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.

Funktionelle Charakterisierung der Casein Kinase 2 in der Etablierung und Aufrechterhaltung peripherer Toleranz durch dendritische Zellen

Dendritische Zellen (DCs) nehmen eine Schlüsselrolle in unserem Immunsystem ein, indem DCs sowohl Immunität, als auch Toleranz induzieren können. Im Falle der Immunität sind DCs in der Lage die Differenzierung der verschiedenen T-Helferzellen, wie Th1-, Th2- und Th17-Zellen zu steuern und tragen so zu der Qualität einer Immunantwort bei. Auf der anderen Seite können DCs in Gegenwart von TGF-β, IDO und Retinsäure die Differenzierung von regulatorischen T-Zellen induzieren und tragen somit zur Aufrechterhaltung der peripheren Toleranz bei. Insbesondere in den Darm-assoziierten lymphatischen Geweben (GALT) müssen DCs unverhältnismäßige Immunantworten gegen harmlose Antigene aus der Nahrung und kommensale Bakterien verhindern, während gegen Pathogene schützende Immunantworten induziert werden müssen. Auf Grund dieser entgegengesetzten Funktionen der DCs wollten wir die molekularen Mechanismen der DCs untersuchen, die der Regulation von Immunität und Toleranz zu Grunde liegen. Insbesondere der Wnt-Signalweg ist für die Aufrechterhaltung der peripheren Toleranz im GALT von Bedeutung. Da die Casein Kinase 2 in diesem Signalweg entscheidend beteiligt ist, haben wir die CK2-Funktion konditionell, unter der Kontrolle des CD11c-Promotors, deletiert. Hierfür haben wir CD11c-cre Mäuse mit Mäusen verpaart, welche ein von loxP-Signalsequenzen flankiertes Ck2β Gen (CK2β-fl/fl) tragen. Die konditionelle Deletion der CK2-Funktion in DCs, führte zu einer verstärkten Expression der kostimulatorischen Moleküle (wie CD40, CD80, CD86) und der Zytokine IL-6 und IL-12 unter „steady-state“ Bedingungen. Detaillierte Untersuchungen der T-Zellen in CD11c-cre x CK2β-fl/fl Mäusen zeigte eine deutlich reduzierte naive T-Zellpopulation, einhergehend mit einer erhöhten Th1- und Th17-Differenzierung. Speziell in den mesenterialen Lymphknoten konnte eine höhere Frequenz von T-bet+ und Rorγt+ CD4+ T-Zellen gefunden werden, welche große Mengen der Zytokine IFN-γ und IL-17 nach ex vivo Stimulation produzierten. Weiterführende in vivo Versuche, hier wurde das Modell der oralen Toleranz gewählt, zeigten das eine CK2-Deletion in DCs die Induktion einer oralen Toleranz verhindert. Unsere Daten zeigen eindeutig, dass die CK2 entscheidend in der Regulation der DC Homöostase und der Aufrechterhaltung der peripheren Toleranz beteiligt ist.

Systematic functionalization of molecules for molecular self-assembly

This thesis describes the investigation of systematically varied organic molecules for use in molecular self-assembly processes. All experiments were performed using high-resolution non-contact atomic force microscopy under UHV conditions and at room temperature. Using this technique, three different approaches for influencing intermolecular and molecule-surface interaction on the insulating calcite(10.4) surface were investigated by imaging the structure formation at the molecular scale. I first demonstrated the functionalization of shape-persistent oligo(p-benzamide)s that was engineered by introducing different functional groups and investigating their effect on the structural formation on the sample surface. The molecular core was designed to provide significant electrostatic anchoring towards the surface, while at the same time maintaining the flexibility to fine-tune the resulting structure by adjusting the intermolecular cohesion energy. The success of this strategy is based on a clear separation of the molecule-substrate interaction from the molecule-molecule interaction. My results show that sufficient molecule-surface anchoring can be achieved without restricting the structural flexibility that is needed for the design of complex molecular systems. Three derivatives of terephthalic acid (TPA) were investigated in chapter 7. Here, the focus was on changing the adhesion to the calcite surface by introducing different anchor functionalities to the TPA backbone. For all observed molecules, the strong substrate templating effect results in molecular structures that are strictly oriented along the calcite main crystal directions. This templating is especially pronounced in the case of 2-ATPA where chain formation on the calcite surface is observed in contrast to the formation of molecular layers in the bulk. At the same time, the amino group of 2-ATPA proved an efficient anchor functionality, successfully stabilizing the molecular chains on the sample surface. These findings emphasizes, once again, the importance of balancing and fine-tuning molecule-molecule and molecule-surface interactions in order to achieve stable, yet structurally flexible molecular arrangements on the sample surface. In the last chapter, I showed how the intrinsic property of molecular chirality decisively influences the structure formation in molecular self-assembly. This effect is especially pronounced in the case of the chiral heptahelicene-2-carboxylic acid. Deposition of the enantiopure molecules results in the formation of homochiral islands on the sample surface which is in sharp contrast to the formation of uni-directional double rows upon deposition of the racemate onto the same surface. While it remained uncertain from these previous experiments whether the double rows are composed of hetero- or homochiral molecules, I could clearly answer that question here and demonstrate that the rows are of heterochiral origin. Chirality, thus, proves to be another important parameter to steer the intermolecular interaction on surfaces. Altogether, the results of this thesis demonstrate that, in order to successfully control the structure formation in molecular self-assembly, the correct combination of molecule and surface properties is crucial. This is of special importance when working on substrates that exhibit a strong influence on the structure formation, such as the calcite(10.4) surface. Through the systematic variation of functional groups several important parameters that influence the balance between molecule-surface and molecule-molecule interaction were identified here, and the results of this thesis can, thus, act as a guideline for the rational design of molecules for use in molecular self-assembly.

Stabilizing molecular self-assemblies via on-surface reactions

Für die Realisierung zukünftiger Technologien, wie z.B. molekulare Elektronik, werden Strategien benötigt, um funktionale Strukturen direkt auf Oberflächen zu erzeugen. Für die Bewältigung dieser Aufgabe ist die molekulare Selbstanordnung ein äußerst vielversprechender Bottom-up-Ansatz. Hierbei ist eine der größten Herausforderungen das Zusammenspiel aus intramolekularer Wechselwirkung und der Wechselwirkung zwischen Substrat und Molekülen in ein Gleichgewicht zu bringen. Da jedoch die wirkenden Kräfte der molekularen Selbstanordnung ausschließlich reversibler Natur sind, ist eine langfristige Stabilität fragwürdig. Somit ist die kovalente Verknüpfung der gebildeten Strukturen durch Reaktionen direkt auf der Oberfläche unerlässlich, um die Stabilität der Strukturen weiter zu erhöhen. Hierzu stellt die vorliegende Arbeit eine ausführliche Studie zu molekularer Selbstanordnung und der zielgerichteten Modifikation ebensolcher Strukturen dar. Durch den Einsatz von hochauflösender Rasterkraftmikroskopie im Ultrahochvakuum, welche es erlaubt einzelne Moleküle auf Nichtleitern abzubilden, wurde der maßgebliche Einfluss von Ankerfunktionalitäten auf den Prozess der molekularen Selbstanordnung gezeigt. Des Weiteren konnte die Stabilität der selbst angeordneten Strukturen durch neue Oberflächenreaktionskonzepte entschieden verbessert werden. Der Einfluss von Ankerfunktionen, die elektrostatische Wechselwirkung zwischen Molekül und Substrat vermitteln, auf den Strukturbildungsprozess der molekularen Selbstanordnung wird eingehend durch den Vergleich eines aromatischen Moleküls und seines vierfach chlorierten Derivates gezeigt. Für diese beiden Moleküle wurde ein deutlich unterschiedliches Verhalten der Selbstanordnung beobachtet. Es wird gezeigt, dass die Fähigkeit zur Bildung selbst angeordneter, stabiler Inseln entscheidend durch die Substituenten und die Abmessungen des Moleküls beeinflusst wird. Auch wird in dieser Arbeit die erste photochemische Reaktion organischer Moleküle auf einem Isolator gezeigt. Qualitative und quantitative Ergebnisse liefern ein detailliertes Bild darüber, wie die Abmessungen des Substratgitters die Richtung der Reaktion gezielt beeinflussen. Des Weiteren wird ein allgemeines Konzept zur selektiven Stabilisierung selbstangeordneter Molekülstrukturen durch den kontrollierten Transfer von Elektronen präsentiert. Durch die gezielte Steuerung der Menge an Dotierungsatomen wird die Desorptionstemperatur der molekularen Inseln signifikant erhöht und das Desorptionsverhalten der Inseln entschieden verändert. Diese Arbeit präsentiert somit erfolgreich durchgeführte Strategien um den Prozess der molekularen Selbstanordnung zu steuern, sowie entscheidende Mechanismen um die Stabilisierung und Modifizierung von selbst angeordneten Strukturen zu gewährleisten.