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.

The surface exchange of trace gases in the tropics and savannas

ZusammenfassungDie Spurengase NOx (Stickstoffoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2)) haben massgeblichen Einfluss auf die Produktion von OH (Hydroxylradikal) und Ozon (O3) in der Troposphäre. Die Bodenemissionen dieser Gase sind weitgehend unbekannt. Das Ziel dieser Arbeit war, die für die NO Bodenemissionen relevanten Prozesse durch Labor und Feldmessungen zu untersuchen und diese durch Modellsimulationen für zwei Regionen, ein tropisches Regenwaldgebiet in Rondônia (Brasilien) und subtropische Savannen in Zimbabwe abzuschätzen. Unter Verwendung der gemessenen NO Werte ergaben die Simulationen mit einem modifizierten prozessorientierten Modell, dass Abholzung in den Tropen nach einer kurzzeitigen Erhöhung zu einer langfristigen Abnahme der Bodenemissionen führt. Ein 'up scaling' der Modellresultate ergab ausgehend von der ursprünglichen Bewaldung der Region eine Verdopplung der NO Bodenemission bis 1999. Sowohl für nährstoffarme Böden der Tropen als auch für die nährstoffreichen Savannenböden waren Landnutzung und Bodenfeuchte die wichtigsten Einflussgrössen für die Regulierung der Emissionen. Über den Zeitraum eines Jahres waren die Emissionsraten der Tropen (0.49 kgNhayr-1) ungefähr halb so gross wie die der subtropischen Savannen (0.86 kgNhayr-1). Solange die Abholzung der Regenwälder voranschreitet werden die Tropen starken Einfluss auf die troposphärische Chemie haben.

Modeling surface-atmosphere exchange of trace gases and energy within and above the Amazon rain forest

Die vorliegende Dissertation untersucht die biogeochemischen Vorgänge in der Vegetationsschicht (Bestand) und die Rückkopplungen zwischen physiologischen und physikalischen Umweltprozessen, die das Klima und die Chemie der unteren Atmosphäre beeinflussen. Ein besondere Schwerpunkt ist die Verwendung theoretischer Ansätze zur Quantifizierung des vertikalen Austauschs von Energie und Spurengasen (Vertikalfluss) unter besonderer Berücksichtigung der Wechselwirkungen der beteiligten Prozesse. Es wird ein differenziertes Mehrschicht-Modell der Vegetation hergeleitet, implementiert, für den amazonischen Regenwald parametrisiert und auf einen Standort in Rondonia (Südwest Amazonien) angewendet, welches die gekoppelten Gleichungen zur Energiebilanz der Oberfläche und CO2-Assimilation auf der Blattskala mit einer Lagrange-Beschreibung des Vertikaltransports auf der Bestandesskala kombiniert. Die hergeleiteten Parametrisierungen beinhalten die vertikale Dichteverteilung der Blattfläche, ein normalisiertes Profil der horizontalen Windgeschwindigkeit, die Lichtakklimatisierung der Photosynthesekapazität und den Austausch von CO2 und Wärme an der Bodenoberfläche. Desweiteren werden die Berechnungen zur Photosynthese, stomatären Leitfähigkeit und der Strahlungsabschwächung im Bestand mithilfe von Feldmessungen evaluiert. Das Teilmodell zum Vertikaltransport wird im Detail unter Verwendung von 222-Radon-Messungen evaluiert. Die ``Vorwärtslösung'' und der ``inverse Ansatz'' des Lagrangeschen Dispersionsmodells werden durch den Vergleich von beobachteten und vorhergesagten Konzentrationsprofilen bzw. Bodenflüssen bewertet. Ein neuer Ansatz wird hergeleitet, um die Unsicherheiten des inversen Ansatzes aus denjenigen des Eingabekonzentrationsprofils zu quantifizieren. Für nächtliche Bedingungen wird eine modifizierte Parametrisierung der Turbulenz vorgeschlagen, welche die freie Konvektion während der Nacht im unteren Bestand berücksichtigt und im Vergleich zu früheren Abschätzungen zu deutlich kürzeren Aufenthaltszeiten im Bestand führt. Die vorhergesagte Stratifizierung des Bestandes am Tage und in der Nacht steht im Einklang mit Beobachtungen in dichter Vegetation. Die Tagesgänge der vorhergesagten Flüsse und skalaren Profile von Temperatur, H2O, CO2, Isopren und O3 während der späten Regen- und Trockenzeit am Rondonia-Standort stimmen gut mit Beobachtungen überein. Die Ergebnisse weisen auf saisonale physiologische Änderungen hin, die sich durch höhere stomatäre Leitfähigkeiten bzw. niedrigere Photosyntheseraten während der Regen- und Trockenzeit manifestieren. Die beobachteten Depositionsgeschwindigkeiten für Ozon während der Regenzeit überschreiten diejenigen der Trockenzeit um 150-250%. Dies kann nicht durch realistische physiologische Änderungen erklärt werden, jedoch durch einen zusätzlichen cuticulären Aufnahmemechanismus, möglicherweise an feuchten Oberflächen. Der Vergleich von beobachteten und vorhergesagten Isoprenkonzentrationen im Bestand weist auf eine reduzierte Isoprenemissionskapazität schattenadaptierter Blätter und zusätzlich auf eine Isoprenaufnahme des Bodens hin, wodurch sich die globale Schätzung für den tropischen Regenwald um 30% reduzieren würde. In einer detaillierten Sensitivitätsstudie wird die VOC Emission von amazonischen Baumarten unter Verwendung eines neuronalen Ansatzes in Beziehung zu physiologischen und abiotischen Faktoren gesetzt. Die Güte einzelner Parameterkombinationen bezüglich der Vorhersage der VOC Emission wird mit den Vorhersagen eines Modells verglichen, das quasi als Standardemissionsalgorithmus für Isopren dient und Licht sowie Temperatur als Eingabeparameter verwendet. Der Standardalgorithmus und das neuronale Netz unter Verwendung von Licht und Temperatur als Eingabeparameter schneiden sehr gut bei einzelnen Datensätzen ab, scheitern jedoch bei der Vorhersage beobachteter VOC Emissionen, wenn Datensätze von verschiedenen Perioden (Regen/Trockenzeit), Blattentwicklungsstadien, oder gar unterschiedlichen Spezies zusammengeführt werden. Wenn dem Netzwerk Informationen über die Temperatur-Historie hinzugefügt werden, reduziert sich die nicht erklärte Varianz teilweise. Eine noch bessere Leistung wird jedoch mit physiologischen Parameterkombinationen erzielt. Dies verdeutlicht die starke Kopplung zwischen VOC Emission und Blattphysiologie.

Synthesis and surface modification of semiconductor nanocrystals

The last decade has witnessed an exponential growth of activities in the field of nanoscience and nanotechnology worldwide, driven both by the excitement of understanding new science and by the potential hope for applications and economic impacts. The largest activity in this field up to date has been in the synthesis and characterization of new materials consisting of particles with dimensions in the order of a few nanometers, so-called nanocrystalline materials. [1-8] Semiconductor nanomaterials such as III/V or II/VI compound semiconductors exhibit strong quantum confinement behavior in the size range from 1 to 10 nm. Therefore, preparation of high quality semiconductor nanocrystals has been a challenge for synthetic chemists, leading to the recent rapid progress in delivering a wide variety of semiconducting nanomaterials. Semiconductor nanocrystals, also called quantum dots, possess physical properties distinctly different from those of the bulk material. Typically, in the size range from 1 to 10 nm, when the particle size is changed, the band gap between the valence and the conduction band will change, too. In a simple approximation a particle in a box model has been used to describe the phenomenon[9]: at nanoscale dimensions the degenerate energy states of a semiconductor separate into discrete states and the system behaves like one big molecule. The size-dependent transformation of the energy levels of the particles is called “quantum size-effect”. Quantum confinement of both the electron and hole in all three dimensions leads to an increase in the effective bandgap of the material with decreasing crystallite size. Consequently, both the optical absorption and emission of semiconductor nanaocrystals shift to the blue (higher energies) as the size of the particles gets smaller. This color tuning is well documented for CdSe nanocrystals whose absorption and emission covers almost the whole visible spectral range. As particle sizes become smaller the ratio of surface atoms to those in the interior increases, which has a strong impact on particle properties, too. Prominent examples are the low melting point [8] and size/shape dependent pressure resistance [10] of semiconductor nanocrystals. Given the size dependence of particle properties, chemists and material scientists now have the unique opportunity to change the electronic and chemical properties of a material by simply controlling the particle size. In particular, CdSe nanocrystals have been widely investigated. Mainly due to their size-dependent optoelectronic properties [11, 12] and flexible chemical processibility [13], they have played a distinguished role for a number of seminal studies [11, 12, 14, 15]. Potential technical applications have been discussed, too. [8, 16-27] Improvement of the optoelectronic properties of semiconductor nanocrystals is still a prominent research topic. One of the most important approaches is fabricating composite type-I core-shell structures which exhibit improved properties, making them attractive from both a fundamental and a practical point of view. Overcoating of nanocrystallites with higher band gap inorganic materials has been shown to increase the photoluminescence quantum yields by eliminating surface nonradiative recombination sites. [28] Particles passivated with inorganic shells are more robust than nanocrystals covered by organic ligands only and have greater tolerance to processing conditions necessary for incorporation into solid state structures or for other applications. Some examples of core-shell nanocrystals reported earlier include CdS on CdSe [29], CdSe on CdS, [30], ZnS on CdS, [31] ZnS on CdSe[28, 32], ZnSe on CdSe [33] and CdS/HgS/CdS [34]. The characterization and preparation of a new core-shell structure, CdSe nanocrystals overcoated by different shells (CdS, ZnS), is presented in chapter 4. Type-I core-shell structures as mentioned above greatly improve the photoluminescence quantum yield and chemical and photochemical stability of nanocrystals. The emission wavelengths of type-I core/shell nanocrystals typically only shows a small red-shift when compared to the plain core nanocrystals. [30, 31, 35] In contrast to type-I core-shell nanocrystals, only few studies have been conducted on colloidal type-II core/shell structures [36-38] which are characterized by a staggered alignment of conduction and valence bands giving rise to a broad tunability of absorption and emission wavelengths, as was shown for CdTe/CdSe core-shell nanocrystals. [36] The emission of type-II core/shell nanocrystals mainly originates from the radiative recombination of electron-hole pairs across the core-shell interface leading to a long photoluminescence lifetime. Type-II core/shell nanocrystals are promising with respect to photoconduction or photovoltaic applications as has been discussed in the literature.[39] Novel type-II core-shell structures with ZnTe cores are reported in chapter 5. The recent progress in the shape control of semiconductor nanocrystals opens new fields of applications. For instance, rod shaped CdSe nanocrystals can enhance the photo-electro conversion efficiency of photovoltaic cells, [40, 41] and also allow for polarized emission in light emitting diodes. [42, 43] Shape control of anisotropic nanocrystals can be achieved by the use of surfactants, [44, 45] regular or inverse micelles as regulating agents, [46, 47] electrochemical processes, [48] template-assisted [49, 50] and solution-liquid-solution (SLS) growth mechnism. [51-53] Recently, formation of various CdSe nanocrystal shapes has been reported by the groups of Alivisatos [54] and Peng, [55] respectively. Furthermore, it has been reported by the group of Prasad [56] that noble metal nanoparticles can induce anisotropic growth of CdSe nanocrystals at lower temperatures than typically used in other methods for preparing anisotropic CdSe structures. Although several approaches for anisotropic crystal growth have been reported by now, developing new synthetic methods for the shape control of colloidal semiconductor nanocrystals remains an important goal. Accordingly, we have attempted to utilize a crystal phase control approach for the controllable synthesis of colloidal ZnE/CdSe (E = S, Se, Te) heterostructures in a variety of morphologies. The complex heterostructures obtained are presented in chapter 6. The unique optical properties of nanocrystals make them appealing as in vivo and in vitro fluorophores in a variety of biological and chemical investigations, in which traditional fluorescence labels based on organic molecules fall short of providing long-term stability and simultaneous detection of multiple emission colours [References]. The ability to prepare water soluble nanocrystals with high stability and quantum yield has led to promising applications in cellular labeling, [57, 58] deep-tissue imaging, [59, 60] and assay labeling [61, 62]. Furthermore, appropriately solubilized nanocrystals have been used as donors in fluorescence resonance energy transfer (FRET) couples. [63-65] Despite recent progress, much work still needs to be done to achieve reproducible and robust surface functionalization and develop flexible (bio-) conjugation techniques. Based on multi-shell CdSe nanocrystals, several new solubilization and ligand exchange protocols have been developed which are presented in chapter 7. The organization of this thesis is as follows: A short overview describing synthesis and properties of CdSe nanocrystals is given in chapter 2. Chapter 3 is the experimental part providing some background information about the optical and analytical methods used in this thesis. The following chapters report the results of this work: synthesis and characterization of type-I multi-shell and type-II core/shell nanocrystals are described in chapter 4 and chapter 5, respectively. In chapter 6, a high–yield synthesis of various CdSe architectures by crystal phase control is reported. Experiments about surface modification of nanocrystals are described in chapter 7. At last, a short summary of the results is given in chapter 8.

Structuring of polymer surface by evaporation of sessile microdrops

In this thesis, we investigated the evaporation of sessile microdroplets on different solid substrates. Three major aspects were studied: the influence of surface hydrophilicity and heterogeneity on the evaporation dynamics for an insoluble solid substrate, the influence of external process parameters and intrinsic material properties on microstructuring of soluble polymer substrates and the influence of an increased area to volume ratio in a microfluidic capillary, when evaporation is hindered. In the first part, the evaporation dynamics of pure sessile water drops on smooth self-assembled monolayers (SAMs) of thiols or disulfides on gold on mica was studied. With increasing surface hydrophilicity the drop stayed pinned longer. Thus, the total evaporation time of a given initial drop volume was shorter, since the drop surface, through which the evaporation occurs, stays longer large. Usually, for a single drop the volume decreased linearly with t1.5, t being the evaporation time, for a diffusion-controlled evaporation process. However, when we measured the total evaporation time, ttot, for multiple droplets with different initial volumes, V0, we found a scaling of the form V0 = attotb. The more hydrophilic the substrate was, the more showed the scaling exponent a tendency to an increased value up to 1.6. This can be attributed to an increasing evaporation rate through a thin water layer in the vicinity of the drop. Under the assumption of a constant temperature at the substrate surface a cooling of the droplet and thus a decreased evaporation rate could be excluded as a reason for the different scaling exponent by simulations performed by F. Schönfeld at the IMM, Mainz. In contrast, for a hairy surface, made of dialkyldisulfide SAMs with different chain lengths and a 1:1 mixture of hydrophilic and hydrophobic end groups (hydroxy versus methyl group), the scaling exponent was found to be ~ 1.4. It increased to ~ 1.5 with increasing hydrophilicity. A reason for this observation can only be speculated: in the case of longer hydrophobic alkyl chains the formation of an air layer between substrate and surface might be favorable. Thus, the heat transport to the substrate might be reduced, leading to a stronger cooling and thus decreased evaporation rate. In the second part, the microstructuring of polystyrene surfaces by drops of toluene, a good solvent, was investigated. For this a novel deposition technique was developed, with which the drop can be deposited with a syringe. The polymer substrate is lying on a motorized table, which picks up the pendant drop by an upward motion until a liquid bridge is formed. A consecutive downward motion of the table after a variable delay, i.e. the contact time between drop and polymer, leads to the deposition of the droplet, which can evaporate. The resulting microstructure is investigated in dependence of the processes parameters, i.e. the approach and the retraction speed of the substrate and the delay between them, and in dependence of the intrinsic material properties, i.e. the molar mass and the type of the polymer/solvent system. The principal equivalence with the microstructuring by the ink-jet technique was demonstrated. For a high approach and retraction speed of 9 mm/s and no delay between them, a concave microtopology was observed. In agreement with the literature, this can be explained by a flow of solvent and the dissolved polymer to the rim of the pinned droplet, where polymer is accumulated. This effect is analogue to the well-known formation of ring-like stains after the evaporation of coffee drops (coffee-stain effect). With decreasing retraction speed down to 10 µm/s the resulting surface topology changes from concave to convex. This can be explained with the increasing dissolution of polymer into the solvent drop prior to the evaporation. If the polymer concentration is high enough, gelation occurs instead of a flow to the rim and the shape of the convex droplet is received. With increasing delay time from below 0 ms to 1s the depth of the concave microwells decreases from 4.6 µm to 3.2 µm. However, a convex surface topology could not be obtained, since for longer delay times the polymer sticks to the tip of the syringe. Thus, by changing the delay time a fine-tuning of the concave structure is accomplished, while by changing the retraction speed a principal change of the microtopolgy can be achieved. We attribute this to an additional flow inside the liquid bridge, which enhanced polymer dissolution. Even if the pendant drop is evaporating about 30 µm above the polymer surface without any contact (non-contact mode), concave structures were observed. Rim heights as high as 33 µm could be generated for exposure times of 20 min. The concave structure exclusively lay above the flat polymer surface outside the structure even after drying. This shows that toluene is taken up permanently. The increasing rim height, rh, with increasing exposure time to the solvent vapor obeys a diffusion law of rh = rh0  tn, with n in the range of 0.46 ~ 0.65. This hints at a non-Fickian swelling process. A detailed analysis showed that the rim height of the concave structure is modulated, unlike for the drop deposition. This is due to the local stress relaxation, which was initiated by the increasing toluene concentration in the extruded polymer surface. By altering the intrinsic material parameters i.e. the polymer molar mass and the polymer/solvent combination, several types of microstructures could be formed. With increasing molar mass from 20.9 kDa to 1.44 MDa the resulting microstructure changed from convex, to a structure with a dimple in the center, to concave, to finally an irregular structure. This observation can be explained if one assumes that the microstructuring is dominated by two opposing effects, a decreasing solubility with increasing polymer molar mass, but an increasing surface tension gradient leading to instabilities of Marangoni-type. Thus, a polymer with a low molar mass close or below the entanglement limit is subject to a high dissolution rate, which leads to fast gelation compared to the evaporation rate. This way a coffee-rim like effect is eliminated early and a convex structure results. For high molar masses the low dissolution rate and the low polymer diffusion might lead to increased surface tension gradients and a typical local pile-up of polymer is found. For intermediate polymer masses around 200 kDa, the dissolution and evaporation rate are comparable and the typical concave microtopology is found. This interpretation was supported by a quantitative estimation of the diffusion coefficient and the evaporation rate. For a different polymer/solvent system, polyethylmethacrylate (PEMA)/ethylacetate (EA), exclusively concave structures were found. Following the statements above this can be interpreted with a lower dissolution rate. At low molar masses the concentration of PEMA in EA most likely never reaches the gelation point. Thus, a concave instead of a convex structure occurs. At the end of this section, the optically properties of such microstructures for a potential application as microlenses are studied with laser scanning confocal microscopy. In the third part, the droplet was confined into a glass microcapillary to avoid evaporation. Since here, due to an increased area to volume ratio, the surface properties of the liquid and the solid walls became important, the influence of the surface hydrophilicity of the wall on the interfacial tension between two immiscible liquid slugs was investigated. For this a novel method for measuring the interfacial tension between the two liquids within the capillary was developed. This technique was demonstrated by measuring the interfacial tensions between slugs of pure water and standard solvents. For toluene, n-hexane and chloroform 36.2, 50.9 and 34.2 mN/m were measured at 20°C, which is in a good agreement with data from the literature. For a slug of hexane in contact with a slug of pure water containing ethanol in a concentration range between 0 and 70 (v/v %), a difference of up to 6 mN/m was found, when compared to commercial ring tensiometry. This discrepancy is still under debate.

Spectroscopic signatures from first principles calculations: from surface adsorbates to liquids and polymers

In dieser Arbeit werden drei wasserstoffverbrückte Systeme in der kondensierten Phase mit Hilfe von first-principles-Elektronenstruktur-Rechnungen untersucht, die auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT) unter periodischen Randbedingungen basieren. Ihre lokalen Konformationen und Wasserstoffbrückenbindungen werden mittels ab-initio Molekulardynamiksimulationen berechnet und weiterhin durch die Bestimmung ihrer spektroskopischen Parameter charakterisiert. Der Schwerpunkt liegt dabei auf lokalen Strukturen und auf schnellen Fluktuationen der Wasserstoffbrückenbindungen, welche von zentraler Bedeutung für die physikalischen und chemischen Eigenschaften der betrachteten Systeme sind. Die für die lokalen, instantanen Konformationen berechneten Spektren werden verwendet, um die physikalischen Prozesse, die hinter den untersuchten Phänomenen stehen, zu erklären: die Wasseradsorption auf metallischen Oberflächen, die Ionensolvatisierung in wässrigen Lösungen und der Protonentransport in protonleitenden Polymeren, welche Prototypen von Membranen für Brennstoffzellen sind. Die Möglichkeit der Vorhersage spektroskopischer Parameter eröffnet vielfältige Möglichkeiten des Dialogs zwischen Experimenten und numerischen Simulationen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass die Zuverlässigkeit dieser theoretischen Berechnungen inzwischen für viele experimentell relevante Systeme ein quantitatives Niveau erreicht hat.

Surface-plasmon optical and electrochemical characterization of biofunctional surface architectures

The development and characterization of biomolecule sensor formats based on the optical technique Surface Plasmon Resonance (SPR) Spectroscopy and electrochemical methods were investigated. The study can be divided into two parts of different scope. In the first part new novel detection schemes for labeled targets were developed on the basis of the investigations in Surface-plamon Field Enhanced Spectroscopy (SPFS). The first one is SPR fluorescence imaging formats, Surface-plamon Field Enhanced Fluorescence Microscopy (SPFM). Patterned self assembled monolayers (SAMs) were prepared and used to direct the spatial distribution of biomolecules immobilized on surfaces. Here the patterned monolayers would serve as molecular templates to secure different biomolecules to known locations on a surface. The binding processed of labeled target biomolecules from solution to sensor surface were visually and kinetically recorded by the fluorescence microscope, in which fluorescence was excited by the evanescent field of propagating plasmon surface polaritons. The second format which also originates from SPFS technique, Surface-plamon Field Enhanced Fluorescence Spectrometry (SPFSm), concerns the coupling of a fluorometry to normal SPR setup. A spectrograph mounted in place of photomultiplier or microscope can provide the information of fluorescence spectrum as well as fluorescence intensity. This study also firstly demonstrated the analytical combination of surface plasmon enhanced fluorescence detection with analyte tagged by semiconducting nano- crystals (QDs). Electrochemically addressable fabrication of DNA biosensor arrays in aqueous environment was also developed. An electrochemical method was introduced for the directed in-situ assembly of various specific oligonucleotide catcher probes onto different sensing elements of a multi-electrode array in the aqueous environment of a flow cell. Surface plasmon microscopy (SPM) is utilized for the on-line recording of the various functionalization steps. Hybridization reactions between targets from solution to the different surface-bound complementary probes are monitored by surface-plasmon field-enhanced fluorescence microscopy (SPFM) using targets that are either labeled with organic dyes or with semiconducting quantum dots for color-multiplexing. This study provides a new approach for the fabrication of (small) DNA arrays and the recording and quantitative evaluation of parallel hybridization reactions. In the second part of this work, the ideas of combining the SP optical and electrochemical characterization were extended to tethered bilayer lipid membrane (tBLM) format. Tethered bilayer lipid membranes provide a versatile model platform for the study of many membrane related processes. The thiolipids were firstly self-assembled on ultraflat gold substrates. Fusion of the monolayers with small unilamellar vesicles (SUVs) formed the distal layer and the membranes thus obtained have the sealing properties comparable to those of natural membranes. The fusion could be monitored optically by SPR as an increase in reflectivity (thickness) upon formation of the outer leaflet of the bilayer. With EIS, a drop in capacitance and a steady increase in resistance could be observed leading to a tightly sealing membrane with low leakage currents. The assembly of tBLMs and the subsequent incorporation of membrane proteins were investigated with respect to their potential use as a biosensing system. In the case of valinomycin the potassium transport mediated by the ion carrier could be shown by a decrease in resistance upon increasing potassium concentration. Potential mediation of membrane pores could be shown for the ion channel forming peptide alamethicin (Alm). It was shown that at high positive dc bias (cis negative) Alm channels stay at relatively low conductance levels and show higher permeability to potassium than to tetramethylammonium. The addition of inhibitor amiloride can partially block the Alm channels and results in increase of membrane resistance. tBLMs are robust and versatile model membrane architectures that can mimic certain properties of biological membranes. tBLMs with incorporated lipopolysaccharide (LPS) and lipid A mimicking bacteria membranes were used to probe the interactions of antibodies against LPS and to investigate the binding and incorporation of the small antimicrobial peptide V4. The influence of membrane composition and charge on the behavior of V4 was also probed. This study displays the possibility of using tBLM platform to record and valuate the efficiency or potency of numerous synthesized antimicrobial peptides as potential drug candidates.

Exploring physical processes related to past climate proxies: lake sediments and stable water isotopes

Proxy data are essential for the investigation of climate variability on time scales larger than the historical meteorological observation period. The potential value of a proxy depends on our ability to understand and quantify the physical processes that relate the corresponding climate parameter and the signal in the proxy archive. These processes can be explored under present-day conditions. In this thesis, both statistical and physical models are applied for their analysis, focusing on two specific types of proxies, lake sediment data and stable water isotopes.rnIn the first part of this work, the basis is established for statistically calibrating new proxies from lake sediments in western Germany. A comprehensive meteorological and hydrological data set is compiled and statistically analyzed. In this way, meteorological times series are identified that can be applied for the calibration of various climate proxies. A particular focus is laid on the investigation of extreme weather events, which have rarely been the objective of paleoclimate reconstructions so far. Subsequently, a concrete example of a proxy calibration is presented. Maxima in the quartz grain concentration from a lake sediment core are compared to recent windstorms. The latter are identified from the meteorological data with the help of a newly developed windstorm index, combining local measurements and reanalysis data. The statistical significance of the correlation between extreme windstorms and signals in the sediment is verified with the help of a Monte Carlo method. This correlation is fundamental for employing lake sediment data as a new proxy to reconstruct windstorm records of the geological past.rnThe second part of this thesis deals with the analysis and simulation of stable water isotopes in atmospheric vapor on daily time scales. In this way, a better understanding of the physical processes determining these isotope ratios can be obtained, which is an important prerequisite for the interpretation of isotope data from ice cores and the reconstruction of past temperature. In particular, the focus here is on the deuterium excess and its relation to the environmental conditions during evaporation of water from the ocean. As a basis for the diagnostic analysis and for evaluating the simulations, isotope measurements from Rehovot (Israel) are used, provided by the Weizmann Institute of Science. First, a Lagrangian moisture source diagnostic is employed in order to establish quantitative linkages between the measurements and the evaporation conditions of the vapor (and thus to calibrate the isotope signal). A strong negative correlation between relative humidity in the source regions and measured deuterium excess is found. On the contrary, sea surface temperature in the evaporation regions does not correlate well with deuterium excess. Although requiring confirmation by isotope data from different regions and longer time scales, this weak correlation might be of major importance for the reconstruction of moisture source temperatures from ice core data. Second, the Lagrangian source diagnostic is combined with a Craig-Gordon fractionation parameterization for the identified evaporation events in order to simulate the isotope ratios at Rehovot. In this way, the Craig-Gordon model can be directly evaluated with atmospheric isotope data, and better constraints for uncertain model parameters can be obtained. A comparison of the simulated deuterium excess with the measurements reveals that a much better agreement can be achieved using a wind speed independent formulation of the non-equilibrium fractionation factor instead of the classical parameterization introduced by Merlivat and Jouzel, which is widely applied in isotope GCMs. Finally, the first steps of the implementation of water isotope physics in the limited-area COSMO model are described, and an approach is outlined that allows to compare simulated isotope ratios to measurements in an event-based manner by using a water tagging technique. The good agreement between model results from several case studies and measurements at Rehovot demonstrates the applicability of the approach. Because the model can be run with high, potentially cloud-resolving spatial resolution, and because it contains sophisticated parameterizations of many atmospheric processes, a complete implementation of isotope physics will allow detailed, process-oriented studies of the complex variability of stable isotopes in atmospheric waters in future research.rn

Surface patterning with colloidal monolayers

This thesis focuses on the controlled assembly of monodisperse polymer colloids into ordered two-dimensional arrangements. These assemblies, commonly referred to as colloidal monolayers, are subsequently used as masks for the generation of arrays of complex metal nanostructures on solid substrates.rnThe motivation of the research presented here is twofold. First, monolayer crystallization methods were developed to simplify the assembly of colloids and to produce more complex arrangements of colloids in a precise way. Second, various approaches to colloidal lithography are designed with the aim to include novel features or functions to arrays of metal nanostructures.rnThe air/water interface was exploited for the crystallization of colloidal monolayer architectures as it combines a two-dimensional confinement with a high lateral mobility of the colloids that is beneficial for the creation of high long range order. A direct assembly of colloids is presented that provides a cheap, fast and conceptually simple methodology for the preparation of ordered colloidal monolayers. The produced two-dimensional crystals can be transformed into non-close-packed architectures by a plasma-induced size reduction step, thus providing valuable masks for more sophisticated lithographic processes. Finally, the controlled co-assembly of binary colloidal crystals with defined stoichiometries on a Langmuir trough is introduced and characterized with respect to accessible configurations and size ratios. rnSeveral approaches to lithography are presented that aim at introducing different features to colloidal lithography. First, using metal-complex containing latex particles, the synthesis of which is described as well, symmetric arrays of metal nanoparticles can be created by controlled combustion of the organic material of the colloids. The process does not feature an inherent limit in nanoparticle size and is able to produce complex materials as will be demonstrated for FePt alloy particles. Precise control over both size and spacing of the particle array is presented. rnSecond, two lithographic processes are introduced to create sophisticated nanoparticle dimer units consisting of two crescent shaped nanostructures in close proximity; essentially by using a single colloid as mask to generate two structures simultaneously. Strong coupling processes of the parental plasmon resonances of the two objects are observed that are accompanied by high near-field enhancements. A plasmon hybridization model is elaborated to explain all polarization dependent shifts of the resonance positions. Last, a technique to produce laterally patterned, ultra-flat substrates without surface topographies by embedding gold nanoparticles in a silicon dioxide matrix is applied to construct robust and re-usable sensing architectures and to introduce an approach for the nanoscale patterning of solid supported lipid bilayer membranes. rn

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.

Formation and surface exchange of nitrous acid

Die salpetrige Säure (HONO) ist eine der reaktiven Stickstoffkomponenten der Atmosphäre und Pedosphäre. Die genauen Bildungswege von HONO, sowie der gegenseitige Austausch von HONO zwischen Atmosphäre und Pedosphäre sind noch nicht vollständig aufgedeckt. Bei der HONO-Photolyse entsteht das Hydroxylradikal (OH) und Stickstoffmonooxid (NO), was die Bedeutsamkeit von HONO für die atmosphärische Photochemie widerspiegelt.rnUm die genannte Bildung von HONO im Boden und dessen anschließenden Austausch mit der Atmosphäre zu untersuchen, wurden Messungen von Bodenproben mit dynamischen Kammern durchgeführt. Im Labor gemessene Emissionsflüsse von Wasser, NO und HONO zeigen, dass die Emission von HONO in vergleichbarem Umfang und im gleichen Bodenfeuchtebereich wie die für NO (von 6.5 bis 56.0 % WHC) stattfindet. Die Höhe der HONO-Emissionsflüsse bei neutralen bis basischen pH-Werten und die Aktivierungsenergie der HONO-Emissionsflüsse führen zu der Annahme, dass die mikrobielle Nitrifikation die Hauptquelle für die HONO-Emission darstellt. Inhibierungsexperimente mit einer Bodenprobe und die Messung einer Reinkultur von Nitrosomonas europaea bestärkten diese Theorie. Als Schlussfolgerung wurde das konzeptionelle Model der Bodenemission verschiedener Stickstoffkomponenten in Abhängigkeit von dem Wasserhaushalt des Bodens für HONO erweitert.rnIn einem weiteren Versuch wurde zum Spülen der dynamischen Kammer Luft mit erhöhtem Mischungsverhältnis von HONO verwendet. Die Messung einer hervorragend charakterisierten Bodenprobe zeigte bidirektionale Flüsse von HONO. Somit können Böden nicht nur als HONO-Quelle, sondern auch je nach Bedingungen als effektive Senke dienen. rnAußerdem konnte gezeigt werden, dass das Verhältnis von HONO- zu NO-Emissionen mit dem pH-Wert des Bodens korreliert. Grund könnte die erhöhte Reaktivität von HONO bei niedrigem pH-Wert und die längere Aufenthaltsdauer von HONO verursacht durch reduzierte Gasdiffusion im Bodenporenraum sein, da ein niedriger pH-Wert mit erhöhter Bodenfeuchte am Maximum der Emission einhergeht. Es konnte gezeigt werden, dass die effektive Diffusion von Gasen im Bodenporenraum und die effektive Diffusion von Ionen in der Bodenlösung die HONO-Produktion und den Austausch von HONO mit der Atmosphäre begrenzen. rnErgänzend zu den Messungen im Labor wurde HONO während der Messkampagne HUMPPA-COPEC 2010 im borealen Nadelwald simultan in der Höhe von 1 m über dem Boden und 2 bis 3 m über dem Blätterdach gemessen. Die Budgetberechnungen für HONO zeigen, dass für HONO sämtliche bekannte Quellen und Senken in Bezug auf die übermächtige HONO-Photolyserate tagsüber vernachlässigbar sind (< 20%). Weder Bodenemissionen von HONO, noch die Photolyse von an Oberflächen adsorbierter Salpetersäure können die fehlende Quelle erklären. Die lichtinduzierte Reduktion von Stickstoffdioxid (NO2) an Oberflächen konnte nicht ausgeschlossen werden. Es zeigte sich jedoch, dass die fehlende Quelle stärker mit der HONO-Photolyserate korreliert als mit der entsprechenden Photolysefrequenz, die proportional zur Photolysefrequenz von NO2 ist. Somit lässt sich schlussfolgern, dass entweder die Photolyserate von HONO überschätzt wird oder dass immer noch eine unbekannte, HONO-Quelle existiert, die mit der Photolyserate sehr stark korreliert. rn rn

Imaging and modeling of pore scale processes in porous media using X-ray computed tomography and lattice Boltzmann solver

In der Erdöl– und Gasindustrie sind bildgebende Verfahren und Simulationen auf der Porenskala im Begriff Routineanwendungen zu werden. Ihr weiteres Potential lässt sich im Umweltbereich anwenden, wie z.B. für den Transport und Verbleib von Schadstoffen im Untergrund, die Speicherung von Kohlendioxid und dem natürlichen Abbau von Schadstoffen in Böden. Mit der Röntgen-Computertomografie (XCT) steht ein zerstörungsfreies 3D bildgebendes Verfahren zur Verfügung, das auch häufig für die Untersuchung der internen Struktur geologischer Proben herangezogen wird. Das erste Ziel dieser Dissertation war die Implementierung einer Bildverarbeitungstechnik, die die Strahlenaufhärtung der Röntgen-Computertomografie beseitigt und den Segmentierungsprozess dessen Daten vereinfacht. Das zweite Ziel dieser Arbeit untersuchte die kombinierten Effekte von Porenraumcharakteristika, Porentortuosität, sowie die Strömungssimulation und Transportmodellierung in Porenräumen mit der Gitter-Boltzmann-Methode. In einer zylindrischen geologischen Probe war die Position jeder Phase auf Grundlage der Beobachtung durch das Vorhandensein der Strahlenaufhärtung in den rekonstruierten Bildern, das eine radiale Funktion vom Probenrand zum Zentrum darstellt, extrahierbar und die unterschiedlichen Phasen ließen sich automatisch segmentieren. Weiterhin wurden Strahlungsaufhärtungeffekte von beliebig geformten Objekten durch einen Oberflächenanpassungsalgorithmus korrigiert. Die Methode der „least square support vector machine” (LSSVM) ist durch einen modularen Aufbau charakterisiert und ist sehr gut für die Erkennung und Klassifizierung von Mustern geeignet. Aus diesem Grund wurde die Methode der LSSVM als pixelbasierte Klassifikationsmethode implementiert. Dieser Algorithmus ist in der Lage komplexe geologische Proben korrekt zu klassifizieren, benötigt für den Fall aber längere Rechenzeiten, so dass mehrdimensionale Trainingsdatensätze verwendet werden müssen. Die Dynamik von den unmischbaren Phasen Luft und Wasser wird durch eine Kombination von Porenmorphologie und Gitter Boltzmann Methode für Drainage und Imbibition Prozessen in 3D Datensätzen von Böden, die durch synchrotron-basierte XCT gewonnen wurden, untersucht. Obwohl die Porenmorphologie eine einfache Methode ist Kugeln in den verfügbaren Porenraum einzupassen, kann sie dennoch die komplexe kapillare Hysterese als eine Funktion der Wassersättigung erklären. Eine Hysterese ist für den Kapillardruck und die hydraulische Leitfähigkeit beobachtet worden, welche durch die hauptsächlich verbundenen Porennetzwerke und der verfügbaren Porenraumgrößenverteilung verursacht sind. Die hydraulische Konduktivität ist eine Funktion des Wassersättigungslevels und wird mit einer makroskopischen Berechnung empirischer Modelle verglichen. Die Daten stimmen vor allem für hohe Wassersättigungen gut überein. Um die Gegenwart von Krankheitserregern im Grundwasser und Abwässern vorhersagen zu können, wurde in einem Bodenaggregat der Einfluss von Korngröße, Porengeometrie und Fluidflussgeschwindigkeit z.B. mit dem Mikroorganismus Escherichia coli studiert. Die asymmetrischen und langschweifigen Durchbruchskurven, besonders bei höheren Wassersättigungen, wurden durch dispersiven Transport aufgrund des verbundenen Porennetzwerks und durch die Heterogenität des Strömungsfeldes verursacht. Es wurde beobachtet, dass die biokolloidale Verweilzeit eine Funktion des Druckgradienten als auch der Kolloidgröße ist. Unsere Modellierungsergebnisse stimmen sehr gut mit den bereits veröffentlichten Daten überein.