Hochgenaue Berechnungen von Energien und molekularen Eigenschaften mit Hilfe der Coupled-Cluster-Theorie

Coupled-Cluster-Theorie (CC) ist in der heutigen Quantenchemie eine der erfolgreichsten Methoden zur genauen Beschreibung von Molekülen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse zeigen, daß neben den Berechnungen von Energien eine Reihe von Eigenschaften wie Strukturparameter, Schwingungsfrequenzen und Rotations-Schwingungs-Parameter kleiner und mittelgrofler Moleküle zuverlässig und präzise vorhergesagt werden können. Im ersten Teil der Arbeit wird mit dem Spin-adaptierten Coupled-Cluster-Ansatz (SA-CC) ein neuer Weg zur Verbesserung der Beschreibung von offenschaligen Systemen vorgestellt. Dabei werden zur Bestimmung der unbekannten Wellenfunktionsparameter zusätzlich die CC-Spingleichungen gelöst. Durch dieses Vorgehen wird gewährleistet, daß die erhaltene Wellenfunktion eine Spineigenfunktion ist. Die durchgeführte Implementierung des Spin-adaptierten CC-Ansatzes unter Berücksichtigung von Einfach- und Zweifachanregungen (CCSD) für high-spin Triplett-Systeme wird ausführlich erläutert. Im zweiten Teil werden CC-Additionsschemata vorgestellt, die auf der Annahme der Additivität von Elektronenkorrelations- und Basissatzeffekten basieren. Die etablierte Vorgehensweise, verschiedene Beiträge zur Energie mit an den Rechenaufwand angepassten Basissätzen separat zu berechnen und aufzusummieren, wird hier auf Gradienten und Kraftkonstanten übertragen. Für eine Beschreibung von Bindungslängen und harmonischen Schwingungsfrequenzen mit experimenteller Genauigkeit ist die Berücksichtigung von Innerschalenkorrelationseffekten sowie Dreifach- und Vierfachanregungen im Clusteroperator der Wellenfunktion nötig. Die Basissatzkonvergenz wird dabei zusätzlich mit Extrapolationsmethoden beschleunigt. Die quantitative Vorhersage der Bindungslängen von 17 kleinen Molekülen, aufgebaut aus Atomen der ersten Langperiode, ist so mit einer Genauigkeit von wenigen Hundertstel Pikometern möglich. Für die Schwingungsfrequenzen dieser Moleküle weist das CC-Additionsschema basierend auf den berechneten Kraftkonstanten im Vergleich zu experimentellen Ergebnissen einen mittleren absoluten Fehler von 3.5 cm-1 und eine Standardabweichung von 2.2 cm-1 auf. Darüber hinaus werden zur Unterstützung von experimentellen Untersuchungen berechnete spektroskopische Daten einiger größerer Moleküle vorgelegt. Die in dieser Arbeit vorgestellten Untersuchungen zur Isomerisierung von Dihalogensulfanen XSSX (X= F, Cl) oder die Berechnung von Struktur- und Rotations-Schwingungs-Parametern für die Moleküle CHCl2F und CHClF2 zeigen, daß bereits störungstheoretische CCSD(T)-Näherungsmethoden qualitativ gute Vorhersagen experimenteller Resultate liefern. Desweiteren werden Diskrepanzen von experimentellen und berechneten Bindungsabständen bei den Molekülen Borhydrid- und Carbenylium durch die Berücksichtigung des elektronischen Beitrages zum Trägheitsmoment beseitigt.

Analytische Ableitungen der Energie für den "Equation-of-Motion-Coupled-Cluster"-Ansatz zur Berechnung von Ionisationspotentialen

In der vorliegenden Arbeit wird die Theorie der analytischen zweiten Ableitungen für die EOMIP-CCSD-Methode formuliert sowie die durchgeführte Implementierung im Quantenchemieprogramm CFOUR beschrieben. Diese Ableitungen sind von Bedeutung bei der Bestimmung statischer Polarisierbarkeiten und harmonischer Schwingungsfrequenzen und in dieser Arbeit wird die Genauigkeit des EOMIP-CCSD-Ansatzes bei der Berechnung dieser Eigenschaften für verschiedene radikalische Systeme untersucht. Des Weiteren können mit Hilfe der ersten und zweiten Ableitungen vibronische Kopplungsparameter berechnet werden, welche zur Simulation von Molekülspektren in Kombination mit dem Köppel-Domcke-Cederbaum (KDC)-Modell - in der Arbeit am Beispiel des Formyloxyl (HCO2)-Radikals demonstriert - benötigt werden.rnrnDer konzeptionell einfache EOMIP-CC-Ansatz wurde gewählt, da hier die Wellenfunktion eines Radikalsystems ausgehend von einem stabilen geschlossenschaligen Zustand durch die Entfernung eines Elektrons gebildet wird und somit die Problematik der Symmetriebrechung umgangen werden kann. Im Rahmen der Implementierung wurden neue Programmteile zur Lösung der erforderlichen Gleichungen für die gestörten EOMIP-CC-Amplituden und die gestörten Lagrange-Multiplikatoren zeta zum Quantenchemieprogramm CFOUR hinzugefügt. Die unter Verwendung des Programms bestimmten Eigenschaften werden hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit im Vergleich zu etablierten Methoden wie z.B. CCSD(T) untersucht. Bei der Berechnung von Polarisierbarkeiten und harmonischen Schwingungsfrequenzen liefert die EOMIP-CCSD-Theorie meist gute Resultate, welche nur wenig von den CCSD(T)-Ergebnissen abweichen. Einzig bei der Betrachtung von Radikalen, für die die entsprechenden Anionen nicht stabil sind (z.B. NH2⁻ und CH3⁻), liefert der EOMIP-CCSD-Ansatz aufgrund methodischer Nachteile keine aussagekräftige Beschreibung. rnrnDie Ableitungen der EOMIP-CCSD-Energie lassen sich auch zur Simulation vibronischer Kopplungen innerhalb des KDC-Modells einsetzen.rnZur Kopplung verschiedener radikalischer Zustände in einem solchen Modellpotential spielen vor allem die Ableitungen von Übergangsmatrixelementen eine wichtige Rolle. Diese sogenannten Kopplungskonstanten können in der EOMIP-CC-Theorie besonders leicht definiert und berechnet werden. Bei der Betrachtung des Photoelektronenspektrums von HCO2⁻ werden zwei Alternativen untersucht: Die vertikale Bestimmung an der Gleichgewichtsgeometrie des HCO2⁻-Anions und die Ermittlung adiabatischer Kraftkonstanten an den Gleichgewichtsgeometrien des Radikals. Lediglich das adiabatische Modell liefert bei Beschränkung auf harmonische Kraftkonstanten eine qualitativ sinnvolle Beschreibung des Spektrums. Erweitert man beide Modelle um kubische und quartische Kraftkonstanten, so nähern sich diese einander an und ermöglichen eine vollständige Zuordnung des gemessenen Spektrums innerhalb der ersten 1500 cm⁻¹. Die adiabatische Darstellung erreicht dabei nahezu quantitative Genauigkeit.

Structural and elastic properties of DNA and chromatin

We investigate a chain consisting of two coupled worm-like chains withconstant distance between the strands. The effects due todouble-strandedness of the chain are studied. In a previous analyticalstudy of this system an intrinsic twist-stretch coupling and atendency of kinking is predicted. Even though a local twist structureis observed the predicted features are not recovered. A new model for DNA at the base-pair level is presented. Thebase-pairs are treated as flat rigid ellipsoids and thesugar-phosphate backbones are represented as stiff harmonic springs.The base-pair stacking interaction is modeled by a variant of theGay-Berne potential. It is shown by systematic coarse-graininghow the elastic constants of a worm-like chain are related to thelocal fluctuations of the base-pair step parameters. Even though a lotof microscopic details of the base-pair geometry is neglected themodel can be optimized to obtain a B-DNA conformation as ground stateand reasonable elastic properties. Moreover the model allows tosimulate much larger length scales than it is possible with atomisticsimulations due to the simplification of the force-field and inparticular due to the possibility of non-local Monte-Carlo moves. Asa first application the behavior under stretching is investigated. Inagreement with micromanipulation experiments on single DNA moleculesone observes a force-plateau in the force-extension curvescorresponding to an overstretching transition from B-DNA to aso-called S-DNA state. The model suggests a structure for S-DNA withhighly inclined base-pairs in order to enable at least partialbase-pair stacking. Finally a simple model for chromatin is introduced to study itsstructural and elastic properties. The underlying geometry of themodeled fiber is based on a crossed-linker model. The chromatosomesare treated as disk-like objects. Excluded volume and short rangenucleosomal interaction are taken into account by a variant of theGay-Berne potential. It is found that the bending rigidity and thestretching modulus of the fiber increase with more compact fibers. Fora reasonable parameterization of the fiber for physiologicalconditions and sufficiently high attraction between the nucleosomes aforce-extension curve is found similar to stretching experiments onsingle chromatin fibers. For very small stretching forces a kinkedfiber forming a loop is observed. If larger forces are applied theloop formation is stretched out and a decondensation of the fibertakes place.

Decay of imprinted surface waves in polymers

CONCLUSIONS The focus of this work was the investigation ofanomalies in Tg and dynamics at polymer surfaces. Thethermally induced decay of hot-embossed polymer gratings isstudied using laser-diffraction and atomic force microscopy(AFM). Monodisperse PMMA and PS are selected in the Mwranges of 4.2 to 65.0 kg/mol and 3.47 to 65.0 kg/mol,respectively. Two different modes of measurement were used:the one mode uses temperature ramps to obtain an estimate ofthe near-surface glass temperature, Tdec,0; the other modeinvestigates the dynamics at a constant temperature aboveTg. The temperature-ramp experiments reveal Tdec,0 valuesvery close to the Tg,bulk values, as determined bydifferential scanning calorimetry (DSC). The PMMA of65.0 kg/mol shows a decreased value of Tg, while the PS samples of 3.47 and 10.3 kg/mol (Mw

Grating coupled surface plasmon enhanced fluorescence spectroscopy

Over the last three decades, sensors based on the phenomenon of surface plasmon resonance have proven particularly suitable for real time thin film characterization, gas detection, biomolecular interaction examination and to supplement electrochemical methods. Systems based on prism coupling have been combined with fluorescence detection under the name of surface plasmon fluorescence spectroscopy to increase sensitivity even further. Alternatively, metal gratings can be employed to match photons for plasmon resonance. The real time monitoring of binding reactions not yet been reported in the combination of fluorescence detection and grating coupling. Grating-based systems promise more competitive products, because of reduced operating costs, and offer benefits for device engineering. This thesis is comprised of a comprehensive study of the suitability of grating coupling for fluorescence based analyte detection. Fundamental properties of grating coupled surface plasmon fluorescence spectroscopy are described, as well as issues related to the commercial realization of the method. Several new experimental techniques are introduced and demonstrated in order to optimize performance in certain areas and improve upon capabilities in respect to prism-based systems. Holographically fabricated gratings are characterized by atomic force microscopy and optical methods, aided by simulations and profile parameters responsible for efficient coupling are analyzed. The directional emission of fluorophores immobilized on a grating surface is studied in detail, including the magnitude and geometry of the fluorescence emission pattern for different grating constants and polarizations. Additionally, the separation between the minimum of the reflected intensity and the maximum fluorescence excitation position is examined. One of the key requirements for the commercial feasibility of grating coupling is the cheap and faithful mass production of disposable samples from a given master grating. The replication of gratings is demonstrated by a simple hot embossing method with good reproducibility to address this matter. The in-situ fluorescence detection of analyte immobilization and affinity measurements using grating coupling are described for the first time. The physical factors related to the sensitivity of the technique are assessed and the lower limit of detection of the technique is determined for an exemplary assay. Particular attention is paid to the contribution of bulk fluorophores to the total signal in terms of magnitude and polarization of incident and emitted light. Emission from the bulk can be a limiting factor for experiments with certain assay formats. For that reason, a novel optical method, based on the modulation of both polarization and intensity of the incident beam, is introduced and demonstrated to be capable of eliminating this contribution.

Visualization, manipulation and force spectroscopy of cylindrical polymer brushes

The Ph.D. thesis deals with the conformational study of individual cylindrical polymer brush molecules using atomic force microscopy (AFM). Imaging combined with single molecule manipulation has been used to unravel questions concerning conformational changes, desorption behavior and mechanical properties of individual macromolecules and supramolecular structures. In the first part of the thesis (chapter 5) molecular conformations of cylindrical polymer brushes with poly-(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) side chains were studied in various environmental conditions. Also micelle formation of cylindrical brush-coil blockcopolymers with polyacrylic acid side chains and polystyrene coil have been visualized. In chapter 6 the mechanical properties of single cylindrical polymer brushes with (PNIPAM) side chains were investigated. Assuming that the brushes adopt equilibrium conformation on the surface, an average persistence length of lp= (29 ± 3) nm was determined by the end-to-end distance vs. contour length analysis in terms of the wormlike chain (WLC) model. Stretching experiments suggest that an exact determination of the persistence length using force extension curves is impeded by the contribution of the side chains. Modeling the stretching of the bottle brush molecule as extension of a dual spring (side chain and main chain) explains the frequently observed very low persistence length arising from a dominant contribution of the side chain elasticity at small overall contour lengths. It has been shown that it is possible to estimate the “true” persistence length of the bottle brush molecule from the intercept of a linear extrapolation of the inverse square root of the apparent persistence length vs. the inverse contour length plot. By virtue of this procedure a “true” persistence length of 140 nm for the PNIPAM brush molecules is predicted. Chapter 7 and 8 deal with the force-extension behavior of PNIPAM cylindrical brushes studied in poor solvent conditions. The behavior is shown to be qualitatively different from that in a good solvent. Force induced globule-cylinder conformational changes are monitored using “molecule specific force spectroscopy” which is a combined AFM imaging and SMFS technique. An interesting behavior of the unfolding-folding transitions of single collapsed PNIPAM brush molecules has been observed by force spectroscopy using the so called “fly-fishing” mode. A plateau force is observed upon unfolding the collapsed molecule, which is attributed to a phase transition from a collapsed brush to a stretched conformation. Chapter 9 describes the desorption behavior of single cylindrical polyelectrolyte brushes with poly-L-lysine side chains deposited on a mica surface using the “molecule specific force spectroscopy” technique to resolve statistical discrepancies usually observed in SMFS experiments. Imaging of the brushes and inferring the persistence length from a end-to-end distance vs. contour length analysis results in an average persistence length of lp = (25 ± 5) nm assuming that the chains adopt their equilibrium conformation on the surface. Stretching experiments carried out on individual poly-L-lysine brush molecules by force spectroscopy using the “fly-fishing” mode provide a persistence length in the range of 7-23 nm in reasonable accordance with the imaging results. In chapter 10 the conformational behavior of cylindrical poly-L-lysine brush-sodium dodecyl sulfate complexes was studied using AFM imaging. Surfactant induced cylinder to helix like to globule conformational transitions were observed.

Klassische und ab initio Molekulardynamik-Untersuchungen zu Germaniumdioxidschmelzen

Germaniumdioxid (GeO2) ist ein Glasbildner, der wie das homologe SiO2 ein ungeordnetes tetraedrisches Netzwerk ausbildet. In dieser Arbeit werden mit Hilfe von Molekulardynamik-Computersimulationen die Struktur und Dynamik von GeO2 in Abhängigkeit von der Temperatur untersucht. Dazu werden sowohl Simulationen mit einem klassischen Paarpotentialmodell von Oeffner und Elliott als auch ab initio-Simulationen gemäß der Car-Parrinello-Molekulardynamik (CPMD), bei der elektronische Freiheitsgrade mittels Dichtefunktionaltheorie beschrieben werden, durchgeführt. In der klassischen Simulation werden dazu ein Temperaturen zwischen 6100 K und 2530 K betrachtet. Darüberhinaus ermöglichen Abkühlläufe auf T=300 K das Studium der Struktur des Glases. Zum Vergleich werden CPMD-Simulationen für kleinere Systeme mit 60 bzw. 120 Teilchen bei den Temperaturen 3760 K und 3000 K durchgeführt. In den klassischen Simulationen kann die im Experiment bis 1700 K nachgewiesene, im Vergleich zu SiO2 starke, Temperaturabhängigkeit der Dichte auch bei höheren Temperaturen beobachtet werden. Gute Übereinstimmungen der Simulationen mit experimentellen Daten zeigen sich bei der Untersuchung verschiedener struktureller Größen, wie z.B. Paarkorrelationsfunktionen, Winkelverteilungen, Koordinationszahlen und Strukturfaktoren. Es können leichte strukturelle Abweichungen der CPMD-Simulationen von den klassischen Simulationen aufgezeigt werden: 1. Die Paarabstände in CPMD sind durchweg etwas kleiner. 2. Es zeigt sich, daß die Bindungen in den ab initio-Simulationen weicher sind, was sich auch in einer etwas stärkeren Temperaturabhängigkeit der strukturellen Größen im Vergleich zu den klassischen Simulationen niederschlägt. 3. Für CPMD kann ein vermehrtes Auftreten von Dreierringstrukturen gezeigt werden. 4. In der CPMD werden temperaturabhängige Defektstrukturen in Form von Sauerstoffpaaren beobachtet, die vor allem bei 3760 K, kaum jedoch bei 3000 K auftreten. Alle strukturellen Unterschiede zwischen klassischer und CPMD-Simulation sind eindeutig nicht auf Finite-Size-Effekte aufgrund der kleinen Systemgrößen in den CPMD-Simulationen zurückzuführen, d.h. sie sind tatsächlich methodisch bedingt. Bei der Dynamik von GeO2 wird in den klassischen Simulationen ebenfalls eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Daten beobachtet, was ein Vergleich der Diffusionskonstanten mit Viskositätsmessungen bei hohen Temperaturen belegt. Die Diffusionskonstanten zeigen teilweise ein verschiedenes Verhalten zum homologen SiO2. Sie folgen in GeO2 bei Temperaturen unter 3000 K einem Arrheniusgesetz mit einer deutlich niedrigeren Aktivierungsenergie. Darüberhinaus werden die Möglichkeiten der Parametrisierung eines neuen klassischen Paarpotentials mittels der Kräfte entlang der CPMD-Trajektorien untersucht. Es zeigt sich, daß derartige Parametrisierungen sehr stark von den gewählten Startparametern abhängen. Ferner führen sämtliche an die Schmelze parametrisierten Potentiale zu zu hohen Dichten im Vergleich zum Experiment. Zum einen liegt dies sehr wahrscheinlich daran,daß für das System GeO2 Kraftdaten allein nicht ausreichen, um grundlegende strukturelle Größen, wie z.B. Paarkorrelationen und Winkelverteilungen, der CPMD-Simulationen gut reproduzieren zu können. Zum anderen ist wohl die Beschreibung mittels Paarpotentialen nicht ausreichend und es ist erforderlich, Merkörperwechselwirkungen in Betracht zu ziehen.

Untersuchung der lateralen Organisation und Phasenumwandlung von festkörperunterstützten Lipidmembranen

Im ersten Teil der Arbeit wurde das Bindungsverhalten von Annexin A1 und Annexin A2t an festkörperunterstützte Lipidmembranen aus POPC und POPS untersucht. Für beide Proteine konnte mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie gezeigt werden, dass irreversible Bindung nur in Anwesenheit von POPS auftritt. Durch rasterkraftmikroskopische Aufnahmen konnte die laterale Organisation der Annexine auf der Lipidmembran dargestellt werden. Beide Proteine lagern sich in Form lateraler Aggregate (zweidimensionale Domänen) auf der Oberfläche an, außerdem ist der Belegungsgrad und die Größe der Domänen von der Membranzusammensetzung und der Calciumkonzentration abhängig. Mit zunehmendem POPS-Gehalt und Calciumkonzentration steigt der Belegungsgrad an und der mittlere Domänenradius wird kleiner. Diese Ergebnisse konnten in Verbindung mit detaillierten Bindungsstudien des Annexins A1 mit der Quarzmikrowaage verwendet werden, um ein Bindungsmodell auf Basis einer heterogenen Oberfläche zu entwickeln. Auf einer POPC-reichen Matrix findet reversible Adsorption statt und auf POPS-reichen Domänen irreversible Adsorption. Durch die Anpassung von dynamischen Monte Carlo-Simulationen basierend auf einer zweidimensionalen zufälligen sequentiellen Adsorption konnten Erkenntnisse über die Membranstruktur und die kinetischen Ratenkonstanten in Abhängigkeit von der Calciumkonzentration und der Inkubationszeit des Proteins gewonnen werden. Die irreversible Bindung ist in allen Calciumkonzentrationsbereichen schneller als die reversible. Außerdem zeigt die irreversible Adsorption eine deutlich stärkere Abhängigkeit von der Calciumkonzentration. Ein kleinerer Belegungsgrad bei niedrigen Ca2+-Gehalten ist hauptsächlich durch die Abnahme der verfügbaren Bindungsplätze auf der Oberfläche zu erklären. Die gute Übereinstimmung der aus den Monte Carlo-Simulationen erhaltenen Domänenstrukturen mit den rasterkraftmikroskopischen Aufnahmen und die Tatsache, dass sich die simulierten Resonanzfrequenzverläufe problemlos an die experimentellen Kurven aus den QCM-Messungen anpassen ließen, zeigt die gute Anwendbarkeit des entwickelten Simulationsprogramms auf die Adsorption von Annexin A1. Die Extraktion der kinetischen Parameter aus dem zweidimensionalen RSA-Modell ist mit Sicherheit einem einfachen Langmuir-Ansatz überlegen. Bei einem Langmuir-Modell erfolgt eine integrale Erfassung einer einzelnen makroskopischen Geschwindigkeitskonstante, während durch das RSA-Modell eine differenzierte Betrachtung des reversiblen und irreversiblen Bindungsprozesses möglich ist. Zusätzlich lassen sich mikroskopische Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit gewinnen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde das thermotrope Phasenverhalten von festkörperunterstützten Phospholipidbilayern untersucht. Dazu wurden mikrostrukturierte, frei stehende Membranstreifen präpariert und mit Hilfe der bildgebenden Ellipsometrie untersucht. Dadurch konnten die temperaturabhängigen Verläufe der Schichtdicke und der lateralen Membranausdehnung parallel beobachtet werden. Die ermittelten Phasenübergangstemperaturen von DMPC, diC15PC und DPPC lagen 2 - 3 °C oberhalb der Literaturwerte für vesikuläre Systeme. Außerdem wurde eine deutliche Verringerung der Kooperativität der Phasenumwandlung gefunden, was auf einen großen Einfluss des Substrats bei den festkörperunterstützten Lipidmembranen schließen lässt. Zusätzlich wurde ein nicht systematischer Zusammenhang der Ergebnisse von der Oberflächenpräparation gefunden, der es unabdingbar macht, bei Untersuchungen von festkörperunterstützten Substraten einen internen Standard einzuführen. Bei der Analyse des thermotropen Phasenübergangsverhaltens von DMPC/Cholesterol - Gemischen wurde daher die individuelle Adressierbarkeit der strukturierten Lipidmembranen ausgenutzt und ein Lipidstreifen aus reinem DMPC als Standard verwendet. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass das für Phospholipide typische Phasenübergangsverhalten ab 30 mol% Cholesterol in der Membran nicht mehr vorhanden ist. Dies ist auf die Bildung einer nur durch höhere Sterole induzierten fluiden Phase mit hoch geordneten Acylketten zurückzuführen. Abschließend konnte durch die Zugabe von Ethanol zu einer mikrostrukturierten DMPC-Membran die Bildung eines interdigitierten Bilayers nachgewiesen werden. Die bildgebende Ellipsometrie ist eine sehr gute Methode zur Untersuchung festkörperunterstützter Lipidmembranen, da sie über ein sehr gutes vertikales und ein ausreichendes laterales Auflösungsvermögen besitzt. Sie ist darin zwar einem Rasterkraftmikroskop noch unterlegen, besitzt dafür aber eine einfachere Handhabung beim Umgang mit Flüssigkeiten und in der Temperierung, eine schnellere Bildgebung und ist als optische Methode nicht-invasiv.

From lipid bilayers to synaptic vesicles: atomic force microscopy on lipid-based systems

The aim of this thesis was to apply the techniques of the atomic force microscope (AFM) to biological samples, namely lipid-based systems. To this end several systems with biological relevance based on self-assembly, such as a solid-supported membrane (SSM) based sensor for transport proteins, a bilayer of the natural lipid extract from an archaebacterium, and synaptic vesicles, were investigated by the AFM. For the characterization of transport proteins with SSM-sensors proteoliposomes are adsorbed that contain the analyte (transport protein). However the forces governing bilayer-bilayer interactions in solution should be repulsive under physiological conditions. I investigated the nature of the interaction forces with AFM force spectroscopy by mimicking the adsorbing proteoliposome with a cantilever tip, which was functionalized with charged alkane thiols. The nature of the interaction is indeed repulsive, but the lipid layers assemble in stacks on the SSM, which expose their unfavourable edges to the medium. I propose a model by which the proteoliposomes interact with these edges and fuse with the bilayer stacks, so forming a uniform layer on the SSM. Furthermore I characterized freestanding bilayers from a synthetic phospholipid with a phase transition at 41°C and from a natural lipid extract of the archaebacterium Methanococcus jannaschii. The synthetic lipid is in the gel-phase at room temperature and changes to the fluid phase when heated to 50°C. The bilayer of the lipid extract shows no phase transition when heated from room temperature to the growth temperature (~ 50°C) of the archeon. Synaptic vesicles are the containers of neurotransmitter in nerve cells and the synapsins are a family of extrinsic membrane proteins, that are associated with them, and believed to control the synaptic vesicle cycle. I used AFM imaging and force spectroscopy together with dynamic light scattering to investigate the influence of synapsin I on synaptic vesicles. To this end I used native, untreated synaptic vesicles and compared them to synapsin-depleted synaptic vesicles. Synapsin-depleted vesicles were larger in size and showed a higher tendency to aggregate compared to native vesicles, although their mechanical properties were alike. I also measured the aggregation kinetics of synaptic vesicles induced by synapsin I and found that the addition of synapsin I promotes a rapid aggregation of synaptic vesicles. The data indicate that synapsin I affects the stability and the aggregation state of synaptic vesicles, and confirm the physiological role of synapsins in the assembly and regulation of synaptic vesicle pools within nerve cells.

Development of empirical potentials for amorphous silica

Development of empirical potentials for amorphous silica Amorphous silica (SiO2) is of great importance in geoscience and mineralogy as well as a raw material in glass industry. Its structure is characterized as a disordered continuous network of SiO4 tetrahedra. Many efforts have been undertaken to understand the microscopic properties of silica by classical molecular dynamics (MD) simulations. In this method the interatomic interactions are modeled by an effective potential that does not take explicitely into account the electronic degrees of freedom. In this work, we propose a new methodology to parameterize such a potential for silica using ab initio simulations, namely Car-Parrinello (CP) method [Phys. Rev. Lett. 55, 2471 (1985)]. The new potential proposed is compared to the BKS potential [Phys. Rev. Lett. 64, 1955 (1990)] that is considered as the benchmark potential for silica. First, CP simulations have been performed on a liquid silica sample at 3600 K. The structural features so obtained have been compared to the ones predicted by the classical BKS potential. Regarding the bond lengths the BKS tends to underestimate the Si-O bond whereas the Si-Si bond is overestimated. The inter-tetrahedral angular distribution functions are also not well described by the BKS potential. The corresponding mean value of theSiOSi angle is found to be ≃ 147◦, while the CP yields to aSiOSi angle centered around 135◦. Our aim is to fit a classical Born-Mayer/Coulomb pair potential using ab initio calculations. To this end, we use the force-matching method proposed by Ercolessi and Adams [Europhys. Lett. 26, 583 (1994)]. The CP configurations and their corresponding interatomic forces have been considered for a least square fitting procedure. The classical MD simulations with the resulting potential have lead to a structure that is very different from the CP one. Therefore, a different fitting criterion based on the CP partial pair correlation functions was applied. Using this approach the resulting potential shows a better agreement with the CP data than the BKS ones: pair correlation functions, angular distribution functions, structure factors, density of states and pressure/density were improved. At low temperature, the diffusion coefficients appear to be three times higher than those predicted by the BKS model, however showing a similar temperature dependence. Calculations have also been carried out on crystalline samples in order to check the transferability of the potential. The equilibrium geometry as well as the elastic constants of α-quartz at 0 K are well described by our new potential although the crystalline phases have not been considered for the parameterization. We have developed a new potential for silica which represents an improvement over the pair potentials class proposed so far. Furthermore, the fitting methodology that has been developed in this work can be applied to other network forming systems such as germania as well as mixtures of SiO2 with other oxides (e.g. Al2O3, K2O, Na2O).

Atomic force microscopy of biomimetic systems

This thesis was driven by the ambition to create suitable model systems that mimic complex processes in nature, like intramolecular transitions, such as unfolding and refolding of proteins, or intermolecular interactions between different cell compo-nents. Novel biophysical approaches were adopted by employing atomic force mi-croscopy (AFM) as the main measurement technique due to its broad diversity. Thus, high-resolution imaging, adhesion measurements, and single-molecule force distance experiments were performed on the verge of the instrumental capabilities. As first objective, the interaction between plasma membrane and cytoskeleton, me-diated by the linker protein ezrin, was pursued. Therefore, the adsorption process and the lateral organization of ezrin on PIP2 containing solid-supported membranes were characterized and quantified as a fundament for the establishment of a biomimetic model system. As second component of the model system, actin filaments were coated on functionalized colloidal probes attached on cantilevers, serving as sensor elements. The zealous endeavor of creating this complex biomimetic system was rewarded by successful investigation of the activation process of ezrin. As a result, it can be stated that ezrin is activated by solely binding to PIP2 without any further stimulating agents. Additional cofactors may stabilize and prolong the active conformation but are not essentially required for triggering ezrin’s transformation into an active conformation. In the second project, single-molecule force distance experiments were performed on bis-loop tetra-urea calix[4]arene-catenanes with different loading rates (increase in force per second). These macromolecules were specifically designed to investigate the rupture and rejoining mechanism of hydrogen bonds under external load. The entangled loops of capsule-like molecules locked the unbound state of intramolecular hydrogen bonds mechanically, rendering a rebinding observable on the experimental time scale. In conjunction with Molecular Dynamics simulations, a three-well potential of the bond rupture process was established and all kinetically relevant parameters of the experiments were determined by means of Monte Carlo simulations and stochastic modeling. In summary, it can be stated that atomic force microscopy is an invaluable tool to scrutinize relevant processes in nature, such as investigating activation mechanisms in proteins, as shown by analysis of the interaction between F-actin and ezrin, as well as exploring fundamental properties of single hydrogen bonds that are of paramount interest for the complete understanding of complex supramolecular structures.

Nanoscopic studies of conjugated polymer blends by (electric) scanning probe microscopy

Conjugated polymers and conjugated polymer blends have attracted great interest due to their potential applications in biosensors and organic electronics. The sub-100 nm morphology of these materials is known to heavily influence their electromechanical properties and the performance of devices they are part of. Electromechanical properties include charge injection, transport, recombination, and trapping, the phase behavior and the mechanical robustness of polymers and blends. Electrical scanning probe microscopy techniques are ideal tools to measure simultaneously electric (conductivity and surface potential) and dielectric (dielectric constant) properties, surface morphology, and mechanical properties of thin films of conjugated polymers and their blends.rnIn this thesis, I first present a combined topography, Kelvin probe force microscopy (KPFM), and scanning conductive torsion mode microscopy (SCTMM) study on a gold/polystyrene model system. This system is a mimic for conjugated polymer blends where conductive domains (gold nanoparticles) are embedded in a non-conductive matrix (polystyrene film), like for polypyrrole:polystyrene sulfonate (PPy:PSS), and poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS). I controlled the nanoscale morphology of the model by varying the distribution of gold nanoparticles in the polystyrene films. I studied the influence of different morphologies on the surface potential measured by KPFM and on the conductivity measured by SCTMM. By the knowledge I gained from analyzing the data of the model system I was able to predict the nanostructure of a homemade PPy:PSS blend.rnThe morphologic, electric, and dielectric properties of water based conjugated polymer blends, e.g. PPy:PSS or PEDOT:PSS, are known to be influenced by their water content. These properties also influence the macroscopic performance when the polymer blends are employed in a device. In the second part I therefore present an in situ humidity-dependence study on PPy:PSS films spin-coated and drop-coated on hydrophobic highly ordered pyrolytic graphite substrates by KPFM. I additionally used a particular KPFM mode that detects the second harmonic electrostatic force. With this, I obtained images of dielectric constants of samples. Upon increasing relative humidity, the surface morphology and composition of the films changed. I also observed that relative humidity affected thermally unannealed and annealed PPy:PSS films differently. rnThe conductivity of a conjugated polymer may change once it is embedded in a non-conductive matrix, like for PPy embedded in PSS. To measure the conductivity of single conjugated polymer particles, in the third part, I present a direct method based on microscopic four-point probes. I started with metal core-shell and metal bulk particles as models, and measured their conductivities. The study could be extended to measure conductivity of single PPy particles (core-shell and bulk) with a diameter of a few micrometers.

Tailoring molecule nanostructures on insulating surfaces investigated by non-contact atomic force microscopy

Self-assembled molecular structures were investigated on insulating substrate surfaces using non-contact atomic force microscopy. Both, substrate preparation and molecule deposition, took place under ultra-high vacuum conditions. First, C60 molecules were investigated on the TiO2 (110) surface. This surface exhibits parallel running troughs at the nanometer scale, which strongly steer the assembly of the molecules. This is in contrast to the second investigated surface. The CaF2 (111) surface is atomically flat and the molecular assemblyrnwas observed to be far less affected by the surface. Basically different island structures were observed to what is typically know. Based on extensive experimental studies and theoretical considerations, a comprehensive picture of the processes responsible for the island formation of C60 molecules on this insulating surfaces was developed. The key process for the emergence of the observed novel island structures was made out to be the dewetting of molecules from the substrate. This new knowledge allows to further understand andrnexploit self-assembly techniques in structure fabrication on insulating substrate surfaces. To alter island formation and island structure, C60 molecules were codeposited with second molecule species (PTCDI and SubPc) on the CaF2 (111) surface. Depending on the order of deposition, quiet different structures were observed to arise. Thus, these are the first steps towards more complex functional arrangements consisting of two molecule species on insulating surfaces.

Search for a spin-dependent short-range force between nucleons with a 3 He, 129 Xe clock-comparison experiment

Light pseudoscalar bosons, such as the axion that was originally proposed as a solution of the strong CP problem, would cause a new spin-dependent short-range interaction. In this thesis, an experiment is presented to search for axion mediated short-range interaction between a nucleon and the spin of a polarized bound neutron. This interaction cause a shift in the precession frequency of nuclear spin-polarized gases in the presence of an unpolarized mass. To get rid of magnetic field drifts co-located, nuclear spin polarized 3He and 129Xe atoms were used. The free nuclear spin precession frequencies were measured in a homogeneous magnetic guiding field of about 350nT using LTc SQUID detectors. The whole setup was housed in a magnetically shielded room at the Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) in Berlin. With this setup long nuclear spin-coherence times, respectively, transverse relaxation times of 5h for 129Xe and 53h for 3He could be achieved. The results of the last run in September 2010 are presented which give new upper limits on the scalar-pseudoscalar coupling of axion-like particles in the axion-mass window from 10^(-2) eV to 10^(-6) eV. The laboratory upper bounds were improved by up to 4 orders of magnitude.

Revealing atomic-scale details in the force fields above carbonate surfaces

Diese Arbeit stellt eine ausführliche Studie fundamentaler Eigenschaften der Kalzit CaCO3(10.4) und verwandter Mineraloberflächen dar, welche nicht nur durch die Verwendung von Nichtkontakt Rasterkraftmikroskopie, sondern hauptsächlich durch die Messung von Kraftfeldern ermöglicht wurde. Die absolute Oberflächenorientierung sowie der hierfür zugrundeliegende Prozess auf atomarer Skala konnten erfolgreich für die Kalzit (10.4) Oberfläche identifiziert werden.rnDie Adsorption chiraler Moleküle auf Kalzit ist relevant im Bereich der Biomineralisation, was ein Verständnis der Oberflächensymmetrie unumgänglich macht. Die Messung des Oberflächenkraftfeldes auf atomarer Ebene ist hierfür ein zentraler Aspekt. Eine solche Kraftkarte beleuchtet nicht nur die für die Biomineralisation wichtige Wechselwirkung der Oberfläche mit Molekülen, sondern enthält auch die Möglichkeit, Prozesse auf atomarer Skala und damit Oberflächeneigenschaften zu identifizieren.rnDie Einführung eines höchst flexiblen Messprotokolls gewährleistet die zuverlässige und kommerziell nicht erhältliche Messung des Oberflächenkraftfeldes. Die Konversion der rohen ∆f Daten in die vertikale Kraft Fz ist jedoch kein trivialer Vorgang, insbesondere wenn Glätten der Daten in Frage kommt. Diese Arbeit beschreibt detailreich, wie Fz korrekt für die experimentellen Bedingungen dieser Arbeit berechnet werden können. Weiterhin ist beschrieben, wie Lateralkräfte Fy und Dissipation Γ erhalten wurden, um das volle Potential dieser Messmethode auszureizen.rnUm Prozesse auf atomarer Skala auf Oberflächen zu verstehen sind die kurzreichweitigen, chemischen Kräfte Fz,SR von größter Wichtigkeit. Langreichweitige Beiträge müssen hierzu an Fz angefittet und davon abgezogen werden. Dies ist jedoch eine fehleranfällige Aufgabe, die in dieser Arbeit dadurch gemeistert werden konnte, dass drei unabhängige Kriterien gefunden wurden, die den Beginn zcut von Fz,SR bestimmen, was für diese Aufgabe von zentraler Bedeutung ist. Eine ausführliche Fehleranalyse zeigt, dass als Kriterium die Abweichung der lateralen Kräfte voneinander vertrauenswürdige Fz,SR liefert. Dies ist das erste Mal, dass in einer Studie ein Kriterium für die Bestimmung von zcut gegeben werden konnte, vervollständigt mit einer detailreichen Fehleranalyse.rnMit der Kenntniss von Fz,SR und Fy war es möglich, eine der fundamentalen Eigenschaften der CaCO3(10.4) Oberfläche zu identifizieren: die absolute Oberflächenorientierung. Eine starke Verkippung der abgebildeten Objekte