Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5901
Main Title: Opto-mechanical properties of macromolecules on solid surfaces
Translated Title: Opto-mechanische Eigenschaften von Makromolekülen auf Oberflächen
Author(s): Liebig, Tobias
Advisor(s): Rabe, Jürgen P.
Referee(s): Klitzing, Regine von
Rabe, Jürgen P.
Genzer, Jan
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: In order to investigate the mechanical properties of macromolecules, the group led by Professor Rabe at the Humboldt Universität zu Berlin developed a “molecular workbench,” a set of methods and techniques focusing on the scanning force microscope (SFM). Building on that basis, different substances in different environments can be analyzed and their properties can be determined. To understand the controlled breaking of worm-like chains like DNA, pUC19 plasmids were fixed between two anchor molecules on a modified graphite surface. Then, using the tip of the SFM, the DNA was broken. A special focus was on the influence of different breaking geometries. In order to accomplish this, dendronized polymers with a high molar mass were placed on pre-coated Highly Oriented Pyrolytic Graphite (HOPG) and, under UV light, covalently linked to the DNA. The coating of the sample was chosen in such a way, that the molecules could be easily imaged yet pushed around on the surface using the SFM tip. Using the tip, the DNA was pulled away at a point centrally located between the anchors and, in about 50% of the cases, the chain broke. Predictions regarding the influence of different factors on the breaking of chemical bonds, such as the dependency between breaking and time, length of the DNA, and the stretching factor, were shown to be true and the spring constant for over-stretched DNA was calculated to be 1.274 · 10−5 ±0.208 · 10−5 N/m. Meiners et al. used “thermal fluctuations of single DNA molecules with a novel optical tweezer to measure the spring constant of DNA. For a stretching factor of ∼ 1.92 they found it to be ∼ 0.6 · 10−5 N/m. The calculated result of the present work is, within acceptable error, comparable to that of Meiners et al. To investigate the bending behavior of rod-like molecules, Tobacco Mosaic Viruses (TMV) were deposited on pre-coated graphite. Due to the coating the molecules could be manipulated using the SFM tip and still be imaged well. The viruses were pushed at one end with the SFM tip into a position perpendicular to the molecules. Bendingto the point of breaking made it possible to gain insight into the forces breaking the molecule. Using the Euler-Bernoulli-beam theory and the work of Falvo et al., the maximum bending moment could be calculated to be 2.1 · 10−17 Nm ± 0.4 · 10−17 Nm and the minimum static friction necessary to pin the TMV to the surface to be up to 1 mN/m . Falvo et al. estimated the dynamic friction of TMV on uncoated graphite to be 5 mN/m. In order to study materials that undergo massive change in conformation via external stimuli, the optical switching of rod-like macromolecules with azobenzene incorporated into their backbone (P1 and P2) was investigated in solution and on mica. The molecules were irradiated with UV in solution to bring them from the almost straight trans-state in the crooked cis-state. In solution, the molecules form aggregates which can be deposited on a mica surface. The longer the solution was irradiated, the smaller the aggregates became, until they completely disappeared. The molecules were then deposited in layers of several nanometers on mica and the switching in bulk was investigated, for which purpose the absorption behavior of different layer thicknesses was measured. Surprisingly, within the margin of error, the layer thickness had no influence on the percentage of azo-units undergoing photoisomerization. The process seems not to be limited by the conformation within the layers. This work served as a starting point for further experiments by Chien-Li Lee and Christopher Weber from the Humboldt Universitüt zu Berlin.
Um die mechanischen und chemischen Eigenschaften von Makromolekülen untersuchen zu können, wurde in der Arbeitsgruppe von Professor Rabe an der Humboldt Universität zu Berlin die „Molekulare Werkbank“, ein Satz von Methoden und Techniken rund um das Rasterkraftmikroskop (SFM), entwickelt. Auf dieser Basis können verschiedene Stoffe in unterschiedlichen Umgebungen und auf unterschiedliche Arten untersucht und ihre Eigenschaften bestimmt werden. Um das kontrollierte Reißen von wurmartigen Ketten wie DNA zu untersuchen, wurden Stücke von pUC19 Plasmiden zwischen Ankermolekülen auf einer modifizierten Graphitoberfläche fixiert und mit Hilfe der SFM-Spitze kontrolliert zerrissen. Hierbei sollte im Besonderen der Einfluss von verschiedenen Geometrien auf das Reißverhalten der DNA untersucht werden. Zu diesem Zweck wurden dendronisierte Polymere mit hoher molarer Masse auf vorbeschichtetem Graphit abgeschieden und unter UV-Bestrahlung kovalent an die DNA gebunden. Die Beschichtung der Probe war dabei so gewählt, dass sowohl die DNA als auch die Anker von der SFM-Spitze direkt bewegt, aber trotzdem noch gut abgebildet werden konnten. Mit Hilfe der SFM-Spitze wurde die DNA in der Mitte von den Ankern weggezogen und in etwa der Hälfte der Fälle riss die Kette. Die gemachten Vorhersagen über den Einfluss verschiedener Faktoren, wie die Abhängigkeit vom Reißen zurzeit, der Länge der DNA und dem Streckfaktor, konnte gezeigt und die Federkonstante von überstreckter DNA konnte mit 1.274 · 10−5 ± 0.208 · 10−5 N/m berechnet werden. Meiners et al. benutzten die thermische Fluktuation einzelner DNA Moleküle und eine optische Pinzette, um die Federkonstante von DNA zu bestimmen. Bei einer Streckung von ∼ 1.92 maßen sie eine Federkonstante von ∼ 0.6 · 10−5 N/m. Das berechnete Ergebnis dieser Arbeit ist mit akzeptablem Fehler mit der Arbeit von Meiners et al. vergleichbar. Um das Biegeverhalten von stabförmigen Molekülen zu untersuchen, wurden Tabakmosaikviren (TMV) auf vorbeschichtetem Graphit deponiert. Durch die Beschichtung konnten die Moleküle von der SFM-Spitze verschoben und gebogen, aber dennoch gut abgebildet werden. Die Spitze des SFM wurde dann verwendet, um die Viren an einem Ende senkrecht zum Molekül zu verbiegen. Durch das Erreichen des Bruchpunktes war es möglich, Aussagen über die Inneren Kräfte beim Brechen zu treffen. Unter zu Hilfenahme der Euler-Bernoulli-Theorie über das Biegen von Balken und der Arbeit von Falvo et al., konnte das maximale Biegemoment der Viren auf 2.1 · 10−17 Nm ± 0.4 · 10−17 Nm bestimmt werden. Die minimale statische Reibung der Oberfläche die notwendig war, um die Viren auf der Oberfläche zu fixieren, lag bei bis zu 1 mN/m . Falvo et al. schätzen in ihrer Arbeit der dynamische Reibung von TMV auf unbeschichtetem Graphit mit 5 mN/m ab Um Materialien zu untersuchen, in denen externe Stimuli massive Änderungen der Konfirmation hervorrufen, wurde das optische Schalten von stabförmigen Makromolekülen mit Azobenzenen im Rückgrat (P1 und P2) sowohl in Lösung, als auch auf Glimmer untersucht. Dazu wurden die Moleküle in einem Lösungsmittel verschieden lange Zeit mit UV bestrahlt, um sie vom nahezu graden trans-Zustand in den gekrümmten cis-Zustand zu schalten. Die Lösung wurde anschließend auf Glimmer aufgebracht und die Größe der Aggregate untersucht, die sich in Lösung bilden. Dabei führte eine längere Bestrahlung und damit ein höherer cis-Anteil zu kleineren Aggregaten, bis hin zu ihrem völligen Verschwinden. Anschließend wurden dicke Schichten von P1 auf Glimmer aufgetragen und das Schalten auf der Oberfläche untersucht. Zu diesem Zweck wurde das Absorptionsverhalten der Schichten in Abhängigkeit von ihrer Dicke bestimmt. Überraschender Weise hatte, innerhalb der Fehlerbalken, die Schichtdicke keinen Einfluss auf den prozentualen Anteil der geschalteten Azo-Verbindungen. Der Prozess scheint durch die Beschränkungen innerhalb der Schichten nicht limitiert zu werden. Chien-Li Lee und Christopher Weber von der Humboldt Universität zu Berlin diente diese Arbeit als Startpunkt für weitere Experimente.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6345
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5901
Exam Date: 24-Feb-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 15-May-2017
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::539 Moderne Physik
Subject(s): scanning force microscope
AFM
DNA
tobacco mosaic virus
azobenzene
mechanical properties
surface
breaking
bending
switching
UV
mechanische Eigenschaften
Oberfläche
reißen
biegen
schalten
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