde in der vorliegenden Arbeit eine neuartige, auf dem Rasterkraftmikroskop (RKM) basierende Methode entwickelt. Zusätzlich wurden hochaufgelöste, mit dem Phasenkontrastmikroskop aufgenommene Bilderserien analysiert und die Geschwindigkeitsverteilung in der Zelle durch Korrelationsalgorithmen bestimmt. Die Struktur des Polymernetzwerkes wurde in mit Fluoreszenzfarbstoff markierten Zellen untersucht, und elastische Eigenschaften wurden mit rheologischen RKM-Messungen bestimmt. Traktionskraftmessungen an elastischen Substraten runden das umfassende Bild ab. Durch Veränderung der molekularen Strukturen mit verschiedenen Chemikalien, die unterschiedliche Prozesse im Gesamtsystem stören, konnte nun ein Phasenraum der Kraftgenerierungsprozesse untersucht und unterschiedliche Effekte verschiedenen Prozessen eindeutig zugeordnet werden. Es wurde somit erstmalig experimentell bewiesen, dass die Polymerisation von Aktin die treibende Kraft am vorderen Rand der Zelle ist. Darüber hinaus wurde das Verhalten des Kraftaufbaus mit einem Model beschrieben, das Aufschluss über die Funktionsweise der darunterliegenden Aktinpolymerstrukturens gibt. Desweiteren wurde in der Mitte der Zelle, zwischen vorderem Rand und Zellkörper, erstmalig eine rückwärtsgerichtete Kraft gemessen, die wichtig ist um ein Kräftegleichgewicht zu erstellen. Ein Model das auf entropischen Kräften im Polymersystem basiert, beschreibt diese kontraktilen Kräfte und ordnet sie der Depolymerisation von Aktin zu. Die Bewegung des Zellkörpers wiederum basiert auf dem Zusammenspiel dieser beiden Mechanismen, sowie der Kontraktion von Aktin und Aktinbündeln durch molekulare Motoren. Eine umfassendes Charakterisierung über verschiedene lokale Mechanismen und ihrer Wechselwirkungen konnte somit erstellt werden, und damit das Verständnis der Kraftgenerierung zur Zellbewegung vertieft.

Die Anwendung des Verfahrens der inversen Parameteridentifikation auf die Nanoindentation mit einer neuen Materialklasse (amorphe Legierungen) ist Hauptgegenstand der vorliegenden Arbeit. Um die Methode auf ihre Zuverlässigkeit hin zu überprüfen, werden darüber hinaus die drei Härtevergleichsplatten HV240, HV400 und HV720 sowie das oxidische Glas BK7, deren Nanoindentationsmessungen von Dipl.-Ing. André Clausner schon zu einem früheren Zeitpunkt vorgenommen wurden, zur Berechnung herangezogen. Die Auswahl der Materialien erfolgte so, dass diese einen möglichst großen Bereich von Y abdecken, von BK7 bis hin zu HV240. Damit soll gezeigt werden, dass das Verfahren der inversen Parameteridentifikation für einen großen Bereich von natürlich vorkommenden Materialien genutzt werden kann. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Bestimmung des Fließverhaltens, das durch die Parameter Fließgrenze1 Y und Verfestigungsexponent n erfolgt. Ziel ist es, in Zukunft auf weitere Experimente, die bisher zur Bestimmung der mechanischen Materialeigenschaften genutzt wurden und häufig zur Zerstörung der Proben führten, verzichten zu können. Für viele Gläser, z.B. BK7, sind derartige zerstörende Versuche nicht anwendbar, weil spröde Materialien splittern statt plastisch zu fließen. Dieser Arbeit liegt die Methode der Finiten-Elemente zugrunde, um eine inverse Parameteridentifikation zu realisieren. Sie wird hier eingesetzt, weil es sich bei plastischer Verformung um einen nichtlinearen Prozess2 handelt, der analytisch nicht mehr geschlossen gelöst werden kann. Die Simulationssoftware ANSYS R und ein Optimierungsmodul (SPC-OPT) der Fakultät für Maschinenbau dienen zur Berechnung. Bei der Simulation werden dabei ein zweidimensionales Modell und ein realitätsnahes dreidimensionales Modell eingesetzt.

Aim of this student research project was to develop an Aluminium Oxide (Al2O3 ) ALD process from trimethylaluminum (TMA) and Ozone in comparison of two shower head designs. Then studying the detailed characteristics of Al2O3 ALD process using various measurement techniques such as Spectroscopic Ellipsometry (SE), x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), atomic force microscopy (AFM). The real-time ALD growth was studied by in-situ SE. In-situ SE is very promising technique that allows the time-continuous as well as time-discrete measurement of the actual growth over an ALD process time. The following ALD process parameters were varied and their inter-dependencies were studied in detail: exposure times of precursor and co-reactant as well as Argon purge times, the deposition temperature, total process pressure, flow dynamics of two different shower head designs. The effect of varying these ALD process parameters was studied by looking upon ALD cycle attributes. Various ALD cycle attributes are: TMA molecule adsorption (Mads ), Ligand removal (Lrem ), growth kinetics (KO3 ) and growth per cycle (GPC).

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Verbesserung von Rastersondenmikroskopen durch den Anschluß eines Signalpfades für hochfrequente Wechselfelder (ca. 1 GHz). Dabei entstanden sowohl ein Hochfrequenzrastertunnelmikroskop (HF-STM), als auch ein Hochfrequenzkapazitätsmikroskop (HF-SCM). Das gemeinsame Funktionsprinzip dieser Mikroskope besteht in der Nutzung der Nahfeldwechselwirkungszone als Mischer für die hochfrequenten Signale. Dabei entstehen aus den Eingangssignalen neue Signale anderer Frequenz, die verstärkt und detektiert werden. Beim HF-STM werden diese Signale durch die Nichtlinearität der statischen Strom-Spannungskennlinie des Tunnelsüberganges hervorgerufen. Hieraus ergeben sich zwei neue Nutzungsmöglichkeiten im Vergleich zum herkömmlichen STM: Erstens lassen sich durch Vergleich mit den gleichzeitig aufgenommenen topographischen Bildern elektronische von topographischen Gegebenheiten unterscheiden. Zweitens ist ein Betrieb des HF-STM's auf leitenden Oberflächen möglich, zu denen jedoch keine leitende Verbindung besteht, wie beispielsweise Metallinseln auf einem Nichtleiter-geträgerten Katalysator. Im Falle des HF-SCMs konnte gezeigt werden, daß die detektierten Signale durch die Nichtlinearität der Kapazitäts-Spannungskennlinie des von Spitze und Substrat gebildeten MOS-Kondensators entstehen. Das Mikroskop läßt sich verwenden, um Schwankungen der Oxidschichtdicke oder laterale Dotierprofile in Halbleiterstrukturen abzubilden. Gegenüber dem herkömmlichen SCM bietet die Methode den Vorteil der freien Wahl der Arbeitsfrequenz, wodurch zusätzlich frequenzabhängige Messungen möglich werden. / This work concerns the developement and improvement of scanning probe microscopes by connecting a high frequency signal path (approx. 1 GHz) to the tip of the microscope. This allowed the construction of both, a high frequency scanning tunneling microscope (HF-STM) as well as a high frequency scanning capacity microscope (HF-SCM). The common priciple of the microscopes is the use of the nearfield zone as a mixing device for the high frequency signals. From the input signals new signals at other frequencies are generated, amplified and detected. In case of the HF-STM these signals are caused by the nonlinear current-voltage characteristics of the tunneling junction. The principle permits two new applications: First the comparison between conventional STM-pictures with the newly generated pictures of the same area allows to differantiate between topographic and electronic features of the surface. Second, the new method allows the imaging of conducting surfaces, even if there is no direct conducting conection. An example would be the imaging of metal clusters embedded in a nonconducting surface. In case of the HF-SCM it could be demonstrated that the detected signals are caused by the the nonlinear capacity-voltage dependence of the MOS-capacitor, formed by the substrate and the conducting tip. The microscope can be used to image changes of the oxide layer thicknes or lateral doping profiles in semicoductor devices. In comparison with the conventional SCM the new device is not restricted to one frequency and can therefore be used to carry out frequency-dependent measurements.

Adhesion between different objects is happening everywhere. Without it, simple procedures like walking or holding something in a hand or attaching a postage stamp would be impossible. The life itself depends on adhesion on all levels, starting from the interactions between the living cells. Adhesion between two substrates is a complex phenomenon, which at present is still not well understood. There are several factors determining the strength of adhesion: (i) molecular interactions at interface, (ii) mechanical properties of adhesive, and (iii) area of contact between adhesive and probing surface. Two surfaces are tacky when they possess the right balance between these factors. Controlling the adhesion of materials is important in many fields ranging from industrial purposes to biomedical applications and everyday usage. There is a demand for “smart” materials with integrated functionalities that make them responsive, switchable, biocompatible, anti-bacterial, more energy efficient, or autonomous. In particular, materials for such cutting-edge applications like cell culture, drug delivery, tissue engineering, biosensors, anti/biofouling, microfluidics, climbing robots, sport equipment and many others require adjustable/tuneable adhesive properties. Many efforts were directed towards fabrication of materials with either weak or strong adhesion depending on the field of application. However, design of “smart” surfaces with reversibly switchable/controllable adhesion is still a highly challenging task. Therefore, the thesis aims on design of smart polymeric materials with responsive / adaptive adhesion properties. For this, fabrication and investigation of two types of switchable polymer layers based on stimuli-responsive polymer brushes will be performed. The first group is dealing with thermoresponsive polymer brushes: poly-(N-isopropylacrylamide) and two types of biocompatible polyethylene glycol-based systems. These polymer layers undergo phase transition below and above LCST between hydrophilic and hydrophobic states. The second part of the work is related to solvent-responsive comb-like and block copolymer brushes consisted of hydrophilic PEG and hydrophobic PDMS biocompatible and biodegradable polymers.

Ziel der Diplomarbeit ist es, eine Dispersion aus Monomer und Silika-Partikeln auf ein festes Substrat aufzutragen, die so erhaltenen Versuchsträger mit dem Monomer/Partikel-Film (Modell Monomer/Partikel/festes Substrat) anschließend mit dem Rasterkraftmikroskop abzubilden und anschließend hinsichtlich der Oberflächenkrümmung und dem Kontaktwinkel zu untersuchen. Durch die Kontaktwinkelmessung am Dreiphasenpunkt soll eine erste Charakterisierung der kapillaren Oberfläche erfolgen, die jedoch nur ein Teilschritt bis zur vollständigen Optimierung von durch partikel-assistierte Benetzung hergestellte poröse Membranen ist.

Nanofibres are found in a broad variety of hierarchical biological systems as fundamental structural units, and nanofibrillar components are playing an increasing role in the development of advanced functional materials. Accurate determination of the mechanical properties of single nanofibres is thus of great interest, yet measurement of these properties is challenging due to the intricate specimen handling and the exceptional force and deformation resolution that is required. The atomic force microscope (AFM) has emerged as an effective, reliable tool in the investigation of nanofibrillar mechanics, with the three most popular approaches—AFM-based tensile testing, three-point deformation testing, and nanoindentation—proving preferable to conventional tensile testing in many (but not all) cases. Here, we review the capabilities and limitations of each of these methods and give a comprehensive overview of the recent advances in this field.

Ziel dieser Arbeit war es die Spitze-Probe-Wechselwirkung polymerer Materialien tiefenaufgelöst zu bestimmen. Dazu wurde die tiefenaufgelöste Rasterkraftmikroskopie an polystyrol-gepfropften Graphenoxidlagen angewendet. Die gepfropften Polymere wurden gezielt während der Messung Chloroformdampf ausgesetzt. Dies bewirkte ein selektives Quellen und ein Erweichen der Polystyrolhülle. Damit war es möglich die eingebetteten Graphenoxidlagen tiefenaufgelöst abzubilden. Kapillare und repulsive Kräfte konnten in den Tiefenprofilen unterschieden werden. Durch die akkurate Höhenmessung der polystyrol-gepfropften Graphenoxidlagen konnte der Quellgrad bestimmt werden. Der Quellgrad und die Dicke der Polystyrolhülle lassen Rückschlüsse auf die Kettenkonformation zu. Ein Ergebnis ist, dass die Polystyrolketten bürstenförmig an die Graphenoxidlage gepfropft sind. Die Bestimmung der wahren Oberfläche in der Anwesenheit starker kapillarer Kräfte ist bei weichen polymeren Materialien herausfordernd. Die beste Näherung ist der Beginn der attraktiven Wechselwirkungen. Als Modellsystem eines flüssigen, nanoskaligen Objektes dienten in Chlorofomdampf gequollene Polystyroltropfen. Die Spitze-Probe-Wechselwirkung wurde mit verschiedenen kraftspektroskopischen Methoden charakterisiert. Eine Methode wurde entwickelt, um aus Kraft-Abstands-Kurven dreidimensionale Tiefenprofile der Spitze-Probe-Wechselwirkung zu rekonstruieren. Diese Profile geben Aufschluss über die transiente Deformation des Tropfens. Weiterhin wurde die intrinsische Relaxationszeit der gequollenen Polystyroltropfen mit einem step-strain-Experiment bestimmt. Diese Zeitkonstante ist im Bereich von 7–43 ms und erklärt die Unterschiede in der Wechselwirkung zwischen dynamischen und statischen Kraft-Spektroskopie-Kurven.