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In dieser Arbeit werden verschiedene Beschichtungsverfahren vorgestellt, mit deren Hilfe es möglich ist, aus nanoskaligen Pulvern Schichten herzustellen. Dabei war es das Ziel vor allem dicke Schichten im Bereich von 1 bis 10 µm herzustellen. Als Beschichtungsverfahren wurde das Dip-Coating mit Hilfe von wässrigen Suspensionen und anschließender Lasersinterung und das atmosphärische Plasmaspritzen eingesetzt. Darüber hinaus wurde untersucht, ob es möglich ist unter Zuhilfenahme eines CO2-Lasers Metalle, Gläser und Keramiken elektrozusprühen. Als Beschichtungswerkstoffe beim Dip-Coating und Plasmaspritzen wurden SiO2- und Al2O3- Nanopulver verwendet. Diese wurden auf Metall- und Glassubstraten aufgebracht. Durch das Dip-Coating konnten aus wässrigen Suspensionen Schichten auf Borosilikatglas mit Dicken im Bereich von ca. 11 µm hergestellt werden. Die chemischen und mechanischen Eigenschaften der Schichten wurden mit denen der unbeschichteten Gläser verglichen. Dabei konnte die chemische Beständigkeit und die mechanische Festigkeit der Gläser mit Hilfe der Beschichtung gesteigert werden. Mit Hilfe des atmosphärischen Plasmaspritzens konnten Al2O3-Schichten der Alpha-Phase mit Dicken im Bereich von ca. 100 µm hergestellt werden. Beim laserunterstützten Elektrosprühen konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, Kupfer und Al2O3 in Normalatmosphäre zu sprühen. Dabei konnten Partikel im Nanometerbereich hergestellt werden. This thesis presents different coating techniques that make it possible to manufacture coatings out of nano-scaled powders. It was the main goal to produce coatings with depths from 1 to 10 µm. Dip-coating with the help of aqueous suspensions followed by laser sintering and atmospheric plasma spraying were used as coating techniques. In addition, a series of tests was conducted to find out whether it is possible to electro spray metal, glass and ceramic with the aid of CO2-laser. SiO2- and Al2O3 nano-scaled powders were used as coating materials during the dip-coating and plasma spraying. They were put on metal and glass substrates. The dip-coating made it possible to produce coatings with a depth of approximately 11 µm out of aqueous suspensions that were put on borosilicate glass. The chemical and mechanical properties of the coatings were compared to those of the uncoated glass. The tests showed that the coating improved the chemical resistance and the mechanical strength of the glass. Al2O3 coatings of the alpha-phase with a depth of approximately 100 µm were produced with the aid of atmospheric plasma spraying. During the laser-supported electro statical spraying it was shown that it is possible to spray copper and Al2O3 in standard atmosphere. Here, it was possible to produce nano-scaled particles.

Silberhaltiger diamantähnlicher Kohlenstoff (DLC) in Form eines Nanokomposits ist aus mehreren Gründen ein interessantes Material für die Medizintechnik. Zum Einen bietet DLC gute mechanische Eigenschaften, so dass es als biokompatible Verschleißschutzbeschichtung auf Gelenkendoprothesen eingesetzt werden kann. Zum Anderen besitzt Silber antibakterielle Eigenschaften, die es ermöglichen, postoperative Infektionen zu reduzieren. Die Herstellung von Ag-DLC mit konventionellen Verfahren ist jedoch problematisch, da die gleichzeitige Abscheidung von Silber und Kohlenstoff in einem Plasmaprozess keine separate Kontrolle über die Bildung der Silbernanopartikel und der DLC-Matrix zulässt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein alternatives Herstellungsverfahren entwickelt, das diese Problematik umgeht. Bei der Metall-DLC-Herstellung durch Ionenimplantation in ein Nanokomposit werden die Silberpartikel zunächst in einem chemischen Prozess erzeugt und in einer Polymermatrix gebunden. Erst dann erfolgt die ioneninduzierte Transformation der Matrix zu DLC. Die einzelnen Aspekte und Prozessschritte dieses Verfahrens wurden in Hinblick auf die resultierenden Materialeigenschaften untersucht und optimiert. Ziel war es, einen wirtschaftlich relevanten Prozess zu gestalten. Basierend auf den experimentell erzielten Erkenntnissen wurde auch ein Modell des Umwandlungsvorgangs erarbeitet und in einer Computersimulation implementiert. Zum Abschluss der Arbeit wurde das Material in einem biomedizinischen Versuch auf seine Eignung als antibakterielle Beschichtung hin untersucht. Dabei wurde eine Keimabtötungsrate von 90% erreicht. Silver containing diamond-like carbon (DLC) is an interesting material for medical engineering from several points of view. On the one hand DLC provides high mechanical robustness. It can be used as biocompatible and wear resistant coating for joint replacing implants. On the other hand silver has antimicrobial properties, which could reduce post-operative inflammations. However conventional production of Ag-DLC by co-deposition of silver and carbon in a plasma process is problematic since it does not allow for a separate control of nano particle morphology and matrix properties. In this work an alternative production method has been developed to circumvent this problem. In metall-DLC-production by ion implantation into a nano composite, silver nano particles are initially formed in solution and then incorporated within a polymer matrix. Finally the polymer is transformed into DLC by ion implantation. The aspects and single steps of this method were investigated with regard to the resulting material's properties. The goal was to design an economically relevant deposition method. Based on experimental results a model of the transformation process has been established, which has also been implemented in a computer simulation. Finally the antibacterial properties of the material have been checked in a biomedical test. Here a bacterial killing rate of 90% could be achieved.

Self-cleaning surface coatings, tooth paste with repair effect, mini fuel cells and extremely small data memories, which contain the knowledge of whole libraries: After "micro" in the 1980ies and "electronic" in the 1990ies, "nano" is the technological keyword of this decade. The new nano-materials fascinate laymen and experts alike. Also in pharmacy the advance into dimensions unattainable so far, paved the way for the formulation of new pharmaceutical preparations. The nanotechnology offers innovative answers to previously unresolved galenic and/or biopharmaceutical questions and offers unexpected possibilities for drug targeting.

The use of nanoparticles (particles smaller than 100 nanometers) is only at its beginning, but it is already evident that nanomaterials will soon infiltrate most areas of modern life, including many applications in agriculture, food processing, and packaging. Nanoparticles are very heterogeneous with respect to their origin. With few exceptions, there are no organic production standards relating specifically to the use of nanoparticles. The Soil Association excludes all uses of nanoparticles, and Austria Bio Garantie excludes nanoparticles from organic cosmetics. In a discussion at BioFach 2008, most participants felt that more information is needed in order to make a decision. Nanotechnology is an up-and-coming technology with a wide array of potential future uses. It is not yet clear exactly how beneficial these uses might be for organic farming, nor are the exact risks to human health and the environment known at the moment. In this situation, the organic sector should take a precautionary position, but it seems unwise to close the door to all potential uses of nanoparticles at this stage.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung von gespeicherten Nanopartikeln mit weicher Röntgenstrahlung. Dafür wurde eine neue Apparatur aufgebaut. In dieser befindet sich ein dreidimensionaler elektrodynamischer Quadrupolspeicher, mit dem die positiv geladenen Nanopartikel berührungsfrei und ortsfest gespeichert werden. Mit Hilfe eines Streulichtnachweises werden die Eigenbewegungen der Partikel gemessen und daraus das Ladungs- zu Masseverhältnis ermittelt. Durch gezielte Umladung können die absolute Ladung und die Masse der Partikel mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Die gespeicherten Partikel wurden mit Synchrotronstrahlung am Elektronenspeicherring BESSY II untersucht. Bei niedrig geladenen Partikeln wurden Aufladungsexperimente mit variabler Photonenenergie durchgeführt. Dabei kann die Emission von einzelnen Elektronen beobachtet werden. Die totale Sekundärelektronenausbeute wurde für verschiedene Photonenenergien ermittelt. Sie gleicht den Werten, die durch Messungen mit Elektronenbeschuss bekannt sind. Die Partikel wurden weiterhin bis zum maximal erreichbaren Ladungszustand aufgeladen. Dieser Gleichgewichtszustand liegt unterhalb der theoretischen Erwartungen. Bei den hochgeladenen Partikeln wurden nach Abschalten der Synchrotronstrahlung Entladevorgänge beobachtet, die für das verminderte Ladungsgleichgewicht verantwortlich sind. Die Entladung wird als Ionen-Feldemission interpretiert, möglicherweise hervorgerufen durch den elektrischen Durchschlag im Teilchenmaterial. Das Aufladungsverhalten der Partikel bei verschiedenen Ladungszuständen wurde mit Hilfe von Messungen an der O 1s-Kante untersucht. Bei niedrigen Ladungszuständen liefert der Ladestrom die bekannten Röntgenabsorbtionsstrukturen von Siliziumdioxid. Stark geladene Partikel werden dagegen vor allem im Bereich der resonanten O 1s-Anregung durch schnelle Augerelektronen aufgeladen, während Photoelektronen aus dem O 1s-Kontinuum nicht mehr zur Aufladung beitragen. Deren kinetische Energie ist zu gering, um dem Coulombfeld des Partikels zu entkommen., Subject of this thesis is the investigation of single trapped nanoparticles using soft X-rays. For this purpose a new apparatus has been developed and characterized. The heart of this apparatus is a three-dimensional electrodynamic quadrupole trap that allows us to store charged nanoparticles well located and without any contact to a substrate. The detection of scattered light, which is modulated by the secular motion frequencies of the stored particle, is used to derive the charge-to-mass ratio. The determination of changes in the charge state due to electron emission is used to determine the absolute charge and mass with high accuracy. The particles were studied using synchrotron radiation at the electron storage ring BESSY II. A set of charging experiments were performed, where particles at low charge state were irradiated with different photon energies in the soft X-ray regime. In these experiments the emission of single electrons is observed. The total secondary-electron emission yield is determined at several photon energies. The values are comparable to the secondary emission after electron impact. Other experiments were performed at highest achievable charge state of the particles. This equilibrium state was found to be far below theoretical predictions. For highly charged particles we found a discharge current after the illumination with synchrotron radiation is terminated. This current is responsible for the low equilibrium charge state. The discharge is assumed to result from ion field emission potentially due to the electric breakdown in the particle material. Charging curves at different charges states of the particle in the regime of the oxygen 1s-edge were recorded. At low charge states the characteristic X-ray absorption fine structure of silicon dioxide is observed. Highly charged particles are efficiently charged by resonant Auger processes in the regime of the resonant O 1s-excitation, whereas there is no charging in the regime of the O 1s-continuum. Evidently, the kinetic energy of these electrons is too small to escape from the attractive Coulomb field of the particle.

Retinol und Retinsäure beeinflußen die Proliferation, Differenzierung und Apoptose von vielen Zellen in vivo und in vitro. Bei Schilddrüsenmalignomen, insbesondere bei solchen vom follikulären Typus, bei denen die Fähigkeit zur Radioiodspeicherung ver-lorengegangen ist, wird Retinsäure zur Redifferenzierung eingesetzt, um eine Radio-iodidaufnahme als Voraussetzung für eine Radioiodtherapie zu erreichen. Eine Be-handlung mit Retinoiden ist mit zum Teil ausgeprägten Nebenwirkungen verbunden. Daher bietet es sich an, Lykopin zu testen. Lykopin hat eine strukturelle Ähnlichkeit mit Retinol und gilt als effektives Antioxidans ohne große Nebenwirkungen. Retinol, 13-cis-Retinsäure und Lykopin werden daher in ihrer Wirkung auf Schilddrüsenzellen mit-einander verglichen. Bei einer Radioiodtherapie werden sowohl transformierte als auch nicht transformierte Zellen der Schilddrüse erreicht. In der vorgelegten Arbeit wird der Effekt auf die nicht transformierten Schilddrüsenzellen untersucht. Als solche werden Thyreozyten vom Schwein verwendet. Als Differenzierungsparameter dient die 125I-Iodidaufnahme, als Wachstumsparameter die 3H-Thymidinaufnahme. Retinol steigert die Thymidinaufnahme in Thyreozyten unter Dosen von 13µM. Dieser Effekt wird besonders deutlich, wenn die Zellen mit einer "subphysiologischen" Retinolkonzentration (0,098µM) drei Tage vorinkubiert werden. 13-cis-Retinsäure hat keinen oder eher einen hemmenden Effekt auf die Thymidinaufnahme. Lykopin erwies sich im Beobachtungszeitraum als wirkungslos. Retinol steigert auch die Iodidaufnahme im Vergleich zur Kontrolle. Retinsäure zeigt diesen Effekt nicht. Lykopin läßt in normalem Medium mit physiologischer Retinolkonzentration keine Wirkung erkennen. In retinolfreiem Kulturmedium kommt es unter Lykopin dagegen zu einer Abnahme der Iodidspeicherung. Der immun-histochemische Nachweis der NIS-Expression zeigt dabei, daß die NIS-Menge unabhängig von der Retinolkonzentration relativ konstant bleibt. Das im Kulturmedium verwendete Antibiotikum Ciprobay® hat nur flüchtige Effekte. Bei den in retinolhaltigem Medium kultivierten Thyreozyten kommt es in den ersten 4 Stunden zu einer leichten, nicht signifikanten Steigerung der Thymidinaufnahme, danach eher zu einer Abnahme. Diese Abnahme ist jedoch nicht signifikant von der Kontrolle verschieden. Retinol and retinoic acid are influencing proliferation, differentiation and apoptosis of many cells in vivo and in vitro. In vivo retinoic acid is used to redifferentiate transformed thyroid cells, especially those of follicular thyroid carcinoma. Cancer cells loose their ability to take up and to store radioiodide with tumor progression. Uptake and storage of iodide is a prior condition for an effective radioiodide ablation therapy of these malignancies. On the other hand radioiodine is normally picked up into non-transformed cells too. This study deals with non transformed porcine thyroid cells. Therapy with retinoids often causes non-desired side effects. Therefore we looked for substances similar to retinol but without severe side effects. For this purpose we tested lycopene, a carotene known as efficient antioxidant. We compared the effects of retinol, 13-cis-retinoic acid and lycopene on non-transformed porcine thyrocytes. As differentiation marker we measured 125I-iodide uptake and as a parameter of growth 3H-thymidine uptake. After pre-incubation of the cells for three days in medium supplemented with a ‘sub-physiological’ dose of retinol (0,098µM), a ‘therapeutical’ dose of retinol (13 µM) increased the thymidine uptake clearly whereas 13-cis retinoic acid (13 µM) showed no effect or even inhibited the thymidine uptake. Lycopene was ineffective during the observation time. Retinol also increased iodide uptake compared to the control. There is no such effect in the cells treated with retinoic acid. Lycopene showed no effect on iodide uptake when cells were cultured in retinol containing medium, whereas in retinol-free medium lycopene decreased iodide-uptake. Immunocytochemistry showed that NIS expression is stabile and independent from the concentration of retinol. Ciprobay® added to the culture medium as antibiotic had only very small and fugitive effects. During the first four hours of incubation in retinol supplemented medium, thyrocytes showed a small increase in thymidine uptake, at later time thymidine uptake was slightly decreased.

In der vorliegenden Arbeit wurden die zellulären Auswirkungen von in einem Prothesenprüfstand generierten Abriebpartikeln auf humane Knochenzellen untersucht, zudem wurde für nähere Betrachtungen der metallische Abrieb in für Zellversuche kompatibler Weise extrahiert, um den Einfluss von Abriebprodukten unterschiedlicher Knochenzementarten und von Hüftendoprothesenstielen unterschiedlicher Legierungen und Oberflächenbeschaffenheiten auf die Prolifertions-, Apoptose- und Nekroserate von humanen Knochenzellen zu betrachten. In the present work, the impact of wear particles generated in a test device for hip stems on human bone cells was investigated, furthermore the metallic wear debris was extracted in a suitable way for cell experiments to elucidate the influence of wear particles from different types of bone cement and from hip stems made of different alloys and surface properties on proliferation rate, apoptosis and necrosis of human bone cells.

eingereicht von Richard Gstöttenmayr Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers Universität Linz, Masterarbeit, 2018

Kohlenstoffnanoröhren als eigenständige Modifikation des Kohlenstoffs sind zylindrische, aus mehreren Lagen Kohlenstoff aufgebaute Röhren, die über einen Hohlraum im Inneren verfügen. Bereits kurze Zeit nach ihrer Entdeckung, kam die Idee auf, Substanzen in diesen Hohlraum zu füllen. Durch den Einbau von Katalysatormaterial während der Synthese, ist bereits eine Vielzahl von Elementen als Füllmaterial zugänglich. Um jedoch nicht auf Elemente limitiert zu sein, die als Katalysator für die CNT-Synthese dienen, ist es möglich eine postsynthetische Füllung durchzuführen. Hier werden ungefüllte CNT geöffnet und anschließend, unter Ausnutzung der Kapillarkräfte, gefüllt. In der vorliegenden Arbeit wurden zunächst verschiedene Methoden zur Füllung untersucht. Neben lösemittelbasierten Methoden wurde mit Salzschmelzen, durch Gasphasentransport und durch Füllung mit einer kovalenten Präkursorverbindung gefüllt. Da metallische Partikel das Ziel waren, folgte im Anschluss an die Füllung mit Salzen, Salzlösungen, oder anderen Präkursoren jeweils eine Reduktion mit Wasserstoffgas bei erhöhten Temperaturen. Die Ergebnisse der Füllung wurden umfassend mittels Elektronenmikroskopie untersucht. Füllungsgrade wurden mittels Thermogravimetrie bestimmt. So konnten für zahlreiche Elemente eine geeignete Methode zur Füllung mit metallischen Partikeln entwickelt werden. Im Falle der Füllung mit Zinn konnte zudem gezeigt werden, dass ein Zusammenhang zwischen der Dauer der Füllreaktion und dem Anteil an drahtartigen Nanostrukturen in den CNT, sowie ein Zusammenhang zwischen der eingesetzten Lösungskonzentration und dem Füllungsgrad besteht. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde die Synthese von intermetallischen Partikeln in CNT untersucht. Hierbei dienten die Systeme Nickel-Zinn und Cobalt-Zinn, die als vielversprechende Materialien im Einsatz als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Akkumulatoren diskutiert werden, als Modellsysteme. Zunächst wurde gezeigt, dass es nicht möglich ist, aus einem Gemisch des Zinnsalzes und des jeweiligen anderen Salzes erfolgreich intermetallische Partikel herzustellen. Mittels Pulverröntgendiffraktometrie (XRD) und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) konnte gezeigt werden, dass lediglich Zinnpartikel in den CNT vorhanden waren. Schließlich konnte mit dem Verfahren der sequentiellen Füllung eine erfolgreiche Synthese intermetallischer Nanostrukturen bewerkstelligt werden. Hierbei wird die CNT zuerst mit einer Lösung von Zinnchlorid gefüllt und schließlich reduziert. Anschließend erfolgt eine weitere Füllung mit einem Nickel- bzw. Cobaltsalz und einer nachfolgenden Reduktion. Während dieser zweiten Reduktion erfolgt die Bildung der intermetallischen Nanostrukturen in den CNT. Mittels XRD konnte gezeigt werden, dass tatsächlich intermetallische Strukturen in der Probe enthalten sind und dass man zudem durch das Verhältnis der beiden eingesetzten Elemente (Zinn zu Nickel bzw. Cobalt) Einfluss auf die vorherrschende intermetallische Verbindung nehmen kann. Durch EDX-Linienscans und Elementkarten, die am Transmissionselektronenmikroskop angefertigt wurden, konnte nachgewiesen werden, dass einzelne, in den CNT befindliche Partikel, tatsächlich aus den beiden Elementen Zinn und Nickel bzw. Cobalt bestehen und somit intermetallisch sind. Ein erster Test des erhaltenen Materials aus CNT und intermetallischen Nickel-ZinnVerbindungen als Anodenmaterial konnte bereits durchgeführt werden. Die gemessene Kapazität lag bereits im Bereich von Graphit, welches üblicherweise als Anodenmaterial verwendet wird, könnte jedoch durch Erhöhung des Anteils der intermetallischen Verbindung noch weiter gesteigert werden.

Es ist gelungen ein zunächst schwer zu charakterisierendes Präparat mittels fortschrittlicher Methoden zu untersuchen. Die Verbindung enthält Eisenpartikel mit einer bisher nicht zu bestimmenden Struktur bei einer Größe im Nanometer Bereich. Röntgendiffraktometrie, Elektronenmikroskopie und Auflöseversuche wurden zur Charakterisierung benutzt. Alle drei Methoden weisen auf das gleiche Resultat hin. Es liegt damit nahe, dass die Spezies in der Eisen vorliegt, Ferrihydrit ist. Neben den gängigen Analyseverfahren wurde die Auflösekinetik hinzugezogen, da sie eine direkte Analyse aus der Ursubstanz zulässt. Alle einfach zugänglichen Eisenoxide und -oxidhydroxide wurden hergestellt, charakterisiert und mit der unbekannten Probe verglichen. Aufgrund theoretischer Betrachtungen und vorliegender Experimente kann nur Ferrihydrit das gezeigte Verhalten erklären. A difficult to characterize product was analyzed with various advanced methods. The substance contains iron oxide particles on the nano scale with a so far undefined structure. The compound was examined by x-ray diffraction, electron microscopy and dissolution kinetics. All of them gave ferrihydrite as the most probable structure. Beside the common analysis methods the dissolution behavior was chosen because it can be used without further preparation of the substance. To compare with other structures, all easy available iron oxides and hydroxides were synthesized. Theory and experiment showed that only ferrihydrite can react like the unknown particles.

Im ersten Teil der Arbeit wurden die Wechselwirkungen von ultrafeinen Aerosolpartikeln mit Wasserdampf, bzw. -tropfen untersucht. Mit Hilfe eines selbst angefertigten Tandem-Differentiellen Mobilitätsanalysators wurden Wachstumsverhalten und mikrostrukturelle Umwandlungen von Kochsalz- und Bleisulfid-Kondensationsaersosolpartikeln und von NaCl-Dispersionsaerosolpartikeln quantifiziert. Die mikrostrukturellen Umwandlungen von unterschiedlich hydrophilen ultrafeinen Rußpartikeln durch Wechselwirkung mit Wassertropfen wurden mit einem Transmissionselektronenmikroskop charakterisiert. Im zweiten Teil der Arbeit wurde ein photoakustischer Sensor zur Bestimmung von Rußmassenkonzentrationen bis unter 1 µg/m³ entwickelt, charakterisiert und erprobt. The first part of the work deals with studies on the interaction of ultrafine aerosol particles with water vapor and droplets. Hygroscopic growth and microstructural rearrangements of NaCl and PbS condensation aerosol particles and NaCl dispersion aerosol particles were qunatitatively investigated with a self-constructed tandem-differential mobility analyzer. Changes in the microstructure of ultrafine soot aerosol particles with differing surface hydrophilicities after interaction with water droplets were characterized by transmission electron microscopic analysis. In the second part of the presented work, a photoacoustic sensor was developed, characterized and tested to measure soot mass concentrations down to less than 1 µg/m³.

In dieser Arbeit werden Nanostrukturen auf ihre optischen Eigenschaften untersucht. Dabei soll ihr Potential für eine gesteigerte Lichtabsorption in Solarzellen diskutiert werden. Be- trachtet werden metallische Nanoteilchen und ihre Licht-Materie Wechselwirkung. Zusätz- lich zur Lichtstreuung, die auch bei dielektrischen Teilchen auftritt, kann eine plasmonische Resonanz nachgewiesen werden. Für bestimmte Wellenlängen ist diese besonders ausge- prägt und weist ein charakteristisches Fernfeldverhalten auf. Die Silbernanoteilchen werden mit Hilfe der thermischen Entnetzung von dünnen Silberfil- men hergestellt. Diese Entnetzung ist zum Teil abhängig von der Methode des Aufbringens des Silberfilms wird aber von der Materialmenge und dem thermischen Prozess dominiert. Schichtdicke, Temperatur und Temperdauer stellen die Hauptparameter für die Erzeugung von stochastischen Teilchenverteilungen dar. Die Schichtdicke bestimmt die entstehende Teilchengröße und legt damit auch die Resonanzfrequenz der Teilchenverteilung fest. Es ist festzustellen, dass eine Temperatur um 500 °C bei einer Ausgangsschichtdicke von 45 nm zu einer Ausprägung von kugelförmigen und gleichgroßen Teilchen führt. Diese sind in der Lage nicht nur die Transmission und Reflexion eines Substrates zu verändern, sondern weisen auch eine charakteristische Streuung auf. Zufällig verteilte Sil- bernanoteilchen zeigen ein Streuvermögen mit sehr großem Streubereich, dabei ist die gemittelte Streuintensität der gemessenen Probenstelle über einen großen Winkelbereich und Wellenlängenbereich konstant. Allerdings ist die Gesamtstreuintensität teilweise nied- rig. Deshalb werden auch regelmäßige Siliziumoxidteilchen untersucht, die eine um den Faktor zehn höhere Streuintensität zeigen. Im Vergleich zu den dielektrischen Teilchen, lassen sich aber im Nahfeld plasmonische Verstärkungen gerade bei Edelmetallen wie Silber nachweisen. Dabei liegt die Herausforderung in der Komplexität der Messverfahren. In dieser Arbeit wird das optische Rasternahfeldmikroskop (SNOM) für die Untersuchung der lokalen elek- trischen Felderhöhung eingesetzt. Dabei werden die Messungen der optischen Informa- tionen im Beleuchtungs- und Sammelmodus in Reflexion und Transmission durchgeführt. Während weit separierte Teilchen eine eher gleich verteilte Nahfelderhöhung zeigen, wird bei stochastisch verteilten Silberteilchen die Erhöhung neben benachbarten Teilchen fest- gestellt. Um ein grundlegendes Verständnis für die Einflussfaktoren für eine SNOM Messung zu erhalten und die Auswertung zu unterstützen, wurden mit Hilfe der Methode der finiten Ele- mente Simulationen durchgeführt. Diese Simulationsmethode ist, durch die Zerlegung der Geometrie in kleinere Elemente, in der Lage numerische Berechnungen auch für komplexe realistische Messbedingungen durchzuführen. So konnten ganze Abrasterungen mit Son- de, Teilchen und Substrat simuliert werden. Die kritischste Größe ist bei einer Veränderung der Spitzenhöhe zu sehen, wenn diese den Kontaktmodus der Probe verlässt. Eine Ände- rung zwischen anderen Parametern oder der Gesamtgeometrie der Spitze, führt nicht zu einer Veränderung des detektierten optischen Effektes. Im Vergleich mit den realistischen Messungen lassen sich Übereinstimmungen feststel- len. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit dem Verlauf der Feldverstär- kungen. Es wird gezeigt, dass die Interaktion zwischen Teilchen mit der Spitze und der Interaktion der Spitze mit sich selbst sensitiver ist, als angenommen., In order to save material in solar cell applications, the scientific community and solar cell industry have moved towards increasingly thin absorber films with corresponding higher transmission losses. However, the main aim of research and development remains gaining efficiency. For this new nano optical concepts are required. In this work, the properties of nanostructures are studied. Therefore the near field and the far field behaviour has to be characterised. It is well known that nanostructures can scatter light and in addition, metallic nanostructures can also enhance the near field at certain wavelengths where they show plasmonic resonance. Silver particles can be produced by thermal annealing of thin silver films. The dewetting of such films will result in particles with a certain size, shape and nearest- neighbour dis- tribution. It is possible to adjust these parameters by choosing different film thicknesses, annealing temperatures and annealing times. With a temperature of 500 °C and a film thick- ness of 45 nm, spherical same size particles can be produced with a large distance between one another. The position of the typical plasmonic resonance in the reflection and transmission measu- rement was supplemented with an angle resolved scattering measurement. The stochastic distribution of silver nanoparticles shows a broad angle scattering over a long wavelength range. However, the total intensity is very low. Therefore, we investigated larger dielectric particles, which generate 10 times higher scattering intensity than the metallic structures for very specific scattering angles. The advantage of metallic particles is the near-field enhancement. The challenge of the near-field measurement lies in achieving a good near-field resolution in a complex measurement system. In this study, near-field optical microscopy is used to investigate the local field enhancement of interacting nano particles. For this, the measu- rement set-up was improved to get a deeper understanding of the optical imaging. In this experiment it was possible to measure all optical modes and sub modes simultaneously (il- lumination mode: reflexion and transmission, collection mode: reflexion and transmission). It can be shown that periodic silver nano particles develop a homogenous near-field enhan- cement around themselves. In comparison, random nanoparticles can form a much higher enhancement, when highly dense clusters are present. To gain a better understanding of how geometric factors can influence the SNOM measu- rement, we supported the evaluation of the near-field images with Finite-Element-Method (FEM) simulations. This simulation method deconstructs the simulation geometry in small elements and is able to solve wave problems even for complex structures. With this tech- nique, it was possible to simulate a realistic scan of a SNOM with probe, substrate and particle. The measurement height was considered the most critical parameter. Other para- meters such as the coating of the probe, aperture diameter or angle of the fibre will not affect the optical image significantly. Real measurements show good agreement with the realistic simulation. Although, the measurement is extremely sensitive to interactions between particle and the probe. With the data from far-field and near-field measurements, it can be concluded that silver nano particles exhibit high potential to be used as scatter and electric-field enhancers in solar cells.

Intermizellare Wechselwirkungen sind für die Bildung lyotroper Flüssigkristallphasen von grundlegender Bedeutung. In dieser Arbeit wurde die Existenz dynamischer Hydrathüllen in mizellaren Systemen gezeigt, die für die Vermittlung intermizellarer Wechselwirkungen über Lösungsmittelschichten hinweg verantwortlich sein können. Als geeignetes Modellsystem wurden hierfür binäre Mischungen des quartären Ammoniumsalzes Cetylethyldimethylammoniumbromid mit Wasser ausgewählt. Durch Messungen mittels dynamischer Lichtstreuung konnten die mizellaren Dimensionen wässriger CEDAB-Lösungen bestimmt werden. Die Untersuchung dynamischer Hydrathüllen erfolgte mittels Absorptionsmessungen im Ferninfrarot-Bereich nach der ATR-Methode. Dabei zeigte sich, dass die Mizellen das sie umgebende Wasserstoffbrückennetzwerk stark beeinflussen und es tatsächlich zur Ausbildung dynamischer Hydrathüllen kommt. Der Übergang in die nematische Phase findet erst statt, wenn das gesamte Lösungsmittel in dynamischen Hydrathüllen gebunden ist und diese zu überlappen beginnen. Anders als bei den für die Entwicklung des Messverfahrens herangezogenen wässrigen Glucose-Lösungen ist im Falle des CEDAB-Systems der Absorptionskoeffizient des Hydratwassers geringer als jener der freien Wassers. Dies kann als eine Schwächung der Wasserstoffbrückenbindungen in den dynamischen Hydrathüllen verstanden werden, die aus der Molekülstruktur resultiert. Die Reichweite des Solvateinflusses auf das Wasserstoffbrückennetzwerk ist jedoch unabhängig davon, ob dieser in einer Stärkung oder einer Schwächung des Wasserstoffbrückennetzwerks resultiert. Durch die Untersuchung wässriger Lösungen des nichtionischen Zuckertensids C8Gluco konnte gezeigt werden, dass in geeigneten lyotropen Systemen auch eine Stärkung der Wasserstoffbrückenbindungen in den dynamischen Hydrathüllen möglich ist. Diese fiel jedoch nicht so deutlich aus wie im Falle des Glucose-Systems, was wiederum auf die Struktur der Moleküle und die Mizellbildung zurückzuführen ist. So stehen im Falle des C8Gluco-Systems für jedes Solvatmolekül weniger als halb so viele Hydroxygruppen für die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen mit dem Lösungsmittel zur Verfügung. Eines der eindrucksvollsten Beispiele für die Bedeutung intermizellarer Wechselwirkungen ist die chirale Induktion in lyotropen Flüssigkristallphasen, die üblicherweise durch das Hinzufügen chiraler Moleküle als Dotierstoff hervorgerufen werden kann. In dieser Arbeit wurden erstmals helikale Nanopartikel als Dotierstoffe eingesetzt, die um ein Vielfaches größer waren als die Mizellen der lyotropen Wirtsphase. Die Nano-Helices wurden in lyotrop-nematischen Phasen dispergiert, eine einheitliche Probenorientierung konnte durch das Anlegen eines externen Magnetfelds erreicht werden. Durch polarisationsmikroskopische Untersuchungen konnte in den untersuchten Systemen die Bildung helikaler Überstrukturen gezeigt werden. Deren Ganghöhen liegen im Bereich weniger Millimeter, was unter Berücksichtigung der geringen Nanopartikelkonzentrationen in den Lösungen für ein beeindruckendes chirales Induktionsvermögen spricht. Die etablierten Mechanismen der chiralen Induktion in lyotropen Systemen können aufgrund der Größenverhältnisse zwischen den Nanopartikeln und den um zwei bis drei Größenordnungen kleineren Mizellen nicht zur Anwendung gebracht werden. Um die beobachteten Chiralitätseffekte zu erklären wurde deshalb auf ein von Ferrarini und Nordio entwickeltes Modell für die chirale Induktion in thermotropen Flüssigkristallen zurückgegriffen. Dieses beruht auf einem von der chiral verzerrten Oberfläche des Dotierstoffs auf den lokalen Direktor ausgeübten Drehmoment, das innerhalb der Wirtsphase aufgrund von deren Elastizität weitergegeben werden kann. Insgesamt liefert die vorliegende Arbeit wichtige Erkenntnisse für das Verständnis intermizellarer Wechselwirkungen in lyotropen Systemen. Mit der ATR-Ferninfrarot-Spektroskopie wird erstmals eine neue Methode für die Untersuchung der Hydratation von Mizellen präsentiert, die bei der weiteren mechanistischen Aufklärung des intermizellaren Informationstransports eine wichtige Rolle spielen könnte. Die verwendeten TiO2-Nano-Helices zeigen hingegen ein bemerkenswertes chirales Induktionsvermögen bei der Verwendung als Dotierstoffe in lyotropen Flüssigkristallphasen und erzeugen in orientierten Proben helikale Überstrukturen mit sehr großen Ganghöhen. Somit liefert diese Arbeit wichtige Grundlagen für weitere Untersuchungen, die dabei helfen können, die Mechanismen der Bildung lyotroper Flüssigkristallphasen und der chiralen Induktion in diesen besser zu verstehen., Intermicellar interactions are of fundamental importance for the formation of lyotropic liquid crystalline phases. This dissertation focuses on proving the existence of dynamical hydration shells in micellar systems and the investigation of their role in the mediation of intermicellar interactions across extended layers of solvent. Binary mixtures of the quarternary ammonium salt cetyldimethylethylammonium bromide (CEDAB) and water have been selected as a suitable model system. Dynamic light scattering was used to determine the micellar dimensions of aqueous solutions of CEDAB. The existence of dynamical hydration shells was verified by the results of absorption measurements in the far-infrared or terahertz range of the electromagnetic spectrum, which were carried out using the attenuated total reflection (ATR) method. It was shown that micelles greatly affect the surrounding hydrogen bond network and dynamical hydration shells actually exist. The transition into the nematic phase takes place after all of the solvent molecules are bound in dynamical hydration shells, which at this point have already started overlapping. Unlike the ones measured for the glucose/water system, which was used for developing the measuring procedure, absorption coefficients of the dynamical hydration shells in the CEDAB/water system are lower than the absorption coefficient of bulk water. This can be understood as a weakening of the hydrogen bonds within the dynamical hydration shells. The range of the solute’s influence on the solvent however does not depend on whether it causes a strengthening or a weakening of the hydrogen bond network. By investigating aqueous solutions of the nonionic monoalkyl glycoside n-octyl β-D-glucopyranoside (C8Gluco) it could be shown that in some lyotropic systems a strengthening of the hydrogen bond network can also be observed. However, the effect was not as distinct as in the case of the glucose/water system, which could be attributed to the molecular structure and micelle formation. In the case of the C8Gluco/water system less than half as much hydroxyl groups as in the glucose/water system are available for the formation of hydrogen bonds with the solvent. One of the most impressive examples of the importance of intermicellar interactions is chiral induction in lyotropic liquid crystalline phases, which can be stimulated by adding chiral molecules as a dopant. In this dissertation, helical nano particles are used as dopants in lyotropic liquid crystalline phases for the first time. These nano helices are many times bigger than the micelles of the lyotropic liquid crystalline host phase, in which they were dispersed. A uniform orientation of the samples could be stimulated by applying an external magnetic field. Polarized light microscopy showed the formation of helical superstructures in systems consisting of rod-shaped micelles as well as in those forming discotic micelles, showing pitches in the range of a few millimeters. Considering the rather low concentrations of nano particles, this hints at an impressive helical twisting power. However, the already established mechanisms of chiral induction in lyotropic systems cannot be applied on these systems, as the helical nano particles exceed the size of micelles in the lyotropic host phases by two to three orders of magnitude. Thus, a model for chiral induction in thermotropic liquid crystalline phases developed by Ferrarini and Nordio was adapted to these new systems in order to explain the chirality observed. It is based on a torque being applied by the dopant’s chirally distorted surface and passed on by the elasticity of the host phase. On the whole, this dissertation provides important insights for a better understanding of intermicellar interactions in lyotropic liquid crystalline systems. ATR far-infrared spectroscopy is introduced as a new method for the investigation of hydration processes in micellar systems and could play an important role in further elucidating the mediation of intermicellar interactions. The TiO2 nano helices however show a remarkable helical twisting power when used as chiral dopants in lyotropic liquid crystalline phases and induce helical superstructures with very large pitches in well-oriented samples. Thus, the dissertation provides an important basis for further studies that may help to improve our understanding of the mechanisms for the formation of lyotropic liquid crystalline phases and the chiral induction in these systems.

The main aim of this study was to investigate the effect of magnetic thermoablation on different tissues. The application of superparamagnetic nano particles was explored in two ways: first: as a bolus injection, i.e. the ferro fluids were injected directy into the target. Second: as a permanent infusion with the aid of a perfusor, so that the nano particles were injected continously during the period of ablation. Three different ferro fluids containing different concentration of ferro oxide particles (171 mg/ml, 192 mg/ml, 214 mg/ml) were tested three different tissues each (kidney, liver, muscle) of a pig. The samples were exposed to a varying magnetic field caused by circular coils for 5 minutes. Two optic temperature probes were used to detect the temperatures in the centre and the circumference of the nano particle depot. They were implanted in a distance of one centimeter to each other. The temperatures were measured until reaching the output temperature. Then the tissues were were checked on any signs of necrosis, like brightening tissue around black nano particles. With the bolus application the following average maximum volume of necrosis was found out: the maximum volume of necrosis in kidney tissue (149, 33 ± 59,37 mm³) was reached with fluid 3 (214 ng/ml), in the liver tissue the maximum (199,91 ± 77,65 mm³) was also reached with fluid 3 (214 ng/ml), and again the maximum in the muscle tissue ( 199,18 ± 123,66 mm³) with fluid 3 (214 ng/ml). With the permanent infusion higher average maximum volumes of necrosis were reached: the maximum volume of necrosis in kidney tisuue was 976,41 ± 565,52 mm³ , reached with fluid 2 (192 ng/ml), in the liver tissue the measuring showed a maximum volume of necrosis of 457,21 ± 242,96 mm³, also reached with fluid 2 (192 ng/ml). The result for the muscle tissue was 1441,47 ± 438,19 mm³ reached with fluid 3 (214 ng/ml).he highest temparatures with the bolus injection were reached in kidney with 64 ± 6,09°C, in liver 75,94 ± 9,34°C, and in muscle 64,32 ± 7,61°C. With the permanent infusion the results wre as lollows: a maximum temperature of 78,44 ± 4,27°C in kidney, 73,82 ± 9,55°C in liver and 69,22 ± 3,40°C in muscle. The results of this study verify the feasibility of magnetic thermoablation in different applications, i.e. the bolus injection and the permanent infusion. The permanent infusion reached larger zones of necrosis in comparison to the boplus injection. In addition to that the results show that there are significant differences between the three tissues (kidney, liver, muscle) in the maximum temperatures and the size of necrosis. Thermoablation with the help of nano particles is a chance of reaching and treating neoplasm in alomost any area of the human body, without any radiation exposure of the patient, with hardly any danger of unwanted secondary facts.

In der Natur gibt es vielfältige hoch interessante Phänomene, die man sich nur durch die Kombination von biologischem und technischem Wissen erklären kann. Zum Beispiel der so genannte „Lotuseffekt“, wobei es durch die Nano-Strukturierung der Oberflächen der Pflanze zu einem Selbstreinigungsprozess derselben kommt. Der Mensch hat nun begonnen, dieses vorhandene Wissen zu studieren, zu ergründen und sich letztendlich nutzbar zu machen. Daraus resultiert eine neue wissenschaftliche Fachrichtung, „Bionik“ genannt. Eine Schlüsseltechnologie bei der Anwendung der Bionik für unser tägliches Leben ist die so genannte Nanotechnologie. Dabei werden auf verschiedenste Weisen (chemisch, physikalisch, biologisch) nanoskalige Strukturen hergestellt beziehungsweise geschaffen um im Sinne der Bionik in unserem Alltag Verwendung zu finden. Das Ziel der Nanotechnologie kann als die Möglichkeit beschrieben werden, aus Molekülen Objekte zu generieren und Objekte wiederum in Moleküle zu zerlegen. Die Natur wird hierbei als Vorbild verwendet, da der Aufbau biologischer Systeme durch nanoskalige Prozesse geleitet wird, die über Jahrmillionen evolutionär optimiert wurden. In diesem System hat die Nanobiotechnologie in den letzten Jahren maßgeblich dazu beigetragen, biologisch interessante Systeme grundlegend zu verstehen und nanoskalige funktionale Einheiten kontrolliert zu generieren. Um die Nanobiotechnologie im Speziellen besser überblicken zu können, wurde innerhalb der VDI eine Einteilung in Nano-to-Bio-Systeme und Bio-to-Nano-Systeme vorgenommen, die im Detail nachfolgend Verwendung findet und erklärt wird. „Nano-to-Bio“-Systeme beschreiben nanotechnologische Verfahren und Materialien, die zur Manipulation biologischer Systeme eingesetzt werden. Im Gegensatz dazu beschreiben „Bio-to-Nano“-Systeme Prinzipien der Biologie, die, in technische Systemen übertragen, jetzt nutzbar gemacht werden. Wie gesagt ist die Nanobiotechnologie die Kernwissenschaft, um die evolutionär optimierten natürlichen Systeme für technische Anwendungen nutzbar zu machen. Auch mit Hilfe der heutigen Gentechnik ist es möglich, biologische Materialien gezielt auf die beabsichtigte technische Anwendung hin zu modifizieren. Ein solches biologisch wie technisch interessantes System mit einem hohen Grad an Anwendungspotential, in zum Beispiel der Dokumentessicherung und der Druckfarbentechnik, ist das seit nunmehr 30 Jahren bekannte Transmembranprotein Bakteriorhodopsin, das für diese Art der Anwendungen quasi als Prototyp angesehen werden kann. Das Protein zeigt mit seiner natürlichen Funktion der Photosynthese, für nano(bio)technologische Anwendungen interessante Eigenschaften. Aufgrund seiner optischen und photochemischen Eigenschaften und der Stabilität gegen chemische und physikalische Einflüsse ist Bakteriorhodopsin für den Einsatz in der optischen Informationspeicherung und -verarbeitung, der Energieumwandlung und der Optoelektronik besonders geeignet. Auch in der Sicherheitstechnik konnte gezeigt werden, dass modifiziertes Bakteriorhodopsin als farbgebendes photochromes Pigment ein großes Anwendungspotential besitzt. Im Gegensatz zu dieser Verwendung des membranintegrierten Bakteriorhodopsins in nicht „Bio-to-Nano“-Systemen, beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Untersuchung der Anwendungsmöglichkeiten des membranintegrierten Bakteriorhodopsin in Bio-to-Nano-Systemen. Die thematische „Hauptausrichtung“ liegt dabei in der Vertiefung des Konzepts der gerichteten Stapelung von Purpurmembranfragmenten zum Aufbau von zum Beispiel elektrooptischen Schalteinheiten. Die Eigenschaft des Bakteriorhodopsins, eine Photospannung über die Membran hinweg erzeugen zu können, soll mittels gerichteter Stapelung mehrerer Purpurmembranen, so genutzt werden, dass sich die erzeugte Spannung additiv erhöht. Als Konzept wird versucht mittels zweier komplementärer ssOligonucleotid-Stränge, die Purpurmembranfragmente gerichtet zu stapeln. Ein weiteres interessantes „Bio-to-Nano“-System mit entsprechendem möglichen Wachstumspotential ist das sogenannte „nanowiring“. Dabei wird ein miniaturisierter, elektronisch funktionsfähiger Schaltkreis auf DNA-Basis durch einen Selbst-assemblierungsprozess generiert. Um die notwendige elektrische Funktionalität im Schaltkreis zu erreichen, kombiniert man die gute Leitfähigkeit des Goldes mit der natürlichen Affinität von komplementären ssDNAs zueinander. Damit ist es möglich über Selbstassemblierung hoch-komplexe Strukturen von Schaltkreisen zu generieren. Aufbauend auf die bereits etablierte Möglichkeit der Gold-Bindung an PM und der Dekoration von Gold-Nanoteilchen mit bis zu 7 verschiedenen ssDNA-Strängen, soll an dieser Stelle gezeigt werden, dass es möglich ist, ssOligo an PM zu binden, das mit Gold-Nanopartikeln aktiviert ist. Das angebundene ssOligo wird anschließend mit dem entsprechenden Komplementär hybridisiert., In nature there are various highly interesting phenomena, which one can explain oneself only by the combination of biological and technical knowledge. For example „the Lotuseffekt in such a way specified “, whereby it comes by the nano-structuring of the surfaces of the plant to a self purification process the same. Humans began now to study this existing knowledge to fathom and finally make themselves usable. From this a new scientific field results, „to bionics “mentioned. A key technology with the application of the bionics for our daily life is the nano-technology in such a way specified. To find manufactured in most diverse ways (chemically, physically, biologically) nanoskalige structures and/or production over in the sense of the bionics in our everyday life use. The goal of the nano-technology can be described as the possibility of generating from molecules of objects and of dividing objects again into molecules. Nature is used here as model, since the structure of biological systems is led by nanoskalige processes, which were evolutionary optimized over millions of years. In this system the nano-biotechnology contributed in the last years considerably to understand biologically interesting systems fundamentally and to generate nanoskalige functional units controlled. In order to be able to grasp the nano-biotechnology in the special one better, within the VDI an organization into nano-raving IO systems and bio ton nano-systems was made, which finds use in the following in the detail and one explains. „Nano-ton bio “- systems describe nano-technological procedures and materials, which are used for the manipulation of biological systems. In contrast to it „bio ton nano “- systems describe principles of biology, which transfer, into technical systems, now to be made usable. As the nano-biotechnology the core science is said, in order to make the evolutionary optimized natural systems for technical applications usable. Also with the help of the today's genetic engineering it is possible to modify biological materials purposefully at intended technical application. Such biologically like technically interesting system with a high degree at application potential, in for example the document safety device and the printing ink technology, is for now 30 years the well-known Transmembranprotein Bakteriorhodopsin, which can be regarded for this kind of applications quasi as prototype. The protein shows technological applications interesting characteristics with its natural function of photosynthesis, for nano (bio). Due to its optical and photochemical characteristics and stability against chemical and physical influences Bakteriorhodopsin for the employment is particularly suitable in the optical Informationspeicherung and - processing, the energy conversion and optoelectronics. Also in the safety engineering it could be shown that modified Bakteriorhodopsin possesses a large application potential as colorgiving photo chrome pigment. Contrary to this use of the diaphragm-integrated Bakteriorhodopsins in not „bio ton nano “- systems, the available work concerns itself with the investigation of the application possibilities of the diaphragm-integrated Bakteriorhodopsin in bio ton nano-systems. The topic tables „“is appropriate for main adjustment thereby in the recess of the concept of the arranged stacking of magenta diaphragm fragments for the setting up from for example electrooptical Schalteinheiten. The characteristic of the Bakteriorhodopsins to be able to produce a photoelectric voltage over the diaphragm away is to be thus used by means of arranged stacking of several magenta diaphragms, that the produced tension additive increases. As concept tried by means of two complementary ssOligonucleotid strands to stack the magenta diaphragm fragments arranged. A further interesting „bio ton nano “- system with appropriate possible growth potential is the so-called „nanowiring “. A miniaturized, electronically functional circuit on DNA basis is generated by a self assembly process. In order to achieve necessary electrical functionality in the circuit, one combines the good conductivity of the gold with the natural affinity of complementary to each other ssDNAs. Thus it is to be generated possible over self assembly high-complex structures from circuits to. Constructing on the possibility of the gold connection at PM and the decoration of gold nano-particles with up to 7 different ssDNA strands, already established, it is to be demonstrated here that it is possible to bind ssOligo at PM which is activated with gold nano-particles. The tied up ssOligo is hybridized afterwards with the appropriate complementary.

In dieser Arbeit werden Nano-Teilchen (typischer Durchmesser unter 10 nm) untersucht, die aus den ferromagnetischen Materialien Eisen, Kobalt und Nickel bestehen. Es werden die magnetischen Eigenschaften mittels SQUID-Magnetometrie untersucht. Dafür werden neue Messstrategien vorgestellt, um die Einflüsse von Anisotropie und Wechselwirkung zwischen den Teilchen trennen und quantifizieren zu können. Bei der Auswertung der Messungen an drei unterschiedlichen Nano-Teilchen-Systemen werden verschiedene Modelle verwendet: Zum einen wird die Abweichung vom idealen superparamagnetischen Verhalten durch die Einführung eines Störfeldes in die Langevin-Funktion berücksichtigt. Zum anderen wird in Anlehnung an das Stoner-Wohlfarth-Modell (uniaxiale Anisotropie) eine Zwei-Niveau-Relaxation vorgeschlagen, wobei die Wechselwirkung zwischen den Nano-Teilchen im Sinne eines Mean-Field berücksichtigt wird. In diesem Modell lassen sich der Einfluss der Wechselwirkung und der Anisotropie auf das magnetische Verhalten eindeutig voneinander trennen. Desweiteren wird das Stoner-Wohlfarth-Modell für den Fall geblockter Nano-Teilchen-Magnetisierung untersucht. Die gemittelte Lage der Minima der Energiedichtekurve wird für den Fall statistisch orientierter leichter Achsen durch eine neu vorgeschlagene Funktion beschrieben. Zusätzlich werden die Magnetisierungsmessungen mit Monte-Carlo-Simulationen verglichen. Bei den Simulationen wird die Wechselwirkung über die Dipolfelder der Teilchen modelliert. Der Einfluss der Parameter Teilchengröße, Anisotropie und Wechselwirkung wird untersucht und ist in Einklang mit den Messungen. Die untersuchten Probensysteme sind Ferrofluide mit Kobalt-Nano-Teilchen, Nickel-Nano-Teilchen die in einer Keramik eingebettet sind und Eisen-Nano-Teilchen-Cluster, die auf eine Mylarfolie aufgebracht wurden., In this thesis, nano-particles (typical diameter below 10 nm) made from the ferromagnetic materials Iron, Cobalt and Nickel are being examined. The magnetic properties are investigated by means of SQUID-magnetometry. With new measurement techniques it is possible to distinguish qualitatively and quantitatively between the influences on the magnetic behaviour arising from anisotropy and particle-particle interaction. For the interpretation of the measurements on various nano-particle systems, several models are being used. The deviation from the ideal superparamagnetic behaviour is regarded by introducing an additional so-called disturbing field in the Langevin-function. On the other hand, the two-level-two-way relaxation is being used. The two levels correspond to the two minima of the energy-density curve of a Stoner-Wohlfarth particle in an external magnetic field (uniaxial anisotropy). The interaction between the particles is introduced in a mean-field approach. With this model it is possible to seperate the influences of anisotropy and interaction from magnetization measurements. In a further step, the magnetization of blocked nanoparticles is being investigated. The angles belonging to the minima of the Stoner-Wohlfarth energy-density distribution are being described by a new easy-to-use analytical function for the case of randomly oriented easy axes. Additionally, the magnetization measurements are being compared with monte-carlo simulations. The interaction between the particles is introduced via dipol fields. The influence of the particle size, the anisotropy and the interaction is being studied and in agreement with the measurements. There are three different kinds of samples which are being subject to measurements in this work: Cobalt ferrofluids, Nickel nano-particles in a ceramic matrix and Iron nano-particles deposited on a mylar-foil.

In times of climate change, reducing emissions is a key aspect of the research done in the transportation industry. As one of the most important lightweight materials, aluminium occupies a crucial role in this regard. By increasing the functional properties of current aluminium alloys, manufacturers could, therefore, decrease the component weight, thereby reducing emissions. The weight canbe lowered by either utilizing a more lightweight design or alternatively substituting iron-based components for the aluminium ones. It is challenging to process high-strength aluminium alloys with additive manufacturing because they are prone to hot-cracking. “Defect-free” manufacturing can, therefore, only be accomplished by using complex additions such as nano particles or rareearth elements. Due to their documented resistance against hot-cracking as well as their mechanical properties, Al-Ni-alloys based on the α-Al + Al₃Ni eutectic system are promising candidates for investigationwith additive manufacturing.Within this thesis a comprehensive characterization of the microstructural and mechanical propertiesof Al-Ni-alloys in the additive manufactured state is being conducted for the first time. Also, the effect of selected strengthening agents on additively manufactured components is being investigated. The following alloys are taken into consideration in the scope of the thesis: AlNi7.5,AlNi7.5Cu0.5, AlNi7.5Cu2.0, AlNi7.5Zr0.5 and AlNi7.5Mg1.0Si0.5 (values refer to Wt. %). By achieving certain thresholds of the mechanical properties (ultimate tensile strength at room temperature/250 °C: 500 MPa/150 MPa), these experiments shall lay the foundation for future researchas well as for the application of Al-Ni alloys as structural components. Within parameter studies conducted with laser powder bed fusion, it can be confirmed that Al-Ni-alloyscan be processed (crack-free; part density ≥ 99.9 %) with additive manufacturing. The eutectic phases α-aluminium and Al₃Ni can be detected. The solidification structure within the melt tracks is characterized by a cellular Al₃Ni structure embedded within an α-aluminium matrix. Throughout all alloys and states considered in this thesis, the tensile properties determined demonstrate a comparably high strength with a maximum value of 556 MPa. This finding also applies for investigations conducted at elevated temperatures. In particular, the addition of 0.5 Wt. % Zr can thermally stabilize the alloy and leads to the determination of an ultimate tensile strength of 214 MPa at 250 °C.Among the alloys investigated, the elongation at failure was reduced when the testing temperature is increased above 150 °C because of an embrittlement of the grain boundaries. An exception inthis regard is the alloy AlNi7,5Mg1,0Si0,5. When Mg and Si are added, comparably ductile failurebehaviour can be achieved at elevated temperatures. Furthermore, the light weight potential of additively manufactured Al-Ni-alloys is being demonstrated by the fabrication of complex part geometries.

The adsorption and organization of reactive microgels has been investigated on technical aluminium. By means of a two-step emulsion polymerisation with phosphate substituted monomer we obtain polymeric nano-particles with phosphate groups on the surface. In a first step cross-linked butyl acrylate/styrene particles were formed. In a second step a mixture of functionalised acrylate and butyl acrylate/styrene was added to the system. In this way, the composite particles were obtained. Particle size and size distribution were measured by F-FFF and light scattering methods. For phosphate functionalised dispersions, it was possible to show the distribution of P-species around particles by energy dispersive TEM easurements. These nano-particles adsorb spontaneously onto aluminium surfaces from aqeous dispersion. They form well packed layers, which have been proved by SEM measurements. The properties of the adsorbed microgel layers were confirmed by industrial linked adhesion and corrosion tests. Panels with adsorbed phosphate funczionalised particles have an excellent corrosion inhibition effect.