Mikroskopische Untersuchung der ferroelektrischen Elektronenemission von der freien Oberfläche von Triglyzinsulfat

In dieser Arbeit wurden erstmalig orts- und energieaufgelöste Untersuchungen der ferroelektrischen Elektronenemission (FEE) durchgeführt. Als Modellsystem diente Triglyzinsulfat (TGS). Als spektromikroskopische Methode kam die Emissions-Elektronenmikroskopie zum Einsatz. Typische Schaltfelder betrugen 2 kV/mm, angelegt wurde eine sinusoïdale Wechselspannung mit 300 Hz. Die Temperatur, bei der die FEE verschwindet (32°C), liegt unterhalb der Curie-Temperatur des TGS (TC=49°C). Dieser Unterschied kann auf den Einfluss des Extraktionsfeldes des Emissions-Elektronenmikroskops (1 kV/mm) zurückgeführt werden. Oberhalb der Curie-Temperatur konnte keine Emission beobachtet werden. Die Elektroden vor und nach der Messung waren identisch, d.h. nicht zerstört, wie man es erwarten würde, wenn ein Oberflächenplasma gezündet wurde. Bei ca. 150 V/mm beginnt die Intensität der beobachteten Emission Schwankungen aufzuweisen. Dies könnte die Ursache in dem Einsatz von ersten Zündungen eines Mikroplasmas mit destruktiver Wirkung haben. Die ortsintegrierte Energieverteilung weist bei Spannungsamplituden bis 300 V zwei Maxima auf. Dies deutet auf zwei Emissionsmechanismen hin, einen sekundären (ca. 10 eV) und einen primären (ca. 13 bis 45 eV) Effekt. Die Hochenergie-Abschneidekanten korrelieren im Bereich bis 200 V bis auf wenige eV mit der angelegten Spannungsamplitude. Die Messung der ortsaufgelösten Energieverteilung zeigt, dass die primäre Emission aus den Bereichen ohne Elektrode stammt. Sie wird der FEE zugeschrieben. Diese Elektronen können– auf Grund der lokalen Felder – auf die Elektroden beschleunigt werden und hier sekundäre Prozesse auslösen (niederenergetischer Bereich des Spektrums). Dies wird durch die lokalen Spektren dieser Bereiche bestätigt.

Uber die oberfläche der flüssigkeiten.

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Ist das Meer so tief, wie unsere Messgeräte angeben?

Das Institut für Fischereiökologie führt regelmäßig radioökologische Untersuchungen im früheren Versenkungsgebiet für schwach radioaktive Stoffe im Nordostatlantik durch (Vobach 2002). In diesem Zusammenhang werden an bestimmten Positionen Wasserproben aus verschiedenen Tiefen, von der Oberfläche bis hinab zum Grund in knapp 5000 m Tiefe genommen. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, mittels eines Pingersystems (kurze 12 kHz Schallsignale) Tiefen bis etwa 3000 m als Entfernung vom Schiff und darunter liegende als Entfernung vom Grund (Bethke und Kellermann 1994) zu bestimmen. Damit einheitlich für alle Ergebnisse die Probenahmetiefe angegeben werden kann, muss die Entfernung vom Schiff bis zum Grund, also die Wassertiefe, bekannt sein.

Klebemöglichkeiten von PTFE

Die hohe Beständigkeit und die antiadhäsiven Eigenschaften von Polytetrafluorethylen (PTFE) erschweren das Kleben dieses Kunststoffes beträchtlich. Da PTFE praktisch unlöslich ist, können Diffusionsklebverbindungen nicht hergestellt werden und Adhäsionsklebverbindungen haben nur eine geringe Festigkeit. Es ist jedoch durch entsprechende Behandlungen möglich, die Oberfläche so zu verändern, dass hochfeste Adhäsionsklebverbindungen möglich sind.

Oberflächenbehandlung von Kunststoffen

Einige Kunststoffe wie die Massenkunststoffe Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE) aber auch Polyoximethylen (POM) und Polytetrafluorethylen (PTFE) weisen eine schlechte Klebeignung auf. Werden diese Werkstoffe ohne Vorbehandlung geklebt, so können nur geringe Klebfestigkeiten erzielt werden. Aber auch bei der Herstellung von Bauteilen aus gut klebbaren Kunststoffen, wie z.B. ABS, kann eine Oberfläche entstehen, die die Klebbarkeit beeinträchtigt. Dies kann beispielsweise durch anhaftende Formtrennmittel geschehen. Auch in diesen Fällen wird beim Kleben ohne Vorbehandlung nicht die maximal mögliche Klebfestigkeit erreicht. In den aufgeführten Fällen kann jedoch durch eine geeignete Klebflächenbehandlung, in Verbindung mit einem entsprechenden Klebstoff, die Festigkeit so gesteigert werden, dass bei einer Prüfung die Verbindung im Kunststoffteil versagt.

Der Einfluss von Neuropeptid Y auf die Glukoseaufnahme im dorsalen Tectum opticum während visueller Stimulation der Unke Bombina orientalis: Quantitative Analyse mit Hilfe der 14C-2-Desoxiglukose-Technik

(1) Neuropeptid Y (NPY), einer der häufigsten peptidergen Neurotransmitter im zentralen und peripheren Nervensystem der Säuger, ist an der Steuerung zahlreicher physiologischer Prozesse beteiligt. Auch Amphibien weisen eine verstärkte NPY-Immunreaktivität im Zentralnervensystem auf. Im Hinblick auf bereits gewonnene Erkenntnisse sollte in der vorliegenden Arbeit eine Modulierbarkeit retino-tectaler Aktivität durch Neuropeptid Y an der chinesischen Rotbauchunke (Bombina orientalis) überprüft und erstmals mit Hilfe der 14[C]-2-Desoxiglukose-Methode (14C-2DG) (Sokoloff et al. 1977) quantitativ analysiert werden. Als Vergleichstier diente die Agakröte (Bufo marinus). Zur Darstellung eines möglichen Effektes auf das Tectum opticum wurde NPY lokal auf die tectale Oberfläche visuell stimulierter Rotbauchunken appliziert. Mit Hilfe der 14C-2DG-Methode und den daraus autoradiographisch ermittelten Daten konnten die zerebralen Aktivitäten visualisiert, quantitativ ausgewertet und miteinander verglichen werden. In einer weiteren Versuchsreihe wurde hinterfragt, welche inhibitorische Wirkung NPY entwickeln kann, wenn zuvor der retinale Input pharmakologisch durch systemische Gabe von Apomorphin (APO) signifikant erhöht wurde. (2) Die 14C-2DG-Methode erlaubt einen Blick in die funktionale Aktivität des Gehirns und ermöglicht es, regional ablaufende physiologische und biochemische Energiestoffwechselprozesse innerhalb des Gehirns quantitativ zu erfassen. Mit Hilfe der 14C-2DG-Methode werden die neuromodulatorischen Wirkungen von NPY kartiert und analysiert. (3) Versuchstiergruppe 1 – Bombina orientalis – unbehandelt Zur Beurteilung pharmakologischer Effekte durch NPY bzw. APO auf den Hirnmetabolismus war es zunächst erforderlich, die Gehirnaktivitäten pharmakologisch unbeeinflusster Tiere nach visueller Reizgabe zu untersuchen. Im Bereich des medialen Mesencephalon wurden die tectalen 14C-2DG-Konzentrationen über zehn Messreihen pro Einzeltier sowohl an der rechten als auch an der linken tectalen Hälfte auf Höhe des ventrolateralen Tectum opticum ermittelt. Beim rechts-links Vergleich zeigen sich gleich verteilte Strahlungsintensitäten. Basierend auf dieser Aussage konnte NPY unilateral auf die tectale Oberfläche aufgebracht und auf seine Wirkung geprüft werden. (4) Versuchstiergruppe 2 – Bombina orientalis – NPY-Applikation Der unilaterale Einsatz von NPY auf die tectale Oberfläche des Versuchstieres bewirkt, dass die unter dem Einfluss von NPY stehende tectale Hälfte, im Gegensatz zur unbehandelten tectalen Hälfte, einen deutlich niedrigeren 14C-2DG-Gebrauch aufweist. Besonders in den oberen Schichten des Tectum opticum (Layer 9) zeigt die 14C-2DG-Methode qualitativ und quantitativ auswertbare Aktivitätsminderungen an. (5) Verhalten unter NPY: Durchschnittlich nach 10 min Versuchsdauer zeigt Bombina orientalis eine deutliche Abnahme in der Beutefangaktivität, die sich gegen Ende der Versuchszeit noch weiter reduziert. (6) Versuchstiergruppe 3 – Bombina orientalis – APO-Applikation Systemisch verabreichtes APO führt bei Bombina orientalis zu einer Verstärkung des retinalen Ausganges in die retino-tectalen Projektionsfelder. Die neuronalen Aktivitäten im Tectum opticum erhöhen sich unter dem Einfluss von APO im Durchschnitt um 40% im Vergleich zu APO-unbehandelten Tieren. (7) Verhalten unter APO: Bombina orientalis zeigt nach systemischer Applikation von APO keine verstärkten stereotypen Schnappreaktionen. Die Tiere reagieren ausschließlich mit Akinese, d.h. einem Ausfall gerichteter Lokomotionen und Orientierungsbewegungen. (8) Versuchstiergruppe 4 – Bombina orientalis – APO/NPY-Applikation Die durch systemisch verabreichtes APO erhöhten retino-tectalen Aktivitäten im Tectum opticum werden unter dem unilateralen Einsatz von NPY deutlich abgeschwächt. Eindeutig niedrigere 14C-2DG-Aufnahmen sind in den oberen Schichten des Tectum opticum messbar, was die starke Wirkung von NPY quantitativ belegt. (9) Versuchstiergruppe 2 – Bufo marinus – NPY-Applikation Der unilaterale Einsatz von NPY auf die tectale Oberfläche von Bufo marinus zeigt ebenfalls, dass die unter dem Einfluss von NPY stehende tectale Hälfte, im Gegensatz zur unbehandelten tectalen Hälfte, einen deutlich niedrigeren 14C-2DG-Gebrauch aufweist. Bufo marinus zeigt aber aufgrund erweiterter Versuchsbedingungen (On-Off-Beleuchtungswechsel) anders verteilte Strahlungsintensitäten über dem Tectum-Querschnitt als Bombina orientalis. Stärkere [14C]-Akkumulationen zeigen sich in den tieferen zentralen Schichten des Tectum opticum. (10) Versuchstiergruppe 4 – Bufo marinus – APO/NPY-Applikation Auch die durch systemisch verabreichtes APO erhöhten retino-tectalen Aktivitäten im Tectum opticum von Bufo marinus werden unter dem unilateralen Einsatz von NPY deutlich abgeschwächt. (11) Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit leisten einen Beitrag zum Einfluss von NPY auf den retino-tectalen Informationstransfer bei Anuren im Sinne einer praetecto-tectalen inhibitorischen Modulation. Im Einklang mit früheren neuroanatomischen, immuncytochemischen und elektro-physiologischen Befunden liefern diese Ergebnisse erstmals ein biochemisches Korrelat auf der Basis des tectalen Energiestoffwechsels. (12) Es ist hervorzuheben, dass NPY-vermittelte inhibitorische Modulationen visuellen Informationstransfers in der vorliegenden Arbeit an Bombina orientalis nachgewiesen wurden, die phylogenetisch zu den ältesten Anuren (Anamnioten) gehört. Vergleichbares ist an verschiedenen Amnioten – einschließlich Primaten – beschrieben worden, was darauf hinweist, dass solche NPY-vermittelten Prozesse sich innerhalb der Tetrapoden relativ früh herausgebildet haben und in der Evolution konserviert worden sind.

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.

Physik der Elektronen in Nanostrukturen und niedrigdimensionalen Systemen - Studie zweier Beispiele

Als Beispiele für die vielfältigen Phänomene der Physik der Elektronen in niedrigdimensionalen Systemen wurden in dieser Arbeit das Cu(110)(2x1)O-Adsorbatsystem und die violette Li0.9Mo6O17-Bronze untersucht. Das Adsorbatsystem bildet selbstorganisierte quasi-eindimensionale Nanostrukturen auf einer Kupferoberfläche. Die Li-Bronze ist ein Material, das aufgrund seiner Kristallstruktur quasi-eindimensionale elektronische Eigenschaften im Volumen aufweist. Auf der Cu(110)(2x1)O-Oberfläche kann durch Variation der Sauerstoffbedeckung die Größe der streifenartigen CuO-Domänen geändert werden und damit der Übergang von zwei Dimensionen auf eine Dimension untersucht werden. Der Einfluss der Dimensionalität wurde anhand eines unbesetzten elektronischen Oberflächenzustandes studiert. Dessen Energieposition (untere Bandkante) verschiebt mit zunehmender Einschränkung (schmalere CuO-Streifen) zu größeren Energien hin. Dies ist ein bekannter quantenmechanischer Effekt und relativ gut verstanden. Zusätzlich wurde die Lebensdauer des Zustandes auf der voll bedeckten Oberfläche (zwei Dimensionen) ermittelt und deren Veränderung mit der Breite der CuO-Streifen untersucht. Es zeigt sich, dass die Lebensdauer auf schmaleren CuO-Streifen drastisch abnimmt. Dieses Ergebnis ist neu. Es kann im Rahmen eines Fabry-Perot-Modells als Streuung in Zustände außerhalb der CuO-Streifen verstanden werden. Außer den gerade beschriebenen Effekten war es möglich die Ladungsdichte des diskutierten Zustandes orts- und energieabhängig auf den CuO-Streifen zu studieren. Die Li0.9Mo6O17-Bronze wurde im Hinblick auf das Verhalten der elektronischen Zustandsdichte an der Fermikante untersucht. Diese Fragestellung ist besonders wegen der Quasieindimensionalität des Materials interessant. Die Messungen von STS-Spektren in der Nähe der Fermienergie zeigen, dass die Elektronen in der Li0.9Mo6O17-Bronze eine sogenannte Luttingerflüssigkeit ausbilden, die anstatt einer Fermiflüssigkeit in eindimensionalen elektronischen Systemen erwartet wird. Bisher wurde Luttingerflüssigkeitsverhalten erst bei wenigen Materialien und Systemen experimentell nachgewiesen, obschon die theoretischen Voraussagen mehr als 30 Jahre zurückliegen. Ein Charakteristikum einer Luttingerflüssigkeit ist die Abnahme der Zustandsdichte an der Fermienergie mit einem Potenzgesetz. Dieses Verhalten wurde in STS-Spektren dieser Arbeit beobachtet und quantitativ im Rahmen eines Luttingerflüssigkeitsmodells beschrieben. Auch die Temperaturabhängigkeit des Phänomens im Bereich von 5K bis 55K ist konsistent mit der Beschreibung durch eine Luttingerflüssigkeit. Generell zeigen die Untersuchungen dieser Arbeit, dass die Dimensionalität, insbesondere deren Einschränkung, einen deutlichen Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften von Systemen und Materialien haben kann.

Magnetische Kopplungen in magneto-optischen Speicherschichten

Im Rahmen dieser Arbeit wurden magneto-optische Speicherschichten und ihre Kopplungen untereinander untersucht. Hierzu wurden zum Einen die für die magneto-optische Speichertechnologie "klassischen" Schichten aus RE/TM-Legierungen verwendet, zum Anderen aber auch erfolgreich Granate integriert, die bisher nicht in diesem Anwendungsgebiet verwendet wurden. Einleitend werden die magneto-optischen Verfahren, die resultierenden Anforderungen an die dünnen Schichten und die entsprechenden physikalischen Grundlagen diskutiert. Außerdem wird auf das Hochfrequenz-Sputtern von RE/TM-Legierungen eingegangen und die verwendeten magneto-optischen Messverfahren werden erläutert [Kap. 2 & 3]. Die Untersuchungen an RE/TM-Schichten bestätigen die aus der Literatur bekannten Eigenschaften. Sie lassen sich effektiv, und für magneto-optische Anwendungen geeignet, über RF-Sputtern herstellen. Die unmittelbaren Schicht-Parameter, wie Schichtdicke und Terbium-Konzentration, lassen sich über einfache Zusammenhänge einstellen. Da die Terbium-Konzentration eine Änderung der Kompensationstemperatur bewirkt, lässt sich diese mit Messungen am Kerr-Magnetometer überprüfen. Die für die Anwendung interessante senkrechte magnetische Anisotropie konnte ebenfalls mit den Herstellungsbedingungen verknüpft werden. Bei der Herstellung der Schichten auf einer glatten Glas-Oberfläche (Floatglas) zeigt die RE/TM-Schicht bereits in den ersten Lagen ein Wachstumsverhalten, das eine senkrechte Anisotropie bewirkt. Auf einer Quarzglas- oder Keramik-Oberfläche wachsen die ersten Lagen in einer durch das Substrat induzierten Struktur auf, danach ändert sich das Wachstumsverhalten stetig, bis eine senkrechte Anisotropie erreicht wird. Dieses Verhalten kann auch durch verschiedene Pufferschichten (Aluminium und Siliziumnitrid) nur unwesentlich beeinflusst werden [Kap. 5 & Kap. 6]. Bei der direkten Aufbringung von Doppelschichten, bestehend aus einer Auslese-Schicht (GdFeCo) auf einer Speicherschicht (TbFeCo), wurde die Austausch-Kopplung demonstriert. Die Ausleseschicht zeigt unterhalb der Kompensationstemperatur keine Kopplung an die Speicherschicht, während oberhalb der Kompensationstemperatur eine direkte Kopplung der Untergitter stattfindet. Daraus ergibt sich das für den MSR-Effekt erwünschte Maskierungsverhalten. Die vorher aus den Einzelschichten gewonnen Ergebnisse zu Kompensationstemperatur und Wachstumsverhalten konnten in den Doppelschichten wiedergefunden werden. Als Idealfall erweist sich hier die einfachste Struktur. Man bringt die Speicherschicht auf Floatglas auf und bedeckt diese direkt mit der Ausleseschicht [Kap. 7]. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, den Faraday-Effekt einer Granatschicht als verstärkendes Element zu nutzen. Im anwendungstauglichen, integrierten Schichtsystem konnten die kostengünstig, mit dem Sol-Gel-Verfahren produzierten, Granate die strukturellen Anforderungen nicht erfüllen, da sich während der Herstellung Risse und Löcher gebildet haben. Bei der experimentellen Realisierung mit einer einkristallinen Granatschicht und einer RE/TM-Schicht konnte die prinzipielle Eignung des Schichtsystems demonstriert werden [Kap. 8].

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.

Not the outside but the inside matters : functional analysis of Capricious and Tartan during Drosophila tracheal morphogenesis

The tubular structures, which transport essential gases, liquids, or cells from one site to another, are shared among various divergent organisms. These highly organized tubular networks include lung, kidney, vasculature and mammary gland in mammals as well as trachea and salivary gland in Drosophila melanogaster. Many questions regarding the tubular morphogenesis cannot be addressed sufficiently by investigating the mammalian organs because their structures are extremely complex and therefore, systematic analyses of genetic and cellular programs guiding the development is not possible. In contrast, the Drosophila tracheal development provides an excellent model system since many molecular markers and powerful tools for genetic manipulations are available. Two mechanisms were shown to be important for the outgrowth of tracheal cells: the FGF signaling pathway and the interaction between the tracheal cells and the surrounding mesodermal cells. The Drosophila FGF ligand encoded by branchless (bnl) is localized in groups of cells near tracheal metameres. The tracheal cells expressing the FGF receptor breathless (btl) respond to these sources of FGF ligand and extend towards them. However, this FGF signaling pathway is not sufficient for the formation of continuous dorsal trunk, the only muticellular tube in tracheal system. Recently, it was found out that single mesodermal cells called bridge-cells are essential for the formation of continuous dorsal trunk as they direct the outgrowth of dorsal trunk cells towards the correct targets. The results in this PhD thesis demonstrate that a cell adhesion molecule Capricious (Caps), which is specifically localized on the surface of bridge-cells, plays an essential role in guiding the outgrowing dorsal trunk cells towards their correct targets. When caps is lacking, some bridge-cells cannot stretch properly towards the adjacent posterior tracheal metameres and thus fail to interconnect the juxtaposing dorsal trunk cells. Consequently, discontinuous dorsal trunks containing interruptions at several positions are formed. On the other hand, when caps is ectopically expressed in the mesodermal cells through a twi-GAL4 driver, these mesodermal cells acquire a guidance function through ectopic caps and misguide the outgrowing dorsal trunk cells in abnormal directions. As a result, disconnected dorsal trunks are formed. These loss- and gain-of-function studies suggest that Caps presumably establishes the cell-to-cell contact between the bridge-cells and the tracheal cells and thereby mediates directly the guidance function of bridge-cells. The most similar protein known to Caps is another cell adhesion molecule called Tartan (Trn). Interestingly, trn is expressed in the mesodermal cells but not in the bridge-cells. When trn is lacking, the outgrowth of not only the dorsal trunks but also the lateral trunks are disrupted. However, in contrast to the ectopic expression of caps, the misexpression of trn does not affect tracheal development. Whereas Trn requires only its extracellular domain to mediate the matrix function, Caps requires both its extracellular and intracellular domains to function as a guidance molecule in the bridge-cells. These observations suggest that Trn functions differently from Caps during tracheal morphogenesis. Presumably, Trn mediates a matrix function of mesodermal cells, which support the tracheal cells to extend efficiently through the surrounding mesodermal tissue. In order to determine which domains dictate the functional specificity of Caps, two hybrid proteins CapsEdTrnId, which contains the Caps extracellular domain and the Trn intracellular domain, and TrnEdCapsId, which consists of the Trn extracellular domain and the Caps intracellular domain, were constructed. Gain of function and rescue experiments with these hybrid proteins suggest on one hand that the extracellular domains of Caps and Trn are functionally redundant and on the other hand that the intracellular domain dictates the functional specificity of Caps. In order to identify putative interactors of Caps, yeast two-hybrid screening was performed. An in vivo interaction assay in yeast suggests that Ras64B interacts specifically with the Caps intracellular domain. In addition, an in vitro binding assay reveals a direct interaction between an inactive form of Ras64B and the Caps intracellular domain. ras64B, which encodes a small GTPase, is expressed in the mesodermal cells concurrently as caps. Finally, a gain-of-function study with the constitutively active Ras64B suggests that Ras64B presumably functions downstream of Caps. All these results suggest consistently that the small GTPase Ras64B binds specifically to the Caps intracellular domain and may thereby mediate the guidance function of Caps.

VUV-Laserablation von Spinnenseide

Spinnenseide gehört zu den stabilsten bekannten Polymerverbindungen. Spinnfäden können bis auf das Dreifache ihrer ursprünglichen Länge gedehnt werden, bevor sie reißen, und dabei mit rund 160 MJ/m³ mehr als dreimal soviel Energie absorbieren wie die stärkste synthetisch hergestellte Faser Kevlar (50 MJ/m³). Dabei weisen Spinnfäden mit 2 bis 5 Mikrometer nur ein Zehntel des Durchmessers eines menschlichen Haares auf. Das präzise, berührungslose Bearbeiten von Spinnenseide ist für verschiedene technische Anwendungen interessant, insbesondere wenn dabei ihre außergewöhnlichen Eigenschaften erhalten bleiben. Könnten die von Natur aus dünnen Seidenfäden gezielt in ihrem Durchmesser verringert werden, so wären sie unter anderem in der Mikroelektronik einzusetzen. Hier könnten sie als Trägermaterial für eine dünne, elektrisch leitfähige Schicht fungieren. Man erhielte Nanodrähte, die auch in mechanisch besonders belasteten Mikroelektronikbauteilen (MEMS) Verwendung finden könnten. In dieser Arbeit wird die Verwendung der laserinduzierten Ablation zur gezielten Bearbeitung von Haltefäden der Schwarzen Witwe (Latrodectus hesperus) beschrieben. Eingesetzt wurde ein VUV-Excimerlaser vom Typ LPF 205 (Lambda-Physik, Göttingen) mit einer Wellenlänge von 157 nm und einer Pulsdauer von 18 ns. Eine berührungslose Laserbearbeitung bei 157 nm erlaubt einen effizienten und präzisen Abtrag von Material durch Ablation aufgrund der geringen optischen Eindringtiefe von unter 100 nm oberhalb einer Schwellenfluenz (Energie/Fläche) von Φth=29 mJ/cm², ohne dabei das umgebende Material thermisch zu beeinträchtigen. Parallel zur Ablation setzt allerdings eine wellenförmige Oberflächenstrukturierung auf der Faseroberfläche ein, wodurch die mechanische Belastbarkeit der Faser entscheidend geschwächt wird. Die Ursache hierfür liegt im Abbau materialbedingter Spannungsfelder („stress release“) innerhalb einer durch das Laserlicht induzierten dünnen Schmelzschicht. Im Rahmen dieser Arbeit ist es nun gelungen, diese Strukturen durch einen anschließenden Glättungsprozeß zu entfernen. Dabei wird auf der bestrahlten Oberfläche mittels Laserlichts eine glatte Ablation erzielt. Mit feinerer Abstufung dieser Prozeßschritte konnte der Durchmesser des verwendeten Spinnenseidefadens zum Teil um 70 Prozent bis auf ca. 750 nm verringert werden. Durch Zugfestigkeitsexperimente wurde belegt, daß die mechanischen Eigenschaften der so bearbeiteten Spinnenseide weitgehend erhalten bleiben. Die im Rahmen dieser Arbeit angewandte Methode erlaubt somit eine präzise Laserablation von Spinnenseide und ähnlichen hochabsorbierenden Materialien, ohne deren Kernsubstanz in ihrer Beschaffenheit zu verändern.