This thesis aims to shed light on the mechanisms governing the self-assembly of polymer-functionalized gold nanoparticles (AuNPs) in colloidal solutions, with the ultimate goal of enhancing control over the directed assembly of these hybrid nanomaterials (HNMs) for potential sensor applications. State-of-the-art analytical methods were employed to investigate the nano/microscopic forces involved in the self-assembly process. The first step involved the development of a method using energy-filtered transmission electron microscopy (EFTEM) to quantify the polymer grafting density (PGD) for polystyrene (PS)-grafted isotropic and anisotropic AuNPs (nanospheres (NSs) and nanorods (NRs)). This method addressed the lack of techniques capable of quantifying polymer loads for individual nanoparticles. The analysis results, in agreement with values from thermogravimetric (TGA) measurements, revealed no preferential polymer load at the surfaces with higher curvature (tips of AuNRs) for functionalized NRs with a measured PGD of  0.05 chain nm–2. This observation led to discovery of a novel aspect of the self-assembly of anisotropic PS-grafted AuNPs: By reducing the solvent quality for PS brushes through the addition of 20% v/v water to the dimethylformamide (DMF) solution, preferential tip-to-tip assembly of AuNRs occurred, even for species coated with a homogeneous PS layer. The origin and influence of surface charges and electrostatic forces on the preferential tip-to-tip assembly of AuNRs was then examined with Zeta-potential and kelvin probe atomic force microscopy (KPAFM) and through control experiments involving the addition of NaCl electrolyte to the colloidal solution. Changes in assembly rates and modes were monitored by observing shifts in longitudinal/transversal localized surface plasmon resonance (LSPR) peaks in the vis/NIR spectroscopy. The self-assembly kinetics of similar PS-grafted AuNR systems were further studied using a combination of time-resolved vis/NIR spectroscopy, finite-difference time-domain (FDTD) simulations, and additional data from transmission electron microscopy (TEM) analysis. The results indicated faster assembly rates and lower energy barriers for nanorods grafted with thicker PS shells compared to those coated with thinner shells, emphasizing the role of electrostatic repulsive forces in preventing assembly when the polymer spacing between nanorods is smaller. Coarse-grained molecular dynamic (MD) simulations supported the explanation emphasizing on the impact of electrostatic forces on the preferential tip-to-tip self-assembly of PS@AuNRs, as well as the effect of PS layer thickness on the energy barrier for such assemblies. The knowledge gained was applied to design co-assembled structures using blocks of nanorods coated with two distinct molecular weights (12 and 50 kDa), revealing a narcissistic self-assembly signature arising from different assembly rates of each block. Another model system involving gold nanospheres (AuNSs) grafted with thermo-responsive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) brushes was employed in a separate research project to study the assembly/disassembly mechanism of brush-coated nanoparticles. The assembly/disassembly was triggered by changing the solvent conditions for the polymer brushes, through heating/cooling the colloidal solution above/below the lower critical solution temperature (LCST) of the 30 kDa PNIPAM brush (32 °C). Clusters with different sizes and geometries were successfully formed in aqueous solution by varying the ionic strength of solution through changing the concentrations of NaCl electrolyte. No cluster were formed at 40 °C in systems with little to no electrolyte, underlining the role of repulsive electrostatic forces in solution-based self-assembly of colloidal NPs. Moreover, transition from single NPs to 1D/2D assemblies and then growing globular structures with increasing electrolyte concentrations was observed by increasing the electrolyte concentration at temperatures above the LCST. This transition was tracked using polarized angle-dependent dynamic light scattering (DLS) and TEM analysis. Additionally, real-time micrographs and videos of self-assembly in the presence of electrolyte and upon an increase in solution temperature to 40 °C were recorded via in-situ liquid-phase TEM. To the best of author’s knowledge, the employed approaches have not been previously reported to gain deep insights into the assembly of thermo-responsive HNMs in solution and points out to potentials for future analytical studies. Based on the obtained results, scattering measurements in glass fiber nanochannels are planned to provide further insights into the assembly/disassembly process for single clusters. / Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Mechanismen der Selbstassemblierung von polymerfunktionalisierten Goldnanopartikeln (AuNPs) in kolloidalen Lösungen zu untersuchen. Dies soll dazu beitragen, die Kontrolle über die gezielte Anordnung dieser hybriden Nanomaterialien (HNMs) für potenzielle Sensoranwendungen zu verbessern. Hierzu kamen moderne Analysemethoden zum Einsatz, um die bei diesem Selbstassemblierungsprozess wirkenden nano-/mikroskopischen Kräfte zu erforschen. Im ersten Schritt wurde eine Methode entwickelt, die auf energiegefilterter Transmissionselektronenmikroskopie (EFTEM) basiert. Diese Methode ermöglichte die Quantifizierung der Polymerpfropfdichte (PGD) für isotrope und anisotrope AuNPs (Nanokugeln (NS) und Nanostäbchen (NR)), die mit Polystyrol (PS) gepfropft wurden. Mit dieser Methode konnte die Polymerbeladung erstmals auf der Ebene einzelner Nanopartikel quantifiziert werden. Die Analyseergebnisse, die mit den Werten thermogravimetrischer Messungen (TGA) übereinstimmen, zeigten, dass bei funktionalisierten Nanopartikeln mit einer PGD von 0,05 Ketten/nm¬2 keine bevorzugte Polymerbeladung an den Oberflächen mit höherer Krümmung (Spitzen der AuNRs) vorhanden ist. Diese Beobachtung führte zur Entdeckung eines neuen Aspekts der Selbstassemblierung von anisotropen PS-gepfropften AuNPs: Durch die Verringerung der Lösungsmittelqualität für PS-Bürsten durch Zugabe von 20 % v/v Wasser zur Dimethylformamid (DMF)-Lösung kam es zu einer bevorzugten Spitze-zu-Spitze-Anordnung von AuNRs, sogar für Nanostäbe, die von einer homogenen PS-Schicht umgeben waren. Der Ursprung und der Einfluss von Oberflächenladungen und elektrostatischen Kräften auf die bevorzugte Spitze-zu-Spitze-Anordnung von AuNRs wurden dann mit Zeta-Potential und Kelvin-Sonden-Atomkraftmikroskopie (KPAFM) sowie durch Kontrollexperimente unter Zugabe von NaCl-Elektrolyt zur kolloidalen Lösung untersucht. Änderungen der Assemblierungsgeschwindigkeit und -Modi wurden durch Beobachtung von Verschiebungen der longitudinalen/transversalen Moden der lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) in der vis/NIR-Spektroskopie verfolgt. Die Selbstassemblierungskinetik ähnlicher PS-gepfropfter AuNR-Systeme wurde mit einer Kombination aus zeitaufgelöster vis/NIR-Spektroskopie, Finite-Differenzen-Zeitbereichssimulationen (FDTD) und zusätzlichen Daten aus der TEM-Analyse weiter untersucht. Die Ergebnisse deuten auf schnellere Assemblierungsgeschwindigkeiten und niedrigere Energiebarrieren für solche Nanostäbchen hin, die mit dickeren PS-Hüllen gepfropft sind, im Vergleich zu solchen, die mit dünneren Hüllen beschichtet sind. Dies unterstreicht die Rolle der elektrostatischen Abstoßungskräfte bei der Verhinderung der Selbstanordnung, wenn der Polymerabstand zwischen den Nanostäbchen kleiner ist. Vergröberte molekulardynamische (MD)-Simulationen unterstützten die Erklärung, wobei der Einfluss elektrostatischer Kräfte auf die bevorzugte Spitze-zu-Spitze-Anordnung von PS@AuNRs sowie die Auswirkung der PS-Schichtdicke auf die Energiebarriere für solche Assemblierungen hervorgehoben wurde. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden für das Design von ko-assemblierten Strukturen unter Verwendung von Nanostäbchenblöcken verwendet, die mit zwei unterschiedlichen Molekulargewichten (12 und 50 kDa) beschichtet sind. Dabei wurde eine narzisstische Selbstassemblierungssignatur aufgedeckt, die sich aus unterschiedlichen Assemblierungsraten der einzelnen Blöcke ergibt. Ein weiteres Modellsystem mit Goldnanokugeln (AuNS), die mit thermoresponsiven Poly(N-Isopropylacrylamid)-Bürsten (PNIPAM) gepfropft wurden, wurde in einem anderen Forschungsprojekt verwendet, um den Mechanismus der Assemblierung/ des Zerfalls von bürstenbeschichteten Nanopartikeln zu untersuchen. Die Assemblatbildung/-Zerfall wurde durch Änderung der Lösungsmittelbedingungen für die Polymerbürsten ausgelöst, indem die kolloidale Lösung über/unter die untere kritische Lösungstemperatur (LCST) der 30 kDa PNIPAM-Bürste (32 °C) erhitzt/abgekühlt wurde. Cluster mit unterschiedlichen Größen und Geometrien wurden erfolgreich in wässriger Lösung gebildet, indem die Ionenstärke der Lösung durch Änderung der Konzentrationen des NaCl-Elektrolyten variiert wurde. Bei 40 °C wurden in Systemen mit wenig oder gar keinem Elektrolyten keine Cluster gebildet, was die Rolle der abstoßenden elektrostatischen Kräfte bei der lösungsbasierten Selbstassemblierung kolloidaler NPs unterstreicht. Der Übergang von einzelnen NPs zu 1D/2D anisotropen Assemblaten und dann zu wachsenden kugelförmigen Strukturen wurde beobachtet, indem die Elektrolytkonzentration bei Temperaturen oberhalb der LCST geändert wurde. Dieser Übergang wurde mittels polarisierter, winkelabhängiger dynamischer Lichtstreuung (DLS) und TEM-Analyse verfolgt. Echtzeit-Elektronenmikroskopie der Selbstassemblierung in Anwesenheit des Elektrolyten und bei einer Erhöhung der Lösungstemperatur auf 40 °C wurden mittels In-situ-TEM in einer Flüssigkeitszelle realisiert. Nach bestem Wissen des Autors wurde bisher noch nicht über die angewandten Ansätze berichtet, um tiefe Einblicke in den Aufbau thermoresponsiver HNMs in Lösung zu gewinnen, und sie weisen auf Potenziale für zukünftige analytische Studien hin. Geplante Messungen der Bildung/Deformation einzelner Cluster in optischen Fasern sind geplant, um weitere Einblicke in den Assemblierungsprozess zu erhalten.

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.

In dieser Dissertation wird die Selbstorganisation von pi-konjugierten (makro)molekularen Architekturen durch Chemisorption oder Physisorption in hochgeordnete supramolekulare nanoskopische und mikroskopische Strukturen auf festen Trägern untersucht. Ihre Struktur und Dynamik wurden auf molekularer Skala hauptsächlich mit Rastersondenmikroskopien, insbesondere mit Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopie, untersucht. Dies erlaubte die Charakterisierung einer Reihe von Phänomenen, die sowohl an Fest-Flüssig-Grenzflächen auftreten, wie beispielsweise die Dynamik der einzelnen molekularen Nanostäbchen (Ostwald Reifung) und die Fraktionierung steifer Polymerstäbchen durch Physisorption an der Grafitoberfläche aus der Lösung heraus, als auch in trockenen Filmen vorkommen wie die Selbstorganisation steifer Polymerstäbchen zu Nanobändern mit molekularen Querschnitten, die sich epitaktisch auf Oberflächen orientieren lassen und auch die Ausbildung gestapelter Architekturen von diskförmigen Molekülen. Außerdem wurden die elektronischen Eigenschaften der untersuchten Systeme mit Hilfe von Photoelektronenspektroskopie charakterisiert. Die entwickelten Nanostrukturen sind nicht nur für Nanokonstruktionen auf festen Oberflächen von Interesse, sondern besitzen auch Eigenschaften, die sie für Anwendungen in einer zukünftigen molekularen Elektronik prädestiniert, etwa für den Aufbau molekularer Drähte. / In this thesis the self-assembly of pi-conjugated (macro)molecular architectures, either through chemisorption or via physisorption, into highly ordered supramolecular nanoscopic and microscopic structures has been studied. On solid substrates structure and dynamics has been investigated on the molecular scale making use primarily of Scanning Probe Microscopies, in particular Scanning Tunneling Microscopy and Scanning Force Microscopy. This allowed to characterize a variety of phenomena occurring both at the solid-liquid interface, such as the dynamics of the single molecular nanorods (known as Ostwald ripening), the fractionation of a solution of rigid-rod polymers upon physisorption on graphite; and in dry films, i.e. the self-assembly of rigid-rod polymers into nanoribbons with molecular cross sections which can be epitaxially oriented at surfaces and the formation ordered layered architectures of disc-like molecules. In addition the electronic properties of the investigated moieties have been studied by means of Photoelectron Spectroscopies. The nanostructures that have been developed are not only of interest for nanoconstructions on solid surfaces, but also exhibit properties that render them candidates for applications in the field of molecular electronics, in particular for building molecular nanowire devices.

Aktive Filament-Systeme, wie zum Beispiel das Zellskelett, sind Beispiele einer interessanten Klasse neuartiger Materialien, die eine wichtige Rolle in der belebten Natur spielen. Viele wichtige Prozesse in lebenden Zellen wie zum Beispiel die Zellbewegung oder Zellteilung basieren auf dem Zellskelett. Das Zellskelett besteht aus Protein-Filamenten, molekularen Motoren und einer großen Zahl weiterer Proteine, die an die Filamente binden und diese zu einem Netz verbinden können. Die Filamente selber sind semifexible Polymere, typischerweise einige Mikrometer lang und bestehen aus einigen hundert bis tausend Untereinheiten, typischerweise Mono- oder Dimeren. Die Filamente sind strukturell polar, d.h. sie haben eine definierte Richtung, ähnlich einer Ratsche. Diese Polarität begründet unterschiedliche Polymerisierungs- und Depolymerisierungs-Eigenschaften der beiden Filamentenden und legt außerdem die Bewegungsrichtung molekularer Motoren fest. Die Polymerisation von Filamenten sowie Krafterzeugung und Bewegung molekularer Motoren sind aktive Prozesse, die kontinuierlich chemische Energie benötigen. Das Zellskelett ist somit ein aktives Gel, das sich fern vom thermodynamischen Gleichgewicht befindet. In dieser Arbeit präsentieren wir Beschreibungen solcher aktiven Filament-Systeme und wenden sie auf Strukturen an, die eine ähnliche Geometrie wie zellulare Strukturen haben. Beispiele solcher zellularer Strukturen sind Spannungsfasern, kontraktile Ringe oder mitotische Spindeln. Spannungsfasern sind für die Zellbewegung essentiell; sie können kontrahieren und so die Zelle vorwärts bewegen. Die mitotische Spindel trennt Kopien der Erbsubstanz DNS vor der eigentlichen Zellteilung. Der kontraktile Ring schließlich trennt die Zelle am Ende der Zellteilung. In unserer Theorie konzentrieren wir uns auf den Einfluß der Polymerisierung und Depolymerisierung von Filamenten auf die Dynamik dieser Strukturen. Wir zeigen, dass der kontinuierliche Umschlag (d.h. fortwährende Polymerisierung und Depolymerisierung) von Filamenten unabdingbar ist für die kontraktion eines Rings mit konstanter Geschwindigkeit, so wie in Experimenten mit Hefezellen beobachtet. Mit Hilfe einer mikroskopisch motivierten Beschreibung zeigen wir, wie "filament treadmilling", also Filament Polymerisierung an einem Ende mit der gleichen Rate wie Depolymerisierung am anderen Ende, zur Spannung in Filament Bündeln und Ringen beitragen kann. Ein zentrales Ergebnis ist, dass die Depolymerisierung von Filamenten in Anwesenheit von filamentverbindenden Proteinen das Zusammenziehen dieser Bündel sogar in Abwesenheit molekulare Motoren herbeiführen kann. Ferner entwickeln wir eine generische Kontinuumsbeschreibung aktiver Filament-Systeme, die ausschließlich auf Symmetrien der Systeme beruht und von mikroskopischen Details unabhängig ist. Diese Theorie erlaubt uns eine komplementäre Sichtweise auf solche aktiven Filament-Systeme. Sie stellt ein wichtiges Werkzeug dar, um die physikalischen Mechanismen z.B. in Filamentbündeln aber auch bei der Bildung von Filamentringen im Zellkortex zu untersuchen. Schließlich entwickeln wir eine auf einem Kräftegleichgewicht basierende Beschreibung für bipolare Strukturen aktiver Filamente und wenden diese auf die mitotische Spindel an. Wir diskutieren Bedingungen für die Bildung und Stabilität von Spindeln. / Active filament systems such as the cell cytoskeleton represent an intriguing class of novel materials that play an important role in nature. The cytoskeleton for example provides the mechanical basis for many central processes in living cells, such as cell locomotion or cell division. It consists of protein filaments, molecular motors and a host of related proteins that can bind to and cross-link the filaments. The filaments themselves are semiflexible polymers that are typically several micrometers long and made of several hundreds to thousands of subunits. The filaments are structurally polar, i.e. they possess a directionality. This polarity causes the two distinct filament ends to exhibit different properties regarding polymerization and depolymerization and also defines the direction of movement of molecular motors. Filament polymerization as well as force generation and motion of molecular motors are active processes, that constantly use chemical energy. The cytoskeleton is thus an active gel, far from equilibrium. We present theories of such active filament systems and apply them to geometries reminiscent of structures in living cells such as stress fibers, contractile rings or mitotic spindles. Stress fibers are involved in cell locomotion and propel the cell forward, the mitotic spindle mechanically separates the duplicated sets of chromosomes prior to cell division and the contractile ring cleaves the cell during the final stages of cell division. In our theory, we focus in particular on the role of filament polymerization and depolymerization for the dynamics of these structures. Using a mean field description of active filament systems that is based on the microscopic processes of filaments and motors, we show how filament polymerization and depolymerization contribute to the tension in filament bundles and rings. We especially study filament treadmilling, an ubiquitous process in cells, in which one filament end grows at the same rate as the other one shrinks. A key result is that depolymerization of filaments in the presence of linking proteins can induce bundle contraction even in the absence of molecular motors. We extend this description and apply it to the mitotic spindle. Starting from force balance considerations we discuss conditions for spindle formation and stability. We find that motor binding to filament ends is essential for spindle formation. Furthermore we develop a generic continuum description that is based on symmetry considerations and independent of microscopic details. This theory allows us to present a complementary view on filament bundles, as well as to investigate physical mechanisms behind cell cortex dynamics and ring formation in the two dimensional geometry of a cylinder surface. Finally we present a phenomenological description for the dynamics of contractile rings that is based on the balance of forces generated by active processes in the ring with forces necessary to deform the cell. We find that filament turnover is essential for ring contraction with constant velocities such as observed in experiments with fission yeast.

Das grundlegende Verständnis der Adsorption, der Eigenschaften, und der Wechselwirkungen von komplexen organischen Molekülen auf Festkörperoberflächen ist für die Entwicklung neuer Anwendungen in der Nanotechnologie von entscheidender Bedeutung. Die in dieser Arbeit untersuchten funktionellen Bausteine gehören zu den Porphyrinen und Phthalocyaninen. Deren Adsorption, elektronische Struktur, und Reaktionen der Moleküle auf Edelmetalloberflächen wurden mit mehreren Methoden charakterisiert, insbesondere der Rastertunnelmikroskopie, Rastertunnelspektroskopie, Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie und Photoelektronenspektroskopie, welche zudem durch theoretische Simulationen unter Verwendung der Dichtefunktionaltheorie ergänzt wurden. Tetra(p-hydroxyphenyl)porphyrin Moleküle ordnen sich durch Selbstorganisation zu verschiedenen, durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisierten Nanostrukturen an, welche in Abhängigkeit von dem Substratoberflächengitter untersucht wurden um das komplizierte Zusammenspiel von Molekül−Molekül und Molekül−Substrat-Wechselwirkungen bei der Selbstorganisation zu verstehen. Erhitzen der Adsorbatschichten dieses Moleküls führt zu einer schrittweisen Deprotonierung, und außerdem konnte auch ein Schalten der Leitfähigkeit einzelner Porphyrin-Moleküle durch lokale Deprotonierung mittels Spannungspulsen demonstriert werden. Eine Polymerisationsreaktion, welche auf der Ullmann-Reaktion basiert, aber direkt auf einer Oberfläche stattfindet, wurde für Kupfer-octabromotetraphenylporphyrin Moleküle, die auf Au(111) adsorbiert sind, gefunden. Nach einer thermischen Abspaltung der Bromatome von den Molekülen reagieren dabei die Radikalmoleküle bei hohen Temperaturen miteinander und bilden geordnete, kovalent gebundene Netzwerke aus. Die Bromabspaltung und die nachfolgenden Reaktionen und Veränderungen der elektronischen Struktur der Moleküle wurden ausführlich für die Substratoberflächen Au(111) sowie Ag(110) untersucht. Weiterhin, wird die Adsorption und Selbstorganisation von metall-freien Phthalocyanin-Molekülen auf einer Ag(110)-Oberfläche, und deren Selbstmetallierungsreaktion mit Silberatomen des Substrats umfassend und verständlich beschrieben. Zuletzt wurden organische Hybrid-Grenzflächen zwischen verschiedenen Metall-Phthalocyaninen untersucht, wobei ein Ladungstransfer zwischen Kobalt- und Platin-Phthalocyanin-Molekülen gefunden wurde. Dotierung gemischter Metall-Phthalocyanin-Filme durch Einlagerung von Kaliumatomen und deren selektive Adsorption im Molekülgitter führt zu einer deutlichen Veränderung der elektronischen Eigenschaften, aufgrund einer Ladungsübertragung an die Kobalt-Phthalocyanin Moleküle.

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.

Aktive Filament-Systeme, wie zum Beispiel das Zellskelett, sind Beispiele einer interessanten Klasse neuartiger Materialien, die eine wichtige Rolle in der belebten Natur spielen. Viele wichtige Prozesse in lebenden Zellen wie zum Beispiel die Zellbewegung oder Zellteilung basieren auf dem Zellskelett. Das Zellskelett besteht aus Protein-Filamenten, molekularen Motoren und einer großen Zahl weiterer Proteine, die an die Filamente binden und diese zu einem Netz verbinden können. Die Filamente selber sind semifexible Polymere, typischerweise einige Mikrometer lang und bestehen aus einigen hundert bis tausend Untereinheiten, typischerweise Mono- oder Dimeren. Die Filamente sind strukturell polar, d.h. sie haben eine definierte Richtung, ähnlich einer Ratsche. Diese Polarität begründet unterschiedliche Polymerisierungs- und Depolymerisierungs-Eigenschaften der beiden Filamentenden und legt außerdem die Bewegungsrichtung molekularer Motoren fest. Die Polymerisation von Filamenten sowie Krafterzeugung und Bewegung molekularer Motoren sind aktive Prozesse, die kontinuierlich chemische Energie benötigen. Das Zellskelett ist somit ein aktives Gel, das sich fern vom thermodynamischen Gleichgewicht befindet. In dieser Arbeit präsentieren wir Beschreibungen solcher aktiven Filament-Systeme und wenden sie auf Strukturen an, die eine ähnliche Geometrie wie zellulare Strukturen haben. Beispiele solcher zellularer Strukturen sind Spannungsfasern, kontraktile Ringe oder mitotische Spindeln. Spannungsfasern sind für die Zellbewegung essentiell; sie können kontrahieren und so die Zelle vorwärts bewegen. Die mitotische Spindel trennt Kopien der Erbsubstanz DNS vor der eigentlichen Zellteilung. Der kontraktile Ring schließlich trennt die Zelle am Ende der Zellteilung. In unserer Theorie konzentrieren wir uns auf den Einfluß der Polymerisierung und Depolymerisierung von Filamenten auf die Dynamik dieser Strukturen. Wir zeigen, dass der kontinuierliche Umschlag (d.h. fortwährende Polymerisierung und Depolymerisierung) von Filamenten unabdingbar ist für die kontraktion eines Rings mit konstanter Geschwindigkeit, so wie in Experimenten mit Hefezellen beobachtet. Mit Hilfe einer mikroskopisch motivierten Beschreibung zeigen wir, wie "filament treadmilling", also Filament Polymerisierung an einem Ende mit der gleichen Rate wie Depolymerisierung am anderen Ende, zur Spannung in Filament Bündeln und Ringen beitragen kann. Ein zentrales Ergebnis ist, dass die Depolymerisierung von Filamenten in Anwesenheit von filamentverbindenden Proteinen das Zusammenziehen dieser Bündel sogar in Abwesenheit molekulare Motoren herbeiführen kann. Ferner entwickeln wir eine generische Kontinuumsbeschreibung aktiver Filament-Systeme, die ausschließlich auf Symmetrien der Systeme beruht und von mikroskopischen Details unabhängig ist. Diese Theorie erlaubt uns eine komplementäre Sichtweise auf solche aktiven Filament-Systeme. Sie stellt ein wichtiges Werkzeug dar, um die physikalischen Mechanismen z.B. in Filamentbündeln aber auch bei der Bildung von Filamentringen im Zellkortex zu untersuchen. Schließlich entwickeln wir eine auf einem Kräftegleichgewicht basierende Beschreibung für bipolare Strukturen aktiver Filamente und wenden diese auf die mitotische Spindel an. Wir diskutieren Bedingungen für die Bildung und Stabilität von Spindeln. / Active filament systems such as the cell cytoskeleton represent an intriguing class of novel materials that play an important role in nature. The cytoskeleton for example provides the mechanical basis for many central processes in living cells, such as cell locomotion or cell division. It consists of protein filaments, molecular motors and a host of related proteins that can bind to and cross-link the filaments. The filaments themselves are semiflexible polymers that are typically several micrometers long and made of several hundreds to thousands of subunits. The filaments are structurally polar, i.e. they possess a directionality. This polarity causes the two distinct filament ends to exhibit different properties regarding polymerization and depolymerization and also defines the direction of movement of molecular motors. Filament polymerization as well as force generation and motion of molecular motors are active processes, that constantly use chemical energy. The cytoskeleton is thus an active gel, far from equilibrium. We present theories of such active filament systems and apply them to geometries reminiscent of structures in living cells such as stress fibers, contractile rings or mitotic spindles. Stress fibers are involved in cell locomotion and propel the cell forward, the mitotic spindle mechanically separates the duplicated sets of chromosomes prior to cell division and the contractile ring cleaves the cell during the final stages of cell division. In our theory, we focus in particular on the role of filament polymerization and depolymerization for the dynamics of these structures. Using a mean field description of active filament systems that is based on the microscopic processes of filaments and motors, we show how filament polymerization and depolymerization contribute to the tension in filament bundles and rings. We especially study filament treadmilling, an ubiquitous process in cells, in which one filament end grows at the same rate as the other one shrinks. A key result is that depolymerization of filaments in the presence of linking proteins can induce bundle contraction even in the absence of molecular motors. We extend this description and apply it to the mitotic spindle. Starting from force balance considerations we discuss conditions for spindle formation and stability. We find that motor binding to filament ends is essential for spindle formation. Furthermore we develop a generic continuum description that is based on symmetry considerations and independent of microscopic details. This theory allows us to present a complementary view on filament bundles, as well as to investigate physical mechanisms behind cell cortex dynamics and ring formation in the two dimensional geometry of a cylinder surface. Finally we present a phenomenological description for the dynamics of contractile rings that is based on the balance of forces generated by active processes in the ring with forces necessary to deform the cell. We find that filament turnover is essential for ring contraction with constant velocities such as observed in experiments with fission yeast.

Die vorliegende Arbeit beschreibt das Verhalten von Polypeptid-Blockcopolymeren in der festen Phase und in selektiven Lösungsmitteln. Blockcopolymere auf Basis von Poly(L-glutaminsäure-5-benzylester) (PBLGlu) oder Poly(Nε-benzoyloxycarbonyl-L-lysin) (PZLLys), die in dieser Arbeit eingesetzt wurden, besitzen wegen ihrer helikalen Sekundärstruktur eine sog. Stäbchen-Knäuel-Geometrie, wobei die Knäuelkomponente Polystyrol oder Polybutadien ist. Die Phasenbildung dieser Blockcopolymere ist durch die Packungseigenschaften des rigiden Blocks beeinflusst. Es wurden bevorzugt lamellare Strukturen gebildet, in denen die Stäbchen parallel angeordnet sind. Das Vorhandensein eines permanenten Dipolmomentes führt zur Wechselwirkung zwischen den Helices und zur Erhöhung des Ordnungsgrades in der Phase. Ein zusätzlicher Parameter, der die Morphologie der Phase beeinflußt, ist die Chiralität der Peptidhelix, durch die chirale Überstrukturen induziert werden. In dünnen Filmen (40 nm), wo die Geometrie begrenzt ist, führt es zu Frustrationen in der Phase. Die dadurch entstandene Spannung wurde durch einen zick-zack-artigen Lamellenverlauf abgebaut. In selektiven Lösungsmitteln für die synthetische Komponente (PS) bilden die Polypeptid-Blockcopolymere vesikuläre Strukturen, deren kugel- oder wurmförmige Geometrie von der Elastizität der Membran abhängig ist. Durch Entfernung der Z-Schutzgruppe kann PZLLys in eine wasserlösliche Form überführt werden, so dass die PB-PLLys Blockcopolymere unter Bildung von Vesikeln in Wasser löslich sind. Dabei ist die Konformation des Peptids vom pH-Wert des Mediums abhängig und kann von einem Knäuel zu einer Helix reversibel geschaltet werden. Beim Modifizieren der Sekundärstruktur wurde eine Änderung der Aggregationszahl beobachtet. Somit können diese Blockcopolymere für die Herstellung von schaltbaren Aggregaten eingesetzt werden. / The presented work describes the behaviour of polypeptide-blockcopolymers in the solid-state and well as in selective solvents. Blockcopolymers consisting of PBLGlu or PZLLys / which have been utilized in this work, possess, because of their helical structure, a so-called Rod-Coil Geometry, where the coil component consists of polystyrene or polybutadiene. The phase morphology of these block copolymers is dominated by the packing properties of the rigid blocks. Most commonly, lamellar structures were formed, where the rods were ordered in a parallel fashion. The presence of a permanent dipole moment leads to an interaction between the helices and to an increase in the degree of order within the phase. An additional parameter that influences the phase morphology is the chirality of the peptide helix, which induces the formation of chiral superstructures. In thin films (40 nm), where the geometry is limited, a disordering within the phase is observed. The resulting tension leads to the formation of a zig-zag lamellar pattern. In selective solvents of the synthetic component (PS) of the blockcopolymer, formation of vesicular structures are observed, with spherical or worm-like geometry, depending on the elasticity of the membrane. Through removal of the z-protective groups, PZLLys becomes soluble in water, through the formation of PB-PLLys blockcopolymer vesicles. The conformation of the peptide is dependent on the pH value of the medium and can be reversibly changed from a coil to a helix structure. Through modification of the secondary structure, a change in the aggregation number is observed. Thereby, these blockcopolymers may find application in the fabrication of switchable aggregates.

In this work, the nonaqueous synthesis of binary and ternary metal oxide nanoparticles is investigated for a number of technologically important materials. A strong focus was put on studying the reaction mechanisms leading to particle formation upon solvothermal treatment of the precursors, as an understanding of the formation processes is expected to be crucial for a better control of the systems, offering the potential to tailor particle size and morphology.<br><br> The synthesis of BaTiO3 was achieved by solvothermal reaction of metallic barium and titanium isopropoxide in organic solvents. Phase-pure, highly crystalline particles about 6 nm in size resulted in benzyl alcohol, whereas larger particles could be obtained in ketones such as acetone or acetophenone. In benzyl alcohol, a novel mechanism was found to lead to BaTiO3, involving a C–C coupling step between the isopropoxide ligand and the benzylic carbon of the solvent. The resulting coupling product, 4-phenyl-2-butanol, is found in almost stoichiometric yield. The particle formation in ketones proceeds via a Ti-mediated aldol condensation of the solvent, involving formal elimination of water which induces formation of the oxide. These processes also occurred when reacting solely the titanium alkoxide with ketones or aldehydes, leading to highly crystalline anatase nanoparticles for all tested solvents. In ketones, also the synthesis of nanopowders of lead zirconate titanate (PZT) was achieved, which were initially amorphous but could be crystallized by calcination at moderate temperatures. Additionally, PZT films were prepared by simply casting a suspension of the powder onto Si substrates followed by calcination.<br><br>Solvothermal synthesis however is not restricted to alkoxides as precursors but is also achieved from metal acetylacetonates. The use of benzylamine as solvent proved particularly versatile, making possible the synthesis of nanocrystalline In2O3, Ga2O3, ZnO and iron oxide from the respective acetylacetonates. During the synthesis, the acetylacetonate ligand undergoes a solvolysis under C–C cleavage, resulting in metal-bound enolate ligands which, in analogy to the synthesis in ketones, induce ketimine and aldol condensation reactions.<br><br> In the last section of this work, surface functionalization of anatase nanoparticles is explored. The particles were first capped with various organic ligands via a facile in situ route, which resulted in altered properties such as enhanced dispersibility in various solvents. In a second step, short functional oligopeptide segments were attached to the particles by means of a catechol linker to achieve advanced self-assembly properties. / Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der nichtwässrigen Synthese binärer und ternärer Metalloxid-Nanopartikel durch solvothermale Behandlung von Metalloxid-Vorstufen in organischen Lösungsmitteln. Dabei wurde besonderes Augenmerk auf die Reaktionsmechanismen gelegt, da eine genaue Kenntnis des Bildungsmechanismus eine bessere Kontrolle über das Partikelwachstum erwarten lässt, woraus sich die Möglichkeit der genauen Steuerung von Partikelgröße und –form ableitet.<br><br> Bariumtitanat (BaTiO3) konnte durch solvothermale Reaktion von metallischem Barium und Titanisopropoxid in organischen Lösungsmitteln hergestellt werden. Hochkristalline, phasenreine Partikel von etwa 6 nm Durchmesser wurden in Benzylalkohol erhalten, während in Ketonen wie Aceton oder Acetophenon größere Partikel entstanden. In Benzylalkohol läuft ein neuartiger Reaktionsmechanismus ab, der eine C–C-Kupplungsreaktion zwischen dem Isopropoxid und dem benzylischen Kohlenstoffatom des Lösungsmittels umfasst. Das Kupplungsprodukt 4-Phenyl-2-butanol wird in praktisch stöchiometrischer Ausbeute erhalten. In Ketonen verläuft die Partikelbildung über eine titankatalysierte Aldolkondensation des Lösungsmittels, die formell die Eliminierung von Wasser einschließt, was zur Bildung des Oxids führt. Diese Prozesse liefen auch bei Umsetzung von reinem Titanisopropoxid in Ketonen oder Aldehyden ab, wobei hier hochkristalline Anatas-Nanopartikel entstanden. Auch die Synthese von Bleizirkonat-titanat-Nanopulvern war in Ketonen möglich; die zunächst amorphen Pulver konnten durch Kalzinierung bei relativ geringen Temperaturen in kristalline Nanopartikel überführt werden. Zusätzlich wurden Filme durch Auftragen einer Suspension der Pulver auf Siliziumwafer und anschließende Kalzinierung hergestellt.<br><br>Die solvothermale Synthese kann allerdings auch ausgehend von Metallacetylacetonaten durchgeführt werden. Benzylamin erwies sich hier als ein sehr vielseitiges Lösungsmittel und ermöglichte die Synthese von nanokristallinem In2O3, Ga2O3, ZnO und Eisenoxid ausgehend von den jeweiligen Acetylacetonaten. Im Verlauf der Synthese wird der Acetylacetonatligand unter C–C-Bindungsspaltung solvolysiert. Die entstehenden Enolatliganden reagieren dann unter Ketimin- und Aldolkondensation analog der Solvothermalsynthese in Ketonen weiter.<br><br> Der letzte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Funktionalisierung der Partikel. Zunächst wurden TiO2-Partikel durch verschiedene organische Liganden „in situ“ funktionalisiert, wodurch Eigenschaften wie etwa die Dispergierbarkeit in unterschiedlichen Lösungsmitteln beeinflusst werden konnten. In einem zweiten Schritt wurden kurze Oligopeptidketten über eine Katecholbrücke an die Partikel geknüpft, um anspruchsvolle Selbstanordnungseigenschaften zu erzielen.

In dieser Arbeit wurde die Rolle selektiver, nicht-kovalenter Wechselwirkungen bei der Selbstorganisation von Diblockcopolymeren untersucht. Durch Einführung elektrostatischer, dipolarer Wechselwirkungen oder Wasserstoffbrückenbindungen sollte es gelingen, komplexe Mesostrukturen zu erzeugen und die Ordnung vom Nanometerbereich auf größere Längenskalen auszuweiten. Diese Arbeit ist im Rahmen von Biomimetik zu sehen, da sie Konzepte der synthetischen Polymer- und Kolloidchemie und Grundprinzipien der Strukturbildung in supramolekularen und biologischen Systemen verbindet. Folgende Copolymersysteme wurden untersucht: (i) Blockionomere, (ii) Blockcopolymere mit chelatisierenden Acetoacetoxyeinheiten und (iii) Polypeptid-Blockcopolymere. / In this work, the basic principles of self-organization of diblock copolymers having the in&#172;herent property of selective or specific non-covalent binding were examined. By the introduction of electrostatic, dipole&ndash;dipole, or hydrogen bonding interactions, it was hoped to add complexity to the self-assembled mesostructures and to extend the level of ordering from the nanometer to a larger length scale. This work may be seen in the framework of biomimetics, as it combines features of synthetic polymer and colloid chemistry with basic concepts of structure formation applying in supramolecular and biological systems. The copolymer systems under study were (i) block ionomers, (ii) block copolymers with acetoacetoxy chelating units, and (iii) polypeptide block copolymers.