The impact of ice crystals on radiative forcing and remote sensing of arctic boundary-layer mixed-phase clouds

This PhD thesis is embedded into the Arctic Study of Tropospheric Aerosol, Clouds and Radiation (ASTAR) and investigates the radiative transfer through Arctic boundary-layer mixed-phase (ABM) clouds. For this purpose airborne spectral solar radiation measurements and simulations of the solar and thermal infrared radiative transfer have been performed. This work reports on measurements with the Spectral Modular Airborne Radiation measurement sysTem (SMART-Albedometer) conducted in the framework of ASTAR in April 2007 close to Svalbard. For ASTAR the SMART-Albedometer was extended to measure spectral radiance. The development and calibration of the radiance measurements are described in this work. In combination with in situ measurements of cloud particle properties provided by the Laboratoire de M¶et¶eorologie Physique (LaMP) and simultaneous airborne lidar measurements by the Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research (AWI) ABM clouds were sampled. The SMART-Albedometer measurements were used to retrieve the cloud thermodynamic phase by three different approaches. A comparison of these results with the in situ and lidar measurements is presented in two case studies. Beside the dominating mixed-phase clouds pure ice clouds were found in cloud gaps and at the edge of a large cloud field. Furthermore the vertical distribution of ice crystals within ABM clouds was investigated. It was found that ice crystals at cloud top are necessary to describe the observed SMART-Albedometer measurements. The impact of ice crystals on the radiative forcing of ABM clouds is in vestigated by extensive radiative transfer simulations. The solar and net radiative forcing was found to depend on the ice crystal size, shape and the mixing ratio of ice crystals and liquid water droplets.

Functional polymer coatings — My-Patterning and My-Analysis

In dieser Arbeit werden Strukturen beschrieben, die mit Polymeren auf Oberflächen erzeugt wurden. Die Anwendungen reichen von PMMA und PNIPAM Polymerbürsten, über die Restrukturierung von Polystyrol durch Lösemittel bis zu 3D-Strukturen, die aus PAH/ PSS Polyelektrolytmultischichten bestehen. Im ersten Teil werden Polymethylmethacrylat (PMMA) Bürsten in der ionischen Flüssigkeit 1-Butyl-3-Methylimidazolium Hexafluorophospat ([Bmim][PF6]) durch kontrollierte radikalische Polymerisation (ATRP) hergestellt. Kinetische Untersuchungen zeigten ein lineares und dichtes Bürstenwachstum mit einer Wachstumsrate von 4600 g/mol pro nm. Die durchschnittliche Pfropfdichte betrug 0.36 µmol/m2. Als Anwendung wurden Mikrotropfen bestehend aus der ionischen Flüssigkeit, Dimethylformamid und dem ATRP-Katalysator benutzt, um in einer definierten Geometrie Polymerbürsten auf Silizium aufzubringen. Auf diese Weise lässt sich eine bis zu 13 nm dicke Beschichtung erzeugen. Dieses Konzept ist durch die Verdampfung des Monomers Methylmethacrylat (MMA) limitiert. Aus einem 1 µl großen Tropfen aus ionischer Flüssigkeit und MMA (1:1) verdampft MMA innerhalb von 100 s. Daher wurde das Monomer sequentiell zugegeben. Der zweite Teil konzentriert sich auf die Strukturierung von Oberflächen mit Hilfe einer neuen Methode: Tintendruck. Ein piezoelektrisch betriebenes „Drop-on-Demand“ Drucksystem wurde verwendet, um Polystyrol mit 0,4 nl Tropfen aus Toluol zu strukturieren. Die auf diese Art und Weise gebildeten Mikrokrater können Anwendung als Mikrolinsen finden. Die Brennweite der Mikrolinsen kann über die Anzahl an Tropfen, die für die Strukturierung verwendet werden, eingestellt werden. Theoretisch und experimentell wurde die Brennweite im Bereich von 4,5 mm bis 0,21 mm ermittelt. Der zweite Strukturierungsprozess nutzt die Polyelektrolyte Polyvinylamin-Hydrochlorid (PAH) und Polystyrolsulfonat (PSS), um 3D-Strukturen wie z.B. Linien, Schachbretter, Ringe, Stapel mit einer Schicht für Schicht Methode herzustellen. Die Schichtdicke für eine Doppelschicht (DS) liegt im Bereich von 0.6 bis 1.1 nm, wenn NaCl als Elektrolyt mit einer Konzentration von 0,5 mol/l eingesetzt wird. Die Breite der Strukturen beträgt im Mittel 230 µm. Der Prozess wurde erweitert, um Nanomechanische Cantilever Sensoren (NCS) zu beschichten. Auf einem Array bestehend aus acht Cantilevern wurden je zwei Cantilever mit fünf Doppelschichten PAH/ PSS und je zwei Cantilever mit zehn Doppelschichten PAH/ PSS schnell und reproduzierbar beschichtet. Die Massenänderung für die individuellen Cantilever war 0,55 ng für fünf Doppelschichten und 1,08 ng für zehn Doppelschichten. Der daraus resultierende Sensor wurde einer Umgebung mit definierter Luftfeuchtigkeit ausgesetzt. Die Cantilever verbiegen sich durch die Ausdehnung der Beschichtung, da Wasser in das Polymer diffundiert. Eine maximale Verbiegung von 442 nm bei 80% Luftfeuchtigkeit wurde für die mit zehn Doppelschichten beschichteten Cantilever gefunden. Dies entspricht einer Wasseraufnahme von 35%. Zusätzlich konnte aus den Verbiegungsdaten geschlossen werden, dass die Elastizität der Polyelektrolytmultischichten zunimmt, wenn das Polymer gequollen ist. Das thermische Verhalten in Wasser wurde im nächsten Teil an nanomechanischen Cantilever Sensoren, die mit Poly(N-isopropylacrylamid)bürsten (PNIPAM) und plasmapolymerisiertem N,N-Diethylacrylamid beschichtet waren, untersucht. Die Verbiegung des Cantilevers zeigte zwei Bereiche: Bei Temperaturen kleiner der niedrigsten kritischen Temperatur (LCST) ist die Verbiegung durch die Dehydration der Polymerschicht dominiert und bei Temperaturen größer der niedrigsten kritischen Temperatur (LCST) reagiert der Cantilever Sensor überwiegend auf Relaxationsprozesse innerhalb der kollabierten Polymerschicht. Es wurde gefunden, dass das Minimum in der differentiellen Verbiegung mit der niedrigsten kritischen Temperatur von 32°C und 44°C der ausgewählten Polymeren übereinstimmt. Im letzten Teil der Arbeit wurden µ-Reflektivitäts- und µ-GISAXS Experimente eingeführt als neue Methoden, um mikrostrukturierte Proben wie NCS oder PEM Linien mit Röntgenstreuung zu untersuchen. Die Dicke von jedem individuell mit PMMA Bürsten beschichtetem NCS ist im Bereich von 32,9 bis 35,2 nm, was mit Hilfe von µ-Reflektivitätsmessungen bestimmt wurde. Dieses Ergebnis kann mit abbildender Ellipsometrie als komplementäre Methode mit einer maximalen Abweichung von 7% bestätigt werden. Als zweites Beispiel wurde eine gedruckte Polyelektrolytmultischicht aus PAH/PSS untersucht. Die Herstellungsprozedur wurde so modifiziert, dass Goldnanopartikel in die Schichtstruktur eingebracht wurden. Durch Auswertung eines µ-GISAXS Experiments konnte der Einbau der Partikel identifiziert werden. Durch eine Anpassung mit einem Unified Fit Modell wurde herausgefunden, dass die Partikel nicht agglomeriert sind und von einer Polymermatrix umgeben sind.

Structural characterisation of tBLMs

Biological membranes are one of the vital key elements of life but are also highly complex architectures. Therefore, various model membrane systems have been developed to enable systematic investigations of different membrane related processes. A biomimetic model architecture should provide a simplified system, which allows for systematic investigation of the membrane while maintaining the essential membrane characteristics such as membrane fluidity or electrical sealing properties. This work has been focused on two complementary parts. In a first part, the behaviour of the whey protein ß-lactoglobulin (ßlg) at a membrane interface has been investigated. Protein-lipid interactions have been studied using Langmuir monolayers at the air-water interface and tethered bilayer lipid membranes. A combination of different surface analytical techniques such as surface plasmon spectroscopy, neutron reflectivity and electrochemical techniques allowed for a detailed analysis of the underlying processes. Those experiments showed that the protein adsorbed in native confirmation, slightly flattened, to hydrophobic monolayers. If hydrophilic bilayers with defects were present, ßlg penetrated the upper layer. Interactions with phospholipids were only observed if the protein was denatured beforehand. Experiments at the air-water interface showed a more rigid conformation of the protein at acidic pH compared to alkaline pH. In the second part of this work, the structure of different model membrane systems has been investigated. Solid supported membrane systems have been established as powerful biomimetic architectures, which allow for the systematic investigation of various membrane related processes. Additionally, these systems have been proposed for biosensing applications. Tethered bilayer lipid membranes (tBLMS) are one type of solid supported membranes. The structure of the anchor lipid that tethers the membrane to the solid support has a significant impact on the membrane properties. Especially the sub-membrane part, which is defined by the spacer group, is important for the biological activity of incorporated membrane proteins. Various anchor lipids have been synthesised with different spacer and anchor groups. An increase of the spacer length led to a direct increase of the water reservoir beneath the membrane. However, this elongation also resulted in an amplified roughness of the monolayer and subsequently to diminished mechanical and electrical bilayer qualities. Additionally, a cholesterol-spacer had been designed to modulate the membrane fluidity. Model membrane systems with additional cholesterol-spacer or upper bilayer leaflets with additional cholesterol also exhibited an increased water reservoir with only slightly diminished mechanical and electrical abilities. Both parts show that tBLMs are very effective model systems that can be applied as biomimetic platforms to study for example lipid-protein interactions. They also enable the incorporation of ion channels and allow for potential biosensing application.

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

Hydrophobe und hydrophile Beladung polymerer Vesikel

Polymere Vesikel, gebildet durch Selbstorganisation des amphiphilen Blockcopolymers Polybutadien-b-Polyethylenoxid in Wasser, wurden in der vorliegenden Arbeit erfolgreich mit hydrophoben und hydrophilen Substraten beladen und detailliert charakterisiert. Über verschiedene Präparationsmethoden sind unilamellare PB130-PEO66-Vesikel unterschiedlicher Größen und Verteilungsbreiten zugänglich, die aber alle eine konstante hydrophobe Schalendicke von etwa 15nm aufweisen, wie aus TEM-Messungen hervorgeht. Die hydrophoben Farbstoffe Oil Red EGN, Oil Blue N, Nilrot sowie ein Perylen-Derivat wurden in diese hydrophobe Schale eingelagert. Durch Absorptions-, Emissions-, (cryo)TEM- und Fluoreszenzmikroskopie-Messungen konnte gezeigt werden, dass die selbstorganisierte Struktur durch die Einlagerung der hydrophoben Farbstoffe in die Schale nicht beeinflusst wird. Als zusätzliche hydrophobe Modell-Substrate wurden Halbleiter-Nanokristalle, sogenannte Quantum Dots (QDs, d=5.7nm), erfolgreich in die polymere Vesikelschale eingelagert und durch Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) in Kombination mit dynamischer Lichtstreuung (DLS) nachgewiesen. Die Position der QDs in der Mitte der polymeren Doppelmembran konnte durch cryogene TEM-Abbildungen aufgezeigt werden. Darüber hinaus wurde die hydrophile Beladung des Vesikelkerns mit dem wasserlöslichen Farbstoff Phloxin B erfolgreich realisiert.

Reaktivität von Dihypersilylhalogenorganylplumbanen

Organylhalogenide RX reagieren formal gemäß einer oxidativen 1,1-Addition mit Dihypersilylplumbylen) PbHyp2 zu Dihypersilyl-halogenorganylplumbanen PbHyp2RX. Diese Umsetzung gelingt mit nahezu allen untersuchten Organylresten, lediglich beispielsweise der Mesitylrest erweist sich als zu sperrig (R = Me, Et, nPr, iPr, tBu, Hx, cHx, Ad, Ph, C6F5, oTo, mTo, pTo, Naph, Anthr).rnrnFür einige Halogenorganyle wird eine analoge Addition auch an das zinnhomologe Dihypersilylstannylen beschrieben.rnrnDie untersuchten Addukte sind thermisch und gegenüber UV-Strahlung, Sauerstoff und Wasser deutlich weniger empfindlich als vergleichbare andere blei- und zinnorganische Verbindungen.rnrnUmfangreiche NMR-Datensätze beschreiben eine markante Hoch-feldverschiebung der Hypersilylprotonen beim Übergang von PbHyp2 hin zu PbHyp2RX, die für Arylreste stärker ausfällt als für Alkylreste.rnrnEin Großteil der Addukte wurde einkristallin erhalten und wird anhand der röntgendiffraktometrisch ermittelten Strukturparameter detailliert charakterisiert. rnrnEs finden sich gegenüber dem idealen Tetraderwinkel auffällig stark aufgeweitete Si Pb Si-Winkel von 130-143°, während die anderen Winkel mehrheitlich unter dem theoretischen Idealwert bleiben (Si Pb X: 94 103°; Si Pb C: 98-112°; C Pb X: 95-103°). Insbesondere größere, weichere Reste und planare Arylplumbane rücken näher an das Halogen heran.rnDie insgesamt recht hohen Blei-Halogen-Abstände nehmen von den Chloriden hin zu den Iodiden zu. Die Iodoplumbane zeigen dabei generell die kleinsten Pb Si und die größten Pb C Abstände. Alkylplumbane weisen längere Pb C Bindungen auf als ansonsten vergleichbare Arylplumbane.rnrnViele der gefundenen Molekülstrukturen zeigen Anzeichen hoher sterischer Spannung in Form von Substituentenverzerrungen. rnrnDie Bildungsgeschwindigkeit der Addukte ist auch bei tiefen Temperaturen hoch. Sie nimmt von X = Cl über Br hin zu I zu und ist für Alkylreste höher als für Aryle. Die Zerfallsgeschwindigkeiten verhalten sich genau entgegengesetzt. Bei den Thermolysen wird regelmäßig Hypersilylhalogenid eliminiert. Dabei entstehen in Abwesenheit koordinierender Solventien Dihypersilyl-diorganylplumbane PbHyp2R2.rnAndere, unbekannte Zerfallskanäle führen zu unerwarteten Produkten, wie dem Iodonium-verbrückten, cyclischen Tetraplumbetan Pb4I(C6F5)Hyp3.rnrnIn Anwesenheit von Lewis-Basen hingegen können sich hetero-leptische Plumbylene bilden, wie am Beispiel eines Bitolyldiylbisplumbylens gezeigt wird. Dieses zeigt auch, dass prinzipiell eine zweifache Addition von Dihalogenorganylen an zwei Äqui-valente Dihypersilylplumbylen möglich ist. Entsprechende Untersuchungen beschäftigen sich ausführlich mit dafür geeigneten und ungeeigneten Organdiylresten.rnrnUnter günstigen reduktiven Bedingungen lassen sich mittels Metal-lierungsreagenz aus den Dihypersilylhalogenorganylplumbanen unter Halogenidentzug Plumbanide erhalten, die in Form getrennter Ionenpaare isolierbar sind. Diese lassen sich in Ana-logie zu den zuvor beschriebenen Plumbanen ebenfalls als Addukt aus Dihypersilylplumbylen und Lithiumorganylen darstellen.rnrnUnter geeigneten speziellen Bedingungen sind neben metallierten auch formal hydridierte Halogenplumbanide zugänglich.rnrnEntsprechend einer geringen Hybridisierung am zentralen Blei-atom, also eines hohen p-AO-Charakters der bindenden Molekülorbitale und s-AO-Charakters des LEP-Orbitals ergeben sich keine trigonal-planaren, sondern Strukturen mit Substituenten-winkeln sogar nahe bei 90°. Die Bindungslängen zum Blei sind deutlich größere als bei den entsprechenden Halogenplumbanen.rnrnEin besonderes Augenmerk der Arbeit liegt auf der Betrachtung von langlebigen und persistenten heteroleptischen Plumbyl-Radikalen, die durch milde Oxidation mittels PbNsi23) aus den Dihypersilylorganylplumbaniden erhalten werden. Während bislang nur homoleptische Vertreter bekannt waren, die aufgrund des sterischen Anspruchs der Substituenten und aufgrund von Hyperkonjugation von axialsymmetrischer nahezu planarer Geometrie sind, findet sich für die heteroleptischen Plumbyle dieser Arbeit eine stärker pyramidale Geometrie. Ausführlich diskutierte EPR-Experimente liefern Spektren, die gut mit Simulationen für die entsprechenden Radikale übereinstimmen.rnrnDie im Zentrum der Betrachtungen dieser Arbeit stehenden Dihypersilylhalogenorganylplumbane stellen somit einen aussichtsreichen und darüber hinaus persistenten und gut zu handhabenden Ausgangspunkt bei der Darstellung neuartiger und interessanter Spezies dar.

Massenspektrometrische Untersuchungen zur Aufklärung der Bildungsmechanismen von Oligomeren in sekundärem organischen Aerosol und zur Zusammensetzung von marinem Hintergrund-Aerosol

Diese Arbeit präsentiert Forschungsergebnisse der beiden wissenschaftlichen Projekte POLYSOA und OOMPH. Für das POLYSOA-Projekt, welches sich mit der Oligomerbildung in sekundären organischen Aerosolen befasst, wurden zwei Dicarbonylverbindungen bezüglich ihres Oligomerisationsverhaltens untersucht. Hierfür wurden zunächst verschiedene Herstellungsmethoden für die reinen, wasserfreien Monomere Glyoxal (Ethandial) und Methylglyoxal (2-Oxopropanal) erprobt. Diese wurden mit Reinstwasser umgesetzt und die Reaktionsprodukte massenspektrometrisch mittels Direktinfusion in ein ESI-MS untersucht. Es wurde bei den wässrigen Lösungen von Glyoxal eine starke Tendenz zur Oligomerbildung beobachtet. Die Zusammensetzung dieser Acetal-Oligomere wurde durch MS2-Experimente analysiert. Methylglyoxal bildete bei den durchgeführten Experimenten ebenfalls bei der Reaktion mit Wasser Oligomere. Zum Ausschluss, dass es sich bei den mittels ESI-MS gemessenen Oligomer-Ionen nicht um Ionenquellenartefakte handelte, wurde eine HPLC-Trennung vorgenommen. Diese Experimente ergaben, dass es sich nicht um Artefakte handelt. Als Teil des OOMPH-Projekts wurden mit einem Aerodyne-HRToF-AMS Messungen an Bord des französischem Forschungsschiffes RV Marion Dufresne durchgeführt. Um detaillierte Informationen über die hierbei im organischen Aerosol enthaltenen Moleküle zu erhalten wurde eine neue Methode entwickelt. Es wurde eine Ionenliste erstellt, die mögliche Fragment-Ionen sowie deren exakte Masse enthält. Reihen von homologen Ionen wurden in Gruppen zusammengefasst. Ein selbstentwickelter Algorithmus berechnet die Signalanteile der einzelnen Ionen aus der Ionenliste am Gesamtsignal. Die erhaltenen einzelnen Signalanteile wurden entsprechend den Ionengruppen zusammengefasst. Hieraus können Informationen über die im Aerosol enthaltenen Molekülbausteine erhalten werden. Im OOMPH-Datensatz konnten so Aerosole verschiedener chemischer Zusammensetzung unterschieden werden. Ein Rückschluss auf einzelne Moleküle kann jedoch nicht gezogen werden.

Biomimetic bilayer membranes made from polymers and lipids

Amphiphile Blockcopolymere sind in der Lage in Wasser Morphologien auszubilden, die analog sind zur hydrophil-hydrophob-hydrophil-Struktur von natürlichen Lipiddoppelschichten. In dieser Arbeit wird zum ersten Mal die Präparation und Charakterisierung von oberflächengestützten Polymerdoppelschichten aus Polybutadien-b-Polyethylenoxid (PB-PEO) beschrieben. Für die Herstellung dieser Strukturen wurden zwei unterschiedliche Präparationsstrategien verfolgt. Der erste Weg besteht aus einer zweistufigen Methode, bei der im ersten Schritt organisierte Monoschichten mittels Langmuir-Blodgett-Transfer auf Gold übertragen und kovalent angebunden werden. Im zweiten Schritt werden hydrophobe Wechselwirkungen ausgenutzt, um über Langmuir-Schaefer-Transfer eine weitere Schicht aufzubringen. Somit wurden homogene Architekturen erzeugt, die oberflächengestützten Lipiddoppelschichten gleichen. Als alternativer, einstufiger Ansatz zur Herstellung von Polymerdoppelschichten wurde das Spreiten von Polymervesikeln auf Gold verfolgt. Auch hierdurch ließen sich Doppelschichtstrukturen mit einer vollständigen Oberflächenbedeckung erzeugen. Die hergestellten Polymerdoppelschichten besitzen eine Dicke von 11-14 nm, die von der Präparationsmethode abhängt. Die Polymerstrukturen weisen bei Trocknung für 1.5 h eine Stabilität gegenüber Luft auf. Bei längeren Trocknungszeiten von ca. 12 h kommt es zu einer Reorganisation der Oberfläche. Dies deutet darauf hin, dass Wasser dazu notwendig ist die Strukturen auf lange Sicht zu stabilisieren. Um die Biokompatibilität der Polymerschichten nachzuweisen, wurden die Wechselwirkungen mit dem membranaktiven Peptid Polymyxin B und dem Transmembranprotein α-Haemolysin gezeigt. Mobilität ist ein wichtiger Faktor für die korrekte Funktion vieler Transmembranproteine. Um die laterale Diffusionsdynamik innerhalb der künstlichen Strukturen zu untersuchen, wurde die Mobilität eines integralen Modellpeptids und von fluoreszierenden Membransonden gemessen. Es konnte mit einzelmolekülempfindlichen Techniken gezeigt werden, dass das α-helikale Peptid und die kleinen Fluoreszenzfarbstoffe frei im hydrophoben Kern der Polymerdoppelschicht diffundieren können. Die Diffusion von beiden Spezies scheint stark von der Fluidität der Polymermatrix beeinflusst zu sein. Ein weiterer Teil dieser Arbeit widmet sich der Entwicklung eines angemessenen, lipidbasierten Referenzsystems für zukünftige Proteinuntersuchungen. Hierzu wurde eine neue Methode zu Herstellung von peptidgestützten Lipiddoppelschichtmembranen entwickelt. Dies wurde durch kovalente Befestigung eines Thiopeptids an einen Goldfilm und darauffolgende Anbindung eines Lipids erreicht. Zur Ausbildung der Lipiddoppelschicht auf dem Lipopeptidunterbau wurder der Rapid Solvent Exchange verwendet. Die Ausbildung der Lipiddoppelschicht wurde sowohl auf microskopischer als auch auf makroskopischer Ebene nachgewiesen. Im letzten Schritt wurde die Anwendbarkeit des Modelsystems für elektrochemische Messungen durch den funktionalen Einbau des Ionentransporters Valinomycin unter Beweis gestellt.

Plasmons as sensors

“Plasmon” is a synonym for collective oscillations of the conduction electrons in a metal nanoparticle (excited by an incoming light wave), which cause strong optical responses like efficient light scattering. The scattering cross-section with respect to the light wavelength depends not only on material, size and shape of the nanoparticle, but also on the refractive index of the embedding medium. For this reason, plasmonic nanoparticles are interesting candidates for sensing applications. Here, two novel setups for rapid spectral investigations of single nanoparticles and different sensing experiments are presented.rnrnPrecisely, the novel setups are based on an optical microscope operated in darkfield modus. For the fast single particle spectroscopy (fastSPS) setup, the entrance pinhole of a coupled spectrometer is replaced by a liquid crystal device (LCD) acting as spatially addressable electronic shutter. This improvement allows the automatic and continuous investigation of several particles in parallel for the first time. The second novel setup (RotPOL) usesrna rotating wedge-shaped polarizer and encodes the full polarization information of each particle within one image, which reveals the symmetry of the particles and their plasmon modes. Both setups are used to observe nanoparticle growth in situ on a single-particle level to extract quantitative data on nanoparticle growth.rnrnUsing the fastSPS setup, I investigate the membrane coating of gold nanorods in aqueous solution and show unequivocally the subsequent detection of protein binding to the membrane. This binding process leads to a spectral shift of the particles resonance due to the higher refractive index of the protein compared to water. Hence, the nanosized addressable sensor platform allows for local analysis of protein interactions with biological membranes as a function of the lateral composition of phase separated membranes.rnrnThe sensitivity on changes in the environmental refractive index depends on the particles’ aspect ratio. On the basis of simulations and experiments, I could present the existence of an optimal aspect ratio range between 3 and 4 for gold nanorods for sensing applications. A further sensitivity increase can only be reached by chemical modifications of the gold nanorods. This can be achieved by synthesizing an additional porous gold cage around the nanorods, resulting in a plasmon sensitivity raise of up to 50 % for those “nanorattles” compared to gold nanorods with the same resonance wavelength. Another possibility isrnto coat the gold nanorods with a thin silver shell. This reduces the single particle’s resonance spectral linewidth about 30 %, which enlarges the resolution of the observable shift. rnrnThis silver coating evokes the interesting effect of reducing the ensemble plasmon linewidth by changing the relation connecting particle shape and plasmon resonance wavelength. This change, I term plasmonic focusing, leads to less variation of resonance wavelengths for the same particle size distribution, which I show experimentally and theoretically.rnrnIn a system of two coupled nanoparticles, the plasmon modes of the transversal and longitudinal axis depend on the refractive index of the environmental solution, but only the latter one is influenced by the interparticle distance. I show that monitoring both modes provides a self-calibrating system, where interparticle distance variations and changes of the environmental refractive index can be determined with high precision.

Bedeutung der synovialen Strukturqualität für die Ernährung des Chondrozyten

In dieser Arbeit wird eine Einteilung der degenerativen strukturellen Veränderungen der Synovialmembran vorgestellt. Anhand der Kriterien Fibrosierung des Stromas, Rückgang des Gefäßnetzes, Auftreten von Hyalinose und chondroider Metaplasie mit und ohne Nachweis von CPPD Kristallen wurden Präparate der Synovialmembran von 59 Patienten mit Nachweis degenerativer strukturellen Veränderungen in 4 Stadien eingeteilt. rnHyalinose (Stadium 3) konnte in den untersuchten Schnitten nur relativ selten beobachtet werden, so dass am ehesten von einem Vorstadium zur chondroiden Metaplasie auszugehen ist. rnDie Verteilung der Erkrankungsdauer und des Alters in den verschiedenen Stadien lassen darauf schließen, dass höhere Stadien mit höherem Alter und längerer Erkrankungsdauer korrelieren. rnAus der vorhandenen Literatur ergeben sich Hinweise, welche Faktoren zu der Entstehung der strukturellen Veränderungen beitragen können: rnAus dem Netzwerk der Zytokine scheinen TGF-beta und die BMP’s an der Zunahme der Fibrose und an der Entstehung chondroider Metaplasie beteiligt zu sein. Makrophagen scheinen dabei eine wichtige Rolle zu spielen. Dies weist darauf hin, dass entzündliche und strukturelle Veränderungen miteinander vernetzt sind. rnBei der Entstehung der chondroiden Metaplasie kommen zusätzlich mechanische Einflüsse in Form von zyklischen Kompressionen als Einflussfaktor in Frage. rnDie Regulierung der Angiogenese ist noch zu wenig verstanden, um den Gefäßrückgang bei fortgeschrittenen strukturellen Veränderungen zu erklären. Erklärungsansätze sind zum einen zunehmende mechanische Schädigung bei zunehmender Inkongruenz der Gelenkflächen. Zum anderen könnte eine beginnende chondroide Metaplasie mit Expression von Chondromodulin I eine entscheidende Rolle spielen. rnInsgesamt muss man davon ausgehen, dass die zunehmenden strukturellen Veränderungen die Ernährung des Knorpels erschweren. Dabei ist an erster Stelle der Rückgang des Gefäßnetzes zu nennen. Dies erschwert nicht nur die Versorgung mit Nährstoffen, sondern auch den Abtransport von Stoffwechselprodukten. Ab einem gewissen Punkt ist aber auch davon auszugehen, dass die Funktion der Deckzellschicht beeinträchtigt wird. Wenn die Konzentration der Hyaluronsäure in der Synovia dadurch sinkt, kann dies durch eine vermehrte Permeabilität der Synovialmembran zum verstärkten Ausstrom von Wasser aus der Gelenkhöhle führen. Durch ein Ödem des umliegenden Gewebes kann dadurch der Blutfluss im Bereich des Gelenks zusätzlich vermindert werden. rnAuch die zunehmende Fibrosierung der Synovialmembran kann einen Einfluss auf die Permeabilität der Synovialmembran haben. Ob und in welchen Stadien der Veränderungen das einen relevanten Einfluss für die Ernährung der Chondrozyten hat, ist noch unklar.rn

Functional hydrogels: ferrogel thin films

Die Kombination magnetischer Nanopartikel (NP) mit temperatursensitiven Polymeren führt zur Bildung neuer Komposit-Materialien mit interessanten Eigenschaften, die auf vielfältige Weise genutzt werden können. Mögliche Anwendungsgebiete liegen in der magnetischen Trennung, der selektiven Freisetzung von Medikamenten, dem Aufbau von Sensoren und Aktuatoren. Als Polymerkomponente können z.B. Hydrogele dienen. Die Geschwindigkeit der Quellgradänderung mittels externer Stimuli kann durch eine Reduzierung des Hydrogelvolumens erhöht werden, da das Quellen ein diffusionskontrollierter Prozess ist. rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde ein durch ultraviolettes Licht vernetzbares Hydrogel aus N-isopropylacrylamid, Methacrylsäure und dem Vernetzer 4-Benzoylphenylmethacrylat hergestellt (PNIPAAm-Hydrogel) und mit magnetischen Nanopartikeln aus Magnetit (Fe3O4) kombiniert. Dabei wurde die Temperatur- und die pH-Abhängigkeit des Quellgrades im Hinblick auf die Verwendung als nanomechanische Cantilever Sensoren (NCS) untersucht. Desweiteren erfolgte eine Charakterisierung durch Oberflächenplasmonen- und optischer Wellenleitermoden-Resonanz Spektroskopie (SPR/OWS). Die daraus erhaltenen Werte für den pKa-Wert und die lower critical solution Temperatur (LCST) stimmten mit den bekannten Literaturwerten überein. Es konnte gezeigt werden, dass eine stärkere Vernetzung zu einer geringeren LCST führt. Die Ergebnisse mittels NCS wiesen zudem auf einen skin-effect während des Heizens von höher vernetzten Polymeren hin.rnDie Magnetit Nanopartikel wurden ausgehend von Eisen(II)acetylacetonat über eine Hochtemperaturreaktion synthetisiert. Durch Variation der Reaktionstemperatur konnte die Größe der hergestellten Nanopartikel zwischen 3.5 und 20 nm mit einer Größenverteilung von 0.5-2.5 nm eingestellt werden. Durch geeignete Oberflächenfunktionalisierung konnten diese in Wasser stabilisiert werden. Dazu wurde nach zwei Strategien verfahren: Zum einen wurden die Nanopartikel mittels einer Silika-Schale funktionalisiert und zum anderen Zitronensäure als Tensid eingesetzt. Wasserstabilität ist vor allem für biologische Anwendungen wünschenswert. Die magnetischen Partikel wurden mit Hilfe von Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), und superconductive quantum interference device (SQUID) charakterisiert. Dabei wurde eine Größenabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften sowie superparamagnetisches Verhalten beobachtet. Außerdem wurde die Wärmeerzeugung der magnetischen Nanopartikel in einem AC Magnetfeld untersucht. rnDie Kombination beider Komponenten in Form eines Ferrogels wurde durch Mischen Benzophenon funktionalisierter magnetischer Nanopartikel mit Polymer erreicht. Durch Aufschleudern (Spin-Coaten) wurden dünne Filme erzeugt und diese im Hinblick auf ihr Verhalten in einem Magnetfeld untersucht. Dabei wurde eine geringes Plastikverhalten beobachtet. Die experimentellen Ergebnisse wurden anschließend mit theoretisch berechneten Erwartungswerten verglichen und mit den unterschiedlichen Werten für dreidimensionale Ferrogele in Zusammenhang gestellt. rn

Assessing the functional structure of molecular transporters by EPR spectroscopy

In this thesis, the self-assembled functional structure of a broad range of amphiphilic molecular transporters is studied. By employing paramagnetic probe molecules and ions, continuous-wave and pulse electron paramagnetic resonance spectroscopy reveal information about the local structure of these materials from the perspective of incorporated guest molecules. First, the transport function of human serum albumin for fatty acids is in the focus. As suggested by the crystal structure, the anchor points for the fatty acids are distributed asymmetrically in the protein. In contrast to the crystallographic findings, a remarkably symmetric entry point distribution of the fatty acid binding channels is found, which may facilitate the uptake and release of the guest molecules. Further, the metal binding of 1,2,3-triazole modified star-shaped cholic acid oligomers is studied. These biomimetic molecules are able to include and transport molecules in solvents of different polarity. A pre-arrangement of the triazole groups induces a strong chelate-like binding and close contact between guest molecule and metal ion. In absence of a preordering, each triazole moiety acts as a single entity and the binding affinity for metal ions is strongly decreased. Hydrogels based on N-isopropylacrylamide phase separate from water above a certain temperature. The macroscopic thermal collapse of these hydrogels is utilized as a tool for dynamic nuclear polarization. It is shown that a radical-free hyperpolarized solution can be achieved with a spin-labeled gel as separable matrix. On the nanoscale, these hydrogels form static heterogeneities in both structure and function. Collapsed regions protect the spin probes from a chemical decay while open, water-swollen regions act as catalytic centers. Similarly, thermoresponsive dendronized polymers form structural heterogeneities, which are, however, highly dynamic. At the critical temperature, they trigger the aggregation of the polymer into mesoglobules. The dehydration of these aggregates is a molecularly controlled non-equilibrium process that is facilitated by a hydrophobic dendritic core. Further, a slow heating rate results in a kinetically entrapped non-equilibrium state due to the formation of an impermeable dense polymeric layer at the periphery of the mesoglobule.

Variation of stable silicon isotopes: Analytical developments and applications in Precambrian geochemistry

Die vorliegende Dissertation behandelt die Gesamtgesteinsanalyse stabiler Siliziumisotope mit Hilfe einer „Multi Collector-ICP-MS“. Die Analysen fanden in Kooperation mit dem „Royal Museum for Central Africa“ in Belgien statt. Einer der Schwerpunkte des ersten Kapitels ist die erstmalige Analyse des δ30Si –Wertes an einem konventionellen Nu PlasmaTM „Multi-Collector ICP-MS“ Instrument, durch die Eliminierung der den 30Si “peak” überlagernden 14N16O Interferenz. Die Analyse von δ30Si wurde durch technische Modifikationen der Anlage erreicht, welche eine höherer Massenauflösung ermöglichten. Die sorgsame Charakterisierung eines adäquaten Referenzmaterials ist unabdingbar für die Abschätzung der Genauigkeit einer Messung. Die Bestimmung der „U.S. Geological Survey“ Referenzmaterialien bildet den zweiten Schwerpunkt dieses Kapitales. Die Analyse zweier hawaiianischer Standards (BHVO-1 and BHVO-2), belegt die präzise und genaue δ30Si Bestimmung und bietet Vergleichsdaten als Qualitätskontrolle für andere Labore. Das zweite Kapitel befasst sich mit kombinierter Silizium-/Sauerstoffisotope zur Untersuchung der Entstehung der Silizifizierung vulkanischer Gesteine des „Barberton Greenstone Belt“, Südafrika. Im Gegensatz zu heute, war die Silizifizierung der Oberflächennahen Schichten, einschließlich der „Chert“ Bildung, weitverbreitete Prozesse am präkambrischen Ozeanboden. Diese Horizonte sind Zeugen einer extremen Siliziummobilisierung in der Frühzeit der Erde. Dieses Kapitel behandelt die Analyse von Silizium- und Sauerstoffisotopen an drei unterschiedlichen Gesteinsprofilen mit unterschiedlich stark silizifizierten Basalten und überlagernden geschichteten „Cherts“ der 3.54, 3.45 und 3.33 Mill. Jr. alten Theespruit, Kromberg und Hooggenoeg Formationen. Siliziumisotope, Sauerstoffisotope und die SiO2-Gehalte demonstrieren in allen drei Gesteinsprofilen eine positive Korrelation mit dem Silizifizierungsgrad, jedoch mit unterschiedlichen Steigungen der δ30Si-δ18O-Verhältnisse. Meerwasser wird als Quelle des Siliziums für den Silizifizierungsprozess betrachtet. Berechnungen haben gezeigt, dass eine klassische Wasser-Gestein Wechselwirkung die Siliziumisotopenvariation nicht beeinflussen kann, da die Konzentration von Si im Meerwasser zu gering ist (49 ppm). Die Daten stimmen mit einer Zwei-Endglieder-Komponentenmischung überein, mit Basalt und „Chert“ als jeweilige Endglieder. Unsere gegenwärtigen Daten an den „Cherts“ bestätigen einen Anstieg der Isotopenzusammensetzung über der Zeit. Mögliche Faktoren, die für unterschiedliche Steigungen der δ30Si-δ18O Verhältnisse verantwortlich sein könnten sind Veränderungen in der Meerwasserisotopie, der Wassertemperatur oder sekundäre Alterationseffekte. Das letzte Kapitel beinhaltet potentielle Variationen in der Quellregion archaischer Granitoide: die Si-Isotopen Perspektive. Natriumhaltige Tonalit-Trondhjemit-Granodiorit (TTG) Intrusiva repräsentieren große Anteile der archaischen Kruste. Im Gegensatz dazu ist die heutige Kruste kaliumhaltiger (GMS-Gruppe: Granit-Monzonite-Syenite). Prozesse, die zu dem Wechsel von natriumhaltiger zu kaliumhaltiger Kruste führten sind die Thematik diesen Kapitels. Siliziumisotopenmessungen wurden hier kombiniert mit Haupt- und Spurenelementanalysen an unterschiedlichen Generationen der 3.55 bis 3.10 Mill. Yr. alten TTG und GMS Intrusiva aus dem Arbeitsgebiet. Die δ30Si-Werte in den unterschiedlichen Plutonit Generationen zeigen einen leichten Anstieg der Isotopie mit der Zeit, wobei natriumhaltige Intrusiva die niedrigste Si-Isotopenzusammensetzung aufweisen. Der leichte Anstieg in der Siliziumisotopenzusammensetzung über die Zeit könnte auf unterschiedliche Temperaturbedingungen in der Quellregion der Granitoide hinweisen. Die Entstehung von Na-reichen, leichten d30Si Granitoiden würde demnach bei höheren Temperaturen erfolgen. Die Ähnlichkeit der δ30Si-Werte in archaischen K-reichen Plutoniten und phanerozoischen K-reichen Plutoniten wird ebenfalls deutlich.

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

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

Morphology and charge transport in conjugated polymers

To assist rational compound design of organic semiconductors, two problems need to be addressed. First, the material morphology has to be known at an atomistic level. Second, with the morphology at hand, an appropriate charge transport model needs to be developed in order to link charge carrier mobility to structure.rnrnThe former can be addressed by generating atomistic morphologies using molecular dynamics simulations. However, the accessible range of time- and length-scales is limited. To overcome these limitations, systematic coarse-graining methods can be used. In the first part of the thesis, the Versatile Object-oriented Toolkit for Coarse-graining Applications is introduced, which provides a platform for the implementation of coarse-graining methods. Tools to perform Boltzmann inversion, iterative Boltzmann inversion, inverse Monte Carlo, and force-matching are available and have been tested on a set of model systems (water, methanol, propane and a single hexane chain). Advantages and problems of each specific method are discussed.rnrnIn partially disordered systems, the second issue is closely connected to constructing appropriate diabatic states between which charge transfer occurs. In the second part of the thesis, the description initially used for small conjugated molecules is extended to conjugated polymers. Here, charge transport is modeled by introducing conjugated segments on which charge carriers are localized. Inter-chain transport is then treated within a high temperature non-adiabatic Marcus theory while an adiabatic rate expression is used for intra-chain transport. The charge dynamics is simulated using the kinetic Monte Carlo method.rnrnThe entire framework is finally employed to establish a relation between the morphology and the charge mobility of the neutral and doped states of polypyrrole, a conjugated polymer. It is shown that for short oligomers, charge carrier mobility is insensitive to the orientational molecular ordering and is determined by the threshold transfer integral which connects percolating clusters of molecules that form interconnected networks. The value of this transfer integral can be related to the radial distribution function. Hence, charge mobility is mainly determined by the local molecular packing and is independent of the global morphology, at least in such a non-crystalline state of a polymer.