On the Morphology and Dynamics of Purple Membranes at the Solid-Liquid Junction

Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass das an der fest-flüssig Grenzfläche adsorbierte und in der Purpurmembran eingebettete Bacteriorhodopsin in Abhängigkeit von der Substratoberfläche zu einer mehr oder weniger stark ausgeprägten Dynamik neigt. Dieser dynamische Wandel von BR wurde zum ersten Mal beobachtet, zeitaufgelöst untersucht und konnte schließlich für die teils gravierenden morphologischen Veränderungen der an der Oberfläche adsorbierten Purpurmembranen verantwortlich gemacht werden. Diverse extrinsische sowie intrinsische Faktoren, die dieWechselbeziehung aus Dynamik und Morphologie bestimmen, konnten identifiziert werden. Anhand dieser Erkenntnisse konnte ein allgemeines, vom Substrat unabhängiges Stabilitätskriterium abgeleitet werden, welches sowohl für BRWildtyp enthaltende als auch für die diversen Mutanten enthaltende Purpurmembranen Gültigkeit besitzt. Die freie Oberflächenenergie, sowie die Sustratrauheit stellen in diesem Zusammenhang extrinsische Schlüsselparameter dar, welche die Dynamik gar erst erlauben oder diese innerhalb der substratgebundenen Purpurmembranen unterbinden. Eine gezielte Punktmutation (D85T) verwandelt BR nicht nur in eine Chloridpumpe, sondern beeinflußt ebenfalls dramatisch das Kristallisationsverhalten, was wiederum zeigt welchen Einfluß und was für eine Rolle intrinsische Faktoren im Rahmen der beobachtetenWechselbeziehung innehaben. Interessanterweise konnte gezeigt werden, dass eine Stabilisierung der tertiären Struktur von BR-D85T, die intrinsisch durch die Bindung von Chlorid innerhalb der Retinalbindungstasche vermittelt wurde, die Fähigkeit von PM-D85T zur Ausbildung eines zusammenhängenden Kristallgitters wiederherstellt. PM-D85T ermöglichte außerdem die Krümmung von Purpurmembranen in den unterschiedlichen Intermediaten des Photozyklus im thermischen Gleichgewicht an der fest-flüssig Grenzfläche zu untersuchen. Die Seitendifferenzierung via SMFS und EFM zeigte, dass PM-D85T im M2-Photointermediat mit der zytoplasmatischen Seite nach außen gekrümmt ist. Im Gegensatz dazu ist sie, nachdem sie den durch eine flache Topographie gekennzeichneten N-Zustand durchlaufen hat, im finalen O-Photointermediat mit der extrazellulären Seite nach außen gekrümmt. Die unterschiedlichen beobachteten Krümmungsmodi verdeutlichen ein sich in der Natur wiederhohlendes Konzept der Kopplung von Form und Funktion, indem die Konformation von BR mit der Funktion als vektorieller Protonenpumpe zum Transport von Protonen von der zytoplasmatischen zur extrazellulären Seite eng verknüpft ist. Eine genauere Untersuchung der Krümmung ergab, dass kleinere Membranen sehr stark von den extrinsischen Einschränkungen, hervorgerufen durch dieWechselwirkung mit der Substratoberfläche, beeinflußt werden. Größere Membranen hingegen bewahren eine charakteristische Krümmung, die von den physikochemischen Bedingungen und der damit Verknüpften Form von BR abhängen. Dies zeigt, dass einzig und allein die intrinsischen Formänderungen des eingebetteten Proteins für die makroskopisch gekrümmte Natur der Membranen verantwortlich ist. Von einem nanobiotechnologischen Standpunkt aus betrachtet stellen Purpurmembranen einen supramolekularen Aktuator dar, der von sowohl intrinsischen, als auch extrinsischen Einflüssen verändert und in Gang gebracht werden kann. Diese Tatsache eröffnet ein weites Feld für mögliche Anwendungen, z.B. als chemomechanischer Wandler, der pH-Wert bedingt seine Form verändert und auf diese Weise mit seiner direkten Umgebung interagieren kann. Diese Interaktionsmöglichkeit rückt die Purpurmembranen in den Kontext anderer molekularer Maschinen und supramolekularer Schalter. Die beobachteten und tendenziel steuerbaren dynamischen Eigenschaften von BR und PM an der fest-flüssig Grenzfläche kombiniert mit der reversiblen Kontrolle über das PM Kristallisationsverhalten könnten die Erzeugung von großflächigen, künstlichen Membranen ermöglichen. Diese sind von großem Interesse für die optische Datenspeicherung, Anwendungen im Bereich der Photovoltaik oder als Templat für die Darstellung neuartiger Nanobiomaterialien wie Photonischekristalle

PEAKFORCE QUANTITATIVE NANOMECHANICAL MAPPING FOR SURFACE ENERGY CHARACTERIZATION ON THE NANOSCALE: A MINI-REVIEW

Surface energy characterization is important to design the fabrication process of reliable electronic devices. Surface energy is influenced by various factors such as surface functionality and morphology. Owing to the high surface-to-volume ratio, surface energy at the nanoscale can be different from that of the bulk. However, the conventional methods for characterization of surface energy such as a sessile drop or Washburn methods cannot be used for nanoscale samples, owing to the limited volume for characterization. Recently, surface energy characterization on the nanoscale using atomic force microscopy (AFM) with Peak Force-Quantitative Nanomechanical Mapping (PF-QNM) imaging mode has been proposed. The nanoscale AFM tips measure the adhesion forces at the nanoscale, which are converted into surface energy through pre-calibrated curves. Successful surface energy characterization of nanoscale metal samples using AFM with the PF-QNM method has been reported previously. This mini-review discusses the recent progress on surface energy characterization at the nanoscale using AFM with the PF-QNM method. The fundamentals of the PF-QNM mode are introduced, and the results of surface energy characterization are summarized. Consequently, the future research direction for surface energy characterization at the nanoscale is discussed

On the Morphology and Dynamics of Purple Membranes at the Solid-Liquid Junction

Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass das an der fest-flüssig Grenzfläche adsorbierte und in der Purpurmembran eingebettete Bacteriorhodopsin in Abhängigkeit von der Substratoberfläche zu einer mehr oder weniger stark ausgeprägten Dynamik neigt. Dieser dynamische Wandel von BR wurde zum ersten Mal beobachtet, zeitaufgelöst untersucht und konnte schließlich für die teils gravierenden morphologischen Veränderungen der an der Oberfläche adsorbierten Purpurmembranen verantwortlich gemacht werden. Diverse extrinsische sowie intrinsische Faktoren, die dieWechselbeziehung aus Dynamik und Morphologie bestimmen, konnten identifiziert werden. Anhand dieser Erkenntnisse konnte ein allgemeines, vom Substrat unabhängiges Stabilitätskriterium abgeleitet werden, welches sowohl für BRWildtyp enthaltende als auch für die diversen Mutanten enthaltende Purpurmembranen Gültigkeit besitzt. Die freie Oberflächenenergie, sowie die Sustratrauheit stellen in diesem Zusammenhang extrinsische Schlüsselparameter dar, welche die Dynamik gar erst erlauben oder diese innerhalb der substratgebundenen Purpurmembranen unterbinden. Eine gezielte Punktmutation (D85T) verwandelt BR nicht nur in eine Chloridpumpe, sondern beeinflußt ebenfalls dramatisch das Kristallisationsverhalten, was wiederum zeigt welchen Einfluß und was für eine Rolle intrinsische Faktoren im Rahmen der beobachtetenWechselbeziehung innehaben. Interessanterweise konnte gezeigt werden, dass eine Stabilisierung der tertiären Struktur von BR-D85T, die intrinsisch durch die Bindung von Chlorid innerhalb der Retinalbindungstasche vermittelt wurde, die Fähigkeit von PM-D85T zur Ausbildung eines zusammenhängenden Kristallgitters wiederherstellt. PM-D85T ermöglichte außerdem die Krümmung von Purpurmembranen in den unterschiedlichen Intermediaten des Photozyklus im thermischen Gleichgewicht an der fest-flüssig Grenzfläche zu untersuchen. Die Seitendifferenzierung via SMFS und EFM zeigte, dass PM-D85T im M2-Photointermediat mit der zytoplasmatischen Seite nach außen gekrümmt ist. Im Gegensatz dazu ist sie, nachdem sie den durch eine flache Topographie gekennzeichneten N-Zustand durchlaufen hat, im finalen O-Photointermediat mit der extrazellulären Seite nach außen gekrümmt. Die unterschiedlichen beobachteten Krümmungsmodi verdeutlichen ein sich in der Natur wiederhohlendes Konzept der Kopplung von Form und Funktion, indem die Konformation von BR mit der Funktion als vektorieller Protonenpumpe zum Transport von Protonen von der zytoplasmatischen zur extrazellulären Seite eng verknüpft ist. Eine genauere Untersuchung der Krümmung ergab, dass kleinere Membranen sehr stark von den extrinsischen Einschränkungen, hervorgerufen durch dieWechselwirkung mit der Substratoberfläche, beeinflußt werden. Größere Membranen hingegen bewahren eine charakteristische Krümmung, die von den physikochemischen Bedingungen und der damit Verknüpften Form von BR abhängen. Dies zeigt, dass einzig und allein die intrinsischen Formänderungen des eingebetteten Proteins für die makroskopisch gekrümmte Natur der Membranen verantwortlich ist. Von einem nanobiotechnologischen Standpunkt aus betrachtet stellen Purpurmembranen einen supramolekularen Aktuator dar, der von sowohl intrinsischen, als auch extrinsischen Einflüssen verändert und in Gang gebracht werden kann. Diese Tatsache eröffnet ein weites Feld für mögliche Anwendungen, z.B. als chemomechanischer Wandler, der pH-Wert bedingt seine Form verändert und auf diese Weise mit seiner direkten Umgebung interagieren kann. Diese Interaktionsmöglichkeit rückt die Purpurmembranen in den Kontext anderer molekularer Maschinen und supramolekularer Schalter. Die beobachteten und tendenziel steuerbaren dynamischen Eigenschaften von BR und PM an der fest-flüssig Grenzfläche kombiniert mit der reversiblen Kontrolle über das PM Kristallisationsverhalten könnten die Erzeugung von großflächigen, künstlichen Membranen ermöglichen. Diese sind von großem Interesse für die optische Datenspeicherung, Anwendungen im Bereich der Photovoltaik oder als Templat für die Darstellung neuartiger Nanobiomaterialien wie Photonischekristalle

PeakForce Quantitative Nanomechanical Imaging for Characterization of the Surface Energy of Nano-Patterned Au Strip

Precise measurement of the surface energy of nanoscale metal thin films is crucial for the fabrication of reliable miniaturized electronic devices consisting of multi-stacked thin film strips. However, the conventional method utilizing sessile drops to measure the surface energy is not suitable for nanoscale samples owing to the much larger size of the liquid droplets than those of the samples being measured. Herein, nCA-AFM (nano contact angle-atomic force microscopy) based on PF-QNM (PeakForce quantitative nanomechanical mapping) imaging mode is explored as a novel tool to measure the surface energy of nanoscale Au strips. Au strips with thicknesses of 50 and 100 nm were patterned to have widths in a range from 200 to 500 nm. The surface energy of the nano-patterned Au strips measured with PF-QNM methods revealed that grain size is the most important factor determining the surface energy. The sample having different widths with the same grain size showed similar surface energy values, regardless of the sample dimensions. Our results highlight that grain size control is required to achieve the target surface energy of metal strips for applications in nanoscale electronic devices

A New Class of Purple Membrane Variants for the Construction of Highly Oriented Membrane Assemblies on the Basis of Noncovalent Interactions

Purple membranes (PM) from <i>Halobacterium salinarum</i> have been discussed for several technical applications. These ideas started just several years after its discovery. The biological function of bacteriorhodopsin (BR), the only protein in PM, is the light-driven proton translocation across the membrane thereby converting light energy into chemical energy. The astonishing physicochemical robustness of this molecular assembly and the ease of its isolation triggered ideas for technical uses. All basic molecular functions of BR, that is, photochromism, photoelectrism, and proton pumping, are key elements for technical applications like optical data processing and data storage, ultrafast light detection and processing, and direct utilization of sunlight in adenosine 5′-triphospate (ATP) generation or seawater desalination. In spite of the efforts of several research groups worldwide, which confirmed the proof-of-principle for all these potential applications, only the photochromism-based applications have reached a technical level. The physical reason for this is that no fixation or orientation of the PMs is required. The situation is quite different for photoelectrism and proton pumping where the macroscopic orientation of PMs is a prerequisite. For proton pumping, in addition, the formation of artificial membranes which prevent passive proton leakage is necessary. In this manuscript, we describe a new class of PM variants with oppositely charged membrane sides which enable an almost 100% orientation on a surface, which is the key element for photoelectric applications of BR. As an example, the mutated BR, BR-E234R7, was prepared and analyzed. A nearly 100% self-orientation on mica was obtained

SSA fractionation of thermoplastic polyurethanes

The successive self-nucleation and annealing (SSA) thermal fractionation technique has been applied for the first time to thermoplastic polyurethanes (TPUs). The changes in structure and morphology before and after SSA fractionation were monitored by Differential Scanning Calorimetry (DSC), in situ real-time Small and Wide-angle X-ray scattering synchrotron experiments (SAXS/WAXS) and Atomic Force Microscopy (AFM). SSA applies a series of successive cooling and heating runs to a self-nucleated sample that promotes the creation of a series of thermal fractions in the TPUs with a specific lamellar thicknesses and melting point distribution thanks to the multi-block structure of TPUs. The SSA fractionated samples experienced a general increase in lamellar thickness that has been revealed by both AFM and SAXS and a distribution of lamellar thickness estimated by DSC and AFM. The average lamellar thickness of SSA fractionated samples has been estimated by SAXS, AFM, and DSC. The values obtained are in quantitative agreement (within the errors involved in the techniques) when considering that phase segregation in the TPU samples has been promoted by crystallization. The refined crystalline structure obtained after SSA produced a number of clear WAXS reflections, as compared to the unfractionated materials, facilitating the determination of the TPUs crystallinity degree by WAXS.The authors would like to acknowledge BASF for project funding. This study has also received funding from the Eusko Jaurlaritza through grant IT1309-19. We acknowledge funding by the Spanish ALBA Synchrotron of the Proposal 2015091420-“Self-nucleation, thermal fractionation, and confined crystallization studies of semicrystalline polymers by in-situ synchrotron WAXS and SAXS thermal analysis” (2016). We would also like to acknowledge the staff from the BL11 beamline at the ALBA synchrotron, as well as the travel funding by Spanish “Ministerio de Economía y Competitividad” and “Generalidad de Cataluña.” J.M. acknowledges support from the Provincial Council of Gipuzkoa under the program Fellow Gipuzkoa and “Fomento San Sebastián” in the frame work program “Retorno del Talento Local” Donostia up! 2016. R.A.P.-C. is supported by PIFI of the Chinese Academy of Science for international postdoctoral researchers (2019PE0004).Peer reviewe

Discharge and Charge Reaction Paths in Sodium–Oxygen Batteries: Does NaO₂ Form by Direct Electrochemical Growth or by Precipitation from Solution?

Sodium–oxygen cells with sodium superoxide (NaO₂) as discharge product show charge and discharge characteristics with very low overvoltage, different from lithium/oxygen cells. Here, it is shown that the discharge of a nonaqueous sodium/oxygen cell proceeds via the electrochemical formation of superoxide (O₂^–), its dissolution in the liquid electrolyte, and subsequent precipitation together with sodium ions as solid sodium superoxide. Charge proceeds in the counter-direction by consumption of dissolved superoxide anions and dissolution of NaO₂. Indirect evidence for the solution-precipitation route is provided by theoretical results on the electronic structure of NaO₂ and the conclusion that the electronic conductivity of NaO₂ is too low to allow direct electrochemical growth and dissolution. Direct evidence for the solution-precipitation route is provided by results from charge/discharge studies of a three-electrode cell in which preformed NaO₂ is being decomposed without direct electronic contact to the charging circuit. An analytical model for the overvoltage as a function of electrode coverage with electrically insulating discharge product complements the theoretical and experimental results and supports the mechanistic findings