[0001 ] Die Erfindung betrifft Trägermaterialien (Carrier) für elektrisch polarisierbare

Biomaterialien, für strukturierte einkomponentige Polyelektrolytschichten, mehrkomponentige Polyelektrolytmultischichten oder Schichten vorgebildeter Polyelektrolytkomplexe, für Atome, Ionen und/oder Moleküle (epAIMP), die

Herstellung bzw. die Ausführungsvarianten dieser Trägermaterialien zur

Manipulation, Modifikation und Bewegung einzelner epAIMP bis zur Konstruktion molekularer Maschinen mM.

[0002] Unter Manipulation von epAIMP wird im Sinne der Erfindung das Anziehen

(Binden), das Abstoßen und das Sortieren von epAIMP an das Trägermaterial verstanden.

[0003] Unter Modifikation von epAIMP wird im Sinne der Erfindung das Verändern von einzelnen chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften der epAIMP am Trägermaterial verstanden.

[0004] Unter Bewegung von epAIMP wird im Sinne der Erfindung die gezielt gerichtete Fortbewegung der epAIMP auf oder nahe der Oberfläche des Trägermaterials verstanden.

Stand der Technik

[0005] Elektrisch polarisierbare Biomaterialien, die strukturierten, einkomponentigen

Polyelektrolytschichten, die mehrkomponentigen Polyelektrolytmultischichten oder die Schichten vorgebildeter Polyelektrolytkomplexe, die Atome, Ionen und/oder Moleküle (epAIMP), richten sich in einem elektrischen Feld aus. In einem homogenen elektrischen Feld wirkt auf den elektrischen Dipol der epAIMP ein Drehmoment, welches den Dipol in Richtung des elektrischen Feldes ausrichtet. Im inhomogenen elektrischen Feld erfährt der Dipol der epAIMP eine Kraft, die ihn in Gebiete höherer Feldstärke hineinzieht.

[0006] Die Dynamik der wirkenden Kräfte bestimmt, ob die Trägheitskräfte, welche der

Bewegung von epAIMP in einem homogenen oder inhomogenen elektrischen Feld entgegenwirken, überwunden werden können. Eine empfohlene Lösung ist die Stick- und Slip-Methode, d.h. das Wirken einer langsam bewegenden Kraft in die gewünschte Richtung und ein schnelles Abstellen der bewegenden Kraft. [0007] Ein Biomaterial ist definiert als Substanz natürlichen oder künstlichen Ursprungs, die zeitweilig oder dauerhaft, eigenständig oder als Teil eines Ganzen, jedwedes Gewebe, Organ oder jegliche Funktion des Körpers behandelt, verbessert oder ersetzt (D. F. Williams: Definitions in Biomaterials. Progress in biomedical

Engineering, 4 ed. Elsevier, Amsterdam 1987.).

[0008] Biomoleküle sind Moleküle organischer Substanzen, die in Lebewesen vorkommen.

Biomoleküle stehen mit Biomaterialien in Wechselwirkung und definieren die biologische Umgebung für Biomaterialien. Im Sinne der Erfindung werden unter Biomoleküle alle natürlichen und künstliche Materialien verstanden,

o die in Lebewesen vorkommen oder von Lebewesen gebildet werden,

o die künstlich hergestellt werden und natürliche, organische Substanzen

nachempfinden, oder

o an die sich andere (künstliche) Substanzen oder Metalle anlagern können oder angelagert haben und/oder die mit anderen künstlichen oder natürlichen Materialien Verbindungen eingegangen sind.

[0009] Biomoleküle können elektrostatische Ladungen tragen und damit einen elektrischen Dipol ausbilden. Solche Biomoleküle zählen zu den epAIMP. Die Dipol-Dipol- Wechselwirkungen der polaren Biomoleküle sorgen für die Ausrichtung der Biomoleküle untereinander. Auf der Nanometer-Längenskala gehört die

elektrostatische Wechselwirkung zu den Kräften mit der größten Stärke und auch zu denen mit der größten Reichweite. Elektrostatische Kräfte sind auch sehr stark in wässrigen Lösungen und halten so die Biomoleküle voneinander fern.

[0010] Bei der Untersuchung von Biomaterialien oder Biomolekülen muss das

Trägermaterial die Biomaterialien räumlich und zeitlich begrenzbar aufnehmen und die Biomaterialien für lokale Anforderungen zur Verfügung stellen. Dabei spielt die Zelladhäsion (Zell-Haftfähigkeit) von Biomaterialien und Biomolekülen an dem Trägermaterial sowie die Zellbeweglichkeit eine wichtige Rolle. Die Mechanismen, die der Zelladhäsion oder Zellbeweglichkeit zu Grunde liegen, sind nicht vollständig erforscht.

[001 1 ] Er werden biologisch abbaubare und biologisch nicht abbaubare Trägermaterialien für Biomaterialien unterschieden. [0012] Biomoleküle können hydrophob oder hydrophil sein. Hydrophobe Biomoleküle sind unpolar. Hydrophile Biomoleküle sind polar und entweder positiv (basisch) oder negativ (sauer) aufladbar.

[0013] Das invertierte optische oder konfokale Mikroskop ermöglicht die Quantifizierung der einzelnen Zell-Zell- und Zell-Oberflächen-Wechselwirkungen unter physiologischen Bedingungen. Eine Vielzahl von wichtigen Parametern der zellulären Adhäsion, wie zum Beispiel die maximale Zelladhäsionskraft, einzelne Entfaltungsereignisse, die Tether-Charakteristik sowie die Gesamtenergie der elektrostatischen Bindung können damit bestimmt werden.

[0014] Um Einzelmoleküluntersuchungen mittels Fluoreszenzdetektion an Biomolekülen unter nahezu physiologischen Bedingungen durchführen zu können, müssen die Biomoleküle eine hohe Fluoreszenzaktivität besitzen. Da die wenigsten Moleküle intrinsisch fluoreszierend sind bzw. ihre Fluoreszenzeigenschaften den

Anforderungen nicht entsprechen, werden biologisch funktionale Moleküle in der Regel über die kovalente Bindung von eigens zu diesem Zweck entwickelten Farbstoffen markiert (Sauer, Han et al. 1993).

[0015] Biomoleküle mit ungepaarten Elektronen weisen ein magnetisches Moment auf, das etwa drei Größenordnungen stärker als das Moment eines Protons ist. Mit

Methoden der Elektronen-Spin-Resonanz-Spektroskopie (EPR) kann dieses Moment in hochempfindlichen Messungen als Sonde dienen, um strukturelle Informationen auf der atomaren bis hin zur Nanometerskala zu gewinnen.

[0016] Um nun Biosensoren zu konstruieren, müssen die biologisch aktiven Elemente an Trägerstoffen fixiert werden. Zur Fixierung gibt es die unterschiedlichsten Methoden, man unterscheidet physikalische und chemische Methoden. Zu den physikalischen Methoden zählt vorrangig die Adsorption. Sie ist die einfachste Methode. Auf diesem Wege hergestellte Biosensoren reagieren aufgrund der reversiblen Natur des Bindungsgleichgewichts allerdings auf Änderungen der

Umgebungsbedingungen empfindlich. Zu den chemischen Methoden zählen die kovalente Kopplung und die Vernetzung. Bei der kovalenten Kopplung an derivatisierte, wasserunlösliche Träger dürfen nur diejenigen Gruppen des

Biomoleküls beteiligt sein, die nicht für die biologische Aktivität zuständig sind.

[0017] WO/2005/007387 A beschreibt die Nanomanipulation des piezoelektrischen

Trägermaterials durch das Anlegen einer elektrischen Spannung, was zu einer Änderung der verspannten Kontaktfläche zwischen Trägermaterial und Biomaterial bzw. Biomolekül führt. Der Nachteil ist, dass diese piezoelektrischen Trägermaterialien dünn sein müssen, damit die anzulegenden elektrischen

Spannungen nicht zu groß werden.

[0018] Trotz der enormen technologischen Fortschritte in den vergangenen Jahren gibt es nur wenige biosensorische Ansätze, mit denen sich ein Pharma-Screening realisieren lässt. Gründe hierfür sind, dass der "klassische" Biosensor auf der Grundlage von Enzymen und Antikörpern zumeist nur strukturelle und keine funktionellen Informationen liefert und die biomolekulare Interaktionsanalyse mit Biosensoren sehr anspruchsvoll ist. Jedoch können durch Mikro- und

Nanotechnologien dem Pharma-Screening mittels Biosensoren neue Impulse verliehen werden. Insbesondere erscheint das "High Content Screening" (HCS), ein paralleles Screening von vielen Effekten, mit Biosensoren realisierbar zu sein und könnte einen Ausweg aus den sich derzeit anbahnenden Engpässen in den

Entwicklungs-Pipelines vieler Pharmaunternehmen darstellen.

[0019] Biosensoren wurden in den vergangenen Jahren für vielfältige analytische Aufgaben entwickelt. Dabei standen Anwendungen aus dem klinisch-medizinischen Bereich, der Fermentationskontrolle, der Qualitätskontrolle von Lebensmitteln und der Umweltanalytik im Vordergrund. Jedoch sind die Einsatzmöglichkeiten von biosensorischen Techniken weitaus vielfältiger: Mit Biosensoren lassen sich einerseits sehr spezifisch Strukturelemente erkennen, die für potentielle Arzneistoffe charakteristisch sind; andererseits können Assays realisiert werden, mit denen sich dann Arzneistoffwirkungen erfassen lassen. Ein Biosensor besteht typisch erweise aus einem biologischen Erkennungselement und einem physikalischen Sensor (Transducer). Biosensoren werden meist nach dem Funktionsprinzip ihres

Signalwandlers eingeteilt. Man unterscheidet im Wesentlichen elektrochemische, optische, kalorimetrische und mikrogravimetrische Biosensoren. Bei komplexen Systemen, die ganze lebende Zellen enthalten, ist eine solche Einteilung jedoch nicht sinnvoll.

[0020] Die Polyelektrolytmatenalien besitzen lokale elektrische Dipole, das heißt

wahlweise positiv oder negativ geladene funktionelle Gruppen und können durch attraktive elektrostatische Wechselwirkung mit den entgegengesetzt geladen wirkenden Kräften oder Ladungszentren der Trägermaterialien gebunden werden (Physisorption, Adsorption). Solche Polyelektrolytmatenalien zählen zu den epAIMP.

[0021 ] Die Polyelektrolytmatenalien (PEL) [M. Schmidt (Vol. Ed.): Polyelectrolytes with Defined Molecular Architecture I, Springer, 2004.] umfassen einkomponentige Polyelektrolytsysteme (PEE), deren Ladungen nur ein Vorzeichen besitzen oder welche nur einen Polyelektrolyttypen (z.B. negativ geladene Polyacrylsäure) enthalten, sowie Polyelektrolyt-Mischsysteme, wie z.B. Polyelektrolytmultischichten (PEM) oder vorgebildete Polyelektrolytkomplexpartikel (PEC). Die verschiedenen Polyelektrolytmaterialien sind in Fig. 1 skizziert.

[0022] Einkomponentige PEL-Systeme (PEE) werden durch einfache Adsorption aus

Lösungen des jeweiligen PEL in geeigneter Konzentration an den Trägermaterialien gebildet. Bei herkömmlichen Substraten (geringere Oberflächenladungsdichte als die hier beschriebenen) bilden sich hierbei meist nur inhomogene PEL-Schichten (Inseln) aufgrund der elektrostatischen Selbstrepulsion zwischen

Oberflächenregionen mit bereits adsorbierten PEL-Schichten und restlichen PEL in Lösung. Die hier anvisierten Trägermaterialien besitzen wesentlich höhere

Oberflächenladungsdichten (Werte s. unten). Dadurch können einkomponentige PEL-Schichten mit wesentlich höherem, über eine Monolage hinausgehendem Belegungsgrad entstehen oder zu adsorbierten PEL-Mengen führen, die deutlich von denen abweichen, die bisher experimentell an hochgeladenen Substraten gemessen wurden. Möglicherweise können dadurch neue Erkenntnisse zur Theorie der Polyelektrolytadsorption an festen Oberflächen [z.B. Fleer et al., Polymers at Interfaces, Chapman, 1993, R.R. Netz, J.F. Joanny, Macromolecules, 32, 9013 (1999), A.V. Dobrynin, M. Rubinstein, Prog. Polym. Sei. 30, 1049-1 1 18 (2005)] gewonnen werden oder diese besser in Einklang mit experimentellen Befunden zur Abhängigkeit der adsorbierten PEL-Menge von der Oberflächenladungsdichte gebracht werden.

[0023] PEM werden dagegen durch konsekutive Adsorption von Polykationen (PEL mit positiv geladenen funktionellen Gruppen oder Monomereinheiten) mit Polyanionen (PEL mit negativ geladenen Gruppen oder Monomereinheiten) an ein Substrat hergestellt, wobei das Trägermaterial beispielsweise ein Siliziumträger ist, dessen Oberfläche chemisch und/oder physikalisch behandelt wird [WO 2010 066432 A]. In diesem Fall ist die Ursache für die Adsorption und Desorption chemisch und physikalisch nicht von der Umgebung isoliert.

[0024] Polyelektrolytkomplexpartikel (PEC) werden zunächst direkt durch Mischen einer Polykation- und Polyanionlösung im nichtstöchiometrischen Verhältnis in der Volumenphase gebildet [US 2008/0058229 A1]. Die sich dabei je nach

Mischungsverhältnis bildenden Partikel mit neutralem Kern und positiv oder negativ geladener Schale können ähnlich den PEL durch Physisorption an das geladene Trägermaterial binden.

[0025] PEM-Filme können durch Verwendung kettensteifer PEL an z.B. unidirektional texturierten Trägern orientierte Nanostrukturen bilden [M. Müller, Orientation of a- helical Poly(L-lysine) in Consecutively Adsorbed Polyelectrolyte Multilayers on Texturized Silicon Substrates, Biomacromolecules, 2(1 ), 262-269 (2001 )].

[0026] Ebenso können durch Verwendung kettensteifer PEL [ M. Müller, T. Reihs, W.

Ouyang, Needle like and spherical polyelectrolyte complex nanoparticles of poly(L- lysine) and copolymers of maleic acid, Langmuir, 21 (1 ), 465-469 (2005)] stäbchenförmige PEC-Partikel gebildet werden, welche an unidirektional texturierten Trägern auch orientierte Nanostrukturen erzeugen können.

[0027] Orientierte PEM-Filme oder PEC-Filme können das Zellwachstum beeinflussen und zu einem Ersatz von plasmamodifizierten Substraten führen, welche mit wesentlich höherem Aufwand hergestellt werden.

[0028] Als einkomponentige PEL-Materialien oder in PEM oder PEC können auch

leitfähige PEL und Polymere wie z.B. Polyanilin, Polypyrrol, Polythiophen oder Polyethylendioxythiophen (PEDOT) einbezogen und inkorporiert werden und als leitende Haftvermittler zwischen Indiumzinnoxid (ITO)- und aktiven

Farbstoffschichten für organische lichtemittierende Dioden (OLEDs) verwendet werden.

[0029] Diese Polyelektrolytmaterialien können aufgrund ihrer strukturellen Verwandtschaft oder auch Identität zu Biomaterialien (Proteine, Polysaccharide, Polynucleotide) wiederum als Haftmaterial für andere Materialien, z.B. Biomoleküle und

Biomaterialien, dienen. Dabei können kontrolliert inerte Passivierungsschichten (PEL-1 ) oder aktiv bindende Schichten (PEL-2) oder auch biozide Schichten (z.B. Bakterien) (PEL-3) für Biomaterialien, Biofluide oder Zellen entstehen.

[0030] Eine aktuelle Fragestellung ist die Bestimmung der Geschwindigkeit, der Stärke und/oder der Spezifität der Bindung, sowie die Bestimmung der Konzentration von aktiven Biomolekülen und Partikeln sowie die Identifizierung von neuen

Wechselwirkungspartnern („Ligandenfishing") an Polyelektrolytmaterialien.

Biomoleküle können hydrophob oder hydrophil sein. Hydrophobe Biomoleküle sind unpolar. Hydrophile Biomoleküle sind polar und können im Kontakt zum

Lösungsmittel entweder positiv geladene (basische), negativ geladene (saure) Ladungszentren (funktionelle Gruppen) besitzen oder elektrostatisch neutral sein.. Einige niedrigmolekulare Biomoleküle wie Aminosäuren, Monosaccharide und Nukleotide stellen reaktive Monomere für die Polymerisation zu hochmolekularen Biomolekülen, den Biopolymeren wie Proteinen (z.B. Kollagen, Serumalbumin, Insulin), Polysacchariden (z.B. Glykogen, Stärke, Cellulose, Dextrane, Chitin) und Polynukleotiden (z.B. DNA, RNA) dar.

[0031 ] Fig. 1 zeigt verschiedene bereits elektrisch polarisierte oder elektrisch polarisierbare Biomaterialien (BM), Atome, Ionen und/oder Moleküle) vor (M _A , M _B , M _c ) und nach der Modifizierung (Μ _Α ', Μ _Β ', M _c '), Einkomponentige Polyelektrolytsysteme (PEE), Polyelektrolytmultischichten (PEM) und Polyelektrolytkomplexartikel (PEC). In den Abbildungen wird nicht zwischen polarisierbaren Biomaterialien (BM), Atomen, Ionen oder Molekülen und Einkomponentigen Polyelektrolytsystemen (PEE),

Polyelektrolytmultischichten (PEM) und Polyelektrolytkomplexartikel (PEC)

unterschieden. Fig. 1 zeigt im unteren Teil der Abbildung den Aufbau der

Polyelektrolytmatenalien (PEL) mit einer positiven Überschussladung und im oberen Teil den Aufbau der PEL mit einer negativen Überschussladung. Diese werden in den weiteren Abbildungen durch ein Oval mit einem„+" bzw.„-" entsprechend ihrer Überschussladung dargestellt. Diese elektrisch polarisierbaren Teilchen werden mit epAIMP bezeichnet. Die epAIMP, welche schematisch in verschiedenen Größen und Formen gezeichnet sind, unterscheiden sich bezüglich ihrer elektrischen

Polarisierbarkeit, ihrer Masse und ihrer Tendenz, sich mit anderen Biomaterialien, Atomen, Ionen und/oder Molekülen oder Polyelektrolytmatenalien zu verbinden. Das erfindungsgemäße Trägermaterial nutzt die elektrische Polarisierbarkeit der epAIMP, welche ein Maß für die Verschiebbarkeit von positiver relativ zu negativer Ladung ist. Dabei können Elektronenwolken relativ zum positiven schweren Kern in Atomen und Ionen und/oder positive Ionen relativ zu negativen Ionen in Molekülen verschoben werden. Es können auch komplexere epAIMP mit höheren elektrischen Multipolen auftreten und miteinander elektrostatisch wechselwirken. Zur Vereinfachung werden nur elektrische Dipole in den Zeichnungen dargestellt.

[0032] Die epAIMP können einen permanenten elektrischen Dipol aufweisen und/oder in elektrischen Feldern einen elektrischen Dipol ausbilden. Die Dipol-Dipol- Wechselwirkungen von epAIMP sorgen für deren Ausrichtung untereinander. Auf der Nanometer-Längenskala gehört die elektrostatische Wechselwirkung zu den Wechselwirkungen mit der größten Kraft und mit der größten Reichweite.

Elektrostatische Kräfte sind auch sehr stark in wässrigen Lösungen und halten so epAIMP voneinander fern. Die epAIMP kann nicht nur als Dipol, sondern auch als komplexere epAIMP mit höheren elektrischen Multipolen auftreten und miteinander elektrostatisch wechselwirken. Zur Vereinfachung werden nur elektrische Dipole in den Zeichnungen dargestellt.

[0033] Die Bewegung der epAIMP gelingt in elektrischen Feldern zwischen zwei

Elektroden, an die eine elektrische Spannung von außen angelegt wird.

[0034] Einzelne bewegliche Ionen können in einem Festkörper mit Rückseitenelektrode und mit statischer oder positionierbarer Vorderseitenelektrode, z.B. metallisch leitende Messspitze eines Atomaren Kraftmikroskopes, bewegt werden. [N. Balke u.a.: Nanoscale mapping of ion diffusion in a lithium-ion battery cathode. NATURE NANOTECHNOLOGY 5 (2010) 749-754].

[0035] Außerhalb eines Festkörpers können epAIMP durch Dielektrophorese [Pei Yu Chiou u.a.: Massively parallel manipulation of Single cells and microparticles using optical images. NATURE 436 (2005) 370-372] zwischen der Oberfläche eines

Trägermaterials und einer großflächigen Vorderseitenelektrode, welche in einem Abstand von der Oberfläche des Trägermaterials angebracht ist und dieses nicht berührt, bewegt werden. Dazu wird die Rückseite des Trägermaterials durch eine Schattenmaske beleuchtet. Die photogenerierten Ladungsträger im Carrier erhöhen lokal die Leitfähigkeit des Carriers und verschieben lokal die Position der

Rückseitenelektrode von der unteren ITO-Schicht in das undotierte a-Si:H des Carriers. Dadurch wird lokal der Abstand zwischen der oberen ITO-Schicht

(Vorderseitenelektrode) mit unveränderlicher Position und der Rückseitenelektrode mit veränderlicher Position verändert. Die zwischen der Vorderseitenelektrode und der Rückseitenelektrode abfallende Spannung verursacht ein lokal variierendes elektrisches Feld. Die Richtung des elektrischen Feldes wird durch die Polarität der an der Vorder- und Rückseitenelektrode angelegten Spannung bestimmt. Es lassen sich sehr schnell durch Wechseln der Schattenmaske unterschiedliche Positionen der Rückseitenelektrode auf der μm-Skale einstellen.

[0036] Eine molekulare Maschine ist aus einer diskreten Zahl von epAIMP konstruiert und erfüllt spezielle Funktionen auf der Nanometer- und/oder Mikrometer-Längenskale. Ihre Arbeitsweise ist in vielerlei Hinsicht ähnlich den von Menschen geschaffenen Maschinen. Es ist ein Mechanismus, bei dem Einzelteile ineinanderpassen, sich bewegen und zusammenspielen, um eine bestimmte Aufgabe zu erfüllen [Goodsell, David S : Wirtschaft und Produktion in der molekularen Welt, Übersetzt von

Hummel, Isolde, 2. Aufl., 2010. Spektrum Akademischer Verlag.]. [0037] Molekulare Maschinen produzieren eine mechanische Bewegung (Output) als

Antwort auf eine spezifische Anregung (Input). Es gibt künstliche und biologische molekulare Maschinen.

[0038] Im erweiterten Sinn werden alle Moleküle, welche Funktionen von der Meter- Längenskale auf die Nanometer- und/oder Mikrometer-Längenskale übertragen und dort ausführen, als molekulare Maschinen bezeichnet.

[0039] Die epAIMP zum Aufbau der molekularen Maschinen gibt es nur in wenigen Formen und Größen. Zum Beispiel können künstliche molekulare Maschinen aus

Rotaxanen und Catenanen aufgebaut sein. Biologische molekulare Maschinen sind weitgehend aus sechs Arten von Atomen, Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor und Wasserstoff, sowie weitgehend aus vier Arten von

Molekülen, Proteinen, Nucleinsäuren, Lipiden und Polysacchariden aufgebaut.

[0040] Wenn Atome, Ionen und/oder Moleküle aufeinandertreffen, treten sie miteinander in Wechselwirkung. Ist diese Wechselwirkung schwach, z.B. in langsamen

Neutralgasen, dann setzen die Atome und/oder Moleküle nach dem

Zusammenstoß ihren Weg unverändert fort. Ist die Wechselwirkung stark, z.B. in Gasen mit Ionen oder in schnellen Neutralgasen, dann setzen die Atome, Ionen und/oder Moleküle nach dem Stoß, bei dem Coulombkräfte zwischen Ionen und resonanter Ladungstransfer zwischen neutralen Atomen und Molekülen wirken können, ihren Weg verändert fort.

[0041 ] Die diskrete Zahl von atomaren, ionischen und/oder molekularen Komponenten wird nach einem Bauplan mittels der Grundkonzepte - chemische Komplementarität und Hydrophobizität - zu künstlichen und biologischen molekularen Maschinen zusammengesetzt, die jeweils optimal auf eine bestimmte Rolle zugeschnitten sind.

[0042] Ist die Wechselwirkung komplementär, z.B. wenn Atom - und Molekülbereiche

perfekt zu einem ähnlich geformten Atom - und Molekülbereich eines

Nachbarmoleküls passen, entsteht eine feste Verbindung.

[0043] Molekulare Maschinen nutzen zwei spezielle Bindungsarten: Wasserstoffbrücken zwischen einem Wasserstoffatom und einem Sauerstoff- oder Stickstoffatom sowie Salzbrücken zwischen Atomen, Ionen, und/oder Molekülen, die eine entgegengesetzte elektrische Ladung tragen. Diese speziellen Bindungen funktionieren wie kleine Klammern, die Atome, Ionen und Moleküle

aneinanderkoppeln. [0044] Die Ausbildung einer speziellen Bindungsart kann durch eine Modifikation der epAIMP katalysiert werden.

[0045] Eine großflächige Modifikation von wärmeempfindlichen epAIMP gelingt durch

Wärmezufuhr. Die Wärmeenergie kann z.B. durch Ummagnetisierung von magnetisierbaren Teilchen in einem von außen angelegten Magnetfeld [US

2008 0319247 A1 ], durch Absorption von elektromagnetischen Wellen und/oder durch Anregung von Gitterschwingungen durch 10 Nanosekunden lange Laserpulse mit einer Energiedichte von 20 W/mm ² erzeugt werden [M. E. Msall u.a.: Ballistic phonon production in photoexcited Ge, GaAs, and Si. PHYS. REV. B. 65 (2002) 195205-1 -7].

[0046] Zu den bereits synthetisierten einfachen künstlichen molekularen Maschinen zählen Motoren [Javier Vicario u.a.: Controlling the speed of rotation in molecular motors. Dramatic acceleration of the rotary motion by structural modification, CHEM.

COMMUN. (2005) 5910-5912], Propeller [B. Wang u. a.: Chemically Tunable Nanoscale Propellers of Liquids. PHYS. REV. LETT. 98 (2007) 266102-1 -4], Schalter [Jean-Pierre Desvergne u.a.: Cation complexing photochromic materials involving bisanthracenes linked by a polyether chain. Preparation of a crown-ether by photocycloisomerization; J. CHEM. SOG, CHEM. COMMUN. (1978) 403 - 404], Molekültransporter, Molekülzangen, Molekülsensoren und logische Elemente

[Jonathan E. Green u.a.: A 160-kilobit molecular electronic memory patterned at 101 1 bits per Square centimeter. NATURE 445 (2007) 414-417].

[0047] Die Herstellung molekularer Maschinen ist eine wesentliche Voraussetzung für

aktuelle Forschungen auf dem Gebiet des Molekülassemblings, der DNA-Maschinen, der nanoelektromechanischen Systeme, der Nanosensoren und der Protein- Dynamik.

[0048] Komplexe molekulare Maschinen wurden bereits theoretisch konzipiert, konnten jedoch bisher nicht getestet werden, da bisher keine Verfahren zur Fertigung dieser komplexen molekularen Maschinen existieren.

[0049] Molekulare Sensoren interagieren mit einem Analyt und zeigen eine messbare

Änderung an. Häufig werden Fluoreszenzen in Etherresten an den molekularen Sensoren zur Messung der Änderung nach Interaktion verwendet.

Zu lösende Nachteile

[0050] Die bisher entwickelten Trägermaterialien sind nicht geeignet, um einzelne epAIMP räumlich und zeitlich begrenzt aufzunehmen, zu modifizieren und zu bewegen. Mit den bisher bekannten Trägermaterialien lassen sich keine molekularen Maschinen aus den elektrisch polarisierbaren Atomen, Ionen, Molekülen, Biomaterialien oder Polyelektrolymaterialien herstellen.

[0051 ] Bei der Elektrophorese [Pei Yu Chiou u.a.: Massively parallel manipulation of Single cells and microparticles using optical images. NATURE. 436 (2005) 370-372.] ist die Richtung des elektrischen Feldes zu einem gegebenen Zeitpunkt überall gleich. Bei zu langer Beleuchtung der Rückseitenelektrode diffundieren die photogenerierten Ladungsträger auch in das undotierte a-Si:H hinein, erhöhen die Leitfähigkeit des undotierten a-Si:H überall und verschieben damit großflächig die Position der Rückseitenelektrode von der unteren ITO-Schicht in das undotierte a-Si:H.

Außerdem ist das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der

Vorderseitenelektrode, welche sich in einem Abstand von der Oberfläche des Trägermaterials (Nitridschicht) befindet, und der Rückseitenelektrode nachteilig, da der Abstand zwischen der Nitridschicht und der Vorderseitenelektrode größer sein muss als die Partikel oder Zellen, damit sich diese mechanisch frei auf der

Nitridschicht bewegen können.

[0052] Bei der Elektrophorese ist die Ausbreitung des elektrischen Feldes zwischen der Vorderseitenelektrode und der Rückseitenelektrode nicht homogen, da die Partikel und/oder Zellen aufgrund ihrer dielektrischen Eigenschaften die elektrischen Feldlinien anders weiterleiten als das umgebende Material. Damit beeinflussen die Partikel und/oder Zellen das elektrische Feld, welches eigentlich zum Beeinflussen der Partikel und/oder Zellen verwendet werden soll.

[0053] Bei der Elektrophorese können kleinere Partikel und/oder Zellen (<1 Mikrometer) nicht sortiert werden, da die Lokalisierung der Rückseitenelektrode durch die Diffusion der photogenerierten Ladungsträger limitiert ist und da das elektrische Feld zwischen der Vorderseitenelektrode und der Rückseitenelektrode nicht groß genug ist, um die Brownsche Bewegung der Partikel und/oder Zellen zu

überwinden.

[0054] Bei der Elektrophorese kann die Detektion der lokalisierten Partikel und/oder Zellen nur optisch durch die Vorderseitenelektrode hindurch erfolgen. Nimmt man die Vorderseitenelektrode weg, dann bildet sich kein elektrisches Feld aus und die Partikel und Zellen können nicht lokalisiert werden. Eine Detektion der lokalisierten Partikel mittels Atomarer Kraftmikroskop-Messungen oder mittels Raster- Elektronenmikroskopie-Messungen ist durch die Vorderseitenelektrode hindurch nicht möglich. Aufgabe der Erfindung

[0055] Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Trägermaterial für die Manipulation,

Modifikation und Bewegung von elektrisch polarisierbaren Biomaterialien, Atomen, Ionen, Molekülen oder Polyelektrolytmatenalien anzugeben. Das Trägermaterial soll eine lokal steuerbare Adsorption und Desorption der Materialien gewährleisten

[0056] Das Polyelektrolytmaterial kann aus einkomponentigen Polyelektrolytsystemen (PEE), aus mehrkomponentigen Polyelektrolytmultischichten (PEM) -oder aus vorgebildeten Polyelektrolytkomplexpartikeln (PEC) bestehen. Die Herstellung und die möglichen Ausführungsvarianten des Trägermaterials, z.B. zur lokalen

Manipulation und Modifikation und zum translatorischen und/oder rotatorischen Transport einzelner epAIMP sowie die Verwendung des Trägermaterials zur räumlich und zeitlich begrenzbaren Aufnahme der epAIMP zur Fertigung

molekularer Maschinen mM, sollen beschrieben werden. Dabei spielt die Adhäsion (Haftfähigkeit) von epAIMP an dem Trägermaterial sowie die Beweglichkeit der epAIMP eine wichtige Rolle. Die Adhäsion und der Beweglichkeit von epAIMP soll vom Trägermaterial kontrolliert werden.

Grundzüge des Lösungsweges

[0057] Ausgangspunkt für das Trägermaterial ist ein lokal dotiertes Halbleitermaterial oder ein piezo- oder ferroelektrisches Material. Auf Oberfläche kann optional eine isolierende Deckschicht aufgebracht sein. Das Trägermaterial stellt eine Quelle für lokal steuerbare, oberflächennahe elektrostatische Kräfte dar, die die epAIMPs manipulieren, modifizieren und/oder bewegen können. Im Gegensatz zum bisherigen Stand der Technik werden diese oberflächennahen elektrostatischen Kräfte nicht von der Umgebung beeinflusst, die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte sind chemisch von der Umgebung isoliert.

[0058] Die epAIMP können sich durch unterschiedlich starke oberflächennahe,

elektrostatische Kräfte an oder bis zu wenige Nanometern über der Oberfläche eines Trägermaterials oder an anderen epAIMP, die nahe oder an der Oberfläche des Trägermaterials angelagert sind, ausrichten.

[0059] Die hohe Oberflächenladungsdichte der Trägermaterialien führt generell zu einer höheren adsorbierten Menge der epAIMP, z. B. von einkomponentigen PEL- Materialien, von PEM- und PEC-Systemen im Vergleich zu sonstigen Substraten (z.B. Silizium-Wafer). Durch die Wahl der Spezies (Elektronen oder Löcher) und/oder der Konzentration der Majoritätsladungsträger im lokal dotierten Halbleiter oder durch die Bildung von Domänen im piezo- oder ferroelektrischen Material wird die Richtung und Stärke der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte an der Oberfläche des Trägermaterials variiert. Durch Dotierung werden

Volumenladungsdichten von 10 ¹⁵ bis 10 ²¹ e/cm ³ und Flächenladungsdichten von 10 ¹⁰ bis 10 ¹⁴ e/cm ² im Halbleiter erreicht. Die Flächenladungsdichte in piezo- und ferroelektrischen Materialien beträgt 10 ¹³ bis 10 ¹⁵ e/cm ² .

[0060] Die Dicke der isolierenden Deckschicht und/oder die lokalen Ladungen in der

isolierenden Deckschicht bestimmen die Stärke der oberflächennahen,

elektrostatischen Kräfte. Die Reichweite der elektrostatischen Kräfte beträgt bis zu 100 nm oberhalb der Oberfläche des Trägermaterials. Damit kann über die Dicke dieser Deckschicht die adsorbierte Menge der epAIMP kontrolliert eingestellt werden.

[0061 ] Die Strukturierung der isolierenden Deckschicht und/oder des darunterliegenden Halbleiters bzw. piezo- oder ferroelektrischen Materials bestimmt die Richtung und das Ausmaß der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte. Damit können epAIMP-Materialien strukturiert oder lokal kontrolliert abgeschieden werden

[0062] Strukturierte einkomponentige und PEL-, mehrkomponentige PEM- und PEC- Schichten, Biomaterialien Ionen, Atome und Moleküle (epAIMP) werden durch Änderung der Richtung und Stärke oberflächennaher, elektrostatischer Kräfte durch Anlegen einer Spannung an der Rückseitenelektrode des Trägermaterials manipuliert, das heißt adsorbiert oder desorbiert.

[0063] Übergangsbereiche mit jeweils umgekehrter Richtung der oberflächennahen,

elektrostatischen Kräfte können im Trägermaterial gezielt ausgebildet werden und durch Anlegen einer Spannung an eine oder mehrere Rückseitenelektroden des Trägermaterials zum unterschiedlichen Manipulieren der epAIMP verwendet werden.

[0064] Durch Nutzung der Ausbildung intrinsischer elektrischer Felder in den

Raumladungszonen (Übergangsbereiche im Halbleiter) von lokalen Dotierprofilen kann durch Anlegen einer Spannung an die Rückseitenelektrode ein noch stärkeres Manipulieren der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte erfolgen. Damit kann auch die Adsorption der epAIMP gesteuert werden.

[0065] Die Erzeugung von Domänen mit umgekehrter Richtung der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte im piezo- oder ferroelektrischen Material (Übergangsbereiche im piezo- oder ferroelektrischen Material) erfolgt durch lokale Strukturierung des piezo- oder ferroelektrischen Materials.

[0066] Als isolierende Schicht, als Halbleitermaterial oder als piezo- oder ferroelektrisches Material kann ein optisch aktives Material und/oder als geladene Störstelle im Trägermaterial kann ein magnetisierbares Material zur spezifischen lokalen

Anregung oder Adsorption von epAIMP verwendet werden.

[0067] Durch Strukturierung der Rückseitenelektrode sowie der implantierten Bereiche kann eine Crossbar-Struktur zum lokalen Sortieren und Manipulieren von epAIMP erreicht werden.

[0068] Das Trägermaterial kann aus einzelnen Trägermaterialzellen des Arrays lückenlos und überlappungsfrei durch verschiedene Polygone gebildet werden und jede oder einzelne Trägermaterialzellen sind mit einer eigenen metallisch leitenden

Rückseitenelektrode ausgestattet. Im Folgenden wird zur einfacheren Beschreibung und Verwendung der erfindungsgemäßen Arraystruktur eine viereckige

Polygonstruktur angenommen.

[0069] Durch Nutzung der Ausbildung von elektrischen Gradientenfeldern im

oberflächennahen Bereich des Trägermaterials können die epAIMP durch Anlegen einer Spannung an die Rückseitenelektrode noch stärker mittels oberflächennaher, elektrostatischer Kräfte manipuliert werden.

[0070] Die Ausbildung starker elektrischer Gradientenfelder kann an der Grenze zwischen p-type Halbleiter p und n-type Halbleiter n oder an der Grenze zwischen Domänen mit entgegengesetzt gerichtetem intrinsischen elektrischen Feld erfolgen.

[0071 ] Die Erzeugung von p-type Halbleiter p und n-type Halbleiter n kann mittels

Ionenimplantation und anschließender thermischer Ausheilung erfolgen.

[0072] Übergangsbereiche zwischen benachbarten Trägermaterialzellen mit jeweils

entgegengesetzter Richtung der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte können im Trägermaterial gezielt ausgebildet werden und durch Anlegen einer Spannung an eine oder mehrere Rückseitenelektroden des Trägermaterials zum Transport einzelner epAIMP innerhalb einzelner und zwischen benachbarten

Trägermaterialzellen verwendet werden.

[0073] Durch das Einbringen von magnetisierbaren Nano- oder Mikroteilchen in die

isolierende Schicht oder in den oberflächennahen Bereich einzelner

Trägermaterialzellen, können an diesen Trägermaterialzellen lokalisierte, temperaturempfindliche epAIMP durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes und der Wärmeentwicklung bei der Ummagnetisierung der magnetischen Teilchen modifiziert werden.

[0074] Zur lokalen Anregung von Gitterschwingungen kann das Trägermaterial mit

unterschiedlichen Elektron-Phonon-Wechselwirkungseigenschaften der einzelnen Trägermaterialzellen großflächig beleuchtet werden. Aufgrund der Elektronen- Phonon-Wechselwirkung ist die Umwandlung von Lichtenergie in

Gitterschwingungsenergie in den Trägermaterialzellen mit einer großen Elektron- Phonon-Wechselwirkung am größten.

[0075] Molekulare Maschinen können durch den sequentiellen Transport von epAIMP an die Trägermaterialzellen, an denen die molekularen Maschinen gebildet werden, hergestellt werden. Optional können einzelne epAIMP vor/nach/während des Transports modifiziert werden. Diese Modifikation kann zur Katalyse der Verbindung zwischen epAIM, aus denen die molekularen Maschinen gebildet werden, realisiert werden.

Erzeugte Vorteile oder Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik

[0076] Ein Hauptvorteil ist die Kompatibilität des Trägermaterials mit der Mikroelektronik und die Verwendung einer chemisch resistenten und biokompatiblen isolierenden Deckschicht sowie die Wiederverwendbarkeit des Trägermaterials. Ein weiterer Vorteil ist die zeitlich und/oder räumlich veränderliche Manipulation, Modifizierung und der Transport einzelner epAIM. Der Bereich des Trägermaterials, von dem die oberflächennahen elektrostatischen Kräfte aufgrund der Umverteilung von Ladungen im oberflächennahen Bereich des Trägermaterials ausgehen, ist räumlich und chemisch vollständig vom adsorbierten epAIMP getrennt. Das heißt, es wirken nur die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte, es findet aber kein direkter Kontakt zu den Ladungen im oberflächennahen Bereich des Trägermaterials statt. Die epAIM, aus denen molekulare Maschinen mM zusammengesetzt sind, können durch gezielte Anziehung an das Trägermaterial und spätere Abstoßung vom

Trägermaterial aus Gasen, Flüssigkeiten und Pulvern gefiltert werden. Zur Sortierung von epAIMP mit unterschiedlicher Masse und unterschiedlicher elektrischer

Polarisierbarkeit kann der Slip-Stick-Mechanismus unter Ausnutzung der Dynamik der Bewegung genutzt werden.

[0077] [0078] Ein weiterer Vorteil ist die Verfügbarkeit der epAIMP, speziell der PEL-Materialien, und die Anwendung einfacher nasschemischer Prozesse mit Wasser als

Lösungsmittel. Andere Lösungsmittel können auch verwendet werden.

[0079] Ein weiterer Vorteil ist die stufenlos regelbare Oberflächenladungsdichte, wenn das Trägermaterial ein Halbleiter ist, und die stufenweise regelbare

Oberflächenladungsdichte, wenn das Trägermaterial ein piezo- oder

ferroelektrisches Material ist. Da die Adsorption von epAIMP, zum Beispiel von PEL-Materialien, direkt von der Ladungsdichte abhängig ist, kann damit eine kontrollierte Abscheidung von epAIMP erzielt werden.

[0080] Ein weiterer Vorteil ist die zeitlich und/oder räumlich veränderliche Adsorption und Desorption, d. h. man kann mit dem durch die epAIMP modifizierten

Trägermaterialien Komponenten aus Flüssigkeiten oder Gemischen filtern durch gezielte Anziehung (Adsorption) an das Trägermaterial und spätere Abstoßung (Desorption) vom Trägermaterial.

[0081 ] Ein weiterer Vorteil ist die ausschließliche Strukturierbarkeit der oberflächennahen Bereiche des Trägermaterials durch elektrostatischen Kräfte und Oberflächenladung hinsichtlich deren Vorzeichen und Amplitude, ohne dass andere

Oberflächeneigenschaften wie Rauhigkeit, Morphologie, Benetzung, Konzentration und Zusammensetzung funktioneller Gruppen geändert werden. Auf das epAIMP wirken immer nur die kurzreichweitigen van der Waals-Kräfte der isolierenden Deckschicht und die langreichweitigen, oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte der Oberflächenladung. Das hat Vorteile, da bei der mengenmäßig und lokal kontrollierten Abscheidung von epAIMP nur ein Parameter, die Oberflächenladung, berücksichtigt werden muss.

[0082] Im Besonderen können über die Trägermaterialien unidirektional orientierte

Ladungsmuster erzeugt werden und diese als Templat für die selektive Adsorption und Ausrichtung von epAIMP, zum Beispiel von PEL-Materialien aus kettensteifen PEL, verwendet werden. Vorteile gegenüber mechanischen oder auf mechanischer Streckung beruhender Texturierungsverfahren werden erwartet.

[0083] Solche nach Absatz [0081] gezielt unidirektional und nach Absatz [0082] gezielt und musterkontrolliert mit epAIMP modifizierte und strukturierte Oberflächen der Trägermaterialien können zu einer unidirektional gerichteten oder selektiven Wechselwirkung oder einem ebensolchen Wachstum von Zellen führen. [0084] Auf Grund der chemischen Isolierung der Ursache der elektrostatischen Kräfte von der Umgebung werden eventuelle chemische Reaktionen und damit die

Beeinflussung der elektrostatischen Kräfte vermieden.

Bildbeschreibung

[0085] Die Ausführungsbeispiele werden mit Abbildungen beschrieben.

[0086]

[0087] Fig. 2 zeigt ein Trägermaterial TM aus halbleitenden (a) und aus piezo- oder

ferroelektrischem (b) Material mit oberflächennaher elektrostatischer Kraft (4) (a) mit unterschiedliche Stärke und (b) mit gleicher Stärke.

[0088] Fig. 3 zeigt ein Trägermaterial TM aus halbleitendem (a) und aus piezo- oder

ferroelektrischem (b) Material mit strukturierter isolierender Deckschicht (1 ) mit oberflächennaher elektrostatischer Kraft (4) mit unterschiedlicher Stärke.

[0089] Fig. 4 zeigt ein Trägermaterial TM aus halbleitenden (a) und aus piezo- oder

ferroelektrischen (b) Material mit isolierender Deckschicht (1 ) mit geladenen

Störstellen in der isolierenden Deckschicht (1 ).

[0090] Fig. 5 zeigt ein Trägermaterial TM aus strukturiertem, halbleitenden (a) und

strukturiertem, piezo- oder ferroelektrischen (b) Material mit isolierender

Deckschicht (1 ) mit oberflächennaher elektrostatischer Kraft (4) mit verschiedener Richtung und gleicher Stärke.

[0091 ] Fig. 6 zeigt ein Trägermaterial TM aus halbleitendem Material mit isolierender

Deckschicht (1 ) mit metallisch leitender Rückseitenelektrode (5) und minimierter oberflächennaher elektrostatischer Kraft (4) durch Anlegen einer Gleichspannung (Kelvin-Spannung).

[0092] Fig. 7 zeigt ein Trägermaterial TM mit großflächiger, metallisch leitender

Rückseitenelektrode (5) aus halbleitendem Material (a) mit Löchern (p ⁺ ) und mit Elektronen (n ⁺ ) und mit der Grenze (7) zwischen n-Halbleiter und p-Halbleiter und aus piezo- oder ferroelektrischem Material (b) mit Domänen mit entgegengesetzt gerichteten intrinsischen elektrischen Feldern und mit der Grenze zwischen

Domänen mit entgegengesetzt gerichteten intrinsischen elektrischen Feldern (8b).

[0093] Fig. 8 zeigt ein Trägermaterial TM aus halbleitendem Material (a) mit Löchern (p) und mit Elektronen (n) und mit der Grenze (7) zwischen n-Halbleiter und p-Halbleiter und aus piezo- oder ferroelektrischem Material (b) mit Domänen mit

entgegengesetzt gerichteten intrinsischen elektrischen Feldern und mit der Grenze zwischen Domänen mit entgegengesetzt gerichteten intrinsischen elektrischen Feldern (8b) mit strukturierter metallisch leitender Rückseitenelektrode (5).

[0094] Fig. 9 zeigt die lückenlose und überlappungsfreie Einteilung des Trägermaterials in gleichförmige Trägermaterialzellen TMZ(ij).

[0095] Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden, zeigt den Schnitt XY durch vier Trägermaterialzellen eines halbleitenden Trägermaterials mit strukturierter Bottom-Elektrode für Translationsbewegungen von epAIMP.

[0096] Fig. 1 1 zeigt schematisch die Translation eines epAIMP aufgrund der

oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte.

[0097] Fig. 12 zeigt den Schnitt ΧΎ' durch vier Trägermaterialzellen eines halbleitenden Trägermaterials mit strukturierter Rückseiten-Elektrode für Rotationsbewegungen.

[0098] Fig. 13 zeigt schematisch die Rotation eines epAIMP aufgrund der

oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte.

[0099] Fig. 14 zeigt die sukzessive Zusammensetzung einer molekularen Maschine aus den Komponenten epAIMP _A , epAIMP _B und epAIMP _c .

[00100] Fig. 15 zeigt die durch elektromagnetische Wellen 22 modifizierten, elektrisch polarisierbaren Biomaterialien, Polyelektrolytmaterialien, Atomen, Ionen und/oder Moleküle (epAIMP/) in der TMZ(1 ,1 ) und in der TMZ(2,4).

[00101 ] Fig. 16 zeigt die durch ein zeitlich veränderliches Magnetfeld H modifizierten, elektrisch polarisierbaren Biomaterialien, Polyelektrolytmaterialien, Atomen, Ionen und/oder Moleküle (βρΑΙΜΡ _Α ·) in der TMZ(2,2) und (βρΑΙΜΡ _Α ·) in der TMZ(3,2). Das epAIMP _A wird translatorisch (a) oder rotatorisch (b) bewegt.

[00102] Fig. 17 zeigt die markerfreie, elektrische Detektion von elektrisch polarisierbaren Biomaterialien, Polyelektrolytmaterialien, Atomen, Ionen und/oder Molekülen (epAIMP) über dem Trägermaterial TM mittels Elektronenstrahlen (23,24).

Beste Ausführungsformen

[00103] Trägermaterial umfassend ein Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium, mit isolierender Deckschicht 1 , wobei die oberflächennahen elektrostatischen Kräfte durch die lokale Dotierung des Halbleiters mit Donatoren oder Akzeptoren und durch die Dicke der isolierenden Deckschicht bestimmt wird. Es ist in der Regel ausreichend, wenn das das Halbleitermaterial mindestens 1 μηι dick und die isolierende Deckschicht ca. 2 bis 3 nm dick ist. Dieses Trägermaterial kann als Biochip verwendet werden.

[00104] Durch Anbringen mindestens einer Rückseitenelektrode an dem Halbleitermaterial, kann der Biochip als wiederverwendbarer Filter eingesetzt werden. Dabei ist es durch Änderung der an der Rückseitenelektrode angelegten Spannung möglich, sukzessive verschiedene, am Trägermaterial angelagerte epAIMP abzustoßen bzw. abzulösen und nach jedem Ablöseschritt die abgelösten epAIMPs zu quantifizieren. Die Quantifizierung kann markerfrei und elektrisch mittels mittels Elektronenstrahlen (23,24) aus einer Elektronenquelle 25 durch einem Elektronendetektor 26 erfolgen.

[00105] Eine flächendeckende Unterteilung des Trägermaterials mit isolierender

Deckschicht in überlappende Bereiche mit unterschiedlichen oberflächennahen elektrostatischen Kräfte, ermöglicht eine spezifische Manipulation, Modifikation und Bewegung verschiedener epAIMP auf der Oberfläche des Trägermaterials.

Idealerweise ist an jeder Trägermaterialzelle TMZ(ij) ein eigener Rückseitenkontakt angebracht.

Weitere Ausführungsbeispiele

[00106] Fig. 2 a) zeigt die Verwendung des erfindungsgemäßen Trägermaterials als

halbleitenden, lokal dotierten p-type Halbleiters p, p ⁺ und/oder n-type Halbleiters n, n ⁺ mit vorzugsweise lokal unterschiedlicher Akzeptorkonzentration N _A im p- Halbleiter und mit vorzugsweise lokal unterschiedlicher Donatorkonzentration N _D im n-type Halbleiter, wobei der Halbleiter auch undotiert sein kann. Auf der

Halbleiteroberfläche befindet sich vorzugsweise eine isolierende Deckschicht 1. Es bilden sich besetzte Grenzflächenzustände der Zahl G zwischen der isolierenden Deckschicht 1 und dem n-type Halbleiter bzw. dem p-type Halbleiter aus. Des Weiteren sind im oberflächennahen Bereich des p-type Halbleiters G Akzeptoren unabgeschirmt 10 und ionisiert (-) bzw. im n-type Halbleiter G Donatoren

unabgeschirmt 10 und ionisiert (+). Die besetzten Grenzflächenzustände und die unabgeschirmten Akzeptoren bzw. Donatoren bilden einen asymmetrischen elektrostatischen Dipol 3. Der Richtungssinn der oberflächennahen,

elektrostatischen Kräfte 4 vom asymmetrischen elektrostatischen Dipol 3 über einem p-type Halbleiter p und über einem n-type Halbleiter n ist entgegengesetzt. Die Stärke der oberflächennahen, elektrostatischen Kraft 4 über dem p-type

Halbleiter steigt mit abnehmender Akzeptorkonzentration N _A und über dem n- Halbleiter steigt mit abnehmender Donatorkonzentration N _D . Die Eigenschaften der Grenzfläche zwischen dem Halbleitermaterial und der isolierenden Deckschicht bezüglich der Zustandsdichte und Zeitkonstante der Grenzflächenzustände können durch physikalische, chemische oder thermische Vorbehandlung der

Halbleiteroberfläche vor dem Aufbringen der isolierenden Deckschicht 1 gezielt eingestellt werden.

[00107] Fig. 2b) zeigt die Verwendung des erfindungsgemäßen Trägermaterials als piezo- oder ferroelektrisches Material mit der Polarisationsladung 9 an der Ober- und Unterseite des piezo- oder ferroelektrischen Materials. Auf der Oberfläche des piezo- oder ferroelektrischen Materials befindet sich vorzugsweise eine isolierende Deckschicht 1. Der Richtungssinn der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 ist durch das Vorzeichen der Polarisationsladung 9 an der Ober- und Unterseite des piezo- oder ferroelektrischen Materials bestimmt. Die Stärke der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 steigt mit der Zahl Polarisationsladungen 9 pro

Flächeneinheit bis zu einem materialabhängigen Sättigungswert an. Die Stärke der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 steigt mit zunehmendem Abstand der Polarisationsladungen 9 zwischen der Ober- und Unterseite des piezo- und ferroelektrischen Materials bis zu einem materialabhängigen Sättigungswert an.

[00108] Fig. 3 zeigt ein Trägermaterial TM aus halbleitendem (a) und aus piezo- oder

ferroelektrischem (b) Material mit strukturierter, isolierender Deckschicht (1 ) mit oberflächennaher elektrostatischer Kraft (4) mit gleichem Richtungssinn und unterschiedlicher Stärke.

[00109] Neben der Wahl der Spezies (p oder n) und der Konzentration der

Majoritätsladungsträger (N _A oder N _D ) können die oberflächennahen,

elektrostatischen Kräfte (4) durch lokale Variation der Dicke d, der isolierenden Deckschicht 1 lokal variiert werden (Fig. 3a). Die elektrostatischen Kräfte 4 nehmen mit abnehmender Dicke d, der isolierenden Deckschicht 1 zu. Die lokale

Modifizierung der Dicke d der isolierenden Deckschicht 1 kann mittels

Photolithographie erfolgen.

[001 10] Die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte (4) oberhalb eines Trägermaterials mit piezo- oder ferroelektrischem Material können durch lokale Variation der Dicke d, der isolierenden Deckschicht 1 lokal variiert werden (Fig. 3b). Die

elektrostatischen Kräfte 4 nehmen mit abnehmender Dicke d, der isolierenden Deckschicht 1 zu. Die lokale Modifizierung der Dicke d der isolierenden Deckschicht 1 kann mittels Photolithographie erfolgen. [001 1 1 ] Die isolierende Deckschicht 1 kann ein high-k oder low-k Oxid sein. Beispielsweise bei einem Trägermaterial TM aus halbleitendem Material kann das entsprechende Oxid des Halbleitermaterials verwendet werden. Bei einem Trägermaterial aus piezo- oder ferroelektrischem Material kann beispielsweise Silizium- oder

Aluminiumoxid verwendet werden. Darüber hinaus sind biokompatible Materialien mit einer großen Bandlücke E _g , wie Zinkoxid oder Titandioxid, als isolierende Deckschicht 1 möglich.

[001 12] Fig. 4 zeigt die Verwendung von geladenen Störstellen Q ⁺ oder Q ^" in der

isolierenden Deckschicht (1 ) zur Abschwächung oder Verstärkung der

oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte und damit zur gezielten Veränderung der auf die epAIMP wirkenden Anziehungs- und Abstoßungskräfte.

[001 13] Die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 von dem asymmetrischen

elektrostatischen Oberflächendipol 3 können durch positive (+) Ladungen Q ⁺ und/oder negative (-) Ladungen Q ^" , durch sogenannte Oxidladungen in der isolierenden Deckschicht 1 abgeschwächt oder verstärkt werden (Fig. 4 a). So werden z.B. beim Einbringen von negativen Ladungen Q ^" in der isolierenden Deckschicht 1 über einen p-type Halbleiter p die oberflächennahen,

elektrostatischen Kräfte 4 abgeschwächt, wohingegen positive Ladungen Q ⁺ in der isolierenden Deckschicht 1 über einen p-type Halbleiter p die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 verstärken. Andererseits werden beim Einbringen von negativen Ladungen Q ^" in der isolierenden Deckschicht 1 über einen n-type

Halbleiter n die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 verstärkt, wohingegen positive Ladungen Q ⁺ in der isolierenden Deckschicht 1 über einen n-type Halbleiter n die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 abschwächen.

[001 14] Die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 der Polarisationsladung 9 an der Ober- und Unterseite des piezo- oder ferroelektrischen Materials können durch positive (+) Ladungen Q ⁺ und/oder negative (-) Ladungen Q ^" , durch sogenannte geladene Störstellen im Trägermaterial, vorzugsweise in der isolierenden

Deckschicht abgeschwächt oder verstärkt werden (Fig. 4 b). So werden z. B. beim Einbringen von negativen Ladungen Q ^" in der isolierenden Deckschicht 1 über einem piezo- oder ferroelektrischen Material mit positiver Polarisationsladung 9 an der Oberseite des piezo- oder ferroelektrischen Materials die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 abgeschwächt, wohingegen positive Ladungen Q ⁺ in der isolierenden Deckschicht 1 über einem piezo- oder ferroelektrischen Material mit positiver Polarisationsladung 9 an der Oberseite des piezo- oder ferroelektrischen Materials die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 verstärken. Die verwendeten geladenen Störstellen Q ⁺ und Q ^" können optional zusätzlich oder nur im Halbleitermaterial oder im piezo- oder ferroelektrischen Material eingebracht werden.

[001 15] Die verwendeten geladenen Störstellen Q ⁺ und Q ^" können zusätzlich magnetisierbar sein und damit durch ein von außen angelegtes Magnetfeld 14 aktiviert werden.

[001 16] Die Richtung der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 kann durch

Strukturierung der Oberfläche des n-type Halbleiters n und/oder des p-type

Halbleiters p, z.B. mittels Photo-, Elektronenstrahl- und/oder lonenstrahllithographie, vorzugweise vor dem Aufbringen der isolierenden Deckschicht 1 modifiziert werden (Fig. 5a) . Bei einer unstrukturierten Halbleiteroberfläche ist die oberflächennahe, elektrostatische Kraft 4 vorzugsweise normal zur Oberfläche ausgerichtet. Die Richtung der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 bestimmt die Ausrichtung der epAIMP an der Oberfläche des Trägermaterials TM.

[001 17] Die Richtung der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 kann durch

Strukturierung der Oberfläche des piezo- oder ferroelektrischen Materials, z.B.

mittels Photo-, Elektronenstrahl- und/oder lonenstrahllithographie, vorzugweise vor dem Aufbringen der isolierenden Deckschicht 1 modifiziert werden (Fig. 5b) . Bei einer unstrukturierten Oberfläche des piezo- oder ferroelektrischen Materials ist die oberflächennahe, elektrostatische Kraft 4 vorzugsweise normal zur Oberfläche ausgerichtet. Die Richtung der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4

bestimmt die Ausrichtung der epAIMP an der Oberfläche des Trägermaterials TM.

[001 18] Für die Manipulation der epAIMP an der Oberfläche wird an der Rückseite des

dotierten Halbleiters eine metallisch leitende Rückseitenelektrode 5 aufgebracht (Fig. 6). An die Rückseitenelektrode 5 wird eine Gleichspannung U _K angelegt.

Wichtig ist, dass die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 durch das

Anlegen einer geeigneten Gleichspannung U _K minimiert bzw. nullifiziert werden. In Fig. 6 sind die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 nullifiziert.

Beispielsweise im Halbleitermaterial Silizium entspricht die geeignete

Gleichspannung U _K dem Energieabstand zwischen der von der

Donatorkonzentration N _D abhängigen Lage des Ferminiveaus und der

Leitungsbandkante E _c im n-type Halbleiter n und/oder dem Energieabstand zwischen der von der Akzeptorkonzentration N _A abhängigen Lage des Ferminiveaus und der Valenzbandkante E _v im p-type Halbleiter p. Vorzugsweise ist die Rückseitenelektrode 5 großflächig aufgebracht. Mit dieser Anordnung können die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 ausgelöscht werden.

[001 19] Der Halbleiter wird derart dotiert (Fig. 7a), dass unterschiedlich dotierte Bereiche des Halbleiters an Grenzflächen 7 zusammentreffen. An solchen Grenzflächen 7 bildet sich ein Bereich (Raumladungszone) aus, welcher keine freien Ladungsträger (nur unabgeschirmte Dotieratome 10) enthält. Senkrecht zur Grenzfläche 7 bildet sich ein elektrisches Feld aus, dessen Maximum in der Grenzfläche 7 liegt und welches am Rand der Raumladungszone Null ist. Für eine zeitabhängige

Manipulation (Fig. 7a) der epAIMP an der Oberfläche wird an der Rückseite des dotierten Halbleiters eine metallisch leitende Rückseitenelektrode 5 aufgebracht. An die Rückseitenelektrode 5 wird eine Spannung U angelegt. Die Spannung U kann eine Überlagerung aus einer Wechselspannung und einer Gleichspannung sein. Die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 werden durch das Anlegen der Spannung U zeitlich abhängig minimiert und maximiert. Vorzugsweise ist die Rückseitenelektrode 5 großflächig aufgebracht. Die elektrischen Felder senkrecht zur Grenzfläche 7 verlaufen nicht zwingend parallel/antiparallel zum elektrischen Feld, welches durch das Anlegen der Spannung U an der Rückseitenelektrode 5 zwischen der Rückseitenelektrode 5 und der Oberfläche des Halbleiters ausgebildet wird. Wichtig ist, dass eine gesonderte zeitabhängige Manipulation der epAIMP nahe von Grenzflächen 7 aufgrund der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte im Übergangsbereich 6 möglich ist, da beim Anlegen der Spannung U die

Verschiebung von freien Ladungsträgern in der Raumladungszone des Halbleiters durch intrinsische elektrische Felder beeinflusst wird.

[00120] Das piezo- oder ferroelektrische Material wird derart strukturiert (Fig. 7 b), dass unterschiedliche Bereiche des piezo- oder ferroelektrischen Materials mit unterschiedlicher Polarisationsladung 9 (Domäne) an der Ober- und Unterseite des piezo- oder ferroelektrischen Materials an Grenzfläche 8 zusammentreffen. Die Richtung der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte oberhalb-links und oberhalb-rechts der solcher Grenzflächen 8 ist entgegengesetzt. Die

oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte oberhalb solcher Grenzflächen 8 verlaufen nicht zwingend normal zur Oberfläche des Trägermaterials, vielmehr gehen sie kontinuierlich ineinander über.

[00121 ] Für eine stark zeitabhängige Manipulation (Fig. 8a) der epAIMP an der Oberfläche wird an der Rückseite des dotierten Halbleiters eine strukturierte metallisch leitende Rückseitenelektrode 5 aufgebracht. An die strukturierte Rückseitenelektrode 5 wird eine Spannung U, mit i = 1 , m, wobei m die Anzahl der Rückseitenelektroden 5 angibt, angelegt. Die Spannung U, ist eine Überlagerung aus einer

Wechselspannung und einer Gleichspannung. Die oberflächennahen,

elektrostatischen Kräfte 4 werden durch das Anlegen der Spannungen U, in den verschiedenen Bereichen unabhängig voneinander kontrolliert. Die Ausbildung von strukturierten, oberflächennahen, elektrostatischen Kräften 4 kann auch durch strukturierte Implantation des Halbleiters, z.B. durch eine um 90° gegeneinander gedrehte Ausrichtung (Crossbar-Array) von streifenförmig implantierten

Halbleiterbereichen und von streifenförmig strukturierten

Rückseitenelektrodenbereichen 5 eingestellt werden.

[00122] Für eine stark zeitabhängige Manipulation (Fig. 8b) der epAIMP an der Oberfläche wird an der Rückseite des piezo- oder ferroelektrischen Materials eine strukturierte metallisch leitende Rückseitenelektrode 5 aufgebracht. An die strukturierte

Rückseitenelektrode 5 wird eine Spannung U, angelegt. Die Spannung U, ist eine Überlagerung aus einer Wechselspannung und einer Gleichspannung. Die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 4 werden durch das Anlegen der Spannungen U, in den verschiedenen Bereichen unabhängig voneinander kontrolliert.

[00123] Die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte 6 oberhalb der Grenzfläche 8 sind im Übergangsbereich besonders stark und dort können epAIMP besonders stark beeinflusst werden. Das Trägermaterial, bevorzugt die isolierende Deckschicht 1 , kann lokal oder ganzflächig derart gestaltet sein, dass es lokal oder ganzflächig optisch aktiv ist, z.B. durch Verwendung von ZnO und Ti0 ₂ als Material für die isolierende Deckschicht 1. Bei sehr starker optischer Aktivierung des

Trägermaterials und die dadurch erzeugte Wärmeenergie kann das Biomaterial oder das Biomolekül (z. B. Viren oder Bakterien) auch zerstört werden. Wichtig für die optische Aktivierung ist, dass die Photonen- oder Lichtenergie größer als die Bandlücke des Halbleitermaterials, des ferro- oder piezoelektrischen Materials oder des Materials der isolierenden Deckschicht des Trägermaterials ist.

[00124] Analog kann die Aktivierung der magnetisierbaren geladenen Störstellen im

Trägermaterial durch ein äußeres statisches oder zeitlich veränderliches Magnetfeld erfolgen und die damit erzeugte Wärmeenergie an das Biomaterial bzw. die

Biomoleküle weitergegeben werden.

[00125] Auf die isolierende Deckschicht 1 auf einem Halbleitermaterial kann bei

Verwendung der optischen Aktivierung des Trägermaterials oder die Aktivierung der magnetisierbaren geladenen Störstellen im Trägermaterial oder bei Verwendung unter vakuumähnlichen Bedingungen verzichtet werden. In allen anderen Fällen wird empfohlen, auf dem Halbleitermaterial eine isolierende Deckschicht 1

aufzubringen.

[00126] Bei ferro- oder piezoelektrischen Material empfiehlt es sich, eine isolierende

Deckschicht 1 aufzubringen, um störende Einflüsse aus der Umgebung zu minimieren.

[00127] Fig. 9 zeigt das erfindungsgemäße Trägermaterial 1 1 in Arraystruktur mit i Zeilen und j Spalten in Draufsicht. Das Trägermaterial 11 wird lückenlos und

überlappungsfrei aus einzelnen Trägermaterialzellen TMZ(ij), z.B. quadratische Trägermateriazellen, gebildet. Jede Trägermaterialzelle umfasst ein

Halbleitermaterial oder ein piezo- oder ferroelektrisches Material jeweils optional mit isolierender Deckschicht 1 und einer metallisch leitenden Rückseitenelektrode. Die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte Fy sind durch Ausbildung eines asymmetrischen elektrostatischen Dipols 3 im Halbleitermaterial oder durch

Polarisationsladungen im piezo- oder ferroelektrischen Material, durch die Dicke der isolierenden Deckschicht 1 und durch die an die metallisch leitende

Rückseitenelektrode 5 angelegte Spannung Uij bestimmt. Da elektrostatische Kräfte langreichweitig sind, ist der Wirkungsbereich 13 der elektrostatischen Kräfte Fy größer als die Ausdehnung der einzelnen Trägermaterialzellen TMZ(ij). Der Überlappungsbereich 12 der oberflächennahen elektrostatischen Kräfte zwischen benachbarten Trägermaterialzellen TMZ(ij) des Arrays bei gleicher Richtung der elektrostatischen Kräfte (Fig. 9) bestimmt die translatorische Bewegung der epAIM.

[00128] Die Schnittebene XY in Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.

kennzeichnet aneinandergrenzende Trägermaterialzellen TMZ(2,1 ), TM (2,2), TM (2,3) und TM (2,4) mit gleicher Richtung der oberflächennahen, elektrostatischen Kräften F ₂ i , F ₂ 2, F ₂ 3, F ₂₄ . Die oberflächennahen, elektrostatischen Kräften F ₂ 2, F ₂ 3 und F ₂₄ sind in der Abbildung durch Anlegen der entsprechenden Kelvin-Spannung UK22, U _K2 3 und U _K24 nullifiziert. Entlang der Schnittebene XY können die

überlagerten oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte F ₂ , F ₂₂ , F ₂₃ , F ₂₄ durch Anlegen äußerer, überlagerter Gleich- und Wechselspannungen U ₂ i , U ₂₂ , U ₂₃ und/oder U ₂₄ an die einzelnen Trägermaterialzellen TMZ(2,1 ), TMZ(2,2), TMZ(2,3) und TMZ(2,4) in den einzelnen Überlappungsbereichen 12 zwischen den einzelnen Trägermaterialzellen einen besonders großen Gradienten aufweisen. Das ist darauf zurückzuführen, dass der Gradient der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte F21 , F22, F23, F ₂ 4 mit gleichen Richtungen außerhalb der Überlappungsbereiche 12 homogen ist und in den Überlappungsbereichen kontinuierlich seinen Wert ändern kann, falls an einer oder mehreren angrenzenden Trägermaterialzellen TMZ(ij) die entsprechende Kelvin-Spannung U _K ij zur Minimierung/Nullifizierung der

oberflächennahen, elektrostatischen Kraft F _Vl angelegt wird.

[00129] Damit bestimmen hauptsächlich die Überlappungsbereiche 12 die Dynamik der translatorischen Bewegung entlang der Schnittebene XY.

[00130] Fig. 1 1 zeigt die translatorische Bewegung eines epAIMP M oberhalb der

isolierenden Schicht 1 der Trägermaterialzelle entlang der Schnittebene XY, deren Kräfte beim Anlegen einer äußeren Spannung gleich gerichtet sind. Im oberen Bildteil wirkt die Kraft F21 auf das epAIMP M über der Trägermaterialzelle TMZ(2,1 ). Durch Ändern der an die Trägermaterialzelle TMZ(2,2) angelegten Spannung U22 wird die Gradient der elektrostatischen Kraft F21 +F22 im Überlappungsbereich 12 zwischen TMZ(2,1 ) und TMZ(2,2) im Vergleich zur Kraft F21 der TMZ(2,1 ) verstärkt, so dass sich das epAIMP translatorisch zum Überlappungsbereich 12 bewegt (mittlerer Bildteil). Zum Abschluß der gezeigten translatorischen Bewegung von der TMZ(2,1 ) zur TMZ(2,2), wird an die TMZ(2,1 ) die Kelvin-Spannung U _K 12 angelegt, so dass nur noch über der TMZ(2,2) eine elektrostatische Kraft F22 wirkt.

[00131 ] Der Überlappungsbereich 12' der oberflächennahen elektrostatischen Kräfte

zwischen benachbarten Trägermaterialzellen TMZ(ij) des Arrays bei

unterschiedlicher Richtung der elektrostatischen Kräfte in Fig. 9 bestimmt die rotatorische Bewegung der epAIMP.

[00132] Die Schnittebene X'Y' in Fig. 12 kennzeichnet aneinandergrenzende

Trägermaterialzellen TMZ(3,1 ), TM (3,2), TM (3,3) und TM (3,4) mit verschiedener Richtung der oberflächennahen, elektrostatischen Kräften F ₃ , F ₃₂ , F ₃₃ , F ₃₄ . Die oberflächennahen, elektrostatischen Kräften F ₃₂ , F ₃₃ und F ₃₄ sind in der Abbildung durch Anlegen der entsprechenden Kelvin-Spannung U _K3 2, U _K33 und U _K34 minimiert. Diese Trägermaterialzellen sind in Fig. 12 in der Seitenansicht gezeigt. Entlang der Schnittebene X'Y' kann durch Anlegen einer äußeren Spannung U ₃ i , U _K3 2, U _K33 und U _K34 an die einzelnen Trägermaterialzellen TMZ(3,1 ), TM (3,2), TM (3,3) und

TM(3,4) der Gradient der überlagerten oberflächennahen elektrostatischen Kräfte F ₃ i , F ₃₂ , F ₃₃ , F ₃₄ in den Überlappungsbereichen 12' der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte benachbarter Trägermaterialzellen besonders groß sein. Damit bestimmen hauptsächlich die Überlappungsbereiche 12' die Dynamik der rotatorischen Bewegung entlang der Schnittebene X'Y'. [00133] Fig. 13 zeigt schematisch die Rotation eines epAIMP aufgrund der

oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte.

[00134] Fig. 14 zeigt das erfindungsgemäße Trägermaterial 11 in Arraystruktur mit i Zeilen und j Spalten in Draufsicht. In Fig. 14a) sind an den Trägermaterialzellen TMZ(3,1 ), TMZ(1 ,1 ) und TMZ(1 ,4) die epAIMP M _A , M _B und M _c lokalisiert. Das epAIMP M _A wird von der TMZ(3,1 ) nach TMZ(3,4) rotatorisch und das epAIMP M _B wird von TMZ(1 ,1 ) nach TMZ(2,3) rotatorisch, von TMZ(2,3) nach TMZ(3,3) translatorisch und von TMZ(3,3) nach TMZ(3,4) rotatorisch bewegt. Die beiden epAIMP M _A und M _B bilden eine Verbindung 15 (Fig. 14b)). Danach wird das epAIMP M _c von TMZ(1 ,4) nach TMZ(3,4) rotatorisch bewegt. Die verbundenen epAIMP M _A , M _B und M _c können eine molekulare Maschine mM bilden.

[00135] Fig. 15 zeigt das an der TMZ(1 ,1 ) lokalisierte, temperaturempfindliche epAIMP _A nach der Modifikation zu epAIMP/ und das an der TMZ(2,4) lokalisierte

temperaturempfindliche epAIMP _A nach der Modifikation zu epAIMP _A '. Die

Trägermaterialzellen TMZ(ij) des Trägermaterials 11 umfassen halbleitende und/oder piezo- oder ferroelektrische Materialien mit unterschiedlichen Bandlücken E _g (ij). Dadurch kann bei großflächiger Beleuchtung des Trägermaterials 11 mit elektromagnetischen Wellen 22, vorzugsweise mit Licht, von der Rückseite und/oder von der Vorderseite des Trägermaterials 11 mit einer Energie kleiner als die

Bandlücke der Trägermaterialzellen TMZ(3,2) und TMZ(3,3) und mit einer Energie größer als die Bandlücke der Trägermaterialzellen TMZ(1 ,1 ) und TMZ(2,4) Licht in der TMZ(1 ,1 ) und TMZ(2,4) lokal absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt werden.

[00136] Fig. 16a) zeigt die Modifikation der an der TMZ(2,1 ) lokalisierten epAIMP _A nach einer translatorischer Bewegung von der TMZ(2,1 ) zur TMZ(2,2) entlang dem Schnitt XY aus Fig. 1 1 .

[00137] Fig. 16b) zeigt die Modifikation der an der TMZ(3,1 ) lokalisierten epAIMP _A nach einer rotatorischer Bewegung von TMZ(3,1 ) zur TMZ(3,2) entlang dem Schnitt X'Y' aus Fig. 13. Die in die isolierende Deckschicht 1 der TMZ(2,2) und der TMZ(3,2) eingebrachten geladenen Störstellen Q ⁺ beeinflussen in dieser Anordnung vorzugsweise die oberflächennahen elektrostatischen Kräfte F ₂₂ (Fig. 16a)) und F ₃₂ (Fig. 16b)) nicht und sind durch ein von außen angelegtes Magnetfeld H

magnetisierbar. Wird von außen ein zeitlich veränderliches Magnetfeld H angelegt, dann ändert sich zeitlich veränderlich die Magnetisierungsrichtung der Störstellen Q ⁺ und es wird lokal Wärmeenergie beim Ummagnetisieren entwickelt, die zur Modifikation von temperaturempfindlichen epAIMP _A an den TMZ(2,2) und TMZ(3,2) genutzt wird.

[00138] Falls die elektrisch polarisierbaren Biomaterialien, Polyelektrolytmaterialien, Atome, Ionen oder Moleküle zusätzlich auch magnetisierbar sind, dann kann die

Manipulation, Modifikation und Bewegung zusätzlich durch oberflächennahe magnetostatische Kräfte erfolgen, so wie sie beispielsweise in der Nähe von magnetisierbaren Störstellen Q _M auftreten.

[00139] Fig. 17 zeigt die markerfreie, elektrische Detektion von elektrisch polarisierbaren Biomaterialien, Polyelektrolytmaterialien, Atomen, Ionen und/oder Molekülen (epAIMP) in Pulvern, Flüssigkeiten, Gasen mittels Primärelektronenstrahlen (23) aus mindestens einer Elektronenquelle (25), wobei die Streuung der

Sekundärelektronen (24), die durch Auftreffen der Primärelektronen (23) auf epAIMPs gebildet werden, von der elektrischen Polarisation der epAIMP abhängt und mittels eines Elektronendetektors (26) bestimmt wird, wobei die Streuung der Sekundärelektronen durch die elektrische Polarisation der epAIMP mittels

Verändern der oberflächennahen elektrostatischen Kräfte am Trägermaterial TM unter Ausnutzung der Manipulation, Modifikation und translatorischen und rotatorischen Bewegung der epAIMP eingestellt wird.

Bezugszeichen

TM Trägermaterial

PEE Einkomponentige Polyelektrolytsysteme

PEM Polyelektrolytmultischicht

PEC Polyelektrolytkomplexartikel

PEL Polyelektrolytmaterial

PEL-1 kontrolliert inerte Passivierungsschicht für Biomaterialien, -fluide oder

Zellen

PEL-2 aktiv bindende Schicht für Biomaterialien, -fluide oder Zellen

PEL-3 biozide Schicht für Biomaterialien, Biofluide oder Zellen

BM Biomaterial

epAIM Elektrisch polarisierbare Atome, Ionen und /oder Moleküle

epAIMP BM, epAIM, PEE, PEC, PEL, PEM, M, M _A , M _B , M _c , Μ', Μ _Α ', M _B ', M _c ', mM

elektrisch polarisierbare atomare, ionische und/oder molekulare

Komponenten

modifizierte Komponenten M, M _A , M _B , M _c Molekulare Maschine

Trägermaterialzelle TMZ(ij) in i-ter Zeile und j-ter Spalte des in Array angeordneten Trägermaterials 11

Isolierende Deckschicht

Grenzflächenladung

Asymmetrischer elektrostatischer Oberflächendipol

Oberflächennahe, elektrostatische Kraft

Metallisch leitende Rückseitenelektrode

Oberflächennahe, elektrostatische Kraft im Übergangsbereich

Grenze zwischen p-type Halbleiter p und n-type Halbleiter n

Grenze zwischen Domänen mit verschiedener Polarisationsladung

Grenze zwischen Domänen mit entgegengesetzt gerichteten intrinsischen elektrischen Feld

Polarisationsladung

Unabgeschirmte Dotanden im Halbleiter

Trägermaterial ausgeführt als Array mit flächiger Anordnung von Trägermaterialzellen TMZ(i, j)

Überlappungsbereich der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte zwischen benachbarten Trägermaterialzellen (i, j) des Arrays 1 1 , bei gleicher Richtung der elektrostatischen Kräfte ohne angelegte Spannung

Überlappungsbereich der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte zwischen benachbarten Trägermaterialzellen TMZ(i, j) des Arrays 1 1 , bei unterschiedlicher Richtung der elektrostatischen Kräfte ohne angelegte Spannung 13 Wirkungsbereich der oberflächennahen elektrostatischen Kraft Fy

14 von außen angelegtes Magnetfeld H

15 Verbindung zwischen zwei elektrisch polarisierbaren Atomen, Ionen und Molekülen

22 elektromagnetische Wellen, vorzugsweise monochromatisches Licht

23 Primärelektronenstrahl

24 Sekundärelektronenstrahl

25 Elektronenquelle

26 Elektronendetektor

p, p ⁺ Loch-Konzentration p ⁺ >p in Halbleitern mit Löchern als

Majoritätsladungsträger

n, n ⁺ Elektronen-Konzentration n ⁺ >n in Halbleitern mit Elektronen als

Majoritätsladungsträger

N _A Akzeptorkonzentration im p-type Halbleiter

N _D Donatorkonzentration im n-type Halbleiter

d, Dicke der isolierenden Deckschicht i, i=1 ,2, ...

G Zahl der besetzten Grenzflächenzustände zwischen isolierender

Deckschicht und p-type oder n-type Halbleiter

Dij Grenzflächenzustandsdichte in der Trägermaterialzelle TMZ(ij) ij Zeitkonstante der Grenzflächenzustände in der Trägermaterialzelle

TMZ(ij)

E _F Fermienergie

E _c Leitungsbandkante

E _v Valenzbandkante

E _g , E _g (i,j) Bandlücke des Halbleitermaterials oder des piezo- oder

ferroelektrischen Materials der Trägermaterialzelle TMZ(ij) oder der isolierenden Deckschicht 1

XY, ΧΎ' Schnittebene durch das Array 11 zur Verdeutlichung der Translation bzw. Rotation Fj _j oberflächennahe elektrostatische Kraft F der Trägermaterialzelle

TMZ(i, j)

U _K , UM , U _K 2, Gleichspannung (Kelvin-Spannung)

U _Ki ,

U, Ui , U ₂ , LI,, überlagerte Gleichspannung und Wechselspannung an der metallisch Ui _j leitenden Rückseitenelektrode des Trägermaterials TM bzw. an der metallisch, leitenden Rückseitenelektrode der Trägermaterialzelle

TMZ(i, j)

Q ⁺ , Q ^" , Qi _j ⁺ , Qi _j ^" geladene Störstellen in der isolierenden Schicht 1 im Trägermaterial , Q _M bzw. in der Trägermaterialzelle TMZ(i, j), auch magnetisierbar (Q _M )