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  - Zaks, Michael A.
T1  - Fractal Fourier spectra in dynamical systems
N2  - Eine klassische Art, die Dynamik nichtlinearer Systeme zu beschreiben, besteht in der Analyse ihrer Fourierspektren. Für periodische und quasiperiodische Prozesse besteht das Fourierspektrum nur aus diskreten Deltafunktionen. Das Spektrum einer chaotischen Bewegung ist hingegen durch das Vorhandensein einer stetigen Komponente gekennzeichnet. In der Arbeit geht es um einen eigenartigen, weder regulären noch vollständig chaotischen Zustand mit sogenanntem singulärstetigen Leistungsspektrum.  Unsere Analyse ergab verschiedene Fälle aus weit auseinanderliegenden Gebieten, in denen singulär stetige (fraktale) Spektren auftreten. Die Beispiele betreffen sowohl physikalische Prozesse, die auf iterierte diskrete Abbildungen oder gar symbolische Sequenzen reduzierbar sind, wie auch Prozesse, deren Beschreibung auf den gewöhnlichen oder partiellen Differentialgleichungen basiert.
N2  - One of the classical ways to describe the dynamics of nonlinear systems is to analyze theur Fourier spectra. For periodic and quasiperiodic processes the Fourier spectrum consists purely of discrete delta-functions. On the contrary, the spectrum of a chaotic motion is marked by the presence of the continuous component. In this work, we describe the peculiar, neither regular nor completely chaotic state with so called singular-continuous power spectrum.  Our investigations concern various cases from most different fields, where one meets the singular continuous (fractal) spectra. The examples include both the physical processes which can be reduced to iterated discrete mappings or even symbolic sequences, and the processes whose description is based on the ordinary or partial differential equations.
KW  - Nichtlineares dynamisches System / Harmonische Analyse / Fraktal
KW  - Dynamische Systeme
KW  - Leistungsspektrum
KW  - Autokorrelation
KW  - dynamical systems
KW  - power spectrum
KW  - autocorrelation
Y1  - 2001
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000500
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zaikin, Alexei
T1  - Noise-induced transitions and resonant effects in nonlinear systems
T1  - -
N2  - Unsere alltägliche Erfahrung ist mit verschiedenen akustischen Einfluessen wie Lärm, aber auch Musik verbunden. Jeder weiss, wie Lärm stören kann und Kommunikation behindert oder gar unterbindet. Ähnliche optische Effekte sind bekannt: starkes Schneetreiben oder Regengüsse verschlechtern die Sicht und lassen uns Umrisse nur noch schemenhaft erkennen. Jedoch koennen ähnliche Stimuli auch sehr positive Auswirkungen haben: Autofahrer fahren bei leiser Musik konzentrierter -- die Behauptung von Schulkindern, nur bei dröhnenden Bässen die Mathehausaufgaben richtig rechnen zu können, ist allerdings nicht wissenschaftlich erwiesen. Außerordentlich interessant aus dieser Sicht sind auch Reizleitungsprozesse: Reize werden nur weitergleitet, wenn die strukturlosen Signale der Neuronen mit ausreichend starker Intensität erfolgen, also ein Schwellwert überschritten ist.   Der Physiker Dr. Alexei Zaikin von der Universität Potsdam beschäftigt sich mit sogenannten rauschinduzierten Phänomenen aus theorischer Sicht. Sein Forschungsgebiet sind Prozesse, bei denen Rauschen mehrfach das Systemverhalten beeinflusst: ist es ausreichend gross, d.h. größer als ein kritischer Wert, wird eine reguläre Struktur gebildet, die durch das immernoch vorhandene Rauschen mit der Struktur des Nachbarsystems synchronisiert. Um ein solches System mit kritischem Wert zu erhalten, bedarf es einer weiteren Rauschquelle. Herr Zaikin analysierte noch weitere Beispiele solcher doppelt stochastischen Effekte. Die Ausarbeitung derartiger theoretischer Grundlagen ist wichtig, da diese Prozesse in der Neurophysik, in technischen Kommunikationssystemen und in den Lebenswissenschaften eine Rolle spielen.
N2  - Our every-day experience is connected with different acoustical noise or music. Usually noise plays the role of nuisance in any communication and destroys any order in a system. Similar optical effects are known: strong snowing or raining decreases quality of a vision. In contrast to these situations noisy stimuli can also play a positive constructive role, e.g. a driver can be more concentrated in a presence of quiet music. Transmission processes in neural systems are of especial interest from this point of view: excitation or information will be transmitted only in the case if a signal overcomes a threshold.  Dr. Alexei Zaikin from the Potsdam University studies noise-induced phenomena in nonlinear systems from a theoretical point of view. Especially he is interested in the processes, in which noise influences the behaviour of a system twice: if the intensity of noise is over a threshold, it induces some regular structure that will be synchronized with the behaviour of neighbour elements. To obtain such a system with a threshold one needs one more noise source. Dr. Zaikin has analyzed further examples of such doubly stochastic effects and developed a concept of these new phenomena. These theoretical findings are important, because such processes can play a crucial role in neurophysics, technical communication devices and living sciences.
T2  - Noise-induced transitions and resonant effects in nonlinear systems
KW  - Rauschinduzierte Phänomene
KW  - Stochastische Prozesse
KW  - Rauschen
KW  - Stochastische Resonanz
KW  - Noise-induced phenomena
KW  - stochastic processes
KW  - noise
KW  - stochastic resonance
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000761
ER  - 
TY  - THES
A1  - Yuan, Jiayin
T1  - Poly(Ionic Liquid)s
BT  - innovative polyelectrolytes for materials applications
Y1  - 2015
ER  - 
TY  - THES
A1  - Yang, Haojin
T1  - Deep representation learning for multimedia data analysis
Y1  - 2019
ER  - 
TY  - THES
A1  - Weikl, Thomas R.
T1  - Transition states and loop-closure principles in protein folding
T1  - Übergangszustände und Schleifenschließungsprinzipien bei der Proteinfaltung
N2  - Proteins are chain molecules built from amino acids. The precise sequence of the 20 different types of amino acids in a protein chain defines into which structure a protein folds, and the three-dimensional structure in turn specifies the biological function of the protein. The reliable folding of proteins is a prerequisite for their robust function. Misfolding can lead to protein aggregates that cause severe diseases, such as Alzheimer's, Parkinson's, or the variant Creutzfeldt-Jakob disease. Small single-domain proteins often fold without experimentally detectable metastable intermediate states. The folding dynamics of these proteins is thought to be governed by a single transition-state barrier between the unfolded and the folded state. The transition state is highly instable and cannot be observed directly. However, mutations in which a single amino acid of the protein is substituted by another one can provide indirect access. The mutations slightly change the transition-state barrier and, thus, the folding and unfolding times of the protein. The central question is how to reconstruct the transition state from the observed changes in folding times. In this habilitation thesis, a novel method to extract structural information on transition states from mutational data is presented. The method is based on (i) the cooperativity of structural elements such as alpha-helices and beta-hairpins, and (ii) on splitting up mutation-induced free-energy changes into components for these elements. By fitting few parameters, the method reveals the degree of structure formation of alpha-helices and beta-hairpins in the transition state. In addition, it is shown in this thesis that the folding routes of small single-domain proteins are dominated by loop-closure dependencies between the structural elements.
N2  - Proteine sind Kettenmoleküle, die aus einzelnen Aminosäuren aufgebaut sind. Die genaue Sequenz der 20 verschiedenartigen Aminosäuren innerhalb der Proteinkette bestimmt dabei, in welche spezielle Struktur sich ein Protein faltet. Die dreidimensionale Struktur bestimmt wiederum die Funktion der Proteine. Doch nur korrekt gefaltet kann ein Protein seine Funktion erfüllen. Fehler bei der Faltung können zu Proteinaggregaten führen, die schwere Krankheiten wie Alzheimer, Parkinson oder das Creutzfeldt-Jakob-Syndrom hervorrufen. Viele kleine Proteine falten ohne experimentell beobachtbare metastabile Zwischenzustände. Entscheidend für die Faltungsdynamik dieser Proteine ist der Übergangszustand zwischen dem ungefalteten und gefalteten Zustand. Der Übergangszustand ist instabil und kann nicht direkt beobachtet werden. Einen indirekten Zugang ermöglichen jedoch Mutationen eines Proteins, bei denen einzelne Aminosäuren ausgetauscht werden. Die Mutationen verändern geringfügig die Übergangszustandsbarriere, und damit die Faltungs- und Entfaltungszeiten des Proteins. Die zentrale Frage ist, wie sich der Übergangszustand aus den beobachteten Änderungen der Faltungszeit rekonstruieren lässt. In dieser Habilitationsschrift wird eine neuartige Methode zur Rekonstruktion von Übergangszuständen aus Mutationsdaten vorgestellt. Die Methode beruht auf (i) der Kooperativität von Strukturelementen wie alpha-Helizes und beta-Haarnadeln, und (ii) der Aufspaltung von mutationsinduzierten Veränderungen der freien Energie in Komponenten für diese Strukturelemente. Die Modellierung der experimentellen Daten verrät, in welchem Grad alpha-Helizes and beta-Haarnadeln im Übergangszustand strukturiert sind. Zudem wird in dieser Habilitationsschrift gezeigt, dass die Faltungswege vieler kleiner Proteine durch Schleifenschließungsbeziehungen zwischen den Strukturelementen dominiert werden.
KW  - Proteinfaltung
KW  - Faltungsdynamik
KW  - Übergangszustand
KW  - Stochastische Prozesse
KW  - Schleifenschließung
KW  - protein folding
KW  - folding dynamics
KW  - transition state
KW  - stochastic processes
KW  - loop closure
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-26975
ER  - 
TY  - THES
A1  - Weckmann, Ute
T1  - Die elektrische Leitfähigkeit von fossilen Störungszonen und Mobile Belts
T1  - The electrical conductivity of fossil shear zones and mobile belts
N2  - In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Experimente zur Untersuchung der elektrischen Leitfähigkeit von Sutur- und Kollisionszonen im Zusammenhang diskutiert, um die Möglichkeiten, die die moderne Magnetotellurik (MT) für das Abbilden fossiler tektonischer Systeme bietet, aufzuzeigen. Aus den neuen hochauflösenden Abbildern der elektrischen Leitfähigkeit können potentielle Gemeinsamkeiten verschiedener tektonischer Einheiten abgeleitet werden. Innerhalb der letzten Dekade haben sich durch die Weiterentwicklung der Messgeräte und der Auswerte- und Interpretationsmethoden völlig neue Perspektiven für die geodynamische Tiefensondierung ergeben. Dies wird an meinen Forschungsarbeiten deutlich, die ich im Rahmen von Projekten selbst eingeworben und am Deutschen GeoForschungsZentrum Potsdam durchgeführt habe. In Tabelle A habe ich die in dieser Arbeit berücksichtigten Experimente aufgeführt, die in den letzten Jahren entweder als Array- oder als Profilmessungen durchgeführt wurden. Für derart große Feldexperimente benötigt man ein Team von WissenschaftlerInnen, StudentInnen und technischem Personal. Das bedeutet aber auch, dass von mir betreute StudentInnen und DoktorandInnen Teilaspekte dieser Experimente in Form von Diplom-, Bachelor- und Mastersarbeiten oder Promotionsschriften verarbeitet haben. Bei anschließender Veröffentlichung der Arbeiten habe ich als Co-Autor mitgewirkt. Die beiliegenden Veröffentlichungen enthalten eine Einführung in die Methode der Magnetotellurik und gegebenenfalls die Beschreibung neu entwickelter Methoden. Eine allgemeine Darstellung der theoretischen Grundlagen der Magnetotellurik findet man zum Beispiel in Chave & Jones (2012); Simpson & Bahr (2005); Kaufman & Keller (1981); Nabighian (1987); Weaver (1994). Die Arbeit beinhaltet zudem ein Glossar, in dem einige Begriffe und Abkürzungen erklärt werden. Ich habe mich entschieden, Begriffe, für die es keine adäquate deutsche Übersetzung gibt oder die im Deutschen eine andere oder missverständliche Bedeutung bekommen, auf Englisch in der Arbeit zu belassen. Sie sind durch eine kursive Schreibweise gekennzeichnet.
N2  - In this habilitation thesis, I present and discuss different experiments to study the electrical conductivity of fossil shear zones, suture and continental collision zones, particularly in view of the possibilities offered by modern magnetotellurics (MT). With new high-resolution images of the electrical conductivity, properties of different tectonic units, environments and their evolution can be derived and compared. Within the past decade, advanced data acquisition systems together with novel analysis and interpretation methods have fostered burgeoning and completely new perspectives for electromagnetic depth sounding. This is impressively reflected in my research and proposed projects which were performed at the German Research Centre for Geosciences. The overview table contains research projects and field experiments that were carried out in recent years either with an array or a profile station layout. For conducting such large field experiments, a team of scientists, students and technicians is necessary; however, this also means that parts of this research has been done by (doctoral) students supervised by myself within the framework of their PhD, Diploma, Bachelor or Masters projects. In this case I have co-authored resulting publications. Some of the publications and the introductory chapters of this thesis include an introduction to the Magnetotelluric method and describe own methodological development work. A general theoretical background of MT can be found for example in Chave et al. (2012); Simpson et al. (2005); Kaufman et al. (1981); Nabighian (1987); Weaver (1994). The work also includes a glossary of some terms and abbreviations relevant for this thesis. The thesis is written in German, although the publications are in English. I have decided to keep English terms for which there is no adequate German translation or which have a different or ambiguous meaning in German. They are indicated by italic script.
KW  - Magnetotellurik
KW  - Störungszonen
KW  - elektrische Leitfähigkeit
KW  - Mobile Belts
KW  - electrical conductivity
KW  - Magnetotellurics
KW  - continental collision zones
KW  - suture zones
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-88820
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wagner, Dirk
T1  - Microbial perspectives of the methane cycle in permafrost ecosystems in the Eastern Siberian Arctic : implications for the global methane budget
N2  - The Arctic plays a key role in Earth’s climate system as global warming is predicted to be most pronounced at high latitudes and because one third of the global carbon pool is stored in ecosystems of the northern latitudes. In order to improve our understanding of the present and future carbon dynamics in climate sensitive permafrost ecosystems, the present study concentrates on investigations of microbial controls of methane fluxes, on the activity and structure of the involved microbial communities, and on their response to changing environmental conditions. For this purpose an integrated research strategy was applied, which connects trace gas flux measurements to soil ecological characterisation of permafrost habitats and molecular ecological analyses of microbial populations. Furthermore, methanogenic archaea isolated from Siberian permafrost have been used as potential keystone organisms for studying and assessing life under extreme living conditions. Long-term studies on methane fluxes were carried out since 1998. These studies revealed considerable seasonal and spatial variations of methane emissions for the different landscape units ranging from 0 to 362 mg m-2 d-1. For the overall balance of methane emissions from the entire delta, the first land cover classification based on Landsat images was performed and applied for an upscaling of the methane flux data sets. The regionally weighted mean daily methane emissions of the Lena Delta (10 mg m-2 d-1) are only one fifth of the values calculated for other Arctic tundra environments. The calculated annual methane emission of the Lena Delta amounts to about 0.03 Tg. The low methane emission rates obtained in this study are the result of the used remotely sensed high-resolution data basis, which provides a more realistic estimation of the real methane emissions on a regional scale. Soil temperature and near soil surface atmospheric turbulence were identified as the driving parameters of methane emissions. A flux model based on these variables explained variations of the methane budget corresponding to continuous processes of microbial methane production and oxidation, and gas diffusion through soil and plants reasonably well. The results show that the Lena Delta contributes significantly to the global methane balance because of its extensive wetland areas. The microbiological investigations showed that permafrost soils are colonized by high numbers of microorganisms. The total biomass is comparable to temperate soil ecosystems. Activities of methanogens and methanotrophs differed significantly in their rates and distribution patterns along both the vertical profiles and the different investigated soils. The methane production rates varied between 0.3 and 38.9 nmol h-1 g-1, while the methane oxidation ranged from 0.2 to 7.0 nmol h-1 g-1. Phylogenetic analyses of methanogenic communities revealed a distinct diversity of methanogens affiliated to Methanomicrobiaceae, Methanosarcinaceae and Methanosaetaceae, which partly form four specific permafrost clusters. The results demonstrate the close relationship between methane fluxes and the fundamental microbiological processes in permafrost soils. The microorganisms do not only survive in their extreme habitat but also can be metabolic active under in situ conditions. It was shown that a slight increase of the temperature can lead to a substantial increase in methanogenic activity within perennially frozen deposits. In case of degradation, this would lead to an extensive expansion of the methane deposits with their subsequent impacts on total methane budget. Further studies on the stress response of methanogenic archaea, especially Methanosarcina SMA-21, isolated from Siberian permafrost, revealed an unexpected resistance of the microorganisms against unfavourable living conditions. A better adaptation to environmental stress was observed at 4 °C compared to 28 °C. For the first time it could be demonstrated that methanogenic archaea from terrestrial permafrost even survived simulated Martian conditions. The results show that permafrost methanogens are more resistant than methanogens from non-permafrost environments under Mars-like climate conditions. Microorganisms comparable to methanogens from terrestrial permafrost can be seen as one of the most likely candidates for life on Mars due to their physiological potential and metabolic specificity.
N2  - Die Arktis spielt eine Schlüsselrolle im Klimasystem unserer Erde aus zweierlei Gründen. Zum einen wird vorausgesagt, dass die globale Erwärmung in den hohen Breiten am ausgeprägtesten sein wird. Zum anderen ist ein Drittel des globalen Kohlenstoffs in Ökosystemen der nördlichen Breiten gespeichert. Um ein besseres Verständnis der gegenwärtigen und zukünftigen Entwicklung der Kohlenstoffdynamik in klimaempfindlichen Permafrostökosystemen zu erlangen, konzentriert sich die vorliegende Arbeit auf Untersuchungen zur Kontrolle der Methanflüsse durch Mikroorganismen, auf die Aktivität und Struktur der beteiligten Mikroorganismen-gemeinschaften und auf ihre Reaktion auf sich ändernde Umweltbedingungen. Zu diesem Zweck wurde eine integrierte Forschungsstrategie entwickelt, die Spurengasmessungen mit boden- und molekularökologischen Untersuchungen der Mikroorganismengemeinschaften verknüpft. Langzeitmessungen zu den Methanflüssen werden seit 1998 durchgeführt. Diese Untersuchungen zeigten beträchtliche saisonale und räumliche Schwankungen der Methanemissionen auf, die zwischen 0 und 362 mg m-2 d-1 für die untersuchten Landschaftseinheiten schwankten. Für die Bilanzierung der Methanemissionen für das gesamte Delta wurde erstmals eine Klassifikation der unterschiedlichen Landschaftseinheiten anhand von Landsat-Aufnahmen durchgeführt und für eine Hochrechnung der Methandaten genutzt. Die Mittelwerte der regional gewichteten täglichen Methanemissionen des Lenadeltas (10 mg m-2 d-1) sind nur ein Fünftel so hoch wie die berechneten Werte für andere arktische Tundren. Die errechnete jährliche Methanemission des Lenadeltas beträgt demnach ungefähr 0,03 Tg. Die geringen Methanemissionsraten dieser Studie können durch den bisher noch nicht realisierten integrativen Ansatz, der Langzeitmessungen und Landschafts-klassifizierungen beinhaltet, erklärt werden. Bodentemperatur und oberflächennahe atmosphärische Turbulenzen wurden als die antreibenden Größen der Methanfreisetzung identifiziert. Ein Modell, das auf diesen Variablen basiert, erklärt die Veränderungen der Methanflüsse gemäß der dynamischen mikrobiellen Prozesse und der Diffusion von Methan durch den Boden und die Pflanzen zutreffend. Die Ergebnisse zeigen, dass das Lenadelta erheblich zur globalen Methanemission aufgrund seiner weitreichenden Feuchtgebiete beiträgt. Die mikrobiologischen Untersuchungen zeigten, dass Permafrostböden durch eine hohe Anzahl von Mikroorganismen besiedelt wird. Die Gesamtbiomasse ist dabei mit Bodenökosystemen gemäßigter Klimate vergleichbar. Die Stoffwechselaktivitäten von methanogenen Archaeen und methanotrophen Bakterien unterschieden sich erheblich in ihrer Rate und Verteilung im Tiefenprofil sowie zwischen den verschiedenen untersuchten Böden. Die Methanbildungsrate schwankte dabei zwischen 0,3 und 38,9 nmol h-1 g-1, während die Methanoxidation eine Rate von 0,2 bis 7,0 nmol h-1 g-1 aufwies. Phylogenetische Analysen der methanogenen Mikro-organismengemeinschaften zeigten eine ausgeprägte Diversität der methanogenen Archaeen auf. Die Umweltsequenzen bildeten vier spezifische Permafrostcluster aus, die den Gruppen Methanomicrobiaceae, Methanosarcinaceae und Methano-saetaceae zugeordnet werden konnten. Die Ergebnisse zeigen, dass die Methanfreisetzung durch die zugrunde liegenden mikrobiologischen Prozesse im Permafrostboden gesteuert wird. Die beteiligten Mikroorganismen überleben nicht nur in ihrem extremen Habitat, sondern zeigten auch Stoffwechselaktivität unter in-situ-Bedingungen. Ferner konnte gezeigt werden, dass eine geringfügige Zunahme der Temperatur zu einer erheblichen Zunahme der Methanbildungsaktivität in den ständig gefrorenen Permafrostablagerungen führen kann. Im Falle der Permafrostdegradation würde dieses zu einer gesteigerten Freisetzung von Methan führen mit bisher unbekannten Auswirkungen auf das Gesamtbudget der Methanfreistzung aus arktischen Gebieten. Weitere Untersuchungen zur Stresstoleranz von methanogenen Archaeen – insbesondere des neuen Permafrostisolates Methanosarcina SMA-21 - weisen eine unerwartete Widerstandsfähigkeit der Mikroorganismen gegenüber ungünstigen Lebensbedingungen auf. Eine bessere Anpassung an Umweltstress wurde bei 4°C im Vergleich zu 28°C beobachtet. Zum ersten Mal konnte gezeigt werden, dass methanogene Archaeen aus terrestrischem Permafrost unter simulierten Marsbedingungen unbeschadet überleben. Die Ergebnisse zeigen, dass methanogene Archaeen aus Permafrostböden resistenter gegenüber Umweltstress und Marsbedingungen sind als entsprechende Mikroorganismen aus Habitaten, die nicht durch Permafrost gekennzeichnet sind. Mikroorganismen, die den Archaeen aus terrestrischen Permafrosthabitaten ähneln, können als die wahrscheinlichsten Kandidaten für mögliches Leben auf dem Mars angesehen werden.
KW  - Methankreislauf
KW  - mikrobielle Prozesse
KW  - Diversität
KW  - Spurengasflüsse
KW  - Permafrostökosysteme
KW  - methane cycle
KW  - microbial processes
KW  - diversity
KW  - trace gas fluxes
KW  - permafrost ecosystems
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-15434
ER  - 
TY  - THES
A1  - Vogel, Heike
T1  - Genetics of obesity and type 2 diabetes
N2  - By using mouse outcross populations in combination with bioinformatic approaches, it was possible to identify and characterize novel genes regulating body weight, fat mass and β-cell function, which all contribute to the pathogenesis of obesity and T2D. In detail, the presented studies identified 1. Ifi202b/IFI16 as adipogenic gene involved in adipocyte commitment, maintenance of white adipocyte identity, fat cell size and the inflammatory state of adipose tissue. 2. Pla2g4a/PLA2G4A as gene linked to increased body weight and fat mass with a higher expression in adipose tissue of obese mice and pigs as well as in obese human subjects. 3. Ifgga2/IRGM as novel regulator of lipophagy protecting from excess hepatic lipid accumulation. 4. Nidd/DBA as a diabetogenic locus containing Kti12, Osbpl9, Ttc39a and Calr4 with differential expression in pancreatic islets and/or genetic variants. 5. miR-31 to be higher expressed in adipose tissue of obese and diabetic mice and humans targeting PPARy and GLUT4 and thereby involved in adipogenesis and insulin signaling. 6. Gjb4 as novel gene triggering the development of T2D by reducing insulin secretion, inducing apoptosis and inhibiting proliferation. The performed studies confirmed the complexity and strong genetic heritability character of obesity and T2D. A high number of genetic variations, each with a small effect, are collectively influencing the degree and severity of the disease. The use of mouse outcross populations is a valid tool for disease gene identification; however, to facilitate and accelerate the process of gene identification the combination of mouse cross data with advanced sequencing resources and the publicly available data sets are essential. The main goal for future studies should be the translation of these novel molecular discoveries to useful treatment therapies. More recently, several classes of novel unimolecular combination therapeutics have emerged with superior efficacy than currently prescribed options and pose the potential to reverse obesity and T2D (Finan et al., 2015). The glucagon-like peptide-1 (GLP-1)- estrogen conjugate, which targets estrogen into cells expressing GLP-1 receptors, was shown to improve energy, glucose and lipid metabolism as well as to reduce food reward (Finan et al., 2012; Schwenk et al., 2014; Vogel et al., 2016). Another possibility is the development of miRNA-based therapeutics to prevent obesity and T2D, such as miRNA mimetics, anti-miRNA oligonucleotides and exosomes loaded with miRNAs (Ji and Guo, 2019; Gottmann et al., 2020). As already described, genome-wide association studies for polygenic obesity and T2D traits in humans have also led to the identification of numerous gene variants with modest effect, most of them having an unknown function (Yazdi et al., 2015). These discoveries resulted in novel animal models and have illuminated new biologic pathways. Therefore, the integration of mouse-human genetic approaches and the utilization of the synergistic effects have the potential to lead to the identification of more genes responsible for common Mendelian forms of obesity and T2D, as well as gene × gene and gene × environment interactions (Yazdi et al., 2015; Ingelsson and McCarthy, 2018). This combination may help to unravel the missing heritability of obesity and T2D, to identify novel drug targets and to design more efficient and personalized obesity prevention and management programs.
Y1  - 2021
CY  - Potsdam
ER  - 
TY  - THES
A1  - Vocks, Christian
T1  - Electron kinetic processes in the solar corona and wind
T1  - Elektronenkinetische Prozesse in der Korona der Sonne und im Sonnenwind
N2  - The Sun is surrounded by a 10^6 K hot atmosphere, the corona. The corona and the solar wind are fully ionized, and therefore in the plasma state. Magnetic fields play an important role in a plasma, since they bind electrically charged particles to their field lines. EUV spectroscopes, like the SUMER instrument on-board the SOHO spacecraft, reveal a preferred heating of coronal ions and strong temperature anisotropies. Velocity distributions of electrons can be measured directly in the solar wind, e.g. with the 3DPlasma instrument on-board the WIND satellite. They show a thermal core, an anisotropic suprathermal halo, and an anti-solar, magnetic-field-aligned, beam or "strahl". For an understanding of the physical processes in the corona, an adequate description of the plasma is needed. Magnetohydrodynamics (MHD) treats the plasma simply as an electrically conductive fluid. Multi-fluid models consider e.g. protons and electrons as separate fluids. They enable a description of many macroscopic plasma processes. However, fluid models are based on the assumption of a plasma near thermodynamic equilibrium. But the solar corona is far away from this. Furthermore, fluid models cannot describe processes like the interaction with electromagnetic waves on a microscopic scale. Kinetic models, which are based on particle velocity distributions, do not show these limitations, and are therefore well-suited for an explanation of the observations listed above. For the simplest kinetic models, the mirror force in the interplanetary magnetic field focuses solar wind electrons into an extremely narrow beam, which is contradicted by observations. Therefore, a scattering mechanism must exist that counteracts the mirror force. In this thesis, a kinetic model for electrons in the solar corona and wind is presented that provides electron scattering by resonant interaction with whistler waves. The kinetic model reproduces the observed components of solar wind electron distributions, i.e. core, halo, and a "strahl" with finite width. But the model is not only applicable on the quiet Sun. The propagation of energetic electrons from a solar flare is studied, and it is found that scattering in the direction of propagation and energy diffusion influence the arrival times of flare electrons at Earth approximately to the same degree. In the corona, the interaction of electrons with whistler waves does not only lead to scattering, but also to the formation of a suprathermal halo, as it is observed in interplanetary space. This effect is studied both for the solar wind as well as the closed volume of a coronal magnetic loop. The result is of fundamental importance for solar-stellar relations. The quiet solar corona always produces suprathermal electrons. This process is closely related to coronal heating, and can therefore be expected in any hot stellar corona. In the second part of this thesis it is detailed how to calculate growth or damping rates of plasma waves from electron velocity distributions. The emission and propagation of electron cyclotron waves in the quiet solar corona, and that of whistler waves during solar flares, is studied. The latter can be observed as so-called fiber bursts in dynamic radio spectra, and the results are in good agreement with observed bursts.
N2  - Die Sonne ist von einer 10^6 K heißen Atmosphäre, der Korona, umgeben. Sie ist ebenso wie der Sonnenwind vollständig ionisiert, also ein Plasma. Magnetfelder spielen in einem Plasma eine wichtige Rolle, da sie elektrisch geladene Teilchen an ihre Feldlinien binden. EUV-Spektroskope, wie SUMER auf der Raumsonde SOHO, zeigen eine bevorzugte Heizung koronaler Ionen sowie starke Temperaturanisotropien. Geschwindigkeitsverteilung von Elektronen können im Sonnenwind direkt gemessen werden, z.B. mit dem 3DPlasma Instrument auf dem Satelliten WIND. Sie weisen einen thermischen Kern, einen isotropen suprathermischen Halo, sowie einen anti-solaren, magnetfeldparallelen Strahl auf. Zum Verständnis der physikalischen Prozesse in der Korona wird eine geeignete Beschreibung des Plasms benötigt. Die Magnetohydrodynamik (MHD) betrachtet das Plasma einfach als elektrisch leitfähige Flüssigkeit. Mehrflüssigkeitsmodelle behandeln z.B. Protonen und Elektronen als getrennte Fluide. Damit lassen sich viele makroskopische Vorgänge beschreiben. Fluidmodelle basieren aber auf der Annahme eines Plasmas nahe am thermodynamischen Gleichgewicht. Doch die Korona ist weit davon entfernt. Ferner ist es mit Fluidmodellen nicht möglich, Prozesse wie die Wechselwirkung mit elektromagnetischen Wellen mikroskopisch zu beschreiben. Kinetische Modelle, die Geschwindigkeitsverteilungen beschreiben, haben diese Einschränkungen nicht und sind deshalb geeignet, die oben genannten Messungen zu erklären. Bei den einfachsten Modellen bündelt die Spiegelkraft im interplanetaren Magnetfeld die Elektronen des Sonnenwinds in einen extrem engen Strahl, im Widerspruch zur Beobachtung. Daher muss es einen Streuprozess geben, der dem entgegenwirkt. In der vorliegenden Arbeit wird ein kinetisches Modell für Elektronen in der Korona und im Sonnenwind präsentiert, bei dem die Elektronen durch resonante Wechselwirkung mit Whistler-Wellen gestreut werden. Das kinetische Modell reproduziert die beobachteten Bestandteile von Elektronenverteilungen im Sonnenwind, d.h. Kern, Halo und einen Strahl endlicher Breite. Doch es ist nicht nur auf die ruhige Sonne anwendbar. Die Ausbreitung energetischer Elektronen eines solaren Flares wird untersucht und dabei festgestellt, dass Streuung in Ausbreitungsrichtung und Diffusion in Energie die Ankunftszeiten von Flare-Elektronen bei der Erde in etwa gleichem Maße beeinflussen. Die Wechselwirkung von Elektronen mit Whistlern führt in der Korona nicht nur zu Streuung, sondern auch zur Erzeugung eines suprathermischen Halos, wie er im interplanetaren Raum gemessen wird. Dieser Effekt wird sowohl im Sonnenwind als auch in einem geschlossenen koronalen Magnetfeldbogen untersucht. Das Ergebnis ist von fundamentaler Bedeutung für solar-stellare Beziehungen. Die ruhige Korona erzeugt stets suprathermische Elektronen. Dieser Prozeß ist eng mit der Koronaheizung verbunden, und daher in jeder heißen stellaren Korona zu erwarten. Im zweiten Teil der Arbeit wird beschrieben, wie sich aus der Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen die Dämpfung oder Anregung von Plasmawellen berechnen lässt. Die Erzeugung und Ausbreitung von Elektronenzyklotronwellen in der ruhigen Korona und von Whistlern während solarer Flares wird untersucht. Letztere sind als sogenannte fiber bursts in dynamischen Radiospektren beobachtbar, und die Ergebnisse stimmen gut mit beobachteten Bursts überein.
KW  - Sonnenkorona
KW  - Plasmaphysik
KW  - kinetische Theorie
KW  - Elektronen-Geschwindigkeitsverteilungen
KW  - Whistler-Wellen
KW  - Solar corona
KW  - plasma physics
KW  - kinetic theory
KW  - electron velocity distributions
KW  - whistler waves
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-65259
ER  - 
TY  - THES
A1  - Titirici, Maria-Magdalena
T1  - Hydrothermal carbonisation
T1  - Hydrothermale Karbonisierung
BT  - A sustainable alternative to versatile carbon materials
BT  - Eine nachhaltige Alternative zu Kohle
N2  - The world’s appetite for energy is producing growing quantities of CO2, a pollutant that contributes to the warming of the planet and which currently cannot be removed or stored in any significant way. Other natural reserves are also being devoured at alarming rates and current assessments suggest that we will need to identify alternative sources in the near future. With the aid of materials chemistry it should be possible to create a world in which energy use needs not be limited and where usable energy can be produced and stored wherever it is needed, where we can minimize and remediate emissions as new consumer products are created, whilst healing the planet and preventing further disruptive and harmful depletion of valuable mineral assets. In achieving these aims, the creation of new and very importantly greener industries and new sustainable pathways are crucial. In all of the aforementioned applications, new materials based on carbon, ideally produced via inexpensive, low energy consumption methods, using renewable resources as precursors, with flexible morphologies, pore structures and functionalities, are increasingly viewed as ideal candidates to fulfill these goals. The resulting materials should be a feasible solution for the efficient storage of energy and gases. At the end of life, such materials ideally must act to improve soil quality and to act as potential CO2 storage sinks. This is exactly the subject of this habilitation thesis: an alternative technology to produce carbon materials from biomass in water using low carbonisation temperatures and self-generated pressures. This technology is called hydrothermal carbonisation. It has been developed during the past five years by a group of young and talented researchers working under the supervision of Dr. Titirici at the Max-Planck Institute of Colloids and Interfaces and it is now a well-recognised methodology to produce carbon materials with important application in our daily lives. These applications include electrodes for portable electronic devices, filters for water purification, catalysts for the production of important chemicals as well as drug delivery systems and sensors.
N2  - Der stets wachsende globale Energiebedarf führt zu immer weiter zunehmenden Emissionen von Kohlenstoffdioxid, einem umweltschädlichen Gas, das als eines der Hauptprobleme im weltweiten Klimawandel darstellt. Bislang ist es jedoch nicht möglich, dieses Kohlenstoffdioxid in sinnvoller Weise zu verwerten oder einzulagern. Zudem existieren weitere Probleme in der globalen Energieversorgung, da viele natürlich vorkommende Rohstoffe sehr schnell ausgebeutet werden, so dass in naher Zukunft dringend alternative Energiequellen gefunden werden müssen, um den aktuellen Problemen zu begegnen. Der Wissenschaftszweig der Materialchemie zielt in diesem Zusammenhang darauf ab, dazu beizutragen, die bestehende Energieinfrastruktur nachhaltig zu verändern. Dabei stehen verschiedene Aspekte im Vordergrund: Energie sollte in allen gewünschten Mengen jederzeit verfügbar und auch speicherbar sein. Zudem sollte ihre Erzeugung ohne umweltschädliche Abfallprodukte ablaufen. Tiefgreifende Eingriffe in die Umwelt, v.a. durch den übermäßigen Abbau von Rohstoffen, sollte nicht mehr erforderlich sein. Auf diese Weise können die Folgen des bisherigen Klimawandels eingedämmt werden und neue Schäden an der Umwelt vermieden werden. Neue, grüne Industrie- und Energieprozesse schützen hier also nachhaltig den Planeten. Bei der Forschung an nachhaltigen Formen der Energieversorgung beschäftigen sich Materialchemiker in mannigfaltiger Weise mit Kohlenstoffmaterialien. Diese sollten idealerweise kostengünstig und ohne hohen Energiebedarf produziert werden können. Am vielversprechendsten sind Materialien, die eine flexibel gestaltbare Morphologie besitzen, d.h. die besondere strukturelle Eigenschaften besitzen, wie z.B. Porosität oder chemisch veränderte und damit funktionale Oberflächen. Idealerweise sollten solche neu entwickelten Materialien nicht nur als Speicher von Energie oder Energieträgern dienen, sondern auch nach ihrer Lebensdauer als funktionales Material zur Verbesserung der Bodenqualität eingesetzt werden können und dort noch weiter als potentielle Senke für Kohlenstoffdioxid dienen können. Die zuvor beschriebenen Themen und Probleme stellen den Gegenstand der vorliegenden Habilitationsschrift dar: die Entwicklung einer alternativen Methode zur Herstellung von Kohlenstoffmaterialien aus Biomasse in Wasser bei geringen Temperaturen. Dabei handelt es sich um die sogenannte hydrothermale Karbonisierung, die in den letzten fünf Jahren von einer Gruppe junger, talentierter Wissenschaftler unter der Anleitung von Frau Dr. Titirici am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung erarbeitet und weiterentwickelt wurde zu einer heutzutage anerkannten und verbreiteten Methode. Zudem wurden die über diesen Weg gewonnenen Materialien erfolgreich in zahlreichen, für den Alltag wichtigen Anwendungen eingesetzt, so z.B. als Elektroden in tragbaren elektronischen Geräten, als Filtermaterialien für die Aufreinigung kontaminierten Wassers, als Katalysatoren für wichtige chemische Reaktionen, als Trägermaterial für Arzneimittel und als Sensoren.
KW  - Hydrothermale Karbonisierung
KW  - Kohlenstoffe auf Biomasse-Basis
KW  - hydrothermal carbonization
KW  - biomass-derived carbons
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-66885
ER  - 
TY  - THES
A1  - Thonicke, Kirsten
T1  - The influence of disturbance, climate extremes and land-use change on vegetation dynamics
Y1  - 2019
ER  - 
TY  - THES
A1  - Thieken, Annegret
T1  - Floods, flood losses and flood risk management in Germany
T1  - Hochwasser, Hochwasserschäden und Hochwasserrisikomanagement in Deutschland
N2  - Die vorliegende Habilitation beschäftigt sich mit verschiedenen Aspekten des Hochwasserrisikos in Deutschland. In zwölf Artikeln werden neue wissenschaftliche Erkenntnisse über Hochwassergefahren, über Faktoren, die Hochwasserschäden beeinflussen, sowie über effektive private Vorsorgemaßnahmen präsentiert. So wird die jahreszeitliche Verteilung von Hochwasser in ganz Deutschland gezeigt. Weiterhin werden mögliche Auswirkungen des Klimawandels auf Abflussverhältnisse und Häufigkeiten von Hochwasserereignissen am Beispiel des Rhein-Einzugsgebietes abgeschätzt. Ferner wird am Niederrhein simuliert, welche Auswirkungen Deichbrüche haben können. Hochwasserschäden stehen im zweiten Teil der Arbeit im Fokus: Nach dem August-Hochwasser 2002 wurden ca. 1700 Privathaushalte telefonisch befragt. Damit konnten die Einflüsse verschiedener Faktoren, wie der Überflutungsdauer oder der Verunreinigung des Hochwassers mit Öl, auf die Höhe von finanziellen Schäden quantifiziert werden. Daraus ist zum einen ein neues Modell entstanden, mit dem Hochwasserschäden großräumig berechnet werden können. Zum anderen konnten Hinweise für die Verbesserung der privaten Vorsorge abgeleitet werden. Beispielsweise zeigte sich, dass versicherte Haushalte schneller und besser entschädigt werden als Nicht-Versicherte. Ebenfalls wurde deutlich, dass verschiedene Bevölkerungsgruppen, wie Mieter und Hauseigentümer, unterschiedliche Möglichkeiten haben, Vorsorge zu betreiben. Dies ist zukünftig in der Risikokommunikation zu berücksichtigen. In den Jahren 2005 und 2006 waren Elbe und Donau wiederum von Hochwasser betroffen. Eine erneute Befragung von Privathaushalten und Behörden ermöglichte, die Verbesserung des Hochwasserrisikomanagement und der Vorsorge am Beispiel der Stadt Dresden zu untersuchen. Viele Methoden und Erkenntnisse dieser Arbeit sind in der wasserwirtschaftlichen Praxis anwendbar und tragen somit zur Verbesserung der Hochwasserrisikoanalyse und des Risikomanagements in Deutschland bei.
N2  - This thesis deals with different aspects of flood risk in Germany. In twelve papers new scientific findings about flood hazards, factors that influence flood losses as well as effective private precautionary measures are presented. The seasonal distribution of flooding is shown for the whole of Germany. Furthermore, possible impacts of climate change on discharge and flood frequencies are estimated for the catchment of the river Rhine. Moreover, it is simulated at reaches of the Lower Rhine, which effects may result from levee breaches. Flood losses are the focus of the second part of the thesis: After the flood in August 2002 approximately 1700 households were interviewed by telephone. By this, it was possible to quantify the influence of different factors such as flood duration or the contamination of the flood water with oil on the extent of financial flood damage. On this basis, a new model was derived, by which flood losses can be calculated on a large scale. On the other hand, it was possible to derive recommendations for the improvement of private precaution. For example, the analysis revealed that insured households were compensated more quickly and to a better degree than uninsured. It became also clear that different groups like tenants and homeowners have different capabilities of performing precaution. This is to be considered in future risk communication. In 2005 and 2006, the rivers Elbe and Danube were again affected by flooding. A renewed pool among households and public authorities enabled us to investigate the improvement of flood risk management and the precaution in the City of Dresden. Several methods and finding of this thesis are applicable for water resources management issues and contribute to an improvement of flood risk analysis and management in Germany.
KW  - Hochwasserregime
KW  - Auswirkungen des Klimawandels
KW  - Schadensmodellierung
KW  - Eigenvorsorge
KW  - Hochwasserversicherung
KW  - flood regime
KW  - climate change impacts
KW  - loss modelling
KW  - private precaution
KW  - flood insurance
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-29164
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TY  - THES
A1  - Theilmann, Florian
T1  - Die Kunst der Untersuchung : Essays zu einem erscheinungsorientierten Physikunterricht
T1  - The art of inquiry : essays on phenomenological science teaching
N2  - Die vorliegende Arbeit versammelt zwei einleitende Kapitel und zehn Essays, die sich als kritisch-konstruktive Beiträge zu einem "erlebenden Verstehen" (Buck) von Physik lesen lassen. Die traditionelle Anlage von Schulphysik zielt auf eine systematische Darstellung naturwissenschaftlichen Wissens, das dann an ausgewählten Beispielen angewendet wird: Schulexperimente beweisen die Aussagen der Systematik (oder machen sie wenigstens plausibel), ausgewählte Phänomene werden erklärt. In einem solchen Rahmen besteht jedoch leicht die Gefahr, den Bezug zur Lebenswirklichkeit oder den Interessen der Schüler zu verlieren. Diese Problematik ist seit mindestens 90 Jahren bekannt, didaktische Antworten - untersuchendes Lernen, Kontextualisierung, Schülerexperimente etc. - adressieren allerdings eher Symptome als Ursachen. Naturwissenschaft wird dadurch spannend, dass sie ein spezifisch investigatives Weltverhältnis stiftet: man müsste gleichsam nicht Wissen, sondern "Fragen lernen" (und natürlich auch, wie Antworten gefunden werden...). Doch wie kann dergleichen auf dem Niveau von Schulphysik aussehen, was für einen theoretischen Rahmen kann es hier geben? In den gesammelten Arbeiten wird einigen dieser Spuren nachgegangen: Der Absage an das zu modellhafte Denken in der phänomenologischen Optik, der Abgrenzung formal-mathematischen Denkens gegen wirklichkeitsnähere Formen naturwissenschaftlicher Denkbewegungen und Evidenz, dem Potential alternativer Interpretationen von "Physikunterricht", der Frage nach dem "Verstehen" u.a. Dabei werden nicht nur Bezüge zum modernen bildungstheoretischen Paradigma der Kompetenz sichtbar, sondern es wird auch versucht, eine ganze Reihe konkrete (schul-)physikalische Beispiele dafür zu geben, was passiert, wenn nicht schon gewusste Antworten Thema werden, sondern Expeditionen, die sich der physischen Welt widmen: Die Schlüsselbegriffe des Fachs, die Methoden der Datenerhebung und Interpretation, die Such- und Denkbewegungen kommen dabei auf eine Weise zur Sprache, die sich nicht auf die Fachsystematik abstützen möchte, sondern diese motivieren, konturieren und verständlich machen will.
N2  - This book is a collection of two introductory chapters and ten essays that address questions concerning "experiential learning" in physics. Traditionally, physics education has been trying to convey a systematic picture of salient scientific knowledge, which would then be applied to selected experiments and phenomena. However, within such a framework, students' real life experiences and interests can hardly be related to. This problem is well known, but typical solutions within science education address merely the methods and conditions of learning, thereby treating symptoms and missing the underlying problem. For our discussion we have chosen a different point of departure: The fascination of science arises from its investigative nature, which allows us to relate to our world in novel ways. Accordingly, we should teach how to inquire nature, rather than giving canonical answers. What would be the practical consequences of such an approach, and what would the theoretical framework look like? These collected essays investigate a number of approaches toward this issue: phenomenological optics and its rejection of kinematic pictures, the distinction between mathematical reasoning and scientific evidence, the potential of non-conventional interpretations of science teaching, the meaning of "understanding" etc. This discussion merges into the current discourse about competence, while illustrating a kind of physics teaching that encourages "expeditions" into the realm of physics. Here, the key concepts, methods of investigation, and ways of reasoning are not simply based on the established edifice of physics, but rather serve to motivate, clarify, and elucidate its structures and practices.
KW  - Physikdidaktik
KW  - Phänomenologie
KW  - Verstehen
KW  - Unterrichtsvorschläge
KW  - Wissenschaftstheorie
KW  - Physics Education
KW  - Phenomenology
KW  - Understanding
KW  - Science Curriculum
KW  - Philosophy of Science
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-56145
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TY  - THES
A1  - Stroncik, Nicole A.
T1  - Volatiles as tracers for mantle processes and magma formation and evolution
N2  - The geochemical composition of oceanic basalts provides us with a window into the distribution of geochemical elements within the Earth’s mantle in space and time. In conjunction with a throughout knowledge on how the different elements behave e.g. during melt formation and evolution or on their partition behaviour between e.g. minerals and melts this information has been transformed into various models on how oceanic crust is formed along plume influenced or normal mid-ocean ridge segments, how oceanic crust evolves in response to seawater, on subduction recycling of oceanic crust and so forth. The work presented in this habilitation was aimed at refining existing models, putting further constraints on some of the major open questions in this field of research while at the same time trying to increase our knowledge on the behaviour of noble gases as a tracer for melt formation and evolution processes. In the line of this work the author and her co-workers were able to answer one of the major questions concerning the formation of oceanic crust along plume-influenced ridges – in which physical state does the plume material enter the ridge? Based on submarine volcanic glass He, Ne and Ar data, the author and her co-workers have shown that the interaction of mantle plumes with mid-ocean ridges occurs in the physical form of melts. In addition, the author and her co-workers have also put further constraints on one of the major questions concerning the formation of oceanic crust along normal mid-ocean ridges – namely how is the mid-ocean ridge system effectively cooled to form the lower oceanic crust? Based on Ne and Ar data in combination with Cl/K ratios of basaltic glass from the Mid-Atlantic ridge and estimates of crystallisation pressures they have shown, that seawater penetration reaches lower crustal levels close to the Moho, indicating that hydrothermal circulation might be an effective cooling mechanism even for the deep parts of the oceanic crust. Considering subduction recycling, the heterogeneity of the Earth’s mantle and mantle dynamic processes the key question is on which temporal and spatial scales is the Earth’s mantle geochemically heterogeneous? In the line of this work the author along with her co-workers have shown based on Cl/K ratios in conjunction with the Sr, Nd, and Pb isotopes of the OIBs representing the type localities for the different mantle endmembers that the quantity of Cl recycled into the mantle via subduction is not uniform and that neither the HIMU nor the EM1 and EM2 mantle components can be considered as distinct mantle endmembers. In addition, we have shown, based on He, Ne and Ar isotope and trace-element data from the Foundation hotspot that the near ridge seamounts of the Foundation seamount chain formed by the Foundation hotspot erupt lavas with a trace-element signature clearly characteristic of oceanic gabbro which indicates the existence of recycled, virtually unchanged lower oceanic crust in the plume source. This is a clear sign of the inefficiency of the stirring mechanism existing at mantle depth. Similar features are seen in other near-axis hotspot magmas around the world. Based on He, Sr, Nd, Pb and O isotopes and trace elements in primitive mafic dykes from the Etendeka flood basalts, NW Namibia the author along with her co-workers have shown that deep, less degassed mantle material carried up by a mantle plume contributed significantly to the flood basalt magmatism. The Etendeka flood basalts are part of the South Atlantic LIP, which is associated with the breakup of Gondwana, the formation of the Paraná-Etendeka flood basalts and the Walvis Ridge - Tristan da Cunha hotspot track. Thus reinforcing the lately often-challenged concept of mantle plumes and the role of mantle plumes in the formation of large igneous provinces. Studying the behaviour of noble gases during melt formation and evolution the author along with her co-workers has shown that He can be considerable more susceptible to changes during melt formation and evolution resulting not only in a complete decoupling of He isotopes from e.g. Ne or Pb isotopes but also in a complete loss of the primary mantle isotope signal. They have also shown that this decoupling occurs mainly during the melt formation processes requiring He to be more compatible during mantle melting than Ne. In addition, the author along with her co workers were able to show that incorporation of atmospheric noble gases into igneous rocks is in general a two-step process: (1) magma contamination by assimilation of altered oceanic crust results in the entrainment of air-equilibrated seawater noble gases; (2) atmospheric noble gases are adsorbed onto grain surfaces during sample preparation. This implies, considering the ubiquitous presence of the contamination signal, that magma contamination by assimilation of a seawater-sourced component is an integral part of mid-ocean ridge basalt evolution.
KW  - noble gases
KW  - mantle formation
KW  - mantle evolution
KW  - ocean-crust formation
KW  - plume-ridge interaction
KW  - contamination processes
KW  - magmatic processes
KW  - continental break-up
Y1  - 2019
ER  - 
TY  - THES
A1  - Strauß, Volker
T1  - Laser-induced carbonization - from fundamentals to applications
N2  - Fabricating electronic devices from natural, renewable resources has been a common goal in engineering and materials science for many years. In this regard, carbon is of special significance due to its biological compatibility. In the laboratory, carbonized materials and their composites have been proven as promising solutions for a range of future applications in electronics, optoelectronics, or catalytic systems. On the industrial scale, however, their application is inhibited by tedious and expensive preparation processes and a lack of control over the processing and material parameters. Therefore, we are exploring new concepts for the direct utilization of functional carbonized materials in electronic applications. In particular, laser-induced carbonization (carbon laser-patterning (CLaP)) is emerging as a new tool for the precise and selective synthesis of functional carbon-based materials for flexible on-chip applications. 
We developed an integrated approach for on-the-spot laser-induced synthesis of flexible, carbonized films with specific functionalities. To this end, we design versatile precursor inks made from naturally abundant starting compounds and reactants to cast films which are carbonized with an infrared laser to obtain functional patterns of conductive porous carbon networks. In our studies we obtained deep mechanistic insights into the formation process and the microstructure of laser-patterned carbons (LP-C). We shed light on the kinetic reaction mechanism based on the interplay between the precursor properties and the reaction conditions. Furthermore, we investigated the use of porogens, additives, and reactants to provide a toolbox for the chemical and physical fine-tuning of the electronic and surface properties and the targeted integration of functional sites into the carbon network. Based on this knowledge, we developed prototype resistive chemical and mechanical sensors. In further studies, we show the applicability of LP-C as electrode materials in electrocatalytic and charge-storage applications.
To put our findings into a common perspective, our results are embedded into the context of general carbonization strategies, fundamentals of laser-induced materials processing, and a broad literature review on state-of-the-art laser-carbonization, in the general part.
N2  - Die Herstellung elektronischer Geräte aus natürlichen, erneuerbaren Ressourcen ist seit vielen Jahren ein gemeinsames Ziel in den Ingenieurs- und Materialwissenschaften. Kohlenstoff kommt dabei aufgrund seiner biologischen Verträglichkeit eine besondere Bedeutung zu. Im Labor haben sich karbonisierte Materialien und ihre Verbundwerkstoffe als vielversprechende Lösungen für eine Reihe zukünftiger Anwendungen in der Elektronik, Optoelektronik oder katalytischen Systemen erwiesen. Im industriellen Maßstab wird ihre Anwendung jedoch durch langwierige und teure Herstellungsverfahren und mangelnde Kontrolle über die Verarbeitungs- und Materialparameter gehemmt. Daher erforschen wir neue Konzepte für die direkte Nutzung funktionaler karbonisierter Materialien in elektronischen Anwendungen. Insbesondere die laserinduzierte Karbonisierung / Kohlenstoff-Laserstrukturierung (KoLaSt) entwickelt sich zu einem neuen Werkzeug für die präzise und selektive Synthese von funktionellen Materialien auf Kohlenstoffbasis für flexible On-Chip-Anwendungen.
Wir haben einen integrierten Ansatz für die direkte laserinduzierte Synthese von flexiblen, karbonisierten Filmen mit spezifischen Funktionalitäten entwickelt. Zu diesem Zweck haben wir vielseitige Vorläufertinten aus natürlich vorkommenden organischen Ausgangsstoffen und Reaktanten entwickelt, um Filme aufzutragen, die mit einem Infrarotlaser karbonisiert werden um dadurch funktionelle Muster aus leitfähigen porösen Kohlenstoffnetzwerken zu erhalten. In unseren Studien haben wir tiefe mechanistische Einblicke in den Bildungsprozess und die Mikrostruktur von laserstrukturierten Kohlenstoffen (LP-C) erhalten. Wir beleuchten den kinetischen Reaktionsmechanismus basierend auf dem Zusammenspiel zwischen den Vorläufereigenschaften und den Reaktionsbedingungen. Darüber hinaus untersuchen wir die Verwendung von Porogenen, Additiven und Reaktanten, um eine Toolbox für die chemische und physikalische Feineinstellung der elektronischen und Oberflächeneigenschaften und die gezielte Integration von funktionellen Einheiten in das Kohlenstoffnetzwerk bereitzustellen. Basierend auf diesem Wissen haben wir Prototypen resistiver chemischer und mechanischer Sensoren entwickelt. In weiteren Studien zeigen wir die Anwendbarkeit von LP-C als Elektrodenmaterialien in elektrokatalytischen und Ladungsspeicheranwendungen.
Um unsere Erkenntnisse in eine allgemeine Perspektive zu bringen, betten wir unsere Ergebnisse im allgemeinen Teil in den Kontext bekannter Karbonisierungsstrategien, Grundlagen der laserinduzierten Materialbearbeitung und einer breiten Literaturübersicht zum Stand der Technik der Laserkarbonisierung ein.
KW  - Laser-Carbonization
KW  - Carbonization
KW  - Chemical Sensors
KW  - Electronic materials
KW  - Laserkarbonisierung
KW  - Karbonisierung
KW  - chemische Sensoren
KW  - elektronische Materialien
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-591995
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TY  - THES
A1  - Schwarz, Ulrich Sebastian
T1  - Forces and elasticity in cell adhesion
T1  - -
N2  - Das Verhalten adhärenter Zellen hängt stark von den chemischen, topographischen und mechanischen Eigenschaften ihrer Umgebung ab. Experimentelle Untersuchungen der letzten Jahre haben gezeigt, dass adhärente Zellen aktiv die elastischen Eigenschaften ihrer Umgebung erkunden, indem sie an dieser ziehen. Der resultierende Kraftaufbau hängt von den elastischen Eigenschaften der Umgebung ab und wird an den Adhäsionskontakten in entsprechende biochemische Signale umgewandelt, die zelluläre Programme wie Wachstum, Differenzierung, programmierten Zelltod und Zellbewegung mitbestimmen. Im Allgemeinen sind Kräfte wichtige Einflussgrößen in biologischen Systemen. Weitere Beispiele dafür sind Hör- und Tastsinn, Wundheilung sowie die rollende Adhäsion von weißen Blutkörperchen auf den Wänden der Blutgefäße. In der Habilitationsschrift von Ulrich Schwarz werden mehrere theoretische Projekte vorgestellt, die die Rolle von Kräften und Elastizität in der Zelladhäsion untersuchen. (1) Es wurde eine neue Methode entwickelt, um die Kräfte auszurechnen, die Zellen an den Kontaktpunkten auf mikro-strukturierte elastische Substrate ausüben. Das Hauptergebnis ist, dass Zell-Matrix-Kontakte als Mechanosensoren funktionieren, an denen interne Kräfte in Proteinaggregation umgewandelt werden. (2) Eine Ein-Schritt-Master-Gleichung, die die stochastische Dynamik von Adhäsionsclustern als Funktion von Clustergröße, Rückbindungsrate und Kraft beschreibt, wurde sowohl analytisch als auch numerisch gelöst. Zudem wurde dieses Modell auf Zell-Matrix-Kontakte, dynamische Kraftspektroskopie sowie die rollende Adhäsion angewandt. (3) Im Rahmen der linearen Elastizitätstheorie und mit Hilfe des Konzepts der Kraftdipole wurde ein Modell formuliert und gelöst, das die Positionierung und Orientierung von Zellen in weicher Umgebung vorhersagt. Diese Vorhersagen sind in guter Übereinstimmung mit zahlreichen experimentellen Beobachtungen für Fibroblasten auf elastischen Substraten und in Kollagen-Gelen.
N2  - The behaviour of an adhering cell is strongly influenced by the chemical, topographical and mechanical properties of the surface it attaches to. During recent years, it has been found experimentally that adhering cells actively sense the elastic properties of their environment by pulling on it through numerous sites of adhesion. The resulting build-up of force at sites of adhesion depends on the elastic properties of the environment and is converted into corresponding biochemical signals, which can trigger cellular programmes like growth, differentiation, apoptosis, and migration. In general, force is an important regulator of biological systems, for example in hearing and touch, in wound healing, and in rolling adhesion of leukocytes on vessel walls. In the habilitation thesis by Ulrich Schwarz, several theoretical projects are presented which address the role of forces and elasticity in cell adhesion. (1) A new method has been developed for calculating cellular forces exerted at sites of focal adhesion on micro-patterned elastic substrates. The main result is that cell-matrix contacts function as mechanosensors, converting internal force into protein aggregation. (2) A one-step master equation for the stochastic dynamics of adhesion clusters as a function of cluster size, rebinding rate and force has been solved both analytically and numerically. Moreover this model has been applied to the regulation of cell-matrix contacts, to dynamic force spectroscopy, and to rolling adhesion. (3) Using linear elasticity theory and the concept of force dipoles, a model has been introduced and solved which predicts the positioning and orientation of mechanically active cells in soft material, in good agreement with experimental observations for fibroblasts on elastic substrates and in collagen gels.
T2  - Forces and elasticity in cell adhesion
KW  - Biophysik
KW  - Zelladhäsion
KW  - elastische Substrate
KW  - Elastizitätstheorie
KW  - Kraftdipole
KW  - stochastische Dynamik
KW  - Master-Gleichungen
KW  - rollende Adhäsion
KW  - dyna
KW  - biophysics
KW  - cell adhesion
KW  - elastic substrates
KW  - elasticity theory
KW  - force dipoles
KW  - stochastic dynamics
KW  - master equations
KW  - rolling adhesion
KW  - dynamic forc
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001343
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schwanghart, Wolfgang
T1  - Digital elevation model analysis in geomorphology and natural hazards research
BT  - from algorithms to applications
Y1  - 2022
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TY  - THES
A1  - Schröter, Kai
T1  - Improved flood risk assessment
BT  - new data sources and methods for flood risk modelling
N2  - Rivers have always flooded their floodplains. Over 2.5 billion people worldwide have been affected by flooding in recent decades. The economic damage is also considerable, averaging 100 billion US dollars per year. There is no doubt that damage and other negative effects of floods can be avoided. However, this has a price: financially and politically. Costs and benefits can be estimated through risk assessments. Questions about the location and frequency of floods, about the objects that could be affected and their vulnerability are of importance for flood risk managers, insurance companies and politicians. Thus, both variables and factors from the fields of hydrology and sociol-economics play a role with multi-layered connections. One example are dikes along a river, which on the one hand contain floods, but on the other hand, by narrowing the natural floodplains, accelerate the flood discharge and increase the danger of flooding for the residents downstream. Such larger connections must be included in the assessment of flood risk. However, in current procedures this is accompanied by simplifying assumptions. Risk assessments are therefore fuzzy and associated with uncertainties.
This thesis investigates the benefits and possibilities of new data sources for improving flood risk assessment. New methods and models are developed, which take the mentioned interrelations better into account and also quantify the existing uncertainties of the model results, and thus enable statements about the reliability of risk estimates. For this purpose, data on flood events from various sources are collected and evaluated. This includes precipitation and flow records at measuring stations as well as for instance images from social media, which can help to delineate the flooded areas and estimate flood damage with location information. Machine learning methods have been successfully used to recognize and understand correlations between floods and impacts from a wide range of data and to develop improved models. 
Risk models help to develop and evaluate strategies to reduce flood risk. These tools also provide advanced insights into the interplay of various factors and on the expected consequences of flooding. This work shows progress in terms of an improved assessment of flood risks by using diverse data from different sources with innovative methods as well as by the further development of models. Flood risk is variable due to economic and climatic changes, and other drivers of risk. In order to keep the knowledge about flood risks up-to-date, robust, efficient and adaptable methods as proposed in this thesis are of increasing importance.
N2  - Flüsse haben seit jeher ihre Auen überflutet. In den vergangenen Jahrzehnten waren weltweit über 2,5 Milliarden Menschen durch Hochwasser betroffen. Auch der ökonomische Schaden ist mit durchschnittlich 100 Milliarden US Dollar pro Jahr erheblich. Zweifelsohne können Schäden und andere negative Auswirkungen von Hochwasser vermieden werden. Allerdings hat dies einen Preis: finanziell und politisch. Kosten und Nutzen lassen sich durch Risikobewertungen abschätzen. Dabei werden in der Wasserwirtschaft, von Versicherungen und der Politik Fragen nach dem Ort und der Häufigkeit von Überflutungen, nach den Dingen, die betroffen sein könnten und deren Anfälligkeit untersucht. Somit spielen sowohl Größen und Faktoren aus den Bereichen der Hydrologie und Sozioökonmie mit vielschichtigen Zusammenhängen eine Rolle. Ein anschauliches Beispiel sind Deiche entlang eines Flusses, die einerseits in ihrem Abschnitt Überflutungen eindämmen, andererseits aber durch die Einengung der natürlichen Vorländer den Hochwasserabfluss beschleunigen und die Gefährdung für die Anlieger flussab verschärfen. Solche größeren Zusammenhänge müssen in der Bewertung des Hochwasserrisikos einbezogen werden. In derzeit gängigen Verfahren geht dies mit vereinfachenden Annahmen einher. Risikoabschätzungen sind daher unscharf und mit Unsicherheiten verbunden.
Diese Arbeit untersucht den Nutzen und die Möglichkeiten neuer Datensätze für eine Verbesserung der Hochwasserrisikoabschätzung. Es werden neue Methoden und Modelle entwickelt, die die angesprochenen Zusammenhänge stärker berücksichtigen und auch die bestehenden Unsicherheiten der Modellergebnisse beziffern und somit die Verlässlichkeit der getroffenen Aussagen einordnen lassen. Dafür werden Daten zu Hochwasserereignissen aus verschiedenen Quellen erfasst und ausgewertet. Dazu zählen neben Niederschlags-und Durchflussaufzeichnungen an Messstationen beispielsweise auch Bilder aus sozialen Medien, die mit Ortsangaben und Bildinhalten helfen können, die Überflutungsflächen abzugrenzen und Hochwasserschäden zu schätzen. Verfahren des Maschinellen Lernens wurden erfolgreich eingesetzt, um aus vielfältigen Daten, Zusammenhänge zwischen Hochwasser und Auswirkungen zu erkennen, besser zu verstehen und verbesserte Modelle zu entwickeln. 
Solche Risikomodelle helfen bei der Entwicklung und Bewertung von Strategien zur Minderung des Hochwasserrisikos. Diese Werkzeuge ermöglichen darüber hinaus Einblicke in das Zusammenspiel verschiedener Faktoren sowie Aussagen zu den zu erwartenden Folgen auch von Hochwassern, die das bisher bekannte Ausmaß übersteigen. Diese Arbeit verzeichnet Fortschritte in Bezug auf eine verbesserte Bewertung von Hochwasserrisiken durch die Nutzung vielfältiger Daten aus unterschiedlichen Quellen mit innovativen Verfahren sowie der Weiterentwicklung von Modellen. Das Hochwasserrisiko unterliegt durch wirtschaftliche Entwicklungen und klimatische Veränderungen einem steten Wandel. Um das Wissen über Risiken aktuell zu halten sind robuste, leistungs- und anpassungsfähige Verfahren wie sie in dieser Arbeit vorgestellt werden von zunehmender Bedeutung.
T2  - Verbesserte Hochwasserrisikobewertung: Neue Datenquellen und Methoden für die Risikomodellierung
KW  - flood
KW  - risk
KW  - vulnerability
KW  - machine learning
KW  - uncertainty
KW  - Hochwasser
KW  - Risiko
KW  - Vulnerabilität
KW  - Maschinelles Lernen
KW  - Unsicherheiten
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-480240
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schmidt, Bernhard V. K. J.
T1  - Polymers, self-assembly and materials
BT  - from polymer synthesis to applications
BT  - von der Polymersynthese bis zur Anwendung
N2  - In der vorliegenden Arbeit wurden die Selbstorganisation von hydrophilen Polymeren, verstärkte Hydrogele, sowie anorganische/Polymer Hybridmaterialien untersucht. Dabei beschreibt die Arbeit den Weg von Polymersynthese mittels verschiedener Methoden über Polymerselbstanordnung bis zur Herstellung von Polymermaterialien mit vielversprechenden Eigenschaften für zukünftige Anwendungen.
Hydrophile Polymere wurden verwendet, um Mehrphasensysteme herzustellen, Wasser-in-Wasser Emulsionen zu bilden und selbstangeordneten Strukturen zu erzeugen, z. B. Partikel/Aggregate oder hohle Strukturen aus komplett wasserlöslichen Bausteinen. Die Strukturbildung in wässriger Umgebung wurde ferner für supramolekulare Hydrogele mit definierter Unterstruktur und reversiblem Gelierungsverhalten eingesetzt. Auf dem Gebiet der Hydrogele wurde das anorganische Material graphitisches Kohlenstoffnitrid (g-CN) als Photoinitiator für die Hydrogelsynthese und als Verstärker der Gelstruktur beschrieben. Hierbei konnten Hydrogele mit herausragenden Eigenschaften generiert werden, z. B. hohe Kompressibilität, hohe Speichermodule oder Gleitfähigkeit. Die Kombinationen von g-CN mit verschiedenen Polymeren erlaubte es zudem neue Materialien für die Photokatalyse bereitzustellen. Als weiteres anorganisches Material wurden Metall-organische Gerüste (MOFs) mit Polymeren kombiniert. Es konnte gezeigt werden, dass die Verwendung von MOFs in der Polymersynthese einen starken Einfluss auf die erzeugte Polymerstruktur hat und MOFs als Katalysator für Polymerisationen verwendet werden können. Zuletzt wurde die MOF Synthese an sich untersucht, wobei Polymeradditive oder Lösungsmittel eingesetzt wurden um die kristalline Struktur der MOFs zu modulieren.
Insgesamt wurden hier verschiedene Errungenschaften für die Polymerchemie beschrieben, z.B. neuartige hydrophile Polymere und Hydrogele, die zur Zeit wichtige Materialien im Polymerbereich durch ihre vielversprechenden Anwendungen im biomedizinischen Sektor darstellen. Außerdem ergab die Kombination von Polymeren mit Materialien aus anderen Bereichen der Chemie, z. B. g-CN und MOFs, neue Materialien mit bemerkenswerten Eigenschaften, die ebenfalls von Interesse für zukünftige Anwendungen sind, z. B. Beschichtungen, Partikeltechnologie und Katalyse.
N2  - In the present thesis, self-assembly of hydrophilic polymers, reinforced hydrogels and inorganic/polymer hybrids were examined. The thesis describes an avenue from polymer synthesis via various methods over polymer self-assembly to the formation of polymer materials that have promising properties for future applications.
Hydrophilic polymers were utilized to form multi-phase systems, water-in-water emulsions and self-assembled structures, e.g. particles/aggregates or hollow structures from completely water-soluble building blocks. The structuring of aqueous environments by hydrophilic homo and block copolymers was further utilized in the formation of supramolecular hydrogels with compartments or specific thermal behavior. Furthermore, inorganic graphitic carbon nitride (g-CN) was utilized as photoinitiator for hydrogel formation and as reinforcer for hydrogels. As such, hydrogels with remarkable mechanical properties were synthesized, e.g. high compressibility, high storage modulus or lubricity. In addition, g-CN was combined with polymers for a broad range of materials, e.g. coatings, films or latex, that could be utilized in photocatalytic applications. Another inorganic material class was combined with polymers in the present thesis as well, namely metal-organic frameworks (MOFs). It was shown that the pore structure of MOFs enables improved control over tacticity and achievement of high molar masses. Furthermore, MOF-based polymerization catalysis was introduced with improved control for coordinating monomers, catalyst recyclability and decreased metal contamination in the product. Finally, the effect of external influence on MOF morphology was studied, e.g. via solvent or polymer additives, which allowed the formation of various MOF structures.
Overall, advances in several areas of polymer science are presented in here. A major topic of the thesis was hydrophilic polymers and hydrogels that currently constitute significant materials in the polymer field due to promising future applications in biomedicine. Moreover, the combination of polymers with materials from other areas of research, i.e. g-CN and MOFs, provided various new materials with remarkable properties also of interest for applications in the future, e.g. coatings, particle structures and catalysis.
T2  - Polymere, Selbstanordnungen und Materialien
KW  - block copolymers
KW  - carbon nitride
KW  - metal-organic frameworks
KW  - Blockcopolymere
KW  - Kohlenstoffnitrid
KW  - Metall-organische Gerüste
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-484819
ER  -