Computational modeling of surface interactions

Die Wechselwirkung zwischen Proteinen und anorganischen Oberflächen fasziniert sowohl aus angewandter als auch theoretischer Sicht. Sie ist ein wichtiger Aspekt in vielen Anwendungen, unter anderem in chirugischen Implantaten oder Biosensoren. Sie ist außerdem ein Beispiel für theoretische Fragestellungen betreffend die Grenzfläche zwischen harter und weicher Materie. Fest steht, dass Kenntnis der beteiligten Mechanismen erforderlich ist um die Wechselwirkung zwischen Proteinen und Oberflächen zu verstehen, vorherzusagen und zu optimieren. Aktuelle Fortschritte im experimentellen Forschungsbereich ermöglichen die Untersuchung der direkten Peptid-Metall-Bindung. Dadurch ist die Erforschung der theoretischen Grundlagen weiter ins Blickfeld aktueller Forschung gerückt. Eine Möglichkeit die Wechselwirkung zwischen Proteinen und anorganischen Oberflächen zu erforschen ist durch Computersimulationen. Obwohl Simulationen von Metalloberflächen oder Proteinen als Einzelsysteme schon länger verbreitet sind, bringt die Simulation einer Kombination beider Systeme neue Schwierigkeiten mit sich. Diese zu überwinden erfordert ein Mehrskalen-Verfahren: Während Proteine als biologische Systeme ausreichend mit klassischer Molekulardynamik beschrieben werden können, bedarf die Beschreibung delokalisierter Elektronen metallischer Systeme eine quantenmechanische Formulierung. Die wichtigste Voraussetzung eines Mehrskalen-Verfahrens ist eine Übereinstimmung der Simulationen auf den verschiedenen Skalen. In dieser Arbeit wird dies durch die Verknüpfung von Simulationen alternierender Skalen erreicht. Diese Arbeit beginnt mit der Untersuchung der Thermodynamik der Benzol-Hydratation mittels klassischer Molekulardynamik. Dann wird die Wechselwirkung zwischen Wasser und den [111]-Metalloberflächen von Gold und Nickel mittels eines Multiskalen-Verfahrens modelliert. In einem weiteren Schritt wird die Adsorbtion des Benzols an Metalloberflächen in wässriger Umgebung studiert. Abschließend wird die Modellierung erweitert und auch die Aminosäuren Alanin und Phenylalanin einbezogen. Dies eröffnet die Möglichkeit realistische Protein- Metall-Systeme in Computersimulationen zu betrachten und auf theoretischer Basis die Wechselwirkung zwischen Peptiden und Oberflächen für jede Art Peptide und Oberfläche vorauszusagen.

Mechanical microcontacts of powder particles studied with the quartz crystal microbalance

Within this work, a particle-polymer surface system is studied with respect to the particle-surface interactions. The latter are governed by micromechanics and are an important aspect for a wide range of industrial applications. Here, a new methodology is developed for understanding the adhesion process and measure the relevant forces, based on the quartz crystal microbalance, QCM. rnThe potential of the QCM technique for studying particle-surface interactions and reflect the adhesion process is evaluated by carrying out experiments with a custom-made setup, consisting of the QCM with a 160 nm thick film of polystyrene (PS) spin-coated onto the quartz and of glass particles, of different diameters (5-20µm), deposited onto the polymer surface. Shifts in the QCM resonance frequency are monitored as a function of the oscillation amplitude. The induced frequency shifts of the 3rd overtone are found to decrease or increase, depending on the particle-surface coupling type and the applied oscillation (frequency and amplitude). For strong coupling the 3rd harmonic decreased, corresponding to an “added mass” on the quartz surface. However, positive frequency shifts are observed in some cases and are attributed to weak-coupling between particle and surface. Higher overtones, i.e. the 5th and 7th, were utilized in order to derive additional information about the interactions taking place. For small particles, the shift for specific overtones can increase after annealing, while for large particle diameters annealing causes a negative frequency shift. The lower overtones correspond to a generally strong-coupling regime with mainly negative frequency shifts observed, while the 7th appears to be sensitive to the contact break-down and the recorded shifts are positive.rnDuring oscillation, the motion of the particles and the induced frequency shift of the QCM are governed by a balance between inertial forces and contact forces. The adherence of the particles can be increased by annealing the PS film at 150°C, which led to the formation of a PS meniscus. For the interpretation, the Hertz, Johnson-Kendall-Roberts, Derjaguin-Müller-Toporov and the Mindlin theory of partial slip are considered. The Mindlin approach is utilized to describe partial slip. When partial slip takes place induced by an oscillating load, a part of the contact ruptures. This results in a decrease of the effective contact stiffness. Additionally, there are long-term memory effects due to the consolidation which along with the QCM vibrations induce a coupling increase. However, the latter can also break the contact, lead to detachment and even surface damage and deformation due to inertia. For strong coupling the particles appear to move with the vibrations and simply act as added effective mass leading to a decrease of the resonance frequency, in agreement with the Sauerbrey equation that is commonly used to calculate the added mass on a QCM). When the system enters the weak-coupling regime the particles are not able to follow the fast movement of the QCM surface. Hence, they effectively act as adding a “spring” with an additional coupling constant and increase the resonance frequency. The frequency shift, however, is not a unique function of the coupling constant. Furthermore, the critical oscillation amplitude is determined, above which particle detach. No movement is detected at much lower amplitudes, while for intermediate values, lateral particle displacement is observed. rnIn order to validate the QCM results and study the particle effects on the surface, atomic force microscopy, AFM, is additionally utilized, to image surfaces and measure surface forces. By studying the surface of the polymer film after excitation and particle removal, AFM imaging helped in detecting three different meniscus types for the contact area: the “full contact”, the “asymmetrical” and a third one including a “homocentric smaller meniscus”. The different meniscus forms result in varying bond intensity between particles and polymer film, which could explain the deviation between number of particles per surface area measured by imaging and the values provided by the QCM - frequency shift analysis. The asymmetric and the homocentric contact types are suggested to be responsible for the positive frequency shifts observed for all three measured overtones, i.e. for the weak-coupling regime, while the “full contact” type resulted in a negative frequency shift, by effectively contributing to the mass increase of the quartz..rnThe interplay between inertia and contact forces for the particle-surface system leads to strong- or weak-coupling, with the particle affecting in three mentioned ways the polymer surface. This is manifested in the frequency shifts of the QCM system harmonics which are used to differentiate between the two interaction types and reflect the overall state of adhesion for particles of different size.rn

Surface layer formation in polymer melts and in solutions

In this work the surface layer formation in polymer melts and in polymer solutions have been investigated with the atomic force microscope (AFM). In polymer melts, the formation of an immobile surface layer results in a steric repulsion, which can be measured by the AFM. From former work it is know, that polydimethyl siloxane (PDMS) forms a stable surface layer for molecular weights above 12 kDa. In the present thesis, polyisoprene (PI) was investigated apart from PDMS, by a)measuring the steric surface interactions and b)measuring the surface slip in hydrodynamic experiments. If a polymer flows over a surface, the flow velocity at the surface is larger then zero. If case of a surface layer formation the flow plane changes to the top of the adsorbed layer and the surface slip is reduced to zero. By measuring the surface slip in hydrodynamic experiments, it is therefore possible to determine the presence of a stable surface layer. The results show no stable repulsion for PI and only a small decrease of the surface slip. This indicates that PI does not form a stable surface layer, but is only adsorbed weakly to the surface. Furthermore for 8 kDa PDMS the timescale of the formation of a surface layer was investigated by changing themaximal force the tip applied to the surface. With a repulsive force present, applying a higher force than 15 nN resulted in a destruction of the surface layer, indicated by attractive forces. Reducing the applied force below 15 nN then resulted in an increase of the repulsion to the former state during one minute, thus indicating that a surface layer can be formed within one minute even under the influence of continuous measurements. As a next step, mixtures of two PDMS homopolymers with different chain lengths have been investigated. The aim was to verify theoretical predictions that shorter chains should predominate at the surface due to their smaller loss in conformational entropy. The measurements where done in dependence of the volume fractions of short and long chain PMDS. The results confirmed the short chain dominance for all mixtures with less then 90 vol.% long chain PDMS. Surface layer formation in solution was investigated for superplasticizers which are industrially used as an additive to cement. They change the surface interaction between the cement grains from attractive to repulsive and the freshlymixed cement paste therefore becomes liquid. The aimin this part of the thesis was, to investigate cement particle interactions in a close to real environment. Therefore calcium silicate hydrate phases have been precipitated onto an AFM tip and onto a calcite crystal and the interaction between these surfaces have beenmeasured with and without addition of superplasticizers. The measurements confirmed the change from attraction to repulsion upon addition of superplasticizers. The repulsive steric interaction increased with the length of the sidechain of the superplasticizer, and the dependence of the range of the steric interactions on the sidechain length indicated that the sidechains are in a coiled conformation.

Einfluß der internen Architektur von Polymermikronetzwerken auf Struktur und Dynamik konzentrierter Kolloid-Dispersionen

Einfluß der internen Architektur von Polymermikronetzwerken auf Struktur und Dynamik konzentrierter Kolloid-Dispersionen Kugelförmige Polymermikronetzwerk-Kolloide gehören zur Klasse der sogenannten Mikrogele. Dabei handelt es sich um kolloidale Modellsysteme, die durch ihre interne Vernetzungsdichte charakterisiert werden.In dieser Arbeit sollte untersucht werden, ob sich die Wechselwirkungen zwischen den Mikrogel-Kolloiden über ein repulsives Potential der Form U(r) = 1/rn beschreiben lassen und ob der Poten-tialexponent n von der Vernetzungsdichte abhängt. Dazu wurden vor allem die innere Architektur, das Phasenverhalten und der statische Strukturfaktor 1:10, 1:50, 1:72 und 1:100 vernetzter Polymer-Mikronetzwerk-Kolloide bis in den Bereich hochkonzentrierter Dispersionen mit den Mitteln der Kleinwinkelneutronenstreuung, der Digitalphotographie und der statischen Lichtstreuung untersucht. Polymeranalytische Untersuchungen ergaben einen bei der Synthese anfallenden Anteil von unver-netztem, freiem Polymer innerhalb der Mikronetzwerke, welcher sich beim Lösen aus den Netzwerken herausbewegte. Das freie Polymer spielte vor allem beim Phasenverhalten der untersuchten Teilchen eine große Rolle und verursachte bei den Untersuchungen der statischen Strukturfaktoren Abweichun-gen vom 'harte Kugel'-Verhalten. Als Ergebnis der Kleinwinkel-Neutronenstreuung konnte eine ab-nehmende Verteilungsdichte der Vernetzer innerhalb der Polymermikronetzwerke in Richtung der -Teilchenoberfläche nachgewiesen werden. Die damit verbundene Konformationsfreiheit der Polymer-segmente auf der Teilchenoberfläche (bis hin zu 'mushroom'-Strukturen) wurde als Grund dafür an-gesehen, daß sich die Resultate der untersuchten Mikrogele aller Vernetzungsdichten im wesentlichen auf 'harte Kugeln' skalieren lassen.

On-surface chemical reactions on an insulating substrate

Diese Arbeit beschreibt zum ersten Mal die kovalente Verknüpfung organischer Moleküle auf einer Isolatoroberfläche, motiviert im Hinblick auf die Nutzung der Synthesemethode für die molekulare Elektronik und verwandte Anwendungen. Durch die Verwendung der Nichtkontakt-Rasterkraftmikroskopie und der Kelvinprobe-Mikroskopie bei Raumtemperatur wurden grundlegende molekulare Prozesse der Wechselwirkungen zwischen Molekülen und der Calcit(10.4) Oberfläche sowie die chemische Reaktivität der Moleküle auf der Oberfläche analysiert. Das Zusammenspiel zwischen intermolekularen und Molekül-Oberfläche Wechselwirkungen zeigt sich für Biphenyl-4,4'-dicarbonsäure (BPDCA) durch die Koexistenz zweier unterschiedlicher molekularer Strukturen, die einen Einblick in die treibenden Kräfte der molekularen Selbstorganisation bieten. Die sehr ausgeprägte Reihenstruktur basiert auf der optimalen geometrischen Struktur der BPDCA Moleküle zu den Abmessungen des Substrats, während die zweite Struktur durch Wasserstoffbrücken zwischen den Molekülen gekennzeichnet ist. Der Deprotonierungsvorgang von 2,5-Dihydroxybenzoesäure (DHBA)-Molekülen auf Calcit wird bei Zimmertemperatur gezeigt. Zwei Phasen werden beobachtet, die nach Aufbringen der Moleküle koexistieren. Mit der Zeit geht eine bulk-ähnliche Phase in eine stabile, dicht gepackte Phase über. Der Übergang wird durch Betrachtung des Protonierungszustands der Moleküle erklärt. Die bulk-ähnliche Phase benötigt Wasserstoffbrückbindungen zur Strukturbildung. Werden die Moleküle deprotoniert, so wird die resultierende dicht gepackte Phase durch die elektrostatische Wechselwirkung der deprotonierten Carboxylatgruppen mit den Oberflächen-Calciumkationen stabilisiert. 4-Iodbenzoesäure (IBA)-Moleküle bilden auf Calcit nur Inseln an Stufenkanten, was auf die schwache Molekül-Oberflächen-Wechselwirkung zurückzuführen ist. Für einen stärkeren Einfluss des Substrats durchlaufen die Moleküle einen kontrollierten Übergangsschritt vom protonierten zum deprotonierten Zustand. Im deprotonierten Zustand nehmen die Moleküle eine wohldefinierte Adsorptionsposition auf dem Substrat ein. Die deprotonierte Säuregruppe wird ausgenutzt, um die Desorption der halogensubstituierten Benzoesäure-Moleküle bei der thermischer Aktivierung für die Vernetzungsreaktion zu vermeiden. Darüber hinaus wird die Carboxylatgruppe als starker Elektronendonor verwendet um die Phenyl-Halogen-Bindung zu schwächen und somit die homolytische Spaltung dieser Bindung auch bei moderaten Temperaturen zu ermöglichen. Diesem Konzept folgend ist die erste erfolgreiche kovalente Verknüpfung von 2,5-Diiod-benzoesäure, 2,5-Dichlorbenzoesäure, 3,5-Diiod Salicylsäure und 4-Iod-benzoesäure zu durchkonjugierten molekularen Drähten, Zick-Zack-Strukturen sowie Dimere gezeigt durch Ausnutzen von unterschiedlichen Substitutionsposition sowie Ändern der Anzahl der substituierten Halogenatome. Aufbauend auf diesem Erfolg, wird eine zweistufige Vernetzungsreaktion vorgestellt. Zum Induzieren der ortsspezifischen und sequentiellen kovalenten Verknüpfung wird ein Ausgangsmolekül gewählt, das sowohl eine Bromphenyl als auch eine Chlorphenyl Gruppe mit unterschiedlichen Dissoziationsenergien für die homolytische Spaltung besitzt. Die Reaktionsstellen und sequentielle Reihenfolge für die Reaktion sind somit in der molekularen Struktur einkodiert und bisher unerreichte Reaktionspfade können mithilfe der kovalente Verknüpfung organischer Moleküle auf einer Isolatoroberfläche beschritten werden.

Sphärische Bürsten in polymeren Schmelzen

Colloidal nanoparticles are additives to improve or modify several properties of thermoplastic or elastic polymers. Usually colloid-polymer mixtures show phase separation due to the depletion effect. The strategy to overcome this depletion demixing was to prepare surface-modified colloidal particles, which can be blended with linear polymer chains homogeneous. A successful synthesis strategy for the preparation of hairy nanospheres was developed by grafting polystyrene macromonomer chains onto polyorganosiloxane microgels. The number of hairs per particle with a core radius of approximately 10nm exceeded 150 hairs in all cases. The molecular weight of the hairs variied between 4000-18000g/mol.The compatibility of these hairy spheres mixed with linear polymer chains was investigated by AFM, TEM and SAXS. Homogeneous mixtures were found if the molecular weight of the polymer hairs on the particle surface is at least as large as the molecular weight of the matrix chains. If the chains are much shorter than the hairs, the colloidal hair corona is strongly swollen by the matrix polymer, leading to a long-range soft interparticle repulsion ('wet brush'). If hairs and chains are comparable in length, the corona shows much less volume swelling, leading to a short-range repulsive potential similar to hard sphere systems ('dry brush'). Polymerketten und Kolloidpartikel entmischen aufgrund von Depletion-Wechselwirkungen. Diese entropisch bedingte Entmischung konnte durch das Ankoppeln von Polymerhaaren verschiedenen Molekulargewichts auf die Kugeloberflächen der Kolloide bis zu hohen Konzentrationen vermieden werden. Zur Darstellung sphärischer Bürsten und haariger Tracerpartikel wurde eine neue Synthesestrategie ausgearbeitet und erfolgreich umgesetzt.Das Kompatibilitätsverhalten dieser sphärischen Bürsten in der Schmelze von Polymerketten als Matrix wurde mittels Elektronenmikroskopie und Kleinwinkelröntgenstreuung untersucht. Die Mischungen setzten sich aus sphärischen Bürsten und Matrixketten mit unterschiedlichen Molekulargewichten zusammen.Es zeigte sich, daß die Mischbarkeit entschieden durch das Verhältnis von Haarlänge zu Länge der Matrixketten beeinflußt wird.Aus den Untersuchungen des Relaxationsverhaltens mittels Rheologie und SAXS ergibt sich, daß das Konzept der 'dry brush'- und 'wet brush'-Systeme auf diese Mischungen übertragbar ist. Die Volumenquellung der Haarcorona durch die Matrixketten ist, wie die Experimente gezeigt haben, bereits im Fall von Polymeren mit relativ niedrigen Molekulargewichten zu beobachten. Sie ist umso stärker ausgeprägt, je größer das Längenverhältnis zwischen Polymerhaaren und Matrixketten ist. Die Quellung bedeutet eine Vergrößerung des effektiven Radius der Partikel und entspricht somit einer Erhöhung des effektiven Volumenbruchs. Dies führt zur Ausbildung einer höheren Ordnung und zu einem Einfrieren der Relaxation dieser strukturellen Ordnung führt.

Funktionalisierte Latexpartikel

In der vorliegenden Arbeit wurden unter Verwendung neuer auf der Isophthalsäure basieren-der polymerisierbaren Tensiden carboxylfunktionalisierte Latexpartikel hergestellt, charakte-risiert und funktionalisiert. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden 5-(10-Undecenyloxy)isophthalsäure (ISA-Vinyl), 5-(11-(4-Vinylphenoxy)undecyloxy)isophthal-säure (ISA-Sty), 5-(11-(2-Prop-1-enyl)phenoxy)undecyloxy)isophthalsäure (ISA-Pr), 5-(11-(1-Methacryloxy)undecylen)isophthalsäure (ISA-Met) und 5-(10-(3-Methylbut-3-enyl)oxy-1-oxydecylen)isophthalsäure (ISA-Bu) hergestellt. Die Surfmere wurden mit Styrol bzw. mit n-Butylacrylat copolymerisiert. ISA-Bu und ISA-Pr weisen während der Copolymerisation mit Styrol fast ideale Verläufe der Zeit/Umsatz-Kurven auf. Bei der Copolymerisation von ISA-Bu bzw. ISA-Vinyl mit n-Butylmethacrylat wurden ähnliche Ergebnisse erhalten. Die Carboxylgruppen an der Partikeloberfläche wurden mit Halogenderivaten verestert oder mit primären Aminen amidiert. Die funktionalisierten Partikel wurden mit der Polyelektrolyt-titration und konduktometrischen Titration, der IR- und UV-Spektroskopie, der Transmissi-onselektronenmikroskopie, der Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Reaktanden kovalent an der Partikeloberfläche gebunden sind. Die Polymerpartikel wurden bei der Herstellung von Immunoassays genutzt. Die Adsorpti-onsisothermen zeigten, dass eine hohe Menge an Rinderserumalbumin an die Partikeloberflä-che physikalisch gebunden werden kann. In dieser Arbeit wurde ein einfaches Immunoassay hergestellt mit Biotin – Avidin als Modellsystem hergestellt. Die Surfmere wurden zur Stabilisierung von Miniemulsionen für die Miniemulsionspolymeri-sation genutzt. Im Laufe dieser Arbeit konnten mit dieser Methode Rylenfarbstoffe in Po-lystyrolpartikel stabilisiert werden.

Kontrollierte Fällung von amorphem Calciumcarbonat durch homogene Carbonatfreisetzung

In der Vergangenheit haben Untersuchung an biologischen und Modell-Systemen gezeigt, dass amorphes Calciumcarbonat als instabiles Zwischenprodukt bei der Bildung kristalliner Strukturen aus CaCO3 auftritt. Über dessen Rolle im Fällungsprozess von CaCO3 ist nicht viel bekannt und es wird davon ausgegangen, dass es als CaCO3-Speicher für die nachfolgenden kristallinen Produkte dient. Der genaue Reaktionsablauf, der zur Bildung von amorphem Calciumcarbonat (ACC) führt, ist nicht bekannt. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Fällungstechnik, die die Beobachtung der Bildungskinetik von ACC durch Lichtstreuung ermöglicht. In Fällungsexperimenten wird gezeigt, dass die Fällung unter nicht-turbulenten Bedingungen zur Bildung von amorphem Calciumcarbonat führt. Hinsichtlich der Basen- und Alkylcarbonatmenge, die äquivalent oder im Überschuss zur Calciumionenkonzentration eingesetzt wird, entstehen zwei verschiedene Fällungsprodukte. In Bezug auf ihre chemische Zusammensetzung, thermische und mechanische Eigenschaften werden diese charakterisiert. In beiden Fällen wird ein amorphes CaCO3 mit einem Wassergehalt von 0,5 mol/L pro Mol CaCO3 erhalten. Die in situ Generierung von Carbonat führt zur Bildung von sphärischem amorphem Calciumcarbonat, das eine gewisse Tendenz zur Koazervation zeigt. Die bei gleichem Reaktionsumsatz beobachtete Temperaturabhängigkeit des Partikelradius konnten wir unter Annahme einer Mischungslücke mit unterer kritischer Mischungstemperatur interpretieren. Für die Bildung von amorphem Calciumcarbonat schlagen wir daher einen Mechanismus via binodaler flüssig-flüssig Entmischung vor. Nach einer kurzen Keimbildungsperiode können flüssige Tröpfchen aus wasserhaltigem CaCO3 wachsen und dann infolge von stetigem Wasserverlust glasartig erstarren und so amorphes Calciumcarbonat bilden. Bekräftigt wird dieses Modell durch die Wachstumskinetik, die mittels Lichtstreuung und SAXS verfolgt worden ist. In den Fällungsversuchen sind je nach Reaktionsbedingungen, zwei verschiedene Zeitgesetze des Teilchenwachstums erkennbar: Bei schneller Freisetzung von Carbonat liegt ein parabolischer Verlauf des Radienwachstums vor; hingegen führt eine langsame Freisetzung von Carbonat zu einem linearen Wachstum der Radien. Diese Abhängigkeiten lassen sich im Rahmen der bekannten Kinetik einer flüssig-flüssig Entmischung deuten. Ferner wird der Einfluss von doppelthydrophilen Blockcopolymeren (PEO-PMAA) auf die Teilchengröße und die Kinetik der Bildung von amorphem Calciumcarbonat untersucht. Zum Einsatz kommen zwei verschiedene Blockcopolymere, die sich in der Länge des PEO-Blocks unterscheiden. Im Fällungsexperiment führt das in sehr kleinen Konzentrationen vorliegende Blockcopolymere zur Stabilisierung von kleineren Partikeln. Das Blockcopolymer mit der längeren PEO-Einheit weist eine größere Effizienz auf. Die Ergebnisse lassen sich durch Annahme von Adsorption des Polymers an der Oberfläche interpretieren. Der Einfluss der doppelthydrophilen Blockcopolymere auf die Bildung von ACC deutet darauf, dass amorphes Calciumcarbonat eine komplexere Rolle als lediglich die eines Calciumcarbonatspeichers für das spätere Wachstum kristalliner Produkte einnimmt. Für die Wirkung von Polymerzusätzen muss somit nicht nur die Wechselwirkung mit den gegen Ende gebildeten Kristalle betrachtet werden, sondern auch der Einfluss, den das Polymer auf die Bildung des amorphen Calciumcarbonats hat. Die hier neu entwickelte Methode bietet die Möglichkeit, auch für komplexere Polymere, wie z.B. extrahierte Proteine, den Einfluss auf die Bildung der amorphen Vorstufe zu untersuchen.

Nanoscale effects and applications of self-organized nanostructured thin films

A nanostructured thin film is a thin material layer, usually supported by a (solid) substrate, which possesses subdomains with characteristic nanoscale dimensions (10 ~ 100 nm) that are differentiated by their material properties. Such films have captured vast research interest because the dimensions and the morphology of the nanostructure introduce new possibilities to manipulating chemical and physical properties not found in bulk materials. Block copolymer (BCP) self-assembly, and anodization to form nanoporous anodic aluminium oxide (AAO), are two different methods for generating nanostructures by self-organization. Using poly(styrene-block-methyl methacrylate) (PS-b-PMMA) nanopatterned thin films, it is demonstrated that these polymer nanopatterns can be used to study the influence of nanoscale features on protein-surface interactions. Moreover, a method for the directed assembly of adsorbed protein nanoarrays, based on the nanoscale juxtaposition of the BCP surface domains, is also demonstrated. Studies on protein-nanopattern interactions may inform the design of biomaterials, biosensors, and relevant cell-surface experiments that make use of nanoscale structures. In addition, PS-b-PMMA and AAO thin films are also demonstrated for use as optical waveguides at visible wavelengths. Due to the sub-wavelength nature of the nanostructures, scattering losses are minimized, and the optical response is amenable to analysis with effective medium theory (EMT). Optical waveguide measurements and EMT analysis of the films’ optical anisotropy enabled the in situ characterization of the PS-b-PMMA nanostructure, and a variety of surface processes within the nanoporous AAO involving (bio)macromolecules at high sensitivity.

Structured antibody surfaces for bio-recognition and a label-free detection of bacteria

Antibody microarrays are of great research interest because of their potential application as biosensors for high-throughput protein and pathogen screening technologies. In this active area, there is still a need for novel structures and assemblies providing insight in binding interactions such as spherical and annulus-shaped protein structures, e.g. for the utilization of curved surfaces for the enhanced protein-protein interactions and detection of antigens. Therefore, the goal of the presented work was to establish a new technique for the label-free detection of bio-molecules and bacteria on topographically structured surfaces, suitable for antibody binding.rnIn the first part of the presented thesis, the fabrication of monolayers of inverse opals with 10 μm diameter and the immobilization of antibodies on their interior surface is described. For this purpose, several established methods for the linking of antibodies to glass, including Schiff bases, EDC/S-NHS chemistry and the biotin-streptavidin affinity system, were tested. The employed methods included immunofluorescence and image analysis by phase contrast microscopy. It could be shown that these methods were not successful in terms of antibody immobilization and adjacent bacteria binding. Hence, a method based on the application of an active-ester-silane was introduced. It showed promising results but also the need for further analysis. Especially the search for alternative antibodies addressing other antigens on the exterior of bacteria will be sought-after in the future.rnAs a consequence of the ability to control antibody-functionalized surfaces, a new technique employing colloidal templating to yield large scale (~cm2) 2D arrays of antibodies against E. coli K12, eGFP and human integrin αvβ3 on a versatile useful glass surface is presented. The antibodies were swept to reside around the templating microspheres during solution drying, and physisorbed on the glass. After removing the microspheres, the formation of annuli-shaped antibody structures was observed. The preserved antibody structure and functionality is shown by binding the specific antigens and secondary antibodies. The improved detection of specific bacteria from a crude solution compared to conventional “flat” antibody surfaces and the setting up of an integrin-binding platform for targeted recognition and surface interactions of eukaryotic cells is demonstrated. The structures were investigated by atomic force, confocal and fluorescence microscopy. Operational parameters like drying time, temperature, humidity and surfactants were optimized to obtain a stable antibody structure.

Maßgeschneiderte polymerisierbare Tenside zur simultanen Stabilisierung und Oberflächenfunktionalisierung von Nanopartikeln in der Miniemulsionspolymerisation

Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene funktionale, polymerisierbare Tenside (Surfmere) synthetisiert, um unmittelbar und exklusiv die Partikeloberfläche in der Miniemulsionspolymerisation mit der gewünschten Funktion für weitere Anwendungen auszurüsten. Hierdurch ist es möglich, auf konventionelle Tenside, welche bedingt durch ihre Mobilität in einigen Anwendungen zu Schwierigkeiten führen, gänzlich zu verzichten. Zusätzlich bietet der Einsatz von Surfmeren eine höhere Kontrolle über die Lokalisation und Verteilung der Funktionalitäten auf der Partikeloberfläche, im Vergleich zum Einsatz von klassischen Comonomeren. rnThematische Schwerpunkte der Arbeit lagen in der Ausrüstung von Partikeloberflächen mit Haftgruppen (Phosphonsäuren) oder Fluoreszenzmarkern sowie der Aufbringung von Initiatorgruppen über Surfmere zur Synthese von Kern-Schale-Partikeln in einem zweistufigen Prozess. Bei allen neu synthetisierten Surfmeren wurde als polymerisierbare Einheit eine Methacrylamidgruppe gewählt, um Funktionalitätenverlust durch Hydrolyse auszuschließen.rnIm Bereich der Haftgruppen wurde gezeigt, dass der Einsatz von phosphonathaltigen Surfmeren die Kontrolle der Partikelgröße und Funktionalisierungsdichte in weiten Bereichen ermöglicht und langzeitstabile Dispersionen erhalten werden. Die Partikel wurden auf ihre Cytotoxizität und ihre biomimetische Mineralisierbarkeit hin untersucht.rnZum Nachweis der Copolymerisation des Surfmers mit dem Hauptmonomer wurde ein Phosphonsäure-Surfmer mit einem Farbstoff auf Naphthalimidbasis synthetisiert. Dies ermöglichte den Nachweis der Copolymerisation mittels Gelpermeationschromatographie.rnZur Fluoreszenzmarkierung von Partikeloberfläche wurden erstmals Surfmere realisiert, die in der Kopfgruppe eine BODIPY-Einheit, welche in 2 oder 2,6-Position sulfoniert wurde, als Fluorophor tragen. Der Polymerisationsbeweis wurde durch HPLC-Messungen geführt und die Lokalisation auf der Partikeloberfläche durch Quenchungsexperimente verifiziert. rnDes Weiteren wurde ein kationisches Surfmer synthetisiert, welches nahe der Kopfgruppe eine Bromo iso-buttersäureeinheit zur AGET-ATRP-Initiierung trägt und somit potentiell zum Aufbau von Kern-Schale-Morphologien befähigt 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.

Synthese von grenzflächenaktiven Monomeren zur Herstellung von funktionalen Metall-Chalkogenid,Polymer-Hybridnanopartikeln

In dieser Arbeit wurde gezeigt, wie oberflächenfunktionalisierte Polystyrolnanopartikel zur Herstellung von Metallchalkogenid/Polymer-Hybridnanopartikeln eingesetzt werden können. Dazu wurden zunächst phosphonsäure- und phosphorsäurefunktionalisierte Surfmere synthetisiert, die anschließend bei der Miniemulsionspolymerisation von Styrol verwendet wurden. Die Surfmere dienten dabei zugleich zur Stabilisierung und als Comonomer. Die oberflächenfunktionalisierten Polystyrolnanopartikel wurden anschließend als Trägerpartikel für die Kristallisation von Metalloxiden eingesetzt. Dabei wurden Metalloxid/Polymer-Hybridnanopartikel mit einer „himbeerartigen“ Morphologie erhalten. Um die vielseitige Modifizierbarkeit der phosphonat- und phosphat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel zu demonstrieren, wurden Cer-, Eisen- sowie Zinkoxid auf der Partikeloberfläche kristallisiert. Dazu wurden sowohl wässrige als auch alkoholische Metalloxid-Präkursorlösungen eingesetzt. Die synthetisierten Metall¬oxid/Polymer-Hybridpartikel wurden detailliert mit REM, TEM und PXRD analysiert. Die Untersuchung des Kristallisationsmechanismus hatte erwiesen, dass die komplexierten Metallkationen auf der Partikeloberfläche als Nukleationszentren wirkten und die Zutropfrate des Fällungsreagenz entscheidend für die Oberflächenkristallisation ist. Durch Mischungsexperimente von Metalloxidnanopartikeln und den oberflächen¬funktionalisierten Polymerpartikeln konnte die Hybridpartikelbildung über Hetero¬koagulation ausgeschlossen werden. Außerdem wurde festgestellt, dass die Polarität der funktionellen Gruppe über die Stärke der Komplexierung der Metalloxid-Präkursor bestimmt. Darüber hinaus wurde ein Modell zur Erklärung der kolloidalen Stabilisierung der Metalloxid/Polymer-Hybridsysteme aufgestellt und ein Zusammenhang zwischen dem gemessenen Zeta-Potential und der Oberflächenbedeckung der Polymerpartikel durch Metalloxid gefunden. Mit der Methode der Oberflächenkristallisation konnten frühe Stadien der Nukleation auf der Partikeloberfläche fixiert werden. Weiterhin wurden die individuellen physikalisch-chemischen Eigenschaften der hergestellten Metall¬oxid/Polymer-Hybridnano¬partikel untersucht. Dabei zeigten die CeO2/Polymer-Hybridpartikel eine hohe katalytische Aktivität bezüglich der photokatalytischen Oxidation von Rhodamin B, die als Modellreaktion durchgeführt wurde. Des Weiteren wurde die Magnetisierung der Magnetit/Polymer-Hybridpartikel gemessen. Die Fe3O4-Hybrid¬partikelsysteme wiesen eine vergleichbare Sättigungsmagnetisierung auf. Die Zinkoxid/Polymer-Hybridsysteme zeigten eine starke Lumineszenz im sichtbaren Bereich bei Anregung mit UV-Licht. Die Metalloxid/Polymer-Hybridpartikel, die mit den phosphonat- oder phosphatfunktion¬alisierten Polystyrolpartikeln hergestellt wurden, zeigten keine signifikanten Unterschiede in ihren physikochemischen Eigenschaften. Im Allgemeinen lässt sich schlussfolgern, dass sowohl Phosphonat- als auch Phosphatgruppen gleichermaßen für die Oberflächenkristallisation von Metalloxiden geeignet sind. Die Zink¬oxid/Polymer-Hybridsysteme stellen eine Ausnahme dar. Die Verwendung der phosphonat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel führte zur Entstehung einer Zinkhydroxidphase, die neben der Zinkoxidphase gebildet wurde. Aufgrund dessen zeigten die ZnO/RPO3H2-Hybridpartikel eine geringere Lumineszenz im sichtbaren Bereich als die ZnO/RPO4H2-Hybridsysteme.rnDie Erkenntnisse, die bei der Oberflächenkristallisation von Metalloxiden gewonnen wurden, konnten erfolgreich auf Cadmiumsulfid übertragen werden. Dabei konnte Cadmiumsulfid auf der Oberfläche von phosphonatfunktionalisierten Polystyrolpartikeln kristallisiert werden. Mit Hilfe des RPO3H2-Surfmers konnten phosphonatfunktion¬alisierte Polystyrolpartikel mit superparamagnetischem Kern synthetisiert werden, die zur Herstellung von multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikeln mit Magnetitkern verwendet wurden. Die Kristallphase und die Oberflächenbedeckung der multi¬funktionalen Hybridsysteme wurden mit den CdS/Polymer-Hybridsystemen ohne magnetischen Kern verglichen. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass in beiden Fällen Cadmiumsulfid in der Greenockit-Modifikation gebildet wurde. Die multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikel mit superparamagnetischem Kern konnten sowohl mit einem optischen als auch einem magnetischen Stimulus angeregt werden.rnrn

Development of a system measuring adhesion forces in powder collectives

Fine powders commonly have poor flowability and dispersibility due to interparticle adhesion that leads to formation of agglomerates. Knowing about adhesion in particle collectives is indispensable to gain a deeper fundamental understanding of particle behavior in powders. Especially in pharmaceutical industry a control of adhesion forces in powders is mandatory to improve the performance of inhalation products. Typically the size of inhalable particles is in the range of 1 - 5 µm. In this thesis, a new method was developed to measure adhesion forces of particles as an alternative to the established colloidal probe and centrifuge technique, which are both experimentally demanding, time consuming and of limited practical applicability. The new method is based on detachment of individual particles from a surface due to their inertia. The required acceleration in the order of 500 000 g is provided by a Hopkinson bar shock excitation system and measured via laser vibrometry. Particle detachment events are detected on-line by optical video microscopy. Subsequent automated data evaluation allows obtaining a statistical distribution of particle adhesion forces. To validate the new method, adhesion forces for ensembles of single polystyrene and silica microspheres on a polystyrene coated steel surface were measured under ambient conditions. It was possible to investigate more than 150 individual particles in one experiment and obtain adhesion values of particles in a diameter range of 3 - 13 µm. This enables a statistical evaluation while measuring effort and time are considerably lower compared to the established techniques. Measured adhesion forces of smaller particles agreed well with values from colloidal probe measurements and theoretical predictions. However, for the larger particles a stronger increase of adhesion with diameter was observed. This discrepancy might be induced by surface roughness and heterogeneity that influence small and large particles differently. By measuring adhesion forces of corrugated dextran particles with sizes down to 2 µm it was demonstrated that the Hopkinson bar method can be used to characterize more complex sample systems as well. Thus, the new device will be applicable to study a broad variety of different particle-surface combinations on a routine basis, including strongly cohesive powders like pharmaceutical drugs for inhalation.

Numerical investigations on atmosphere-biosphere interactions

Der Austausch von Spurengasen und Aerosolpartikeln zwischenAtmosphäre und Biosphäre spielt eine wichtige Rolle in derAtmosphärenphysik und -chemie. Wälder repräsentieren sowohleine signifikante Senke als auch Quelle für Spurengase undPartikel und tragen somit maßgeblich zu derenatmosphärischem Budget bei. Strahlungsnebel beeinflußt durchAufnahme, Entfernen und Prozessieren von Aerosolpartikelnund löslichen Spurengasen deren Konzentrationen in derGasphase. In dieser Arbeit wird erstmalig ein Modell präsentiert,welches die Simulation des Austausches zwischen Atmosphäreund Biosphäre unter Berücksichtigung der dynamischenWechselwirkung zwischen Strahlungsnebel, Blattflächenwasserund Mehrphasenchemie ermöglicht. Numerische Fallstudien mitfolgenden Schwerpunkten werden präsentiert: - Einfluß von Vegetation und Blattflächenwasser auf diezeitlichen und räumlichen Schwankungen derGrößenabhängigkeit der Flüssigphasenkonzentrationen inNebeltropfen, - Einfluß von Blattflächenwasser auf dieTrockendepositionsflüsse von Ammoniak im Wald - Simulationenwurden mit einem neuen dynamischen Depositionsmodelldurchgeführt und mit dem Widerstandsansatz verglichen -, - Einfluß von physikalischen und chemischen Prozessen aufdie Reduktion von NO- und Isoprenemissionen aus demWaldbestand verglichen mit den primären Emissionen.