Dokumentation im August 2011 herausgegeben vom. MAX-PLANCK-INSTITUT FÜR INTELLIGENTE SYSTEME (ehemals Max-Planck-Institut für Metallforschung)

im August 2011 herausgegeben vom MAX-PLANCK-INSTITUT FÜR INTELLIGENTE SYSTEME (ehemals Max-Planck-Institut für Metallforschung) Stuttgart Abteilung Theorie inhomogener kondensierter Materie, Prof. Dietrich Abteilung Niederdimensionale und metastabile Materialien, Prof. Rühle / Prof. Dosch Abteilung Phasenumwandlungen, Thermodynamik und Kinetik, Prof. Mittemeijer Abteilung Moderne magnetische Materialien, Prof. Schütz Abteilung Neue Materialien und Biosysteme, Prof. Spatz

Umschlagbild: MOFs Metal-Organic Frameworks sind eine neue, faszinierende Klasse von kristallinen Festkörpern. Innerhalb der MOFs bilden Metall-Sauerstoff-Cluster mit organischen Molekülbrücken ein dreidimensionales Gitter. Diese löchrige Struktur macht die MOFs sehr leicht und ausgesprochen porös. Die extrem große innere Oberfläche bietet vielen Wasserstoffmolekülen Platz, so dass diese sich bei tiefen Temperaturen von -196 C aufgrund von Van-der-Waals-Kräften anlagern. Dieser Prozess der Kryosorption kann effizient und technisch nutzbar zur Wasserstoffspeicherung eingesetzt werden, denn H2 lässt sich so dichter packen als im gasförmigen Zustand. Dr. Michael Hirscher, Abteilung Moderne magnetische Materialien (2010) Hier aufgeführte Arbeiten aus dem Jahr 2009 lagen bei Redaktionsschluss des vergangenen Berichts noch nicht vor. Herausgeber: Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (ehemals MPI für Metallforschung) Heisenbergstr. 3, 70569 Stuttgart Telefon 0711 689-1933, Telefax 0711 689-3002 E-Mail: klooz@is.mpg.de http://www.is.mpg.de Verantwortlich für den Inhalt: Prof. Dr. rer. nat. Bernhard Schölkopf Redaktion: Layout: Druck: Heide Klooz Claudia Däfler Druckerei Aickelin Druck und Medien, Leonberg Stand: August 2011

Inhaltsverzeichnis Struktur und Gliederung des Instituts 4 Wissenschaftliche Veröffentlichungen a) Veröffentlichungen in Zeitschriften und Konferenzberichten 10 b) Monographien und Beiträge zu Sammelwerken 27 c) Herausgabe von Zeitschriften 27 Erfindungs- und Patentanmeldungen 28 Abgeschlossene Arbeiten a) Habilitation 29 b) Dissertationen 29 c) Master- und Diplomarbeiten 30 Doktoranden 32 Gastwissenschaftler 36 Sonstige Mitteilungen a) Ehrungen 38 b) Berufungen / Ernennungen 38 c) Wissenschaftliche Veranstaltungen 39 d) Weitere Veranstaltungen 39 Tätigkeitsberichte im Jahrbuch der Max-Planck-Gesellschaft 2010 / 2011 Herstellung von hocheffizienten Nanostrukturen aus kristallinem Silizium 40 bei niedrigen Temperaturen, katalysiert durch Metalle: Die entscheidende Rolle der Grenzflächenthermodynamik Zumin Wang, Lars P.H. Jeurgens, Eric J. Mittemeijer Die süße Hülle lebender Zellen - von der supramolekularen Struktur und 53 Dynamik zur biologischen Funktion Ralf Richter 3

Personelles Max-Planck-Institut für Metallforschung Struktur und Gliederung (2010) Geschäftsführender Direktor / Kommissarischer Leiter Prof. Dr. rer. nat. Joachim P. Spatz Wissenschaftliche Mitglieder Prof. Dr. rer. nat. Siegfried Dietrich Prof. Dr. Ir. Eric Jan Mittemeijer Prof. Dr. rer. nat. Dr. Ing. h.c. Manfred Rühle Prof. Dr. rer. nat. Gisela Schütz Prof. Dr. rer. nat. Joachim P. Spatz Leiter einer Nachwuchsgruppe Dr. Raquel Martin, MBA / Dr. rer. nat. Christian Böhm Dr. rer. nat. Ralf Richter Dr. Ana Garcia-Saez Dr. Sylvie Roke Max Planck Fellow Prof. Dr. rer. nat. Clemens Bechinger Emeritierte Wissenschaftliche Mitglieder Prof. Dr. rer. nat. Fritz Aldinger Prof. Dr. phil. Dr. h.c. Hellmut Fischmeister Prof. Dr. rer. nat. Volkmar Gerold Prof. Dr. rer. nat. Helmut Kronmüller Prof. Dr. rer. nat. Dr. h.c. mult. Günter Petzow Prof. Dr. rer. nat. Dr. h.c. Alfred Seeger Prof. Dr. rer. nat. Dr. h.c. Günther Tölg Auswärtige Wissenschaftliche Mitglieder Prof. Dr. Jacques Friedel, Paris, Frankreich Prof. Dr. Arthur Heuer, Cleveland, Ohio, USA Prof. Dr. Johannes Heydenreich, Halle (Saale), Deutschland Prof. Dr. Frans A. Spaepen, Cambridge, MA, USA 4

Personelles Fachbeirat Vorsitzender: Prof. Dr. Itamar Willner, Jerusalem, Israel Stellvertretender Vorsitzender: Prof. Dr. Yves Bréchet, Grenoble, France Prof. Dr. Friedrich G. Barth, Wien, Österreich Prof. Dr. Daan Frenkel, Cambridge, Großbritannien Prof. Dr. George C. Hadjipanayis, Newark, DE, USA Prof. Dr. Jim M. Howe, Charlottesville, VA,USA Prof. Dr. Paul Leiderer, Konstanz, Deutschland Prof. Dr. Gabrielle Long, Argonne, IL, USA Prof. Dr. Uri Sivan, Haifa, Israel Prof. Dr. Marcel A. J. Somers, Lyngby, Dänemark Kuratorium Vorsitzender: Prof. Dr. Winfried J. Huppmann, Eschen, Liechtenstein Stellvertretender Vorsitzender: Dr. Peter Grahle, Mössingen, Deutschland Ehrenvorsitzender: Prof. Dr. Karl Ganzhorn, Sindelfingen, Deutschland Dr. Siegfried Dais, Gerlingen, Deutschland Prof. Dr. Thomas Hirth, Stuttgart, Deutschland Dr. Heinrich Lohstöter, Neumarkt, Deutschland Dr. Alexander Mäder, Stuttgart MinDir. Dr. Gisela Meister-Scheufelen, Stuttgart, Deutschland Prof. Dr.-Ing. Wolfram Ressel, Stuttgart, Deutschland OB Dr. Wolfgang Schuster, Stuttgart, Deutschland MinDir. Klaus Tappeser, Stuttgart, Deutschland Prof. Dr. Eberhard Umbach, Karlsruhe, Deutschland Prof. Dr. Hans-Joachim Werner, Stuttgart, Deutschland StS Hubert Wicker, Stuttgart, Deutschland Prof. Dr. Martin Winterkorn, Wolfsburg, Deutschland 5

Personelles Am Institut tätige Wissenschaftler (Stand 31. Dezember 2010) Dr. rer. nat. Marcus Abel Priv.-Doz. Dr. rer. nat. habil. Peter Antonie van Aken Prof. Dr. rer. nat. Clemens Bechinger Dr. rer. nat. Ferdinand Belz Dr. Anja Christina Bernecker Dr. rer. nat. Markus Bier Dr. rer. nat. Ewald Bischoff Dr. rer. nat. Stephanie Bleicken Dr. rer. nat. Christian Böhm Dr. rer. nat. Heike Böhm Dr. /VAK Moskau Volodymyr Bugaev Dr. Miguel Castillo-Rodriguez Dr. rer. nat. Elisabetta Ada Cavalcanti-Adam Dr. rer. nat. Alex de Beer Dr. rer. nat. Melissa Delheusy Dr. rer. nat. Fabian Dörfler Dr. rer. nat. Mihaela Drumea-Mirancea Prof. Dr. rer. nat. Manfred Fähnle Dr. Roberto Fiammengo Dr. Ana Garcia Saez Fania Geiger Priv.-Doz. Dr. rer. nat. habil. Eberhard Goering Dr. rer. nat. Nina Christine Grunze Dr. Tamas Haraszti Dr. rer. nat. Michael Hirscher Dr. rer. nat. Vera Catherine Hirschfeld-Warneken Dr. Ir. Lars P. H. Jeurgens Priv. Doz. Dr. med. Dieter Kaufmann Dr. rer. nat. Ralf Kemkemer Christoph Koch, Ph.D./Arizona State University, Tempe, AZ, USA Priv.-Doz. Dr. rer. nat. habil. Michael Krech Dr. rer. nat. Stefan Kudera Dr. Ing. Viola Küstner Dr. rer. nat. Cornelia Lee-Thedieck Dr. rer. nat. Andreas Leineweber Dr. rer. nat. Hans-Georg Libuda 6

Personelles Anna Maria Maciolek, Ph.D., habil. Priv.-Doz. Dr. rer. nat. habil. Günter Majer Dr: Miguel Fernando Mantilla Montilla Dr. rer. nat. Janos Major Dr. Raquel Martin, MBA Elena Materinez Benitez Dr. rer. nat. Claudia Pacholski Dr. rer. nat. Fritz Phillipp Dr. rer. nat. Julien Polleux Stefan Quint, M.Sc. Dr. rer. nat. Behnaz Rahmati Kalkhoran Dr. rer. nat. Markus Rauscher Dr. rer. nat. Harald Reichert (abgeordnet) Dr. rer. nat. Gunther Richter Dr. Sylvie Roke Dr. rer. nat. Adrian Rühm Dr. rer. nat. Lothar Schimmele Carola Schopf Dr. Richard William Moore Segar Dr. rer. nat. Wilfried Sigle Dr. Vesna Srot Dr. rer. nat. Hermann Stoll Dr. Agnes Szökefalvi-Nagy Dr. Mikola Tasinkevych Dr. Ayse Zeren Turak Dr. Zumin Wang, Ph.D./Univ. of Science and Technology of China, Hefei, P.R. China Markus Weigand Dr. rer. nat Udo Welzel Dr. rer. nat. Peter Wochner Patricia Wolny 7

Personelles Wissenschaftliche Mitarbeiter an der Universität Stuttgart, Institut für Materialwissenschaft, Lehrstuhl I, Prof.Dr. E. J. Mittemeijer (Stand: 31. Dezember 2010) Mostafa Biglari, M.Sc. Dipl.-Ing. Bastian Rheingans Dr. rer. nat. Ralf Schacherl Wissenschaftliche Mitarbeiter an der Universität Stuttgart, Institut für Theoretische und Angewandte Physik (Stand: 31. Dezember 2010) Priv.-Doz. Dr. rer. nat. habil. Ludger Harnau Dr. rer. nat. Felix Höfling 8

Organigramm Dietrich* Theorie inhomogener kondensierter Materie ZWE EDV Bibliothek Kuratorium Fachbeirat Rühle/Dosch* Niederdimensionale und metastabile Materialien ZWE ANKA Probenherstellung Tieftemperaturservice Max-Planck-Institut für Metallforschung Stand: Dezember 2010 Geschäftsführender Direktor (Kommissarische Leitung) Kollegium S. Dietrich, E.J. Mittemeijer, M. Rühle, G. Schütz, J. Spatz Geschäftsstelle Mittemeijer * Schütz*** Spatz** N.N. N.N. N.N. Phasenumwandlungen, Thermodynamik und Kinetik Moderne magnetische Materialien Neue Materialien und Biosysteme Biophysik von Membranen (Garcia) Biomedizin. Anwendungen (Martin) Glykobiotechnologie (Richter) Lichtdiffraktion an Biomat. (Roke) Max Planck Fellow (Bechinger) Weiche Materie ZWE Röntgenbeugung ZWE Biomaterialien ZWE Analytik ZWE Dünnschichtlabor StEM Dual Beam Glastechnik Feinmechanische Werkstatt * Personalunion m. Universität Stuttgart ** Professur an der Universität Heidelberg *** Honorarprofessur Universität Stuttgart Gemeinsame Einrichtungen mit FKF Wissenschaftlicher Service Nachwuchsgruppen Wissenschaftliche Arbeitsgruppe Wissenschaftliche Abteilungen 9

Veröffentlichungen Wissenschaftliche Veröffentlichungen (2010) a) Veröffentlichungen in Zeitschriften und Konferenzberichten Abou, B., C. Gay, B. Laurent, O. Cardoso, D. Voigt, H. Peisker and S. Gorb: Extensive collection of femtolitre pad secretion droplets in the beetle Leptinotarsa decemlineata allows nanolitre mirorheology. Journal of the Royal Society Interface 7, 1745-1752 (2010). DOI: 10.1098/rsif.2010.0075 Abraham, D. B. and A. Maciolek: Casimir interactions in Ising strips with boundary fields: exact results. Physical Review Letters 105, 5, 055701 (2010). DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.055701 Ahmed, W., T. Wolfram, A. M. Goldyn, K. Bruellhoff, B. Aragües Rioja, M. Möller, J. P. Spatz, T. Saif, J. Groll and R. Kemkemer: Myoblast morphology and organization on biochemically micro-patterned hydrogel coatings under cyclic mechanical strain. Biomaterials 31, 250-258 (2010). DOI: 10.1016/j.biomaterials.2009.09.047 van Aken, P. A., W. Sigle, C. T. Koch, B. Ögüt, J. Nelayah and L. Gu: Low-loss EFTEM imaging of surface plasmon resonances in Ag nanostructures. Microscopy and Microanalysis 16, Suppl. 2, 1438-1439 (2010). DOI: 10.1017/S1431927610056242 Al Bitar, L., D. Voigt, C. P. W. Zebitz and S. N. Gorb: Attachment ability of the codling moth Cydia pomonella L to rough substrates. Journal of Insect Physiology 56, 1966-1972 (2010). DOI: 10.1016/j.jinsphys.2010.08.021 von Alfthan, S., N. A. Benedek, L. Chen, A. Chua, D. Cockayne, K. Dudeck, C. Elsässer, M. W. Finnis, C. T. Koch, B. Rahmati, M. Rühle, S.-J. Shih and A. P. Sutton: The structure of grain boundaries in strontium titanate: theory, simulation, and electron microscopy. Annual Review of Materials Research 40, 557-599 (2010). DOI: 10.1146/annurev-matsci-010510-104604 Álvarez, M., A. Best, A. Unger, J. M. Alonso, A. del Campo, M. Schmelzeisen, K. Koynov and M. Kreiter: Near-field lithography by two-photon-induced photocleavage of organic monolayers. Advanced Funktional Functions 20, 24, 4265-4272 (2010). DOI: 10.1002/adfm.201000939 Amaladass, E., T. Eimüller, B. Ludescher, T. Tyliszczak and G. Schütz: Magnetization reversal of Fe/Gd multilayers on self-assembled arrays of nanospheres. Journal of Physics: Conference Series 200, 072003 (2010). DOI: 10.1088/1742-6596/200/7/072003 Amaladass, E., B. Ludescher, G. Schütz, T. Tyliszczak, M.-S. Lee and T. Eimüller: Nanospheres generate out-of-plane magnetization. Journal of Applied Physics 107, 053911 (2010). DOI: 10.1063/1.3327797 Apellániz, B., J. L. Nieva, P. Schwille and A. J. García-Sáez: All-or-none versus graded: Singlevesicle analysis reveals lipid composition effects on membrane permeabilization. Biophysical Journal 99, 11, 3619-3628 (2010). DOI: 10.1016/j.bpj.2010.09.027 Arnold, B., A. Dìaz Ortiz, G. L. W. Hart and H. Dosch: Structure-property maps and optimal inversion in configurational thermodynamics. Physical Review B 81, 094116 (2010). DOI: 10.1103/PhysRevB.81.094116 Aufrecht, J., W. Baumann, A. Leineweber, V. Duppel and E. J. Mittemeijer: Layerstacking irregularities in C36-type Nb-Cr and Ti-Cr laves phases and their relation with polytypic phase transformations. Philosophical Magazine 90, 3149-3175 (2010). DOI: 10.1080/14786435.2010.482068 10

Veröffentlichungen Aufrecht, J., A. Leineweber, V. Duppel and E. J. Mittemeijer: Transformation-dislocation dipoles in Laves phases: a high-resolution transmission electron microscopy analysis. Journal of Materials Research 25, 1983-1991 (2010). Aufrecht, J., A. Leineweber, A. Senyshyn and E. J. Mittemeijer: Absence of a stable hexagonal laves phase modification (NbCr 2 ) in the Nb-Cr system. Scripta Materialia 62, 227-230 (2010). DOI: 10.1016/j.scriptamat.2009.11.002 Aydin, D., I. Louban, N. Perschmann, J. Blümmel, T. Lohmüller, E. A. Cavalcanti-Adam, T. L. Haas, H. Walczak, H. Kessler, R. Fiammengo and J. P. Spatz: Polymeric substrates with tunable elasticity and nanoscopically controlled biomolecule presentation. Langmuir 26, 19, 15472-15480 (2010). DOI: 10.1021/la103065x Aydogdu, G. H., Y. Kuru, J. Nelayah, P. A. van Aken and H.-U. Habermeier: Thickness dependent microstructural changes in La 0.5 Ca 0.5 MnO 3 thin films deposited on (111) SrTiO 3. Thin Solid Films 518, 16 (2010) 4667-4669. DOI: 10.1016/j.tsf.2009.12.055 Babich, I. M., E. H. Brandt, G. P. Mikitik and E. Zeldov: Critical current in type-ii superconductors near the order-disorder transition. Physical Review B 81, 5, 054517 (2010). DOI: 10.1103/PhysRevB.81.054517 Bakradze, G., L. P. H. Jeurgens and E. J. Mittemeijer: Oxide-film growth kinetics on Zr(0001) and Zr(10-10) single-crystal surfaces. Surface and Interface Analysis 42, 588-591 (2010). DOI: 10.1002/sia.3235 Bauer, R., E. Bischoff and E. J. Mittemeijer: Natural formation of bcc Co: initial stage of Co precipitation in Supersaturated Au 90 Co 10. Physical Review B 81, 094113 (2010). DOI: 10.1103/ PhysRevB.81.094113 Bauer, S., J. G. Brunner, H. Jha, Y. Yasukawa, H. Asoh, S. Ono, H. Böhm, J. P. Spatz and P. Schmuki: Ordered nanopore boring in silicon: Metal-assisted etching using a self-aligned block copolymer Au nanoparticle template and gravity accelerated etching. Electrochemistry Communications 12, 565-569 (2010). DOI: 10.1016/j.elecom.2010.02.00 Bauer, T., F. Höfling, T. Munk, E. Frey and T. Franosch: The localization transition of the twodimensional Lorentz model. European Physical Journal - Special Topics 189, 1, 103-118 (2010). DOI: 10.1140/epjst/e2010-01313-1 Baumann, W. and A. Leineweber: Solid solubility by anti-site atoms in the C36-TiCr 2 Laves phase revealed by single-crystal X-ray diffractometry. Journal of Alloys and Compounds 505, 492-496 (2010). DOI 10.1016/j.jallcom.2010.06.117 Baumann, W., A. Leineweber and E. J. Mittemeijer: The influence of plastic deformation on polytypic phase transformations in TiCr 2 Laves phases. Scripta Materialia 63, 1041-1044 (2010). DOI: 10.1016/j.scriptamat.2010.07.020 Baumann, W., A. Leineweber and E. J. Mittemeijer: Failure of Kissinger(-like) methods for determination of the activation energy of phase transformations in the vicinity of the equilibrium phase-transformation temperature. Journal of Materials Science 45, 6075-6082 (2010). DOI: 10.1007/s10853-010-4693-z Beck, P. and M. Fähnle: Dzyaloshinskii-Moriya interactions in systems with fabrication induced strain gradients: ab-initio study. Journal of Magnetism and Magnetic Materials 322, 3701-3703 (2010). DOI: 10.1016/j.jmmm.2010.07.029 Bernardino, N. R., V. Blickle and S. Dietrich: Wetting of surfaces covered by elastic hairs. Langmuir 26, 10, 7233-7241 (2010). DOI: 10.1021/la904345r Bernardino, N. R. and S. Dietrich: Comment on biomimetic ultrathin whitening by capillaryforce-induced random clustering of hydrogel micropillar arrays. ACS Applied Materials & Interfaces 2, 3, 603-604 (2010). DOI: 10.1021/am900774x 11

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Veröffentlichungen Wickström, S. A., A. Lange, M. W. Hess, J. Polleux, J. P. Spatz, M. Krüger, K. Pfaller, A. Lambacher, W. Bloch, M. Mann, L. A. Huber and R. Fässler: Integrin-linked kinase controls microtubule dynamics required for plasma membrane targeting of caveolae. Developmental Cell 19, 4, 574-588 (2010). DOI: 10.1016/j.devcel.2010.09.007 Wochner, P., C. Gutt, T. Autenrieth, T. Demmer, V. N. Bugaev, A. Díaz Ortiz, A. Duri, F. Zontone, G. Grübel and H. Dosch: Finding order in disorder by X-ray speckle cross correlation. ESRF Highlights 2009, 59-61 (2010) Wöhrle, T., A. Leineweber and E. J. Mittemeijer: Influence of the chemical potential of carbon on the microstructural and compositional evolution of the compound layer developing upon nitrocarburising of α-iron. In: Proceedings of the European Conference on Heat Treatment 2010 Nitriding and Nitrocarburising, (Eds.) Hoffmann, F.; Klümper-Westkamp, H. AWT, Bremen (2010) 17-25. Wöhrle, T., A. Leineweber and E. J. Mittemeijer: Influence of the chemical potential of carbon on the microstructural and compositional evolution of the compound layer developing upon nitrocarburizing of α-iron. HTM Journal of Heat Treatment and Materials 65, 243-248 (2010) Wohlfart, E., J. P. Fernández-Blázquez, E. Knoche, E. Pérez, E. Arzt and A. del Campo: Nanofibrillar pattern etching: the influence of polymer crystallinity and orientation in surface morphology. Macromolecules 43, 9908-9917 (2010). DOI: 10.1021/ma101889s Wolny, P. M., S. Banerji, C. Gounou, A. R. Brisson, A. J. Day, D. G. Jackson and R. P. Richter: Analysis of CD44-hyaluronan interactions in an artificial membrane system: insights into the distinct binding properties of high and low molecular weight hyaluronan. Journal of Biological Chemistry 285, 30170-30180, - (2010). DOI: 10.1074/jbc.M110.137562 Wolny, P. M., J. P. Spatz and R. P. Richter: On the adsorption behavior of biotin-binding proteins to gold and silica. Langmuir 26, 2, 1029-1034 (2010). DOI: 10.1021/1a902226b Yu, Y., L. Gu, C. Zhu, S. Tsukimoto, P. A. van Aken and J. Maier: Reversible storage of lithium in silver-coated three-dimensional macroporous silicon. Advanced Materials 22, 20, 2447-2450 (2010). DOI: 10.1002/adma.200903755 Zapata-Solvas, E., D. Gómez-García, R. Poyato, Z. Lee, M. Castillo-Rodríguez, A. Domínguez- Rodríguez, V. Radmilovic and N. P. Padture: Microstructural effects on the creep deformation of alumina/single-wall carbon nanotubes composites. Journal of the American Ceramic Society 93, 7, 2042-2047 (2010). DOI: 10.1111/j.1551-2916.2010.03681.x Zettl, U., M. Ballauff and L. Harnau: A fluorescence correlation spectroscopy study of macromolecular tracer diffusion in polymer solutions. Journal of Physics: Condensed Matter 22, 494111 (2010). DOI: 10.1088/0953-8984/22/49/494111 Zhang, Y., E. Barrena, X. N. Zhang, A. Turak, F. Maye and H. Dosch: New insight into the role of the interfacial molecular structure on growth and scaling in organic heterostructures. Journal of Physical Chemistry C 2010, 13752-13758 (2010). DOI: 10.102/jp103841t Zlotnikov, I., I. Gotman, Z. Burghard, J. Bill and E. Y. Gutmanas: Synthesis and mechanical behavior of bioinspired ZrO 2 organic nacre-like laminar nanocomposites. Colloids and Surfaces A: Physicochemical end Engineering Aspects 361, 138-142 (2010). DOI: 10.1016/j. colsurfa.2010.03.013 26

Veröffentlichungen b) Monographien und Beiträge zu Sammelwerken Hirscher, M. (Ed.): Handbook of Hydrogen Storage. Wiley-VCH, Weinheim 2010, 353 p. Hirscher, M. and B. Panella: Physisorption in porous materials. In: Handbook of Hydrogen Storage, (Ed.) M. Hirscher. Wiley-VCH, Weinheim 2010, 39-62 Lohmüller, T., R. Brunner and J. P. Spatz: Improved properties of optical surfaces by following the example of the Moth Eye. In: Biomimetics, Learning from Nature, (Ed.) A. Mukherjee. INTECH, o.o. 2010, 451-466. Lohmüller, T. and J. P. Spatz: Diblock copolymer micelle nanolithography: characteristics and application. In: Nanotechnology, Vol. 8, (Ed.) L. Chi. Wiley-VCH, Weinheim 2010, 291-315 Mecke, K., K. Falk and M. Rauscher: Dynamics of nanoscopic capillary waves. In: Nonlinear Dynamics of Nanosystems, (Eds.) G. Radons, B. Rumpf, H. G. Schuster. Wiley-VCH, Berlin 2010, 121-142 Mittemeijer, E. J.: Fundamentals of Materials Science. Springer, Berlin, Heidelberg 2010, 594 p. Rauscher, M. and S. Dietrich: Nanofluidics of thin liquid films. In: Handbook of Nanophysics, Vol 1. Principles and Methods, (Ed.) K. D. Sattler. CRC Press, Boca Raton 2010, 11-1 11-23 Schmitz, B. and M. Hirscher: Adsorption technologies. In: Hydrogen and Fuel Cells, (Ed.) D. Stolten. Wiley-VCH, Weinheim 2010, 431-445 c) Herausgabe von Zeitschriften Aldinger, F. ist Mitglied des Editorial Board des Journal of Ceramic Processing Research (Korea) Aldinger, F. ist Mitglied des Editorial Boards (Regional Editor) der Zeitschrift Science of Sintering Dietrich, S., ist Mitglied des Editorial Board der Zeitschrift Molecular Physics Frank, W. ist Mitglied des Board of Editors der Zeitschrift Applied Physics A Frank, W. ist Mitglied des Editorial Advisory Board der Zeitschrift Materials Chemistry and Physics einschließlich der Materials Science Communications Hofmann, S. ist Mitglied des Advisory Editorial Board der Zeitschrift Applied Surface Science Hofmann, S. ist Mitglied des Editorial Board der Zeitschrift CRC Critical Reviews in Solid State and Materials Science Hofmann, S., ist Mitglied des Editorial Board der Zeitschrift Thin Solid Films Hofmann, S. ist Mitglied des Editorial Advisory Board der Zeitschrift Surface and Interface Analysis Hofmann, S. ist Mitglied des Editorial and Advisory Board des Journal of Advanced Science (Japan) Hofmann, S. ist Mitglied des Editorial and Advisory Boards des Journal of Surface Analysis (Japan) Mittemeijer, E. J., B. Scholtes und H. Altena sind Herausgeber der Zeitschrift HTM Journal of Heat Treatment and Materials Mittemeijer, E. J. ist Mitglied des Editorial Board der Zeitschrift für Kristallographie 27

Erfindungen & Patente Mittemeijer, E. J. ist Mitglied des Editorial Board der Zeitschrift International Materials Reviews Mittemeijer, E. J. ist Mitglied des Editorial Board des Journal of ASTM International Mittemeijer, E. J. ist Mitglied des Advisory Board der Zeitschrift Materials Science Forum Mittemeijer, E. J. ist Mitglied des Editorial Advisory Board des Journal of Alloys and Compounds Mittemeijer, E. J. ist Mitglied des Editorial Advisory Board des Open Materials Science Journal Petzow, G. ist Herausgeber der Zeitschrift Praktische Metallographie Practical Metallography Petzow, G. ist Herausgeber der Schriftenreihe Sonderbände der Praktischen Metallographie Rühle, M., Mittemeijer, E. J., G. Petzow und F. O. R. Fischer sind Managing Editors des International Journal of Materials Research Rühle, M.. ist Mitglied des Editorial Board des Journal of Ceramic Processing Research (Korea) Rühle, M. ist Mitherausgeber des Annual Review of Materials Research Rühle, M. ist Mitglied des Editorial Board der Zeitschrift Materials Science and Engineering A Rühle, M. ist Mitglied des Advisory Editorial Board der Zeitschrift Ultramicroscopy Seeger, A. ist Mitglied des Advisory Board der Zeitschrift Philosophical Magazine Seeger, A. ist Mitglied des Advisory Board der Zeitschrift Philosophical Magazine Letters Seeger, A. ist Mitglied des Editorial Board der Zeitschrift physica status solidi a applications on materials sciences Seeger, A. ist Mitglied des Editorial Board der Zeitschrift physica status solidi b - basic solid state physics Spatz, J. P. ist Co-Editor der Zeitschrift Biointerphases Spatz, J. P. ist Associate Editor der Zeitschrift Nano Letters Spatz, J. P. ist Mitglied des Editorial Board der Zeitschrift Soft Matter Erfindungs- und Patentanmeldungen Böhm, C.: Passives rein mikrofluidisches Verfahren zur Analyse und Sortierung von Tropfen durch Verwendung mikrofluidischer Marker für biologische und chemische Reaktionen innerhalb der Tropfen. MI 4221, DPA 26.07.2010, DE 102010032203 Morhard, C., Pacholski, C., J. P. Spatz and R. Brunner: Production of highly ordered nanopillar or nanohole structure on large areas. MI 4241 Spatz, J. P., C. Pacholski, T. Schön, L. Purwaningsih and T. Wolfram: Metal capped nanopillars for cell attachment. MI 4197 (MI: Max-Planck-Innovation GmbH DPA: Deutsches Patentamt) 28

Abgeschlossene Arbeiten Abgeschlossene Arbeiten a) Habilitation Goll, D.: Advanced ferromagnetic nanostructures. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 b) Dissertationen Almenar Egea, L.: Dynamics of complex fluids at liquid-solid interfaces. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 Aufrecht, J.: Phase transformations of the NbCr2 and HfCr2 Laves phases. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 Bauer, R.: Solid-solid phase transformation kinetics. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 Baumann, W.: Phase-transformation kinetics of TiCr2 Laves phases. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 Belz, F.: Immunologisch aktive nanostrukturierte Grenzflächen für die Bestimmung räumlicher Parameter der Mastzellaktivierung. Universität Heidelberg, Heidelberg 2010 Curcic, M.: Selektives Schalten der Vortexkern-Polarisation in ferromagnetischen Nanostrukturen mittels rotierender Magnetfelder. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 Dörfler, F.: Statics and dynamics of simple fluids on chemically patterned substrates. Universität Stuttgart, Stuttgart, Germany 2010 Ellinger, C.: In-situ oxidation study of flat and steppend binary alloy surfaces. Universität Stuttgart, Stuttgart, Germany 2010 Geiger, F.: Tabakmosaikvirus-Hüllproteinvarianten als Bausteine für die Nano- und Arraytechnologie. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 Guzowski, J.: Capillary interactions between colloidal particles at curved fluid interfaces. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 Hung Low, C.: Screening the cell adhesion activity of muscle skeletal progenitor cells on defined nanopatterns. Universität Heidelberg, Heidelberg 2010 Khorshidi, N.: In-situ X-ray studies of model electrode surfaces for solid oxide fuel cells. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 Kodali, V. K.: New materials and methods for studying macrophages at interfaces. Universität Heidelberg, Heidelberg 2010 Maus, L.: Entwicklung stabiler Gold-Nanopartikel-Peptid-Konjugate zur Untersuchung von Rezeptor-Liganden Wechselwirkungen im zellulären System. Universität Heidelberg, Heidelberg 2010 Morhard, C.: Herstellung effektiver Medien mittels mizellarer Blockcopolymer Nanolithographie. Universität Heidelberg, Heidelberg 2010 Nuelle, M. M.: Spin-echo resolved neutron scattering from self-organised polymer interfaces. Universitaet Stuttgart, Stuttgart 2010 Perschmann, N.: Synthese und quantitative Analyse von strukturierten und funktionalisierten Hydrogelsystemen zur Regulierung der Adhäsionseigenschaften unterschiedlicher Zellphänotypen an Grenzflächen. Universität Heidelberg, Heidelberg 2010 Rödl, F.: Time-resolved diffraction experiments on piezoelectric actuators. Universität des Saarlandes, Saarbrücken 2010 29

Abgeschlossene Arbeiten Schneider, A.: Mechanical properties of small-scale BCC metal structures. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 Seib, J.: Elektronentheorie der dissipativen Magnetisierungsdynamik: Anisotrope und nichtlokale Effekte. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 Sheng, J.: Stresses in nanocrystalline materials. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 Sobiech, M.: Whisker formation on Sn thin films. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 Sonnweber-Ribic, P.: Grain growth and texture evolution and copper thin films. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 Walter, N.: A cell mechanical study on adherent and suspended pancreatic cancer cells using AFM and Microfluidics. Universität Heidelberg, Heidelberg 2010 Wohlfart, E.: Nanopatterning of poly(ethelene terephtalate) by plasma etching. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 Wolny, P.: Novel model systems for the investigation of polyvalent protein-hyaluronan interactions on the cell surface. Universität Heidelberg, Heidelberg 2010 c) Diplomarbeiten, Masterarbeiten (*), Bachelorarbeiten (**) Audehm, P.: Untersuchung der Abhängigkeit des Exchange Bias-Effektes von grenzflächennahen Bahnmomentverteilungen mit Hilfe der resonanten magnetischen Röntgenreflektometrie. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 Böhm, M.: Development of integrated microfluidic systems to investigate celullar biosystems. Universität Heidelberg, Heidelberg 2010 Cinaroglu, H.: Phasengleichgewichte im ternären Fe-N-C System. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 Ewald, T.: Formation of γ-iron nitride in a ferrite matrix. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 Gehring, P.: Optoelektronische Eigenschaften Seltenerd-dotierter III-Nickel Schichten. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 Glock, S.: Nitrieren von Kobalt. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 Gralla, R.: Grain growth in nanocrystalline metals. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 Hejral, U.: Growth and oxidation processes of Pt nanoparticles. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 Honert, J.: Wasserstoff in funktionellen Dünnschichtsystemen. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 Kohl, D.: Microstructural characterization of Sn whiskers and their nucleation sites. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 Kurz, S.: Thermal stress evolution in epitaxial metal films. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 Labbe-Laurent, M.: Critical Casimir interaction between a cylindrical particle and a chemically structured substrate. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 (**) Maier, D.: Nanotropfen an Stufen. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 (**) Nguyen, M.: Producing organic solar cells: from substrate characterization to bulk heterojuntion devices. Universität Stuttgart, Stuttgart, Germany 2010 Reindl, A.: Entnetzung verspannter Filme. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 (**) Schendel, V.: Co precipitation in Cu-Au-Co Alloys. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 30

Abgeschlossene Arbeiten Schubert, A.: Compound layer formation during nitriding of Fe-Si alloys. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 Schwarz, B.: Gas nitriding of Fe-2at.%Al alloy. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 Slupina, C.: Untersuchung der kritischen Adsorption an kolloidalen Teilchen mit Hilfe von Streutechniken. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 (**) Zhong, H.: Nitrierverhalten von eisenreichen Fe-Mo Legierungen. Universität Stuttgart, Stuttgart 2010 31

Doktoranden Doktoranden a) Inland (Stand: 31.12.2010)1 Patrick Chalil Audehm, Universität Stuttgart, 4. Physikalisches Institut/ Max-Planck-Institut für Metallforschung Thomas Bohlein, Universität Bayreuth, Lehrstuhl für Experimentalphysik V Lars Bommer, Universität des Saarlandes, Saarbrücken, Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät II, Physik und Mechatronik Thomas Bublat, Universität Stuttgart, 4. Physikalisches Institut Timo Burek, Universität Hohenheim, Stuttgart, Institut für Zoologie Janosch Deeg, Albert Ludwigs Universität Freiburg / Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Biophysikalische Chemie / Max-Planck-Institut für Metallforschung Martin Deibler, Universität Konstanz, Bioimaging Center / Universität Konstanz, Center for Applied Photonics Eric Detemple, Universität des Saarlandes, Saarbrücken, Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe Frank Dietermann, Universität Stuttgart, Institut für Theoretische und Angewandte Physik / Max-Planck-Institut für Metallforschung Christian Gojak, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Biophysikalische Chemie / Max- Planck-Institut für Metallforschung Sabine Haag, Universität Stuttgart, Institut für Materialwissenschaft / Max-Planck-Institut für Metallforschung Valentin Hagel, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Physikalisches Institut / Max-Planck- Institut für Metallforschung Lisa Katharina Hofacker, Universität Stuttgart, Institut für Materialwissenschaft / Max-Planck- Institut für Metallforschung Tobias Hofmann, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Biophysikalische Chemie, Fakultät für Physik und Astronomie Christian Michael Illg, Universität Stuttgart, Institut für Theoretische und Angewandte Physik / Max-Planck-Institut für Metallforschung Eric Aime Jägle, Universität Stuttgart, Institut für Materialwissenschaft / Max-Planck-Institut für Metallforschung Patrick Jüllig, Universität Stuttgart, Institut für Materialwissenschaft / Max-Planck-Institut für Metallforschung Matthias Kammerer, Universität Ulm, Institut für Theoretische Physik / Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Garching Christian Kappel, Universität Stuttgart, Institut für Materialwissenschaft / Max-Planck-Institut für Metallforschung Navid Khorshidi, Universität Stuttgart, Institut für Theoretische und Angewandte Physik / Max- Planck-Institut für Metallforschung 1 Wissenschaftliche Institution, an der zuvor die Diplom- oder Masterarbeit erstellt wurde. 32

Doktoranden Katharina Klein, Technische Universität Kaiserslautern, Biophysik und medizinische Physik Christian Kreidler, Universität Konstanz, Fachbereich Physik Sebastian Kruss, Universität Heidelberg, Biophysikalische Chemie / Max-Planck-Institut für Metallforschung Silke Kurz, Universität Stuttgart, Institut für Materialwissenschaft/ Max-Planck-Institut für Metallforschung Sebastian Lechner, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Biophysikalische Chemie / Max- Planck-Institut für Metallforschung Sebastian Macke, Universität Stuttgart, Institut für Theoretische und Angewandte Physik / Max- Planck-Institut für Metallforschung Timo Maier, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Biophysikalische Chemie Felix Maye, Universität Stuttgart, Institut für Theoretische und Angewandte Physik / Max- Planck-Institut für Metallforschung Marcel Mayer, Universität Stuttgart, Institut für Materialwissenschaft / Max-Planck-Institut für Metallforschung Thomas Mohry, Universität Stuttgart, Institut für Theoretische und Angewandte Physik / Max- Planck-Institut für Metallforschung Christoph Morhard, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Physikalisches Institut Tabea Mundinger, Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg / Ruprecht- Karls-Universität Heidelberg, Institut für Pharmazie und Molekulare Biotechnologie Christine Anna Muth, Universität zu Köln, Köln, Fachbereich Biologie / Universitätsklinikum Köln, Innere Medizin I. Labor für molekulare Tumorbiologie und Tumorimmunologie Daniela Nolle, Universität Stuttgart, Institut für Theoretische und Angewandte Physik / Max- Planck-Institut für Metallforschung Matthias Noske, Universität Ulm, Abteilung Festkörperphysik Nadine Perschmann, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Biophysikalische Chemie Theresa Pohl, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Biophysikalische Chemie / Max-Planck- Institut für Metallforschung Sabri Rahmouni, Universität Stuttgart, 2. Physikalisches Institut Sebastian Rausch, Universität Stuttgart, 2. Physikalisches Institut David Regniet, Universität Stuttgart, Institut für Materialwissenschaft / Max-Planck-Institut für Metallforschung Bastian Rheingans, Universität Stuttgart, Institut für Materialwissenschaft / Max-Planck-Institut für Metallforschung Claudio Gavino Rolli, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Biophysikalische Chemie / Max- Planck-Institut für Metallforschung Sebastian Scheeler, Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Braunschweig, Institut für Technische Chemie / Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik, Stuttgart Rüdiger Scheu, Universität Konstanz, Fachbereich Physik Maurice Ulrich Schlichtenmayer, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, Helmholtz- Institut für Strahlen- und Kernphysik Mathias Schmidt, Universität Stuttgart, Institut für Theoretische und Angewandte Physik / Max- Planck-Institut für Metallforschung René Schneider, Albert-Ludwigs Universität, Freiburg i. Br., Institut für Physikalische Chemie 33

Doktoranden Manuel Schneckenburger, Technische Universität München, Physik Department / Max-Planck- Institut für Biochemie, Martinsried, Department Membran-und Neurophysik Benjamin Schwarz, Universität Stuttgart, Institut für Materialwissenschaft / Max-Planck-Institut für Metallforschung Holger Selg, Universität Stuttgart, Institut für Materialwissenschaft / Max-Planck-Institut für Metallforschung Iriana Slizskaja-Boxermann, Ruprecht-Karls-Universität, Heidelberg, Fakultät für Chemie und Geowissenschaften Markus Sproll, Universität Ulm, Institut für Festkörperphysik Jendrik Stein, Universität Stuttgart, Institut für Materialwissenschaft/ Max-Planck-Institut für Metallforschung Barbara Streppel, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik / Max-Planck-Institut für Metallforschung Sergej Subkow, Universität Stuttgart, Institut für Theoretische und Angewandte Physik / Max- Planck-Institut für Metallforschung Julia Sonja Teufel, Universität Stuttgart, Institut für Materialwissenschaft / Max-Planck-Institut für Metallforschung Thomas Tietze, Universität Stuttgart, Institut für Theoretische und Angewandte Physik / Max- Planck-Institut für Metallforschung Sebastian Treiber, Universität Stuttgart, 2. Physikalisches Institut / Max-Planck-Institut für Metallforschung Matthias Tröndle, Universität Stuttgart, Institut für Theoretische und Angewandte Physik / Max- Planck-Institut für Metallforschung Simon Ullrich, Ruprecht-Karls-Universität, Heidelberg, Biophysikalische Chemie / Max- Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart Ann-Kathrin Wandner, Universität zu Köln, Köln, Institut für Organische Chemie Frank Louis Wirner, Universität Karlsruhe, Physikalisches Institut Thomas Wöhrle, Universität Stuttgart, Institut für Materialwissenschaft / Max-Planck-Institut für Metallforschung Jasmin Zahn, Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich, Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik Maria Zvyagolskaya, Universität Stuttgart, 2. Physikalisches Institut b) Ausland (Stand: 31.12.2010) Borja Rioja Aragües, Universitat de Barcelona, Faculty of Biology, Barcelona, Spain Seetharamaiah Attili, KTH-Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden / Eidgenössische Technische Hochschule, Zürich, Schweiz Georgijs Bakradze, Riga Technical University, Latvia Hilton Barbosa de Aguiar, Universidade de São Paulo, São Carlos Physics Institutes, Brazil Mostafa Biglari, Leiden Institute of Chemistry, Universiteit Leiden, Netherlands / Corus B.V., Ijmuiden, Netherlands André Bisig, Eidgenössische Technische Hochschule, Zürich, Schweiz / Paul Scherrer Institut Villingen, Schweiz 34

Doktoranden Matej Fonovic, University of Rieka, Croatia Katarzyna Maria Gadomska, AGH University of Science and Technology, Cracow, Poland Ingrid Ibagon Pardo, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizone, Brasil Kyung Sub Jung, Hanyang University, Div. of Materials Science & Engineering, Seoul, South Korea Melih Kalafat, Universität Stuttgart, Institut für Strahlenphysik Margret Koker, University of Illinois, Urbana-Champaign, USA Ivana Krkljus, University of Belgrade, Faculty for Physical Chemistry, Chair for Dynamics and Matter Structure, Serbia Jovana Matic, University of Belgrade, Faculty of Chemistry, Serbia Sai Ramudu Meka, Indian Institute of Technology, Kanpur, India Xiaoke Mu, University of Sheffield, UK Burcu Ögüt, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Kiel, Institut für Metallkunde Burak Özdöl, Christian-Albrecht Universität zu Kiel, Kiel, Institut für Metallkunde Hyunchul Oh, Friedrich-Alexander Universität Erlangen Nürnberg, Institute of Materials for Electronics and Energy Technology (I-MEET) Miki Otsuki, Tohoku University, Biomolecular Science-Laboratory of Molecular Cell Biology, Japan Lindarti Purwaningsih, Bandung Institute of Technology, Bandung, Indonesia Gayatri Koyar Rane, Goa University, Department of Chemistry, Goa, India Monamie Sanyal, Universität Stuttgart, Institut für Theoretische und Angewandte Physik/ Max- Planck-Institut für Metallforschung Nahid Talebi Sarvari, University of Tehran, Iran Yamuna Devi Subburaj, The American College, Department of Zoology, Madurai, Tamilnadu, India Mireia Subina Albrich, Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, Norway Jing Zhou, Georg-August-Universität Göttingen, Göttingen 35

Gastwissenschaftler Gastwissenschaftler Dr. Edward Prabu Amaladass, Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart, Deutschland Dr. Petia Pavlinova Atanasova, Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz, Deutschland Dr. Markus Axmann, Johannes Kepler Universität, Linz, Institut für Biophysik, Österreich Dr. Iryna Babych, B. Verkin Institute for Low Temperature Physics & Engineering. National Ukrainian Academy of Sciences, Kharkov, Ukraine Dr. Nelson Rei Bernardino, Imperial College London, London, UK Dr. Ranu Bhatt, UGC-DAE Consortium for Scientific Research, Indore, India Dr. Stephanie Bogle, University of Illinois at Urbana-Champaign, Ill., USA Dr. Achim Breitling, Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart, Deutschland Dr. Letizia Carramusa, Weizmann Institute of Science, Department of Molecular Cell Biology, Rehovot, Israel Dr. Miguel Castro-Colin, University of Houston, Houston, TX, USA Prof. Dr. Helmut Clemens, Montanuniversität Leoben, Österreich Michael Curcic, Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart, Deutschland Prof. Dr. Daniel Marinov Dantchev, Institute of Mechanics, Bulgarian Academy of Sciences, Sofia, Bulgaria Prof. Dr. Robert Danzer, Montanuniversität Leoben, Österreich Dr. Melissa Delheusy, Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart, Deutschland Dr. Alejandro Diaz-Ortiz, Texas Materials Institute, University of Texas at Austin, Austin, USA Filip Dutka, University of Warsaw, Faculty of Physics, Warsaw, Poland Dr. Alexander Filippov, National Academy of Sciences of Ukraine Dr. Shai Garty, University of Washington Engineered Biomaterials & University of Washington Medical Center, Seattle, WA, USA Dr. Thiago Gomes de Mattos, Universidade Federal Fluminense, Niterói, Brazil Dr. Corinne Grévent, GSB-Wahl GmbH, Aichwald, Deutschland Dr. Mehmet Gülgün, Sabanci University, Istanbul, Turkey Dr. Neng Yun Jin-Phillipp, Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart, Deutschland Dr. Vicki Keast, School of Mathematical & Physical Sciences, University of Newcastle, Callaghan, Australia Eunhye Kim, University of Suwon, South Korea Dr. Christos Kostoglou, Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart, Deutschland Dr. Sergey Kozhevnikov, Frank Laboratory of Neutron Physics (JINR), Dubna, Russia Dr. Dmitry A. Kukuruznyak, National Institute for Materials Science, Advanced Electronic Materials Centre, Tsukuba, Japan Prof. Dr. Carlos Levi, University of California, Santa Barbara, CA, USA Dr. Yujie Li, Universität Ulm, Institut für Halbleiterphysik, Ulm, Deutschland Prof. Dr. Yongchang Liu, School of Materials Science & Engineering, Tianjin University, P.R. China 36

Gastwissenschaftler Yazhu Ma, Northwestern Polytechnical University NPU, Xian, P.R. China Dr. Kandavel Manickam, Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart, Deutschland Dr. Andrey Mazilin, Institute of Solid State Physics, Russian Academy of Sciences, Chernogolovka, Russia Dr. Beri Nsoyani Mbenkum, Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart, Deutschland Kristen Lynn Mills, Ph.D./Univ. of Michigan, Nann Arbor, MI, USA Prof. Dr. Grygoriy Mykytyk. B., Verkin Institute for Low Temperature Physics & Engineering. National Ukrainian Academy of Sciences, Kharkov, Ukraine Prof. Dr. Marek Napiorkowski, University of Warsaw, Faculty of Physics, Warsaw, Poland Prof. Dr. Gleb Oshanin, Laboratoire de Physique Théorique de la Matière Condensée, Université Pierre et Marie Curie, et du CNRS, Paris,France Dr. Francesco Parisen Toldin, Università di Pisa / Scuola Normale Superiore di Pisa, Pisa, Italy Dr. Yilia Plazman, Technion Israel Institute of Technology, Haifa, Israel Dr. Svetlana Protasova, Institute of Solid State Physics, Russian Academy of Sciences, Chernogolovka, Russia Dr. Mariya Rasshchupkyna, Zaporizhzhya National Technical University, Dept. of Micro- and Nanoelectronics, Ukraine Dr. Jean-Sebastien Samson, Ruhr-Universität Bochum, Physikalische Chemie II, Deutschland Dr. Matthew Strader, University of California, Berkeley, Berkeley, CA, USA Prof. Dr. Istvan Szalai, Institute of Physics, University of Pannonia, Veszprem, Hungary Dr. Amir Hossein Tavakoli, Universität Stuttgart, Institut für Materialwissenschaft Dr. Oleg Vasiliev, Landau Institute for Theoretical Physics, Chernogolovka, Russian Federation Dr. Giovanni Volpe, Institut de Ciències Fotòniques, Castelldefels (Barcelona), Spain Dr. Quang Vu Van, Institute of Mathematics and Physics (IMAP), Aberystwyth University, Aberystwyth, Ceredigion, UK 37

Ehrungen & Berufungen Sonstige Mitteilungen a) Ehrungen Prof. Dr. E. J. Mittemeijer wurde von der International Federation for Heat Treatment and Surface Engineering (IFHTSE) die IFHTSE Medal 2010 verliehen. Dr. P. Nolte wurde die Otto-Hahn-Medaille 2009 der Max-Planck-Gesellschaft verliehen. V. Özdöl wurde der Graduate Student Award verliehen. Dieser Preis für Nachwuchswissenschaftler wurde von der European Materials Research Society vergeben. Dr. C. Pacholski wurde mit dem Günter Petzow Preis 2010 des Max-Planck-Institutes für Metallforschung ausgezeichnet. B. Rheingans wurde der Artur-Fischer-Preis 2010 des Studiengangs Werkstoffwissenschaft der Universität Stuttgart verliehen. Jan Wallmersperger wurde mit dem Azubipreis der Max-Planck-Gesellschaft ausgezeichnet. b) Berufungen und Ernennungen Priv.-Doz. Dr. P. van Aken wurde zum außerplanmäßigen Professor an der Technischen Universität Darmstadt im Fachbereich Material- und Geowissenschaften ernannt. Dr. M. Hirscher wurde in das International Steering Committee der Konferenzserie International Symposium on Metal-Hydrogen Systems gewählt. Dr. M. Hirscher wurde zum Mitglied im Editorial Board der Zeitschrift Applied Physics A ernannt. Prof. Dr. E. J. Mittemeijer wurde zum Managing Editor der Zeitschrift International Journal of Materials Research (IJMR) ernannt. Prof. Dr. E. J. Mittemeijer wurde zum Mitglied des International Organizing Committee der 1st CEEC Thermal Analysis and Calorimetry Conference ernannt, die vom 08. bis 10. September 2011 in Craiova, Rumänien, stattfindet. 38

Veranstaltungen c) Wissenschaftliche Veranstaltungen Am 20. Januar 2010 fand am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart ein Symposium on Molecular and Nanoscopic Autonomous Systems statt. Am 27. Mai 2010 fand am Max-Planck-Institut für Metallforschung eine Max-Planck- Lecture statt. Prof. Dr. Subra Suresh, Massachusetts Institute of Technology (MIT) School of Engineering, USA, sprach zum Thema Materials Science Approaches for Life Sciences and Human Health. Das Max-Planck-Institut für Metallforschung und das Max-Planck-Institut für Biologische Kybernetik, Tübingen, veranstalteten gemeinsam das Symposium Autonomous Systems, welches vom 28. bis 30. Mai 2010 in Stuttgart/Tübingen stattfand. Das Stuttgarter Zentrum für Elektronenmikroskopie (StEM) organisierte den Workshop Advanced Transmission Electron Microscopy Technology, welcher vom 23. bis 25. Juni 2010 auf Schloss Ringberg, Rottach-Egern, stattfand. Das Max-Planck-Institut für Metallforschung, sowie das Institut für Theoretische und Angewandte Physik und das Institut für Materialwissenschaft der Universität Stuttgart veranstalteten gemeinsam am 09. Juli 2010 das 9. Paul-Peter Ewald Kolloquium. In diesem Rahmen wurde der Günter Petzow Preis 2010 verliehen. Ilya Reviakine (CIC biomagune), Ralf Richter (MPI für Metallforschung/CIC biomagune) und Marisela Velez (CSIC, Madrid) organisierten gemeinsam den FEBS Workshop Physical Chemistry of Biointerfaces, der vom 19. bis 24. Juli 2010, am CIC biomagune, San Sebastian, Spanien, stattfand. Das Max-Planck-Institut für Metallforschung war bei dieser Veranstaltung Mitorganisator. Das Stuttgarter Zentrum für Elektronenmikroskopie (StEM) organisierte den Workshop TEM Specimen Preparation Techniques in Stuttgart, welcher vom 21. bis 22. Juli 2010 in Stuttgart stattfand. Prof. Dr. B. Keimer vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung und Prof. Dr. E. J. Mittemeijer organisierten in Zusammenarbeit mit der University of British Columbia, die International School on Quantum Materials. Diese IMPRS Summer School fand vom 05. bis 08. Oktober 2010 in Stuttgart statt. Prof. Dr. S. Dietrich hat zusammen mit Dr. A. Gambassi den International Workshop on Fluctuation-Induced Forces in Condensed Matter organisiert, der vom 11. bis 15. Oktober 2010 in Dresden stattfand. Am 08./09. November 2010 fand am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart und am Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik in Tübingen ein Symposium Autonome Systeme statt. d) Weitere Veranstaltungen Zum bundesweiten Girls Day: Mädchen-Zukunftstag am 22. April 2010 bot das Max-Planck- Institut für Metallforschung gemeinsam mit dem Max-Planck-Institut für Festkörperforschung wiederum fünfzig Mädchen Einblicke in verschiedene Berufe in der Forschung. Anlässlich der Kuratoriumssitzung des Max-Planck-Institutes für Metallforschung am 17. November 2010 wurden zwei öffentliche Vorträge gehalten. Dr. Max Nülle sprach über die Collaborative Research Initiative Between Institutes of the Max Planck Society: Neutron Reflectometer N-Rex + at the FRM II (Garching), Sairamudu Meka, MTech, über Unusual phase-transformation phenomena during nitriding of iron-based alloys. 39

Jahrbuch der MPG (2010/2011) Wang, Zumin; Jeurgens, Lars P. H.; Mittemeijer, Eric J. Herstellung von hocheffizienten Nanostrukturen... Jahrbuch 2010/2011 Herstellung von hocheffizienten Nanostrukturen aus kristallinem Silizium bei niedrigen Temperaturen, katalysiert durch Metalle: Die entscheidende Rolle der Grenzflächenthermodynamik Wang, Zumin; Jeurgens, Lars P. H.; Mittemeijer, Eric J. Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Standort Stuttgart, Stuttgart Korrespondierender Autor Email: e.j.mittemeijer@is.mpg.de Zusammenfassung Metalle können helfen Halbleiter bei niedrigen Temperaturen von der ungeordneten (amorphen) in eine geordnete (kristalline) Form umzuwandeln. Auf Basis der Grenzflächenthermodynamik wurde ein grundlegendes und quantitatives Modellverständnis der zugrundeliegenden Mechanismen dieser sogenannten metallinduzierten Kristallisation (MIK) entwickelt. Diese neuen Erkenntnisse können dazu beitragen, Solarzellen aus kristallinem Si bei sehr niedrigen Temperaturen (< 200 ºC) auf billigen, leichten und flexiblen Materialien wie Glas, Kunststoff oder gar Papier herzustellen. Abstract Metals may help to convert semiconductors from a disordered (amorphous) to an ordered (crystalline) form at low temperatures. A general, quantitative model description has been developed on the basis of interface thermodynamics, which provides fundamental understanding of such so-called metal-induced crystallization (MIC) of amorphous semiconductors. This fundamental understanding can allow the low-temperature (< 200 ºC) manufacturing of high-efficiency solar cells and crystalline-si-based nanostructures on cheap and flexible substrates such as glasses, plastics and possibly even papers. Einführung Laut dem Energiekonzept, das vor kurzem von der deutschen Regierung genehmigt wurde, soll 2011 Max-Planck-Gesellschaft www.mpg.de 1/13 40

Jahrbuch der MPG (2010/2011) Wang, Zumin; Jeurgens, Lars P. H.; Mittemeijer, Eric J. Herstellung von hocheffizienten Nanostrukturen... Jahrbuch 2010/2011 der Anteil erneuerbare Energien an der Stromversorgung (z.b. aus Sonnenlicht und Wind) bis zum Jahre 2020 auf 35% gesteigert werden und bis zum Jahre 2050 sogar auf 80% [1]. Diese ehrgeizigen Ziele erfordern eine ständige Erhöhung des Energie-Wirkungsgrades und eine weitere Senkung der Preise für Photovoltaik-Anlagen. Kristallines Silizium als Dünnschicht ist eines der vielversprechendsten Materialien zur Herstellung von billigen, hocheffizienten Dünnschichtsolarzellen und Photovoltaikanlagen. Allerdings sind die Si-Atome nicht periodisch in einem Kristallgitter angeordnet, falls die Si- Dünnschicht während der Herstellung wie üblich bei Temperaturen unter 700 ºC abgeschieden wird. Dieses amorphe Silizium (a-si) hat einen deutlich geringeren Wirkungsgrad für die Umwandlung von Sonnenlicht in Strom als kristallines Si (c-si). Außerdem nimmt der Wirkungsgrad von Solarzellen aus a-si bei ständiger Lichteinstrahlung immer weiter ab, was für Solarzellen aus c-si nicht der Fall ist. Die bei der Herstellung von Siliziumschichten erwünschte Umwandlung vom amorphen in den kristallinen Zustand (d.h. die Kristallisation von a-si) erfordert hohe Verarbeitungstemperaturen ( 700 ºC), was zu einer erheblichen Steigerung der Produktionskosten führt. Zudem ist die Anwendung solch hoher Verarbeitungstemperaturen unvereinbar mit dem Einsatz von hitzeempfindlichen Polymersubstraten, welche für die Herstellung von kostengünstigen, leichten und flexiblen Photovoltaikanlagen benötigt werden. Die maximal zulässigen Verarbeitungstemperaturen für kommerziell erhältliche Polymersubstrate liegen im Bereich von 150 ºC bis 350 ºC (siehe Abb. 1 links). Abb. 1: Links: Die maximal zulässige Verarbeitungstemperaturen (T max ) von einigen technologisch wichtigen Substratmaterialien: Quarzglas, normales Glas, Polyimide (PI), Polyarylat (PAR), Polyethersulfon (PES) und Polycarbonat (PC). Rechts: Die metallinduzierte Kristallisationstemperatur von a-si (T cryst ) für verschiedene Metallkontaktierungen. Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme In den letzten Jahren sind insbesondere zwei Herstellungsverfahren für die Kristallisation von a-si bei solch niedrigen Temperaturen (< 400 ºC) betrachtet worden. Erstens kann die Kristallisation von amorphen Si-Dünnschichten bei relativ niedrigen Temperaturen durch Bestrahlung mit einem Kurzpulslaser herbeigeführt werden, was in der Regel über ein lokales 2011 Max-Planck-Gesellschaft www.mpg.de 2/13 41

Jahrbuch der MPG (2010/2011) Wang, Zumin; Jeurgens, Lars P. H.; Mittemeijer, Eric J. Herstellung von hocheffizienten Nanostrukturen... Jahrbuch 2010/2011 Aufschmelzen und eine anschließende sequentielle laterale Erstarrung der Si- Oberflächenschmelze abläuft. Als große Nachteile dieser laserinduzierten Kristallisationsprozesse gelten allgemein die hohen Herstellungskosten, die hohe Prozesskomplexität und die schlechte Uniformität des gelaserten Materials. Zweitens kann die Kristallisation von a-si bei relativ niedrigen Temperaturen durch das Kontaktieren mit einem Metall wie Al, Ni, Cu oder Au herbeigeführt werden. Dieser Prozess wird gemeinhin als metallinduzierte Kristallisation (MIK) bezeichnet. Wie in Abbildung 1 dargestellt, liegen die metallinduzierten Kristallisationstemperaturen von a- Si, je nach Art des katalysierenden Metalls, im Bereich von 150 ºC bis 500 ºC [2]. Eine Kristallisationstemperatur von nur 150 ºC (wie für Kontakte zwischen a-si und Al-Metall beobachtet; vgl. Abb. 1) ermöglicht die Verwendung der meisten Polymersubstrate. Im Vergleich zu laserinduzierten Kristallisationsprozessen stellt die MIK einen viel einfacheren und wirtschaftlicheren Ansatz zur Herstellung von c-si bei niedrigen Temperaturen dar, der sich außerdem leichter im industriellen Maßstab in die aktuellen Halbleiter-Herstellungsverfahren integrieren lässt. Vor diesem Hintergrund ist ein umfassendes Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen der metallinduzierten Kristallisation von entscheidender Bedeutung für die gezielte Anpassung der Kristallisationstemperatur von a-si-schichten in der Herstellung von Dünnschichtphotovoltaikanlagen. Dieser Beitrag bietet nicht nur grundlegende Einblicke in den Prozess der metallinduzierten Kristallisation, sondern zeigt auch, wie Ober- und Grenzflächenenergien die Diffusion, die Benetzung und die Phasenumwandlungen in nanoskaligen Systemen beeinflussen können. Im Folgenden geben wir einen Überblick über unsere bisherige Entwicklung eines einheitlichen und grundlegenden Modells zum Verständnis des MIK-Prozesses in verschiedenen Metall/Halbleiter-Systemen. Die Anwendung des entwickelten Modells auf die Al-induzierte Kristallisation von a-si zeigt, dass die Kristallisationstemperatur von a-si über einen weiten Temperaturbereich von 700 ºC bis 150 ºC eingestellt werden kann. Diese neuen Erkenntnisse können dazu beitragen, Solarzellen und andere elektronische Bauteile (wie aufrollbare Bildschirme) auf billigen Substraten, wie Glas, oder leichten und flexiblen Materialien, wie Kunststoff oder gar Papier, herzustellen. Solch umfassendes Wissen des MIK-Prozesses könnte sogar zu einer neuen Familie von Methoden zur Herstellung von hocheffizienten kristallinen Silizium-Dünnschichten und Nanostrukturen auf flexiblen Polymersubstraten führen. 2011 Max-Planck-Gesellschaft www.mpg.de 3/13 42

Jahrbuch der MPG (2010/2011) Wang, Zumin; Jeurgens, Lars P. H.; Mittemeijer, Eric J. Herstellung von hocheffizienten Nanostrukturen... Jahrbuch 2010/2011 II. Abschwächung der kovalenten Bindung des Siliziums an der Grenzfläche zum Metall: die freien Si-Grenzflächenatome Die Natur ist stets bestrebt, a-si-bulkvolumen auszukristallisieren, weil dies zu einer Senkung der Gesamtenergie des Systems führt. Allerdings müssen zuerst kinetische Barrieren (Aktivierungsenergien) überwunden werden, um einzelne a-si-atome in winzige Keime aus c-si umzuordnen, welche die Kristallisation einleiten. Die Keimbildung von c-si in einem (Bulk-)Volumen aus a-si wird durch die starken kovalenten Bindungen zwischen den Si-Atomen behindert. Folglich kann die Aktivierungsenergie für die Keimbildung von c-si nur bei Temperaturen von etwa 700 ºC aufgebracht (d.h. thermisch aktiviert) werden. An der Grenzfläche zu einem Metall werden die starken kovalenten Bindungen in a-si jedoch geschwächt [3]. Diese sogenannten freien Si-Grenzflächenatome können sich schon bei viel niedrigeren Temperaturen in winzige Keime aus c-si umformen und so die Kristallisation einleiten. Die elektronischen Wechselwirkungen, die diese Abschwächung der kovalenten Si- Bindungen an der Grenzfläche zum Metall bewirken, haben nur eine sehr geringe Reichweite. Die Dicke der Grenzschicht aus freien Si-Atomen beträgt schätzungsweise nur etwa 4,4 Å (~ 2 Monolagen Si). Diese freien Si-Grenzflächenatome könnten nun folgendermaßen den Kristallisationsprozess bei niedrigen Temperaturen katalysieren: (i) die Keimbildung von c-si und folglich der Kristallisationsprozess, werden direkt an der Grenzfläche zum Metall eingeleitet. (ii) die freien Si-Grenzflächenatome diffundieren in die Grenzflächen zwischen benachbarten Kristallkörnern der kontaktierenden Metallschicht hinein (Benetzung) und bilden dort winzige Keime aus c-si, welche die Kristallisation einleiten. Die von der Kristallisation herbeigeführten Änderungen der Bulk- und Grenflächenenergien in dem System, das aus dem a-si-halbleiter und der kontaktierenden Al-Metallschicht besteht, bestimmen letztendlich, ob Ablauf (i) und/oder (ii) thermodynamisch möglich und bevorzugt ist (siehe Abschnitt III). 2011 Max-Planck-Gesellschaft www.mpg.de 4/13 43

Jahrbuch der MPG (2010/2011) Wang, Zumin; Jeurgens, Lars P. H.; Mittemeijer, Eric J. Herstellung von hocheffizienten Nanostrukturen... Jahrbuch 2010/2011 III. Thermodynamik der metallinduzierten Kristallisation III.1 Benetzung der Metallkorngrenzen durch freie Si-Grenzflächenatome Abb. 2: In-situ Beobachtungen eines Querschliffs einer Al/a-Si-Doppelschicht mittels energiegefilterter Transmissions-Elektronenmikroskopie zeigen, während des in-situ Heizens bei 120 ºC, die Anfangsphase des Benetzens von Al-Korngrenzen durch freie Si-Atome. Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme Die Metallschicht, die abgeschieden wird, um die Kristallisation von a-si bei niedrigen Temperaturen einzuleiten, ist in der Regel polykristallin und enthält daher viele Korngrenzen (KG; die Grenzflächen zwischen benachbarten Kristallkörnern). Diese KG können von freien Si-Grenzflächenatomen aus der kontaktierenden a-si-schicht benetzt werden (siehe Abb. 2 und Schritt 1 in Abb. 3), falls die Gesamtenergie des Systems durch die Neubildung von jeweils zwei a-si/metall-grenzflächen pro ursprüngliche Metall-KG gesenkt wird. Unsere thermodynamischen Modellberechnungen haben gezeigt, dass die Benetzung von (Großwinkel-) Metall-KG durch freie Si-Grenzflächenatome für mehrere Metall/Halbleitersysteme (z.b. Al/a-Ge, Au/a-Si and Ag/a-Si) tatsächlich energetisch begünstigt ist [4]. Erst vor kurzem sind für das beispielhafte System Al/a-Si diese theoretischen Vorhersagen durch in-situ Beobachtungen mittels energiegefilterter Transmissionselektronenmikroskopie erstmals direkt experimentell bestätigt worden [5]: siehe Abbildung 2. III.2 Die Keimbildung des Kristallisationsprozesses Die Grenzflächenenergie zwischen einem kristallinen und einem amorphen Festkörper ist in der Regel niedriger als die Grenzflächenenergie zwischen den betreffenden kristallinen Festkörpern [6]. Demzufolge kann eine amorphe Siliziumschicht an einer Grenzfläche und/oder Oberfläche thermodynamisch stabil sein, solange die höhere Energie des Bulkvolumens der amorphen Si- Phase (im Vergleich zu der kristallinen Si-Phase) von der niedrigeren Summe der beteiligten Grenzflächen- und/oder Oberflächenenergien überkompensiert wird. Wie durch die Grenzflächenthermodynamik vorhergesagt [4], führt die Keimbildung von c-si, sowohl an a- 2011 Max-Planck-Gesellschaft www.mpg.de 5/13 44

Jahrbuch der MPG (2010/2011) Wang, Zumin; Jeurgens, Lars P. H.; Mittemeijer, Eric J. Herstellung von hocheffizienten Nanostrukturen... Jahrbuch 2010/2011 Si/Metall-Grenzflächen als auch an von Si-Atomen benetzten Metall-KG, tatsächlich zu erheblichen Energieeinbußen durch die kristallisationsbedingten Änderungen der Grenzflächenstruktur. Nur oberhalb einer bestimmten kritischen Schichtdicke wiegt die durch die Kristallisation bewirkte Senkung der Energie des Si-Bulkvolumes den durch die Bildung kristalliner/kristalliner Grenzflächen verursachten Energieanstieg auf. Die Kristallisation von c- Si wird oberhalb dieser kritischen a-si-schichtdicke eingeleitet, sobald die Temperatur hoch genug ist, um eine thermisch aktivierte Keimbildung von c-si aus freien Si-Atomen zu ermöglichen. Abb. 3: Ordnung im Spalt: Eine Aluminiumdeckschicht senkt die Kristallisationstemperatur von amorphem Silizium (a-si). Zuerst benetzt das a-si die Korngrenzen in der Aluminium-Deckschicht. Oberhalb einer kritischen Dicke des benetzenden a-si-films wird an solchen Al-Korngrenzen die Kristallisation eingeleitet. Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme Die kritische Schichtdicke für die Keimbildung von c-si an einer Al/a-Si-Grenzfläche bei unterschiedlichen Temperaturen kann durch Abgleichung der freigesetzten Kristallisationsenergie mit der Zunahme der Grenzflächenenergie berechnet werden. Die Schicht aus freien Si-Atomen an der Al/a-Si-Grenzfläche ist nur etwa 2 Monolagen (ML) dick (siehe oben). Daher muss die kritische Schichtdicke kleiner oder gleich 2 ML sein, damit die Kristallisation an der Al/a-Si Grenzfläche bei einer Temperatur weit unterhalb der Bulk- Kristallisationstemperatur von a-si (von etwa 700 ºC; siehe Abschnitt II) aktiviert werden kann. Die theoretischen Werte für die kritische Schichtdicke, die durch thermodynamische Berechnungen auf der Grundlage des macroscopic-atom-approach ermittelt wurden [6], nehmen mit zunehmender Temperatur ab, sind aber immer noch höher als 2 ML bei T = 400 ºC [4]. Daher kann die Kristallisation bei niedrigen Temperaturen nicht an der a-si/al- Grenzfläche eingeleitet werden. Eine andere Möglichkeit besteht in der Einleitung der Kristallisation von a-si bei niedrigen Temperaturen an von freien Si-Atomen benetzten Al-KG (vgl. obige Diskussion und Schritt 2 in Abb. 3). Die entsprechenden Werte der kritischen Schichtdicke für die Keimbildung von c-si an benetzten Al-KG können sinngemäß (siehe oben) als Funktion der Temperatur berechnet werden. Dazu wird die freigesetzte Kristallisationsenergie mit der durch die Kristallisation herbeigeführten Zunahme der Grenzflächenenergie (d.h. die zwei ursprünglichen a-si/c-al- Grenzflächen werden durch zwei c-si/c-al-grenzflächen ersetzt) bei verschiedenen 2011 Max-Planck-Gesellschaft www.mpg.de 6/13 45

Jahrbuch der MPG (2010/2011) Wang, Zumin; Jeurgens, Lars P. H.; Mittemeijer, Eric J. Herstellung von hocheffizienten Nanostrukturen... Jahrbuch 2010/2011 Temperaturen ausbalanciert. An einer Al-KG ist der benetzende a-si-film zwischen zwei kristallinen Al-Körnern verankert. Folglich ist die entsprechende maximale Dicke der Schicht von freien Si-Atomen an der Al-KG etwa doppelt so groß wie an der Al/a-Si-Grenzfläche (d.h. 2 2 = 4 ML). Die kritische Schichtdicke für die Kristallisation von a-si an benetzten Al-KG muss also kleiner oder gleich 4 ML sein, damit die Kristallisation bei einer Temperatur weit unterhalb der Bulk-Kristallisationstemperatur für a-si anfangen kann. Der berechnete Wert der kritischen Schichtdicke für die Kristallisation von a-si an benetzten Al-KG nimmt auch mit steigender Temperatur ab und ist für T < 140 ºC kleiner als 4 ML [4]. Daher ist die minimal erforderliche Verarbeitungstemperatur zur Einleitung der Kristallisation von a-si (katalysiert durch freie Si-Atome) viel niedriger an benetzten Al-KG (T 140 ºC) als an den ursprünglichen a-si/al-grenzflächen (T > 400 C). Eigene Experimente haben eindeutig bestätigt [5], dass die Kristallisation von a-si bei solch niedrigen Temperaturen ausschließlich an den Al-KG in der kontaktierenden Al-Schicht eingeleitet wird (und nicht an der ursprünglichen Al/a-Si-Grenzfläche). Abbildung 3 stellt die Abläufe des MIK-Prozesses von a-si über die Benetzung der KG in einer kontaktierenden Al-Schicht schematisch dar. Ähnliche thermodynamische Modellberechnungen (wie für a-si/al-doppelschichten; siehe oben) sind auch für andere Systeme von amorphen Halbleitern und kontaktierenden Metallschichten gemacht worden. Zum Beispiel sollte, laut unseren Modellvorhersagen, für Al/a-Ge-Doppelschichten bei T 50 C die Kristallisation von a-ge sowohl an den Al/a-Ge Grenzflächen als auch an den Al-KG ablaufen. Auch diese Modellvorhersage ist in sehr guter Übereinstimmung mit entsprechenden experimentellen Beobachtungen [4]. Für Ag/a-Si- Doppelschichten sollte, laut unseren Modellberechnungen, die Kristallisation von a-si bei T 400 C ausschließlich an den Ag-KG ablaufen, wie auch in Experimenten beobachtet wurde [7]. III.3 Kontinuierliche Kristallisation und Schichtaustausch Für die Al/a-Si-Schichtsysteme kann die Kristallisation von a-si bei niedrigen Temperaturen (T < 300 C) nur an von freien Si-Atomen benetzten Al-KG herbeigeführt werden (siehe Abschnitt 3.2). Mit der Keimbildung von c-si an benetzten Al-KG werden zwei ursprüngliche c- Al/a-Si-Grenzflächen durch zwei c-al/c-si-grenzflächen ersetzt. Für das Fortschreiten der Kristallisation von a-si müssen weitere freie Si-Grenzflächenatome von der a-si-schicht (an der Al/a-Si-Grenzfläche) an die neu gebildete c-al/c-si Grenzfläche in der Al-Schicht diffundieren, um so das Weiterwachsen von bereits vorhandenen c-si-keimen zu ermöglichen. Unsere thermodynamischen Berechnungen haben gezeigt, dass diese kontinuierliche Benetzung von c-al/c-si-grenzflächen durch freie Si-Atome, und anschließendes laterales Wachstum von c-si, tatsächlich thermodynamisch begünstigt ist; dahingegen ist die Bildung von neuen c-si Keimen an bereits mit c-si bedeckten Al-KG thermodynamisch nicht möglich 2011 Max-Planck-Gesellschaft www.mpg.de 7/13 46

Jahrbuch der MPG (2010/2011) Wang, Zumin; Jeurgens, Lars P. H.; Mittemeijer, Eric J. Herstellung von hocheffizienten Nanostrukturen... Jahrbuch 2010/2011 [4]. Die kontinuierliche Eindiffusion und Kristallisation (Kornwachstum) von Si innerhalb der Al-KG führt letztendlich zu einem Schichtaustausch der Al- und Si-Schichten, da die Al-Atome unter Einfluss der immer weiter zunehmenden Druckspannungen in der Al-Schicht (verursacht durch das Kornwachstum von c-si an den Al-KG) zu den verbliebenen Freiräumen in der a-si-schicht diffundieren. Der letztendliche Austausch der beteiligten Al- and Si-Schichten nach weit fortgeschrittener MIK in Al/a-Si-Schichtsystemen ist auch experimentell bestätigt worden [8]. Der MIK-Prozess im Metall/Halbleiter-System Al/a-Ge führt nicht zu solch einem Austausch der beteiligten Al- und Ge-Schichten, da hier, wie oben erwähnt, die Kristallisation bei niedrigen Temperaturen sowohl an benetzten Al-KG als auch an der ursprünglichen Al/a-Ge-Grenzfläche abläuft (dies ist auch in guter Übereinstimmung mit experimentellen Beobachtungen). 2011 Max-Planck-Gesellschaft www.mpg.de 8/13 47

Jahrbuch der MPG (2010/2011) Wang, Zumin; Jeurgens, Lars P. H.; Mittemeijer, Eric J. Herstellung von hocheffizienten Nanostrukturen... Jahrbuch 2010/2011 IV. Anwendung I: Die von ultradünnen Al-Schichten induzierte Kristallisation: Beherrschung der Kristallisationstemperatur von amorphem Silizium Abb. 4: (a) Schematische Darstellung der Kristallisation von a-si an Al-Korngrenzen in einer kontaktierten, ultradünnen Al-Deckschicht (mit Dicke h Al). (b) Die Kristallisationstemperatur von amorphem Silizium in Abhängigkeit der Dicke einer ultradünnen Aluminium-Deckschicht: Theoretische Vorhersage (durchgezogene Linie für 4,0 ML) und experimentelle Verifikation (rote Datenpunkte mit gestrichelter Linie). Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme Unsere theoretischen Vorhersagen und experimentellen Bestätigungen haben gezeigt, dass die unterschiedlichen MIK-Temperaturen und MIK-Abläufe für unterschiedliche Metall/Halbleiter- Systeme mithilfe der Thermodynamik von Grenzflächen vollständig erklärt werden können. Dies bedeutet, dass es grundsätzlich möglich ist, die MIK-Temperaturen und MIK-Abläufe durch 2011 Max-Planck-Gesellschaft www.mpg.de 9/13 48

Jahrbuch der MPG (2010/2011) Wang, Zumin; Jeurgens, Lars P. H.; Mittemeijer, Eric J. Herstellung von hocheffizienten Nanostrukturen... Jahrbuch 2010/2011 gezielte Änderungen der beteiligten Grenzflächenenergiebeiträge zu steuern. Diese grundlegende Idee haben wir für die MIK von a-si-dünnschichten mittels einer kontrollierten Schichtdickevariation der kontaktierenden ultradünnen Al-Deckschicht realisiert [9]. Liegt nämlich die Dicke (h Al) der Al-Deckschicht (mit einer ausgeprägten säulenförmigen Kornstruktur) in der gleichen Größenordnung wie die Dicke des benetzenden a-si-films an der Al-KG, dann sollte für die Berechnung der kritischen Schichtdicke (als Funktion von T) nicht nur das Ersetzen von zwei a-si/c-al-grenzflächen durch zwei c-si/c-al-grenzflächen (siehe Abschnitt III.2), sondern auch die herbeigeführte Bildung einer kristallinen c-si-oberfläche sowie einer a-si/c-si-grenzfläche berücksichtigt werden (vgl. Abb. 4a). Die so berechnete kritische Schichtdicke ist als Funktion sowohl der Temperatur als auch der Al-Schichtdicke in einem Konturplot dargestellt (siehe Abb. 4b). Wie aus der bisherigen Diskussion hervorgegangen ist (siehe Abschnitt III.2), kann die Kristallisation von a-si bei niedrigen Temperaturen nur an benetzten Al-KG eingeleitet werden, wenn die berechnete kritische Dicke kleiner oder gleich 4 ML ist. Folglich repräsentiert die 4-ML-Linie in Abbildung 4b die niedrigste mögliche Temperatur für die Kristallisation von a-si. Die dazugehörige Kristallisationstemperatur liegt im Bereich von 150 200 ºC für h Al > 20 nm und nimmt, für h Al < 20 nm, mit abnehmender Al-Schichtdicke stark zu. Auch diese theoretischen Vorhersagen wurden von uns experimentell mittels spektroskopischer Ellipsometrie unter Ultrahochvakuum-Bedingungen bestätigt, indem die Kristallisationstemperatur von a-si für unterschiedliche Al-Schichtdicken in Echtzeit bestimmt wurde [9]. Tatsächlich reagiert die Kristallisationstemperatur von a-si höchstempfindlich auf die Dicke der Al-Deckschicht im Schickdickenbereich von 1 nm bis 20 nm (siehe Abb. 4b): Die experimentell ermittelte Kristallisationstemperatur nimmt mit zunehmender Al-Schichtdicke von etwa 700 ºC bei h Al < 1 nm bis 180 ºC bei h Al = 20 nm ab. 2011 Max-Planck-Gesellschaft www.mpg.de 10/13 49

Jahrbuch der MPG (2010/2011) Wang, Zumin; Jeurgens, Lars P. H.; Mittemeijer, Eric J. Herstellung von hocheffizienten Nanostrukturen... Jahrbuch 2010/2011 V. Anwendung II: Nutzung des Al-Korngrenzengefüges als Schablone für das Wachstum von c- Si-Nanostrukturen bei niedrigen Temperaturen Abb. 5: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (aufgenommen unter einer Winkel von 60º zur Probenoberfläche) der Oberfläche einer teils auskristallisierten Al/a-Si-Doppelschicht (eine 50 nm dicke Al- Deckschicht und eine 30 nm dicke a-si-schicht, abgeschieden auf einem oxidierten Si-Wafer, anschließend 15 min geglüht bei 170 ºC). Das restliche Aluminium wurde durch chemisches Ätzen entfernt, wonach eine Nanostruktur von ultradünnen Wänden aus reinem c-si übrig blieb (die dunkle Phase ist nicht auskristallisiertes a-si). Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme Wie oben gezeigt wurde, findet die Kristallisation von a-si in a-si/al-doppelschichten bei niedrigen Temperaturen gezielt an Al-KG statt (siehe Abschnitte II, III, IV). Demzufolge sollte die resultierende Morphologie der auskristallisierten c-si-phase dem ursprünglichen Gefüge der Korngrenzen in der Al-Schicht ähneln. Unsere bisherigen MIK-Versuche an c-al/a-si- Doppelschichten haben gezeigt, dass die Morphologie der herauskristallisierten c-si-phase das Gefüge der säulenförmigen Al-KG in der katalytischen Al-Schicht tatsächlich genauestens widerspiegelt [5]. Nach dem Entfernen des Al durch chemisches Ätzen der auskristallisierten c- 2011 Max-Planck-Gesellschaft www.mpg.de 11/13 50

Jahrbuch der MPG (2010/2011) Wang, Zumin; Jeurgens, Lars P. H.; Mittemeijer, Eric J. Herstellung von hocheffizienten Nanostrukturen... Jahrbuch 2010/2011 Al/a-Si-Doppelschicht bleibt eine Struktur von ultradünnen Mauern aus c-si übrig (siehe Abb. 5). Dies bedeutet, dass die erzeugte Nanostruktur aus c-si mechanisch stabil ist. Chemische Analysen mittels Auger-Elektronenspektroskopie haben bestätigt, dass die Nanostruktur aus reinem Silizium besteht, frei von jeglichen Al-Resten. Wir schließen daher, dass das Gefüge von Al-KG in kontaktierten, nanokristallinen Metallschichten, bei niedrigen Temperaturen (bis zu 150 ºC), als Schablone für die kontrollierte Herstellung von gut definierten c-si-nanostrukturen mit sehr hohen Oberflächen-Volumen- Verhältnissen verwendet werden kann. Die Industrie hat bereits reichlich Erfahrung mit dem Wachsen, Strukturieren und Ätzen von metallischen Dünnschichten mit einstellbarer Korngrenzenstruktur und Korngröße. Diese Fachkenntnisse können gut genützt werden, um die Morphologie der obengenannten c-si-nanostrukturen genauestens einzustellen. Die niedrige Verarbeitungstemperatur für das MIK-Verfahren erlaubt die Herstellung von c-si- Nanostrukturen und Dünnschichtsolarzellen auf kostengünstigen, flexiblen, aber hitzeempfindlichen Kunststoffsubstraten. Komplexe zusätzliche Herstellungsschritte, die bisher angewendet wurden, um vorab auskristallisierte c-si-dünnschichten auf hitzeempfindliche Substrate zu übertragen, sind somit nicht mehr erforderlich. Literaturhinweise [1] A. Schavan: Germany's Energy Research Plan. Science 330, 295 (2010). [2] Z. M. Wang, L. P. H. Jeurgens, J. Y. Wang, E. J. Mittemeijer: Fundamentals of Metal-induced Crystallization of Amorphous Semiconductors. Advanced Engineering Materials 11, 131-135 (2009). [3] A. Hiraki: Low temperature reactions at Si/metal interfaces; What is going on at the interfaces? Surface Science Reports 3, 357-412 (1984). [4] Z. M. Wang, J. Y. Wang, L. P. H. Jeurgens, E. J. Mittemeijer: Thermodynamics and mechanism of metal-induced crystallization in immiscible alloy systems: Experiments and calculations on Al/a-Ge and Al/a-Si bilayers. Physical Review B 77, 045424 (2008). [5] Z. M. Wang, L. Gu, F. Phillipp, J. Y. Wang, L. P. H. Jeurgens, E. J. Mittemeijer: Metal-catalyzed growth of semiconductor nanostructures without solubility and diffusivity constraints. Advanced Materials 23, 854-859 (2011). 2011 Max-Planck-Gesellschaft www.mpg.de 12/13 51

Jahrbuch der MPG (2010/2011) Wang, Zumin; Jeurgens, Lars P. H.; Mittemeijer, Eric J. Herstellung von hocheffizienten Nanostrukturen... Jahrbuch 2010/2011 [6] L. P. H. Jeurgens, Z. M. Wang, E. J. Mittemeijer: Thermodynamics of reactions and phase transformations at interfaces and surfaces. International Journal of Materials Research 100, 1281-1307 (2009). [7] T. J. Konno, R. Sinclair: Metal-contact-induced crystallization of semiconductors. Materials Science and Engineering: A 179-180, 426-432 (1994). [8] J. Y. Wang, Z. M. Wang, E. J. Mittemeijer: Mechanism of aluminum-induced layer exchange upon low-temperature annealing of amorphous Si/polycrystalline Al bilayers. Journal of Applied Physics 102, 113523 (2007). [9] Z. M. Wang, J. Y. Wang, L. P. H. Jeurgens, E. J. Mittemeijer: Tailoring the ultrathin Al-induced crystallization temperature of amorphous Si by application of interface thermodynamics. Physical Review Letters 100, 125503 (2008). 2011 Max-Planck-Gesellschaft www.mpg.de 13/13 52

Jahrbuch der MPG (2010/2011) Richter, Ralf Die süße Hülle lebender Zellen von der supramolekularen... Jahrbuch 2010/2011 Die süße Hülle lebender Zellen von der supramolekularen Struktur und Dynamik zur biologischen Funktion Richter, Ralf Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Standort Stuttgart, Stuttgart Korrespondierender Autor Email: rrichter@is.mpg.de Zusammenfassung Viele lebende Zellen statten sich mit einer zuckerhaltigen Hülle aus, die eine Schlüsselrolle beim Schutz der Zelle und bei der Strukturierung und Kommunikation mit ihrer Umgebung spielt. Eine herausragende Eigenschaft dieser perizellularen Hüllen ist ihre dynamische Selbstorganisation in stark hydratisierte, gelartige Netzwerke. Maßgeschneiderte Modellsysteme, die aus den molekularen Bausteinen der perizellularen Hüllen aufgebaut werden, können verstehen helfen, wie die Zellhüllen funktionieren. Abstract Many biological cells endow themselves with a sugar-rich coat that plays a key role in the protection of the cell and in structuring and communicating with its environment. An outstanding property of these pericellular coats is their dynamic self-organization into strongly hydrated and gel-like meshworks. Tailor-made model systems that are constructed from the molecular building blocks of pericellular coats can help to understand how the coats function.<br /> 2011 Max-Planck-Gesellschaft www.mpg.de 1/7 53

Jahrbuch der MPG (2010/2011) Richter, Ralf Die süße Hülle lebender Zellen von der supramolekularen... Jahrbuch 2010/2011 Die geheimnisvolle Hülle lebender Zellen Abb. 1: (a) Illustration der Eireifung. Die gelartige Zuckerhülle um die Eizelle engl. Cumulus Cell-Oocyte Complex Matrix, COC Matrix ist essenziell für den Transport der Eizelle im Eileiter und für die Befruchtung. (b) Lichtmikroskopische Aufnahme einer Eizelle mit COC Matrix. Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme / Ralf Richter, adaptiert von [1] und [2] Die Natur hat in Millionen von Jahren komplexe Materialien hervorgebracht, die in exquisiter Weise spezifische Funktionen ausüben. Eine eher unscheinbare, biologisch jedoch sehr wichtige Materialklasse sind die gelartigen, wasser- und zuckerreichen Hüllen, mit denen sich viele Zelltypen ausstatten. Die menschliche Eizelle zum Beispiel umgibt sich kurz vor dem Eisprung mit einer dicken Zuckerhülle, die die Aufnahme in den Eileiter ermöglicht und später Spermien einfangen hilft (Abb. 1). Auch die gelartigen Eigenschaften des von Knorpelzellen produzierten Knorpels sind essenziell für die Druckbeständigkeit und Schmierung der Gelenke. Abb. 2: Hyaluronan und hyaluronanbindende Proteine. (a) Molekularstruktur von Hyaluronan. (b) Die Hyaluronankette ist flexibel und bildet in Wasser ein ungeordnetes Zufallsknäuel. (c) Die Bindung von Hyaluronan an die Zelloberfläche und an hyaluronanbindende Proteine kann verschiedenste supramolekulare Strukturen erzeugen. Hypothetische Strukturen sind hier schematisch gezeigt. Die Rekonstruktion solcher Strukturen in vitro erlaubt quantitative Einblicke in die supramolekulare Organisation und Dynamik sowie die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Zellhüllen. Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme / Ralf Richter Obwohl diese Zuckerhüllen wichtige Rollen in elementaren biologischen Prozessen spielen, wissen wir nur sehr wenig über ihre interne Organisation und wie sie funktionieren. Die Untersuchung perizellularer Hüllen stellt auch heute noch eine Herausforderung dar. Ihre internen Strukturen sind mit herkömmlichen Methoden kaum sichtbar zu machen, da sie schlecht geordnet, extrem wasserhaltig und dynamisch sind. Eine essenzielle Komponente 2011 Max-Planck-Gesellschaft www.mpg.de 2/7 54

Jahrbuch der MPG (2010/2011) Richter, Ralf Die süße Hülle lebender Zellen von der supramolekularen... Jahrbuch 2010/2011 vieler perizellularer Hüllen ist Hyaluronan, ein langkettiger Zucker von bis zu mehreren Mikrometern Länge (Abb. 2a-b) [3]. Darüber hinaus enthalten die Hüllen eine Reihe von Proteinen, die an Hyaluronan binden und dabei verschiedenste supramolekulare Strukturen erzeugen können (Abb. 2c). Von Interesse sind die physikalischen Gesetzmäßigkeiten, die der Organisation und Funktion dieser Hüllen zugrunde liegen. Dafür ist es wünschenswert, von lebenden Zellen mit ihrer komplexen Dynamik zu kontrollierten Modelsystemen mit regelbarer Komplexität wechseln zu können. Rekonstruktion von Zuckerhüllen im Labor Lego mit Molekülen Etablierte biochemische Methoden erlauben es, die einzelnen Komponenten der Zuckerhüllen zu identifizieren, sie aus dem natürlichen Gewebe zu isolieren oder im Labor herzustellen. Ziel ist es nun, diese Bausteine wieder zu maßgeschneiderten Modellsystemen zusammenzufügen. Die Natur hat die Moleküle so entworfen, dass sie spezifische Bindungen miteinander eingehen. Ähnlich wie in einem Legobaukasten passen nur gewisse Bausteine zusammen. Mit wenigen Bausteintypen lassen sich jedoch viele verschiedene Bauwerke konstruieren. Der so reizvolle Vergleich zwischen den Zuckerhüllen und einem Lego-Bauwerk hinkt jedoch in zwei wichtigen Punkten. Im Gegensatz zu Legobausteinen können die Moleküle in der Zuckerhülle sich spontan voneinander trennen und ständig neue Bindungen eingehen. Zudem sind die Zuckerketten nicht starr sondern flexibel und können also verschiedenste Formen annehmen. Diese Eigenschaften erklären, weshalb die Zuckerhüllen weich sind und sich beständig umorganisieren, wenn sich die äußeren Umstände ändern. Die Fähigkeit zur Selbstorganisation ist eine essenzielle Komponente der Zuckerhüllen. Um aus der Vielzahl von möglichen Strukturen die gewünschte herzustellen, müssen die Bausteine in der richtigen Konzentration und in der richtigen Reihenfolge miteinander in Verbindung gebracht werden. Die Herausforderung ist also, Bedingungen zu schaffen, die es den Molekülen erlaubt, sich so zusammenzusetzen, wie sie es in der Natur auch tun. Ein äußerst hilfreiches Werkzeug dazu ist die Biofunktionalisierung von Oberflächen. Biomoleküle werden so auf einer Oberfläche wie zum Beispiel Glas oder Gold aufgebracht, dass ihre Verteilung, Dichte und Orientierung kontrolliert werden kann. Zusätzlich muss dafür gesorgt werden, dass die Oberfläche passivierende Eigenschaften hat, da viele Biomoleküle die Tendenz haben, unspezifisch an Oberflächen klebenzubleiben. 2011 Max-Planck-Gesellschaft www.mpg.de 3/7 55

Jahrbuch der MPG (2010/2011) Richter, Ralf Die süße Hülle lebender Zellen von der supramolekularen... Jahrbuch 2010/2011 Abb. 3: Wie kann man eine Zuckerhülle künstlich nachbauen? (a) Eine Glasoberfläche wird zu diesem Zweck mit einer Lipidmembran funktionalisiert [4]. Die Lipidmembran ähnelt der Zellmembran und sorgt dafür, dass die meisten Biomoleküle nicht an der Oberfläche haften können. Mittels spezieller Lipide, die eine Biotingruppe (gelb markiert) tragen, kann jedoch der Proteinlinker Streptavidin spezifisch gebunden werden. Biotinfunktionalisiertes Hyaluronan wird dann mit einem seiner Enden am Proteinlinker verankert. (b) Mit der Quarzkristallmikrowaage (QCM-D) lässt sich jeder Schritt in diesem Prozess zeitaufgelöst verfolgen [5]. Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme / Ralf Richter Die langen Hyaluronanketten lassen sich zum Beispiel mit einem ihrer Enden an der Oberfläche verankern, indem man sie künstlich mit einer Ankergruppe versieht (Abb. 3). Da Hyaluronan ein flexibles und wasseranziehendes Molekül ist, formt es in Wasser ein lockeres Zufallsknäuel (ähnlich wie weichgekochte Spaghetti im Kochtopf, Abb. 2b). Auch wenn ein Kettenende an der Oberfläche befestigt wird, bleibt dieses Zufallsknäuel erhalten. Ist die Dichte der verankerten Ketten jedoch hoch genug, entsteht Gedränge und die Zuckerketten beginnen, sich von der Oberfläche weg zu strecken. Eine solche Struktur wird trefflich als (Polymer-) Bürste bezeichnet (Abb. 3). Auch Zellen sind in der Lage, Hyaluronan mit einem Ende an ihrer Oberfläche zu verankern, und das Modellsystem ahmt also natürliche Verhältnisse ganz passend nach. Untersuchungsmethoden unter Wasser Wasser ist ein essenzieller Bestandteil der Zellhüllen. Wird das Wasser entzogen, fallen die Zellhüllen in sich zusammen und verlieren ihre charakteristischen mechanischen und dynamischen Eigenschaften. Aus diesem Grund sind Methoden gefragt, die es ermöglichen, die Zellhüllen in wässriger Umgebung zu untersuchen. Das interdisziplinäre Feld der Grenzflächenforschung hat in den letzten Jahrzehnten eine ganze Reihe von Methoden 2011 Max-Planck-Gesellschaft www.mpg.de 4/7 56

Jahrbuch der MPG (2010/2011) Richter, Ralf Die süße Hülle lebender Zellen von der supramolekularen... Jahrbuch 2010/2011 entwickelt, mit denen verschiedenste Parameter von dünnen biomolekularen Filmen quantifiziert werden können. Abb. 4: Mithilfe eines Werkzeugkastens grenzflächensensitiver und biophysikalischer Methoden lassen sich viele Eigenschaften der Modellsysteme im Detail untersuchen und quantifizieren. Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme / Ralf Richter Diese Methoden sind jedoch oft für ganz andere Anwendungen, etwa in der Biosensorik, konzipiert worden. Auch vermag es keine dieser Techniken allein, ein ausreichend detailliertes Bild der Struktur und Dynamik der Zuckerhüllen zu geben. Um den Hüllen die gewünschte Information zu entlocken, ist es nötig, existierende Methoden anzupassen und geschickt miteinander zu verknüpfen. Dies erfordert eine enge Zusammenarbeit zwischen Biochemikern, Materialwissenschaftlern und Physikern. Mit einem Werkzeugkasten von Methoden (Abb. 4) lassen sich nun zum Beispiel die Filmdicke und die Elastizität der Filme präzise ausmessen. Auch die Einlagerung zuckerbindender Proteine lässt sich zeitaufgelöst quantifizieren. 2011 Max-Planck-Gesellschaft www.mpg.de 5/7 57