Working fluid selection and design of small-scale waste heat recovery systems based on organic Rankine cycles

Demand for the use of energy systems, entailing high efficiency as well as availability to harness renewable energy sources, is a key issue in order to tackling the threat of global warming and saving natural resources. Organic Rankine cycle (ORC) technology has been identified as one of the most promising technologies in recovering low-grade heat sources and in harnessing renewable energy sources that cannot be efficiently utilized by means of more conventional power systems. The ORC is based on the working principle of Rankine process, but an organic working fluid is adopted in the cycle instead of steam. This thesis presents numerical and experimental results of the study on the design of small-scale ORCs. Two main applications were selected for the thesis: waste heat re- covery from small-scale diesel engines concentrating on the utilization of the exhaust gas heat and waste heat recovery in large industrial-scale engine power plants considering the utilization of both the high and low temperature heat sources. The main objective of this work was to identify suitable working fluid candidates and to study the process and turbine design methods that can be applied when power plants based on the use of non-conventional working fluids are considered. The computational work included the use of thermodynamic analysis methods and turbine design methods that were based on the use of highly accurate fluid properties. In addition, the design and loss mechanisms in supersonic ORC turbines were studied by means of computational fluid dynamics. The results indicated that the design of ORC is highly influenced by the selection of the working fluid and cycle operational conditions. The results for the turbine designs in- dicated that the working fluid selection should not be based only on the thermodynamic analysis, but requires also considerations on the turbine design. The turbines tend to be fast rotating, entailing small blade heights at the turbine rotor inlet and highly supersonic flow in the turbine flow passages, especially when power systems with low power outputs are designed. The results indicated that the ORC is a potential solution in utilizing waste heat streams both at high and low temperatures and both in micro and larger scale appli- cations.

Räjähdyshitsausliitoksen tutkiminen

Työn taustalla on varioitunut sekaliitos Baltic Workboats AS:n aluksessa. Baltic Workboats AS käyttää aluksissaan terästä ja alumiinia, joiden liittäminen keskenään sulahitsauksella on todella hankalaa mm. materiaalien hyvin erilaisten ominaisuuksien vuoksi. Ratkaisuna teräksen ja alumiinin sovittamiseen keskenään yritys käyttää räjähdyshitsattua triplate-tankoa, mikä mahdollistaa sulahitsausprosessien käyttämisen toimien ”siltana” erimateriaalien välillä. Kandidaatintyön tavoitteena on selvittää käytetyn sekaliitoksen hajoamiseen johtaneet virheet, onko hajoamiseen johtanut virhe tapahtunut varsinaisessa räjähdyshitsausvaiheessa, vai onko sekaliitos vaurioitunut jälkeenpäin suoritetun sulahitsausvaiheen ”liian” suuresta lämmöntuonnista. Työ on rajattu käsittelemään räjähdyshitsauksen teoriaa ja siihen vaikuttavia tekijöitä. Työssä syvennytään tarkastelemaan vioittunutta liitosta, ja siihen liittyviä hieiden mikro- ja makrokuvia, sekä kovuuskokeita.

Experimental Studies on Non-Metallic Composite Bone Implants With a Special Reference to Staphylococcal Biofilm Infection

Non-metallic implants made of bioresorbable or biostable synthetic polymers are attractive options in many surgical procedures, ranging from bioresorbable suture anchors of arthroscopic surgery to reconstructive skull implants made of biostable fiber-reinforced composites. Among other benefits, non-metallic implants produce less interference in imaging. Bioresorbable polymer implants may be true multifunctional, serving as osteoconductive scaffolds and as matrices for simultaneous delivery of bone enhancement agents. As a major advantage for loading conditions, mechanical properties of biostable fiber-reinforced composites can be matched with those of the bone. Unsolved problems of these biomaterials are related to the risk of staphylococcal biofilm infections and to the low osteoconductivity of contemporary bioresorbable composite implants. This thesis was focused on the research and development of a multifunctional implant model with enhanced osteoconductivity and low susceptibility to infection. In addition, the experimental models for assessment, diagnostics and prophylaxis of biomaterial-related infections were established. The first experiment (Study I) established an in vitro method for simultaneous evaluation of calcium phosphate and biofilm formation on bisphenol-Aglycidyldimethacrylate and triethylenglycoldimethacrylate (BisGMA-TEGDMA) thermosets with different content of bioactive glass 45S5. The second experiment (Study II) showed no significant difference in osteointegration of nanostructured and microsized polylactide-co-glycolide/β-tricalcium phosphate (PLGA /β-TCP) composites in a minipig model. The third experiment (Study III) demonstrated that positron emission tomography (PET) imaging with the novel 68Ga labelled 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetic acid (DOTA) CD33 related sialic-acid immunoglobulin like lectins (Siglec-9) tracer was able to detect inflammatory response to S. epidermidis and S. aureus peri-implant infections in an intraosseous polytetrafluoroethylene catheter model. In the fourth experiment (Study IV), BisGMATEGDMA thermosets coated with lactose-modified chitosan (Chitlac) and silver nanoparticles exhibited antibacterial activity against S. aureus and P. aeruginosa strains in an in vitro biofilm model and showed in vivo biocompatibility in a minipig model. In the last experiment (Study V), a selective androgen modulator (SARM) released from a poly(lactide)-co-ε-caprolactone (PLCL) polymer matrix failed to produce a dose-dependent enhancement of peri-implant osteogenesis in a bone marrow ablation model.

Henkilö- ja talousriskin yhteys t&k-projektin onnistumiseen

Tämän pro gradu-tutkielman tarkoituksena oli tarkastella henkilö- ja talousriskin yhteyttä tutkimus- ja kehitysprojektin onnistumiseen. Tutkimus toteutettiin toimeksiantona Innovaatiorahoituskeskus Tekesille. Tutkielman teoreettisessa osuudessa tarkasteltiin t&k-projektien ja uuden tuotteen kehitysprojektien onnistumisen määritelmää sekä onnistumis- ja epäonnistumistekijöitä. Teoriaosuus pohjautui aikaisempaan tutkimukseen ja sen pohjalta oli tavoitteena muodostaa käsitys siitä, millaisiin tekijöihin projektin alkuvaiheessa kannattaa kiinnittää huomiota ja kuinka eri tekijät voivat ennakoida projektien onnistumista tai epäonnistumista. Tutkimuksen empiirinen osuus toteutettiin kvantitatiivisena tutkimuksena. Aineisto koostui 4755 mikro- ja pk-yritysten t&k-projektista. Empiirisen osuuden päätarkoituksena oli selvittää, onko projektin henkilö- ja talousriskitasolla vaikutusta siihen, kuinka hyvin projekti onnistuu. Tutkimuksessa selvitettiin myös riskien taustalla vaikuttavien tekijöiden yhteyttä projektin onnistumiseen ja tarkasteltiin yleisimpiä syitä projektien epäonnistumiseen. Tutkimuksen tuloksena havaittiin seuraavaa. Yleisimpiä syitä epäonnistuneisiin hankkeisiin olivat teknologiasyyt, muut syyt sekä henkilö- ja taloussyyt. Tarkasteltaessa talousriskin vaikutusta onnistumiseen hyödynnettiin kolmea erilaista onnistumisen mittaria. Tuloksena havaittiin, että talousriskitason merkittäväkään nousu ei vaikuttanut valtavasti siihen, kuinka hyvin projektit onnistuivat. Sillä, perustuiko kohonnut talousriski hakijan omaan rahoitukseen, ulkopuoliseen rahoitukseen, vai molempiin rahoituksen muotoihin ei ollut suurta vaikutusta projektin onnistumiseen. Hyvin pieni vaikutus näkyi siten, että parhaiten onnistuvien hankkeiden osuus oli hieman suurempi sellaisten hankkeiden joukossa, jossa riski hajaantui molempiin rahoituksen muotoihin. Henkilöriskitasolla havaittiin olevan hieman vaikutusta siihen, kuinka hyvin hanke onnistui, sillä korkeimmassa riskiluokassa havaittiin suhteellisesti enemmän epäonnistuneita projekteja kuin matalammissa riskiluokissa. Erot olivat kuitenkin maltillisia. Tutkimuksessa havaittiin lisäksi, että valittu onnistumisen mittari ja sen moniportaisuus vaikuttivat tulosten tulkintaan, joten on tärkeää tiedostaa, millaista onnistumista projektilla tavoitellaan.

Arduino-pohjainen OBD2-lukija SAE J1850 VPW protokollatuella

Kandidaatintyössä toteutetaan OBD2 (On-Board Diagnostics 2) -lukija ajoneuvon päästöjenhallintajärjestelmän diagnostiikkatiedoille yleiskäyttöisellä mikro-ohjaimella. Lukija tukee tiedonsiirtoprotokollana SAE J1850 VPW protokollaa. Mikro-ohjaimena on Atmel Corporationin AVR ATMega328. Työn tavoitteena on havainnoida vastaantulevia käytännön ongelmia ja haasteita mikro-ohjaimen käytöllä tiedonsiirtoprotokollan toteutukseen, ja verrata toteutettua järjestelmää kaupallisiin OBD2-lukijoihin. Työn johtopäätöksenä havaitaan mikro-ohjaimen suorituskyvyn rajoitteet ja sen tuomat toiminnan epävarmuustekijät. Työssä myös todetaan, että mikro-ohjain soveltuu tiedonsiirtoprotokollan toteutukseen kun rajoitteet otetaan huomioon. Kaupallisiin lukijoihin verrattuna yleiskäyttöiseen mikro-ohjaimeen perustuva toteutettu järjestelmä on kalliimpi ja toiminnoiltaan suppeampi. Mikro-ohjaimeen perustuva järjestelmä on kuitenkin muokattavissa ja laajennettavissa tarvittaessa, jolloin toteutukseen voidaan saada kaupallisista järjestelmistä mahdollisesti puuttuvia ominaisuuksia, kuten valmistajakohtaisia protokollia ja toimintoja, joita ei ole määritelty OBD2:ssa. Yhtenä esimerkkinä tällaisesta toiminnosta voi mainita ajoneuvoissa yleistyvän sähköisen käsijarrun säätöä ohjaavat komennot jarruhuoltoa varten.

Meditationes sancti evangelii 87

Arkit: A-B4.

Food webs in the era of molecular revolution – Like resolving the Gordian knot with a tricorder

Living nature consists of countless organisms, which are classified into millions of species. These species interact in many ways; for example predators when foraging on their prey, insect larvae consuming plants, and pathogenic bacteria drifting into humans. In addition, abiotic nature has a great initiative impact on life through many factors (including sunlight, ambient temperature, and water. In my thesis, I have studied interactions among different life forms in multifaceted ways. The webs of these interactions are commonly referred to as food webs, describing feeding relationships between species or energy transfer from one trophic level to another. These ecological interactions – whether they occur between species, between individuals, or between microorganisms within an individual – are among the greatest forces affecting natural communities. Relationships are tightly related to biological diversity, that is, species richness and abundances. A species is called a node in food web vocabulary, and its interactions to other species are called links. Generally, Artic food webs are considered to be loosely linked, simple structures. This conception roots into early modern food webs, where insects and other arthropods, for example, were clumped under one node. However, it has been shown that arthropods form the greatest part of diversity and biomass both in the tropics and in Arctic areas. Earlier challenges of revealing the role of insects and microorganisms in interactions webs have become possible with the help of recent advances in molecular techniques. In the first chapter, I studied the prey diversity of a common bat, Myotis daubentonii, in southwestern Finland. My results proved M. daubentonii being a versatile predator whose diet mainly consists of aquatic insects, such as chironomid midges. In the second chapter, I expanded the view to changes in seasonal and individual-based variation in the diet of M. daubentonii including the relationship between available and observed prey. I found out that chironomids remain the major prey group even though their abundance decreases in proportion to other insect groups. Diet varied a lot between individuals, although the differences were not statistically significant. The third chapter took the study to a large network in Greenland. I showed that Artic food webs are very complex when arthropods are taken into account. In the fourth chapter, I examined the bacterial flora of M. daubentonii and surveyed the zoonotic potential of these bacteria. I found Bartonella bacteria, of which one was described as a new species named after the locality of discovery. I have shown in my thesis that Myotis daubentonii as a predator links many insect species as well as terrestrial and aquatic environments. Moreover, I have exposed that Arctic food webs are complex structures comprising of many densely linked species. Finally, I demonstrated that the bacterial flora of bats includes several previously unknown species, some of which could possibly turn in to zoonosis. To summarize, molecular methods have untied several knots in biological research. I hope that this kind of increasing knowledge of the surrounding nature makes us further value all the life forms on earth.

Onko yrityksen taloudellisella tilalla vaikutusta Tekes-rahoitusta saaneen yrityksen menestymiseen

Tämän tutkielman tavoite on yrityksen tulevan menestymisen tai epäonnistumisen ennustaminen. Tutkimuksen kohteena ovat tutkimus ja kehitys rahoitusta vuosina 2007- 2012 Tekesiltä saaneet mikro- ja pk yritykset. Ennustusta pyrittiin tekemään näille yrityksille niiden rahoitusprojektien alkuhetkeltä (hakemushetki). Tutkimus toteutettiin toimeksiantona Tekesille ja se jatkaa aikaisempaa tutkielmaa, ”Onko projektin henkilöriskitasolla tai talousriskitasolla yhteyttä t&k- projektin onnistumiseen?”. Tämän tutkimuksen johtopäätös oli, ettei varsinkaan talousriskillä ja projektin onnistumisella ole yhteyttä ja sen vuoksi niistä tarvittiin lisää tietoa. Teoreettisessa osuudessa käsitellään yrityksen kasvua ja onnistumisen tai epäonnistumisen ennakointia. Teoria pohjautuu aiheen aikaisempaan kirjallisuuteen ja sen tarkoitus on pohjustaa tutkielmassa tehtyjä valintoja yrityksien menestymisen ennustamiseksi. Tutkimus on toteutettu kvantitatiivisena tutkimuksena. Aineisto koostuu 430 Tekesin t&k- rahoitusta saaneista mikro- ja pk yrityksistä. Empiirisen osuuden tarkoitus oli selvittää, voidaanko koko yrityksen, menestystä ennustaa, jotta rahoitus voidaan kohdistaa paremmin, eli selvittää minkälaisia yrityksiä tulisi rahoittaa, jotta rahoitus kohdistuisi menestyjille. Tämän lisäksi tutkimuksessa haluttiin löytää oikeat muuttujat, joiden avulla yrityksen menestymisen ennustaminen on mahdollista. Menestymisen haluttiin kuvaavan koko yrityksen liiketoiminnan menestymistä. Menestymisen mittariksi valittiin liikevaihdon kasvu ja tarkasteltavaksi ajanjaksoksi aika yrityksen t&k- projektin hakemusvaiheesta, kolmen vuoden päähän projektin päättymisestä. Yritykset jaettiin menestyjiin liikevaihdon kasvun mukaan, ja niistä luotiin neljä koria: “Huiput”, “Kasvut”, “Hiipujat” ja “Konkurssit” ja koreja lähdettiin tutkimaan erilaisten mittarien avulla. Valitut mittarit olivat Tekesin riskiarvio (talousriski, henkilöriski, kehitysriski ja markkinariski), tilinpäätöksen tunnusluvuista kannattavuuden, maksuvalmiuden ja vakavaraisuuden tunnusluvut (liikevoittoprosentti ja sijoitetun pääoman tuottoprosentti, quick ratio ja omavaraisuusaste), projektin omarahoitus (yrityksen hakemusvaiheessa ilmoittama muun rahoituksen lähde, joka voi olla vieraanpääoman ehtoista, oman pääomanehtoista tai tulorahoitusta), sekä muut mittarit (uutuusarvo, jalostusarvo, tuottavuus ja lainojen perimättäjättöhakemukset). Riippumattomuutta testattiin ristiintaulukoinnilla, khiin neliötestillä ja kontingenssikerroin C:n avulla omavaraisuusasteen tunnusluvun osalta yhdistämällä ”Huiput”, ”Kasvut” ja ”Hiipujat” yhteen kotiin ja vertaamalla niitä konkurssiin menneisiin yrityksiin. Lopuksi konkurssiennusteista testattiin pienille yrityksille tarkoitettua Laitisen yhdistelmälukua. Tutkimuksessa havaittiin seuraavaa. Parhaiten yrityksen tulevan kasvun tai konkurssin ennakoivat havainnot seuraavissa muuttujissa: onko hanke rahoitettu lainalla vai avustuksella sekä mikä yrityksen hakemusvaiheen omavaraisuusaste, omarahoitusosuus tai tuottavuus on. Yrityksen hyvä rahatilanne projektin hakemusvaiheessa ei ennusta yrityksen liikevaihdon kasvua. Täydellistä ennustetta kasvulle ei voida tehdä. Laitisen yhdistelmäluku koettiin heikoksi tunnusluvuksi konkurssia ennustettaessa. Tämän takia, sitä muokattiin eri tavoin parhaan mahdollisemman ennusteen saamiseksi. Paras lopputulos saatiin muuttamalla tunnusluvun kriittistä arvoa pienemmäksi.

Low-Cost Micromechanically Tunable Optical Devices: Strained Resonator Engineering, Technological Implementation and Characterization

The rapid growth of the optical communication branches and the enormous demand for more bandwidth require novel networks such as dense wavelength division multiplexing (DWDM). These networks enable higher bitrate transmission using the existing optical fibers. Micromechanically tunable optical microcavity devices like VCSELs, Fabry-Pérot filters and photodetectors are core components of these novel DWDM systems. Several air-gap based tunable devices were successfully implemented in the last years. Even though these concepts are very promising, two main disadvantages are still remaining. On the one hand, the high fabrication and integration cost and on the other hand the undesired adverse buckling of the suspended membranes. This thesis addresses these two problems and consists of two main parts: • PECVD dielectric material investigation and stress control resulting in membranes shape engineering. • Implementation and characterization of novel tunable optical devices with tailored shapes of the suspended membranes. For this purposes, low-cost PECVD technology is investigated and developed in detail. The macro- and microstress of silicon nitride and silicon dioxide are controlled over a wide range. Furthermore, the effect of stress on the optical and mechanical properties of the suspended membranes and on the microcavities is evaluated. Various membrane shapes (concave, convex and planar) with several radii of curvature are fabricated. Using this resonator shape engineering, microcavity devices such as non tunable and tunable Fabry-Pérot filters, VCSELs and PIN photodetectors are succesfully implemented. The fabricated Fabry-Pérot filters cover a spectral range of over 200nm and show resonance linewidths down to 1.5nm. By varying the stress distribution across the vertical direction within a DBR, the shape and the radius of curvature of the top membrane are explicitely tailored. By adjusting the incoming light beam waist to the curvature, the fundamental resonant mode is supported and the higher order ones are suppressed. For instance, a tunable VCSEL with 26 nm tuning range, 400µW maximal output power, 47nm free spectral range and over 57dB side mode suppresion ratio (SMSR) is demonstrated. Other technologies, such as introducing light emitting organic materials in microcavities are also investigated.

Spontane Strukturbildung in Mehrschichtsystemen unter Verwendung Molekularer Gläser

Den Schwerpunkt dieser Dissertation bildet zum einen die Entwicklung eines theoretischen Modells zur Beschreibung des Strukturbildungsprozesses in organisch/anorganischen Doppelschichtsystemen und zum anderen die Untersuchung der Übertragbarkeit dieser theoretisch gewonnenen Ergebnisse auf reale Systeme. Hierzu dienen systematische experimentelle Untersuchungen dieses Phänomens an einem Testsystem. Der Bereich der selbstorganisierenden Systeme ist von hohem wissenschaftlichen Interesse, erlaubt er doch die Realisierung von Strukturen, die nicht den Begrenzungen heutiger Techniken unterliegen, wie etwa der Beugung bei lithographischen Verfahren. Darüber hinaus liefert ein vertieftes Verständnis des Strukturbildungsprozesses auch eine Möglichkeit, im Falle entsprechender technischer Anwendungen Instabilitäten innerhalb der Schichtsysteme zu verhindern und somit einer Degradation der Bauteile entgegenzuwirken. Im theoretischen Teil der Arbeit konnte ein Modell im Rahmen der klassischen Elastizitätstheorie entwickelt werden, mit dessen Hilfe sich die Entstehung der Strukturen in Doppelschichtsystemen verstehen läßt. Der hier gefundene funktionale Zusammenhang zwischen der Periode der Strukturen und dem Verhältnis der Schichtdicken von organischer und anorganischer Schicht, wird durch die experimentellen Ergebnisse sehr gut bestätigt. Die Ergebnisse zeigen, daß es technologisch möglich ist, über die Vorgabe der Schichtdicke in einem Materialsystem die Periodizität der entstehenden Strukturen vorzugeben. Darüber hinaus liefert das vorgestellte Modell eine Stabilitätsbedingung für die Schichtsysteme, die es ermöglicht, zu jedem Zeitpunkt die dominierende Mode zu identifizieren. Ein Schwerpunkt der experimentellen Untersuchungen dieser Arbeit liegt auf der Strukturbildung innerhalb der Schichtsysteme. Das Testsystem wurde durch Aufbringen einer organischen Schicht - eines sog. Molekularen Glases - auf ein Glassubstrat realisiert, als Deckschicht diente eine Siliziumnitrid-Schicht. Es wurden Proben mit variierenden Schichtdicken kontrolliert erwärmt. Sobald die Temperatur des Schichtsystems in der Größenordnung der Glasübergangstemperatur des jeweiligen organischen Materials lag, fand spontan eine Strukturbildung auf Grund einer Spannungsrelaxation statt. Es ließen sich durch die Wahl einer entsprechenden Heizquelle unterschiedliche Strukturen realisieren. Bei Verwendung eines gepulsten Lasers, also einer kreisförmigen Wärmequelle, ordneten sich die Strukturen konzentrisch an, wohingegen sich ihre Ausrichtung bei Verwendung einer flächenhaften Heizplatte statistisch verteilte. Auffällig bei allen Strukturen war eine starke Modulation der Oberfläche. Ferner konnte in der Arbeit gezeigt werden, daß sich durch eine gezielte Veränderung der Spannungsverteilung innerhalb der Schichtsysteme die Ausrichtung der Strukturen (gezielt) manipulieren ließen. Unabhängig davon erlaubte die Variation der Schichtdicken die Realisierung von Strukturen mit einer Periodizität im Bereich von einigen µm bis hinunter zu etwa 200 nm. Die Kontrolle über die Ausrichtung und die Periodizität ist Grundvoraussetzung für eine zukünftige technologische Nutzung des Effektes zur kontrollierten Herstellung von Mikro- bzw. Nanostrukturen. Darüber hinaus konnte ein zunächst von der Strukturbildung unabhängiges Konzept eines aktiven Sensors für die optische Raster-Nahfeld-Mikroskopie vorgestellt werden, das das oben beschriebene System, bestehend aus einem fluoreszierenden Molekularen Glas und einer Siliziumnitrid-Deckschicht, verwendet. Erste theoretische und experimentelle Ergebnisse zeigen das technologische Potential dieses Sensortyps.

Piezoresistive cantilevers with an integrated bimorph actuator

Scanning Probe Microscopy (SPM) has become of fundamental importance for research in area of micro and nano-technology. The continuous progress in these fields requires ultra sensitive measurements at high speed. The imaging speed limitation of the conventional Tapping Mode SPM is due to the actuation time constant of piezotube feedback loop that keeps the tapping amplitude constant. In order to avoid this limit a deflection sensor and an actuator have to be integrated into the cantilever. In this work has been demonstrated the possibility of realisation of piezoresistive cantilever with an embedded actuator. Piezoresistive detection provides a good alternative to the usual optical laser beam deflection technique. In frames of this thesis has been investigated and modelled the piezoresistive effect in bulk silicon (3D case) for both n- and p-type silicon. Moving towards ultra-sensitive measurements it is necessary to realize ultra-thin piezoresistors, which are well localized to the surface, where the stress magnitude is maximal. New physical effects such as quantum confinement which arise due to the scaling of the piezoresistor thickness was taken into account in order to model the piezoresistive effect and its modification in case of ultra-thin piezoresistor (2D case). The two-dimension character of the electron gas in n-type piezoresistors lead up to decreasing of the piezoresistive coefficients with increasing the degree of electron localisation. Moreover for p-type piezoresistors the predicted values of the piezoresistive coefficients are higher in case of localised holes. Additionally, to the integration of the piezoresistive sensor, actuator integrated into the cantilever is considered as fundamental for realisation of fast SPM imaging. Actuation of the beam is achieved thermally by relying on differences in the coefficients of thermal expansion between aluminum and silicon. In addition the aluminum layer forms the heating micro-resistor, which is able to accept heating impulses with frequency up to one megahertz. Such direct oscillating thermally driven bimorph actuator was studied also with respect to the bimorph actuator efficiency. Higher eigenmodes of the cantilever are used in order to increase the operating frequencies. As a result the scanning speed has been increased due to the decreasing of the actuation time constant. The fundamental limits to force sensitivity that are imposed by piezoresistive deflection sensing technique have been discussed. For imaging in ambient conditions the force sensitivity is limited by the thermo-mechanical cantilever noise. Additional noise sources, connected with the piezoresistive detection are negligible.

Elektrochemo- und mikromechanisches Verhalten elektronisch leitfähiger Polymere

Intrinsisch leitfähige Polymere sind durch eine Reihe materialspezifischer Eigenschaften gekennzeichnet. In Abhängigkeit des angelegten Potenzials und der chemischen Umgebung zeigen sie elektrochromes Verhalten, Veränderungen der Masse, des Volumens und der elektronischen Leitfähigkeit. Basierend auf diesen Eigenschaften eignen sich halbleitende organische Polymere als funktionales Material für Anwendungen in der Mikro- und Nanotechnologie, insbesondere für miniaturisierte chemische Sensoren und Aktoren. Im Gegensatz zu konventionellen Piezo-Aktoren operieren diese Aktoren z. B. bei Spannungen unterhalb 1 V. Diese Arbeit befasst sich mit den elektrochemomechanischen Eigenschaften der ausgewählten Polymere Polyanilin und Polypyrrol, d. h. mit den potenzialkontrollierten Veränderungen des Volumens, der Struktur und der mechanischen Eigenschaften. Bei diesem Prozess werden positive Ladungen innerhalb der Polymerphase generiert. Um die für den Ladungsausgleich benötigten Gegenionen bereitzustellen, werden alle Messungen in Anwesenheit eines wässrigen Elektrolyten durchgeführt. Der Ladungstransport und die Volumenänderungen werden mit den Methoden der zyklischen Voltammetrie, der elektrochemischen Quarzmikrowaage und der Rastersondenmikroskopie untersucht. Signifikante Ergebnisse können für dünne homogene Polymerschichten erhalten werden, wobei Schichtdicken oberhalb 150 nm aufgrund der insbesondere bei Polyanilin einsetzenden Bildung von Fadenstrukturen (Fibrillen) vermieden werden. Von besonderem Interesse im Rahmen dieser Arbeit ist die Kombination der funktionalen Polymere mit Strukturen auf Siliziumbasis, insbesondere mit mikrostrukturierten Cantilevern. Die zuvor erhaltenen Ergebnisse bilden die Grundlage für das Design und die Dimensionierung der Mikroaktoren. Diese bestehen aus Siliziumcantilevern, die eine Elektrodenschicht aus Gold oder Platin tragen. Auf der Elektrode wird mittels Elektrodeposition eine homogene Schicht Polymer mit Schichtdicken bis zu 150 nm aufgebracht. Die Aktorcharakteristik, die Biegung des Cantilevers aufgrund des angelegten Potenzials, wird mit dem aus der Rastersondenmikroskopie bekannten Lichtzeigerverfahren gemessen. Das Aktorsystem wird hinsichtlich des angelegten Potenzials, des Elektrolyten und der Redox-Kinetik charakterisiert. Die verschiedenen Beiträge zum Aktorverhalten werden in situ während des Schichtwachstums untersucht. Das beobachtete Verhalten kann als Superposition verschiedener Effekte beschrieben werden. Darunter sind die Elektrodenaufladung (Elektrokapillarität), die Veränderungen der Elektrodenoberfläche durch dünne Oxidschichten und die Elektrochemomechanik des Polymers.

Wechselwirkung von im NANOJET erzeugten Teilchen mit Polymeren und biologischen Objekten

Am Institut für Mikrostrukturtechnologie und Analytik wurde eine neue Technik entwickelt, die neue Anwendungen und Methoden der Mikro- und Nanostrukturierung auf Basis eines neuen Verfahrens erschlossen hat. NANOJET führt über die passive Rastersondenmikroskopie hinaus zu einem vielseitigen, aktiven Bearbeitungswerkzeug auf der Mikro- und Nanometerskala. NANOJET (NANOstructuring Downstream PlasmaJET) ist eine aktive Rasterkraft-Mikroskopie-Sonde. Radikale (chemisch aktive Teilchen, die ein ungepaartes Valenzelektron besitzen) strömen aus dem Ende einer ultradünnen, hohlen Rasterkraftmikroskop-Spitze. Dadurch wird es möglich, über die übliche passive Abtastung einer Probenoberfläche hinausgehend, diese simultan und in-situ durch chemische Reaktionen zu verändern. Die Abtragung von Material wird durch eine chemische Ätzreaktion erreicht. In dieser Arbeit wurde zum größten Teil Photoresist als Substrat für die Ätzexperimente verwendet. Für das Ätzen des Resists wurden die Atome des Fluors und des Sauerstoffs im Grundzustand als verantwortlich identifiziert. Durch Experimente und durch Ergänzung von Literaturdaten wurde die Annahme bestätigt, dass Sauerstoffradikale mit Unterstützung von Fluorradikalen für die hohen erzielten Ätzraten verantwortlich sind. Die Beimischung von Fluor in einem Sauerstoffplasma führt zu einer Verringerung der Aktivierungsenergie für die Ätzreaktion gegenüber Verwendung reinen Sauerstoffs. In weiterer Folge wurde ein Strukturierungsverfahren dargestellt. Hierbei wurden "geformte Kapillaren" (mikrostrukturierte Aperturen) eingesetzt. Die Herstellung der Aperturen erfolgte durch einen elektrochemischen Ätzstop-Prozess. Die typische Größe der unter Verwendung der "geformten Kapillaren" geätzten Strukturen entsprach den Kapillarenöffnungen. Es wurde ein Monte-Carlo Simulationsprogramm entwickelt, welches den Transport der reaktiven Teilchen in der langen Transportröhre simulierte. Es wurde sowohl die Transmission der Teilchen in der Transportröhre und der Kapillare als auch ihre Winkelverteilung nach dem Verlassen der Kapillare berechnet. Das Aspektverhältnis der Röhren hat dabei einen sehr starken Einfluss. Mit einem steigenden Aspektverhältnis nahm die Transmission exponentiell ab. Die geschaffene experimentelle Infrastruktur wurde genutzt, um auch biologische Objekte zu behandeln und zu untersuchen. Hierfür wurde eine neue Methodik entwickelt, die eine dreidimensionale Darstellung des Zellinneren erlaubt. Dies wurde durch die kontrollierte Abtragung von Material aus der Zellmembran durchgeführt. Die Abtragung der Zellmembran erfolgte mittels Sauerstoffradikalen, die durch eine hohle Spitze lokalisiert zum Ort der Reaktion transportiert wurden. Ein piezoresistiver Cantilever diente als Sensor in dem zur Bildgebung eingesetzten RKM. Das entwickelte Verfahren ermöglicht es nun erstmals, schonend Zellen zu öffnen und die innen liegenden Organellen weiter zu untersuchen. Als Nachweis für weitere Verwendungsmöglichkeiten des NANOJET-Verfahrens wurde auch Knochenmaterial behandelt. Die Ergebnisse dieser Experimente zeigen klar, dass das Verfahren für vielfältige biologische Materialien verwendbar ist und somit nun ein weiter Anwendungskreis in der Biologie und Medizin offen steht.

Characterization of the role of Drosophila JAK/STAT signalling in cellular proliferation

Der Janus Kinase / signal transducer and activator of transcription (JAK/STAT) Signal- transduktionsweg wird für viele Entwicklungsvorgänge benötigt und spielt eine zentrale Rolle bei der Hämatopoese und bei der Immunantwort. Obwohl der JAK/STAT-Signalweg in den vergangenen Jahren Gegenstand intensiver Forschung war, erschwert die Redundanz des Signalwegs bei Wirbeltieren genetische Untersuchungen zur Identifizierung derjenigen Mechanismen, die den JAK/STAT-Signalweg regulieren. Der JAK/STAT-Signaltransduktionsweg ist evolutionär konserviert und ebenfalls bei der Taufliege Drosophila melanogaster vorhanden. Im Gegensatz zu Wirbeltieren ist der Signaltransduktionsweg von Drosophila weniger redundant und beinhaltet folgende Hauptkomponenten: den Liganden Unpaired (Upd), den Transmembranrezeptor Domeless (Dome), die einzige JAK-Tyrosinkinase Hopscotch (hop), sowie den Transkriptionsfaktor STAT92E. In der vorliegenden Arbeit wird die Rolle des JAK/STAT-Signalwegs bei der zellulären Proliferation mithilfe der Modellsysteme der Flügel- und der Augen-Imaginalscheiben von Drosophila charakterisiert. "Loss-of-function"- und "Gain-of-function"-Experimente zur Verminderung beziehungs-weise Erhöhung der Signalaktivität zeigten, dass der JAK/STAT-Signalweg eine Rolle bei der zellulären Proliferation der Flügel-Imaginalscheiben spielte, ohne die Zellgröße oder Apoptose zu verändern. Bei der Flügelentwicklung während des zweiten und des frühen dritten Larvalstadiums war die Aktivität des JAK/STAT-Signalwegs sowohl notwendig für die zelluläre Proliferation als auch hinreichend, um Überproliferation anzutreiben. Allerdings änderte sich während der späten dritten Larvalstadien die JAK/STAT-Signalaktivität, sodass endogene STAT92E-Mengen einen anti-proliferativen Effekt im gleichen Gewebe aufwiesen. Weiterhin reichte die ektopische Aktivierung des JAK/STAT-Signalwegs zu diesem späten Entwicklungszeitpunkt aus, um die Mitose zu inhibieren und die Zellen in der Phase G2 des Zellzyklus zu arretieren. Diese Ergebnisse legen den Schluss nahe, dass der JAK/STAT-Signalweg sowohl pro-proliferativ in frühen Flügelscheiben als auch anti-proliferativ zu späten Stadien der Flügelscheiben-Entwicklung wirken kann. Dieser späte anti-proliferative Effekt wurde durch einen nicht-kanonischen Mechanismus der STAT92E-Aktivierung vermittelt, da späte hop defiziente Zellverbände im Vergleich zu Wildtyp-Zellen keine Veränderungen im Ausmaß der zellulären Proliferation aufwiesen. Ferner konnte gezeigt werden, dass eine während der Larvalstadien exprimierte dominant-negative und im N-Terminus deletierte Form von STAT92E (?NSTAT92E) nicht für den anti-proliferativen Effekt verantwortlich ist. Diese Tatsache ist ein weiteres Indiz dafür, dass das vollständige STAT92E den späten anti-proliferativen Effekt verursacht. Um Modulatoren für die von JAK/STAT vermittelte zelluläre Proliferation zu identifieren, wurde ein P-Element-basierter genetischer Interaktions-Screen in einem sensibilisierten genetischen Hintergrund durchgeführt. Insgesamt wurden dazu 2267 unabhängige P-Element-Insertionen auf ihre Wechselwirkung mit der JAK/STAT-Signalaktivität untersucht und 24 interagierende Loci identifiziert. Diese Kandidaten können in folgende Gruppen eingeordnet werden: Zellzyklusproteine, Transkriptionsfaktoren, DNA und RNA bindende Proteine, ein Mikro-RNA-Gen, Komponenten anderer Signaltransduktionswege und Zelladhäsionsproteine. In den meisten Fällen wurden mehrere Allele der interagierenden Kandidatengene getestet. 18 Kandidatengene mit übereinstimmend interagierenden Allelen wurden dann zur weiteren Analyse ausgewählt. Von diesen 18 Kandidaten-Loci wurden 7 mögliche JAK/STAT-Signalwegskomponenten und 6 neue Zielgene des Signalwegs gefunden. Zusammenfassend wurde das Verständnis um STAT92E verbessert. Dieses Protein hat die gleiche Funktion wie das STAT3-Protein der Wirbeltiere und treibt die zelluläre Proliferation voran. Analog zu STAT1 hat STAT92E aber auch einen anti-proliferativen Effekt. Ferner wurden 24 mögliche Modulatoren der JAK/STAT-Signalaktivität identifiziert. Die Charakterisierung dieser Wechselwirkungen eröffnet vielversprechende Wege zu dem Verständnis, wie JAK/STAT die zelluläre Proliferation reguliert und könnte bei der Entwicklung von neuartigen therapeutischen Targets zur Behandlung von Krebskrankheiten und Entwicklungsstörungen beitragen.

Heterochromatin und epigenetische Kontrolle der Centromere in Dictyostelium discoideum

Heterochromatin Protein 1 (HP1) is an evolutionarily conserved protein required for formation of a higher-order chromatin structures and epigenetic gene silencing. The objective of the present work was to functionally characterise HP1-like proteins in Dictyostelium discoideum, and to investigate their function in heterochromatin formation and transcriptional gene silencing. The Dictyostelium genome encodes three HP1-like proteins (hcpA, hcpB, hcpC), from which only two, hcpA and hcpB, but not hcpC were found to be expressed during vegetative growth and under developmental conditions. Therefore, hcpC, albeit no obvious pseudogene, was excluded from this study. Both HcpA and HcpB show the characteristic conserved domain structure of HP1 proteins, consisting of an N-terminal chromo domain and a C-terminal chromo shadow domain, which are separated by a hinge. Both proteins show all biochemical activities characteristic for HP1 proteins, such as homo- and heterodimerisation in vitro and in vivo, and DNA binding activtity. HcpA furthermore seems to bind to K9-methylated histone H3 in vitro. The proteins thus appear to be structurally and functionally conserved in Dictyostelium. The proteins display largely identical subnuclear distribution in several minor foci and concentration in one major cluster at the nuclear periphery. The localisation of this cluster adjacent to the nucleus-associated centrosome and its mitotic behaviour strongly suggest that it represents centromeric heterochromatin. Furthermore, it is characterised by histone H3 lysine-9 dimethylation (H3K9me2), which is another hallmark of Dictyostelium heterochromatin. Therefore, one important aspect of the work was to characterise the so-far largely unknown structural organisation of centromeric heterochromatin. The Dictyostelium homologue of inner centromere protein INCENP (DdINCENP), co-localized with both HcpA and H3K9me2 during metaphase, providing further evidence that H3K9me2 and HcpA/B localisation represent centromeric heterochromatin. Chromatin immunoprecipitation (ChIP) showed that two types of high-copy number retrotransposons (DIRS-1 and skipper), which form large irregular arrays at the chromosome ends, which are thought to contain the Dictyostelium centromeres, are characterised by H3K9me2. Neither overexpression of full-length HcpA or HcpB, nor deletion of single Hcp isoforms resulted in changes in retrotransposon transcript levels. However, overexpression of a C-terminally truncated HcpA protein, assumed to display a dominant negative effect, lead to an increase in skipper retrotransposon transcript levels. Furthermore, overexpression of this protein lead to severe growth defects in axenic suspension culture and reduced cell viability. In order to elucidate the proteins functions in centromeric heterochromatin formation, gene knock-outs for both hcpA and hcpB were generated. Both genes could be successfully targeted and disrupted by homologous recombination. Surprisingly, the degree of functional redundancy of the two isoforms was, although not unexpected, very high. Both single knock-out mutants did not show any obvious phenotypes under standard laboratory conditions and only deletion of hcpA resulted in subtle growth phenotypes when grown at low temperature. All attempts to generate a double null mutant failed. However, both endogenous genes could be disrupted in cells in which a rescue construct that ectopically expressed one of the isoforms either with N-terminal 6xHis- or GFP-tag had been introduced. The data imply that the presence of at least one Hcp isoform is essential in Dictyostelium. The lethality of the hcpA/hcpB double mutant thus greatly hampered functional analysis of the two genes. However, the experiment provided genetic evidence that the GFP-HcpA fusion protein, because of its ability to compensate the loss of the endogenous HcpA protein, was a functional protein. The proteins displayed quantitative differences in dimerisation behaviour, which are conferred by the slightly different hinge and chromo shadow domains at the C-termini. Dimerisation preferences in increasing order were HcpA-HcpA << HcpA-HcpB << HcpB-HcpB. Overexpression of GFP-HcpA or a chimeric protein containing the HcpA C-terminus (GFP-HcpBNAC), but not overexpression of GFP-HcpB or GFP-HcpANBC, lead to increased frequencies of anaphase bridges in late mitotic cells, which are thought to be caused by telomere-telomere fusions. Chromatin targeting of the two proteins is achieved by at least two distinct mechanisms. The N-terminal chromo domain and hinge of the proteins are required for targeting to centromeric heterochromatin, while the C-terminal portion encoding the CSD is required for targeting to several other chromatin regions at the nuclear periphery that are characterised by H3K9me2. Targeting to centromeric heterochromatin likely involves direct binding to DNA. The Dictyostelium genome encodes for all subunits of the origin recognition complex (ORC), which is a possible upstream component of HP1 targeting to chromatin. Overexpression of GFP-tagged OrcB, the Dictyostelium Orc2 homologue, showed a distinct nuclear localisation that partially overlapped with the HcpA distribution. Furthermore, GFP-OrcB localized to the centrosome during the entire cell cycle, indicating an involvement in centrosome function. DnmA is the sole DNA methyltransferase in Dictyostelium required for all DNA(cytosine-)methylation. To test for its in vivo activity, two different cell lines were established that ectopically expressed DnmA-myc or DnmA-GFP. It was assumed that overexpression of these proteins might cause an increase in the 5-methyl-cytosine(5-mC)-levels in the genomic DNA due to genomic hypermethylation. Although DnmA-GFP showed preferential localisation in the nucleus, no changes in the 5-mC-levels in the genomic DNA could be detected by capillary electrophoresis.