A semi-phenomenological approach to the structure and transport properties of macromolecules in solution

Motiviert durch die Lebenswissenschaften (Life sciences) haben sich Untersuchungen zur Dynamik von Makromolekülen in Lösungen in den vergangenen Jahren zu einem zukunftsweisenden Forschungsgebiet etabliert, dessen Anwendungen von der Biophysik über die physikalische Chemie bis hin zu den Materialwissenschaften reichen. Neben zahlreichen experimentellen Forschungsprogrammen zur räumlichen Struktur und den Transporteigenschaften grosser MolekÄule, wie sie heute praktisch an allen (Synchrotron-) Strahlungsquellen und den Laboren der Biophysik anzutreffen sind, werden gegenwärtig daher auch umfangreiche theoretische Anstrengungen unternommen, um das Diffusionsverhalten von Makromolekülen besser zu erklären. Um neue Wege für eine quantitative Vorhersagen des Translations- und Rotationsverhaltens grosser Moleküle zu erkunden, wurde in dieser Arbeit ein semiphänomenologischer Ansatz verfolgt. Dieser Ansatz erlaubte es, ausgehend von der Hamiltonschen Mechanik des Gesamtsystems 'Molekül + Lösung', eine Mastergleichung für die Phasenraumdichte der Makromoleküle herzuleiten, die den Einfluss der Lösung mittels effektiver Reibungstensoren erfasst. Im Rahmen dieses Ansatzes gelingt es z.B. (i) sowohl den Einfluss der Wechselwirkung zwischen den makromolekularen Gruppen (den sogenannten molekularen beads) und den Lösungsteilchen zu analysieren als auch (ii) die Diffusionseigen schaften für veschiedene thermodynamische Umgebungen zu untersuchen. Ferner gelang es auf der Basis dieser Näherung, die Rotationsbewegung von grossen Molekülen zu beschreiben, die einseitig auf einer Oberfläche festgeheftet sind. Im Vergleich zu den aufwendigen molekulardynamischen (MD) Simulationen grosser Moleküle zeichnet sich die hier dargestellte Methode vor allem durch ihren hohen `Effizienzgewinn' aus, der für komplexe Systeme leicht mehr als fünf Grössenordnungen betragen kann. Dieser Gewinn an Rechenzeit erlaubt bspw. Anwendungen, wie sie mit MD Simulationen wohl auch zukünftig nicht oder nur sehr zögerlich aufgegriffen werden können. Denkbare Anwendungsgebiete dieser Näherung betreffen dabei nicht nur dichte Lösungen, in denen auch die Wechselwirkungen der molekularen beads zu benachbarten Makromolekülen eine Rolle spielt, sondern auch Untersuchungen zu ionischen Flüssigkeiten oder zur Topologie grosser Moleküle.

Mikrostrukturierte Sensoren für die pH-Wert-Bestimung auf Basis von dünnen, intrinisch leitfähigen Polyanilinschichten

Der pH-Wert stellt in der Chemie, Physik, Biologie, Pharmazie und Medizin eine wichtige Meßgröße dar, da eine Vielzahl von Reaktionen durch den pH-Wert bestimmt wird. In der Regel werden zur pH-Wert-Messung Glaselektroden eingesetzt. Hierbei konnte der pH-sensitive Bereich zwar bis auf einige Mikrometer reduziert werden, aber die Gesamtab-messungen betragen immer noch 15-20 cm. Mit der Einführung miniaturisierter Reaktionsgefäße ist daher der Bedarf an miniaturisierten Sensoren enorm gestiegen. Um in solchen Gefäßen Reaktionsparameter wie z. B. den pH-Wert zu kontrollieren, müssen die Gesamtabmessungen der Sensoren verringert werden. Dies lässt sich mit Hilfe der Mikrostrukturtechnik von Silizium realisieren. Hiermit lassen sich Strukturen und ganze Systeme bis in den Nanometerbereich herstellen. Basierend auf Silizium und Gold als Elektrodenmaterial wurden im Rahmen dieser Arbeit verschiedene Interdigitalstrukturen hergestellt. Um diese Strukturen zur pH-Wert-Messungen einsetzen zu können, müssen sie mit einer pH-sensitiven Schicht versehen werden. Hierbei wurde Polyanilin, ein intrinsisch leitendes Polymer, aufgrund seine pH-abhängigen elektrischen und optischen Verhaltens eingesetzt. Die Beschichtung dieser Sensoren mit Polyanilin erfolgte vorwiegend elektrochemisch mit Hilfe der Zyklovoltammetrie. Neben der Herstellung reiner Polyanilinfilme wurden auch Kopolymerisationen von Anilin und seinen entsprechenden Aminobenzoesäure- bzw. Aminobenzensulfonsäurederivaten durchgeführt. Ergebnisse dazu werden vorgestellt und diskutiert. Zur Charakterisierung der resultierenden Polyanilin- und Kopolymerfilme auf den Inter-digitalstrukturen wurden mit Hilfe der ATR-FT-IR-Spektroskopie Spektren aufgenommen, die gezeigt und diskutiert werden. Eine elektrochemische Charakterisierung der Polymere erfolgte mittels der Zyklovoltammetrie. Die mit Polyanilin bzw. seinen Kopolymeren beschichteten Sensoren wurden dann für Widerstandsmessungen an den Polymerfilmen in wässrigen Medien eingesetzt. Polyanilin zeigt lediglich eine pH-Sensitivität in einem pH-Bereich von pH 2 bis pH 4. Durch den Einsatz der Kopolymere konnte dieser pH-sensitive Bereich jedoch bis zu einem pH-Wert von 10 ausgeweitet werden. Zur weiteren Miniaturisierung der Sensoren wurde das Konzept der interdigitalen Elektroden-paare auf Cantilever übertragen. Die pH-sensitive Zone konnte dabei auf 500 µm2 bei einer Gesamtlänge des Sensors (Halter mit integriertem Cantilever) von 4 mm reduziert werden. Neben den elektrischen pH-abhängigen Eigenschaften können auch die optischen Eigen-schaften des Polyanilins zur pH-Detektion herangezogen werden. Diese wurden zunächst mit Hilfe der UV-VIS-Spektroskopie untersucht. Die erhaltenen Spektren werden gezeigt und kurz diskutiert. Mit Hilfe eines Raster-Sonden-Mikroskops (a-SNOM, Firma WITec) wurden Reflexionsmessungen an Polyanilinschichten durchgeführt. Zur weiteren Miniaturisierung wurden Siliziumdioxidhohlpyramiden (Basisfläche 400 µm2) mit Spitzenöffnungen in einem Bereich von 50-150 nm mit Polyanilin beschichtet. Auch hier sollten die optischen Eigenschaften des Polyanilins zur pH-Wert-Sensorik ausgenutzt werden. Es werden erste Messungen an diesen Strukturen in Transmission diskutiert.

Untersuchung von Schichtsystemen für die magnetooptische Datenspeicherung mit Hilfe der Kerr-Mikroskopie

Untersuchung von Schichtsystemen für die magneto-optische Datenspeicherung mit Hilfe der Kerr-Mikroskopie Dissertation von Stephan Knappmann, Universität Gh Kassel, 2000 Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein modifiziertes Kerr-Mikroskop aufgebaut und für eine neuartige Untersuchungsmethode von gekoppelten magnetischen Schichten angewendet. Damit können Schichtsysteme untersucht werden, bei denen die eine Schicht eine temperaturabhängige Reorientierung der Magnetisierung von in-plane zu senkrecht zeigt. Derartige Schichten sind für zukünftige magnetooptische Speichertechniken interessant, da sie für die magnetisch induzierte Superauflösung (MSR) eingesetzt werden können. Zunächst wurde ein Ganzfeld-Kerr-Mikroskop aufgebaut und durch einen zusätzlichen Strahlengang erweitert. Da die Proben lokal geheizt werden sollten, wurde der Strahl eines Diodenlasers (l = 780 nm) in den Strahlengang eingekoppelt, durch das Mikroskopobjektiv auf die Probe fokussiert und nach der Reflexion vollständig aus dem Strahlengang entfernt. Dies war deshalb wichtig, da Domänenbilder aufgenommen werden sollten, während die Schichten lokal geheizt werden. Mit diesem Aufbau ist es möglich, den magnetooptischen Ausleseprozeß in MSR Systemen mikroskopisch zu simulieren. Dies wurde am Beispiel einer Doppelschicht demonstriert. Dieses Schichtsystem besteht aus einer Speicherschicht mit senkrechter Magnetisierung (TbFeCo) und einer Ausleseschicht mit temperaturabhängiger Reorientierung (GdFeCo). Damit ist dieses Schichtsystem für eine spezielle MSR Technik (CAD-MSR) geeignet. Dabei wird im heißen Bereich des laserinduzierten Temperaturprofils die Information aus der Speicherschicht in die Ausleseschicht kopiert, so daß eine Apertur gebildet wird, die nur von der Temperaturverteilung abhängt. Bei diesem Schichtsystem konnte gezeigt werden, daß sich durch ein Magnetfeld die Aperturwirkung deutlich verbessern läßt. Dieses Ergebnis läßt sich auf alle Schichten übertragen, bei denen die Reorientierung der Magnetisierung durch allmähliche Drehung erfolgt. Die wesentlichen Ergebnisse der Domänenbeobachtungen an der TbFeCo/GdFeCo-Doppelschicht konnten durch Simulationen mit Hilfe eines einfachen Modells bestätigt werden. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit lag in der Untersuchung von Vielfachschichten. Es wurden Tb/Fe-Vielfachschichten mit einer Modulationswellenlänge von 1,5 - 5 nm durch Kathodenzerstäubung hergestellt und magnetisch charakterisiert. Die natürlichen Domänen-strukturen zeigten eine starke Abhängigkeit von dem Verhältnis der Tb- und Fe-Schichtdicken. Die Erklärung kann durch das Wechselspiel von magnetostatischer Energie EMS und Domänenwandenergie EDW gegeben werden. In der Nähe des Kompensationspunktes ist EMS klein und EDW dominiert. Als Folge bilden sich zirkulare Domänen. Mit der Entfernung vom Kompensationspunkt steigt EMS und es wird eine verzweigte Domänenstruktur favorisiert. Thermomagnetische Schreibexperimente an einer ausgewählten Tb/Fe-Vielfachschicht haben ergeben, daß sich bei kleinen Schreib-Magnetfeldern Subdomänenstrukturen ausbilden können. In der Praxis ist ein solcher Subdomänenzustand unerwünscht, da er zu einem erhöhten Ausleserauschen führen würde. Der Effekt läßt sich durch ein höheres Magnetfeld oder eine höhere Kompensationstemperatur (höhere Tb-Konzentration) vermeiden. Schließlich wurde demonstriert, daß nach kleinen Änderungen mit dem Mikroskop Domänen in longitudinaler Konfiguration abgebildet werden können. Da die Kerr-Drehungen hier kleiner sind als im polaren Fall, mußten verschiedene Verfahren der Bildverarbeitung angewendet werden, um den magnetischen Kontrast zu vergrößern. Neben der bekannten Subtraktion eines Referenzbildes wurde ein neues Verfahren zur weiteren Verbesserung der Domänenbilder angewendet, wobei zwei Referenzbilder mit entgegengesetzter Magnetisierung benötigt werden.