Photonic metasurfaces obtain their unique optical properties from the periodic arrangement of sub-wavelength building blocks and can manipulate light in ways that differ significantly from bulk materials. Until recently, metasurfaces have been fabricated using top-down methods on a limited surface area. With the development of directed self-assembly methods and utilization of nanoscale colloids, metasurfaces can be fabricated on a larger scale and with reasonable efforts. In particular, soft nanoimprint lithography, based on the controlled drying of the colloidal solution within a structured template, allows for the precise placement of versatile colloidal building blocks on a substrate of choice. In this dissertation, the material and optical properties of self-assembled plasmonic and photoluminescent nanoparticles are systematically studied in terms of their short- and long-range interactions. It is shown that 1D plasmonic lattices exploit the intrinsic anisotropy and substrate-dependent collective resonant coupling. Likewise, semiconductor nanoparticles organized into linear gratings, result in light-emitting metasurfaces, featuring geometry-dependent amplification of the photoluminescence that can be further promoted to a non-linear amplification regime. Moreover, on flexible substrates, these self-assembled light-emitting metasurfaces can be stacked and twisted, inducing remarkably strong chiral effects and subsequently used for directional light sources, nanolasers, sensing, and labeling applications. Supported by theoretical modeling, this work provides a novel approach to realize anisotropic and non-linear optical properties on centimeter-scaled surface area using soft-lithography and directed self-assembly methods. It bridges the gap between nanoscale colloids and optoelectronics while advancing the integration of metasurfaces into functional devices. / Photonische Metaoberflächen erhalten ihre einzigartigen optischen Eigenschaften durch die periodische Anordnung von Bauelementen im Sub-Wellenlängenbereich und können Licht auf eine Weise manipulieren, die sich deutlich von Ausgangsmaterialien unterscheidet. Bis vor kurzem wurden Metaoberflächen mit Top-Down-Methoden auf einer begrenzten Oberfläche hergestellt. Mit der Entwicklung von Methoden der gerichteten Selbstorganisation und der Nutzung von Kolloiden im Nanomaßstab können Metaoberflächen in größerem Maßstab und mit angemessenem Aufwand hergestellt werden. Insbesondere die Soft-Nanoimprint-Lithographie, die auf der kontrollierten Trocknung der kolloidalen Lösung innerhalb einer strukturierten Template basiert, ermöglicht die präzise Platzierung vielseitiger kolloidaler Bauelemente auf einem Substrat der Wahl. In dieser Dissertation werden die materiellen und optischen Eigenschaften selbstorganisierter plasmonischer und photolumineszenter Nanopartikel im Hinblick auf ihre Kurz- und Langstreckenwechselwirkungen systematisch untersucht. Es wird gezeigt, dass plasmonische 1D-Gitter die intrinsische Anisotropie und die substratabhängige kollektive Resonanzkopplung ausnutzen. Ebenso führen Halbleiter-Nanopartikel, die in linearen Gittern organisiert sind, zu lichtemittierenden Metaoberflächen, welche eine geometrieabhängige Verstärkung der Photolumineszenz aufweisen, die bis zu einem nichtlinearen Verstärkungsregime weitergeführt werden kann. Außerdem können diese selbstorganisierten, lichtemittierenden Metaoberflächen auf flexiblen Substraten gestapelt und verdreht werden, was zu bemerkenswert starken chiralen Effekten führt und anschließend für gerichtete Lichtquellen, Nanolaser, Sensor- und Beschriftungsanwendungen genutzt werden kann. Unterstützt durch theoretische Modellierung bietet diese Arbeit einen neuartigen Ansatz zur Realisierung anisotroper und nichtlinearer optischer Eigenschaften auf zentimetergroßen Oberflächen unter Verwendung von Softlithographie und Methoden der gerichteten Selbstmontage. Sie überbrückt die Lücke zwischen Kolloiden im Nanomaßstab und der Optoelektronik und treibt gleichzeitig die Integration von Metaoberflächen in funktionale Geräte voran.

In dieser Dissertation wird die Entwicklung eines selbstorganisierenden Produktionssystems untersucht, um die Herausforderungen in der Produktionsplanung und -steuerung, insbesondere bei Unsicherheiten, besser zu bewältigen. Die Arbeit analysiert zunächst die Grundlagen der Produktionsplanung und -steuerung, gefolgt von einer detaillierten Untersuchung des interdisziplinären Themas der Selbstorganisation. Basierend darauf wird ein Vorgehen zur Identifikation geeigneter Methoden der Selbstorganisation für eine bestimmte Problemstellung entwickelt und auf Produktionsplanung und -steuerung angewendet. Durch die Bewertung bestehender Referenzarchitekturen und deren Integration in ein Framework für selbstorganisierende Produktion, werden selbstorganisierende Verfahren mit etablierten Verfahren der Produktionsplanung und -steuerung verglichen. Die Arbeit zeigt die Überlegenheit der selbstorganisierenden Systeme bei der Planung unter Unsicherheit und liefert nachweislich Verbesserungen hinsichtlich der sekundären und tertiären Ziele der Produktion. Die Dissertation gliedert sich in acht Kapitel, die jeweils verschiedene Aspekte der Selbstorganisation, Produktionsplanung und -steuerung, sowie die Entwicklung und Evaluation eines selbstorganisierenden Produktionssystems behandeln. Die Ergebnisse dieser Arbeit haben das Potenzial, die Produktionsplanung und -steuerung unter Unsicherheit effektiver zu gestalten und somit eine bedeutende Verbesserung für die Industrie zu bieten.:1. Einleitung 1.1. Motivation zur Nutzung von Selbstorganisation in der Produktionsplanung und -steuerung 1.2. Forschungsfragen: Wie kann Selbstorganisation bei der Bewältigung der Aufgaben der PPS helfen? 1.3. Aufbau und Vorgehensweise dieser Arbeit 2. Produktionsplanung und -steuerung 2.1. Einführung in die Produktionsplanung und -steuerung 2.1.1. Planung 2.1.2. Produktion 2.1.3. Produktionsplanung und -steuerung 2.2. Ziele der Produktionsplanung und -steuerung 2.2.1. Primäre Ziele 2.2.2. Sekundäre Ziele 2.2.3. Tertiäre Ziele 2.3. Zentral organisierte Produktionsplanung und -steuerung 2.3.1. Aufbau der zentral organisierten Produktionsplanung und -steuerung 2.3.2. Ablauf der zentral organisierten Produktionsplanung 2.3.3. Ablauf der zentral organisierten Produktionssteuerung 2.4. Unsicherheit in der Produktionsplanung und -steuerung 2.5. Arten von Entscheidungsproblemen in der Produktionsplanung und -steuerung 3. Selbstorganisation 3.1. Selbstorganisation in komplexen Systemen 3.2. Sich selbst organisierenden Systemen zugeschriebene Eigenschaften 3.2.1. Offenheit des Systems 3.2.2. Emergenz des Systems 3.2.3. Nichtlinearität des Systems 3.2.4. Attraktoren im Zustandsraum des Systems 3.2.5. Indeterminismus des Systems 3.2.6. Pfadabhängigkeit des Systems 3.2.7. Autonomie der Elemente im System 3.2.8. Autopoiesis neuer Elemente im System 3.2.9. Anpassungsfähigkeit des Systems 3.3. Von statischen zu sich selbst organisierenden Systemen 4. Vorgehensweise zur Entwicklung eines sich selbst organisierenden Systems zur Produktionsplanung und -steuerung 4.1. Vorgehen zur Entwicklung sich selbst organisierender Systeme 4.2. Elemente eines sich selbst organisierenden Systems 4.3. Umwelteinflüsse und Interaktionsmuster sich selbst organisierender Systeme 4.3.1. Taxonomie der Interaktion zur Koordination 4.3.2. Interaktionsmuster zur Koordination sich selbst organisierender Systeme 4.3.3. Zuordnung von Interaktionsmustern zu Entscheidungsproblemen 4.4. Organisationsstrukturen von Systemen 4.5. Ungewollte Phänomene bei der Verwendung von Selbstorganisation 4.6. Anwendungsgebiete der Selbstorganisation in der Produktionsplanung und -steuerung 5. Referenzarchitekturen für sich selbst organisierende Systeme und für die Produktionsplanung und -steuerung 5.1. Anforderungen an eine sich selbst organisierende Produktionsplanung und -steuerung 5.2. Referenzarchitekturen für sich selbst organisierende Systeme 5.2.1. Autonomic Computing 5.2.2. Organic Computing 5.2.3. Multi-Agenten Systeme 5.2.4. Aktor-Modell 5.2.5. Warteschlangennetzwerke 5.3. Referenzarchitekturen für die Produktionsplanung und -steuerung 5.3.1. Product Ressource Order Straff Architecture 5.3.2. ISA-95 5.3.3. Reference Architecture Model for Industry 4.0 5.4. Herausforderungen der Überführung einer sich selbst organisierenden Produktion in die Realität 6. Architektur für eine sich selbst organisierte Produktion 6.1. MATE - Manufacturing on Actor Technology 6.2. Elemente der sich selbst organisierenden Produktionsplanung und -steuerung 6.3. Umwelteinflüsse auf die sich selbst organisierende Produktionsplanung und -steuerung 6.4. Organisation der Elemente 6.4.1. Koordination der sich selbst organisierenden Produktionsplanung und -steuerung 6.4.2. Verhalten bei der sich selbst organisierten Planung 6.4.3. Verhalten bei der sich selbst organisierten Produktionssteuerung 7. Evaluierung der sich selbst organisierenden Produktionsplanung und -steuerung 7.1. Ablauf der Evaluation der Produktionsplanung und -steuerung 7.2. Datenerhebung für verschiedene Produktionen 7.2.1. Möglichkeiten der Datenerhebung 7.2.2. Grundlegendes Vorgehen zur Testdatengenerierung 7.2.3. Strukturbeschreibende Kennzahlen der Produktion 7.3. Generierung der Daten für die Evaluierung der Produktionsplanung und -steuerung 7.3.1. Validierung der generierten Testdaten 7.3.2. Generierung der zu evaluierenden Produktion 7.4. Beschreibung der Ansätze zur zentralen und dezentralen Produktionsplanung und -steuerung zum Zweck des Vergleichs 7.4.1. Zentral organisiertes Planungssystem 7.4.2. Dezentral organisiertes Planungssystem mittels erschöpfender Zuteilung 7.5. Vergleich der Ansätze hinsichtlich der Ziele der Produktionsplanung und -steuerung 7.5.1. Effizienz 7.5.2. Termintreue der Kundenaufträge 7.5.3. Durchlaufzeit der Materialien 7.5.4. Auslastung der Produktionsressourcen 7.5.5. Lagerbelegung über die Zeit 7.5.6. Stabilität 7.5.7. Robustheit 7.5.8. Flexibilität 7.5.9. Anpassungsfähigkeit 7.5.10. Skalierbarkeit 7.6. Vergleich der Ansätze hinsichtlich verschiedener Eigenschaften der Produktion 8. Einordnung und Bewertung der Ergebnisse, Zusammenfassung und Ausblick 8.1. Einordnung der Eigenschaften der sich selbst organisierenden Produktionsplanung und -steuerung 8.2. Bewertung der Ergebnisse der Evaluation der sich selbst organisierenden Produktionsplanung und -steuerung 8.3. Zusammenfassung 8.4. Ausblick

This dissertation offers demonstrations of autonomous catalytic microtubes (microjet engines) with tunable diameters ranging from micro- to nanoscale and lengths from 50 μm to 1 mm. These results open the door to effective microengines and represent the entry in the Guinness Book of World Records for “the smallest man-made jet engine.” Several attractive methodologies of machine-based functions at the micro- and nanoscale are shown. For instance, catalytic Ti/Cr/Pt microjets, which are integrated on a planar substrate, can operate as “on chip” chemical micropumps by decomposition of hydrogen peroxide fuel into oxygen bubbles and water. When released from a substrate, microjets self-propel autonomously in solution. The incorporation of ferromagnetic layer (Fe) into the rolled-up geometry enables their remote control using external magnetic field. Such microjets were used to load, transport, deliver and assemble multiple cargo particles, including biological cells in bulk solutions and microfluidic channels. Furthermore, it is demonstrated that for microjets that are fixed to or self-propelled above a platinum patterned surface, the microengine power/speed can be controlled using a white lightsource. A change in intensity of the white light leads to a controllable switching “off” and “on” of the microengine power on demand. Light degrades a local concentration of the hydrogen peroxide fuel and surface tension and subsequently suppresses the generation of oxygen microbubbles. In the next step, the diameter of the microjets was rigorously reduced to 250 nm by using hybrid heteroepitaxial/catalytic InGaAs/GaAs/Cr/Pt nanotubes. Due to asymmetry of the rolled-up layers, these nanojets move in corkscrew-like motions and act as “self-propelled nanotools,” which were used in the next step to transport yeast cells and drill into fixed cancer Hela cells. Although it is well-known that hydrogen peroxide cannot be used to sustain viable cellular function, it is however conceivable that alternative fuels, such as glucose, might enable operation of such nanotools under biologically compatible conditions. As a first step to achieve this goal, demonstrations were made using metal-enzyme biocatalytic Ti/Au/SAM/Catalase microengines. Synthetic components with competing interactions are well-suited to study the emergence of their collective behavior, such as swarms of large numbers of individuals. Microengines’ self-organization in bistable swarms is shown at the air-liquid interface of the mixture of propylene carbonate and hydrogen peroxide. Microengines act as “water striders.” Buoyed by oxygen bubbles, they self-propel via the microbubble recoiling mechanism and, depending on the bubbles’ sizes, self-organize into swarms due to the meniscus climbing effect. These reversible swarms depend on the microengine power, which competes against attracting surface tension force. The demonstrated microjet engines show great promise for emerging applications, including biomedical, on-chip, environmental, and robotic micromachines. Furthermore, a key method discovered, entitled “rolled-up nanotechnology on polymers,” allowed for the fabrication of highly parallel arrays of microtubes with multiple functionalities and aimed for different purposes.

In this thesis we investigate the formation of patterns in a simple activator-inhibitor model supplemented with an inhibitory nonlocal coupling term. This model exhibits a wave instability for slow inhibitor diffusion, while, for fast inhibitor diffusion, a Turing instability is found. For moderate values of the inhibitor diffusion these two instabilities occur simultaneously at a codimension-2 wave-Turing instability. We perform a weakly nonlinear analysis of the model in the neighbourhood of this codimension-2 instability. The resulting amplitude equations consist in a set of coupled Ginzburg-Landau equations. These equations predict that the model exhibits bistability between travelling waves and Turing patterns. We present a study of interfaces separating wave and Turing patterns arising from the codimension-2 instability. We study theoretically and numerically the dynamics of such interfaces in the framework of the amplitude equations and compare these results with numerical simulations of the model near and far away from the codimension-2 instability. Near the instability, the dynamics of interfaces separating small amplitude Turing patterns and travelling waves is well described by the amplitude equations, while, far from the codimension-2 instability, we observe a locking of the interface velocities. This locking mechanism is imposed by the absence of defects near the interfaces and is responsible for the formation of drifting pattern domains, i.e. moving localised patches of travelling waves embedded in a Turing pattern background and vice versa.

Die vorliegende Arbeit beschreibt Herstellungsmöglichkeiten für sogenannte Saturn-Partikel. Es handelt sich dabei um Partikel, die auf ihrer Oberfläche drei Bereiche mit unterschiedlichen Eigenschaften aufweisen. Zwei Kappen mit gleichen Eigenschaften sind durch einen Gürtel getrennt, der sich stark von den Kappen unterscheidet. Im Speziellen geht es hier um die unterschiedliche Benetzbarkeit der Bereiche. Die Herstellung von Saturn-Partikeln mit einem hohen Benetzungskontrast wurde auf zwei verschiedenen Wegen realisiert. Als Ausgangspunkt dienten Mikroglaskugeln, die zunächst zur Hydrophobierung ihrer Oberfläche mit einem Silan behandelt wurden. Eine Art der Saturn-Partikel wurde durch das Ätzen eines Gürtels rund um die Partikel mit Flusssäure in einer im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Spülzelle erzeugt. Auf diese Weise konnten Partikel mit zwei hydrophoben Kappen und einem hydrophilen Gürtel erhalten werden. Eine weitere Art dieser Partikel wurde durch das Abschleifen der Partikelkappen nach vorheriger Einbettung in Polymerfilme erhalten, wodurch die hydrophobe Beschichtung abgetragen und das ursprünglich hydrophile Glas freigelegt wurde. Die so erhaltenen Partikel wiesen zwei parallele, hydrophile Bereiche auf, die durch einen hydrophoben Gürtel voneinander getrennt waren. Es wird gezeigt, dass Saturn-Partikel in Systemen mit Wasser und Öl beim Mischen von unterschiedlichen Anteilen der drei Phasen durch Selbstorganisationsprozesse verschiedene Strukturen wie Ketten oder Schichten ausbilden können. Des Weiteren sind sie in der Lage in einem System mit Wasser und Luft besondere Schäume auszubilden, die eine sehr hohe Stabilität aufweisen. Die Partikel stabilisieren darin Flüssigkeitsfilme zwischen den Luftblasen, wobei der hydrophile Gürtel im Wasserfilm und die hydrophoben Kappen in der Luft liegen.

Die vorliegende Arbeit beschreibt Herstellungsmöglichkeiten für sogenannte Saturn-Partikel. Es handelt sich dabei um Partikel, die auf ihrer Oberfläche drei Bereiche mit unterschiedlichen Eigenschaften aufweisen. Zwei Kappen mit gleichen Eigenschaften sind durch einen Gürtel getrennt, der sich stark von den Kappen unterscheidet. Im Speziellen geht es hier um die unterschiedliche Benetzbarkeit der Bereiche. Die Herstellung von Saturn-Partikeln mit einem hohen Benetzungskontrast wurde auf zwei verschiedenen Wegen realisiert. Als Ausgangspunkt dienten Mikroglaskugeln, die zunächst zur Hydrophobierung ihrer Oberfläche mit einem Silan behandelt wurden. Eine Art der Saturn-Partikel wurde durch das Ätzen eines Gürtels rund um die Partikel mit Flusssäure in einer im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Spülzelle erzeugt. Auf diese Weise konnten Partikel mit zwei hydrophoben Kappen und einem hydrophilen Gürtel erhalten werden. Eine weitere Art dieser Partikel wurde durch das Abschleifen der Partikelkappen nach vorheriger Einbettung in Polymerfilme erhalten, wodurch die hydrophobe Beschichtung abgetragen und das ursprünglich hydrophile Glas freigelegt wurde. Die so erhaltenen Partikel wiesen zwei parallele, hydrophile Bereiche auf, die durch einen hydrophoben Gürtel voneinander getrennt waren. Es wird gezeigt, dass Saturn-Partikel in Systemen mit Wasser und Öl beim Mischen von unterschiedlichen Anteilen der drei Phasen durch Selbstorganisationsprozesse verschiedene Strukturen wie Ketten oder Schichten ausbilden können. Des Weiteren sind sie in der Lage in einem System mit Wasser und Luft besondere Schäume auszubilden, die eine sehr hohe Stabilität aufweisen. Die Partikel stabilisieren darin Flüssigkeitsfilme zwischen den Luftblasen, wobei der hydrophile Gürtel im Wasserfilm und die hydrophoben Kappen in der Luft liegen.

In this thesis we investigate the formation of patterns in a simple activator-inhibitor model supplemented with an inhibitory nonlocal coupling term. This model exhibits a wave instability for slow inhibitor diffusion, while, for fast inhibitor diffusion, a Turing instability is found. For moderate values of the inhibitor diffusion these two instabilities occur simultaneously at a codimension-2 wave-Turing instability. We perform a weakly nonlinear analysis of the model in the neighbourhood of this codimension-2 instability. The resulting amplitude equations consist in a set of coupled Ginzburg-Landau equations. These equations predict that the model exhibits bistability between travelling waves and Turing patterns. We present a study of interfaces separating wave and Turing patterns arising from the codimension-2 instability. We study theoretically and numerically the dynamics of such interfaces in the framework of the amplitude equations and compare these results with numerical simulations of the model near and far away from the codimension-2 instability. Near the instability, the dynamics of interfaces separating small amplitude Turing patterns and travelling waves is well described by the amplitude equations, while, far from the codimension-2 instability, we observe a locking of the interface velocities. This locking mechanism is imposed by the absence of defects near the interfaces and is responsible for the formation of drifting pattern domains, i.e. moving localised patches of travelling waves embedded in a Turing pattern background and vice versa.

In der vorgelegten Arbeit wurden zwei Arten von Quantendrahtstrukturen untersucht, die mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt wurden. Erstens ist dies eine laterale Quantendrahtstruktur, die sich entlang einer Mesakante durch selektives Wachstum auf strukturierten GaAs (311)A-Substraten ausbildet. Zunächst wurden vertikal gestapelte Quantendrähte mit starker elektronischer Kopplung realisiert. Weiterhin wurden, unter Nutzung des amphoteren Einbaus von Si, p-i-n-Leuchtdioden mit einem einzelnen Quantendraht in der aktiven Zone hergestellt, die sich durch selektive Ladungsträgerinjektion in die Quantendrähte auszeichnen. Die Leuchtdioden wurden weitergehend mittels Mikrophotolumineszenz(µ-PL), Kathodolumineszenz (CL) und Elektronenstrahl-induziertem Strom (EBIC) charakterisiert. Zur Erklärung der selektiven Elektrolumineszenz (EL) wurde ein Modell, basierend auf der lateralen Diffusion von Elektronen und Löchern, vorgeschlagen. Für verspannte Systeme wurde der Einfluss von atomarem Wasserstoff auf das Wachstum von (In,Ga)As auf GaAs (311)A und die Bildung von lateralen Quantendrähten untersucht. Atomarer Wasserstoff spielt dabei die Rolle eines Surfaktanden und unterdrückt deutlich die Bildung von dreidimensionalen Inseln. Zweitens wurde das Wachstum von verspannten (In,Ga)As-Schichten auf GaAs (100) untersucht. Es zeigte sich, dass die dreidimensionale Inselbildung durch die Wachstumskinetik bestimmt ist, und ein Übergang von symmetrischen zu asymmetrisch verlängerten Inseln bei Erhöhung der Wachstumstemperatur auftritt. Dieser Prozess wird durch das Zusammenspiel von Oberflächen- und Verspannungsenergie bestimmt, wobei die experimentellen Befunde in guter Übereinstimmung mit den theoretischen Arbeiten von Tersoff und Tromp sind. Ausgehend von asymmetrischen (In,Ga)As-Inseln wurden selbstorganisierte Quantendrähte hergestellt, deren Homogenität und Länge sich durch Wachstum einer Vielschichtstruktur deutlich erhöhen. Strukturell wurden die (In,Ga)As-Quantendrähte mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM), Röntgendiffraktometrie (XRD) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Der laterale Ladungsträgereinschluss in den Quantendrähten zeigte sich deutlich in polarisationsabhängigen Photolumineszenz- und Magnetophotolumineszenzmessungen. / The present work focuses on two types of quantum wire structures which were grown by molecular beam epitaxy (MBE). First, the sidewall quantum wires based on the selective growth on mesa stripe patterned GaAs(311)A are studied. Single stacked sidewall quantum wires with strong electronic coupling have been fabricated. p-i-n type LEDs of the quantum wires employing the amphoteric Si incorporation for p- and n-type doping on GaAs(311)A have been fabricated. Strong selective carrier injection into the quantum wires is observed in electroluminescence (EL) measurements. The samples are characterized by micro-photoluminescence (µ-PL), cathodoluminescence (CL), as well as electron beam induced current (EBIC) measurements. To account for the highly selective EL, a model is proposed, which is based on the lateral diffusion of electrons and holes resulting in self-enhanced carrier injection into the quantum wires. Atomic hydrogen effects in the growth of (In,Ga)As on GaAs(311)A and its application to the sidewall quantum wire are investigated. It is found that atomic hydrogen suppresses island formation. Atomic hydrogen delays the relaxation by islanding thus playing the role of a surfactant. Second, the growth of (In,Ga)As layers on GaAs(100) is investigated showing that the formation of coherent 3D islands is a kinetically limited process. The transition from square-shaped islands to elongated islands is observed by changing the growth temperature for the growth of (In,Ga)As single layers. The elongation of the islands is a tradeoff between the surface free energy and the strain energy. A quantitative comparison between the experimental results and the theoretical work done by Tersoff and Tromp shows a good agreement. Self-organized quantum wires based on elongated discolation-free islands have been fabricated. The uniformity of the quantum wires is greatly improved by a superlattice growth scheme which also makes the wires much longer. The structural characterization of the quantum wires is performed by atomic force microscopy (AFM), x-ray diffractometry (XRD), and transmission electron microscopy (TEM). The lateral carrier confinement in the quantum wires is confirmed by polarization dependent PL and magneto-PL measurements.

Understanding the principles of self-organisation exhibited by block copolymers requires the combination of synthetic and physicochemical knowledge. The ability to synthesise block copolymers with desired architecture facilitates the ability to manipulate their aggregation behaviour, thus providing the key to nanotechnology. Apart from relative block volumes, the size and morphology of the produced nanostructures is controlled by the effective incompatibility between the different blocks. Since polymerisation techniques allowing for the synthesis of well-defined block copolymers are restricted to a limited number of monomers, the ability to tune the incompatibility is very limited. <br><br> Nevertheless, Polymer Analogue Reactions can offer another possibility for the production of functional block copolymers by chemical modifications of well-defined polymer precursors. Therefore, by applying appropriate modification methods both volume fractions and incompatibility, can be adjusted. Moreover, copolymers with introduced functional units allow utilization of the concept of molecular recognition in the world of synthetic polymers.<br><br> The present work describes a modular synthetic approach towards functional block copolymers. Radical addition of functional mercaptanes was employed for the introduction of diverse functional groups to polybutadiene-containing block copolymers. Various modifications of 1,2-polybutadiene-poly(ethylene oxide) block copolymer precursors are described in detail. Furthermore, extension of the concept to 1,2-polybutadiene-polystyrene block copolymers is demonstrated. Further investigations involved the self-organisation of the modified block copolymers. Formed aggregates in aqueous solutions of block copolymers with introduced carboxylic acid, amine and hydroxyl groups as well as fluorinated chains were characterised. Study of the aggregation behaviour allowed general conclusions to be drawn regarding the influence of the introduced groups on the self-organisation of the modified copolymers. Finally, possibilities for the formation of complexes, based on electrostatic or hydrogen-bonding interactions in mixtures of block copolymers bearing mutually interacting functional groups, were investigated. / Um die Prinzipien der Selbstorganisation von Blockcopolymeren zu verstehen, ist es notwendig das Wissen auf den Gebieten der Synthese und der Physikochemie zu kombinieren. Die Fähigkeit, Blockcopolymere mit gewünschter Architektur zu synthetisieren, gibt einem auch die Möglichkeit das Aggregationsverhalten zu steuern, was wiederum der Schlüssel zur Nanotechnologie ist. Abgesehen von den relativen Blockvolumina, wird die Größe und Morphologie der gebildeten Nanostrukturen durch die effektive Inkompartibilität zwischen den unterschiedlichen Blöcken bestimmt. Da die Polymerisationstechniken, mit denen man gut definierte Blockcopolymere synthetisieren kann, auf bestimmte Monomere beschränkt sind, läßt sich diese Inkompatibilität nur eingeschränkt abstimmen. Polymeranaloge Reaktionen können dagegen eine Möglichkeit bieten, funktionale Blockcopolymere durch die chemische Modifizierung von gut definierten Copolymeren zu erhalten. Somit können, bei Verwendung von geeigneten Modifikationsmethoden, die Volumenanteile sowie die Inkompatibilität der Blöcke angepasst werden. Außerdem können Copolymere, die funktionelle Gruppe enthalten, es ermöglichen das Prinzip der molekularen Erkennung (Schloss-Schlüssel) auf dem Gebiet der synthetischen Polymere anzuwenden.<br><br> Die vorleigende Arbeit beschreibt einen Ansatz zur modularen Synthese von funktionalen Blockcopolymeren. Durch radikalische Addition von funktionellen Mercaptanen wurden in Copolymere mit einem Polybutadien-Block verschiedenen funktionelle Gruppen eingebracht. Von 1,2-Polybutadien-Polyethylenoxid Blockcopolymeren werden dabei mehrere Modifikationen im Detail beschrieben. Zudem wird die Erweiterung des Konzepts auf 1,2-Polybutadien-Polystyrol Blockcopolymere gezeigt. Die weiteren Untersuchungen betrafen die Selbstorganisation der modifizierten Blockcopolymere in Lösung. Hierbei wurden die Aggregate, die in wässriger Lösung von Blockcopolymeren mit Carbonsäure-, Amin- und Hydroxylgruppen sowie fluorierte Ketten gebildet werden, charakterisiert. Die Untersuchung des Aggregationsverhaltens erlaubt es, generelle Aussagen über den Einfluss der eingebrachten Gruppen auf die Selbstorganisation der modifizierten Copolymere zu treffen. Abschließend wurde die Bildung von Komplexen auf der Basis von elektrostatischer Wechselwirkung oder Wasserstoffbrückenbindung in Mischungen aus Copolymeren, die untereinander Wechselwirkende funktionale Gruppe besitzen, untersucht.

Anders als menschengemachte Maschinen verfügen Zellen über keinen festgeschriebenen Bauplan und die Positionen einzelner Elemente sind häufig nicht genau festgelegt, da die Moleküle diffusiven Zufallsbewegungen unterworfen sind. Darüber hinaus sind einzelne Bauteile auch nicht auf eine einzelne Funktion festgelegt, sondern können parallel in verschiedene Prozesse einbezogen sein. Basierend auf Selbstorganisation und Selbstassemblierung muß die Organisation von Anordnung und Funktion einer lebenden Zelle also bereits in ihren einzelnen Komponenten inhärent enthalten sein. Die intrazelluläre Organisation wird zum großen Teil durch ein internes Biopolymergerüst reguliert, das Zytoskelett. Biopolymer-Netzwerke und –Fasern durchdringen die gesamte Zelle und sind verantworlich für mechanische Integrität und die funktionale Architektur. Unzählige essentielle biologische Prozesse hängen direkt von einem funktionierenden Zytoskelett ab. Die vorliegende Arbeit zielt auf ein besser Verständnis und den Nachbau zweier verschiedener funktionaler Module lebender Zellen anhand stark reduzierter Modellsysteme. Als zentrales Element wurde Aktin gewählt, da dieses Biopolymer eine herausragende Rolle in nahezu allen eukaryotischen Zellen spielt. Mit dem ersten Modellsystem wird der bewegliche Aktin-Polymerfilm an der Vorderkante migrierender Zellen betrachtet. Die wichtigsten Elemente dieser hochdynamischen Netzwerke sind bereits bekannt und wurden in dieser Arbeit benutzt um ein experimentelles Modellsystem zu etablieren. Vor allem aber lieferten detailierte Computersimulationen und ein mathematisches Modell neue Erkenntnisse über grundlegende Organisationsprinzipien dieser Aktinnetzwerke. Damit war es nicht nur möglich, experimentelle Daten erfolgreich zu reproduzieren, sondern das Entstehen von Substrukturen und deren Charakteristika auf proteinunabhängige, generelle Mechanismen zurückzuführen. Das zweite studierte System betrachtet die Selbstassemblierung von Aktinnetzwerken durch entropische Kräfte. Aktinfilamente aggregieren hierbei durch Kondensation multivalenter Ionen oder durch Volumenausschluss hochkonzentrierter inerter Polymere. Ein neu entwickelter Experimentalaufbau bietet die Möglichkeit in gut definierten zellähnlichen Volumina, Konvektionseinflüsse zu umgehen und Aggregationseffekte gezielt einzuschalten. Hierbei wurden neuartige, regelmäßige Netzwerkstrukturen entdeckt, die bislang nur im Zusammenhang mit molekularen Motoren bekannt waren. Es konnte ferner gezeigt werden, dass die Physik der Flüssigkristalle entscheidend zu weiteren Variationen dieser Netzwerke beiträgt. Dabei wird ersichtlich, dass entstehende Netzwerke in ihrer Architektur direkt die zuvor herrschenden Anisotropien der Filamentlösung widerspiegeln.