Computer simulations of two-dimensional colloidal crystals in confinement

Monte Carlo simulations are used to study the effect of confinement on a crystal of point particles interacting with an inverse power law potential in d=2 dimensions. This system can describe colloidal particles at the air-water interface, a model system for experimental study of two-dimensional melting. It is shown that the state of the system (a strip of width D) depends very sensitively on the precise boundary conditions at the two ``walls'' providing the confinement. If one uses a corrugated boundary commensurate with the order of the bulk triangular crystalline structure, both orientational order and positional order is enhanced, and such surface-induced order persists near the boundaries also at temperatures where the system in the bulk is in its fluid state. However, using smooth repulsive boundaries as walls providing the confinement, only the orientational order is enhanced, but positional (quasi-) long range order is destroyed: The mean-square displacement of two particles n lattice parameters apart in the y-direction along the walls then crosses over from the logarithmic increase (characteristic for $d=2$) to a linear increase (characteristic for d=1). The strip then exhibits a vanishing shear modulus. These results are interpreted in terms of a phenomenological harmonic theory. Also the effect of incommensurability of the strip width D with the triangular lattice structure is discussed, and a comparison with surface effects on phase transitions in simple Ising- and XY-models is made

Computer simulations of two-dimensional colloidal crystals under confinement and shear

In this thesis we are presenting a broadly based computer simulation study of two-dimensional colloidal crystals under different external conditions. In order to fully understand the phenomena which occur when the system is being compressed or when the walls are being sheared, it proved necessary to study also the basic motion of the particles and the diffusion processes which occur in the case without these external forces. In the first part of this thesis we investigate the structural transition in the number of rows which occurs when the crystal is being compressed by placing the structured walls closer together. Previous attempts to locate this transition were impeded by huge hysteresis effects. We were able to determine the transition point with higher precision by applying both the Schmid-Schilling thermodynamic integration method and the phase switch Monte Carlo method in order to determine the free energies. These simulations showed not only that the phase switch method can successfully be applied to systems with a few thousand particles and a soft crystalline structure with a superimposed pattern of defects, but also that this method is way more efficient than a thermodynamic integration when free energy differences are to be calculated. Additionally, the phase switch method enabled us to distinguish between several energetically very similar structures and to determine which one of them was actually stable. Another aspect considered in the first result chapter of this thesis is the ensemble inequivalence which can be observed when the structural transition is studied in the NpT and in the NVT ensemble. The second part of this work deals with the basic motion occurring in colloidal crystals confined by structured walls. Several cases are compared where the walls are placed in different positions, thereby introducing an incommensurability into the crystalline structure. Also the movement of the solitons, which are created in the course of the structural transition, is investigated. Furthermore, we will present results showing that not only the well-known mechanism of vacancies and interstitial particles leads to diffusion in our model system, but that also cooperative ring rotation phenomena occur. In this part and the following we applied Langevin dynamics simulations. In the last chapter of this work we will present results on the effect of shear on the colloidal crystal. The shear was implemented by moving the walls with constant velocity. We have observed shear banding and, depending on the shear velocity, that the inner part of the crystal breaks into several domains with different orientations. At very high shear velocities holes are created in the structure, which originate close to the walls, but also diffuse into the inner part of the crystal.

Synthese von Sialyl-Lewis X -Glycopeptiden und -Mimetika als Zelladhäsionsinhibitoren für E-Selektin

Die Selektine initiieren im Verlauf von Entzündungsprozessen einen ersten Zellkontakt zwischen Leukozyten und Endothelzellen und ermöglichen so die Auswanderung der Leukozyten aus den Blutgefäßen in das umliegende Gewebe, wo sie ihre immunologische Wirkung entfalten können. Viele Krankheiten gehen allerdings mit einer übermäßigen, durch Selektine vermittelten Zelladhäsion einher. Daher war es das Ziel dieser Arbeit, Selektininhibitoren zu synthetisieren, die pathologische Zelladhäsionsprozesse, wie man sie z.B. bei rheumatoider Arthritis, bei Erkrankungen der Herzkranzgefäße oder im Verlauf von Tumormetastasierungen findet, unterbinden können. Als Leitstruktur für solche Inhibitoren dient das auf den natürlichen Selektinliganden vorkommende Tetrasaccharid Sialyl-Lewis-X. Sialyl-Lewis-X stellt aber nur einen Teil der natürlichen Selektinliganden dar. Es bindet auch nur im millimolaren Bereich an die Selektine. Die komplexen natürlichen Selektinliganden wie z.B. ESL-1 (E-Selektin-Ligand-1), die an verschiedenen Glycosylierungs-stellen des Glycoproteins Sialyl-Lewis-X präsentieren, binden mit deutlich höherer Affinität an die Selektine. Für eine spezifische Rezeptorbindung sind daher außer dem Tetrasaccharid weitere Partialstrukturen verantwortlich, wobei gezeigt werden konnte, dass ein Anknüpfen von Sialyl-Lewis-X-Derivaten an die Partialsequenz 672-681 des ESL-1 eine Affinitätssteigerung hervorruft. Ein weiterer Nachteil des natürlichen Sialyl-Lewis-X-Tetrasaccharids im Hinblick auf seine pharmakologische Verwendung besteht darin, dass sowohl die fucosidische Bindung als auch die glycosidische Verknüpfung zur Neuraminsäure durch Enzyme leicht gespalten werden, wodurch Sialyl-Lewis-X als potenzielles Anti-Adäsionsmolekül an Wert verliert. Um die Kohlenydratliganden vor einem solchen enzymatischen Abbau zu bewahren, wurden in dieser Arbeit neben der im Sialyl-Lewis-X vorliegenden L-Fucose die im Menschen nicht vorkommenden Kohlenhydrate D-Arabinose und L-Galactose sowie neben der Neuraminsäure die (S)-Cyclohexylmilchsäure zur Herstellung der sechs Glycopeptid-Selektinliganden 1-6 mit der Partialsequenz 672-681 des ESL-1 verknüpft. Die Tetrasaccharide und Tetrasaccharid-Mimetika können aus den geschützten Monosacchariden und der geschützten Cyclohexylmilch-säure in parallelen Synthesen im Gramm-Maßstab hergestellt werden. Die automatisierten Glycopeptid-Festphasensynthesen wurden an einem Peptidsynthesizer nach der Fmoc-Strategie unter Verwendung von mit Asparaginsäure vorbeladenen TentaGel®-Harzen durchgeführt. Die Strukturen aller sechs Glycopeptide 1-6 wurden sowohl durch hoch auflösende massenspektrometrische Analysen als auch durch ein- und zweidimensionale NMR-Experimente belegt. Als Ergebnis dieser Arbeit liegen sechs Sialyl-Lewis-X-Glycopeptide und -Mimetika mit der Partialsequenz 672-681 des ESL-1 vor. Diese werden in Kürze auf ihre Wirksamkeit als Zelladhäsions-inhibitoren für E-Selektin getestet. Daraus sollen sich Erkenntnisse über Struktur-Wirkungs-Beziehungen gewinnen lassen, insbesondere was das kooperative Zusammenwirken von Saccharid- und Peptidteilstrukturen in der Erkennung der Liganden durch das E-Selektin anbetrifft.

Tracer diffusion at water-oil interfaces studied by fluorescence correlation spectroscopy

The adsorption of particles and surfactants at water-oil interfaces has attracted continuous attention because of its emulsion stabilizing effect and the possibility to form two-dimensional materials. Herein, I studied the interfacial diffusion of single molecules and nanoparticles at water-oil interfaces using fluorescence correlation spectroscopy. rnrnFluorescence correlation spectroscopy (FCS) is a promising technique to study diffusion of fluorescent tracers in diverse conditions. This technique monitors and analyzes the fluorescence fluctuation caused by single fluorescent tracers coming in and out of a diffraction-limited observation volume “one at a time”. Thus, this technique allows a combination of high precision, high spatial resolution and low tracer concentration. rnrnIn chapter 1, I discussed some controversial questions regarding the properties of water-hydrophobic interfaces and also introduced the current progress on the stability and dynamic of single nanoparticles at water-oil interfaces. The materials and setups I used in this thesis were summarized in chapter 2. rnrnIn chapter 3, I presented a new strategy to study the properties of water-oil interfaces. The two-dimensional diffusion of isolated molecular tracers at water/n-alkane interfaces was measured using fluorescence correlation spectroscopy. The diffusion coefficients of larger tracers with a hydrodynamic radius of 4.0 nm agreed well with the values calculated from the macroscopic viscosities of the two bulk phases. However, for small molecule tracers with hydrodynamic radii of only 1.0 and 0.6 nm, notable deviations were observed, indicating the existence of an interfacial region with a reduced effective viscosity. rnrnIn chapter 4, the interfacial diffusion of nanoparticles at water-oil interfaces was investigated using FCS. In stark contrast to the interfacial diffusion of molecular tracers, that of nanoparticles at any conditions is slower than the values calculated in accordance to the surrounding viscosity. The diffusion of nanoparticles at water-oil interfaces depended on the interfacial tension of liquid-liquid interfaces, the surface properties of nanoparticles, the particle sizes and the viscosities of surrounding liquid phases. In addition, the interfacial diffusion of nanoparticles with Janus motif is even slower than that of their symmetric counterparts. Based on the experimental results I obtained, I drew some possibilities to describe the origin of nanoparticle slowdown at water-oil interfaces.

Heteronuclear recoupling methods in solid-state NMR

This thesis is focused on the development of heteronuclear correlation methods in solid-state NMR spectroscopy, where the spatial dependence of the dipolar coupling is exploited to obtain structural and dynamical information in solids. Quantitative results on dipolar coupling constants are extracted by means of spinning sideband analysis in the indirect dimension of the two-dimensional experiments. The principles of sideband analysis were established and are currently widely used in the group of Prof. Spiess for the special case of homonuclear 1H double-quantum spectroscopy. The generalization of these principles to the heteronuclear case is presented, with special emphasis on naturally abundant 13C-1H systems. For proton spectroscopy in the solid state, line-narrowing is of particular importance, and is here achieved by very-fast sample rotation at the magic angle (MAS), with frequencies up to 35 kHz. Therefore, the heteronuclear dipolar couplings are suppressed and have to be recoupled in order to achieve an efficient excitation of the observed multiple-quantum modes. Heteronuclear recoupling is most straightforwardly accomplished by performing the known REDOR experiment, where pi-pulses are applied every half rotor period. This experiment was modified by the insertion of an additional spectroscopic dimension, such that heteronuclear multiple-quantum experiments can be carried out, which, as shown experimentally and theoretically, closely resemble homonuclear double-quantum experiments. Variants are presented which are well-suited for the recording of high-resolution 13C-1H shift correlation and spinning-sideband spectra, by means of which spatial proximities and quantitative dipolar coupling constants, respectively, of heteronuclear spin pairs can be determined. Spectral editing of 13C spectra is shown to be feasible with these techniques. Moreover, order phenomena and dynamics in columnar mesophases with 13C in natural abundance were investigated. Two further modifications of the REDOR concept allow the correlation of 13C with quadrupolar nuclei, such as 2H. The spectroscopic handling of these nuclei is challenging in that they cover large frequency ranges, and with the new experiments it is shown how the excitation problem can be tackled or circumvented altogether, respectively. As an example, one of the techniques is used for the identification of a yet unknown motional process of the H-bonded protons in the crystalline parts of poly(vinyl alcohol).

Vibrational spectroscopy on thermally and optically switchable spin crossover compounds

Oktaedrisch koordinierte Übergangsmetalle mit der Elektronenkonfiguration [Ar]3d4 - 3d7 können in zwei unterschiedlichen elektronischen Zuständen existieren: im High-Spin (HS) oder im Low-Spin (LS) Zustand. Zum Beispiel kann Fe(II) in 1A1g (LS) oder 5T2g (HS) Konfiguration auftreten.Besonderes Interesse besteht in der Aufklärung des Mechanismus der kooperativen Wechselwirkung, die den Spinübergang im Festkörper bestimmt. Hierzu müssen zunächst die internen Freiheitsgrade der molekularen Einheiten bekannt sein. Besonders der Beitrag der molekularen Schwingungen zur Entropiedifferenz, die die Triebkraft des Spinübergangs darstellt, ist von entscheidender Bedeutung. Bisher existieren nur wenige detaillierte Untersuchungen zu den Schwingungseigenschaften der Spincrossovermoleküle.In Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die Schwingungseigenschaften einiger Komplexverbindungen, die Spincrossover zeigen, im Detail untersucht. Dazu wurden temperaturabhängige Raman-, Fern- und Mittel-Infrarot-Spektroskopie, Isotopensubstitution und Normalkoordinatenanalysen (NKA) in Verbindung mit Dichtefunktional-Rechnungen (DFT) verwendet.Die gewonnenen Werte der zugeordneten Schwingungsfrequenzen und die bestimmten Kraftkonstantenänderungen können nun zur Verfeinerung von theoretischen Modellen zur Beschreibung des Spinübergangs verwendet werden.

Untersuchung magnetischer Nanostrukturen mittels Rastertunnelspektroskopie und Kerr-Magnetometrie am Beispiel von Fe, Co, Co-Fe und Fe-Mn Nanostrukturen

Nach einer kurzen Einführung in die Entwicklung der magnetischen Anwendungen, werden in Kapitel 2 und 3 die physikalischen Grundlagen der Messmethoden, insbesondere die Rastertunnelspektroskopie und Kerr-Magnetometrie, sowie der experimentelle Aufbau erläutert. Kapitel 4 beschäftigt sich mit den magnetischen Eigenschaften von quasi ein-dimensionalen ferromagnetischen Nanostreifen und Monolagen, die durch Selbstorganisation auf einem Wolfram(110)-Einkristall mit vizinaler und glatter Oberfläche präpariert werden. Hierbei wird die Temperaturabhängigkeit der magnetischen Größen, wie Remanenz, Sättigungsmagnetisierung und Suszeptibilität, sowie die Auswirkung einer Abdeckung des Systems auf die Domänenwandenergie und Anisotropie untersucht. Zusätzlich wird die Kopplung von parallelen Nanostreifen in Abhängigkeit des Streifenabstandes betrachtet. In Kapitel 5 werden das Wachstum und die Morphologie von Co-Monolagen auf W(110) untersucht. Der Übergang von pseudomorphem zu dicht gepacktem Wachstum in der Monolage wird mit Hilfe der Rastertunnelspektroskopie sichtbar gemacht, ebenso wie unterschiedliche Stapelfolgen in Tripellagen Co-Systemen. Atomar aufgelöste Rastertunnelmikroskopie erlaubt die genauen Atompositionen der Oberfläche zu bestimmen und mit theoretischen Wachstumsmodellen zu vergleichen. Auf die Untersuchung zwei-dimensionaler binärer Co-Fe und Fe-Mn Legierungen auf W(110) wird in Kapitel 6 eingegangen. Mit einer Präparationstemperatur von T=520 K ist es möglich, atomar geordnete Co-Fe Legierungsmonolagen wachsen zu lassen. Ein direkter Zusammenhang zwischen der Magnetisierung und der lokalen Zustandsdichte in Abhängigkeit der Legierungszusammensetzung wird gezeigt.

Surface plasmon fluorescence spectroscopy and microscopy studies for biomolecular interaction studies

ABSTARCT Biotechnology has enabled the modification of agricultural materials in a very precise way. Crops have been modified through the insertion of new traits or the inhibition of existing gene functions, named Genetically Modified Organism (GMO), and resulted in improved tolerance of herbicide and/or increased resistance against pests, viruses and fungi. Commercial cultivation of GMO started in 1996 and increased rapidly in 2003 according to a recently released report by the International Service for the Acquisition of Agri-Biotech Applications (ISAAA), depicted continuing consumer resistance in Europe and other part of the world. Upon these developments, the European Union regulations mandated labeling of GMOs containing food and as a consequence, the labeling of GMO containing product in the case of exceeding the1% threshold of alien DNA is required. The aim of the study is to be able to detect and quantify the GMO from the mixture of natural food components. The surface plasmon resonance (SPR) technique combined with fluorescence was used for this purpose. During the presented studies, two key issues are addressed and tried to solve; what is the best strategy to design and built an interfacial architecture of a probe oligonucletide layer either on a two dimensional surface or on an array platform; and what is the best detection method allowing for a sensitive monitoring of the hybridisation events. The study includes two parts: first part includes characterization of different PNAs on a 2D planar surface by defining affinity constants using the very well established optical method “Surface Plasmon Fluorescence Spectroscopy”(SPFS) and on the array platform by “Surface Plasmon Fluorescence Microscopy” (SPFM), and at the end comparison of the sensitivity of these two techniques. The second part is composed of detection of alien DNA in food components by using DNA and PNA catcher probes on the array platform in real-time by SPFM.

Nanoporous alumina based hypersonic phononic hybrid structures studied by brillouin spectroscopy

Phononische Kristalle sind strukturierte Materialien mit sich periodisch ändernden elastischen Moduln auf der Wellenlängenskala. Die Interaktion zwischen Schallwellen und periodischer Struktur erzeugt interessante Interferenzphänomene, und phononische Kristalle erschließen neue Funktionalitäten, die in unstrukturierter Materie unzugänglich sind. Hypersonische phononische Kristalle im Speziellen, die bei GHz Frequenzen arbeiten, haben Periodizitäten in der Größenordnung der Wellenlänge sichtbaren Lichts und zeigen daher die Wege auf, gleichzeitig Licht- und Schallausbreitung und -lokalisation zu kontrollieren, und dadurch die Realisierung neuartiger akusto-optischer Anordnungen. Bisher bekannte hypersonische phononische Kristalle basieren auf thermoplastischen Polymeren oder Epoxiden und haben nur eingeschränkte thermische und mechanische Stabilität und mechanischen Kontrast. Phononische Kristalle, die aus mit Flüssigkeit gefüllten zylindrischen Kanälen in harter Matrix bestehen, zeigen einen sehr hohen elastischen Kontrast und sind bislang noch unerforscht. In dieser Dissertation wird die experimentelle Untersuchung zweidimensionaler hypersonischer phononischer Kristalle mit hexagonaler Anordnung zylindrischer Nanoporen basierend auf der Selbstorganisation anodischen Aluminiumoxids (AAO) beschrieben. Dazu wird die Technik der hochauflösenden inelastischen Brillouin Lichtstreuung (BLS) verwendet. AAO ist ein vielsetiges Modellsystem für die Untersuchung reicher phononischer Phänomene im GHz-Bereich, die eng mit den sich in den Nanoporen befindlichen Flüssigkeiten und deren Interaktion mit der Porenwand verknüpft sind. Gerichteter Fluss elastischer Energie parallel und orthogonal zu der Kanalachse, Lokalisierung von Phononen und Beeinflussung der phononischen Bandstruktur bei gleichzeitig präziser Kontrolle des Volumenbruchs der Kanäle (Porosität) werden erörtert. Außerdem ermöglicht die thermische Stabilität von AAO ein temperaturabhängiges Schalten phononischer Eigenschaften infolge temperaturinduzierter Phasenübergänge in den Nanoporen. In monokristallinen zweidimensionalen phononischen AAO Kristallen unterscheiden sich die Dispersionsrelationen empfindlich entlang zweier hoch symmetrischer Richtungen in der Brillouinzone, abhängig davon, ob die Poren leer oder gefüllt sind. Alle experimentellen Dispersionsrelationen werden unter Zuhilfenahme theoretische Ergebnisse durch finite Elemente Analyse (FDTD) gedeutet. Die Zuordnung der Verschiebungsfelder der elastischen Wellen erklärt die Natur aller phononischen Moden.