The term "Lab-on-a-Chip" (LoC) describes highly miniaturized systems in which the functionalities of entire laboratories are scaled down to the size of transportable microchips. Particularly in the field of chemical and bio-analysis, such platforms are desired for a fast and highly sensitive sample analysis at the point of care. This work focuses on silicon nanowire (SiNW) based sensors. Innovative device fabrication concepts are developed from various directions, for a facile and reliable assembly of LoC analysis systems. Firstly, a multifunctional microfluidic set-up is developed which allows for a facile reversible sealing of channel structures on virtually any kind of substrate while maintaining the possibility of a rapid prototyping of versatile channel designs and the applicability of high working pressures of up to 600 kPa. Secondly, a 3-(triethoxysilyl)propylsuccinic anhydride (TESPSA) based surface modification strategy for the attachment of specific receptor molecules without additional binding site passivation is explored. Thirdly, bottom-up grown SiNWs are utilized for producing parallel arrays of Schottky barrier field-effect transistors (FETs) via contact printing. Using the initially developed microfluidic set-up, the concept of the TESPSA-based receptor immobilization is proved via fluorescence microscopy and by applying the SiNW FETs as biosensors. Using a receptor-analyte system based on a set of antibodies and a peptide from human influenza hemagglutinin, it is shown that antibodies immobilized with the developed method maintain the specificity for their antigens. The fourth major research field in this work is the microfluidics-based alignment of one-dimensional nanostructures and their deposition at predetermined trapping sites for reliably fabricating single NW-based FETs. Such devices are expected to provide superior sensitivity over sensors based on parallel arrays of FETs. Consequently, within this work, innovative LoC devices fabrication approaches over a broad range of length scales, from micrometer scale down to the molecular level, are investigated. The presented methods are considered a highly versatile and beneficial tool set not only for SiNW-based biosensors, but also for any other LoC application. / Unter dem Begriff „Lab-on-a-Chip“ (LoC) fasst man stark miniaturisierte Systeme zusammen, die die Fähigkeiten eines ganzen Labors auf einen transportablem Mikrochip übertragen. Insbesondere im Bereich der Analyse chemischer und biologischer Proben werden solche Plattformen bevorzugt eingesetzt, da sie direkt am Ort der Probenentnahme schnelle, hoch sensible Messungen ermöglichen. Im Mittelpunkt dieser Doktorarbeit stehen Sensoren auf Basis von Siliziumnanodrähten (SiNWs). Auf verschiedenen Gebieten werden innovative Konzepte zur einfachen und zuverlässigen Herstellung von LoC Systemen entwickelt. Zu Beginn wird ein multifunktionaler Mikrofluidik-Aufbau vorgestellt, der ein einfaches reversibles Verschließen von Mikrofluidik-Kanälen auf nahezu allen möglichen Substraten erlaubt. Der Aufbau ermöglicht das schnelle Anfertigen und Testen verschiedener Kanalstrukturen sowie das Betreiben von Fluidik-Experimenten mit hohen Arbeitsdrücken von bis zu 600 kPa. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit ist die Entwicklung einer Methode zur Funktionalisierung von Sensor-Oberflächen mittels 3-(Triethoxysilyl) Propyl Bernsteinsäure Anhydrid (TESPSA) für die Immobilisierung spezifischer Rezeptormoleküle. Bei dieser Methode entfällt die Notwendigkeit einer zusätzlichen Passivierung ungenutzter Anbindungsstellen. Des Weiteren erfolgt die Herstellung von Parallelschaltungen von Schottky-Barrieren-Feld-Effekt-Transistoren (SB-FETs) aus „bottom-up“ gewachsenen SiNWs durch mechanisches Abreiben der SiNWs vom Wachstumssubstrat auf ein Empfängersubstrat. Unter Verwendung des eingangs entwickelten Mikrofluidik-Aufbaus wird die prinzipielle Anwendbarkeit der TESPSA-basierten Rezeptor-Immobilisierung nachgewiesen, sowohl anhand von Fluoreszenzmikroskopie-Untersuchungen als auch mit Hilfe der SiNW FETs als Biosensoren. Mittels eines Rezeptor-Analyt-Systems, bestehend aus verschiedenen Antikörpern und einem Peptid des Influenzavirus A, wird gezeigt, dass Antikörper, die über TESPSA an Oberflächen gebunden werden, ihre Spezifizität für ihre Antigene beibehalten. Der vierte große Forschungsabschnitt dieser Arbeit widmet sich der mikrofluidischen Ausrichtung eindimensionaler Nanomaterialien und deren Ablage an vorgegebenen Fangstellen, wodurch eine zuverlässige Herstellung von FETs aus Einzelnanodrähten erreicht wird. Es wird davon ausgegangen, dass Einzelnanodraht-FETs gegenüber Parallelschaltungen von Nanodraht-FETs verbesserte Sensoreigenschaften aufweisen. Folglich beinhaltet diese Arbeit viele zukunftsweisende Ansätze für die Herstellung von LoC Systemen. Untersuchungen über eine Bandbreite von Längenskalen, von Mikrometer großen Strukturen bis hinab zur molekularen Ebene, werden präsentiert. Es wird davon ausgegangen, dass die vorgestellten Methoden als eine vielfältige Sammlung von Werkzeugen nicht nur bei der Herstellung von Biosensoren auf SiNW-Basis Einsatz finden, sondern ganz allgemein den Aufbau verschiedenster LoC Systeme vorantreiben.

Metallic glasses are amorphous alloys that do not possess long-range structural order in contrast to crystalline alloys. Ni-free Ti-based bulk metallic glasses (BMGs) have potential for biomedical applications due to their attractive properties such as high strength, good corrosion resistance and excellent micro-formability, which cannot be obtained for conventional crystalline alloys. In this PhD thesis, Ni-free Ti-based BMGs, i.e. Ti40Zr10Cu34Pd14Sn2 and Ti40Zr10Cu36-xPd14Inx (x = 0, 2, 4, 6, 8), were prepared in the shape of rods by suction casting. Both alloy classes were systematically characterized in terms of glass forming ability, thermal stability, phase formation and mechanical properties. The largest diameter obtained in the fully glassy state for Ti40Zr10Cu34Pd14Sn2 alloy is 3 mm and for Ti40Zr10Cu36-xPd14Inx (x = 2, 4, 6, 8) alloys is 2 mm. Base alloy (Ti40Zr10Cu36Pd14) contains some crystalline phase(s) in the glassy matrix for a 2 mm diameter rod. The structural transformations of Ti40Zr10Cu34Pd14Sn2 BMG upon heating were thoroughly analyzed by utilizing different combination of methods. Firstly, we used differential scanning calorimetry (DSC), X-Ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM) to investigate the first crystallization event. The main products of the first crystallization are possibly -(Ti, Zr) and Cu3Ti (orthorhombic) phases. Secondly, we employed in situ x-ray diffraction in transmission mode using synchrotron beam to deeply study the thermally-induced structural changes like relaxation, glass transition and crystallization. Since the first peak in the diffraction patterns reflects the structure of the glassy phase on the medium-range scale, the position, width and intensity of this peak in diffraction patterns are fitted through Voigt function below 800 K. All the peak position, width and intensity values show a nearly linear increase with increasing temperature to the onset temperature of structural relaxation, Tr = 510 K. However, these values start to deviate from the linear behavior between Tr and glass transition temperature Tg. The changes in the free volume, which was arrested during rapid quenching of the BMG, and the coefficient of volumetric thermal expansion prove that the aforementioned phenomenon is closely related to the structural relaxation. Above 800 K, three crystallization events are detected and the first exothermic event is due to the formation of metastable nanocrystals. For the Ti40Zr10Cu34Pd14Sn2 alloy, 2 mm diameter rods exhibit the best combination of mechanical properties (e.g. large plastic strain and high yield strength) among all the diameters (ø2, ø3 and ø4 mm) under the room-temperature compression tests. With the aim to improve its room-temperature mechanical properties, the processes of pre-annealing and cold rolling have been applied for the 2 mm diameter rods. Annealed and quenched specimens below Tg and in the supercooled liquid region (between Tg and onset crystallization temperature Tx) do not lead to the enhancement of the plasticity compared to as-cast alloys due to annihilation of excess free volume and crystallization. Cold rolling can effectively improve the plasticity of this BMG by inducing structural heterogeneities. Rolled samples up to a thickness reduction of 15% result in the largest plasticity of 5.7%. Low yield strength and visible work hardening ability are observed in the both 10%-rolled and 15%-rolled samples. The deformation behavior of Ti40Zr10Cu34Pd14Sn2 BMG at the elevated temperatures slightly below Tg and in the supercooled liquid region has been investigated. The stress-strain relations for this BMG over a broad range of temperatures (298 ~716 K) and strain rates (10-5 to 10-3 s-1) were established in uniaxial compression. Under compression tests at the highest test temperature of 716 K, the Ti-based BMG partially crystallizes and low strain rates can lead to the formation of larger volume fractions of crystals. In order to further improve the plasticity of Ti-Zr-Cu-Pd BMGs and simultaneously reduce the content of Cu (considering harmful element for the human body), the Ti40Zr10Cu36-xPd14Inx (x = 2, 4, 6, 8) BMGs have been newly developed with different short- or medium-range order in the structure. The compressive global strain of Ti40Zr10Cu36-xPd14Inx (x = 0, 2, 4, 6, 8) can be significantly improved from 4.5% for the In-free alloy to 10.2% for x = 4. However, a further increase of the indium content to 8 at.% results in a decrease of the plasticity. Among all the monolithic Ni-free Ti-based BMGs reported so far, the novel Ti40Zr10Cu32Pd14In4 BMG shows the largest plasticity. Inspired by the dislocation concept in crystalline materials, we propose a strategy for the design of ductile BMGs through minor substitution using relatively large atoms, which make the bonding nature become more metallic and with it less shear resistant. Such a locally modified structure results in topological heterogeneity, which appears to be crucial for achieving enhanced plasticity. This strategy is verified for Ti-Zr-Cu-Pd glassy alloys, in which Cu was replaced by In, and seems to be extendable to other BMG systems. The atomic-scale heterogeneity in BMGs is somewhat analog to defects in crystalline alloys and helps to improve the overall plasticity of BMGs.

Zur Erweiterung der Grundlagenkenntnisse für diese beiden bisher wenig genutzten Verstärkungsfasern werden in dieser Arbeit Einzelfaserzugversuche durchgeführt, um den Einfluss der Prüfbedingungen und der Faseroberflächenbehandlungen auf die mechanischen Eigenschaften der Fasern zu charakterisieren. Durch die Analysen der unimodalen und bimodalen Weibullverteilung wird der Zusammenhang zwischen der Faserzugfestigkeit und den kritischen Oberflächendefekten untersucht. Um den Einfluss der Faseroberflächenbehandlungen auf die Oberflächenenergien und Grenzflächenhaftung zu ermitteln, werden in dieser Arbeit der Schlichteauftrag aus wässriger Phase (Silan, Filmbildner), Plasmabehandlungen in verschiedenen Medien, Excimer-UV-Bestrahlungen in Anwesenheit verschiedener Monomeren und eine Säurebehandlung durchgeführt. Zur Charakterisierung der Oberflächentopografie der oberflächenbehandelten Fasern vor und nach dem Einzelfaserauszugversuch wird die Rasterkraftmikroskopie (AFM) verwendet. Der Effekt einer Plasmabehandlung auf die freie Oberflächenenergie der PBO-Fasern und die Grenzflächenscherfestigkeit wird mittels der Kontaktwinkelmessung und der Einzelfaserauszugprüfung untersucht. Um die durch diese Oberflächenmodifizierungen hervorgerufenen Veränderungen der mechanischen Verbundeigenschaften sowie der Faser-Matrix-Haftung zu charakterisieren, werden in dieser Arbeit sowohl endlosfaserverstärkte thermoplastische und duroplastische Unidirektionalverbunde bzw. kurzfaserverstärkte thermoplastische Verbunde als Modellfälle betrachtet, bei denen sowohl die Verstärkungsfasern als auch die Matrix signifikant unterschiedlich sind. Zur Verstärkung werden zwei ausgewählte Fasermaterialien (Basalt- und PBO-Fasern) und als Matrix zwei Thermoplaste (PP und PA6) sowie ein Epoxidharz ausgewählt. Der Einsatz von Commingling-Hybridfäden zur Entwicklung der thermoplastischen Unidirektionalverbunde erfordert Voruntersuchungen zur Lufttexturierung mit verschiedenen Düsen und Auswahl der günstigsten Prozessparameter.

Gegenstand der Arbeit ist die Suche nach einer Technologie zum stoffschlüssigen Fügen von Leichtbaustrukturen, die aus Aluminiumblechen bestehen. Hohe Anforderungen an die Oberflächenqualität der Fügestelle können dabei nur durch den Einsatz eines Lötprozesses erfüllt werden. Es wird theoretisch untersucht, welche werkstoffspezifischen und technischen Schwierigkeiten das Hartlöten von Aluminium im allgemeinen hervorruft. Unter deren Berücksichtigung werden Lösungsansätze getroffen und bewertet. Im Ergebnis dieser Bewertung wird ein Hartlötprozeß modelliert, bei dem unter Verzicht auf Flußmittel ein Festkörperlaser als Wärmequelle dient. Zur Abschätzung der Vorgänge im Fügespalt, in der Oxidhaut an der Aluminumoberfläche sowie der Temperaturverläufe in den Fügeteilen erfolgen Simulationsrechnungen. Einer ersten experimentellen Überprüfung folgen Modifikationen des Prozesses und deren erneute Simulation. Technologische Versuche testen den Einsatz besonderer Lotwerkstoffe sowie eines zusätzlichen Aktivierungslasers. Metallographische Untersuchungen gelöteter Probebleche geben Aufschluß über den Stoffschluß, der trotz sehr kurzer, lötuntypischer Prozessdauer und ohne Anschmelzung des Grundwerkstoffs eintritt. Zum Abschluß wird in einigen grundlegenden Versuchen überprüft, inwiefern anhand der gewonnenen Erkenntnisse auch ohne den hohen technischen Aufwand des Hochleistungslasers ein flußmittelfreier Hartlötprozeß realisierbar ist.

Vorliegende interdisziplinäre Arbeit untersucht im theoretischen Teil existierende Modelle der Wirtschafts- und Ingenieurwissenschaften, erstellt ein eigenes Modell und identifiziert Werkstoffsysteme mit denen durch sie erreichbaren Eigenschaften als entscheidende Parameter. Eigenschaften können sowohl technologischer, als auch anderer Art sein. Die Arbeit zeigt, dass gute technologische Eigenschaften oft nur notwendige Einsatzbedingungen darstellen, während die in den Ingenieurwissenschaften vernachlässigten anderen Eigenschaften oft entscheidende Einsatzfaktoren sind. Im empirischen Teil werden anhand von Querschnitts- und Fallstudienbetrachtungen technologischer, wirtschaftlicher, ökologischer und gesellschaftlicher Faktoren Defizite besonders für das Stahlimage dargestellt, positive Ansatzpunkte aufgezeigt und die herausragenden technologischen Eigenschaften bestätigt. Diese Arbeit stellt fest, dass die bereits gute Position der Stähle durch interdisziplinäres Stahlmanagement noch stark verbessert werden kann.

Entsprechend der Zielsetzung dieser Arbeit wurden eng begrenzte Korngrößenbereiche der Ausgangskörnung vibrationsverdichtet und ein Zustand erreicht, der bei bestimmten Vibrationsparametern als stabil und reproduzierbar bezeichnet werden kann. Mittels eines Versuchsplanes sind stabile Körper hergestellt worden, bei denen eine ausreichende Festigkeit (bis 14 MPa) und eine definierte offene Porenvolumenstruktur (40-45 %) nachgewiesen werden konnte. Die Reproduzierbarkeit der durch Vibrationsverdichtung hergestellten Strukturen wurde anhand geringer Standardabweichung (< 5 %) der ermittelten Packungsdichte als auch der untersuchten Strukturencharakteristika bestätigt. Untersuchungen zur Einfiltration einer Feinkornfraktion in ein starres Gerüst mittels Vibrationsverdichtung zeigten, dass dieses Verfahren unter Beachtung von Einflußgrößen zur Herstellung von Gradientenwerkstoffen prinzipiell geeignet ist. Auch ein Einsatz der Vibrationsverdichtung zur gezielten Entmischung eines aus unterschiedlichen Körnungen zusammengesetzten keramischen Rohstoffgemisches konnte bestätigt werden.

Die nachhaltige und dauerhafte Reduzierung von Emissionen und prozessbedingten Gerüchen in Gießereien kann nur durch den Einsatz emissionsarmer und geruchsfreier Einsatzstoffe direkt im Prozess erreicht werden. Obwohl bisher bekannte anorganische Kernbindemittel diese Vorteile bieten, konnten diese aber aufgrund unzureichender Produktivität im Fertigungsprozess nicht zur Herstellung von Aluminiumgussteilen für den Motorenbau, in hohen Stückzahlen, eingesetzt werden. Mit der vorliegenden Arbeit konnte erstmalig nachgewiesen werden, dass ein Kernbindemittel auf Basis von Magnesiumsulfat zur Fertigung von Aluminiumgussteilen für PKW-Motore geeignet ist. Zusätzlich werden alle umwelttechnischen Anforderungen erfüllt. Es ist zu erwarten, dass Gießereien weltweit dieses Verfahren in naher Zukunft einsetzen werden.

Auf der Grundlage eines mathematischen Modells zur Beschreibung der Druckentwicklung in pneumatischen Verdichtungsanlagen, welche zur Herstellung von Kernen und Formen dienen, wurden Computerprogramme erstellt. Mit deren Hilfe können Parameteridentifikationen zur Ermittlung maschinentechnischer Größen (Durchflusskoeffizienten, Ventilfunktionen) durchgeführt und Druckverläufe berechnet werden. Es erfolgt der Nachweis, dass das mathematische Modell die Prozesse hinreichend genau wiedergibt. Im theoretischen Teil werden Betrachtungen zu Einflussgrößen auf die Druckentwicklung angestellt. Dabei wurde festgestellt, dass das Maschinenbehältervolumen den größten Einfluss ausübt. Weiterhin sind Untersuchungen bzgl. der Druckentwicklungsabhängigkeit von Ventileigenschaften durchgeführt worden. Als Kriterium zur Bewertung von pneumatischen Anlagen wurden die Energiebilanz und der Druckanstieg über dem Formstoff diskutiert.

Auf der Basis des Pilling-Bedworth-Verhältnisses für die Charakterisierung der Oxidationsneigung wurden die für die Herstellung von Magnesiumgussteilen in Sandformverfahren relevanten Einflussfaktoren, Formstoff- und Werkstoffkennwerte erfasst. Ausgehend davon werden geeignete Schutzprinzipien und technologische Maßnahmen formuliert. Die vorgeschlagenen Schutzkomplexe (Borsäure und Harnstoff) vermeiden die Oxidation des Magnesiums, reduzieren deutlich den Wasserbedarf und verbessern die Fließeigenschaften des Formstoffes. Die Zusätze sind fluor- und schwefelfrei, was geringe Emissionen und bessere Arbeitsbedingengen ermöglicht. Im Rahmen der Arbeit erfolgte eine umfassende Entwicklung praxistauglicher bentonitgebundener und kalthärtender organischer Formstoffsysteme und Schlichten. Die Einsetzbarkeit der Formstoffe für die moderne Formtechnik wurde nachgewiesen. Die erreichbaren Werkstoffeigenschaften entsprechen den internationalen Normen, hervorzuheben ist die hohe Oberflächenqualität der Gussteile. Die erzielten Ergebnisse wurden auf die realen Bauteile und Herstellungsprozesse, wie z.B. zum Ablösen des Natursandformverfahrens und für die Herstellung eines 4-Zylinder Motorblockes, erfolgreich übertragen. Durch die Realisierung der dargestellten Innovationen im Bereich der Sandformverfahren werden neue Impulse zur Verbesserung der Magnesium-Produktion und damit der internationalen Wettbewerbsfähigkeit im Fahrzeugbau gegeben.

Die Arbeit beinhaltet die umfassende Charakterisierung des Festigkeits- und Zähigkeitsverhaltens von entkohlend geglühtem Temperguß, der in unterschiedlichen Qualitäten von drei Gießereien bereitgestellt wurde. Im Rahmen des Versuchsprogramms wurden die gefügeabhängigen mechanischen und bruchmechanischen Kennwerte in Abhängigkeit von der Temperatur bei statischer, dynamischer und zyklischer Beanspruchung bestimmt. Sie gestatten damit die vergleichende Einordnung des entkohlend geglühten Tempergusses in vorliegende Ergebnisse anderer Gußeisenwerkstoffe und sind Grundlage sowohl für eine beanspruchungsgerechtere Werkstoffauswahl bzw. Bruchsicherheitsbewertung als auch für die Ableitung qualitätssichernder Maßnahmen. Der Vorteil bruchmechanischer Kennwerte als Voraussetzung für eine beanspruchungsgerechte Bruchsicherheitsbeurteilung von Gußteilen unter Einbeziehung von gießtechnischen Imperfektionen wurde am Beispiel einer bruchmechanischen Bewertung der Verbundschweißung Temperguß - Stahl demonstriert.