DNA-Netzwerke können als formgebende Muster (Template) zur Funktionalisierung technischer Oberflächen für die bottom-up Materialsynthese Verwendung finden. Zum Aufbau solcher Netzwerke werden synthetisch hergestellte DNA-Oligonukleotide hybridisiert. Im ersten Teil der Arbeit wird ein Weg beschrieben, wie die zum gezielten Aufbau einer vorgegebenen Struktur notwendigen DNA-Oligonukleotide hergeleitet werden können. Dies geschieht über eine schrittweise Zerlegung der Struktur in Bausteine, welche wiederum in die Oligonukleotide zerlegt werden. Weiterhin werden verschiedene DNA-Strukturen und Netzwerke hergestellt, welche mittels Gelelektrophorese, Atomkraft-, Elektronen- und Fluoreszensmikroskopie charakterisiert werden. Es wird gezeigt, wie die Herstellung von im Fluoreszensmikroskop beobachtbaren DNA-Verzweigungen möglich ist. Die Bildung von röhrenartigen Strukturen, welche sich mit der Zeit in zweidimensionale Netzwerke umlagern, wird anhand eines Modells zu Keimbildung und Keimwachstum erklärt. Für die gezielte Zusammenlagerung einer bestimmten Anzahl von Bausteinen werden mehrere Varianten untersucht. Bei den einzelnen Varianten sind große Unterschiede in der Steifigkeit feststellbar. Es werden Untersuchungen zum Einbau gebogener Abschnitte in DNA-Netzwerke durchgeführt. Dabei wird insbesondere auf Gestaltung der gebogenen Abschnitte zur Vermeidung von Fehlpaarungen eingegangen. Untersuchungen zur Metallisierung von Netzwerken zeigen, dass zur Beibehaltung der Struktur eine erhöhte Stabilität notwendig ist.

This contribution presents a short overview of the state-ofthe-art and prospects of zeolitic molecular sieves as versatile microporous materials for science and technology. Zeolites are crystalline framework aluminosilicates. The regular pore system of the zeolites, with cavities and channels of subnanometre dimensions, as well as the characteristic properties resulting therefrom, predestine them for a broad range of applications as ion exchangers, adsorbents and catalysts in chemical technology. The most recent results of zeolite research prove that the potential of zeolitic molecular sieves is still far from being exhausted, and that various subsections of chemistry, physics, biology, microstructure technology, etc. are directing increasing interest to this substance class. / Der Beitrag gibt einen kurzen Überblick zum Stand und zu Perspektiven zeolithischer Molekularsiebe als vielseitige mikroporöse Materialien für Wissenschaft und Technik. Zeolithe sind kristalline Gerüst- Alumosilicate. Das regelmäßige Porensystem der Zeolithe mit Hohlräumen und Kanälen in Subnanometerdimensionen sowie die daraus resultierenden charakteristischen Eigenschaften prädestinieren sie für einen breiten Einsatz als Ionenaustauscher, Adsorbentien und Katalysatoren in der chemischen Technik. Die neueren Erkenntnisse der Zeolithforschung belegen, dass das Anwendungspotenzial zeolithischer Molekularsiebe noch lange nicht erschöpft ist und dass vielfältige Teilgebiete der Chemie, Physik, Biologie, Mikrostrukturtechnik etc. dieser Substanzklasse zunehmendes Interesse entgegenbringen.

Living organisms and in particular cells actively structure their inner world in the nano-dimension. Not only organelles are formed by the cells, but also their direct environment, the extracellular matrix. Recent studies show that electrical potentials are similarly important in the process of adhesion and directed migration. Nanostructured charge patterns may also influence the interactions between cells, tissues and implants used in therapy. Even small differences in the structure of charged molecules can already change the behaviour of cells drastically. Inside the cell, furthermore, very small topographic features are decisive: In ion channels, dimensions of 1/100 nm are essential for their function. Such precise structures are nowadays still a technical challenge. When modelling such cellular “electronics” using chip technology, we can learn a lot from nature’s tricks in cell physiology. / Lebende Organismen und insbesondere die einzelnen Zellen selbst sind Meister in der aktiven Strukturierung auf Nanoebene. So bilden die Zellen nicht nur ihr reichhaltiges „Innenleben“ in dieser Dimension, sondern strukturieren auch ihre direkte Umgebung, den extrazellulären Bereich. Bei der Haftung und gerichteten Bewegung der Zellen scheinen nach neueren Befunden auch elektrische Potenziale und Oberflächenladungen mit Mustern bis „hinab“ auf die Nanoebene eine Rolle zu spielen. Nanostrukturierte Muster von Ladungen können so auch die Wechselwirkung von Zellen und Geweben mit Implantaten beeinflussen. Diese Beobachtungen führen wieder zurück zu den Zellen selbst, die zum Beispiel im Falle von Ionenkanälen mit hundertstel Nanometer Genauigkeit Topographie und Potenziale kontrollieren. Solche Strukturen könnten zukünftig auch über Chiptechnologie modelliert werden – eine Chance, von der Natur zu lernen und dies technisch umzusetzen.

The study of crystal nucleation represents a considerable challenge to both experiment and theory. Crystallisation from solutions is initiated by the association of only a few ions. The resulting aggregates are the embryonic precursors to crystals and exhibit diameters of less than a nanometre. While experimental studies offer a wide variety of insights at the macroscopic scale, the atomistic level of detail often remains elusive. On the other hand, computer simulation approaches may easily achieve microscopic resolution and hence appear particularly suited for analysis of the mechanisms of ion aggregation. On the basis of atomistic models, new insights are obtained into the early steps of ion association and the self-organisation of disordered aggregates into crystalline structures. / Das Studium der Nukleation von Kristallen stellt eine immense Herausforderung sowohl an die Experimentatoren als auch an die Theoretiker dar. Die Bildung eines Kristalls aus einer Lösung beginnt mit dem Zusammenschluss einzelner Ionen zu kleinen Aggregaten. Diese embryonalen Vorstufen von Kristallen umfassen nur einige Teilchen und weisen Durchmesser von weniger als einem Nanometer auf. Experimentelle Untersuchungen sind oftmals auf die makro- und mesoskopische Größenskala beschränkt und können vergleichsweise wenige Informationen über die atomaren Aggregationsprozesse liefern. Molekulare Simulationen verlaufen im Gegensatz dazu unmittelbar auf der atomaren Detailstufe und stellen so eine hervorragende Ergänzung zum Experiment dar. Im Computer werden dabei Modellszenarien entwickelt, die Aufschlüsse über die elementaren Schritte der Aggregation von Ionen geben können und aufzeigen, wie sich zunächst ungeordnete Agglomerate allmählich zu periodisch geordneten Strukturen organisieren.

At present chemistry is undergoing an interesting change from the traditional preparation and investigation of single molecules to the construction and use of more complex functionalized architectures. Especially the better understanding of biological processes and the demand to create new materials with specific properties lead to a development of novel nanostructured assemblies that are held together by reversible weak interactions, that include coordination and hydrogen bonds, van der Waals forces as well as p-p and electrostatic interactions. Based on the smart use of Nature’s principles of molecular recognition and self-assembly, the supramolecular chemistry is now one of the pillars within the framework of nanotechnology. This contribution gives an overview on the basic concepts of supramolecular chemistry, the latter’s connections with biological systems and foreseeable applications. / Die Chemie erfährt gegenwärtig einen interessanten Übergang von der traditionellen Betrachtung der Einzelmoleküle hin zu großen komplexen Funktionseinheiten. Besonders das wachsende Verständnis biologischer Prozesse als auch die steigenden Forderungen nach neuen Werkstoffen mit einem spezifischen Eigenschaftsprofil führten zur gezielten Konstruktion definierter Baueinheiten auf der Nanometerskala. Dabei werden in intelligenter Weise reversible Bindungsprozesse auf Basis schwacher nichtkovalenter Wechselwirkungen, wie koordinative und Wasserstoffbrückenbindungen, Van-der-Waals- Kräfte sowie p−p- und elektrostatische Wechselwirkungen, genutzt. Aufbauend auf den natürlichen Prinzipien der molekularen Erkennung und Selbstorganisation ist die supramolekulare Chemie heute eine der Säulen in der Entwicklung der Nanotechnologie. Im Beitrag wird ein Überblick über wesentliche Aspekte der supramolekularen Chemie, ihre Anknüpfung an biologische Prinzipien und ausgewählte Nutzungsmöglichkeiten gegeben.

It is the surface which in many cases determines the appearance and application-relevant properties of a material. Thin films of polymer brushes just a few nanometres in thickness can change the surface properties significantly and may provide even switching capabilities, where the thin film will for instance take up or repel water. Polymer brushes of two largely different polymer materials must in this case be tightly attached at one end to a solid substrate and will then occupy alternatively the upper or lower surface layer, depending on external conditions. In this way, either one or the other polymer material will be exposed and influence the surface properties. This purely physical switching process can be controlled by external triggers (selective or non-selective solvents, pH value, temperature, etc.). The physico- chemical surface properties (wettability, functionality etc.) switch between values established by the properties of the polymer materials involved. / Oberflächen bestimmen in vielen Fällen das Erscheinungsbild und wichtige Gebrauchseigenschaften von Materialen. Bereits wenige Nanometer dünne Polymerfilme können diese Eigenschaften signifikant verändern und erlauben es, diese Eigenschaften sogar zu schalten, sodass ein Film beispielsweise Wasser abweisen oder aufnehmen kann. Hierzu werden Polymerbürsten aus zwei sehr verschiedenen Polymeren mit dem einen Ende fest an ein Substrat gebunden. In Abhängigkeit von den äußeren Bedingungen können sie sich dann wechselseitig an der Oberfläche anreichern, sodass die Oberflächeneigenschaften jeweils durch das eine oder andere Polymer bestimmt werden. Dieser rein physikalische Schaltprozess kann durch externe Stimuli (selektive oder nichtselektive Lösungsmittel, pH-Wert, Temperatur etc.) initiiert werden, wobei die physiko-chemischen Oberflächeneigenschaften (Benetzbarkeit, Funktionalität etc.) zwischen den durch die Eigenschaften der verwendeten Polymere bestimmten Extremwerten hin und her schalten können.

Sensitive polymers change their conformation in response to even a little change in the environmental conditions, e. g. temperature, pH value, concentration of a second component, or light. Crosslinking of these polymers and their swelling in water forms smart hydrogels (intelligent hydrogels). Different shapes and dimensions are possible: bulk gel, thin layers, intraor intermolecular crosslinked globular particles. Smart hydrogels display two important properties: Their volume (swelling degree) depends on the environment and can be switched between two states. The gels can thus be used as actuators. As the change in the gel properties is stimulated by changes in the environment, the gels can also be used as sensors. Smart hydrogels are suitable for applications in microsystems, and gel particles are potential carriers for drugs in the human body. / Umgebungssensitive Polymere ändern in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen, wie zum Beispiel dem Licht, der Temperatur, dem pH-Wert oder der Konzentration einer zweiten Komponente neben dem Polymer, drastisch ihre Molekülgestalt. Vernetzt und in Wasser gequollen, bilden sie sogenannte smarte Hydrogele. Dabei werden die Besonderheiten eines Makromoleküls, dessen Eigenschaften durch die Umgebung beeinflusst werden, auf ein polymeres Material übertragen. Dies kann ein großer Körper, eine dünne Schicht oder ein Nanopartikel sein. Das Volumen der smarten Hydrogele kann zwischen zwei Zuständen geschaltet werden. Dabei können die Hydrogele wie Aktoren eine Kraft ausüben. Da das Schalten durch die Umgebung stimuliert wird, sind sie als Sensoren verwendbar. Die Polymerstrukturen sind miniaturisierbar, sodass smarte Hydrogele als Komponenten in Mikrosystemen angewendet werden können. Zum Beispiel werden die Partikel zur kontrollierten Abgabe von Arzneimittelwirkstoffen verwendet.

Modern optical microscopy is gaining deeper and deeper insight into the nanoworld. Conventional microscopy faces restrictions by both the diffraction limit and its sensitivity concerning the low intensities of nanoscale light sources. To be able to circumvent these drawbacks, scanning near-field optical microscopy (SNOM) has been implemented at the Institute of Applied Photophysics at the TU Dresden by applying optically active scanning probes in order to constitute interfaces between the macroscopic and the nanoscopic world. New probes functionalised with metal nanoparticles can resolve structures which are unreachable by traditional methods (~ 50 nm). Our work has led to inexpensive and fast fabrication of such probes allowing an unprecedented views of the nanoworld. / Die moderne optische Mikroskopie erlaubt es, der Nanowelt immer neue spannende Erkenntnisse zu entlocken. Jedoch ist die herkömmliche Lichtmikroskopie in ihrer Auflösung begrenzt und im Hinblick auf die geringe Intensität nanoskopischer Lichtquellen häufig nicht empfindlich genug. Um diese Probleme zu umgehen, wird am Institut für Angewandte Photophysik (IAPP) der TU Dresden die sogenannte optische Nahfeldmikroskopie eingesetzt. Hierbei dienen optisch aktive Sonden als Schnittstelle zwischen makroskopischer und nanoskopischer Welt. Diese am IAPP entwickelten neuartigen Sonden sind mit metallischen Nanopartikeln besetzt. Das Nahfeldmikroskop erlangt mit derartigen Sonden ein Auflösungsvermögen, welches weit jenseits der Möglichkeiten konventioneller Mikroskope liegt. Die Sonden können einfach und schnell hergestellt werden und erlauben der Nahfeldmikroskopie bisher unerreichte Einblicke in die Nanowelt.

Thanks to their extraordinary properties, carbon nanotubes reveal a promising potential for applications on the nanometre scale. When filled with metals or ferromagnets, nano-wires and magnets with a protecting carbon shell are realised. Different synthesis routes are described, such as laser ablation and chemical vapour deposition. Probes for magnetic force microscopy based on ironfilled carbon nanotubes are presented, and demonstrate a high spatial resolution, with the carbon shells at the same time providing effective wear resistance. We show also the potential of carbon nanotubes for biomedical applications, in particular their suitability as magnetic nano-heaters, drug-carrier systems or sensors for diagnostic and therapeutic usage on the cellular level. / Außergewöhnliche Materialeigenschaften machen Kohlenstoffnanoröhren zu einem vielseitigen nanoskaligen Werkstoff. Füllt man sie zum Beispiel mit metallischen oder ferromagnetischen Materialien, so ergeben sich durch eine Kohlenstoffhülle geschützte „Nano- Kabel“ oder Nano-Magnete. Neben verschiedenen Syntheseverfahren wie der Laserablation und der Chemischen Gasphasenabscheidung werden grundlegende physikalische Eigenschaften sowie Anwendungen in der Messtechnik und in der Medizin vorgestellt. In der Magnetkraftmikroskopie versprechen magnetisch gefüllte Kohlenstoffnanoröhren eine hohe laterale Auflösung bei gleichzeitigem Schutz des magnetischen Messsensors durch die Außenhülle. Im Bereich der biomedizinischen Anwendungen stellen Kohlenstoffnanoröhren ein nanoskaliges Transportmedium dar, das zum Transfer von Funktionsmaterialien in einzelne Zellen, zum Beispiel für magnetische Sensorik oder für Medikamententransporte, angewendet werden kann.

Our target is the engineering of a light-gate molecular switch for the artificial ion channel, which will enable artificial ion channels to operate successfully in microfluidic systems, biomimetic sensors and various technical devices. A stable but reversible switch mechanism design is crucial, because the artificial ion channels known to date are lacking any control mechanism. Our artificial molecular switch is divided in two parts: the body part (calixarene) and a gate part based on light-responsive azo groups. The key to the controlling mechanism is the conformational change between cis and trans isomers, which is translated into movement of the gate. The gate is very robust and can either block or let the ions pass the molecular switch. Patch clamp investigations indicate successful integrations of gated artificial ion channels into lipid membranes. / Unser Ziel ist die Entwicklung eines lichtinduzierten Molekularschalters für künstliche Ionenkanäle, der als Nanobauteil für die Entwicklung von Sensoren in mikrofluiden Systemen, in biomimetischen Sensoren und in verschiedenen technischen Baugruppen eingesetzt werden soll. Für ein stabiles und zugleich reversibles System ist der Schaltmechanismus entscheidend, da die künstlichen Ionenkanäle bisher – soweit bekannt – keinen Regelmechanismus besitzen. Unser künstlicher molekularer Schalter setzt sich aus einem Rumpfteil (Calix[4]resorcinaren) und einer Schalteinheit, basierend auf lichtempfindlichen Azogruppen, zusammen. Die Schalteinheit ist sehr widerstandsfähig, kann den Ionenfluss blockieren oder die Ionen durch den Ionenkanal passieren lassen. Durch Bestrahlung wird die Kanalaktivität unterdrückt und reversibel wiederbelebt. Mittels Patch-Clamp-Untersuchungen wird das Schalten der synthetischen Ionenkanäle überprüft.