TY  - THES
A1  - Zöller, Gert
T1  - Critical states of seismicity : modeling and data analysis
T1  - Kritische Zustände seismischer Dynamik : Modellierung und Datenanalyse
N2  - The occurrence of earthquakes is characterized by a high degree of spatiotemporal complexity. Although numerous patterns, e.g. fore- and aftershock sequences, are well-known, the underlying mechanisms are not observable and thus not understood. Because the recurrence times of large earthquakes are usually decades or centuries, the number of such events in corresponding data sets is too small to draw conclusions with reasonable statistical significance. Therefore, the present study combines both, numerical modeling and analysis of real data in order to unveil the relationships between physical mechanisms and observational quantities. The key hypothesis is the validity of the so-called "critical point concept" for earthquakes, which assumes large earthquakes to occur as phase transitions in a spatially extended many-particle system, similar to percolation models. New concepts are developed to detect critical states in simulated and in natural data sets. The results indicate that important features of seismicity like the frequency-size distribution and the temporal clustering of earthquakes depend on frictional and structural fault parameters. In particular, the degree of quenched spatial disorder (the "roughness") of a fault zone determines whether large earthquakes occur quasiperiodically or more clustered. This illustrates the power of numerical models in order to identify regions in parameter space, which are relevant for natural seismicity. The critical point concept is verified for both, synthetic and natural seismicity, in terms of a critical state which precedes a large earthquake: a gradual roughening of the (unobservable) stress field leads to a scale-free (observable) frequency-size distribution. Furthermore, the growth of the spatial correlation length and the acceleration of the seismic energy release prior to large events is found. The predictive power of these precursors is, however, limited. Instead of forecasting time, location, and magnitude of individual events, a contribution to a broad multiparameter approach is encouraging.
N2  - Das Auftreten von Erdbeben zeichnet sich durch eine hohe raumzeitliche Komplexität aus. Obwohl zahlreiche Muster, wie Vor- und Nachbeben bekannt sind, weiß man wenig über die zugrundeliegenden Mechanismen, da diese sich direkter Beobachtung entziehen. Die Zeit zwischen zwei starken Erdbeben in einer seismisch aktiven Region beträgt Jahrzehnte bis Jahrhunderte. Folglich ist die Anzahl solcher Ereignisse in einem Datensatz gering und es ist kaum möglich, allein aus Beobachtungsdaten statistisch signifikante Aussagen über deren Eigenschaften abzuleiten. Die vorliegende Arbeit nutzt daher numerische Modellierungen einer Verwerfungszone in Verbindung mit Datenanalyse, um die Beziehung zwischen physikalischen Mechanismen und beobachteter Seismizität zu studieren. Die zentrale Hypothese ist die Gültigkeit des sogenannten "kritischen Punkt Konzeptes" für Seismizität, d.h. starke Erdbeben werden als Phasenübergänge in einem räumlich ausgedehnten Vielteilchensystem betrachtet, ähnlich wie in Modellen aus der statistischen Physik (z.B. Perkolationsmodelle). Es werden praktische Konzepte entwickelt, die es ermöglichen, kritische Zustände in simulierten und in beobachteten Daten sichtbar zu machen. Die Resultate zeigen, dass wesentliche Eigenschaften von Seismizität, etwa die Magnitudenverteilung und das raumzeitliche Clustern von Erdbeben, durch Reibungs- und Bruchparameter bestimmt werden. Insbesondere der Grad räumlicher Unordnung (die "Rauhheit") einer Verwerfungszone hat Einfluss darauf, ob starke Erdbeben quasiperiodisch oder eher zufällig auftreten. Dieser Befund zeigt auf, wie numerische Modelle genutzt werden können, um den Parameterraum für reale Verwerfungen einzugrenzen. Das kritische Punkt Konzept kann in synthetischer und in beobachteter Seismizität verifiziert werden. Dies artikuliert sich auch in Vorläuferphänomenen vor großen Erdbeben: Die Aufrauhung des (unbeobachtbaren) Spannungsfeldes führt zu einer Skalenfreiheit der (beobachtbaren) Größenverteilung; die räumliche Korrelationslänge wächst und die seismische Energiefreisetzung wird beschleunigt. Ein starkes Erdbeben kann in einem zusammenhängenden Bruch oder in einem unterbrochenen Bruch (Vorbeben und Hauptbeben) stattfinden. Die beobachtbaren Vorläufer besitzen eine begrenzte Prognosekraft für die Auftretenswahrscheinlichkeit starker Erdbeben - eine präzise Vorhersage von Ort, Zeit, und Stärke eines nahenden Erdbebens ist allerdings nicht möglich. Die genannten Parameter erscheinen eher vielversprechend als Beitrag zu einem umfassenden Multiparameteransatz für eine verbesserte zeitabhängige Gefährdungsabschätzung.
KW  - Seismizität
KW  - Erdbebenvorhersage
KW  - statistische Physik
KW  - mathematische Modellierung
KW  - Datenanalyse
KW  - seismicity
KW  - earthquake prediction
KW  - statistical physics
KW  - mathematical modeling
KW  - data analysis
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7427
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schmeja, Stefan
T1  - Properties of turbulent star-forming clusters : models versus observations
T1  - Eigenschaften turbulenter junger Sternhaufen : Modelle kontra Beobachtungen
N2  - Stars are born in turbulent molecular clouds that fragment and collapse under the influence of their own gravity, forming a cluster of hundred or more stars. The star formation process is controlled by the interplay between supersonic turbulence and gravity. In this work, the properties of stellar clusters created by numerical simulations of gravoturbulent fragmentation are compared to those from observations. This includes the analysis of properties of individual protostars as well as statistical properties of the entire cluster.   It is demonstrated that protostellar mass accretion is a highly dynamical and time-variant process. The peak accretion rate is reached shortly after the formation of the protostellar core. It is about one order of magnitude higher than the constant accretion rate predicted by the collapse of a classical singular isothermal sphere, in agreement with the observations.   For a more reasonable comparison, the model accretion rates are converted to the observables bolometric temperature, bolometric luminosity, and envelope mass. The accretion rates from the simulations are used as input for an evolutionary scheme. The resulting distribution in the Tbol-Lbol-Menv parameter space is then compared to observational data by means of a 3D Kolmogorov-Smirnov test. The highest probability found that the distributions of model tracks and observational data points are drawn from the same population is 70%.   The ratios of objects belonging to different evolutionary classes in observed star-forming clusters are compared to the temporal evolution of the gravoturbulent models in order to estimate the evolutionary stage of a cluster. While it is difficult to estimate absolute ages, the realtive numbers of young stars reveal the evolutionary status of a cluster with respect to other clusters. The sequence shows Serpens as the youngest and IC 348 as the most evolved of the investigated clusters.   Finally the structures of young star clusters are investigated by applying different statistical methods like the normalised mean correlation length and the minimum spanning tree technique and by a newly defined measure for the cluster elongation. The clustering parameters of the model clusters correspond in many cases well to those from observed ones. The temporal evolution of the clustering parameters shows that the star cluster builds up from several subclusters and evolves to a more centrally concentrated cluster, while the cluster expands slower than new stars are formed.
N2  - Sterne entstehen im Inneren von turbulenten Molekülwolken, die unter dem Einfluss ihrer eigenen Gravitation fragmentieren und kollabieren. So entsteht ein Sternhaufen aus hundert oder mehr Objekten. Der Sternentstehungsprozess wird durch das Wechselspiel von Überschallturbulenz und Gravitation reguliert. In dieser Arbeit werden verschiedene Eigenschaften solcher Sternhaufen, die mit Hilfe von numerischen Simulationen modelliert wurden, untersucht und mit Beobachtungsdaten verglichen. Dabei handelt es sich sowohl um Eigenschaften einzelner Protosterne, als auch um statistische Parameter des Sternhaufens als Ganzes. Es wird gezeigt, dass die Massenakkretion von Protosternen ein höchst dynamischer und zeitabhängiger Prozess ist. Die maximale Akkretionsrate wird kurz nach der Bildung des Protosterns erreicht, bevor sie annähernd exponentiell abfällt. Sie ist, in Übereinstimmung mit Beobachtungen, etwa um eine Größenordnung höher als die konstante Rate in den klassischen Modellen. Um die Akkretionsraten der Modelle zuverlässiger vergleichen zu können, werden sie mit Hilfe eines Evolutionsschemas in besser beobachtbare Parameter wie bolometrische Temperatur und Leuchtkraft sowie Hüllenmasse umgewandelt. Die dreidimensionale Verteilung dieser Parameter wird anschließend mittels eines Kolmogorov-Smirnov-Tests mit Beobachtungsdaten verglichen. Die relative Anzahl junger Sterne in verschiedenen Entwicklungsstadien wird mit der zeitlichen Entwicklung der Modelle verglichen, um so den Entwicklungsstand des Sternhaufens abschätzen zu können. Während eine genaue Altersbestimmung schwierig ist, kann der Entwicklungsstand eines Haufens relativ zu anderen gut ermittelt werden. Von den untersuchten Objekten stellt sich Serpens als der jüngste und IC 348 als der am weitesten entwickelte Sternhaufen heraus. Zuletzt werden die Strukturen von jungen Sternhaufen an Hand verschiedener statistischer Methoden und eines neuen Maßes für die Elongation eines Haufens untersucht. Auch hier zeigen die Parameter der Modelle eine gute Übereinstimmung mit solchen von beobachteten Objekten, insbesondere, wenn beide eine ähnliche Elongation aufweisen. Die zeitliche Entwicklung der Parameter zeigt, dass sich ein Sternhaufen aus mehreren kleineren Gruppen bildet, die zusammenwachsen und einen zum Zentrum hin konzentrierten Haufen bilden. Dabei werden neue Sterne schneller gebildet als sich der Sternhaufen ausdehnt.
KW  - Sternentstehung
KW  - Sternhaufen
KW  - Turbulenz
KW  - Interstellare Materie
KW  - Numerisches Verfahren
KW  - star formation
KW  - star clusters
KW  - turbulence
KW  - interstellar medium
KW  - numerical simulations
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7364
ER  - 
TY  - CHAP
A1  - Hainzl, Sebastian
A1  - Scherbaum, Frank
A1  - Zöller, Gert
T1  - Spatiotemporal earthquake patterns
N2  - Interdisziplinäres Zentrum für Musterdynamik und Angewandte Fernerkundung Workshop vom 9. - 10. Februar 2006
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7267
N1  - [Poster]
ER  - 
TY  - THES
A1  - Narayanan Nair, Arun Kumar
T1  - Molecular dynamics simulations of polyelectrolyte brushes
T1  - Molekulardynamik Simulationen von Polyelektrolytbürsten
N2  - This thesis studies strong, completely charged polyelectrolyte brushes. Extensive molecular dynamics simulations are performed on different polyelectrolyte brush systems using local compute servers and massively parallel supercomputers. The full Coulomb interaction of charged monomers, counterions, and salt ions is treated explicitly. The polymer chains are anchored by one of their ends to a uncharged planar surface. The chains are treated under good solvent conditions. Monovalent salt ions (1:1 type) are modelled same as counterions. The studies concentrate on three different brush systems at constant temperature and moderate Coulomb interaction strength (Bjerrum length equal to bond length):  The first system consists of a single polyelectrolyte brush anchored with varying grafting density to a plane. Results show that chains are extended up to about 2/3 of their contour length. The brush thickness slightly grows with increasing anchoring density. This slight dependence of the brush height on grafting density is in contrast to the well known scaling result for the osmotic brush regime. That is why the result obtained by simulations has stimulated further development of theory as well as new experimental investigations on polyelectrolyte brushes. This observation can be understood on a semi-quantitative level using a simple scaling model that incorporates excluded volume effects in a free-volume formulation where an effective cross section is assigned to the polymer chain from where couterions are excluded. The resulting regime is called nonlinear osmotic brush regime. Recently this regime was also obtained in experiments.  The second system studied consists of polyelectrolyte brushes with added salt in the nonlinear osmotic regime. Varying salt is an important parameter to tune the structure and properties of polyelectrolytes. Further motivation is due to a theoretical scaling prediction by Pincus for the salt dependence of brush thickness. In the high salt limit (salt concentration much larger than counterion concentration) the brush height is predicted to decrease with increasing external salt, but with a relatively weak power law showing an exponent -1/3. There is some experimental and theoretical work that confirms this prediction, but there are other results that are in contradiction. In such a situation simulations are performed to validate the theoretical prediction. The simulation result shows that brush thickness decreases with added salt, and indeed is in quite good agreement with the scaling prediction by Pincus. The relation between buffer concentration and the effective ion strength inside the brush at varying salt concentration is of interest both from theoretical as well as experimental point of view. The simulation result shows that mobile ions (counterions as well as salt) distribute nonhomogeneously inside and outside of the brush. To explain the relation between the internal ion concentration with the buffer concentration a Donnan equilibrium approach is employed. Modifying the Donnan approach by taking into account the self-volume of polyelectrolyte chains as indicated above, the simulation result can be explained using the same effective cross section for the polymer chains. The extended Donnan equilibrium relation represents a interesting theoretical prediction that should be checked by experimental data. The third system consist of two interacting polyelectrolyte brushes that are grafted to two parallel surfaces. The interactions between brushes are important, for instance, in stabilization of dispersions against flocculation. In the simulations pressure is evaluated as a function of separation D between the two grafting planes. The pressure behavior shows different regimes for decreasing separation. This behavior is in qualitative agreement with experimental data. At relatively weak compression the pressure behavior obtained in the simulation agrees with a 1/D power law predicted by scaling theory. Beyond that the present study could supply new insight for understanding the interaction between polyelectrolyte brushes.
N2  - In dieser Arbeit werden vollständig geladene, starke Polyelektrolytbürsten untersucht. Unter Verwendung lokaler Computeserver und massiv paralleler Supercomputer wurden umfangreiche Molekulardynamik Simulationen von verschiedenen Polyelektrolytbürsten Systemen ausgeführt. Die vollständige Coulomb Wechselwirkung zwischen geladenen Monomeren, Gegen- und Salzionen wird explizit berücksichtigt. Die Polymerketten – in gutem Lösungsmittel simuliert – sind mit einem Ende an einer ungeladenen, planaren Grenzfläche verankert. Monovalente Salzionen (1:1) werden identisch wie Gegenionen modelliert. Simulationen bei konstanter Temperatur und moderater Stärke der Coulomb Wechselwirkung (Bjerrum Länge etwa gleich der Bindungslänge) konzentrieren sich auf drei Systeme: 1. Polyelektrolytbürsten ohne Salzionen mit variabler Ankerdichte der Ketten Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Polyelektrolytketten bis zu 2/3 ihrer Konturlänge gestreckt sind, wobei die Bürstenhöhe mit zunehmender Ankerdichte leicht wächst. Diese schwache Abhängigkeit steht im Widerspruch zu theoretischen Ergebnissen, die Unabhängigkeit von der Ankerdichte im so genannten osmotischen Regime vorhersagen. In der Folge haben die Simulationen sowohl weitergehende theoretische Überlegungen als auch neue experimentelle Untersuchungen an Polyelektrolytbürsten stimuliert. Zwischenzeitlich konnte die Beobachtung auf semi-quantitativer Ebene auf der Basis eines einfachen Skalenmodells verstanden werden, welches das Eigenvolumen der Polymerketten im Rahmen einer freien Volumen Näherung berücksichtigt. Dabei wird der Kette ein effektiver Querschnitt zugeordnet, von dem Gegenionen ausgeschlossen sind. Das resultierende Regime, in dem nichtlineare Entropie und Elastizität berücksichtigt sind, wird als nichtlinear osmotisches Regime bezeichnet. In der Zwischenzeit konnte dieses Regime auch experimentell verifiziert werden. 2. Polyelektrolytbürsten im nichtlinear osmotischen Regime mit variabler Salzkonzentration  Struktur und Eigenschaften von Polyelektrolyten können in einfacher Weise durch Veränderung der Salzkonzentration beeinflusst werden. Nach Pincus sollte für starke Salzkonzentration (groß gegenüber der Konzentration der Gegenionen) die Bürstenhöhe mit wachsender Konzentration abnehmen, jedoch nur als relativ schwaches Potenzgesetz mit einem Exponenten -1/3. In der Literatur sind experimentelle und theoretische Ergebnisse bekannt, die diese theoretische Vorhersage bestätigen – allerdings auch solche, die dazu im Widerspruch stehen. In einer solchen Situation sind Simulationen ein geeignetes Mittel, um theoretische Vorhersagen zu überprüfen: In der Tat bestätigen die vorliegenden Simulationsergebnisse in eindeutiger Weise die theoretische Vorhersage von Pincus. Das Verhältnis zwischen Buffer Konzentration und effektiver Ionenstärke in der Polymerschicht ist nicht nur von theoretischem Interesse, sondern hat ebenso experimentelle Relevanz. Die Simulationen zeigen, dass die mobilen Ionen innerhalb und außerhalb der Polyelektrolytbürste inhomogen verteilt sind. Ein Erklärungsversuch mit Hilfe des Donnan Gleichgewichts liefert nur für sehr kleine Salzkon-zentrationen befriedigende Übereinstimmung, ansonst ein qualitativ unterschiedliches Verhalten. Wird jedoch das Eigenvolumen der Ketten in ähnlicher Weise wie oben skizziert berücksichtigt, können die Simulationsdaten bei identischer Parameterwahl in nahezu perfekter Übereinstimmung reproduziert werden. Der erweiterte Ansatz für das Donnan Gleichgewicht in konzentrierten Systemen stellt eine interessante theoretische Vorhersage dar, die auch experimentell überprüft werden sollte. 3. Wechselwirkung zwischen zwei Polyelektrolytbürsten ohne Salz  Repulsive Wechselwirkungen zwischen Polymerbürsten haben in unterschiedlichen Zusammenhängen eine große Bedeutung, so z.B. bei der Stabilisierung von Dispersionen oder bei der Reduzierung von Reibungswiderständen in biologischen Systemen. In den vorgestellten Simulationen von zwei Polyelektrolytbürsten, die an gegenüberliegende Grenzflächen verankert sind, wird der osmotische Druck in Abhängigkeit vom Abstand D der Ankerflächen untersucht. Mit abnehmendem Abstand werden unterschiedliche Regime im Verhalten des Druckes beobachtet. Dieses Verhalten stimmt qualitativ mit experimentellen Ergebnissen überein. Für relativ schwache Überlappung folgt das Verhalten des Drucks dem theoretisch vorhergesagten 1/D Skalengesetz. Darüber hinaus liefert die Simulationsuntersuchung neue Daten zum Verständnis der Wechselwirkung zwischen Polyelektrolyt Bürsten.
KW  - Molekulardynamik
KW  - Polyelektrolyt
KW  - molecular dynamics
KW  - polyelectrolyte brushes
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7005
ER  - 
TY  - THES
A1  - Stachlewska, Iwona Sylwia
T1  - Investigation of tropospheric arctic aerosol and mixed-phase clouds using airborne lidar technique
T1  - Untersuchung der tropospherischen arktischen Aerosolen und Mixed-Phase Wolken mit der Flugzeuggetragenen Lidar Technik
N2  - An Airborne Mobile Aerosol Lidar (AMALi) was constructed and built at Alfred-Wegener-Institute for Polar and Marine Research (AWI) in Potsdam, Germany for the lower tropospheric aerosol and cloud research under tough arctic conditions. The system was successfully used during two AWI airborne field campaigns, ASTAR 2004 and SVALEX 2005, performed in vicinity of Spitsbergen in the Arctic. The novel evaluation schemes, the Two-Stream Inversion and the Iterative Airborne Inversion, were applied to the obtained lidar data. Thereby, calculation of the particle extinction and backscatter coefficient profiles with corresponding lidar ratio profiles characteristic for the arctic air was possible. The comparison of these lidar results with the results of other in-situ and remote instrumentation (ground based Koldewey Aerosol Raman Lidar (KARL), sunphotometer, radiosounding, satellite imagery) allowed to provided clean contra polluted (Arctic Haze) characteristics of the arctic aerosols. Moreover, the data interpretation by means of the ECMWF Operational Analyses and small-scale dispersion model EULAG allowed studying the effects of the Spitsbergens orography on the aerosol load in the Planetary Boundary Layer. With respect to the cloud studies a new methodology of alternated remote AMALi measurements with the airborne in-situ cloud optical and microphysical parameters measurements was proved feasible for the low density mixed-phase cloud studies. An example of such approach during observation of the natural cloud seeding (feeder-seeder phenomenon) with ice crystals precipitating into the lower supercooled stratocumulus deck were discussed in terms of the lidar signal intensity profiles and corresponding depolarisation ratio profiles. For parts of the cloud system characterised by almost negligible multiple scattering the calculation of the particle backscatter coefficient profiles was possible using the lidar ratio information obtained from the in-situ measurements in ice-crystal cloud and water cloud.
N2  - Das Airborne Mobile Aerosol Lidar (AMALi) wurde am Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in Potsdam für die Untersuchung arktischer Aerosole und Wolken der unteren Troposphäre entwickelt und gebaut. Das AMALi wurde erfolgreich in zwei AWI Flugzeugmesskampagnen, der ASTAR 2004 und der SvalEx 2005, die in Spitzbergen in der Arktis durchgeführt wurden, eingesetzt. Zwei neue Lidar Datenauswertungsmethoden wurden implementiert: die Two-Stream Inversion und die Iterative Airborne Inversion. Damit erwies sich die Berechnung der Profile der Teilchen Rückstreu- und Extinktionskoeffizienten mit einem entsprechenden Lidar Verhältnis, das charakteristisch für arktische Luft ist, als möglich. Der Vergleich dieser Auswertungen mit den Resultaten, die mit verschiedenen Fernerkundungs- und In-situ Instrumenten gewonnen worden waren (stationäres Koldewey Aerosol Raman Lidar KARL, Sonnenphotometer, Radiosondierung und Satellitenbilder) ermöglichten die Interpretation der Lidar-Resultate und eine Charakterisierung sowohl der reinen als auch der verschmutzten Luft. Außerdem konnten die Lidardaten mit operationellen ECMWF Daten und dem kleinskaligen Dispersionsmodel EULAG verglichen werden. Dadurch konnte der Einfluss der Spitzbergener Orographie auf die Aerosolladung der Planetaren Grenzschicht untersucht werden. Für Wolkenmessungen wurde eine neue Methode der alternativen Fernerkundung mit dem AMALi und flugzeuggetragenen In-situ Messgeräten verwendet, um optische und mikrophysikalische Eigenschaften der Wolken zu bestimmen. Diese Methode wurde erfolgreich implementiert und auf Mixed-Phase Wolken geringer optischen Dicke angewendet. Ein Beispiel hier stellt das Besamen der Wolken (sogenannte Feeder-Seeder Effekt) dar, bei dem Eiskristalle in eine niedrige unterkühlte Stratokumulus fallen. Dabei konnten Lidarsignale, Intensitätsprofile und die Volumendepolarisation gemessen werden. Zusätzlich konnten in den weniger dichten Bereichen der Wolken, in denen Vielfachstreuung vernachlässigbar ist, auch Profile des Teilchen Rückstreukoeffizienten berechnet werden, wobei Lidarverhältnisse genommen wurden, die aus In-situ Messungen für Wasser- und Eiswolken ermittelt wurden.
KW  - Aerosol
KW  - Lidar
KW  - Flugzeug Lidar
KW  - Aerosol und Wolken Lidar
KW  - Arktische Nebel
KW  - EULAG Model
KW  - Airborne Aerosol and Cloud Lidar
KW  - Arctic Haze
KW  - Two-stream Lidar Inversion
KW  - Iterative Airborne Lidar Inversion
KW  - EULAG Model
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-6984
ER  - 
TY  - THES
A1  - Boroudjerdi, Hoda
T1  - Charged polymer-macroion complexes
T1  - Geladene Polymer-Makroionen Komplexe
N2  - This work explores the equilibrium structure and thermodynamic phase behavior of complexes formed by charged polymer chains (polyelectrolytes) and oppositely charged spheres (macroions). Polyelectrolyte-macroion complexes form a common pattern in soft-matter physics, chemistry and biology, and enter in numerous technological applications as well. From a fundamental point of view, such complexes are interesting in that they combine the subtle interplay between electrostatic interactions and elastic as well as entropic effects due to conformational changes of the polymer chain, giving rise to a wide range of structural properties. This forms the central theme of theoretical studies presented in this thesis, which concentrate on a number of different problems involving strongly coupled complexes, i.e. complexes that are characterized by a large adsorption energy and small chain fluctuations.  In the first part, a global analysis of the structural phase behavior of a single polyelectrolyte-macroion complex is presented based on a dimensionless representation, yielding results that cover a wide range of realistic system parameters. Emphasize is made on the interplay between the effects due to the polyelectrolytes chain length, salt concentration and the macroion charge as well as the mechanical chain persistence length. The results are summarized into generic phase diagrams characterizing the wrapping-dewrapping behavior of a polyelectrolyte chain on a macroion. A fully wrapped chain state is typically obtained at intermediate salt concentrations and chain lengths, where the amount of polyelectrolyte charge adsorbed on the macroion typically exceeds the bare macroion charge leading thus to a highly overcharged complex.  Perhaps the most striking features occur when a single long polyelectrolyte chain is complexed with many oppositely charged spheres. In biology, such complexes form between DNA (which carries the cell's genetic information) and small oppositely charged histone proteins serving as an efficient mechanism for packing a huge amount of DNA into the micron-size cell nucleus in eucaryotic cells. The resultant complex fiber, known as the chromatin fiber, appears with a diameter of 30~nm under physiological conditions. Recent experiments indicate a zig-zag spatial arrangement for individual DNA-histone complexes (nucleosome core particles) along the chromatin fiber. A numerical method is introduced in this thesis based on a simple generic chain-sphere cell model that enables one to investigate the mechanism of fiber formation on a systematic level by incorporating electrostatic and elastic contributions. As will be shown, stable complex fibers exhibit an impressive variety of structures including zig-zag, solenoidal and beads-on-a-string patterns, depending on system parameters such as salt concentration, sphere charge as well as the chain contour length (per sphere). The present results predict fibers of compact zig-zag structure within the physiologically relevant regime with a diameter of about 30~nm, when DNA-histone parameters are adopted.  In the next part, a numerical method is developed in order to investigate the role of thermal fluctuations on the structure and thermodynamic phase behavior of polyelectrolyte-macroion complexes. This is based on a saddle-point approximation, which allows to describe the experimentally observed reaction (or complexation) equilibrium in a dilute solution of polyelectrolytes and macroions on a systematic level. This equilibrium is determined by the entropy loss a single polyelectrolyte chain suffers as it binds to an oppositely charged macroion. This latter quantity can be calculated from the spectrum of polyelectrolyte fluctuations around a macroion, which is determined by means of a normal-mode analysis. Thereby, a stability phase diagram is obtained, which exhibits qualitative agreement with experimental findings.  At elevated complex concentrations, one needs to account for the inter-complex interactions as well. It will be shown that at small separations, complexes undergo structural changes in such a way that positive patches from one complex match up with negative patches on the other. Furthermore, one of the polyelectrolyte chains may bridge between the two complexes. These mechanisms lead to a strong inter-complex attraction. As a result, the second virial coefficient associated with the inter-complex interaction becomes negative at intermediate salt concentrations in qualitative agreement with recent experiments on solutions of nucleosome core particles.
N2  - In dieser Arbeit werden Gleichgewichtsstrukturen und die thermodynamischen Phasen von Komplexen aus geladenen Polymeren (Polyelektrolyten) und entgegengesetzt geladenen Kugeln (Makroionen) untersucht. Polyelektrolyt-Makroion-Komplexe bilden ein grundlegendes und wiederkehrendes Prinzip in der Physik weicher Materie sowie in Chemie und Biologie. In zahlreichen technologischen Prozessen finden sich ebenfalls Anwendungsbeispiele für derartige Komplexe. Zusätzlich zu ihrem häufigen Auftreten sind sie aufgrund ihrer Vielfalt von strukturellen Eigenschaften von grundlegendem Interesse. Diese Vielfalt wird durch ein Zusammenspiel von elektrostatischen Wechselwirkungen sowie elastischen und entropischen Effekten aufgrund von Konformationsänderungen in der Polymerkette bedingt und bildet das zentrale Thema der theoretischen Studien, die mit dieser Arbeit vorgelegt werden. Verschiedene Strukturen und Prozesse, die stark gekoppelte Komplexe beinhalten - das sind solche, für die eine hohe Adsorptionsenergie und geringe Fluktuationen in den Polymerketten charakteristisch sind -, bilden das Hauptthema der Arbeit.  Basierend auf einer dimensionslosen Darstellung wird im ersten Teil der Arbeit in einer umfassenden Analyse das strukturelle Phasenverhalten einzelner Polyelektrolyt-Makroion-Komplexe behandelt. Der Schwerpunkt wird hier auf das Wechselspiel zwischen Effekten aufgrund der Polyelektrolytkettenlänge, ihrer mechanischen Persistenzlänge, der Salzkonzentration und der Ladung des Makroions gelegt. Die Ergebnisse werden in allgemeinen Phasendiagrammen zusammengestellt, das das Aufwickeln-Abwickeln-Verhalten der Polyelektrolytkette auf einem Makroion beschreibt. Ein Zustand mit komplett aufgewickelter Kette tritt typischerweise bei mittleren Salzkonzentrationen und Kettenlängen auf; häufig ist hier die auf dem Makroion adsorbierte Gesamtladung des Polyelektrolyts größ er als die Ladung des nackten Makroions, d.h. es findet in hohem Grad Ladungsinversion statt.  Äußerst bemerkenswerte Eigenschaften treten auf, wenn eine einzelne lange Polyelektrolytkette viele, ihr entgegengesetzt geladene Kugeln komplexiert. In biologischen Systemen findet man solche Komplexe zwischen DNS, die die genetische Information einer Zelle trägt, und kleinen, entgegengesetzt geladenen Histonproteinen. Diese Komplexe dienen als effizienter Mechanismus, die groß e Menge an DNS im Mikrometer-groß en Zellkern eukaryotischer Zellen zu komprimieren. Die dadurch erhaltene komplexe Faser, eine Chromatinfaser, hat unter physiologischen Bedingungen einen Durchmesser von nur etwa 30~nm. Neue Experimente haben gezeigt, dass eine räumliche Zickzack-Anordnung einzelner DNA-Histon-Komplexe entlang der Chromatinfaser vorliegt. In der hier vorgelegten Arbeit wird eine numerische Methode vorgestellt, die auf einem einfachen Ketten-Kugel-Zell-Modell basiert und die die systematische Untersuchung des Mechnismus zur Faserbildung ermöglicht, wobei sowohl elektrostatische als auch elastische Wechselwirkungen berücksichtigt werden. Es wird gezeigt, dass stabile Komplexfasern in Abhängigkeit von der Salzkonzentration, der Kugelladung und der Kettenkonturlänge eine Vielfalt von Strukturen aufweisen, darunter Zickzack-, Solenoid- und Perlenkettenformen. Für physiologisch relevante Bedingungen werden mit dieser Methode für DNA-Histon-Komplexe Fasern kompakter Zickzack-Struktur mit einem Durchmesser von etwa 30~nm erhalten.  Im folgenden Teil wird eine numerische Methode entwickelt, um den Einfluss thermischer Fluktuationen auf Struktur und thermodynamisches Phasenverhalten der Polyelektrolyt-Makroion-Komplexe zu untersuchen. Basierend auf der Sattelpunktsnäherung werden die experimentell beobachteten Reaktionsgleichgewichte in verdünnten Lösungen von Polyelektrolyten und Makroionen systematisch beschrieben. Das Gleichgewicht ist durch einen Verlust an Entropie für die einzelne Polyelektrolytkette durch die Bindung an das entgegengesetzt geladene Makroion gekennzeichnet. Diese Größ e wurde aus dem Spektrum der Polyelektrolytfluktuationen um das Makroion erhalten und mittels einer Analyse der Normalmoden berechnet. Hierüber wird ein Phasendiagramm zur Stabilität der Komplexe erhalten, das qualitativ gute Übereinstimmungen mit experimentellen Ergebnissen aufweist.  Bei höheren Komplexkonzentrationen müssen auch die Wechselwirkungen zwischen den Komplexen berücksichtigt werden. Es wird gezeigt, dass sich die Struktur der Komplexe bei kleinen Abständen so ändert, dass positiv geladene Bereiche eines Komplexes mit negativ geladenen auf einem Nachbarkomplex räumlich korrelieren. Weiterhin können einzelne Polyelektrolytketten als verbrückendes Element zwischen zwei Komplexen dienen. Dieser Mechanismus führt zu starker effektiver Anziehung zwischen den Komplexen. In Übereinstimmung mit kürzlich durchgeführten Experimenten ist als Folge davon der zweite Virialkoeffizient der Wechselwirkung zwischen Komplexen bei mittleren Salzkonzentrationen negativ.
KW  - Biopolymere
KW  - Histon-DNS-Komplex
KW  - DNS-Bindungsproteine
KW  - DNS
KW  - Chromatin
KW  - Kolloides System
KW  - Kolloidphysik
KW  - Polyelektrolyt
KW  - geladene Systeme
KW  - Theorie
KW  - Polyelektrolytkomplexe
KW  - Chromatin
KW  - Histone-DNA Complexes
KW  - Charged Systems
KW  - Polyelectrolyte Complexes
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-6282
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kraikivski, Pavel
T1  - Non-equilibrium dynamics of adsorbed polymers and filaments
T1  - Nichtgleichgewichtsdynamik adsorbierter Polymere und Filamente
N2  - In the present work, we discuss two subjects related to the nonequilibrium dynamics of polymers or biological filaments adsorbed to two-dimensional substrates.  The first part is dedicated to thermally activated dynamics of polymers on structured substrates in the presence or absence of a driving force. The structured substrate is represented by double-well or periodic potentials. We consider both homogeneous and point driving forces. Point-like driving forces can be realized in single molecule manipulation by atomic force microscopy tips. Uniform driving forces can be generated by hydrodynamic flow or by electric fields for charged polymers.  In the second part, we consider collective filament motion in motility assays for motor proteins, where filaments glide over a motor-coated substrate. The model for the simulation of the filament dynamics contains interactive deformable filaments that move under the influence of forces from molecular motors and thermal noise. Motor tails are attached to the substrate and modeled as flexible polymers (entropic springs), motor heads perform a directed walk with a given force-velocity relation. We study the collective filament dynamics and pattern formation as a function of the motor and filament density, the force-velocity characteristics, the detachment rate of motor proteins and the filament interaction. In particular, the formation and statistics of filament patterns such as nematic ordering due to motor activity or clusters due to blocking effects are investigated. Our results are experimentally accessible and possible experimental realizations are discussed.
N2  - In der vorliegenden Arbeit behandeln wir zwei Probleme aus dem Gebiet der Nichtgleichgewichtsdynamik von Polymeren oder biologischen Filamenten, die an zweidimensionale Substrate adsorbieren.  Der erste Teil befasst sich mit der thermisch aktivierten Dynamik von Polymeren auf strukturierten Substraten in An- oder Abwesenheit einer treibenden Kraft. Das strukturierte Substrat wird durch Doppelmulden- oder periodische Potentiale dargestellt. Wir betrachten sowohl homogene treibende Kräfte als auch Punktkräfte. Punktkräfte können bei der Manipulation einzelner Moleküle mit die Spitze eines Rasterkraftmikroskops realisiert werden. Homogene Kräfte können durch einen hydrodynamischen Fluss oder ein elektrisches Feld im Falle geladener Polymere erzeugt werden.  Im zweiten Teil betrachten wir die kollektive Bewegung von Filamenten in Motility-Assays, in denen Filamente über ein mit molekularen Motoren überzogenes Substrat gleiten. Das Modell zur Simulation der Filamentdynamik beinhaltet wechselwirkende, deformierbare Filamente, die sich unter dem Einfluss von Kräften, die durch molekulare Motoren erzeugt werden, sowie thermischem Rauschen bewegen. Die Schaftdomänen der Motoren sind am Substrat angeheftet und werden als flexible Polymere (entropische Federn) modelliert. Die Kopfregionen der Motoren vollführen eine gerichtete Schrittbewegung mit einer gegebenen Kraft-Geschwindigkeitsbeziehung. Wir untersuchen die kollektive Filamentdynamik und die Ausbildung von Mustern als Funktion der Motor- und der Filamentdichte, der Kraft-Geschwindigkeitscharakteristik, der Ablöserate der Motorproteine und der Filamentwechselwirkung. Insbesondere wird die Bildung und die Statistik der Filamentmuster, wie etwa die nematische Anordnung aufgrund der Motoraktivität oder die Clusterbildung aufgrund von Blockadeeffekten, untersucht. Unsere Ergebnisse sind experimentell zugänglich und mögliche experimentelle Realisierungen werden diskutiert.
KW  - Polymere
KW  - Nichtgleichgewicht
KW  - Nichtgleichgewichts-Phasenübergang
KW  - Filament
KW  - Molekularer Motor
KW  - Motilität
KW  - Adsorption
KW  - thermisch aktivierte Dynamik
KW  - strukturierte Substrate
KW  - Motility-Assay
KW  - non-equilibrium dynamics
KW  - adsorption
KW  - polymers
KW  - filaments
KW  - motility assay
KW  - molecular motors
KW  - structured substrates
KW  - thermally activated dynamics
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5979
ER  - 
TY  - THES
A1  - Christensen, Lise Bech
T1  - Probing quasar sight lines in three dimensions
T1  - Untersuchung von Quasar-Sichtlinien in drei Dimensionen
N2  - Strong damped Lyman alpha absorption (DLA) lines seen spectra of distant quasar are believed to arise when the sight line to the quasar goes trough the disc of a galaxy or a proto galaxy. Most of the neutral matter in the universe is contained in these clouds of neutral hydrogen that cause the absorption lines. Hence these DLAs are reservoirs for the formation of stars and galaxies throughout the universe. Despite intensive efforts over more than two decades only few galaxies responsible for the DLAs have been found. The problem is that the galaxies that harbour the neutral clouds are not necessarily bright, and selecting galaxies based on absorption lines could well select different types of galaxies than found in large surveys. If we are to understand how galaxies form out of neutral gas clouds it is essential to locate the galaxies in which DLAs reside.  This thesis explores the use of integral field spectroscopy (IFS) to observe quasars known to have strong absorption lines in their spectra. IFS allows us to obtain a spectrum at many spatial points close to the quasar, thus providing images and spectroscopy simultaneously. From the imaging part, we can directly identify objects, and from the spectroscopy we can calculate the distances to the objects. When the distance of the object found in emission matches the distance to the object that cause the DLA line, we have identified the absorbing galaxy.  Using this technique, we have showed that we can successfully recover a few DLA galaxies known previously from the literature. In a survey aimed to increase the number of DLA galaxies we have identified eight new candidate DLA galaxies. The projected distances from the candidates to the quasar sight lines indicate that the DLA galaxies have sizes similar to local disc galaxies. Hence our results suggest that large discs may be present when the universe was just 2 billion years old. We furthermore find no differences between the sizes of the very distant DLA galaxies and those that are not so distant. The large sizes imply that their neutral hydrogen masses are also similar to those in local galaxies, but we argue that the DLA galaxies are not necessarily as luminous as the present day disc galaxies.  Taking advantage of the three-dimensional view provided by the IFS data, the second part of this thesis investigates extended emission line regions arising in the quasar neighborhood. We find that extended emission line nebulae are common around quasars, and explore the effects that may be the cause. Some quasars are known to be powerful radio emitters while others are not detected at radio wavelengths. We find that significantly larger and brighter emission line nebulae are found around the quasars which have the brightest radio emission, and in particular those that have large radio jets. The existence of the nebulae can be interpreted as an interaction of the radio jet with the surrounding medium, but we can not rule out a scenario where there are density or temperature differences in the surrounding environment. Only for the brightest object, where additional velocity information can be derived from the IFS data, can we argue for an interaction.  In conclusion the use of IFS to search for faint emission lines, both from point sources and extended nebulae provides exciting new results within the scientific areas studied here.
N2  - Man glaubt, daß starke gedämpfte Lyman alpha Absorptionslinien (damped Lyman alpha lines, DLA lines) in den Spektren entfernter Quasare entstehen, wenn die Sichtlinie zu dem Quasar durch eine Galaxie oder eine Proto-Galaxie geht. Die meiste neutrale Materie des Universums ist in diesen Wolken aus neutralem Wasserstoff enthalten, die die Absorptionslinien verursachen. Daher sind diese DLAs Reservoire für die Bildung von Sternen und Galaxien im gesamten Universum. Trotz intensiver Anstrengungen seit mehr als zwei Jahrzehnten konnten nur wenige Galaxien gefunden werden, die für DLAs verantwortlich sind. Das Problem ist, daß die Galaxien, die die neutralen Wolken beherbergen, nicht notwendigerweise hell sind, und Galaxien basierend auf Absorptionslinien zu selektieren, könnte leicht andere Typen von Galaxien selektieren, als diejenigen, die in großen Durchmusterungen gefunden werden. Wenn wir verstehen wollen wie Galaxien aus neutralen Gaswolken entstehen, ist es entscheidend, die Galaxien ausfindig zu machen, in denen DLAs liegen.  Diese Doktorarbeit erforscht die Nutzung der Ganzfeldspektroskopie (integral field spectroscopy, IFS), um Quasare zu beobachten, die bekanntermaßen starke Absorptionslinien in ihren Spektren haben. IFS erlaubt uns, ein Spektrum an vielen räumlichen Punkten nahe des Quasars zu erhalten, somit Bilder und Spekroskopie gleichzeitig zu liefern. Aus den Bildern können wir direkt Objekte identifizieren und aus der Spektroskopie können wir die Entfernungen zu den Objekten berechnen. Wenn die Entfernung zum gefundenen Objekt mit der Entfernung zu einer DLA-Linie übereinstimmt, dann haben wir die absorbierende Galaxie gefunden.  Diese Methode anwendend, können wir zeigen, daß wir erfolgreich einige wenige schon aus der Literatur bekannte DLA-Galaxien wiederentdecken können. In einer auf Erhöhung der Zahl von DLA-Galaxien abzielenden Duchmusterung haben wir acht neue DLA-Galaxienkandidaten identifiziert. Die projizierten Entfernungen von den Kandidaten zu den Quasarsichtlinien lassen erkennen, daß die DLA-Galaxien ähnliche Größen haben, wie nahe Scheibengalaxien. Daher lassen unsere Resultate darauf schließen, daß es große Scheibengalaxien gegeben haben könnte, als das Universum gerade zwei Milliarden Jahre alt war. Außerdem finden wir keine Unterschiede zwischen den Größen der sehr weit entfernten DLA-Galaxien und jenen, die nicht so weit entfernt sind. Die Größen implizieren, daß ihre Massen gebunden in neutralem Wasserstoff auch ähnlich sind zu jenen in lokalen Galaxien, aber wir vertreten die Ansicht, daß DLA-Galaxien nicht notwendigerweise so leuchtkräftig sind wie heutige Scheibengalaxien.  Den dreidimensionalen Blick ermöglicht durch die IFS-Daten ausnutzend, untersucht der zweite Teil dieser Doktorarbeit ausgedehnte Emissionslinienregionen, die in der Nachbarschaft der Quasare entstehen. Wir finden heraus, daß ausgedehnte Emissionsliniennebel um Quasare häufig sind und erforschen die ihnen zugrundeliegenden Effekte. Einige Quasare sind bekannte starke Radioquellen, während andere nicht im Radiobereich entdeckt werden. Wir zeigen, daß bedeutend größere und hellere Emissionsliniennebel um Quasare gefunden werden, welche die stärkste Radioemission, insbesondere große Radiojets, aufweisen. Die Existenz der Nebel kann interpretiert werden als eine Wechselwirkung der Radiojets mit dem umgebenden Medium, aber wir können nicht ausschließen, daß es Dichte- oder Temperaturunterschiede in der Umgebung gibt. Nur für die hellsten Objekte, für die zusätzliche Geschwindigkeitsinformation aus den IFS-Daten abgeleitet werden kann, vertreten wir die Ansicht der Wechselwirkung.  Die Nutzung der IFS bei der Suche nach schwachen Emissionslinien von Punktquellen wie auch ausgedehnten Nebeln bietet spannende neue Ergebnisse in den hier studierten wissenschaftlichen Gebieten.
KW  - Emissionslinien-Galaxie
KW  - Aktive Galaxie
KW  - Damped Lyman alpha
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5844
ER  - 
TY  - THES
A1  - Varykhalov, Andrei
T1  - Quantum-size effects in the electronic structure of novel self-organized systems with reduced dimensionality
T1  - Quantisierungseffekte in der elektronischen Struktur von neuen selbstorganisierten Systemen mit reduzierter Dimensionalität
N2  - The Thesis is focused on the properties of self-organized nanostructures. Atomic and electronic properties of different systems have been investigated using methods of electron diffraction, scanning tunneling microscopy and photoelectron spectroscopy. Implementation of the STM technique (including design, construction, and tuning of the UHV experimental set-up) has been done in the framework of present work. This time-consuming work is reported to greater detail in the experimental part of this Thesis.  The scientific part starts from the study of quantum-size effects in the electronic structure of a two-dimensional Ag film on the supporting substrate Ni(111). Distinct quantum well states in the sp-band of Ag were observed in photoelectron spectra. Analysis of thickness- and angle-dependent photoemission supplies novel information on the properties of the interface. For the first time the Ni(111) relative band gap was indirectly probed in the ground-state through the electronic structure of quantum well states in the adlayer. This is particularly important for Ni where valence electrons are strongly correlated. Comparison of the experiment with calculations performed in the formalism of the extended phase accumulation model gives the substrate gap which is fully consistent with the one obtained by ab-initio LDA calculations. It is, however, in controversy to the band structure of Ni measured directly by photoemission. These results lend credit to the simplest view of photoemission from Ni, assigning early observed contradictions between theory and experiments to electron correlation effects in the final state of photoemission.  Further, nanosystems of lower dimensionality have been studied. Stepped surfaces W(331) and W(551) were used as one-dimensional model systems and as templates for self-organization of Au nanoclusters. Photon energy dependent photoemission revealed a surface resonance which was never observed before on W(110) which is the base plane of the terrace microsurfaces. The dispersion E(k) of this state measured on stepped W(331) and W(551) with angle-resolved photoelectron spectroscopy is modified by a strong umklapp effect. It appears as two parabolas shifted symmetrically relative to the microsurface normal by half of the Brillouin zone of the step superlattice. The reported results are very important for understanding of the electronic properties of low-dimensional nanostructures.  It was also established that W(331) and W(551) can serve as templates for self-organization of metallic nanostructures. A combined study of electronic and atomic properties of sub-monolayer amounts of gold deposited on these templates have shown that if the substrate is slightly pre-oxidized and the temperature is elevated, then Au can alloy with the first monolayer of W. As a result, a nanostructure of uniform clusters of a surface alloy is produced all over the steps. Such clusters feature a novel sp-band in the vicinity of the Fermi level, which appears split into constant energy levels due to effects of lateral quantization.  The last and main part of this work is devoted to large-scale reconstructions on surfaces and nanostructures self-assembled on top. The two-dimensional surface carbide W(110)/C-R(15x3) has been extensively investigated. Photoemission studies of quantum size effects in the electronic structure of this reconstruction, combined with an investigation of its surface geometry, lead to an advanced structural model of the carbide overlayer.  It was discovered that W(110)/C-R(15x3) can control self-organization of adlayers into nanostructures with extremely different electronic and structural properties. Thus, it was established that at elevated temperature the R(15x3) superstructure controls the self-assembly of sub-monolayer amounts of Au into nm-wide nanostripes. Based on the results of core level photoemission, the R(15x3)-induced surface alloying which takes place between Au and W can be claimed as driving force of self-organization. The observed stripes exhibit a characteristic one-dimensional electronic structure with laterally quantized d-bands. Obviously, these are very important for applications, since dimensions of electronic devices have already stepped into the nm-range, where quantum-size phenomena must undoubtedly be considered.  Moreover, formation of perfectly uniform molecular clusters of C60 was demonstrated and described in terms of the van der Waals formalism. It is the first experimental observation of two-dimensional fullerene nanoclusters with "magic numbers". Calculations of the cluster potentials using the static approach have revealed characteristic minima in the interaction energy. They are achieved for 4 and 7 molecules per cluster. The obtained "magic numbers" and the corresponding cluster structures are fully consistent with the results of the STM measurements.
N2  - Die aktuelle Doktorarbeit ist auf die Eigenschaften von selbst-organisierten Nanostrukturen fokussiert. Die strukturellen und elektronischen Eigenschaften von verschiedenen Systemen wurden mit den Methoden Elektronenbeugung, Rastertunnelmikroskopie und Photoelektronenspektroskopie untersucht. Insbesondere wurde die fuer die Rastertunnelmikroskopie in situ praeparierter Proben eingesetzte Apparatur im Rahmen dieser Arbeit konstruiert und aufgebaut. Einzelheiten hierzu sind im experimentellen Kapitel zu finden.  Der wissenschftliche Teil beginnt mit Untersuchungen von Quantentrogeffekten in der elektronischen Struktur einer Ag-Schicht auf Ni(111)-Substrat. Charakteristische Quantentrogzustaende im Ag-sp-Band wurden in Photoelektronenspektren beobachtet. Die Analyse von schichtdicken- und winkelabhaengiger Photoemission hat neue und wesentliche Informationen ueber die Eigenschaften des Ag/Ni-Systems geliefert. Insbesondere konnte zum ersten Mal eine relative Bandluecke im Ni-Substrat durch das Verhalten der Quantentrogzustaende indirekt vermessen werden. Das ist fuer Ni besonders wichtig, weil es sich bei Ni um ein stark korreliertes Elektronensystem handelt. Die Ergebnisse wurden mit Rechnungen auf der Basis des erweiterten Phasenmodelles verglichen. Der Vergleich ergibt eine Bandluecke, die sehr gut mit ab-initio-Rechnungen auf Basis der lokalen Elektronendichte-Naehrung uebereinstimmen. Dennoch widersprechen die Daten der Ni-Bandstruktur, die direkt mit Photoemission gemessen wird. Diese Kontroverse zeigt deutlich, dass der Unterschied zwischen Theorie und Experiment Korrelationeffekten im Endzustand der Photoemission zugeordnet werden kann.  Des weiteren wurden Nanosysteme von noch niedrigerer Dimensionalitaet untersucht. Gestufte Oberflaechen W(331) und W(551) wurden als eindimensionale Modellsysteme fuer die Selbstorganisation von Au-Nanoclustern benutzt. Photonenenergieabhaengige Photoemission hat eine neue Oberflaechen-resonanz aufgedeckt, die auf der Basisebene der Terrassen dieser Systeme auftritt. Die Dispersion E(k) von diesem Zustand, die mit winkelaufgeloester Photoemission vermessen wurde, zeigt deutlich die Einwirkung von Umklapp-Effekten. Diese zeigen sich als zwei Parabeln, die relativ zu der Terrassennormale symmetrisch um die Haelfte der Oberflaechen-Brillouinzone verschoben sind. Die erzielten Ergebnisse sind sehr wichtig fuer das Verstaendnis der elektronischen Eigenschaften von eindimensionalen Nanostrukturen.  Ausserdem wurde gezeigt, dass W(331) und W(551) als Vorlage fuer selbstorganisierte metallische Nanostrukturen dienen koennen. Eine kombinierte Untersuchung von strukturellen und elektronischen Eigenschaften von unter-monolagen Mengen von Au auf diesen Substraten wurde durchgefuehrt. Es hat sich gezeigt, dass Au mit dem Substrat an der Oberflaeche legieren kann, wenn die Oberflaeche ein wenig oxidiert und die Temperatur erhoert ist. Als Folge formiert sich auf den Stufen eine Nanostruktur von gleichen (aber nicht regelmaessig verteilten) Nanoclustern aus dieser Au-W Legierung. Diese Oberflaechenlegierung bildet ein neuartiges sp-Band in der Naehe der Fermi-Kante. Zudem spaltet dieser neue elektronische Zustand in konstante Energieniveaus auf. Das beobachtete Phaenomen wird als laterale Quantisierung interpretiert.  Das letzte Kapitel dieser Doktorarbeit bildet auch den Hauptteil. Es handelt von Selbstorganisierungsphaenomenen auf einer Oberflaechenrekonstruktion und den Eigenschaften von so hergestellten Nanostrukturen. Das zweidimensionale Oberflaechen-Karbid W(110)/C-R(15x3) wurde intensiv untersucht. Beobachtete Quantentrogeffekte in der Photoemission in Kombination mit den Ergebnissen der Rastertunnelmikroskopuntersuchungen fuehren zu einem verbesserten Strukturmodell fuer das Oberflaechenkarbid.  Es wurde auch gezeigt, dass W(110)/C-R(15x3) die Selbstorganisierung von Nanostrukturen mit sehr verschiedenen elektronischen und strukturellen Eigenschaften steuern kann. Es wurde gefunden, dass bei erhoehter Temperatur die R(15x3)-Ueberstruktur die Bildung von Nanostreifen aus unter-monolagiger Au Bedeckung, von denen jede 1 nm breit ist, kontrolliert. Die hergestellten Nanostreifen besitzen eine charakteristische eindimensionale elektronische Struktur mit lateral quantisierten d-Baendern. Basierend auf der Photoemission von Rumpfniveaus wird eine Kohlenstoff-induzierte Oberflaechenlegierung zwischen Au und W als Grund fuer die beobachtete Organisierung vorgeschlagen. Solche Phaenomene sind sehr wichtig fuer Anwendungen, seit die Mikroelektronik in den nm-Massstab eingetreten ist, in welchem mit Quantentrogeffekten zu rechnen ist.  Zusaetzlich wurde die Bildung von perfekt uniformen molekularen Nanoclustern von C60 auf W(110)/C-R(15x3) demonstriert. Dieses Phaenomen kann im van-der-Waals Formalismus beschrieben werden. Die berichteten Ergebnisse sind eine erstmalige experimentelle Beobachtung von zweidimensionalen Fulleren-Nanoclustern mit "magischen Zahlen". Berechnungen der Clusterpotentiale in der statischen Naeherung im Girifalco-Modell zeigen Minima der Wechselwirkungsenergie fuer Cluster aus 4 und 7 C60-Molekuelen. Diese "magischen Zahlen" sowie die entsprechenden Clusterkonfigurationen sind vollkommen konsistent mit den Ergebnissen des STM-Experiments.
KW  - Nanostruktur
KW  - Selbstorganisation
KW  - Quantenwell
KW  - Quantendraht
KW  - Elektronische Eigenschaft
KW  - Oberflächenphysik
KW  - Eindimensionaler Festkörper
KW  - 1D
KW  - 2D
KW  - reduzierte Dimensionalität
KW  - elektronische Struktur
KW  - gestufte Oberfläche
KW  - Elektronen
KW  - 1D
KW  - 2D
KW  - reduced dimensionality
KW  - electronic structure
KW  - stepped surface
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5784
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kubowicz, Stephan
T1  - Design and characterization of multicompartment micelles in aqueous solution
T1  - Design und Charakterisierung von Multikompartiment-Mizellen in wässriger Lösung
N2  - Self-assembly of polymeric building blocks is a powerful tool for the design of novel materials and structures that combine different properties and may respond to external stimuli. In the past decades, most studies were focused on the self-assembly of amphiphilic diblock copolymers in solution. The dissolution of these block copolymers in a solvent selective for one block results mostly in the formation of micelles. The micellar structure of diblock copolymers is inherently limited to a homogeneous core surrounded by a corona, which keeps the micelle in solution. Thus, for drug-delivery applications, such structures only offer a single domain (the hydrophobic inner core) for drug entrapment. Whereas multicompartment micelles composed of a water-soluble shell and a segregated hydrophobic core are novel, interesting morphologies for applications in a variety of fields including medicine, pharmacy and biotechnology. The separated incompatible compartments of the hydrophobic core could enable the selective entrapment and release of various hydrophobic drugs while the hydrophilic shell would permit the stabilization of these nanostructures in physiological media. However, so far, the preparation and control of stable multicompartment micellar systems are in the first stages and the number of morphological studies concerning such micelles is rather low. Thus considerably little is known about their exact inner structures. In the present study, we concentrate on four different approaches for the preparation of multicompartment micelles by self-assembly in aqueous media. A similarity of all approaches was that hydrocarbon and fluorocarbon blocks were selected for all employed copolymers since such segments tend to be strongly incompatible, and thus favor the segregation into distinct domains. Our studies have shown that the self-assembly of the utilized copolymers in aqueous solution leads in three cases to the formation of multicompartment micelles. As expected the shape and size of the micelles depend on the molecular architecture and to some extent also on the way of preparation. These novel structured colloids may serve as models as well as mimics for biological structures such as globular proteins, and may open interesting opportunities for nanotechnology applications.
N2  - Die Selbstorganisation von synthetischen amphiphilen Blockcopolymeren ist ein vielseitiger Prozeß, der die Entwicklung von neuartigen Materialien, die verschiedene Eigenschaften miteinander verbinden und auch auf äußere Reize reagieren können, ermöglicht. In den letzten Jahrzehnten haben sich viele Untersuchungen mit der Selbstorganisation von Diblockcopolymeren in Lösung beschäftigt. So bilden zum Beispiel amphiphile Diblock-Copolymere in Wasser meist Mizellen die einen hydrophoben Kern und eine hydrophile Hülle besitzen. Ihre potentielle Anwendung als Wirkstoffträger ist jedoch begrenzt, da für die Einlagerung nur ein hydrophober Bereich zur Verfügung steht. Multikompartment-Mizellen, bestehend aus einer wasserlöslichen Hülle und einem unterteilten hydrophoben Kern, sind dagegen neuartige und sehr interessante Strukturen für die Nanotechnologie und im speziellen für die Nanobiotechnologie, da sie sich zum Beispiel als Träger für Arznei- und Wirkstoffe eignen. So könnten in die separaten und untereinander nicht mischbaren Kompartimente im Kern der Mizelle verschiedene hydrophobe Wirkstoffe selektiv eingelagert und auch freigesetzt werden, wobei die hydrophile Hülle die Nanostrukturen im physiologischen Medium stabilisiert. Aus diesem Grund wurden in den letzten Jahren verschiedene Strategien für die Herstellung von Multikompartiment-Mizellen vorgeschlagen. Bis jetzt gibt es jedoch nur eine begrenzte Anzahl an Untersuchungen, die sich mit der Morphologie solcher Mizellen befassen und somit ist auch wenig über ihre innere Struktur bekannt. In der vorliegenden Arbeit konzentrieren wir uns auf vier verschiedene Ansätze zur Herstellung von Multikompartiment-Mizellen durch Selbstorganisation in wässriger Lösung. Eine Gemeinsamkeit bei allen Ansätzen ist, das die untersuchten Copolymere einen hydrophoben Kohlenwasserstoff-Block sowie einen Fluorkohlenstoff-Block besitzen. Die Kombination von Kohlenwasserstoff- und Fluorkohlenstoff-Blöcken wurden gewählt, weil solche Segmente in der Regel nicht miteinander kompatibel sind und somit die Aufteilung in separate Domänen begünstigen. Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Selbstorganisation der verwendeten Copolymere in wässriger Lösung in drei Fällen zu Multikompartiment-Mizellen führt. Die Form und Größe der Mizellen ist erwartungsgemäß von der Molekülarchitektur und zum Teil auch vom Präparationsweg abhängig. Diese neuartigen, nanostrukturierten Kolloide könnten als Modell und Mimetika für biologische Strukturen wie die von globulären Proteinen fungieren. Sie eröffnen weiterhin interessante Möglichkeiten für Anwendungen in der Nanotechnologie.
T2  - Design and characterization of multicompartment micelles in aqueous solution
KW  - Amphiphile Verbindungen
KW  - Blockcopolymere
KW  - Micelle
KW  - Selbstorganisation
KW  - Kolloides System
KW  - Kolloid / Lösung
KW  - amphiphiles
KW  - block copolymers
KW  - colloids
KW  - micelles
KW  - self-assembly
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5752
ER  -