Die neu ins Leben gerufene Schriftenreihe EINGEBETTETE, SELBSTORGANISIERENDE SYSTEME (ESS) widmet sich einer sehr aktuellen Thematik der Technischen Informatik. Seit Jahren durchdringen eingebettete Systeme unseren Alltag in fast allen Lebensbereichen. Angefangen von automatisierten Türöffnungssystemen, über komplex gesteuerte Servicemaschinen, z.B. Waschmaschinen, bis hin zu mobilen, persönlich zugeordneten Systemen wie Mobiltelefone und Handheld-Computer sind eingebettete Systeme zur Selbstverständlichkeit geworden. Der Aspekt der rekonfigurierbaren Schnittstellen zwischen einzelnen Komponenten eingebetteter Systeme wird in diesem ersten Band aufgegriffen. Der erste Beitrag befasst sich mit der systematischen Modellierung von Schnittstellen. Zunächst werden aktive Tasks und Kommunikationsmedien unterschieden sowie die Parameter der Zielarchitektur in den Entwurfsprozess für Schnittstellen eingebracht. Darauf aufbauend wird eine systematische Konzeption von Schnittstellen vorgestellt und bewertet. Der zweite Beitrag betrachtet das Problem der Rekonfigurierung von Schnittstellen zur Gewährleistung von sicherer Funktionalität, auch im Fehlerfall. Die Fehlererkennung und –behandlung werden von der erweiterten Schnittstelle implementiert. In dem dritten Beitrag untersucht Marcel Flade Schnittstellen in Hardware/Software-Systemen. Dabei stellt sich das Problem, die Kontrolle über die Funktionalität der Schnittstelle auf den Software- und Hardwareteil aufzuteilen. Die Beiträge werden durch eine vollständige Implementierung eines Beispiels und eines Werkzeugs zur automatisierten Generierung der VHDL-Implementierung abgerundet. Mit diesen ausgewählten Arbeiten, die in den ersten Band dieser wissenschaftlichen Schriftenreihe aufgenommen sind, werden dem Leser grundlegende Aspekte rekonfigurierbarer Schnittstellen für eingebettete, selbstorganisierende Systeme vorgestellt.

Desoxyribonukleinsäure (DNS) ermöglicht die Selbstorganisation von nanoskopischen Elementen zu dreidimensionalen Einheiten mit vorgegebener Form, Zusammensetzung und Größe wie sie in der Nanoelektronik, Nanophotonik und Metamaterialien Verwendung finden. In dieser Arbeit werden DNS Origami Strukturen, in der Gestaltvon Nanoformen, Nanoblätchen und Nanoröhren, als Gerüste für den Aufbau von Nanodrähten und Metall/Halbleiter/Metall Heterostrukturen aus Goldnanoteilchen, Halbleiterquantenpunkten und Halbleiterstäbchen verwendet. Die so hergestellten Einheiten wurden mittels Elektronenstrahllithographie kontaktiert um ihre elektrische Leitwerte zwischen 4:2K und Raumtemperatur zu charakterisieren. Ein neues Konzept für die lösungsbasierte Herstellung von leitenden Goldnanodrähten mittels DNS-Templates wurde eingeführt: hierbei wurden DNS-Nanoformen eingesetzt in denen positionsspezifisch angedockte Goldkeime durch auÿenstromlose Goldabscheidung wachsen. Durch konfigurierbare Verbindungsstellen können sich die einzelnen Formen zu mikrometerlangen Strukturen verbinden. Während der folgendenden Abscheidung von Gold schränken die Wände der Gussformen über das Wachstum so ein, dass sehr homogene Nanodrähte gewonnen werden können. Goldnanodrähte wurden auch C-förmig hergestellt indem Goldnanoteilchen in der gewünschten Form auf DNS Origami-Nanoblättchen angeordnet und wiederum durch außenstromlose Goldabscheidung zu durchgängigen Drähten vergröbert wurden. Einige Abschnitte der DNS-Nanoform-geprägten Drähte zeigen metallische Leitfähigkeit, während andere durch Lücken zwischen den Goldkörnern deutlich höhere Widerstände aufweisen. Alle hergestellten C-förmigen Nanodrähte stellten sich als nicht-metallisch heraus, sie zeigten Eigenschaften von Hopping-, thermionischem und Tunneltransport in Abhängigkeit von der Temperatur. Die Anwesenheit dieser verschiedenen Transportmechanismen deutet darauf hin, dass die C-förmigen Nanodrähte aus metallischen Abschnitten bestehen welche aber nur schwach miteinander verbunden sind. Zwei verschiedene Metall/Halbleiter/Metall-Heterostrukturen wurden hergestellt: Metall/Halbleiternanstäbchen/Metall-Strukturen mittels DNS-Nanoformen und Metall/Quantenpunkt/Metall-Strukturen mittels DNS-Nanoröhren-Vorlagen Goldnanoteilchen konnten durch die DNA templates mit hoher Ausbeute neben den Halbleiterelementen platziert werden. Nach der erfolgter Anordnung wurden die Goldnanoteilchen gewachsen um durchgängige Heterostrukturen zu erhalten. Die Einflüsse des Inkubationsmediums und der -zeit, des Buffers, sowie der Quantenpunkt- und Goldnanopartikelkonzentrationen auf die Abscheidungseffzienz von Goldnanotailchen auf DNS Nanoröhren wurden systematisch untersucht. Zusätzlich zur Bestimmung der Morphologie der durch Selbstorganisation hergestellten Heterostrukturen, wurden auch ihre elektrischen Eigenschaften im Hinblick auf ihre Anwendung in nanelektronischen Bauelementen, wie Einzelelektronentransitoren untersucht.:1. Introduction 2. Overview on DNA Nanotechnology 2.1. Basic Concepts of DNA 2.1.1. Nanoscale Dimensions 2.2. Self-Assembled Architectures from DNA 2.3. DNA Origami: Nanomolds, Nanosheets and Nanotubes 2.3.1. DNA Origami Method 2.3.2. Nanomolds 2.3.3. Nanosheets 2.3.4. Nanotubes 2.4. DNA/DNA Origami-Templated Metallic Nanowire Fabrication 2.4.1. DNA/DNA Origami Templates 2.4.2. Metal Nanoparticle Attachment Yield 2.4.3. Metal Growth 2.5. Electron Transport Mechanisms of DNA-Templated Metallic Nanowires 2.5.1. Lithographically Defined Contacts and I-V Measurements of the DNA-Templated Metal Wires 2.5.2. Lithographically Defined Contacts and I-V Measurements of the DNA Origami-Templated Metal Nanowires 2.6. Applications 2.6.1. Introduction to Metamaterials: DNA-Templated Metamaterial Fabrication 2.6.2. Introduction to Single Electron Tunneling: A DNA-Templated Self-Assembly Concept 3. Experimental Details 3.1. Preparation of Substrates 3.2. DNA Origami Preparation and Deposition 3.2.1. DNA Nanomolds and Formation of linear mold superstructures 3.2.2. DNA Nanotubes 3.2.3. DNA Nanosheets 3.3. Metallization of DNA Origami Structures 3.3.1. DNA Nanomolds 3.3.2. DNA Nanotubes 3.3.3. DNA Nanosheets 3.3.4. Gold Growth on the DNA Origami Nanotube and Nanosheet 3.4. Semiconductor Nanoparticle Preparation and Assembly 3.4.1. CdS Semiconductor Quantum Rods for DNA Nanomold. 3.4.2. CdSe/ZnS Core-shell quantum Dots for DNA Nanotube 3.5. Deposition of DNA origami structures on SiO2 /Si surface 3.5.1. Deposition of DNA Nanomolds 3.5.2. Deposition of DNA Nanosheets and Nanotubes 3.6. Structural Characterization 3.6.1. Atomic Force Microscopy 3.6.2. Scanning Electron Microscopy 3.7. Electrical Characterization 4. Results and Discussion 4.1. DNA Nanomold-Templated Assembly of Conductive Gold Nanowires 4.1.1. Introduction 4.1.2. Results and Discussion 4.1.3. Conclusion 4.2. Conductance measurements on Gold/Semiconductor/Gold heterojunctions templated by DNA Nanomolds 4.2.1. Introduction 4.2.2. Results and Discussion 4.2.3. Conclusion 4.3. C-shaped Gold Nanowires Templated by DNA Nanosheet 4.3.1. Introduction 4.3.2. Results and Discussion 4.3.3. Conclusion 4.4. Self-Assembled Gold/Semiconductor/Gold heterojunctions templated by DNA Nanotube 4.4.1. Introduction 4.4.2. Results and Discussion 4.4.3. Conclusion 5. Conclusion and Future Work A. Supplement for DNA Nanomold-Templated Assembly of Conductive Gold Nanowires B. Conductance measurements on Gold/Semiconductor/Gold heterojunctions templated by DNA Nanomolds C. Supplement for C-shaped Gold Nanowires Templated by DNA Nanosheet D. Supplement for heterojunctions templated by DNA Nanotube / DNA allows self-assembly of nanoscale units into three dimensional nanostructures with definite shape and size in fields such as nanoelectronics, metamaterials and nanophotonics. Different DNA origami templates, such as: nanomold, nanosheet and nanotube templates have been used to assemble gold nanoparticles, quantum dots and semiconductor rods into nanowires and metal/semiconductor/metal heterostructures. Structures have been contacted using electron-beam lithography for electrical conductance characterization at temperatures between 4:2K and room temperature has been performed. A new concept has been introduced for the solution-based fabrication of gold nanowires. To this end, DNA nanomolds have been employed, inside which electroless gold deposition is initiated by site-specifically attached seeds. Using configurable interfaces, individual mold elements self-assemble into micrometer-long mold structures. During subsequent internal gold deposition, the mold walls constrain the metal growth, such that highly homogeneous nanowires are obtained. Gold nanowires have also been manufactured in a C-shape using gold nanoparticles arranged in the desired shape on a DNA origami nanosheet and enhanced to form a continuous wire through electroless gold deposition. Some sections of the DNA nanomold-templated wires show metallic conductance, while other sections of the wires have a much higher resistance which is caused by boundaries between gold grains. All C-shaped wires have been found to be resistive showing hopping, thermionic and tunneling transport characteristics at different temperatures. The different transport mechanisms indicate that the C-shaped nanowires consist of metallic segments which are weakly coupled along the wire. Two types of metal/semiconductor/metal heterostructures have been fabricated: Metal/semiconductor-rod/metal using DNA nanomolds and metal/quantum-dot/metal structures using DNA nanotube. AuNPs were assembled with high yield adjacent to the semiconductor material using origami templates. After the assembly, the gold nanoparticles were grown to produce continuous heterostructures. The influence of the incubation medium, time, buffer, quantum dot and gold nanoparticle concentration on nanoparticle attachment yield was systematically investigated for the nanotube templates. In addition to the determination of the self-assembled heterostructures' morphology, electrical properties were investigated to evaluate their applicability nanoelectronic devices such as single electron transistors.:1. Introduction 2. Overview on DNA Nanotechnology 2.1. Basic Concepts of DNA 2.1.1. Nanoscale Dimensions 2.2. Self-Assembled Architectures from DNA 2.3. DNA Origami: Nanomolds, Nanosheets and Nanotubes 2.3.1. DNA Origami Method 2.3.2. Nanomolds 2.3.3. Nanosheets 2.3.4. Nanotubes 2.4. DNA/DNA Origami-Templated Metallic Nanowire Fabrication 2.4.1. DNA/DNA Origami Templates 2.4.2. Metal Nanoparticle Attachment Yield 2.4.3. Metal Growth 2.5. Electron Transport Mechanisms of DNA-Templated Metallic Nanowires 2.5.1. Lithographically Defined Contacts and I-V Measurements of the DNA-Templated Metal Wires 2.5.2. Lithographically Defined Contacts and I-V Measurements of the DNA Origami-Templated Metal Nanowires 2.6. Applications 2.6.1. Introduction to Metamaterials: DNA-Templated Metamaterial Fabrication 2.6.2. Introduction to Single Electron Tunneling: A DNA-Templated Self-Assembly Concept 3. Experimental Details 3.1. Preparation of Substrates 3.2. DNA Origami Preparation and Deposition 3.2.1. DNA Nanomolds and Formation of linear mold superstructures 3.2.2. DNA Nanotubes 3.2.3. DNA Nanosheets 3.3. Metallization of DNA Origami Structures 3.3.1. DNA Nanomolds 3.3.2. DNA Nanotubes 3.3.3. DNA Nanosheets 3.3.4. Gold Growth on the DNA Origami Nanotube and Nanosheet 3.4. Semiconductor Nanoparticle Preparation and Assembly 3.4.1. CdS Semiconductor Quantum Rods for DNA Nanomold. 3.4.2. CdSe/ZnS Core-shell quantum Dots for DNA Nanotube 3.5. Deposition of DNA origami structures on SiO2 /Si surface 3.5.1. Deposition of DNA Nanomolds 3.5.2. Deposition of DNA Nanosheets and Nanotubes 3.6. Structural Characterization 3.6.1. Atomic Force Microscopy 3.6.2. Scanning Electron Microscopy 3.7. Electrical Characterization 4. Results and Discussion 4.1. DNA Nanomold-Templated Assembly of Conductive Gold Nanowires 4.1.1. Introduction 4.1.2. Results and Discussion 4.1.3. Conclusion 4.2. Conductance measurements on Gold/Semiconductor/Gold heterojunctions templated by DNA Nanomolds 4.2.1. Introduction 4.2.2. Results and Discussion 4.2.3. Conclusion 4.3. C-shaped Gold Nanowires Templated by DNA Nanosheet 4.3.1. Introduction 4.3.2. Results and Discussion 4.3.3. Conclusion 4.4. Self-Assembled Gold/Semiconductor/Gold heterojunctions templated by DNA Nanotube 4.4.1. Introduction 4.4.2. Results and Discussion 4.4.3. Conclusion 5. Conclusion and Future Work A. Supplement for DNA Nanomold-Templated Assembly of Conductive Gold Nanowires B. Conductance measurements on Gold/Semiconductor/Gold heterojunctions templated by DNA Nanomolds C. Supplement for C-shaped Gold Nanowires Templated by DNA Nanosheet D. Supplement for heterojunctions templated by DNA Nanotube

Increasing the integration density of electron device components will necessitate the use of new nanofabrication paradigms that complement and extend existing technologies. One potential approach to overcome the current limitations of electron-beam lithography may involve the use of hybrid systems, in which existing lithographic techniques are coupled with “bottom up” approaches such as supramolecular self-assembly. In this respect, biological systems offer some unique possibilities as they combine both self-organization and spatial patterning at the nanometer length scale. In particular, Surface Layer Proteins (S-layers) can facilitate high order organization and specific orientation of inorganic structures as they are two-dimensional porous crystalline membranes with regular structure at the nanometer scale. In this framework, the aim of the present work was the characterization of the S-layer of Sporosarcina ureae ATCC 13881 (SslA) with respect to its self-assembling properties and modification that would allow it to be employed as a patterning element and a new building block for nanobiotechnology. In vitro recrystallization experiments have shown that wild type SslA self-assembles into monolayers, multilayers or tubes. Factors such as initial monomer concentration, Ca2+ ions, pH of the recrystallization buffer and the presence of a silicon substrate have a strong influence on the recrystallization process. SslA monolayers proved to be an excellent biotemplate for ordered assembly of gold nanoparticle arrays. The recombinant SslA after expression and purification formed micrometer sized, crystalline monolayers exhibiting the same lattice structure as the wild type protein (p4 symmetry). This remarkable property of self-assembling has been preserved even when SslA was truncated. The deletion of both, N- and C-terminal SslA domains does not hinder self-assembly; the resulting protein is able to form extended monolayers that exhibit the p4 lattice symmetry. The central SslA-domain is self sufficient for the self-assembly. The possibility to change the natural properties of S-layers by genetic engineering techniques opens a new horizon for the tuning of their structural and functional features. The SslA-streptavidin fusion protein combines the remarkable property of self-assembling with the ligand i.e. biotin binding function. On silicon wafers, this chimeric protein recrystallized into coherent protein layers and exposes streptavidin, fact demonstrated by binding studies using biotinylated quantum dots. In this way, it can serve as a functional surface for controlled immobilization of biologically active molecules but also as a platform for the synthesis of planar arrays of quantum dots. Furthermore, the results open up exciting possibilities for construction of hybrid S-layers, structures that may ultimately promote the fabrication of miniaturized, nanosized electronic devices.

Das stäbchenförmige Bakterium Escherichia coli teilt sich in zwei gleich große Tochterzellen. Dies ist nur möglich, wenn sich die Zelle in der Mitte teilt. Bei E. coli wird die Zellteilung durch den Zusammenschluss der FtsZ-Proteine an der Membran zum Z-Ring eingeleitet. Topologische Regulierung des Z-Ringes erfolgt durch räumlich-zeitliche Oszillationen von Min-Proteinen zwischen den beiden Zellpolen. MinC, MinD und MinE binden an und lösen sich von der Membran unter Hydrolyse von ATP und in antagonistischer Art und Weise, was zu einer alternierenden Ansammlung von MinC und MinD an den Zellpolen führt. Gemittelt über die Zeit ergibt sich somit ein MinD-Verteilungsprofil, das maximale Konzentration an den Zellpolen und ein Minimum in der Zellmitte aufweist. MinC bindet an MinD und folgt somit seiner Verteilung. Der Zusammenschluss von FtsZ-Proteinen wird durch MinC unterbunden, und somit kann sich der Z-ring nur an einer Position herausbilden, die ein Minimum an MinC aufweist - der Zellmitte. Das Min-system wurde in der Vergangenheit auch mit einem in-vitro-Ansatz untersucht, indem Min-Proteine in künstliche, aufliegende Lipiddoppelschichten (supported lipid bilayers, SLB) rekonstitutiert wurden. Dabei bildeten die Min-Proteine kein oszillierendes Muster aus, sondern organisierten sich vielmehr in parallelen und propagierenden Wellen (Loose, 2008, Science, 320). In diesen in-vitro-Experimenten war das Membransubstrat wesentlich größer als die Wellenlänge der Min-Proteinwellen. In vivo hingegen ist die Länge der Zelle in der gleichen Größenordnung wie die charakteristische Länge des Oszillationsmusters der Min-Proteine. Daher war es das Ziel dieser Arbeit, den Einfluß einer beschränkten Fläche und geometrischer Formgebung der künstlichen Lipiddoppelschichten auf die Wellenpropagation der Min-Protein zu untersuchen. Flächige Beschränkung künstlicher Membranen erfolgte durch Mikrostrukturtechnologie. Deckglässchen wurden mit einer Goldschicht und mikroskopischen Aussparungen unterschiedlicher geometrischer Formen strukturiert. Funktionale SLBs bildeten sich nur auf Glasflächen ohne Goldbeschichtung aus. Nach der Rekonstitution der Min-Proteine, organisierten sich diese auf den Membranstücken in parallele Wellen. Dabei bestimmte die flächige Beschränkung der künstlichen Membranen die Ausbreitungsrichtung der Min-Proteinwellen. Min-Proteinwellen konnten entlang gekrümmter Membranstreifen, in Ring- und sogar in Slalomstrukturen geleitet werden. In geraden, länglichen Strukturen richteten sich die Wellen entlang der längsten Achse aus. Kopplung von Proteinwellen auf räumlich getrennten Membranstücken in Abhängigkeit des Abstandes und des sogenannten Molecular Crowdings in der wässrigen Lösung konnte ebenfalls beobachtet werden. Diese Kopplung ist ein Indiz für inhomogene Proteinverteilungen in der Lösung oberhalb der Membran. Desweiteren konnten Min-Proteinwellen auch in diversen dreidimensionalen künstlichen Membranen rekonstitituiert werden. Im Wildtyp von E. coli ähneln die Min-Proteindynamiken der einer Oszillation mit einer charakteristischen Länge von 5 µm. Auf SLBs, bilden Min-Proteine Wellen mit einer Wellenlänge aus, die ca. zehnmal größer ist als in vivo. Dieser Unterschied zwischen der in-vivo- und der in-vitro-Welt wurde untersucht und diskutiert. In vitro konnte die Wellenlänge um 50 % durch Erhöhung des Molecular Crowding in der Lösung sowie um 33 % durch Temperaturerhöhung verkleinert werden. Das oszillierende Muster könnte dahingegen eine Folge der Kompartimentierung sein. Erste Versuche, das Min-System in geschlossene Membrankompartimente zu rekonstitutieren, wurden getestet. / Escherichia coli, a rod-like bacterium, divides by binary fission. Cell division into two daughter cells of equal size requires that fission takes place at a midcell position. In E. coli, cell division is initiated by assembly of the FtsZ-proteins at the inner membrane to the Z-ring. Topological regulation of the Z-ring is achieved by spatiotemporal pole-to-pole oscillations of Min-proteins. MinC, MinD and MinE bind to and detach from - under hydrolysis of ATP - the membrane in an antagonistic manner leading to an alternating accumulation of MinC and MinD at the cell poles. Averaged over time, the distribution profile of MinD exhibits maximal concentration at the cell poles and a minimum at the cell center. MinC binds to MinD and thus follows its distribution. FtsZ assembly is inhibited by MinC and therefore the Z-ring can only form at a cell position low in MinC - at the cell center. In the past, the Min-system was also investigated in an in vitro approach by reconstitution of Min-proteins into a supported lipid bilayer (SLB). Here, Min-proteins did not self-organize into an oscillatory pattern but into parallel and propagating waves (Loose, 2008, Science, 320). In this in vitro assay, the membrane substrate was infinitely large compared to the wavelength. However, in vivo, the cell length is on the same order of magnitude as the respective length scale of the oscillatory pattern of Min-proteins. Therefore, we wished to investigate the effect of lateral confinement and geometric structuring of artificial lipid bilayers on the Min-protein wave propagation. Lateral confinement of artificial membranes was achieved by microfabrication technology. Glass slides were patterned by a gold coating with microscopic windows of different geometries, and functional SLBs were only formed on uncoated areas. Upon reconstitution, Min-proteins organized into parallel waves on the geometric membrane patches. Confinement of the artificial membranes determined the direction of propagation of Min-protein waves. Min-protein waves could be guided along curved membrane stripes, in rings and even along slalom-geometries. In elongated membrane structures, the protein waves always propagate along the longest axis. Coupling of protein waves across spatially separated membrane patches was observed, dependent on gap size and level of molecular crowding of the aqueous media above the bilayer. This indicates the existence of an inhomogeneous and dynamic protein gradient in the solution above the membrane. Furthermore, reconstitution of Min-protein waves in various three-dimensional artificial membranes was achieved. In wild-type E. coli, Min-protein dynamics resemble that of an oscillation with a characteristic length scale of 5 µm. On supported lipid bilayers, Min-proteins self-organize into waves with a wavelength approximately 10-fold larger than in vivo. These discrepancies between the in vivo and in vitro world were investigated and discussed. In vitro, the wavelength could be decreased by a factor of 50 % by increase of the molecular crowding in solution and by 33 % through temperature increase. The oscillatory pattern is thought to be a consequence of compartmentalization and first attempts to encapsulate the Min-system in closed bilayer compartments are presented.

We report the self assembly of nanostructures via. the bottom-up approach by dielectrophoresis. Dielectrophoresis deals with the force on an electric dipole placed in an external in-homogenous field. The force depends on the geometry and volume of the dielectric material and on the frequency and gradient of the electric field. We report the self-assembly of metallic palladium nanowires from the aqueous solution by dielectrophoresis. The metal cations with the surrounding hydration shell and counter-ion cloud results in the formation of a dipole which responds to the local dielectrophoretic forces. Structural properties and morphology of the palladium nanowires are listed. Depending on the experimental conditions two different types of nanowires were grown. Some of them were extremely thin (5 nm diameter) and branched while the others were thick (25 nm diameter) and dendritic. The wire formation can be divided into the nucleation and growth process. For the particle assembly, a minimum threshold force is needed to overcome the random Brownian motion. The nucleation depends on the asperities on the electrode surface and the growth depends on the tip of the growing wires where exists extremely high field magnitude and in-homogeneties and so the force overcomes the threshold at these locations. We showed that wire growth depends a lot on the formation of the double layer at the electrode/solution interface and potential drop within the double layer. Carbon nanotubes (CNT) were also deposited between the electrodes leading to the formation of field-effect transistors (FETs). We produced CNTFETs having extremely high on/off ratio, in a single step without the requirement of any intermediate burning process of the metallic tubes. Besides these inorganic systems, we also investigated the dielectrophoretic experimental conditions required for self assembly of bio-molecules like microtubules between the electrodes. Hybrid structures were also formed by mixing these materials in combination of two. In conclusion, we report in this work the possibility to assemble a large variety of particles (ions, neutral particles and bio-molecules) between the electrodes leading to the device formation. The thesis was mainly devoted to the task for the synthesis and assembly of the nanostructures via. the bottom-up approach.

Electrocatalysis plays a prominent role in renewable energy conversion and storage, enabling a number of sustainable processes for future technologies. There are generally three strategies to improve the efficiency (or activity) of the electrocatalysts: (i) increasing the intrinsic activity of the catalyst itself; (ii) improving the exposure of active sites; and (iii) acceleratingmass transfer during catalysis (both reactants and products). These strategies are not mutually exclusive and can ideally be addressed simultaneously, leading to the largest improvements in activity. Aerogels, as featured by large surface area, high porosity, and self-supportability provide a platform that matches all the aforementioned criteria for the design of efficient electrocatalysts. The field of aerogel synthesis has seen much progress in recent years, mainly thanks to the rapid development of nanotechnology. Employing precursors with different properties enables the resulting aerogel with targeted catalytic properties and improved performances. This report demonstrates the design strategies of aerogel catalysts and reviews their performances for several electrochemical reactions. The common principles that govern electrocatalysis are further discussed for each category of reactions, thus serving as a guide to the development of future aerogel electrocatalysts.

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.:1 Introduction 1 2 General background 7 2.1 General concepts 7 2.1.1 Coarse-graining as hierarchical reduction 8 2.1.2 Functional modules and redundancies 10 2.1.3 Emergence 11 2.1.4 Self-organization and self-assembly 13 2.1.5 Bottom-up and top-down 13 2.2 The cytoskeleton 15 2.2.1 From actin monomers to filaments 16 2.2.2 Accessory proteins and actin networks 21 2.3 Biopolymer pattern formation 25 2.3.1 Random networks and nematic phases 25 2.3.2 Linker and motor induced networks 28 3 Lamellipodial actin network formation 33 3.1 Background: crawling cell migration 33 3.1.1 Leading edge actin structures 35 3.1.2 Lamellipodial self-organization into oriented branches? 40 3.1.3 Lamellipodial modeling 41 3.1.4 Beyond the lamellipodium: adhesion and network contraction 42 3.2 Methods: lamellar treadmilling model 45 3.2.1 Assumptions 45 3.2.2 Choice of model parameters 51 3.2.3 Computer simulation (implementation) 52 3.2.4 Mathematical modeling 56 3.3 Modeling results 63 3.3.1 Reproduction of motile cell characteristics 64 3.3.2 Self-organization into lamellipodium and lamellum 65 3.3.3 Filament severing and annealing influence network properties 70 3.3.4 Unconfined network growth 74 3.4 Feasible model extensions 76 3.4.1 Alternative nucleation mechanisms 77 3.4.2 Convergence zone through myosin-driven network contraction 80 3.5 Experimental bottom-up approach 82 3.6 Discussion: Arp2/3 induced actin networks 87 4 Actin network patterns in confined systems 91 4.1 Background: counterion condensation and depletion forces 91 4.1.1 Actin, a polyelectrolyte: counterion condensation 92 4.1.2 Actin and molecular crowding: depletion forces 95 4.2 Methods: Experimental design and data analysis 97 4.2.1 Protein purification and handling 98 4.2.2 Droplet formation 98 4.2.3 Volume monitoring and pattern analysis 100 4.3 Actin pattern formation 105 4.3.1 Counterion-induced network formation 105 4.3.2 Depletion force induced network formation 111 4.4 First modeling attempts: bundling simulation 116 4.4.1 Model concept and assumptions 116 4.5 Discussion: Counterion and depletion-based network assembly 119 5 Discussion & Outlook 125 Appendix 129 A. Variation of filament orientation 129 B. Analytical solution of the mathematical model 131 C. Pre-alignment of filaments 132 D. Protocols 134 d1. Acetone Powder Prep 134 d2. Actin prep 135 d3. Actin labling with rhodamine dye 137 Bibliography 141 Acknowledgements 157

Mechano-chemical processes in biological systems play an important role during the morphogenesis of cells and tissues. In particular, they are responsible for the dynamic organisation of active stress, which itself results from non-equilibrium processes and leads to flows and deformations of material. The generation of active stress often occurs in thin biological structures, such as the cellular cortex or epithelial tissues, which motivates the theoretical concept of an active surface. In this thesis, we study the dynamics of curved and deforming active surfaces. More specifically, we are interested in the dynamics of mechano-chemical processes on these surfaces, as well as in their interaction with the surface shape and external forces. To study the interplay of mechano-chemical processes with shape changes of the material, we consider the fully self-organised shape dynamics using the theory of active fluids on deforming surfaces. We then develop a numerical approach to solve the corresponding force and torque balance equations. We further examine how the stability of surface shapes is affected by mechano-chemical processes. We show that the tight coupling between chemical processes and surface mechanics gives rise to the spontaneous generation of specific surface shapes, to shape oscillations and to directed surface flows that resemble peristaltic motion. In the following part, we explore the mechano-chemical self-organisation of active fluids on fixed surfaces, focussing on mechanical interactions with surrounding material. We introduce a description in which active surface flows set a surrounding passive fluid into motion. We then study two scenarios. First, inspired by the cellular cortex and its interactions with the cytoplasm, we consider a fluid that is enclosed by the surface. We find that mechanical interactions with the surrounding passive fluid enable an isotropic active surface to spontaneously generate patterns with polar asymmetry and to form a contractile ring in a fully self-organised fashion. Second, we consider the case where the passive fluid surrounds the active surface on the outside. This description leads to the model of a microswimmer, which is characterised by an onset of motion due to spontaneous symmetry breaking on the active surface. Most biological materials are viscoelastic, such that they show viscous and elastic responses if mechanical stress is applied on different time scales. In the final part of this thesis, we therefore consider a surface whose response to self-organised active stress is described by a Maxwell model. We identify a minimal time scale for the relaxation of elastic stress, beyond which spatio-temporal, mechano-chemical oscillations on the surface can spontaneously emerge. In summary, we identify and characterise in this thesis various processes that result from the self-organisation of active surfaces. The underlying coupling between surface mechanics and a chemical organisation of stress in the material represents a key feature of morphogenetic processes in biology. Furthermore, we develop several numerical approaches that will enable to study alternative constitutive relations of active surfaces in the future. Overall, we contribute theoretical insights and numerical tools to further the understanding of the emerging spatial organisation and shape generation of active surfaces. / Mechanochemische Prozesse spielen eine wichtige Rolle für die Morphogenese von biologischen Zellen und Geweben. Sie sind insbesondere verantwortlich für die dynamische Organisation von aktiver mechanischer Spannung, welche Nicht-Gleichgewichtsprozessen entstammt und zu Flüssen und Verformungen von Material führt. Aktive mechanische Spannung wird häufig in dünnen biologischen Strukturen erzeugt, wie zum Beispiel dem Zellkortex oder dem Epithelgewebe, was die Einführung von aktiven Flächen als theoretisches Konzept motiviert. In der vorliegenden Arbeit untersuchen wir die Dynamik von gekrümmten und sich verformenden aktiven Flächen. Dabei interessieren wir uns insbesondere für die Dynamik mechanochemischer Prozesse auf diesen Flächen, sowie für deren Wechselwirkung mit der Flächenform und externen Kräften. Zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen mechanochemischen Prozessen und Flächenverformungen nutzen wir die hydrodynamische Theorie aktiver Fluide auf sich verformenden Flächen und betrachten eine vollständig selbstorganisierte Flächendynamik. Wir entwickeln eine Methode zur Bestimmung numerischer Lösungen des Kräfte- und Drehmomentgleichgewichts auf Flächen und untersuchen wie die Stabilität von Flächenformen durch mechanochemische Prozesse beeinflusst wird. Wir zeigen, dass die enge Kopplung zwischen chemischen Prozessen und der Mechanik von Flächen zur spontanen Erzeugung spezifischer Formen, zu Formoszillationen und zu gerichteten Flüssen führt, welche eine peristaltische Bewegung nachbilden. Im Folgenden untersuchen wir die mechanochemische Selbstorganisation aktiver Fluide auf festen Flächen und betrachten mechanische Wechselwirkungen mit umgebendem Material. Dazu beschreiben wir ein umgebendes passives Fluid, welches durch aktive Flüsse auf der Fläche in Bewegung versetzt wird. Im Rahmen dieser Beschreibung untersuchen wir zwei Szenarien. Inspiriert durch die Wechselwirkung des Zellkortex mit dem Zytoplasma, betrachten wir zuerst ein Fluid, welches durch die Fläche eingeschlossen wird. Wir zeigen, dass die mechanische Wechselwirkung einer isotropen, aktiven Fläche mit dem umgebenden Fluid es ermöglicht, Muster mit einer polaren Asymmetrie, sowie einen kontraktilen Ring spontan und selbstorganisiert zu bilden. Danach betrachten wir ein passives Fluid, welches die Fläche außen umgibt. Diese Beschreibung führt zu einem Modell für einen Mikroschwimmer, welcher durch eine spontane Symmetriebrechung auf der aktiven Fläche beginnt sich durch das passive Fluid zu bewegen. Die meisten biologischen Materialien verhalten sich viskoelastisch, sodass deren mechanische Antwort je nach Zeitskala einer applizierten mechanischen Spannung viskos und elastisch ausfallen kann. Im abschließenden Teil dieser Arbeit betrachten wir daher eine Fläche, deren mechanische Antwort auf aktive Spannung durch ein Maxwell-Modell beschrieben wird. Wir bestimmen eine minimale Zeitskala für die Relaxation von elastischer Spannung, welche das spontane Einsetzen räumlich-zeitlicher Oszillationen aktiver mechanischer Spannung kennzeichnet. Zusammengefasst identifizieren und charakterisieren wir in dieser Arbeit eine Reihe von Prozessen, welche der Selbstorganisation aktiver Flächen entspringen. Die zugrundeliegende Kopplung zwischen der Mechanik von Flächen und einer chemischen Organisation aktiver mechanischer Spannung stellen ein Schlüsselprinzip morphogenetischer Vorgänge in der Biologie dar. Zusätzlich entwickeln wir eine Reihe numerischer Methoden, welche es in Zukunft erlauben weitere Beschreibungen aktiver Flächen zu untersuchen. Damit trägt diese Arbeit neue theoretische Einsichten und numerische Algorithmen zur Verbesserung des Verständnisses der emergenten räumlichen Organisation und Formerzeugung aktiver Flächen bei.

In dieser Arbeit ist die Bildung von selbstorganisierten Nanostrukturen auf Galliumantimonid (GaSb) und Germanium (Ge) durch Ionenbeschuss untersucht worden. Zudem sind die auf Ge erhaltenen Lochstrukturen als Template für Silber- und Eisenschichten verwendet worden. Bei der Bestrahlung von GaSb mit Argonionen unter senkrechtem Ioneneinfall bilden sich hexagonal geordnete Punktstrukturen, während bei der Bestrahlung von Ge mit Galliumionen unter senkrechtem Ioneneinfall hexagonal geordnete Lochstrukturen entstehen. Dabei handelt es sich um zueinander inverse Muster. Für diese beiden Materialsysteme sind die Abhängigkeit der sich bildenden Strukturen von der Ionenenergie, dem Fluss, der Fluenz und dem Ioneneinfallswinkel untersucht, und die entstehenden Muster mit theoretischen Modellen verglichen worden. Bei der Bestrahlung von GaSb unter senkrechtem Ioneneinfall steigen charakteristische Länge und Höhe mit der Ionenenergie linear an, bis sie sättigen. Eine Variation des Einfallswinkels der Ar-Ionen führt zu hexagonal geordneten Punktstrukturen, geneigten Punktstrukturen und Rippeln auf GaSb. Das Aspektverhältnis steigt mit dem Winkel an, bis es für die Rippel wieder stark absinkt. Auf Ge bilden sich bei der Bestrahlung mit Ga-Ionen Lochstrukturen, deren Höhe linear mit der Ionenenergie ansteigt und deren charakteristische Länge mit dieser absinkt. Mit steigendem Ioneneinfallswinkel bilden sich aneinander gereihte Lochstrukturen sowie unregelmäßige Muster. Bei den Materialsystemen ist der Anstieg der Ordnung bis zu einer Sättigung mit der Fluenz ebenso wie der Anstieg der Höhe der Strukturen mit der Energie gemeinsam. Für schrägen Ioneneinfall werden gänzlich unterschiedliche Muster erhalten. Zudem ist ein Unterschied im Verhalten der charakteristischen Länge mit der Ionenenergie vorhanden. Ebenso wie die unterschiedlichen Aspektverhältnisse weist dies auf einen Unterschied im Musterbildungsprozess hin. Dieser wird auf Ge von der Vakanzdynamik dominiert, wohingegen auf GaSb das präferentielle Sputtern ausschlaggebend ist. Somit bestimmen die unterschiedlichen Materialeigenschaften von GaSb und Ge den Musterbildungsprozess. Um ein zeitlich entkoppeltes Bestrahlen zu betrachten, wird mit dem Strahl über die Ge-Oberfläche gerastert. Die erhaltenen Muster werden mit denen durch einen stehenden Ionenstrahl entstanden verglichen. Das Rastern des Ionenstrahls hat keinen Einfluss auf die entstehenden Muster. Zudem wird der Fluss bei Bestrahlung der Ge-Oberfläche über vier Größenordnungen variiert. Da der Fluss in allen Termen der Kontinuumsgleichungen enthalten ist, ist kein Einfluss auf die entstehenden Lochstrukturen vorhanden. Bei einer Bestrahlung von Ge mit Ge-Ionen bilden sich ebenfalls Lochstrukturen, die aber keine hexagonale Nahordnung aufweisen. Damit wird eine zweite Komponente, entweder im Substrat oder aus dem Ionenstrahl, benötigt, damit die Strukturen geordnet sind. Diese Lochstrukturen werden im Anschluss mit Silber und Eisen bedampft, um ein unterschiedliches Aufwachsen im Vergleich zu einer planaren Oberfläche zu untersuchen. Bei Verwendung einer vorstrukturierten Oberfläche steigt die Anzahl der Silbercluster aufgrund der größeren Oberfläche an. Eine Vorstrukturierung des Substrats verhindert eine Veränderung der Filmmorphologie eines nahezu geschlossenen Films durch Tempern. Bei Verwendung eines planaren Substrats bilden sich nach dem Tempern Cluster. Beim senkrechten Aufdampfen eines Eisenfilms folgt dieser der Oberfläche. Durch die erhöhte Rauigkeit aufgrund der Vorstrukturierung verändert sich die polare Magnetisierungskomponente. Beim Aufdampfen des Eisens unter streifendem Einfall bilden sich säulenartige Strukturen. Diese sind auf dem vorstrukturierten Substrat größer und haben im Mittel einen größeren Abstand. Diese Säulen weisen eine starke magnetische und magnetooptische Anisotropie auf, die im Anschluss untersucht wird. Die Verwendung des vorstrukturierten Substrats und somit die veränderte Größe der Säulen, beeinflusst die magnetischen Eigenschaften kaum.

Organische Solarzellen bieten die Aussicht auf eine ökologische und zugleich ökonomische Energiequelle. Nachteile des Konzepts liegen in der z.T. geringen Stabilität der für Absorption und Ladungstransport verwendeten Moleküle und einer unvollständigen Ausnutzung des Sonnenspektrums. Zur Verbesserung beider Merkmale werden in dieser Arbeit einzelne organische Bestandteile durch anorganische Materialien mit hoher Stabilität und breiten Absorptionsbanden ersetzt. Insbesondere werden als Absorber kolloidale Quantenpunkte (QP) verwendet, denen aufgrund nicht-linearer und durch Größeneffekte steuerbarer optischer Eigenschaften in der Photovoltaik der dritten Generation großes Interesse gilt. Dazu werden dünne anorganisch-organische Filme mit einem Verfahren hergestellt, das auf Wechselwirkungen zwischen Partikeln in Lösung und geladenen Oberflächen beruht (electrostatic layer-by-layer self-assembly). TiO2-Nanokristalle als Elektronenleiter, kolloidale CdTe- und CdSe-QP als Absorber und konjugierte Polymere als Lochleiter werden in die Filme integriert und diese als aktive Schichten in photovoltaischen Zellen verwendet. Die Struktur der Filme wird zunächst mittels AFM, SEM, XPS sowie durch eine Beladung mit organischen Farbstoffen untersucht. Sie weisen Porosität auf einer Skala von Nanometern sowie eine kontrollierbare Dicke und Mikrostruktur auf. Darauf aufbauend werden durch weitere lösungsbasierte Prozessschritte photovoltaische Zellen gefertigt und Zusammenhänge zwischen Struktur und Zellenleistung elektronisch und spektroskopisch untersucht. Einflussfaktoren der Zelleffizienz wie die Ladungsträgererzeugung und interne Widerstände können so bestimmt und die Effizienz von CdSe-QP als Sensibilisatoren nachgewiesen werden. Die Arbeit demonstriert die Eignung der gewählten Methoden und Zelldesigns zur Herstellung von photovoltaischen Zellen und eröffnet neue Ansätze für die Entwicklung und Fertigung insbesondere auf QP basierender Zellen. / Organic solar cells offer the prospect of a both ecological and economical energy source. Drawbacks of the concept are low stabilities of the molecules used for absorption and charge transport and an incomplete utilization of the solar spectrum. In order to improve both these characteristics, individual organic components are replaced by inorganic materials with a high stability and broad absorption bands in this work. In particular, colloidal quantum dots (QDs) are used as absorbers, the non-linear and size controllable optical properties of which are attracting great interest in third generation photovoltaics. For this application, inorganic/organic thin films are produced with a method based on interactions between particles in solution and charged surfaces (electrostatic layer-by-layer self-assembly). TiO2-nanocrystals as electron conductors, colloidal CdTe- and CdSe-QDs as absorbers and conjugated polymers as hole conductors are integrated into the films, which are used as active layers in photovoltaic cells. The structure of the films is investigated by AFM, SEM, XPS and by loading the films with organic dye molecules. The films show porosity on a nanometer scale as well as a controllable thickness and microstructure. Complemented by further solution based processing steps, photovoltaic cells are manufactured and correlations between the structure and performance of the cells are investigated both electronically and spectroscopically. Individual factors that determine the cell efficiency, such as carrier generation and internal resistances, are determined and the efficiency of CdSe-QDs as sensitizers is demonstrated. This work proves the suitability of the chosen methods and cell designs for manufacturing photovoltaic cells and opens up new approaches for the development and manufacture of in particular QD-based solar cells.