Impact Assessment of Disruptive Technologies on Electronic Identities (eID) for the Improvement of Digital Public Services for Citizens

Public services are increasingly being transformed into smart public services, also known as digital public services or eGovernment. In several cases, access to specific services is personal and non-transferable, thus requiring secure and trustful identification as well as management of the so called “digital identities”. In this context, it is obvious that citizens and public services in particular would benefit greatly from digital identity management technology, as new and emerging technologies have strong potential to empower existing eID systems. Yet, while opportunities enabled by these technologies are undeniable, challenges also exist, including technological and social implications, as well as barriers, risks and limitations. In addition, the establishment of standards for these ecosystems and compliance with framework conditions, including national and European regulations are essential points that must be considered. Based on these observations, the IMPULSE (Identity Management in PUblic SErvices) project, funded under the Horizon 2020 programme, was launched in early 2020. IMPULSE aims to perform a multidisciplinary evaluation of the disruptive transformation of electronic identity (eID) management in public services enabled by Distributed Ledger Technology (DLT) and Artificial Inteligence (AI). Overall, this paper will present the research pathway set up to answer the question of how a single adaptive eID solution can be useful to the whole city ecosystem, from the micro-citizen level to the macro-governmental perspective, by focusing on the main achievements of the IMPULSE project so far

Specific Arrangement of Nanoparticles on Smooth and Structured Surfaces

Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften und damit einhergehenden vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten sind Nanopartikel in unterschiedlichsten Bereichen der Wissenschaft und Industrie im Fokus. Viele Anwendungen von Nanostrukturen wie beispielsweise als Beschichtungen[1–3], photonische Kristalle[4] oder Template[5–7] setzen dabei eine gleichmäßige sowie strukturierte Anordnung der Kolloide auf Oberflächen voraus. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Untersuchung des Adsorptionsprozesses und der elektrostatischen Selbstanordnung von Nanopartikeln in nicht dicht gepackten Strukturen auf glatten und strukturierten Oberflächen. Dabei wurde ein einfaches Verfahren zur Darstellung nicht dicht gepackter, kolloidaler Monolagen auf festen Substraten entwickelt. Gleichzeitig wurde die Flexibilität dieser Strukturen in Hinblick auf deren Modifikation und Einstellung der interpartikulären Abstände analysiert. Neben Adsorptionsprozessen von Kolloiden auf glatten, wurden ebenfalls solche auf komplementär strukturierten Oberflächen sowie deren gezielte Steuerung untersucht. Als exemplarisches System wurden in dieser Arbeit Silica- Nanopartikel auf Goldoberflächen verwendet. Adsorptionsprozesse wurden mit einer Quarzkristallmikrowaage mit Dissipationsdetektion (QCM-D) verfolgt und die resultierenden Oberflächen mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) optisch analysiert. Zunächst wird in dieser Arbeit ein Verfahren für die Darstellung nicht dicht gepackter, kolloidaler Monolagen auf Goldoberflächen mit Hilfe der QCM-D vorgestellt. Dieses beruht auf der interpartikulären, elektrostatischen Abstoßung aminofunktionalisierter, positiv geladener Silica- Nanopartikel in Dispersion mit unterschiedlicher Oberflächen-morphologie. Durch die multivalente Bindung der Silica-Nanopartikel mittels Amino-Liganden an die Goldoberfläche sowie Erhöhung der Reibungskräfte zwischen Kolloiden und Substrat über die Oberflächenrauheit beider Systeme, kann die Bildung von Partikelaggregaten während des Trocknungsprozesses auf der Oberfläche stark limitiert werden. Eine fast vollständige Reduzierung des Aggregatanteils auf unter 1 % wird durch eine stark kovalente Bindung der Silica-Nanopartikel an die zuvor funktionalisierte Goldoberfläche erreicht. Des Weiteren werden Beispiele für die vielfältigen chemischen sowie physikalischen Modifikationsmöglichkeiten dieser Strukturen und deren Beständigkeit gegenüber diesen Einflüssen gezeigt. Als Grundlage dienen dabei nicht dicht gepackte Monolagen aus aminofunktionalisierten, positiv geladenen Silica-Nanopartikeln auf glatten Goldoberflächen und Silizium-Wafern. Die Bindung von vielfach größeren, negativ geladenen Polystyrol-Nanopartikeln über elektrostatische Wechselwirkung an die Silica-Nanopartikel führt zu nicht dicht gepackten, gemischten Schichten. Durch die Bindung negativ geladener Silica-Nanopartikel gleicher Größe an die nicht dicht gepackten Silica-Monolagen können Dimere direkt auf der Oberfläche mit hoher Ausbeute erzeugt werden. Die chemische und physikalische Abscheidung von Gold auf den nicht dicht gepackten, kolloidalen Monolagen führt zu auf der Oberfläche befindlichen metallodielektrischen Kern- Schale-Partikeln. Nach Entfernen von diesen Partikeln werden Substrate erhalten, welche eine nicht dicht gepackte Lochstruktur aufweisen. Da für bestimmte Anwendungen eine gezielte Steuerung der interpartikularen Abstände in nicht dicht gepackten, kolloidalen Monolagen wichtig ist, wird dieser Punkt mit verschiedenen Methoden untersucht. Ein Ansatz dafür ist die Steuerung der interpartikulären Abstände über die relative Permittivität des Dispersionsmediums. Auf diese Weise wird in verschiedenen Lösungsmitteln mit steigender Permittivität eine tendenzielle Zunahme der Abstände nächster Nachbarn erzielt. Für eine kontinuierliche Einstellung der interpartikulären Abstände über einen weiten Bereich wird die Ionenstärke des Dispersionsmedium durch Verwendung wässriger Natriumchloridlösung variiert. Gleichzeitig wird in diesem Zusammenhang eine alternative Methode zur Darstellung der nicht dicht gepackten Strukturen entwickelt, welche bei gleichbleibender Qualität der kolloidalen Monolagen ohne die Verwendung einer QCM-D auskommt. Dazu wird ein Substrat lediglich in die entsprechende Nanopartikeldispersion gegeben und der Adsorptionsprozess unter Verwendung eines Schütteltisches durchgeführt. Für die Untersuchung, inwiefern die Adsorption von sich elektrostatisch abstoßenden Kolloiden durch die Verwendung strukturierter Substrate beeinflusst wird, werden Silica-Nanopartikel auf mit konkaven Strukturen geprägten Goldsubstraten adsorbiert. Dafür notwendige, konkav strukturierte QCM-Sensoren werden durch die chemische Bindung einer zuvor auf einem kolloidalen Polystyrol-Kristall abgeschiedenen Goldschicht an die Sensoroberfläche unter Auflösen der Nanopartikel dargestellt. Die Verwendung derartiger Sensoren im QCM-D-Experiment wird in dieser Arbeit etabliert. Eine gezielte Bindung der Nanopartikel in die Mulden der konkav strukturierten Goldoberfläche wird durch eine definierte Steuerung des Adsorptionsprozesses der Kolloide erzielt. Dabei werden sowohl die interpartikulären Abstände über die Ionenstärke des Dispersionsmediums eingestellt, als auch die Abstände der Goldmulden an die interpartikulären Abstände angepasst. Durch anschließende Behandlung dieser Oberflächen im Ultraschallbad werden außerhalb der Mulden gebundene Kolloide entfernt und auf der Oberfläche befindliche Partikel-in- Schale-Strukturen erhalten.Due to their unique properties and therefore various versatile applications, nanoparticles are in focus in a wide range of fields in science and industry. Many applications of nanostructures like their use as coatings,[1–3] photonic crystals,[4] or templates[5–7] require a well-structured arrangement of the colloids on the surface. This thesis focuses on the investigation of the adsorption process and the electrostatic self-assembly of nanoparticles in non-close-packed arrangements on smooth and structured surfaces. The aim is the development of a simple method for preparing non-close-packed colloidal monolayers on a solid substrate. Moreover, the flexibility of these structures is analyzed regarding the possibility of modifications and adjustment of the interparticular spacing. Besides adsorption processes of colloids on smooth surfaces also those on complementary structured surfaces and their targeted control are analyzed. Therefore, silica nanoparticles on gold surfaces are applied as a model system in this thesis. The adsorption process is observed by using a quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D), and the resulting surfaces are optically analyzed by scanning electron microscopy (SEM). At first, a method for the preparation of non-close-packed colloidal monolayers on gold surfaces by using a QCM-D is described. This procedure is based on the interparticular, electrostatic repulsion of amino- functionalized, positively charged silica nanoparticles in dispersion with different surface morphologies. Due to the multivalent binding of the silica nanoparticles via the amino ligands to the gold surface as well as an enhancement of the friction forces between colloids and substrate by the surface roughness of both systems the formation of colloidal aggregates on the surface during the drying process can be strongly limited. A nearly complete reduction of the number of aggregates below 1 % is achieved by binding silica nanoparticles covalently to the previously functionalized gold surface. Furthermore, several examples of versatile chemical as well as physical modifications of these structures and their resistance to such influences are shown. Non-close-packed monolayers of amino-functionalized, positively charged silica nanoparticles on gold surfaces and silicon wafers provide a basis for these studies. Due to electrostatic interactions with silica nanoparticles, binding of almost three times larger, negatively charged polystyrene nanoparticles results in non-close-packed, binary monolayers. By binding negatively charged silica nanoparticles of the same size on the non-close- packed silica monolayers, dimers can be directly generated on the surface in high yields. The chemical and physical deposition of gold on non-close-packed colloidal monolayers results in metallodielectric core-shell-particles on the surface. After removal of these particles, substrates with non-close-packed nanohole structures are obtained. Since specific control of the interparticular distances in non-close-packed colloidal monolayers is important for certain applications, this item is investigated by two different approaches. One way is the control of the interparticular spacing by the relative permittivity of the dispersion medium. In this way, in various solvents with increasing permittivity, a tendential increase of the interparticular spacing is achieved. To adjust the interparticular spacing continuously over a wide range the ionic strength of the dispersion medium is varied by using aqueous sodium chloride solution as dispersion medium. In this context, an alternative method for the preparation of non-close-packed colloidal monolayers is developed without using a QCM-D. Therefore, the substrate is placed in the appropriate nanoparticle dispersion, and the adsorption process is implemented by using a shaking table. To analyze the influence of structured substrates on the adsorption process of electrostatic repulsive colloids, silica nanoparticles are adsorbed on concave structured gold substrates. By sputtering a gold layer on a colloidal polystyrene crystal and chemically binding that layer to a sensor’s surface while dissolving the nanoparticles, the required concave structured QCM sensors are prepared. The application of such sensors in a QCM-D experiment is established in this work. A targeted binding of the nanoparticles in the troughs of the concave structured gold surface is achieved by controlling the adsorption process of the colloids. In this process, the interparticular distances are adjusted via the ionic strength of the dispersion medium and the distances between the gold half shells are set according to these interparticular distances. By subsequent treatment of the surface in an ultrasonic bath, nanoparticles which are bound outside the half shells are completely removed which resulted in particle-in-cavity structures on the surface

Structural Characterization of Ordered, Non-Close-Packed Functionalized Silica Nanoparticles on Gold Surfaces

Nanostructured surfaces play an important role in modern science and technology. In particular, ordered arrangements of nonclose-packed nanoparticles created by self-assembly offer a versatile route to prepare systems, which can be used in various applications such as sensing, plasmonic devices or antireflection coatings. Self-assembly based systems are particularly appealing as preparation is rather simple. The ability of nanoparticle systems to form nonclosed packed monolayers by self-assembly depends on the balance of various energetic contributions in particular the adsorption energy, the lateral barrier for diffusion and the repulsion between particles. Even for simple model systems such as the monodispersed silica particles adsorbed on a bare gold surface investigated here, none of these quantities is easy to determine experimentally. To this end, we will report on a detailed characterization of the adsorption in particular with respect to the structural properties of the above-mentioned model system. Based on experimental results obtained by using quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D) as well as scanning electron microscopy (SEM) it is possible to determine the electrostatic pair potential from the lateral arrangement of the nano particles in the limit of low coverage

Kinetics of aggregation and growth processes of PEG-stabilised mono- and multivalent gold nanoparticles in highly concentrated halide solutions

5-6 nm gold nanoparticles were prepared by hydrolytic decomposition of [NMe4]-[Au(CF3)(2)] and functionalized in situ with mono-and multivalent thiolated PEG ligands. Time-dependent changes of the nanoparticles were monitored in aqueous NaCl, NaBr, and NaI solutions by UV-Vis spectroscopy, TEM, and HRTEM. The purely sterically protected particles are stable in = 2 M), the monovalent stabilized particles show minor reaction limited colloidal aggregation. In NaBr but not in NaCl solutions a minor Ostwald ripening also occurs. The divalent stabilized particles remain colloidally stable in both halide solutions, even if the temperature is raised or the concentration is increased above 2 M. In <= 1 M aqueous NaI solutions the particles remain stable. Above, the monovalent stabilized particles undergo an oxidative reaction, resulting in a time-dependent shift and broadening of the absorbance spectrum. Finally, this process slows down while the width of the spectra slightly narrows. The kinetics of this process can be described by a two-step sigmoidal process, comprising a slow induction period where active species are formed, followed by a fast growth and aggregation process. The increasing concentration of fused structures from the aggregates during this process results in a narrowing of the size distributions. The divalent stabilized particles show only some minor broadening and a slight shift of the absorbance spectra in <= 3 M NaI solutions. These observations confirm the excellent stability of the multivalent stabilized particles from this chloride-free particle synthesis

Lysosomal Dysfunction Caused by Cellular Accumulation of Silica Nanoparticles

Nanoparticles (NPs) are widely used as components of drugs or cosmetics and hold great promise for biomedicine, yet their effects on cell physiology remain poorly understood. Here we demonstrate that clathrin-independent dynamin 2-mediated caveolar uptake of surface-functionalized silica nanoparticles (SiNPs) impairs cell viability due to lysosomal dysfunction. We show that internalized SiNPs accumulate in lysosomes resulting in inhibition of autophagy-mediated protein turnover and impaired degradation of internalized epidermal growth factor, whereas endosomal recycling proceeds unperturbed. This phenotype is caused by perturbed delivery of cargo via autophagosomes and late endosomes to SiNP-filled cathepsin B/L-containing lysosomes rather than elevated lysosomal pH or altered mTOR activity. Given the importance of autophagy and lysosomal protein degradation for cellular proteostasis and clearance of aggregated proteins, these results raise the question of beneficial use of NPs in biomedicine and beyond