TY  - THES
A1  - Beeg, Janina
T1  - Cooperative behavior of motor proteins
T1  - Transportverhalten kollektiv arbeitender Motorproteine
N2  - The cytoskeletal motor protein kinesin-1 (conventional kinesin) is the fast carrier for intracellular cargo transport along microtubules. So far most studies aimed at investigating the transport properties of individual motor molecules. However, the transport in cells usually involves the collective work of more than one motor. In the present work, we have studied the movement of beads as artificial loads/organelles pulled by several kinesin-1 motors in vitro. For a wide range of motor coverage of the beads and different bead (cargo) sizes the transport parameters walking distance or run length, velocity and force generation are measured. The results indicate that the transport parameters are influenced by the number of motors carrying the bead. While the transport velocity slightly decreases, an increase in the run length was measured and higher forces are determined, when more motors are involved. The effective number of motors pulling a bead is estimated by measuring the change in the hydrodynamic diameter of kinesin-coated beads using dynamic light scattering. The geometrical constraints imposed by the transport system have been taken into account. Thus, results for beads of different size and motor-surface coverage could be compared. In addition, run length-distributions obtained for the smallest bead size were matched to theoretically calculated distributions. The latter yielded an average number of pulling motors, which is in agreement with the effective motor numbers determined experimentally.
N2  - Kinesin-1 (konventionelles Kinesin) ist ein Motorprotein des Zytoskeletts, das für den schnellen intrazellulären Lastentransport auf Mikrotubuli verantwortlich ist. Das Hauptinteresse vieler Studien lag bisher auf der Erforschung der Transporteigenschaften von Einzelmotormolekülen. Der Transport in der Zelle erfordert aber gewöhnlich kollektive Arbeit von mehreren Motoren. In dieser Arbeit wurde die Bewegung von Kugeln als Modell für Zellorganellen, die von Kinesin-1 Molekülen gezogen werden, in Anhängigkeit von der Motorendichte auf der Kugeloberfläche und unterschiedlichen Kugeldurchmessern in vitro untersuchten. Die Transportparameter Weglänge, Geschwindigkeit und die erzeugte Kraft wurden gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Transportgeschwindigkeit leicht abnimmt, wohingegen die Weglänge und die erzeugten Kräfte mit steigender Molekülkonzentration zunehmen. Die tatsächliche Anzahl der Motoren, die aktiv am Transport der Kugeln beteiligt sind, wurde bestimmt, indem die Änderung des hydrodynamischen Durchmessers der mit Kinesin bedeckten Kugeln mittels dynamischer Lichtstreuung gemessen wurde. Außerdem wurden sterische Effekte des verwendeten Transportsystems in die Berechnung einbezogen. Damit werden Ergebnisse vergleichbar, die für unterschiedliche Kugeldurchmesser und Motorkonzentrationen ermittelt wurden. Zusätzlich wurden die Verteilungen der Weglängen für die kleinste Kugelgröße mit theoretisch ermittelten Verteilungen verglichen. Letzteres ergab durchschnittliche Anzahlen der aktiv am Transport beteiligten Motormoleküle, die mit den experimentell bestimmten Ergebnissen übereinstimmen.
KW  - Transport
KW  - Weglänge
KW  - Geschwindigkeit
KW  - erzeugte Kraft
KW  - Kinesin
KW  - transport
KW  - run length
KW  - velocity
KW  - generated force
KW  - kinesin
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-15712
ER  - 
TY  - THES
A1  - Appl, Thomas
T1  - Neurochemical and functional characterisation of the Melanin-concentrating hormone system in the rat brain
T1  - Neurochemische und funktionelle Charakterisierung des Melanin-konzentrierenden Hormone Systems im Rattenhirn
N2  - The central melanin-concentrating hormone (MCH) system has been intensively studied for its involvement in the regulation of feeding behaviour and body weight regulation. The importance of the neuropeptide MCH in the control of energy balance has been underlined by MCH knock out and Melanin-concentrating hormone receptor subtype 1 (MCHR-1) knock-out animals. The anorectic and anti-obesity effects of selective MCHR-1 antagonists have confirmed the notion that pharmacological blockade of MCHR-1 is a potential therapeutic approach for obesity. First aim of this work is to study the neurochemical “equipment” of MCHR-1 immunoreactive neurons by double-labelling immunohistochemistry within the rat hypothalamus. Of special interest is the neuroanatomical identification of other hypothalamic neuropeptides that are co-distributed with MCHR-1. A second part of this study deals with the examination of neuronal activation patterns after pharmacological or physiological, feeding-related stimuli and was introduced to further understand central regulatory mechanisms of the MCH system. In the first part of work, I wanted to neurochemically characterize MCHR-1 immunoreactive neurons in the rat hypothalamus for colocalisation with neuropeptides of interest. Therefore I performed an immunohistochemical colocalisation study using a specific antibody against MCHR-1 in combination with antibodies against hypothalamic neuropeptides. I showed that MCHR-1 immunoreactivity (IR) was co-localised with orexin A in the lateral hypothalamus, and with adrenocorticotropic hormone and neuropeptide Y in the arcuate nucleus. Additionally, MCHR-1 IR was co-localised with the neuropeptides vasopressin and oxytocin in magnocellular neurons of the supraoptic and paraventricular hypothalamic nucleus and corticotrophin releasing hormone in the parvocellular division of the paraventricular hypothalamic nucleus. Moreover, for the first time MCHR-1 immunoreactivity was found in both the adenohypophyseal and neurohypophyseal part of the rat pituitary. These results provide the neurochemical basis for previously described potential physiological actions of MCH at its target receptor. In particular, the MCHR-1 may be involved not only in food intake regulation, but also in other physiological actions such as fluid regulation, reproduction and stress response, possibly through here examined neuropeptides. Central activation patterns induced by pharmacological or physiological stimulation can be mapped using c-Fos immunohistochemistry. In the first experimental design, central administration (icv) of MCH in the rat brain resulted in acute and significant increase of food and water intake, but this animal treatment did not induce a specific c-Fos induction pattern in hypothalamic nuclei. In contrast, sub-chronic application of MCHR-1 antagonist promoted a significant decrease in food- and water intake during an eight day treatment period. A qualitative analysis of c-Fos immunohistochemistry of sections derived from MCHR-1 antagonist treated animals showed a specific neuronal activation in the paraventricular nucleus, the supraoptic nucleus and the dorsomedial hypothalamus. These results could be substantiated by quantitative evaluation of an automated, software-supported analysis of the c-Fos signal. Additionally, I examined the activation pattern of rats in a restricted feeding schedule (RFS) to identify pathways involved in hunger and satiety. Animals were trained for 9 days to feed during a three hour period. On the last day, food restricted animals was also allowed to feed for the three hours, while food deprived (FD) animals did not receive food. Mapping of neuronal activation showed a clear difference between stareved (FD) and satiated (FR) rats. FD animals showed significant induction of c-Fos in forebrain regions, several hypothalamic nuclei, amygdaloid thalamus and FR animals in the supraoptic nucleus and the paraventricular nucleus of the hypothalamus, and the nucleus of the solitary tract. In the lateral hypothalamus of FD rats, c-Fos IR showed strong colocalisation for Orexin A, but no co-staining for MCH immunoreactivity. However, a large number of c-Fos IR neurons within activated regions of FD and FR animals was co-localised with MCHR-1 within selected regions. To conclude, the experimental set-up of scheduled feeding can be used to induce a specific hunger or satiety activation pattern within the rat brain. My results show a differential activation by hunger signals of MCH neurons and furthermore, demonstrates that MCHR-1 expressing neurons may be essential parts of downstream processing of physiological feeding/hunger stimuli. In the final part of my work, the relevance of here presented studies is discussed with respect to possible introduction of MCHR-1 antagonists as drug candidates for the treatment of obesity.
N2  - Die Regulation des Körpergewichts in einem physiologischen Rahmen setzt ein internes Energiegleichgewicht voraus und wird langfristig durch Abgleich von Nahrungsaufnahme einerseits und Energieverbrauch andererseits gewährleistet. Dieses Gleichgewicht ist bei massivem Übergewicht (Adipositas) oder chronischem Untergewicht (Kachexie) dauerhaft gestört. Bei der Regulation des Energiegleichgewichts spielt der im Zwischenhirn gelegene Hypothalamus als Schaltstation eine wichtige Rolle. Hypothalamische Regelkreise gleichen sensorische, viszerale und humorale Signale miteinander ab und setzen sie in adäquates Verhalten (z.B. Nahrungsaufnahme) um. Innerhalb des Hypothalamus werden Hunger und Sättigung durch zentralnervöse Regulationssysteme kodiert. Dadurch stellt eine pharmakologische Inhibierung eines hunger-stimulierenden (orexigenen), hypothalamischen Regelkreises eine Möglichkeit dar, um Nahrungsaufnahme und Körpergewichts zu reduzieren. Das im lateralen Hypothalamus gebildete Neuropeptid Melanin-konzentrierendes Hormon (MCH) ist ein solches orexigenes Signal. In unterschiedlichen Tiermodellen wurde gezeigt, dass MCH seine physiologischen Effekte auf das Energiegleichgewicht durch den funktionellen MCH Rezeptor Subtyp 1 (MCHR-1) vermittelt. Die Behandlung von Labornagern mit selektiv wirksamen MCHR-1 Antagonisten hat in verschiedenen Tiermodellen zu einer Verminderung der Nahrungsaufnahme und Körpergewichtsreduktion geführt (anorexigene Wirkung). Das Ziel dieser Arbeit ist eine vertiefte Untersuchung des zentralen MCH Systems. Im ersten Teil der Arbeit werden MCHR-1 enthaltene Nervenzellen (Neurone) im Hypothalamus von Ratten immunhistochemisch identifiziert und neurochemisch charakterisiert. Dieser Teil der Arbeit soll mit Hilfe von Kolokalisationsstudien mögliche Interaktionen des MCH Systems mit anderen neuropeptidergen, hypothalamischen Systemen identifizieren. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von pharmakologischen Effekten bei MCH und MCHR-1 Antagonist behandelten Ratten auf Nahrungsaufnahme, Wasseraufnahme sowie Veränderung des Körpergewichts. Zentrale Regulationsmechanismen wurden durch den immunhistochemischen Nachweis des Transkriptionsfaktors und neuronalen Aktivierungsmarkers c-Fos im Rattenhirn ermittelt. Diese neuronalen Aktivierungsmuster wurden mit solchen Mustern verglichen, die nach einem definierten physiologischen Stimulus (Fütterungsregime) mit derselben Methode aufgezeichnet wurden. Erste Ergebnisse zeigten, dass der hier etablierte Antikörper gegen MCHR-1 spezifisch ist und MCHR-1 in mehreren hypothalamischen Kernarealen mit Hilfe dieses Antikörpers nachgewiesen werden konnte. So konnte im lateralen Hypothalamus eine Kolokalisation von MCHR-1 mit Orexin A nachgewiesen werden, im arcuate Nukleus des Hypothalamus, einem Kernareal, das eine bedeutende Funktion in der Integration von Hunger- und Sättigungssignalen hat, zeigten MCHR-1 positive Neurone eine Kolokalisation mit dem orexigenen Neuropeptid Y oder mit dem Adrenocorticotrophin Hormon, einem Marker für das anorexigen wirkende, zentrale Melanokortin System. Der Paraventrikuläre Nukleus und der Supraoptische Nukleus des Hypothalamus spielen eine wichtige Rolle in neuroendokrinen Regulationen. Im paraventrikulären Hypothalamus konnte eine Kolokalisation von MCHR-1 mit den Neuropeptiden Vasopressin, Oxytocin und Corticotrophin-releasing Hormon festgestellt werden, außerdem konnte eine Kolokalisierung von MCHR-1 mit Vasopressin und Oxytocin im Supraoptischen Nukleus gezeigt werden. Zusätzlich konnte MCHR-1 immunhistochemisch auf Zellen der Adeno- und der Neurohypophyse nachgewiesen werden. Diese Ergebnisse lassen auf eine Interaktion von MCHR-1 im Hypothalamus nicht nur mit orexigenen (Orexin A und Neuropeptid Y) und anorexigenen (Adrenocorticotrophin Hormon) Signalen schließen, sondern weisen zusätzlich auf eine Rolle von MCHR-1 bei der Regulation des Wasserhaushalts (Vasopressin), der Fortpflanzung (Oxytocin) und bei Stress (Corticotrophin-releasing Hormon) hin. Im zweiten Versuchsvorhaben führte die zentraler Gabe (intrazerebroventrikular) von MCH ins Rattengehirn zu einer akuten und signifikanten Steigerung der Futter- und Wasseraufnahme, es konnte jedoch kein spezifisches Aktivierungsmuster in hypothalamischen Kernarealen (Nuklei) definiert werden. Im Gegensatz dazu führte eine sub-chronische Gabe eines oral verfügbaren MCHR-1 Antagonisten in Ratten zu einer signifikanten Verminderung der Nahrungs-, Wasseraufnahme und des Körpergewichts. Bei qualitativer Analyse des immunhistochemischen Signals für c-Fos bei MCHR-1 Antagonist behandelten Ratten konnte eine spezifische Aktivierung im Paraventrikulären Hypothalamus, im Supraoptischen Nukleus und im Dorsomedialen Hypothalamus gezeigt werden. Diese Ergebnisse ließen sich durch automatisierte, software-unterstützte Quantifizierung des c-Fos Signals bestätigen und heben diese Hirnareale als mögliche neuroanatomische Substrate von MCHR-1 Antagonisten hervor. Um eine mögliche neuronale Aktivierung des MCH Systems nach einem physiologischen Stimulus, hier Hunger oder Sättigung, zu untersuchen, wurden in einem weiteren Versuchsansatz Ratten in einem angepassten, neun Tage dauernden Fütterungsregime, täglich für nur drei Stunden Zugang zu Futter gewährt. Tiere, die am letzten Tag des Fütterungsregimes im 3 Stunden Zeitraum kein Futter bekamen und so als „Hunger-Stimulierte“ definiert wurden, zeigten eine signifikante Induktion von c-Fos in unterschiedlichen hypothalamischen (arcuate Nukleus, Dorsomedial Hypothalamischen Nuklei, Lateral Hypothalamus) und extrahypothalamischen Hirnarealen (Nukleus Accumbens, Basolaterale Amygdala, Paraventriculärer Thalamischer Nukleus). Dieses Aktivierungsmuster unterschied sich von Ratten, die am letzten Tag des Fütterungsregims Futter erhalten hatten, den „gesättigte Tieren“ (Aktivierung vor allem im supraoptischen Nukleus, im paraventrikulären Hypothalamus und Nukleus Tractus Solitarius), oder ad libitum gefütterten Kontrolltieren. Um durch das Fütterungsregime aktivierte Neurone dem MCH System zuzuordnen, wurden immunhistochemische Kolokalisationsexperimente von c-Fos mit MCH beziehungsweise MCHR-1 spezifischen Antikörpern durchgeführt. Zwar konnte keine Kolokalisation von c-Fos mit MCH im lateralen Hypothalamus nachgewiesen werden, aber eine Vielzahl von durch Hunger oder Sättigung aktivierte, c-Fos positive Neurone zeigte MCHR-1 Immunoreaktivität. Zusammenfassend lässt sich daraus schließen, dass Nahrungskarenz differenziert unterschiedliche intra-hypothalamische und extra-hypothalamische Zielstrukturen aktiviert. Die funktionelle Rolle des MCHR-1 in solch aktivierten Neuronen bedarf weiterer Klärung. Im abschließenden Teil der Arbeit wird eine mögliche Relevanz der hier beschriebenen Ergebnisse im Hinblick auf die Entwicklung von MCHR-1 Antagonisten und deren möglicher Einsatz bei Adipositas, diskutiert.
KW  - Ratte
KW  - Immunhistochemie
KW  - Kolokalisation
KW  - MCHR-1
KW  - Neuropeptides
KW  - c-Fos
KW  - rat
KW  - immunohistochemistry
KW  - colocalisation study
KW  - MCHR-1
KW  - neuropeptides
KW  - c-Fos
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-14604
ER  - 
TY  - THES
A1  - Alahverdjieva, Veneta
T1  - Experimental study of mixed protein/surfactant systems at the aqueous solution/air interface
Y1  - 2007
CY  - Potsdam
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ahmad Abadi, Mohammad
T1  - Development and application of novel genetic transformation technologies in maize (Zea mays L.)
T1  - Entwicklung und Anwendung neuer genetischer Transformationstechnologien im Mais (Zea Mays L.)
N2  - Plant genetic engineering approaches are of pivotal importance to both basic and applied research. However, rapid commercialization of genetically engineered crops, especially maize, raises several ecological and environmental concerns largely related to transgene flow via pollination. In most crops, the plastid genome is inherited uniparentally in a maternal manner. Consequently, a trait introduced into the plastid genome would not be transferred to the sexually compatible relatives of the crops via pollination. Thus, beside its several other advantages, plastid transformation provides transgene containment, and therefore, is an environmentally friendly approach for genetic engineering of crop plants. Reliable in vitro regeneration systems allowing repeated rounds of regeneration are of utmost importance to development of plastid transformation technologies in higher plants. While being the world’s major food crops, cereals are among the most difficult-to-handle plants in tissue culture which severely limits genetic engineering approaches. In maize, immature zygotic embryos provide the predominantly used material for establishing regeneration-competent cell or callus cultures for genetic transformation experiments. The procedures involved are demanding, laborious and time consuming and depend on greenhouse facilities. In one part of this work, a novel tissue culture and plant regeneration system was developed that uses maize leaf tissue and thus is independent of zygotic embryos and greenhouse facilities. Also, protocols were established for (i) the efficient induction of regeneration-competent callus from maize leaves in the dark, (ii) inducing highly regenerable callus in the light, and (iii) the use of leaf-derived callus for the generation of stably transformed maize plants. Furthermore, several selection methods were tested for developing a plastid transformation system in maize. However, stable plastid transformed maize plants could not be yet recovered. Possible explanations as well as suggestions for future attempts towards developing plastid transformation in maize are discussed. Nevertheless, these results represent a first essential step towards developing chloroplast transformation technology for maize, a method that requires multiple rounds of plant regeneration and selection to obtain genetically stable transgenic plants. In order to apply the newly developed transformation system towards metabolic engineering of carotenoid biosynthesis, the daffodil phytoene synthase (PSY) gene was integrated into the maize genome. The results illustrate that expression of a recombinant PSY significantly increases carotenoid levels in leaves. The beta-carotene (pro-vitamin A) amounts in leaves of transgenic plants were increased by ~21% in comparison to the wild-type. These results represent evidence for maize to have significant potential to accumulate higher amounts of carotenoids, especially beta-carotene, through transgenic expression of phytoene synthases. Finally, progresses were made towards developing transformation technologies in Peperomia (Piperaceae) by establishing an efficient leaf-based regeneration system. Also, factors determining plastid size and number in Peperomia, whose species display great interspecific variation in chloroplast size and number per cell, were investigated. The results suggest that organelle size and number are regulated in a tissue-specific manner rather than in dependency on the plastid type. Investigating plastid morphology in Peperomia species with giant chloroplasts, plasmatic connections between chloroplasts (stromules) were observed under the light microscope and in the absence of tissue fixation or GFP overexpression demonstrating the relevance of these structures in vivo. Furthermore, bacteria-like microorganisms were discovered within Peperomia cells, suggesting that this genus provides an interesting model not only for studying plastid biology but also for investigating plant-microbe interactions.
N2  - Pflanzliche Gentechnik spielt sowohl in der Grundlagenforschung als auch der Biotechnologie eine große Rolle. Allerdings bringt die landwirtschaftliche Nutzung gentechnisch veränderter Pflanzen (GM) ökologische Umweltrisiken mit sich, wie z.B. die Kreuzung GM Pflanzen mit sexuell kompatiblen Verwandten durch Fremdbestäubung. Gegenüber den Kerntransformanden haben Plastidtransformanden für die biotechnologische Nutzung große Vorteile, unter anderem da die Vererbung des Plastidgenoms bei höheren Angiospermen ausschließlich maternal geschieht. Somit kann ein Gentransfer transplastomischer Pflanzen über Pollen ausgeschlossen werden. Zuverlässige in-vitro-Regenerationssysteme, die wiederholte Regenerationsrunden erlauben, sind von großem Wert für die Etablierung der Plastidentransformationstechnologie. Trotz Sein die Hauptgetreidenahrungsmittel der Welt, Zerealie Pflanzen gehören zu schwierigsten in der Gewebekultur zu handeln, die Annäherungen der genetischen Technik streng begrenzt. Im Mais werden hauptsächlich junge zygotische Embryonen für die Herstellung der Regenerations-kompetenten Kalluskulturen benutzt. Der Arbeitsaufwand dafür ist hoch und die Prozedur schwierig und von den Gewächshausbedingungen abhängig. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue Gewebekultursysteme für Mais etabliert, welches junge Blattgewebe nutzt und somit unabhängig von Embryonen und Gewächshaus ist. Weiterhin wurden die aus Blättern gebildeten Kalluskulturen für die Generierung der genetisch veränderten Maispflanzen benutzt. Ebenso wurden verschiedene Selektionsmethoden für die Entwicklung eines Plastidentransformationssystems in Mais getestet. Jedoch konnten keine transplastomischen Maispflanzen erhalten werden. Sowohl die möglichen Ursachen als auch Vorschläge für weiterführende Versuche diesbezüglich werden im Rahmen dieser Arbeit diskutiert. Dennoch stellt diese Arbeit den ersten wesentlichen Schritt für die Entwicklung eines Plastidentransformationssystems in Mais vor. In einem zweiten Teil dieses Projekts wird die erfolgreiche Integration der Narzissen Phytoene Synthase in das Maisgenom durch das neu entwickelte nukleäre Transformationssystem gezeigt. Dadurch konnte eine signifikante Steigerung um 17% des Gesamtcarotinoid- und 21% des Beta-Carotengehalts in Maisblättern beobachtet werden. Schließlich wurden Fortschritte für die Entwicklung eines Transformationssystems für Peperomia (Piperaceae) durch die Etablierung eines Regenerationssystems aus Blättern gemacht. Außerdem wurden Faktoren, die die Plastidengröße und –zahl bestimmen, untersucht. Diese Ergebnisse geben Hinweise darauf, dass die Organellengröße und –zahl eher gewebespezifisch als in Abhängigkeit vom Plastidentyp reguliert wird.
KW  - Mais
KW  - genetische Manipulation
KW  - Regeneratin
KW  - Plastid
KW  - Maize
KW  - Genetic transformation
KW  - Regeneration
KW  - Plastid
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-14572
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TY  - THES
A1  - Adelhelm, Philipp
T1  - Novel carbon materials with hierarchical porosity : templating strategies and advanced characterization
T1  - Neue Kohlenstoffmaterialien mit hierarchischer Porosität : Strategien der Templatierung und erweiterte Charakterisierung
N2  - The aim of this work was the generation of carbon materials with high surface area, exhibiting a hierarchical pore system in the macro- and mesorange. Such a pore system facilitates the transport through the material and enhances the interaction with the carbon matrix (macropores are pores with diameters > 50 nm, mesopores between 2 – 50 nm). Thereto, new strategies for the synthesis of novel carbon materials with designed porosity were developed that are in particular useful for the storage of energy. Besides the porosity, it is the graphene structure itself that determines the properties of a carbon material. Non-graphitic carbon materials usually exhibit a quite large degree of disorder with many defects in the graphene structure, and thus exhibit inherent microporosity (d < 2nm). These pores are traps and oppose reversible interaction with the carbon matrix. Furthermore they reduce the stability and conductivity of the carbon material, which was undesired for the proposed applications. As one part of this work, the graphene structures of different non-graphitic carbon materials were studied in detail using a novel wide-angle x-ray scattering model that allowed precise information about the nature of the carbon building units (graphene stacks). Different carbon precursors were evaluated regarding their potential use for the synthesis shown in this work, whereas mesophase pitch proved to be advantageous when a less disordered carbon microstructure is desired. By using mesophase pitch as carbon precursor, two templating strategies were developed using the nanocasting approach. The synthesized (monolithic) materials combined for the first time the advantages of a hierarchical interconnected pore system in the macro- and mesorange with the advantages of mesophase pitch as carbon precursor. In the first case, hierarchical macro- / mesoporous carbon monoliths were synthesized by replication of hard (silica) templates. Thus, a suitable synthesis procedure was developed that allowed the infiltration of the template with the hardly soluble carbon precursor. In the second case, hierarchical macro- / mesoporous carbon materials were synthesized by a novel soft-templating technique, taking advantage of the phase separation (spinodal decomposition) between mesophase pitch and polystyrene. The synthesis also allowed the generation of monolithic samples and incorporation of functional nanoparticles into the material. The synthesized materials showed excellent properties as an anode material in lithium batteries and support material for supercapacitors.
N2  - Kohlenstoffmaterialien finden aufgrund ihrer Vielseitigkeit heute in den unterschiedlichsten Bereichen des täglichen Lebens ihren Einsatz. Bekannte Beispiele sind Kohlenstofffasern in Verbundwerkstoffen, Graphit als trockenes Schmiermittel, oder Aktivkohlen in Filtersystemen. Ferner wird Graphit als Elektrodenmaterial auch in Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Wegen knapper werdender Ressourcen von Öl und Gas wurde in den letzten Jahren verstärkt an der Entwicklung neuer Materialien für die Speicherung von Wasserstoff und elektrischer Energie gearbeitet. Die Nanotechnologie ist dabei auch für neue Kohlenstoffmaterialien zukunftsweisend, denn sie stellt weitere Anwendungsmöglichkeiten in Aussicht. In dieser Arbeit wurden hierzu mittels des sogenannten Nanocastings neue Kohlenstoffmaterialien für Energieanwendungen, insbesondere zur Speicherung von elektrischer Energie entwickelt. Die Eigenschaften eines Kohlenstoffmaterials beruhen im Wesentlichen auf der Struktur des Kohlenstoffs im molekularen Bereich. Die in dieser Arbeit hergestellten Materialen bestehen aus nichtgraphitischem Kohlenstoff und wurden im ersten Teil der Arbeit mit den Methoden der Röntgenstreuung genau untersucht. Eine speziell für diese Art von Kohlenstoffen kürzlich entwickelte Modellfunktion wurde dazu an die experimentellen Streubilder angepasst. Das verwendete Modell basiert dabei auf den wesentlichen Strukturmerkmalen von nichtgraphitischem Kohlenstoff und ermöglichte von daher eine detaillierte Beschreibung der Materialien. Im Gegensatz zu den meisten nichtgraphitischen Kohlenstoffen konnte gezeigt werden, dass die Verwendung von Mesophasen-Pech als Vorläufersubstanz (Precursor) ein Material mit vergleichsweise geringem Grad an Unordnung ermöglicht. Solch ein Material erlaubt eine ähnlich reversible Einlagerung von Lithium-Ionen wie Graphit, weist aber gleichzeitig wegen des nichtgraphitischen Charakters eine deutlich höhere Speicherfähigkeit auf. Zur Beschreibung der Porosität eines Materials verwendet man die Begriffe der Makro-, Meso-, und Mikroporen. Die Aktivität eines Materials kann durch die Erhöhung der Oberfläche noch erheblich gesteigert werden. Hohe Oberflächen können insbesondere durch die Schaffung von Poren im Nanometerbereich erzielt werden. Um die Zugänglichkeit zu diesen Poren zu steigern, weist ein Material idealerweise zusätzlich ein kontinuierliches makroporöses Transportsystem (Porendurchmesser d > 50 nm) auf. Solch eine Art von Porosität über mehrere Größenordnungen wird allgemein als „hierarchische Porosität“ bezeichnet. Für elektrochemische Anwendungen sind sogenannte Mesoporen (d = 2 – 50 nm) relevant, da noch kleinere Poren (Mikroporen, d < 2 nm) z.B. zu einer irreversiblen Bindung von Lithium- Ionen führen können. Wird Mesophasen-Pech als Kohlenstoffprekursor verwendet, kann die Entstehung dieser Mikroporen verhindert werden. Im zweiten und dritten Teil der Arbeit konnte mit den Methoden des „Nanocastings“ zum ersten Mal die spezielle Struktur des Mesophasen-Pech basierenden Kohlenstoffmaterials mit den Vorteilen einer hierarchischen (makro- / meso-) Porosität kombiniert werden. Im ersten Syntheseverfahren wurde dazu ein sogenanntes „hartes Templat“ mit entsprechender Porosität aus Siliziumdioxid repliziert. Aufgrund der hohen Viskosität des Pechs und der geringen Löslichkeit wurde dazu ein Verfahren entwickelt, das die Infiltration des Templates auch auf der Nanometerebene ermöglicht. Das Material konnte in Form größerer Körper (Monolithen) hergestellt werden, die im Vergleich zu Pulvern eine bessere technische Verwendung ermöglichen. Im zweiten Syntheseverfahren konnte die Herstellung eines hierarchisch makro- / mesoporösen Kohlenstoffmaterials erstmals mittels eines weichen Templates (organisches Polymer) erreicht werden. Die einfache Entfernung von weichen Templaten durch eine geeignete Temperaturbehandlung, macht dieses Verfahren im Vergleich zu hart templatierten Materialien kostengünstiger und stellt eine technische Umsetzung in Aussicht. Desweiteren erlaubt das Syntheseverfahren die Herstellung von monolithischen Körpern und die Einbindung funktionaler Nanopartikel. Die hergestellten Materialien zeigen exzellente Eigenschaften als Elektrodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien und als Trägermaterial für Superkondensatoren.
KW  - Mesoporosität
KW  - hierarchische Porosität
KW  - weiche und harte Templatierung
KW  - Kohlenstoffmaterialien
KW  - Weitwinkelröntgenstreuung
KW  - Mesoporosity
KW  - hierarchical porosity
KW  - soft and hard templating
KW  - carbon materials
KW  - wide-angle x-ray scattering
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-15053
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