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    Passively mode-locked Tm-lasers for all-fiber high-energy nonlinear chirped pulse amplification
    (2023) Graf, Florian; Dekorsy, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)
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    Bedload transport estimation in mountainous intermittent rivers and streams
    (Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2023) Sadid, Najibullah; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)
    Rivers and streams with the flow, sediment, and habitat seasonality are termed as intermittent rivers and streams (IRS). IRS are the main water bodies in arid and semi-arid regions of the world but are also found in the temperate and humid environment, where they are particularly draining headwater streams. Thus, a large part of headwater streams in the mountainous regions behave as intermittent water bodies, where the steep channel slope and a wide variety of sediment sizes add to their hydrosedimentological complexity. Bedload transport as an important sedimentological characteristic of mountainous IRS and essential for planning sediment management strategies, is far from being well understood. Often the knowledge of lowland perennial rivers is adapted to steep IRS, which may lead to an overestimation of bedload transport mainly due to the overestimation of near-bed flow characteristics. Despite the development of numerous methods for modifying near-bed flow parameters for steep IRS such as Double-averaging of Navier-Stokes equation and flow resistance methods modifications for steep IRS, their application is limited to small domains and laboratory conditions. In this research, the flow resistance, main determinant of near-bed flow characteristic is estimated using a regime channel approach. In this approach, the flow resistance is estimated on reach-scale based on the channel’s regime dimension, slope and bankfull discharge assuming an IRS is in regime state (equilibrium condition). A channel’s regime state represents a long-term average characteristic of a river and does not significantly change over time. A channel reach of a constant slope develops a certain flow resistance during its regime state development to resist the change imposed by bankfull discharge and maintain a specific regime geometry, slope, and sediment grain size. 2D- hydromorphological computer simulations are employed to simulate the development of channel regime state for several cases of initial geometries, slopes, and grain sizes by steering the flow resistance. This modifies the riverbed shear stress by the ratio of total flow resistance to grain resistance also known as relative flow resistance µ in order to account for flow energy dissipation on resistance sources such as macro-roughness elements (MRE), and bedforms. Alternatively, two cases of MRE as a main flow resistance inducer is built as non-erodible trapezoidal shapes (i) randomly distributed over the channel bed, and (ii) arranged in cascade bedforms are used in regime channel simulations. MRE protects the channel by reducing the exposed riverbed to erosion and changing the flow characteristics in their vicinity. Regime channel simulations are performed on artificial channels of initial slopes between 0.0% to 10% and initial dimensions of 5.5 m x 200 m and 16.5 m x 200 m resembling a fixed (laboratory) and an extended-width (natural wide channel) condition. Three channel slope combination cases representing a natural channel reach which can be composed of one or more constant slope stretch are also studied beside single slope channels. Steady state simulations are performed for six sediment grain size (GSD) sets, which cover a wide spectrum of naturally occurring sediment sizes. The simulation results show a power-law relationship between µ and regime channel slopes for all channel dimensions, reach combinations, GSD, initial slopes and with (R1) and without sediment feeding (R). The increase in relative flow resistance (µ) with regime channel slope is well reproduced in form of bedforms. Regime channels developed step-pool to cascade bedforms for steep slopes and plane- to riffle bed for gentle slopes channels. The relationship between µ and regime slope derived using regime channel simulation approach exhibits good agreement with some field measurement of flow resistance for mountainous rivers and streams. The approach is applied on two IRS case studies with observed data in Kabul River basin, Afghanistan to estimate bedload transport. The relative flow resistance resulted from models calibration showed good agreement with those derived from test channels regime development simulation. The outcome of channel regime simulation with presence of MRE as geometrical shapes produced a logarithmic-law with a horizontal asymptote relationship between MRE concentrations and channel regime slopes. Similar results are also reported from flume experiments that the ratio of drag to total shear stress increases rapidly when the MRE are sufficiently distant. Regime channels develop micro-channels around MRE, where the bulk of bedload transport occur. For MRE arrangements as cascades, the results show a power-law relationship between channel regime slope and step-pool dimensions λ = LD/DB. The results obtained are in good agreement with field measurement of naturally occurring and artificially built λ relationship with SR. Future studies can further enrich the validation of this approach by applying it to other study sites. Present modelling tools have their limitations when dealing with strong geometries which is often the case for mountain rivers, therefore, improvement in modelling techniques is required to flexibly deal with abrupt changes in riverbed geometry for instance when implementing MRE as main flow resistance inducer.
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    Vernetzung, Permeabilität, Wasser- und Hitzebeständigkeit Polyvinylalkohol-basierter Beschichtungen
    (2023) Michele, Andre; Tovar, Günter E. M. (Prof. Dr.)
    Polyvinylalkohol (PVA) ist ein hydrophiles Polymer mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten. Ein Schwerpunkt liegt auf der Nutzung von PVA als Beschichtungsmaterial. Die Beständigkeit von PVA-Schichten in Wasser ist jedoch gering, da das Polymer unter Ausdehnung des Volumens quillt oder sich vollständig auflöst. Um die Wasserbeständigkeit zu erhöhen, wird PVA deshalb üblicherweise vernetzt. Hierfür sind zahlreiche Methoden bekannt. In der Regel besitzen diese jedoch entscheidende Nachteile. Daher besteht erheblicher Forschungsbedarf, um neue Vernetzungsmethoden für PVA-Schichten zu entwickeln und bestehende Methoden zu optimieren. In dieser Arbeit wurden zwei neue Vernetzungsmethoden für PVA entwickelt. Die erste basiert auf einer Weiterentwicklung der thermischen Vernetzung von PVA, in Anwesenheit starker Säuren. Mit dem Ziel Nebenreaktionen zu minimieren, wurde hierfür p-Toluolsulfonsäure (TSA) als neuer Vernetzer untersucht. Die zweite Methode basiert auf der UV-Licht-initiierten C,H-Insertion. Hierfür wurden zwei neue Polymere, mittels polymeranaloger Umsetzung von PVA mit 4-Fluorbenzophenon und PVA mit 4-Fluorbenzphenon und 1,3-Propansulfon, synthetisiert. Die auf diese Weise erhaltenen Benzophenon-Modifizierten PVA (PVA-BP) und sulfonierten PVA-BP (sPVA-BP), wurden bezüglich ihrer UV-Licht-initiierten Vernetzung untersucht. Für die Entwicklung der thermischen Vernetzung von PVA in Anwesenheit von TSA wurde ein statistischer Versuchsplan mit den experimentellen Parametern Temperatur (ϑ), Vernetzungsdauer (tc) und Massenkonzentration an TSA (wTSA) angewandt. Mit den Ergebnissen konnten statistische Modelle des Vernetzungsprozesses erstellt werden. Bei allen angewandten Parametern wurde die Ausbildung eines unlöslichen Materials und eine Schwarzfärbung beobachtet. Diese Beobachtungen konnten, durch die parallel ablaufende Vernetzung des PVA und Zersetzung durch Dehydratation und Oxidation, erklärt werden. Die Auswertung der aufgestellten Modelle ermöglichte die Identifizierung optimaler Vernetzungsparameter bei minimaler Zersetzung des Polymers. Die Entwicklung von Synthesevorschriften für PVA-BP und sPVA-BP war erfolgreich. Durch die Bestrahlung von PVA-BP- und sPVA-BP-Schichten mit UV-Licht wurden diese vernetzt und kovalent an das Substrat angebunden. Zur Untersuchung der Vernetzungsreaktion wurde ein Modell basierend auf der Perkolationstheorie angewandt. Eine Korrelation zwischen dem Benzophenon-Modifikationsgrad und der Vernetzungsgeschwindigkeit konnte hierdurch festgestellt werden. Dieser Effekt wurde über die größere Anzahl an potenziell reaktiven Gruppen für die C,H-Insertion erklärt. Der Gleichgewichtsquellgrad (EDS) verringerte sich mit fortschreitender Bestrahlungsdauer. Dies konnte mit der Verringerung der Maschenweite des Netzwerkes erklärt werden. Zudem sank der EDS mit steigendem Benzophenon-Modifikationsgrad und sinkendem Sulfonsäure-Modifikationsgrad. Als Erklärung hierfür werden die verringerte Hydrophilie und der geringere osmotischen Druck im Netzwerk, durch die geringere Anzahl an geladenen Sulfonsäure-Gruppen, angeführt. Anwendung fanden die in dieser Arbeit vorgestellten Vernetzungsmethoden bei der Herstellung von wasser- und hitzebeständigen Komposit-Membranen mit semipermeablen PVA-Schichten. Die Membranen waren dicht gegenüber Stickstoff, jedoch gut permeabel für Wasserdampf. Folglich konnte gezeigt werden, dass die vorgestellten Vernetzungsmethoden generell für die Herstellung von Membranen für die Befeuchtung von Luft - auch Befeuchtermembranen (BM) genannt - geeignet sind.
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    Alternative active site confinement by enforcing substrate pre-organization in cyclases
    (2023) Schell, Kristina; Hauer, Bernhard (Prof. Dr.)
    Confinement of an enzyme’s active site is critical to the efficiency of chemical reactions and has been recognized as an important tool for catalysis. Confined active sites facilitate the pre-organization of substrates and intermediates to control the reaction course, protect against premature quenching and provide unique products. The catalytic center activates the substrate, and its activity can be enhanced by residues surrounding the substrate in the active site, changing the local catalyst geometry, and maintaining a constrained structural and/or electronic configuration of the catalytic center. These properties are characteristic of confinement, resulting in the generation of proximity between the substrate and the catalytic center, as well as complementary binding of the substrate into the active site. Effectively, this accelerates the reaction, controls the progress of the reaction, and positions the substrate in a productive conformation. The reaction course is selectively controlled by the stabilization of intermediates and by the interaction of electron-rich residues with electron-poor molecules and vice versa. Despite these benefits, a strongly confined active site is inherently limited to compounds that resemble the native substrate, with only small deviations tolerated. This restricts the applications for new reactivities and prevents broad substrate scopes. In this work, analysis of the enzyme structure in combination with iterative saturation mutagenesis were employed for the development of biocatalysts with alternative confinement and productive substrate pre-organization. To unlock the potential of confined Brønsted acid catalysts this approach was applied on terpene synthases. These enzymes form several carbocations as transition states and intermediates, which can be selectively converted by confinement of the active site. Exploiting the potential of terpene synthases to convert modified terpene scaffolds could provide interesting building blocks with branched isoprene/terpene motifs. In addition, the control of the reaction progression to specific products rather than a mixture of products could be targeted by stabilizing carbocation intermediates or transition states. The present work demonstrates a structure-guided strategy to create an alternative confinement in the squalene hopene cyclase from Alicyclobacillus acidocaldarius (AacSHC). This strategy aims to create proximity between substrate and catalytic center and complementarity between substrate and active site to obtain productive pre organization of the substrate. This may allow the conversion of geranylacetone (GA), farnesol and farnesylacetone analogs as substrates with modified isoprene patterns. Among different rational and semi-rational approaches only variant G600M (VD1), in which the substrate tunnel was modified, yielded starting activity. Structural analysis of VD1 led to the identification of a bottleneck in the tunnel. This resulted presumably in steric interactions and proximity by decreasing average distances between the double bond of the substrate’s terminal isoprene unit and the catalytic center. Furthermore, a lower fluctuation of these distances around this mean value was observed in VD1 compared to the wild type (WT). These observations support the hypothesis of improved substrate pre-organization and confirm the creation of proximity between the substrate and the catalytic center. The development of a screening method and optimization of reaction conditions facilitated iterative saturation mutagenesis to investigate the evolvability and the potential of the approach. The positions for saturation mutagenesis targeted the shape complementarity of the active site to the GA analog dihydropseudoirone, and the finally developed variant (VD5) showed an 1174-fold increase of the total turnover number and 111-fold increase in catalytic efficiency compared to the WT. Creation of alternative active site confinement demonstrates evolvability and great potential to overcome limitations in the engineering of biocatalysts and allowed the generation of novel building blocks in preparative mg scale. Limitations in the generation of alternative confinement were approached by using lycopene cyclases. These catalysts convert linear lycopene to carotenes under physiological conditions and were mainly studied for the conversion of pseudoionones in this work. The latter substrate could not be converted by AacSHC through generation of alternative confinement. Three different lycopene cyclases were tested, of which CanLCY B showed immediate activity in converting pseudoionone to a monocyclic product. AthLCY-B and AthLCY-E initially showed no conversion of selected terpenes. After optimizing the reaction conditions, a multiple sequence alignment (MSA) was performed to identify non-conserved positions around the catalytic acid of LCY-B. It was hypothesized that these amino acids influence the confinement and the pre-organization of the substrate. Saturation mutagenesis at the identified positions improved β-Ionone formation by 4-fold and conversion by 5% with variant V335L compared to the WT. The applicability of this MSA-based alternative confinement strategy for engineering of further lycopene cyclases was demonstrated by using saturation mutagenesis of the respective residues in AthLCY-E. Under optimized conditions α-Ionone product formation increased 4.5-fold with the best performing variant AthLCY-E S359F compared to WT AthLCY-E. Application of lycopene cyclases to complement activities with challenging steric interactions demonstrated the successful expansion of the diversity for protonation reactions by biocatalysts and the successful application of an MSA-based approach to generate alternative confinement. To further investigate the generation of alternative confinement and expand the toolbox of Brønsted acid catalysis, the acid isomerization of monoterpenes catalyzed by squalene hopene cyclases (SHCs) was investigated. To access selective product formation with monoterpenes a strategy based on cation stabilization was applied to overcome the challenging pre-organization of the cyclic C10 compounds. The focus was on aromatic residues with high electron density and residues surrounding the carbocation to direct the reaction course toward a single monoterpene product. In an initial screening, four monoterpenes were converted by AacSHC, resulting in complex product mixtures. Of these, one monocyclic and one bicyclic substrate were selected for further engineering. The goal here was to increase the formation of terpinen-4-ol, a hydrated monoterpene. In addition, limonene that was not converted by AacSHC was tested. Optimization of reaction conditions and semi-rational engineering to stabilize the carbocation intermediate produced improved variants in terms of selectivity and terpinen-4-ol formation. Saturation mutagenesis of hydrophobic amino acids that interact with the docked substrate and surrounding residues resulted in variants VT3 and VS2, which had the best selectivity and the highest measured terpinene 4-ol formation, respectively. VT3 converted monocyclic terpinolene with a selectivity of 64% and with a 3.4-fold increase in total turnover number (TTN) compared to the WT. The highest terpinene-4-ol formation of 219 µM and a 2-fold increase in TTN compared to the WT was measured with the bicyclic compound sabinene. Features, such as bulkier residues at position 600, found in VT3 and VS2 are likely responsible for generation of alternative confinement by the positioning of aromatic residues, which stabilize cationic intermediates along the reaction trajectory towards terpinene-4-ol formation. Creating alternative confinement shows great potential for overcoming limitations in biocatalyst engineering. Interesting building blocks were generated and new reactivities with improved selectivity in protonation reactions have been discovered. Moreover, this strategy could be used for predicting potential hot spots in enzyme engineering campaigns and data-driven predictions of enzyme functions to decipher the catalytic potential of enzyme scaffolds.
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    Characterization and optimization of sulfurized poly(acrylonitrile) cathodes and silicon anodes
    (2023) Niesen, Stefan; Buchmeiser, Michael R. (Prof. Dr.)
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    Atom probe study on CuNi thin films : miscibility gap and grain boundary segregation
    (2023) Duran, Rüya; Schmitz, Guido (Prof. Dr. Dr. h. c.)
    In dieser Arbeit wurde die Lage der Mischungslücke, und die Korngrenzsegregation im Legierungssystem, Kupfer-Nickel, per Atomsondentomographie (APT) analysiert. Zur Untersuchung der Mischungslücke eines binären Systems mit langsamer Diffusion wurde ein neues Verfahren verwendet. Multilagen aus Cu- und Ni- Dünnschichten wurden mittels Ionenstrahlbeschichtung (IBS) auf Wolframpfosten beschichtet und durch fokussierte Ionenstrahlung (FIB) geformt. Bei drei unterschiedlichen Temperaturen, zwischen 573 und 673 K, wurden isotherme Auslagerungssequenzen an einem Ultrahochvakuumofen (UHV) durchgeführt und der Mischungsprozess analysiert. Ein Modell des Diffusionsprozesses wurde mittels mathematischer Überlegungen erstellt. Durch das Fitten der experimentellen Kompositionsprofile mittels dieses Modells konnten die Gleichgewichtskonzentrationen der Schichten auch mit relativ kurzen Auslagerungszeiten ermittelt werden. Darüber hinaus konnten aus den diffusionskontrollierten Zeit- und Temperaturdaten physikalische Eigenschaften wie der effektive Diffusionskoeffizient (Gitterdiffusion einschließlich Defektdiffusion) bestimmt werden. Dieser betrug Deff = 1.86 ∙ 10-10 m2/s ∙ exp(-164 kJ mol-1/RT). Während dem Vermischen wurde die Änderung der multilagigen Mikrostruktur bis zur vollständigen Mischung bei 623 und 673 K beobachtet, wobei Korngrenzen als schneller Diffusionsweg eine wichtige Rolle spielen. Bei 573 K wurde Nichtmischbarkeit experimentell deutlich nachgewiesen, wobei die Phasengrenzen bei cNi=26 at.% und cNi=66 at.% liegen. Mit diesen Phasengrenzen wurde die Mischungslücke über eine Redlich-Kister-Parametrisierung der Gibbs‘schen freien Energie über den gesamten Konzentrationsbereich rekonstruiert. Hierin wurde für die kritische Temperatur, TC, 608 K bei einer Konzentration von 45 at% Ni gefunden. Im zweiten Teil wurde die Korngrenzsegregation durch die FIB/tEBSD- (Transmissions-Elektronen-Rückstreubeugung) Technik, in Korrelation zu APT-Messung charakterisiert. Vier Legierungen mit einem Ni-Anteil zwischen 25 und 85 at.% wurden auf Wolframpfosten per IBS beschichtet, und bei 700 K für 24 h wärmebehandelt. Die Segregation von Cu in die Korngrenzen wurde beobachtet. Durch die Verwendung eines theoretischen Models wurde die Exzess-Kurve über den gesamten Konzentrationsbereich, und die Korngrenz-Formationsenergie auf Basis der experimentellen Daten berechnet. Die tEBSD-Analyse während der FIB-Präparation erlaubt die Identifikation der Körner und deren Orientierung. Ein neues Verfahren wurde entwickelt, um mithilfe der Orientierung benachbarter Körner, Berechnungen zur Ermittlung der Korngrenzorientierung durchzuführen und somit die Orientierung natürlicher Korngrenzen zu bestimmen. Mit diesem Verfahren konnte der zeitliche Aufwand dieser anspruchsvollen Auswertung (verglichen zur herkömmlichen Methode mittels TEM-Untersuchung) stark reduziert werden, so dass eine quantitative Analyse vieler Korngrenzen möglich wurde. Aus den einzelnen Korngrenzorientierungen wurde die Korngrenzrotation, und die jeweiligen Anteile an Kippung und Drehung berechnet. Eine Abhängigkeit der Feststoffsegregation vom Kipp- und Drehanteil der Korngrenze wurde beobachtet, die am kleinsten für die reine Kipp- und Drehrotation war. Die ermittelten Segregationsweiten sind signifikant größer als die strukturellen Korngrenzweiten und bewegen sich zwischen 12 und 85 Å. Dieses Verhalten wurde durch eine künstliche Verbreiterung der Korngrenze erklärt, die durch eine Flugbahnabweichung der Korngrenzatome während der Verdampfung verursacht wurde. Eine Korngrenzweite von w0 = (10.1 ± 1.5) Å wurde für eine unverfälschte Korngrenze gefunden.
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    Experimental multi-scale characterization using micro X-ray computed tomography
    (Stuttgart : Institute of Applied Mechanics, 2023) Ruf, Matthias; Steeb, Holger (Prof. Dr.-Ing.)
    The effective mechanical and hydro-mechanical behavior of porous media, granular solids, and related materials with complex morphologies is intimately linked to their internal microstructure on the pore/grain scale. For microstructural characterization, transmission micro X-Ray Computed Tomography (µXRCT) has emerged as a crucial three-dimensional (3D) imaging technique that can provide structural information from the micrometer to centimeter scale. Due to its non-destructive nature, it can be excellently combined with time-dependent investigations, either ex situ or in situ. In particular, the possibility of coupling mechanical or hydro-mechanical characterization with µXRCT-based 3D imaging in situ allows many physical phenomena to be studied in more detail and consequently understood more comprehensively. For example, the microstructure evolution can be observed under various controlled boundary conditions and linked to measured effective quantities. New insights and improved understanding can ultimately positively influence modeling approaches. In order to be able to perform such multi-scale studies, a modular, open, and versatile lab-based µXRCT system was developed within the scope of this work. It provides a spatial resolution of down to less than 10 µm. The developed system has an integrated universal testing machine that enables in situ compressive, tensile, and torsional studies as well as their combinations, parallel or sequential. Furthermore, hydro-mechanical coupled phenomena can be investigated using appropriate equipment, such as triaxial flow cells. Thanks to the open and modular concept, the developed system can be used in the future for a wide variety of multiphysics research questions and can be considered as an open experimental platform. Employing the established system, various multi-scale phenomena from different material classes are motivated and partly investigated in more detail within this work. For this purpose, classical experimental characterization methods are combined with µXRCT-based 3D imaging ex situ as well as in situ. Among others, 3D imaging is combined with ultrasound wave propagation measurements to investigate the influence of artificially generated crack networks in Carrara marble by different thermal treatment protocols. Load-sequence effects are demonstrated on an open-cell foam sample. An in situ workflow is shown to investigate the not-well-understood effective stiffness behavior of biphasic monodisperse granular packings of stiff and soft particles of different volume fractions at different stress states. The fracturing of a rock sample in a triaxial flow cell shows possibilities of application in the context of fracture mechanics. All resulting data sets, including metadata, are available via the Data Repository of the University of Stuttgart (DaRUS).
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    Modulationsdotierte Germanium-MOSFETs für den Spin-Transport in zweidimensionalen Lochgasen
    (2023) Weißhaupt, David; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)
    Die Halbleiter-Spintronik beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Bauelementkonzepte, die den intrinsischen Spin-Freiheitsgrad des Elektrons ausnutzen. Dabei werden spin-basierte Logik-Bauelemente aufgrund des geringen Energiebedarfs zum Umschalten der Spin-Orientierung als aussichtsreiche Kandidaten für zukünftige Transistor-Anwendungen diskutiert. Anzuführen sind hierfür beispielsweise der Spin-Feldeffekttransistor (FET) nach Datta und Das sowie der Spin-Metall-Oxid-Halbleiter-FET von Sugahara und Tanaka. Für diese Bauteilkonzepte müssen jedoch vier grundlegende Komponenten beherrscht werden: Die Spin-Information muss in den Halbleiter eingebracht (Spin-Injektion), transportiert sowie evtl. manipuliert (Spin-Transport & Spin-Manipulation) und final wiederum detektiert (Spin-Detektion) werden. Für die Integration dieser Bauelemente in die bestehende komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter-Technologie ist eine elektrische Spin-Injektion bzw. Spin-Detektion notwendig. Die Realisierung von halbleiterbasierten spintronischen Bauelementen erfordert allerdings ein Materialsystem, das gute Spin-Transporteigenschaften sowie eine starke Spin-Bahn-Wechselwirkung für eine potenzielle Spin-Manipulation aufweist. Als vielversprechendes System hat sich hier das zwei-dimensionale Lochgas (engl. „two-dimensional hole gas“, 2DHG), welches in einer Si1-xGex/Ge/Si1-xGex Heterostruktur gebildet wird, erwiesen. Trotz der guten Eignung dieses Systems konnte bisher noch keine elektrische Spin-Injektion demonstriert werden, hauptsächlich wegen der Schwierigkeit, zuverlässige ferromagnetische Kontakte mit dem vergrabenen 2DHG herzustellen. Diese Arbeit befasst sich nun mit der elektrischen Spin-Injektion und Spin-Detektion in ein hochbewegliches (µ = (3,02 ± 0,01) ⋅ 10^4 cm^2/Vs) Ge 2DHG. Die für das Ge 2DHG zugehörige Si1-xGex/Ge/Si1-xGex Heterostruktur wurde dabei mittels Molekularstrahlepitaxie epitaktisch auf einem Si-Substrat gezüchtet. Um dieses Ziel zu erreichen, werden verschiedene Untersuchungsschwerpunkte adressiert. Zunächst werden zur Optimierung der Spin-Transporteigenschaften unterschiedliche Designs der Si1-xGex/Ge/Si1-xGex Heterostruktur auf der (100) Kristallorientierung untersucht. Dazu wurden anhand von Hall-Strukturen Tieftemperaturmagnetwiderstandsmessungen durchgeführt. Hierbei werden Shubnikov-de Haas Oszillationen beobachtet, aus denen die Ladungsträgerdichte, effektive Masse und Quantenstreuzeit des Ge 2DHGs extrahiert werden. Das daraus resultierende optimierte Design mit einer Modulationsdotierung von N_A = 5 ⋅ 10^17 cm^-3 und einer Ge-Quantentopf (engl. „quantum well“, QW) Dicke von d = 15 nm wird dann auf die (111) Kristallorientierung übertragen. Für die elektrische Spin-Injektion und Spin-Detektion werden als ferromagnetischen Kontakt dünne Mn5Ge3-Schichten, die mittels Interdiffusion direkt in den Ge-QW wachsen, benutzt. Dazu wird vor der Bildung der Kontakte die gesamte Si1-xGex-Deckschicht oberhalb des Ge-QWs mithilfe eines Trocken-Ätzprozesses entfernt. Zur Untersuchung der magnetischen Eigenschaften werden die so hergestellten Mn5Ge3-Mikromagnete mit einem supraleitenden Quanteninterferenzmagnetometer analysiert. Dabei konnte nur für die (111) Kristallorientierung die ferromagnetische Natur der gewachsenen Mn5Ge3-Schicht nachgewiesen werden. Durch die Variation der Formanisotropie ergeben sich unterschiedliche Koerzitivfeldstärken. Der Nachweis der elektrischen Spin-Injektion erfolgt schließlich anhand von Magnetwiderstandsmessungen an lateralen Mn5Ge3/Ge 2DHG/Mn5Ge3 Spin-Ventil Bauelementen. Dazu werden die zuvor untersuchten ferromagnetischen Mn5Ge3-Kontakte in einem Abstand von ca. l ≈ 135 nm im vergrabenen Ge-QW platziert. Die Experimente zeigen einen Riesenmagnetowiderstand (engl. „giant magneto resistance“, GMR) als Nachweis einer erfolgreichen elektrischen Spin-Injektion. Neben der elektrischen Spin-Injektion beinhaltet das auch den Spin-Transport im Ge 2DHG sowie die finale Spin-Detektion am zweiten ferromagnetischen Mn5Ge3-Kontakt. In Übereinstimmung zu den Spin-Transportuntersuchungen zeigt das GMR-Signal eine starke Abhängigkeit von der Temperatur und konnte bis zu einer maximalen Temperatur von T = 13 K beobachtet werden. Neben der elektrischen Spin-Injektion und Spin-Detektion wird für die Realisierung von Spin-Transistoren eine funktionierende Gate-Technologie vorausgesetzt. Um diese zu demonstrieren, werden zunächst auf Basis des Ge 2DHGs klassische modulationsdotierte Feldeffekttransistoren (MODFET) hergestellt und elektrisch charakterisiert. Mit einem An-Aus-Verhältnis von I_ON/I_OFF = 3,2⋅10^6 bei einer Steilheit von SS = 64 mV⁄dec könnte der Ge 2DHG MODFET unabhängig von der Halbleiter-Spintronik auch für zukünftige Tieftemperaturanwendungen interessant sein. Der Spin-FET nach Datta und Das würde dann durch das Tauschen der Source-Drain-Kontakte in ferromagnetische Mn5Ge3-Kontakte entstehen. Technologisch bedingt sind im Rahmen dieser Arbeit allerdings nur Transistoren mit einer minimalen Gate-Länge von L = 1 µm herstellbar. Da der Spin im Ge 2DHG über diese Länge nicht transportiert werden kann, ist die Realisierung eines Spin-Transistors technologiebedingt nicht möglich.
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    Biocatalytic allylic oxidation with bacterial P450 monooxygenases
    (2023) Bogazkaya, Anna Maria; Hauer, Bernhard (Prof. Dr.)
    Diese Forschungsarbeit konzentriert sich auf die Identifizierung und Charakterisierung geeigneter Cytochrom P450 Monooxygenasen (CYPs) in Streptoyceten. Durch eine Dünnschichtchromatographie (DC)-Methode wurden zwei vielversprechende Streptomyces-Stämme identifiziert. Aus diesen Stämmen wurden die Enzyme CYP105A1, CYP105B1, CYP105D5 und CYP170A1 kloniert und in E. coli zur weiteren Untersuchung exprimiert. Da die natürlichen Redoxpartner dieser CYPs unbekannt sind, wurde ein heterologes Redoxsystem aus Pseudomonas putida verwendet. Diese Arbeit liefert wichtige Einblicke für die industrielle Anwendung dieser Enzyme in der biokatalytischen Oxidation. Interessanterweise zeigten die Studienergebnisse, dass drei der ausgewählten CYPs (CYP105B1, CYP105D5 und CYP170A1) zyklische Modell Substrate wie α- oder β-Ionon auf eine regioselektive Weise zu Allylalkoholen hydroxylierten. Diese Reaktion erzeugt spezifisch Allylalkohole, was eine hohe Regioselektivität zeigt - das heißt, die Enzyme zielten gezielt auf bestimmte Teile der Moleküle ab, um sie zu oxidieren. Andererseits führte die Oxidation von azyklischen Substraten mit diesen Enzymen zu einer Mischung von regioisomeren Epoxiden. Dies zeigt eine Vielseitigkeit der Enzyme, aber auch eine Variation in der Produktverteilung, abhängig von der Struktur des Ausgangssubstrats. Diese Ergebnisse tragen dazu bei, das Verständnis für die Funktionsweise und die potenzielle Anwendung von CYPs in der Synthese von spezifischen und wertvollen Produkten zu erweitern. Sie unterstreichen das Potenzial von CYPs als leistungsstarke Werkzeuge in der biotechnologischen und pharmazeutischen Industrie, wo selektive und effiziente Oxidationsmethoden dringend benötigt werden. Zur Vereinfachung der Anwendung dieser Ganzzellkatalysatoren in industriellen Prozessen wurde ein innovativer Ansatz zur Immobilisierung dieser Zellen in einer Latex SF091-Schicht erarbeitet, dank der Zusammenarbeit mit Prof. Michael Flickinger von der NC State University, USA. Nach erfolgreicher Immobilisierung der Zellen zeigten die Reaktionen eine bemerkenswerte Produktselektivität: Bei der Oxidation von Nerol mit CYP154E1 wurden 97% 8-Hydroxynerol und nur 3% 2,3Epoxynerol erzeugt.
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    Mikrobiologischer Abbau verzweigter kurzkettiger Aliphaten am Beispiel Methylpropen
    (2023) Helbich, Steffen; Engesser, Karl-Heinrich (Prof. Dr. rer. nat. habil.)
    Die Stämme IBE100 und IBE200 wurden aus Belebtschlamm einer Kläranlage mit Methylpropen (MP) als alleinige Kohlenstoff- und Energiequelle isoliert. Mittels Vergleich der 16S rRNA sowie hsp65 Gensequenzabschnitte und Genom-basierter Taxonomie wurden die Stämme IBE100 und IBE200 den Spezies Mycolicibacterium gadium und Mycobacterium gordonae zugeordnet. Diese obligat aeroben Bakterien sind Oxidase- und Katalase-positiv, säurefest, nicht motil und bilden gelb-pigmentierte, kreisförmige, flache Kolonien aus. Aufgrund der wachsartigen Beschaffenheit der Zellen wurden Flüssigkulturen mit dem Detergenz Triton X-100 versetzt, um ein starkes Verklumpen zu vermeiden. Neben dem Isolationssubstrat Methylpropen (IBE100: µ = 0,018 h-1 und IBE200: µ = 0,025 h-1) unterscheiden sich die Stämme in der Nutzung der Substrate, die als alleinige Kohlenstoff- und Energiequellen verwendet werden können. Stamm IBE100 ist in der Lage, auf den vermuteten Metaboliten von MP, 1,2-Epoxy-2-methylpropan, 2-Methylpropan-1,2-diol, 2 Hydroxyisobuttersäure, 3-Hydroxybuttersäure sowie Glucose, Fructose und Vollmedien (LB, NB, TB) zu wachsen, Stamm IBE200 hingegen nicht. Strukturanaloga von MP und seinen Metaboliten (verzweigte kurzkettige Alkene, Epoxide, vicinale Diole), zyklische aliphatische Verbindungen und Aromaten induzierten bei beiden Stämmen kein Wachstum. Die cometabolische subterminale Oxidation von n-Butan durch dieselbe Monooxygenase, die MP oxidiert, wurde ebenso nachgewiesen wie ihre Induzierbarkeit durch MP und die Indigobildung aus Indol. Eine am Abbauweg von MP beteiligte Alkohol-Dehydrogenase, welche die Oxidation von 2 Methylpropan-1,2-diol katalysiert, ist nicht homolog zu beschriebenen Enzymen gleicher Funktion, die in Abbauwegen von tert-Butanol und 2-Methylpropan-1,2-diol vorkommen. Es konnte gezeigt werden, dass die Dehydrogenase im Zellextrakt NADP gegenüber NAD bevorzugt. Aus der Sequenzierung des Gesamtgenoms, einer differenziellen Expressionsanalyse und einem Peptidmassen Fingerprint wurde ein Abbauweg für Methylpropen abgeleitet. Die identifizierten Schlüsselgene codieren für eine lösliche 4-Komponenten-di-Eisen-Monooxygenase mit Epoxidase-Aktivität, eine Epoxid-Hydrolase und eine 2 Hydroxyisobutyryl-CoA-Mutase. Die Tertiärstrukturen dieser Enzyme wurden modelliert. In beiden Stämmen sind die beteiligten Gene in Clustern von 61,0 bzw. 58,5 kbp in einer erstaunlich hoch konservierten Operonstruktur angeordnet. Diese Cluster enthalten auch die Gene, die für Teile des aeroben Synthesewegs von Adenosylcobalamin codieren, einem Vitamin, das für die von der Mutase katalysierte Kohlenstoffumlagerungsreaktion erforderlich ist. Eine Konvergenz mit dem tert-Butanol-Abbauweg wurde ersichtlich, jedoch konnte der Alkohol selbst aufgrund des Fehlens der erforderlichen spezifischen Oxygenase nicht als Kohlenstoffquelle genutzt werden. Dies ist der erste Nachweis eines Abbauweges für MP auf genetischer Ebene (Helbich et al. 2023), der bisher rein auf Transformationsanalysen mit vermuteten Metaboliten beruht, die aus MTBE-Abbauexperimenten postuliert wurden. Die für die Epoxidierung von MP verantwortliche Monooxygenase wurde als Mitglied der Gruppe 2 der löslichen Monooxygenasen des Aromaten-/Alken-/Isopren-Typs identifiziert, die aus einer Oxygenase-α-Untereinheit IbeA, einer γ-Untereinheit IbeB, einem Ferredoxin vom Rieske-Typ IbeC, einem Kopplungsprotein IbeD, einer β-Untereinheit IbeE und einer flavinhaltigen NAD(P)H-Reduktase IbeF besteht. Die Tertiärstruktur der α-Untereinheit IbeA wurde modelliert und mit ihrer nächsten Verwandten, der Isopren-Monooxygenase aus Rhodococcus sp. AD45, verglichen. Die Geometrien des vorhergesagten aktiven Zentrums und der Substrattunnel lassen auf eine gewisse sterische Einschränkung bei der Substratverwertung schließen. Die Monooxygenase wurde in dem n-Alkan abbauenden Mycobacterium fluoranthenivorans BUT6 mit pST-K, einem E. coli-Mycobacterium-Shuttle- und Expressionsvektor, heterolog exprimiert. Für die Ausbildung einer katalytischen Aktivität war eine Inkubationstemperatur von ~20 °C erforderlich. Die Monooxygenase war trotz der gescheiterten Expression der Reduktase-Komponente IsoF aktiv. Die Umwandlung von MP in 1,2-Epoxy-2-methylpropan in ruhenden Zellen wurde kolorimetrisch mit dem NBP-Assay nachgewiesen (KM = 271 mM, vmax = 46 mM ⋅ h-1).