Revealing atomic-scale details in the force fields above carbonate surfaces

Diese Arbeit stellt eine ausführliche Studie fundamentaler Eigenschaften der Kalzit CaCO3(10.4) und verwandter Mineraloberflächen dar, welche nicht nur durch die Verwendung von Nichtkontakt Rasterkraftmikroskopie, sondern hauptsächlich durch die Messung von Kraftfeldern ermöglicht wurde. Die absolute Oberflächenorientierung sowie der hierfür zugrundeliegende Prozess auf atomarer Skala konnten erfolgreich für die Kalzit (10.4) Oberfläche identifiziert werden.rnDie Adsorption chiraler Moleküle auf Kalzit ist relevant im Bereich der Biomineralisation, was ein Verständnis der Oberflächensymmetrie unumgänglich macht. Die Messung des Oberflächenkraftfeldes auf atomarer Ebene ist hierfür ein zentraler Aspekt. Eine solche Kraftkarte beleuchtet nicht nur die für die Biomineralisation wichtige Wechselwirkung der Oberfläche mit Molekülen, sondern enthält auch die Möglichkeit, Prozesse auf atomarer Skala und damit Oberflächeneigenschaften zu identifizieren.rnDie Einführung eines höchst flexiblen Messprotokolls gewährleistet die zuverlässige und kommerziell nicht erhältliche Messung des Oberflächenkraftfeldes. Die Konversion der rohen ∆f Daten in die vertikale Kraft Fz ist jedoch kein trivialer Vorgang, insbesondere wenn Glätten der Daten in Frage kommt. Diese Arbeit beschreibt detailreich, wie Fz korrekt für die experimentellen Bedingungen dieser Arbeit berechnet werden können. Weiterhin ist beschrieben, wie Lateralkräfte Fy und Dissipation Γ erhalten wurden, um das volle Potential dieser Messmethode auszureizen.rnUm Prozesse auf atomarer Skala auf Oberflächen zu verstehen sind die kurzreichweitigen, chemischen Kräfte Fz,SR von größter Wichtigkeit. Langreichweitige Beiträge müssen hierzu an Fz angefittet und davon abgezogen werden. Dies ist jedoch eine fehleranfällige Aufgabe, die in dieser Arbeit dadurch gemeistert werden konnte, dass drei unabhängige Kriterien gefunden wurden, die den Beginn zcut von Fz,SR bestimmen, was für diese Aufgabe von zentraler Bedeutung ist. Eine ausführliche Fehleranalyse zeigt, dass als Kriterium die Abweichung der lateralen Kräfte voneinander vertrauenswürdige Fz,SR liefert. Dies ist das erste Mal, dass in einer Studie ein Kriterium für die Bestimmung von zcut gegeben werden konnte, vervollständigt mit einer detailreichen Fehleranalyse.rnMit der Kenntniss von Fz,SR und Fy war es möglich, eine der fundamentalen Eigenschaften der CaCO3(10.4) Oberfläche zu identifizieren: die absolute Oberflächenorientierung. Eine starke Verkippung der abgebildeten Objekte

Experiment in Quantization: Atomic Line Spectra

Laboratory exercises that confront students with decisive ouantum ohenomena nrovide valuable motivation for the kudy of quantum m&hanics. The idea that microscopic matter exists in quantized states can be demonstrated with modern versions of historic experiments: atomic line snectra. blackbodv radiation. and resonance potentials. In this experiment, we present a strikingly simple and visual method for determining the wavelength of spectral lines. This experiment not only shows the inadequacy of classical physics, but also indicates the power of optical measurements.

High-resolution imaging of 2D outer membrane protein F (OmpF) crystals by atomic force microscopy

In this chapter the methodological bases are provided to achieve subnanometer resolution on two-dimensional (2D) membrane protein crystals by atomic force microscopy (AFM). This is outlined in detail with the example of AFM studies of the outer membrane protein F (OmpF) from the bacterium Escherichia coli (E. coli). We describe in detail the high-resolution imaging of 2D OmpF crystals in aqueous solution and under near-physiological conditions. The topographs of OmpF, and stylus effects and artifacts encountered when imaging by AFM are discussed.

Atomic force microscopy for the study of membrane proteins

Fundamental biological processes such as cell-cell communication, signal transduction, molecular transport and energy conversion are performed by membrane proteins. These important proteins are studied best in their native environment, the lipid bilayer. The atomic force microscope (AFM) is the instrument of choice to determine the native surface structure, supramolecular organization, conformational changes and dynamics of membrane-embedded proteins under near-physiological conditions. In addition, membrane proteins are imaged at subnanometer resolution and at the single molecule level with the AFM. This review highlights the major advances and results achieved on reconstituted membrane proteins and native membranes as well as the recent developments of the AFM for imaging.

Cooperative and Noncooperative Assembly of Oligopyrenotides Resolved by Atomic Force Microscopy

The supramolecular assembly of amphiphilic oligopyrenotide building blocks (covalently linked heptapyrene, Py7) is studied by atomic force microscopy (AFM) in combination with optical spectroscopy. The assembly process is triggered in a controlled manner by increasing the ionic strength of the aqueous oligomer solution. Cooperative noncovalent interactions between individual oligomeric units lead to the formation of DNA-like supramolecular polymers. We also show that the terminal attachment of a single cytidine nucleotide to the heptapyrenotide (Py7-C) changes the association process from a cooperative (nucleation−elongation) to a noncooperative (isodesmic) regime, suggesting a structure misfit between the cytidine and the pyrene units. We also demonstrate that AFM enables the identification and characterization of minute concentrations of the supramolecular products, which was not accessible by conventional optical spectroscopy.