Die vorliegende Arbeit präsentiert eine umfassende Untersuchung zu einem speziellen lichtempfindlichen Makromolekül: ein Azobenzol Photoschalter, eingebettet in den Hauptstrang eines synthetischen stäbchenförmigen Polymers. Dazu wurden die Polymere zunächst aus Lösung auf eine Einfachlage Octadecylamin (ODA) aufgebracht, welche auf einer Oberfläche von hochgeordnetem pyrolytischem Graphit (HOPG) lag. Die besondere Eigenschaft der amphiphilen ODAs, sich in Nanolamellen anzuordnen, diente nicht nur der Immobilisierung und Isolierung der stabförmigen Polymere, sondern auch deren Orientierung auf der Oberfläche. Diese Orientierung, insbesondere die Ausrichtung relativ zu den Lamellen, wurde mit einem Modell, basierend auf den hydrophoben W echselwirkungen zwischen den Seitenketten der Polymere und der amphiphilen Unterlage aus ODA, untersucht. Mittels SFM konnte die Kontraktion beziehungsweise Expansion bei Belichtung mit UV- oder sichtbarem Licht untersucht werden. In zeitaufgelösten Messungen wurden lichtinduzierte morphologische Änderungen in Abhängigkeit von der Belichtungszeit der Polymere gemessen. Dies verdeutlichte die lichtinduzierte Bewegung dieser Strukturen innerhalb der Makromoleküle und offenbarte eine kriechende Fortbewegung der Polymere über die Oberfläche. Polymere, die auf Oberflächendefekten nur schwach gebunden waren, änderten ihre Orientierung bei Belichtung zufällig. Daraus schlussfolgere ich, dass die wohldefinierte lokale Umgebung mit Korngrenzen oder Lamellen eine wichtige Rolle als Templat spielt und die Bewegungsrichtung maßgeblich bestimmt. Die entwickelte experimentelle Methode kann verwendet werden, um die Wechselwirkungen zwischen Oberfläche und Polymer zu optimieren, und die anschließende Untersuchung von lichtinduzierten Bewegung der Makromoleküle kann die Entwicklung neuartiger optomechanischer Nanosysteme ermöglichen. / This work presents a comprehensive investigation of one particular photoresponsive macromolecule: Azobenzene photoswitches incorporated into the backbone of synthetic rigid-rod polymers. Firstly, the polymers were deposited from solution onto a monolayer of octadecylamine (ODA) covering the basal plane of highly oriented pyrolytic graphite (HOPG). The unique ODA amphiphilic nanorails, self- assembled on HOPG, served not only to immobilize and isolate the polymers, but also to orient them on the surface. The orientations of rod- like polymers on an ODA surface, i.e., predominally perpendicular or parallel with respect to the underlying lamellar surface, were analyzed with a model based on the hydrophobic interaction of the side chains of the polymers with the amphiphilic nanorails of the ODA molecules. Upon the irradiations with UV and visible light, respectively, large light- induced contractions and extensions of the single macromolecules have been visualized by SFM. An SFM’s time-laps study of morphological changes of polymers at different irradiating times also detailed the light-induced movements within the macromolecules and a crawling movement across the surface. For weakly adsorbed polymers on surface defects, those surface-directed folding/unfolding (or contracting/extending) movements exhibited a random change in orientation. Thus, I conclude, that well-defined local environments, such as domain boundaries or lamellae within the ODA monolayer, play important roles in the template that directs the folding and unfolding movements of polymers during irradiation. The developed setup allows to promote the development of optomechanical nanosystems by optimizing the interaction between single macromolecules and ODA surfaces, followed by visualization of light- induced, on-surface motions of single macromolecules.

Probe microscopy techniques (Atomic Force Microscopy and Kelvin Force Microscopy) have been shown to be instrumental in the analysis of samples; such as resists and nanostructured materials. Through these techniques detailed surface information has been derived, including information such as surface roughness and surface charge distribution. Poly(Methylmethacrylate) (PMMA), remains at the forefront of resists utilised in e-beam lithography in the electronics industry. Surface morphology (specifically roughness) analysis remains a key parameter of investigation, particularly in the examination of polymeric films. This research aimed to investigate PMMA based electron beam resists as well as a novel (SML) resist material in terms of suitability for electron-beam lithography. Various concentrations (5, 7, 8, 9 and 11% w/v) of both PMMA and the novel resist material were spin-coated onto silica substrates. Samples were baked at 180oC for 3 minutes and examined under ultra-high vacuum using Omicron AFM/SPM to derive RMS values in order to assess roughness in addition to thickness measurements taken. SML resists were then utilised in the development of a new digital etch onto InGaAs/InAlAs wafer. The novel, SML resist material was found to offer smoother resist surface even at higher concentrations of polymer, a difference which was observed to be statistically significant (p<0.01). The SML resist was also notably thicker than the comparable PMMA resist (p>0.05) indicating that lower concentrations of the novel resist would be required to achieve the required resist thickness. Digital etching rates were found to be in agreement with previously documented findings. SML was concluded to be a superior resist in terms of thickness and smoothness, with AFM being further established as an essential characterization technique.

Komplexe aus entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten haben sowohl in der Biologie als auch in den Materialwissenschaften eine große Bedeutung. Im Mittelpunkt des Interesses stehen besonders die Kondensation der DNA in vitro, die Struktur des Nukleosoms im Zellkern, nicht-virale Systeme zur Transfektion von DNA in Zellen oder der Vorgang der layer-by-layer Adsorption. Verschiedene Theorien befassen sich mit den treibenden Kräften solcher Komplexbildungen. Allerdings standen experimentelle Untersuchungen auf diesem Gebiet bisher noch aus. Dieser Arbeit liegt die Fragestellung zu Grunde, ob es mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie möglich ist, die Struktur einzelner Polyelektrolytkomplexe, bestehend aus den beiden Polyelektrolyten DNA und dendronisierten Polymer, aufzuklären und ihre Komplexbildung zu untersuchen. Die Komplexe bildeten sich in Lösung und wurden anschließend auf einer unbeschichteten oder mit positiven Polymeren beschichteten Glimmeroberfläche adsorbiert. Auf der positiv beschichteten Glimmeroberfläche hafteten DNA-dendronisierte Polymer Komplexe mit einem Ladungsverhältnis von 1:1 bis 1:0.7 (DNA:dendronisiertes Polymer). Anhand der hochaufgelösten rasterkraftmikroskopischen Aufnahmen wurde ein Modell entwickelt, das die Umwicklung der DNA um das dendronisierte Polymer beschreibt. Der DNA-DNA Abstand ergab sich zu (2.30 ± 0.27) nm für den Komplex mit DNA und zweiter Generation dendronisierter Polymere und zu (2.16 ± 0.27) nm mit vierter Generation. Die theoretische Vorhersage der Überladung der Komplexe konnte experimentell bestätigt werden. Mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie konnte überdies der Einfluss des Salzgehaltes der Lösung auf die Bildung der Komplexe mit DNA und zweiter Generation dendronisierter Polymere untersucht werden. Wie man anhand des Zusammenwirkens von elektrostatischen Kräften und entropischen Wechselwirkungen bei der Adsorption von Polyelektrolyten vorhersagen kann, durchlief der DNA-DNA Abstand ein Minimum bei ansteigendem Salzgehalt. Bei sehr hohem Salzgehalt (2.4 M NaCl) konnte das Ablösen der DNA von dem Komplex beobachtet werden. Die untersuchten DNA/dendroniserten Polymer Komplexe bilden ein neues Modellsystem, mit dem einzelne Polyelektrolyt-Wechselwirkungen direkt untersucht werden können. Ein Vergleich der experimentellen Daten mit den vorhandenen Theorien zeigte, dass der Prozess des Überladens weitgehend durch elektrostatische Wechselwirkung zwischen den beiden Polyelektrolyten beschrieben werden kann. Sowohl entropische Beiträge als auch die Biegeenergie der umwickelnden DNA sind vernachlässigbar. Basierend auf diesen Ergebnissen können neue Trägerstrukturen für effizientere nicht-virale DNA-Transfektionssysteme entwickelt werden. / Complexes of oppositely charged polyelectrolytes play an important role in both biology and material science, for instance DNA condensation in vitro, nucleosomal structure, non-viral gene transfection systems as well as layer-by-layer adsorption. Although there are theories predicting overcharging of polyelectrolyte complexes, the driving forces are still under debate and systematic experimental studies on single polyelectrolytes remain challenging. Therefore the question arose if it is possible to analyze single polyelectrolyte complexes, using DNA and dendronized polymers, with the scanning force microscope in order to investigate the complexation in detail. For the complex analysis, the polyelectrolytes were allowed to interact in solution and then to adsorb on negatively charged mica or on mica coated with a positively charged polymer. Scanning force microscopy was used to investigate the adsorbed species. DNA/dendronized polymer complexes of charge ratio of 1/1 through 1/0.7 adsorbed on mica coated with a positively charged polymer. The analysis of high resolution molecular images indicated that DNA wraps around the dendronized polymer with an estimated pitch of (2.30 ± 0.27) nm and (2.16 ± 0.27) nm for dendronized polymers of generation two and four, respectively. In the proposed model the polyelectrolyte with the smaller linear charge density is wrapped around the more highly charged dendronized polymer, resulting in a negatively overcharged complex. This overcharging is consistent within recent theories of spontaneous overcharging of complexes of one polyelectrolyte wrapping around the other. Using the complex of DNA and dendronized polymers of second generation, the influence of monovalent salt concentration on the molecular structure was studied. By increasing the salt concentration the pitch showed a minimum as predicted by the interplay of electrostatic forces and entropic interactions of polyelectrolyte adsorption. At high salt concentration (2.4 M NaCl) the release of DNA from the complex can be observed. The results showed that the DNA/dendronized polymer system can be used as a new, high potential model system to investigate single polyelectrolyte interactions. With regard to recent theories, the experimental results indicate that the overcharging of the complex is mainly driven by electrostatic forces whereas contributions of counterion entropy and bending energy seem to be negligible. This understanding may be useful for the design of single polyelectrolyte complexes for non-viral gene delivery systems and might help to optimize the transfection efficiency based on the structure of the vector system.

Multiferroika, also Materialien, die gleichzeitig ferroelektrische und ferromagnetische Eigenschaften besitzen, sind sowohl für die Forschung um das Verständnis dieser Eigenschaften als auch für potentielle Anwendungen in neuartigen Speichern von großem Interesse. Die Rasterkraftmikroskopie spielt hierbei eine entscheidende Rolle, da mit ihrer Hilfe die Eigenschaften solcher Probensysteme auf der Nanometerlängenskala untersucht werden können. In der vorliegenden Arbeit werden drei unterschiedliche multiferroische Systeme auf ihre ferroelektrischen und ferromagnetischen Eigenschaften sowie auf deren Kopplung hin mit Hilfe verschiedener Methoden der Rasterkraftmikroskopie untersucht. Im Grundlagenteil dieser Arbeit wird dazu zunächst eine Methode vorgestellt, mit der magnetische Spitzen für die Rasterkraftmikroskopie charakterisiert werden können, so dass in experimentellen Untersuchungen die Wechselwirkung zwischen der untersuchenden Spitze und der untersuchten Probe besser abgeschätzt werden kann. Des Weiteren wird eine Möglichkeit vorgestellt, Kelvin-Sonden-Rasterkraftmikroskopie mit der magnetischen Rasterkraftmikroskopie zu kombinieren, um elektrostatische Artefakte bei den Untersuchungen der magnetischen Eigenschaften auszuschließen. Im experimentellen Teil der Arbeit werden zuerst die beiden einphasigen Multiferroika BiFeO3 und BiCrO3 untersucht. Es kann experimentell gezeigt werden, dass für die Untersuchung der ferromagnetischen Eigenschaften von Multiferroika die Kombination aus Kelvin-Sonden-Rasterkraftmikroskopie und magnetischer Rasterkraftmikroskopie notwendig ist und mit dieser Technik die magnetischen und elektrostatischen Kräfte ohne Übersprechen voneinander getrennt werden können. Mit Hilfe der Piezoantwort-Rasterkraftmikroskopie werden die ferroelektrischen Domänen dieser Systeme untersucht und lokal die Polarisationsrichtung in den einzelnen Domänen bestimmt. Weiterhin wird an einem Schichtsystem, bestehend aus einem Nickelfilm, der auf BaTiO3 aufgebracht ist, die magnetoelektrische Kopplung analysiert. Hierbei wird vor allem der Einfluss einer elektrischen Spannung auf die leichte magnetische Achse des Nickelfilms studiert, sowie die Veränderung der magnetischen Domänenstruktur in Abhängigkeit der angelegten elektrischen Spannung.

Multiferroika, also Materialien, die gleichzeitig ferroelektrische und ferromagnetische Eigenschaften besitzen, sind sowohl für die Forschung um das Verständnis dieser Eigenschaften als auch für potentielle Anwendungen in neuartigen Speichern von großem Interesse. Die Rasterkraftmikroskopie spielt hierbei eine entscheidende Rolle, da mit ihrer Hilfe die Eigenschaften solcher Probensysteme auf der Nanometerlängenskala untersucht werden können. In der vorliegenden Arbeit werden drei unterschiedliche multiferroische Systeme auf ihre ferroelektrischen und ferromagnetischen Eigenschaften sowie auf deren Kopplung hin mit Hilfe verschiedener Methoden der Rasterkraftmikroskopie untersucht. Im Grundlagenteil dieser Arbeit wird dazu zunächst eine Methode vorgestellt, mit der magnetische Spitzen für die Rasterkraftmikroskopie charakterisiert werden können, so dass in experimentellen Untersuchungen die Wechselwirkung zwischen der untersuchenden Spitze und der untersuchten Probe besser abgeschätzt werden kann. Des Weiteren wird eine Möglichkeit vorgestellt, Kelvin-Sonden-Rasterkraftmikroskopie mit der magnetischen Rasterkraftmikroskopie zu kombinieren, um elektrostatische Artefakte bei den Untersuchungen der magnetischen Eigenschaften auszuschließen. Im experimentellen Teil der Arbeit werden zuerst die beiden einphasigen Multiferroika BiFeO3 und BiCrO3 untersucht. Es kann experimentell gezeigt werden, dass für die Untersuchung der ferromagnetischen Eigenschaften von Multiferroika die Kombination aus Kelvin-Sonden-Rasterkraftmikroskopie und magnetischer Rasterkraftmikroskopie notwendig ist und mit dieser Technik die magnetischen und elektrostatischen Kräfte ohne Übersprechen voneinander getrennt werden können. Mit Hilfe der Piezoantwort-Rasterkraftmikroskopie werden die ferroelektrischen Domänen dieser Systeme untersucht und lokal die Polarisationsrichtung in den einzelnen Domänen bestimmt. Weiterhin wird an einem Schichtsystem, bestehend aus einem Nickelfilm, der auf BaTiO3 aufgebracht ist, die magnetoelektrische Kopplung analysiert. Hierbei wird vor allem der Einfluss einer elektrischen Spannung auf die leichte magnetische Achse des Nickelfilms studiert, sowie die Veränderung der magnetischen Domänenstruktur in Abhängigkeit der angelegten elektrischen Spannung.:Abbildungsverzeichnis Abkürzungen 1. Einleitung I. Grundlagen 2. Ferroische Materialien 2.1. Ferromagnetika 2.2. Ferroelektrika 2.3. Kopplung ferroischer Eigenschaften: Multiferroika 3. Messmethoden 3.1. Grundlagen der Rasterkraftmikroskopie 3.1.1. Kontakt-Rasterkraftmikroskopie 3.1.2. Nichtkontakt-Rasterkraftmikroskopie 3.2. Piezoantwort-Rasterkraftmikroskopie 3.2.1. Aufbau und Grundlagen 3.2.2. Verwendete Messgeräte 3.3. Kelvin-Sonden-Rasterkraftmikroskopie 3.4. Magnet-Rasterkraftmikroskopie 3.4.1. Grundlagen 3.4.2. MFM in externen Magnetfeldern 3.4.3. Verwendete Messgeräte II Experimente 4. Experimente 4.1. Charakterisierung magnetischer Spitzen 4.2. Untersuchungen an BiFeO3 4.2.1. Eigenschaften von BiFeO3 4.2.2. Piezoantwort-Rasterkraftmikroskopie-Messungen 4.2.3. Magnetische-Rasterkraftmikroskopie-Messungen 4.3. Untersuchungen an BiCrO3 4.3.1 Eigenschaften von BiCrO3 4.3.2. Piezoantwort-Rasterkraftmikroskopie-Messungen 4.3.3. Magnetische-Rasterkraftmikroskopie-Messungen 4.4. Untersuchungen an Ni-Dünnfilmen auf BaTiO3 4.4.1. Magnetische Eigenschaften von Ni 4.4.2. Theoretische Beschreibung des Systems 4.4.3. Magnetische Rasterkraftmikroskopie-Messungen 5. Zusammenfassung und Ausblick Angang A A.1. Koordinatentransformation des piezoelektrischen Tensors A.2. Bestimmung der Polarisationsrichtung aus der Verzerrung Literaturverzeichnis Eigene Publikationen A.3. Vorträge A.4. Poster A.5. Veröffentlichungen Danksagung

EcoP15I ist ein Vertreter der multifunktionalen, heterooligomeren Typ III Restriktionsendonukleasen. Typ III Restriktionsendonukleasen sind wegen der Lage ihres Spaltortes, ca. 25 bp vom Erkennungsort entfernt, von besonderem Interesse für Anwendungen in der Medizin und funktionellen Genomanalyse. EcoP15I erkennt die DNA-Sequenz 5''-CAGCAG und benötigt für eine effektive DNA-Spaltung zwei invers orientierte Erkennungsorte auf einem DNA-Molekül. Nach dem bisherigen DNA-Translokations-Modell bindet je ein EcoP15I-Protein an je einen Erkennungsort und startet dann durch ATP-Hydrolyse vermittelte DNA-Translokation. Die Kollision der beiden EcoP15I-DNA-Komplexe initiiert die DNA-Doppelstrang-Spaltung. Experimente zur Erkennungsort-Suche von EcoP15I zeigen, dass über längere Distanzen offenbar nicht das "Sliding", sondern ein dreidimensionaler Prozess die bevorzugte Bewegung von EcoP15I an der DNA ist. Eine erhöhte Anzahl von Wiederholungen von CAG-Trinukleotiden (CAG-Repeats) im Exon 1 des Gens für Chorea Huntington (Huntington Disease - HD) führt zur Manifestation dieser neurodegenerativen Erkrankung. Für die Diagnostik der Erkrankung ist die exakte Bestimmung der Anzahl der CAG-Repeats von Bedeutung. Diese Arbeit zeigt die Spaltung von HD Gen Exon 1 DNA durch EcoP15I. Die halbautomatische, hoch-sensitive Analyse dieses Spaltmusters ermöglicht die exakte Bestimmung der Anzahl der CAG-Repeats. Diese Arbeit liefert den ersten Nachweis für die DNA-Translokation durch eine Typ III-Restriktionsendonuklease. Die postulierten EcoP15I-DNA-Schlaufen wurden mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie (SFM) abgebildet. Dadurch wird das DNA-Translokations-Modell der DNA-Spaltung durch EcoP15I bestätigt. Es werden Gemeinsamkeiten und Unterschiede des gesamten DNA-Spaltvorganges der Typ III Restriktionsendonuklease EcoP15I in bezug auf andere Restriktionsendonukleasen diskutiert. / EcoP15I is a multifunctional, hetero-oligomeric Type III restriction enzyme. Type III restriction enzymes are of general interest in medicine and functional genome analysis because they cut DNA 25 bp downstream of their recognition site. EcoP15I recognises the DNA sequence 5`-CAGCAG and needs two inverse oriented recognition sites for effective DNA cleavage. According to the present translocation collision model DNA cleavage was proposed to result from ATP dependent DNA translocation, which is expected to induce DNA loop formation, and collision of two enzyme-DNA complexes. Experiments show that EcoP15 moves rather in a three-dimensional than in a "sliding" process in search for its recognition site. Huntington''s disease (HD) is a progressive neurodegenerative disorder with autosomal-dominant inheritance. The disease is caused by a CAG trinucleotide repeat expansion located in the first exon of the HD gene. To diagnose the illness the exact determination of the number of CAG repeats is necessary. This study shows that the number of CAG repeats in the HD gene can be determined by restriction of the DNA with the endonuclease EcoP15I and subsequent high-resolution analysis of the restriction fragment pattern using the ALFexpress DNA Analysis System. Here, for the first time DNA translocation by the Type III restriction enzyme EcoP15I is demonstrated. The postulated EcoP15-DNA loops are visualised using scanning force microscopy. This confirms the translocation-collision model for DNA cleavage by EcoP15. Similarities and differences between the DNA cleavage processes of the Type III restriction enzyme EcoP15I and other restriction enzymes are discussed.

Multivalente Wechselwirkungen sind in diversen biomolekularen und supramolekularen Systemen anzutreffen. Gewöhnlich werden sie durch ihre thermische Stabilität charakterisiert. Doch auch das mechanische Reißverhalten ist relevant: Ein System mit großer Reißlänge (Verformbarkeit) weist zwar eine geringere Reißkraft auf, kann aber besser auf äußere Einflüsse ohne Bindungsbruch reagieren. Daher besteht ein zunehmendes Interesse an Modellen zur Vorhersage der mechanischen Stabilität multivalenter Wechselwirkungen. Einzelmolekül-Kraftspektroskopie (SMFS) ist eine nützliche Methode, um den Reißprozess nichtkovalenter Wechselwirkungen zu studieren. Im Rahmen dieser Dissertation wurden mono- und bivalenten Pyridine, komplexiert und verbunden durch Cu(II) und Zn(II), entworfen und untersucht. Die drei bivalenten Pyridine wiesen unterschiedlich flexible Rückgratstrukturen auf (flexibel, teilflexibel, steif). Überraschenderweise wurde ein anderer Trend für die Verformbarkeiten gemessen (flexibel > steif > teilflexibel). Durch Vergleich von experimentellen Daten mit ab-initio Berechnungen konnten komplexe Reißmechanismen vorgeschlagen werden: Das Lösungsmittel war entscheidend und führte zu wasserverbrückten Zwischenprodukten, was die Verformbarkeit aller Systeme stark erhöhte. Im bivalente System mit teilflexiblem Rückgrat, koordiniert durch Cu(II), rissen beide Bindungen gleichzeitig bei vergleichsweise großen Kräften. Die beiden anderen Systeme mit Cu(II) wurden in zweistufigen Prozessen voneinander getrennt, was kleinere Reißkräfte zur Folge hatte. Insbesondere das flexible System war zwar thermisch stabiler, brach aber leichter als das monovalente System. Damit wurde zum ersten Mal der große Einfluss des Rückgrats, bei sonst gleicher Art von Wechselwirkung, auf die mechanische Stabilität bivalenter Wechselwirkungen gezeigt. Außerdem ist das entwickelte Modellsystem sehr nützlich für weiterführende Untersuchungen in biologisch relevanten wässrigen Lösungsmitteln. / Multivalent interactions are ubiquitous in biomolecular and supramolecular systems. They are commonly characterized by their thermal stability in terms of average bond lifetime or equilibration constant. However, also mechanical stabilities are relevant: A system with high rupture length (malleability) has a lower rupture force, but can more easily adopt to external constraints without rupture. Thus it is of ever-increasing interest to find appropriate models that allow predictions on the mechanical stability of multivalent interactions. Single-molecule force spectroscopy (SMFS) is a powerful tool to study the rupture process of non-covalent interactions. In the present thesis, a comprehensive study on the mechanical stability of bivalent pyridine coordination compounds with the metal ions Cu(II) and Zn(II) was performed. Surprisingly, three different backbone flexibilities (high, intermediate, low) did not correlate with the measured malleabilities (high > low > intermediate). Instead, comparison between experimental results and ab-initio calculations revealed more complex underlying rupture mechanisms: Due to the aqueous environment, hydrogen bound complexes were formed and important intermediate structures that strongly increased malleabilities. Both interactions of the intermediately flexible bivalent system with Cu(II) broke simultaneous, yielding comparatively large rupture forces. The bivalent interactions of high and low backbone flexibility with Cu(II) broke stepwise at smaller forces. Although being thermally more stable, the highly flexible system even broke at lower forces than the monovalent system. Thereby it was shown for the first time, that rupture forces of similar systems can be tuned over a broad range, just by changing the connecting backbone structure. Furthermore, the developed approach is a rich toolkit to study further the balanced interplay between rupture force and malleability in biologically relevant aqueous solvents.

Synthetic biomaterials are constantly being developed and play central roles in contemporary strategies in regenerative medicine and tissue engineering as artificial extracellular microenvironments. Such scaffolds provide 2D- and 3D-support for interaction with cells and thus convey spatial and temporal control over their function and multicellular processes, such as differentiation and morphogenesis. A model fibrillar system with tunable viscoelastic properties, comprised of 2 native ECM components like collagen type I and the GAG heparin, is presented here. Although the individual components comply with the adhesive, mechanical and bioinductive requirements for artificial reconstituted ECMs, their interaction and structural characterization remains an intriguing conundrum. The aim of the work was to analyze and structurally characterize a xenogeneic in vitro cell culture scaffold reconstituted from two native ECM components, collagen type I and the highly negatively charged glycosaminoglycan heparin. Utilizing a broad spectrum of structural analysis it could be shown that pepsin-solubilized collagen type I fibrils, reconstituted in vitro in the presence of heparin, exhibit an unusually thick and straight shape, with a non-linear dependence in size distribution, width-to-length ratio, and morphology over a wide range of GAG concentrations. The experiments imply a pronounced impact of the nucleation phase on the cofibril morphology as a result of the strong electrostatic interaction of heparin with atelocollagen. Heparin is assumed to stabilize the collagen-GAG complexes and to enhance their parallel accretion during cofibrillogenesis, furthermore corroborated by the heparin quantitation data showing the GAG to be intercalated as a linker molecule with a specific binding site inside the cofibrils. In addition, the exerted morphogenic effect of the GAG, appears to be influenced by factors as degree of sulfation, charge, and concentration. Further detailed structural analysis of the PSC-heparin gels using TEM and SFM showed a hierarchy involving 3 different structural levels and banding patterns in the system: asymmetric segment longspacing (SLS) fibrils and symmetric segments with an average periodicity (AP) of 250 - 260 nm, symmetric fibrous longspacing (FLS IV) nanofibrils with AP of 165 nm, and cofibrils exhibiting an asymmetric D-periodicity of 67 nm with a striking resemblance to the native collagen type I banding pattern. The intercalation of the high negatively charged heparin in the cofibrils was suggested as the main trigger for the hierarchical formation of the polymorphic structures. We also proposed a model explaining the unexpected presence of a symmetric and asymmetric form in the system and the principles governing the symmetric or asymmetric fate of the molecules. The last section of the experiments showed that the presence of telopeptides and heparin both had significant effects on the structural and mechanical characteristics of in vitro reconstituted fibrillar collagen type I. The implemented structural analysis showed that the presence of telopeptides in acid soluble collagen (ASC) impeded the reconstitution of D-periodic collagen fibrils in the presence of heparin, leaving behind only a symmetric polymorphic form with a repeating unit of 165 nm (FLS IV). Further x-ray diffraction analysis of both telopeptide-free and telopeptide-intact collagen fibrils showed that the absence of the flanking non-helical termini in pepsin-solubilized collagen (PSC) resulted in a less compact packing of triple helices of atelocollagen with an increase of interhelical distance from 1.0 to 1.2 nm in dried samples. The looser packing of the triple helices was accompanied by a decrease in bending stiffness of the collagen fibrils, which demonstrated that the intercalated heparin cannot compensate for the depletion of telopeptides. Based on morphological, structural and mechanical differences between ASC and PSC-heparin fibrils reported here, we endorsed the idea that heparin acts as an intrafibrillar cross-linker which competed for binding sites at places along the atelocollagen helix that are occupied in vivo by telopeptides in the fibrillar collagen type I. The performed studies are of particular interest for understanding and gaining control over a rather versatile and already exploited xenogeneic cell culture system. The reconstituted cofibrils with their unusual morphology and GAG intercalation – a phenomenon not reported in vivo – are expected to exhibit interesting biochemical behavior as a biomaterial for ECM scaffolds. Varying the experimental conditions, extent of telopeptide removal, and heparin concentration provides powerful means to control the kinetics, structure, dimensions, as well as mechanical properties of the system which is particularly important for predicting a certain cell behavior towards the newly developed matrix. The GAG intercalation could be interesting for studies with required long-term 'release upon demand' of the GAG, as well as native binding and stabilization of growth factors, cytokines, chemokines, thus providing a secondary tool to control cell signaling and fate, and later on tissue morphogenesis. / Synthetische Biomaterialien werden stetig weiterentwickelt und spielen als künstliche Mikroumgebungen eine zentrale Rolle in den modernen Strategien der regenerativen Medizin und des Tissue Engineerings. Solche sogenannten Scaffolds liefern eine 2D- und 3D-Struktur zur Interaktion mit Zellen und üben somit eine räumliche und zeitliche Kontrolle auf ihre Funktion und multizelluläre Prozesse aus, wie die Differenzierung und Morphogenese. Obwohl häufig die adhäsiven, mechanischen und bioinduzierenden Eigenschaften von Einzelkomponenten aus natürlichen Bestandteilen der extrazellulären Matrix (ECM) rekonstituierten Trägerstrukturen bekannt sind, bleiben die funktionalen und strukturellen Auswirkungen in Mehrkomponentensystemen eine faszinierende Fragestellung. Das Ziel der Arbeit war die Analyse und die strukturelle Charakterisierung einer xenogenen in vitro Zellkultur-Trägerstruktur, die aus den zwei nativen ECM Komponenten Kollagen Typ I und das stark negativ geladene Glykosaminoglykan (GAG) Heparin rekonstituiert wurde. Unter Nutzung eines breiten Spektrums von Methoden zur strukturellen Analyse konnte gezeigt werden, dass im Beisein von Heparin rekonstituierte Pepsin-gelöste Kollagen Typ I Fibrillen eine ungewöhnlich dicke und gerade Form, mit nichtlinearen Abhängigkeiten der Größenverteilung, des Breite-zu-Länge Verhältnises und der Morphologie für eine Reihe von GAG Konzentrationen, aufweisen. Die Experimente deuten auf eine besondere Wirkung der Nukleierungsphase auf die Kofibrillmorphologie hin, als Folge der starken elektrostatischen Inteaktionen Heparins mit Atelokollagen. Es wird angenommen, dass Heparin die Komplexe aus Kollagen-GAG stabilisiert, die parallele Anlagerung während der Kofibrillogenese verbessert und dass überdies, belegt durch Heparin Quantitätsdaten, als Verbindungsmolekül mit einer spezifischen Anbindungsstelle innerhalb der Kofibrillen eingelagert wird. Darüber hinaus scheint der ausgeübte morphogene Effekt des GAGs Heparins von Faktoren wie Grad der Sulfatierung, Ladung und Konzentration abzuhängen. Weitere detailierte Strukturanalysen der PSC - Heparin Gele mit TEM und SFM zeigten eine Hierarchie mit drei unterschiedlichen strukturellen Ebenen und Bandmustern im System: asymmetrisch segmentierte, weitabständige Fibrillen (SLS) und symmetrische Segmente mit einem AP von 250-260 nm, symmetrische fibrose weitabständige (FLS IV) Nanofibrillen mit einem AP von von 165 nm und Kofibrillen asymmetrischer D-Periodizität von 67 nm, die eine erstaunliche Ähnlichkeit zum natürlichen Kollagen Typ I Bandmuster haben. Die Einlagerung des sehr negativ geladenen Heparins in die Kofibrillen wurde als Hauptauslöser der hierarchischen Formation der polymorphen Strukturen betrachtet. Wir schlugen ebenso ein Model vor, welches sowohl das unerwartete Vorhandensein symmetrischer und asymmetrischer Formen im System als auch die Regeln erklärt, die das symmetrische oder asymmetrische Schicksal der Moleküle steuern. Der letzte Abschnitt der Experimente zeigte, dass die Anwesenheit der Telopeptide und Heparins eine signifikante Wirkung auf die strukturellen und mechanischen Charakteristika der in vitro rekonstituierten Kollagen Typ I Fibrillen hatte. Die durchgeführten Strukturanalysen zeigten außerdem, dass die Anwesenheit der Telopeptide in säurelöslichem Kollagen (ASC) die Rekonstitution D-periodischer Kollagenfibrillen mit Heparin verhinderte, sodass nur symmetrisch polymorphe Formen mit einer Wiederholeinheit von 165 nm möglich waren (FLS IV). Weitere Messungen der Telopeptid-freien und Telopeptid-intakten Kollagenfibrillen mit Röntgendiffraktometrie ergaben, dass die Abwesenheit der nicht-helix-strukturierten Enden in Pepsin-gelöstem Kollagen (PSC) zu einer weniger kompakten Anordnung der Tripelhelices von Atelokollagen führte. Der interhelix Abstand erhöhte sich von 1,0 zu 1,2 nm für getrocknete Proben. Das zeigt, dass die losere Anordnung der Tripelhelices einhergeht mit der Verringerung der Biege-Elastizitäts-module der Kollagenfibrillen,. Basierend auf den hier vorgestellten morphologischen, strukturellen und mechanischen Unterschieden zwischen ASC und PSC-Heparin Fibrillen wird die Idee unterstützt, dass Heparin als intrafibrillärer Vernetzer fungiert und an Bindungsstellen der Helix bindet, welche in vivo bei Kollagen Typ I Fibrillen durch Telopeptide besetzt sind. Die durchgeführten Studien sind von besonderem Interesse für das Verständnis und die Steuerung eines sehr vielseitigen und bereits verwendeten xenogenes Zellkultursystem für das Tissue Engineering. Von den rekonstituierten Kofibrillen mit ihrer ungewöhnlichen Morphologie und GAG Einlagerung - ein in vivo nicht bekanntes Phänomen - erwartet man, dass sie ein intressantes biochemisches Verhalten als Biomaterial für ECM Scaffolds zeigen. Variationen der experimentellen Bedingungen, des Ausmaßes der Telopeptidentfernung und der Heparinkonzentration liefern vielfältige Möglichkeiten um die Kinetik, Struktur, Dimension sowie die mechanischen Eigenschaften des Systems zu kontrollieren. Damit sollte es möglich sein, ein bestimmtes Zellverhalten gegenüber der neu entwickelten Matrix vorherzusagen. Die GAG-Einlagerung bietet interessante Optionen für eine langfristige Freisetzung des GAGs 'on demand', sowie die native Bindung und Stabilisierung von Wachstumsfaktoren, Cytokinen, Chemokinen, womit zusätzlich Zellsignalisierung und -schicksal und später Gewebemorphogenese kontrolliert werden kann.

Electron emission from ferroelectric materials is initiated by a variation of the spontaneous polarization. It is the main focus of this work to develop ferroelectric cathodes, which are characterized by a significantly decreased excitation voltage required to initiate the electron emission process. Particular attention is paid to the impact of the polarization on the emission process. Two materials are investigated. Firstly, relaxor ferroelectric lead magnesium niobate - lead titanate (PMN-PT) single crystals are chosen because of their low intrinsic coercive field. Electron emission current densities up to 5 · 10^(−5) A/cm² are achieved for excitation voltages of 160 V. A strong enhancement of the emission current is revealed for the onset of a complete polarization reversal. Secondly, lead zirconate titanate (PZT) thin films are investigated. A new method to prepare top electrodes with sub-micrometer sized, regularly patterned apertures is introduced and a stable electron emission signal is measured from these structures for switching voltages < 20 V. Furthermore, a detailed analysis of the polarization switching process in the PMN-PT samples is given, revealing a spatial rotation of the polarization vector into crystallographic easy axes, as well as the nucleation of reversed nano-domains. Both processes are initiated at field strengths well below the coercive field. The dynamics of the polarization reversal are correlated to the electron emission measurements, thus making it possible to optimize the efficiency of the investigated cathodes. / Die Ursache für Elektronenemission aus ferroelektrischen Materialien ist eine Veränderung des Zustandes der spontanen Polarisation. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist eine Verringerung der dafür nötigen Anregungsspannung, wobei besonderes Augenmerk auf die Rolle der ferroelektrischen Polarisation innerhalb des Emissionsprozesses gelegt wird. Es werden zwei verschiedene Materialien untersucht. Das Relaxor-Ferroelektrikum Bleimagnesiumniobat - Bleititanat (PMN-PT) wurde aufgrund seines geringen Koerzitivfeldes ausgewählt. Es konnten Emissionsstromdichten von bis zu 5·10^(−5) A/cm² bei einer Anregungsspannung von 160 V erreicht werden. Bei Einsetzen eines vollständigen Umschaltens der Polarisation wurde eine deutliche Verstärkung des Emissionsstromes festgestellt. Desweiteren werden Untersuchungen an Bleizirkoniumtitanat (PZT) Dünnfilmen gezeigt. Eine neue Methode, eine Elektrode mit periodisch angeordneten Aperturen im Submikrometerbereich zu präparieren, wird vorgestellt. Diese Strukturen liefern ein stabiles Emissionssignal für Anregungsspannungen < 20 V. Eine detailierte Analyse des Schaltverhaltens der Polarisation der PMN-PT Proben zeigt sowohl eine Rotation des Polarisationsvektors als auch eine Nukleation umgeschaltener Nanodomänen. Beide Prozesse starten bei Feldstärken unterhalb des Koerzitivfeldes. Die ermittelte Zeitabhängigkeit des Schaltprozesses erlaubt Rückschlüsse auf den Emissionsprozess und erlaubt es, die Effizienz der untersuchten Kathoden weiter zu optimieren.

For the past decades, Kelvin probe force microscopy (KPFM) developed from a sidebranch of atomic force microscopy to a widely used standard technique. It allows to measure electrostatic potentials on any type of sample material with an unprecedented spatial resolution. While the technical aspects of the method are well understood, the interpretation of measured data remains object of intense research. This thesis intends to prove an advanced view on how sample systems which are typical for ultrahigh resolution imaging, such as organic molecular submonolayers on metals, can be quantitavily analysed with the differential charge density model. In the first part a brief introduction into the Kelvin probe experiment and atomic force microscopy is given. A short review of the theoretical background of the technique is presented. Following, the differential charge density model is introduced, which is used to further explain the origin of contrast in Kelvin probe force microscopy. Physical effects, which cause the occurence of local differential charge densities, are reviewed for several sample systems that are of interest in high resolution atomic force microscopy. Experimental evidence for these effects is presented in the second part. Atomic force microscopy was used for in situ studies of a variety of sample systems ranging from pristine metal surfaces over monolayer organic adsorbates on metals to ferroelectric substrates both, with and without organic thin film coverage. As the result from these studies, it is shown that the differential charge density model accurately describes the experimentally observed potential contrasts. This implies an inherent disparity of the measurement results between the different Kelvin probe force microscopy techniques; a point which had been overseen so far in the discussion of experimental data. Especially for the case of laterally strong confined differential charge densities, the results show the opportunity as well as the necessity to explain experimental data with a combination of ab initio calculations of the differential charge density and an electrostatic model of the tip-sample interaction.