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 ER - TY - THES A1 - Metzger, Sabrina T1 - Neotectonic deformation over space and time as observed by space-based geodesy T1 - Über die Vermessung neotektonischer Deformation in Raum und mit Hilfe von satellitengestützter Geodäsie N2 - Alfred Wegeners ideas on continental drift were doubted for several decades until the discovery of polarization changes at the Atlantic seafloor and the seismic catalogs imaging oceanic subduction underneath the continental crust (Wadati-Benioff Zone). It took another 20 years until plate motion could be directly observed and quantified by using space geodesy. Since then, it is unthinkable to do neotectonic research without the use of satellite-based methods. Thanks to a tremendeous increase of instrumental observations in space and time over the last decades we significantly increased our knowledge on the complexity of the seismic cycle, that is, the interplay of tectonic stress build up and release. Our classical assumption, earthquakes were the only significant phenomena of strain release previously accumulated in a linear fashion, is outdated. We now know that this concept is actually decorated with a wide range of slow and fast processes such as triggered slip, afterslip, post-seismic and visco-elastic relaxation of the lower crust, dynamic pore-pressure changes in the elastic crust, aseismic creep, slow slip events and seismic swarms. On the basis of eleven peer-reviewed papers studies I here present the diversity of crustal deformation processes. Based on time-series analyses of radar imagery and satellited-based positioning data I quantify tectonic surface deformation and use numerical and analytical models and independent geologic and seismologic data to better understand the underlying crustal processes. The main part of my work focuses on the deformation observed in the Pamir, the Hindu Kush and the Tian Shan that together build the highly active continental collision zone between Northwest-India and Eurasia. Centered around the Sarez earthquake that ruptured the center of the Pamir in 2015 I present diverse examples of crustal deformation phenomena. Driver of the deformation is the Indian indenter, bulldozing into the Pamir, compressing the orogen that then collapses westward into the Tajik depression. A second natural observatory of mine to study tectonic deformation is the oceanic subduction zone in Chile that repeatedly hosts large earthquakes of magnitude 8 and more. These are best to study post-seismic relaxation processes and coupling of large earthquake. My findings nicely illustrate how complex fashion and how much the different deformation phenomena are coupled in space and time. My publications contribute to the awareness that the classical concept of the seismic cycle needs to be revised, which, in turn, has a large influence in the classical, probabilistic seismic hazard assessment that primarily relies on statistically solid recurrence times. N2 - Alfred Wegeners Thesen des Kontinentaldrifts fanden erst in den 1960er und 1970er Jahren Akzeptanz, als die krustalen Polarisationswechsel auf dem atlantischen Meeresboden entdeckt wurden und Erdbebenkataloge das Abtauchen von ozeanischer Kruste unter kontinentale Kruste abbildeten (Wadati-Benioff-Zone). Es dauerte jedoch weitere 20 Jahre, bis die Geodäsie erstmals Plattenbewegung sicht- und quantifizierbar machte. Seit dann sind satellitengestützte Messmethoden aus der neotektonischen Forschung nicht mehr wegzudenken. Dank einer stetig (zeitlich und räumlich) wachsenden Anzahl instrumenteller Beobachtungsdaten wird unser Verständnis des Erdbebenzyklus—des Wechselspiels zwischen tektonischem Spannungsauf- und -abbau—immer komplexer. Das klassische Konzept, nur Erdbeben setzten die zuvor linear aufgebaute Spannungsenergie instantan frei, wird heutzutage durch eine Vielzahl von zusätzlichen schnelleren und langsameren Prozessen ergänzt. Beispiele dafür sind getriggerte Versätze (triggered slip), Nachbeben (afterslip), postseismische und visko-elastische Relaxation der tieferen Kruste, dynamische, elastische Veränderungen des Gesteins-Porendrucks, aseismisches Kriechen sowie Spannungsabbau durch kleine Erdbebenschwärme. Anhand von elf begutachteten und bereits veröffentlichten Arbeiten präsentiere ich in meiner Habilitationsschrift die Diversität krustaler Deformationsprozesse. Ich analysiere Zeitreihen von Radar-Satellitenaufnahmen und satellitengestützten Positionierungssystemen um die tektonische Oberflächenbewegung zu quantifizieren. Der Vergleich von kinematischen Beobachtungen mit geologischen und seismischen Indizien sowie die Simulation ebenjener durch rechnergestützte Modelle ermöglichen mir, die verursachenden krustalen Prozesse besser verstehen. Der Hauptteil meiner Arbeiten beschreibt rezente, krustale Bewegungen im Pamir, Hindu Kush und Tien Shan, welche zusammen das westliche Ende der kontinentalen Kollisionszone zwischen dem indischen und eurasischen Kontinent bilden. Rund um ein starkes Erdbeben, welches 2015 den Zentralpamir erschüttert hat, zeige ich vielseitige Beispiele von hochaktiver krustaler Deformation. Verursacht werden diese Bewegungen durch den nordwestindischen Kontinentalsporn, welcher (fast) ungebremst in den Pamir hineinrammt, ihn auftürmt, zusammenquetscht, und ihn gravitationsbedingt gegen Westen ins tadschikische Becken kollabieren lässt. Der zweite thematische Schwerpunkt liegt auf Prozessen, welche durch Megathrust-Erdbeben, also Beben mit einer Magnitude>8, hervorgerufen werden. Diese Anwendungen fokussieren sich auf die ozeanischen Subduktionszone von Chile und zeigen die Wichtigkeit vertikaler Hebungsdaten um, beispielsweise, den Einfluss tektonischer Prozesse auf den Gesteins-Porendruck zu verstehen. Zusammenfassend veranschaulichen und bestätigen meine Arbeiten, wie stark und komplex die oben beschriebenen Prozesse räumlich und zeitlich korrelieren, und dass das klassische Konzept des Erdbebenzyklus überholt ist. Letztere Einsicht hat grossen Einfluss auf probabilistische seismische Gefährdungsanalysen, welche grundsätzlich statistische Vorhersagbarkeit annehmen. KW - radar satellite interferometry KW - tectonics KW - geodesy KW - seismology KW - earthquakes KW - InSAR KW - InSAR KW - Erdbeben KW - Geodäsie KW - Radar-Satelliteninterferometrie KW - Seismologie KW - Tektonik Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-599225 ER - TY - THES A1 - Guill, Christian T1 - Structure, stability and functioning of food webs T1 - Struktur, Stabilität und Funktion von Nahrungsnetzen N2 - In this thesis, a collection of studies is presented that advance research on complex food webs in several directions. Food webs, as the networks of predator-prey interactions in ecosystems, are responsible for distributing the resources every organism needs to stay alive. They are thus central to our understanding of the mechanisms that support biodiversity, which in the face of increasing severity of anthropogenic global change and accelerated species loss is of highest importance, not least for our own well-being. The studies in the first part of the thesis are concerned with general mechanisms that determine the structure and stability of food webs. It is shown how the allometric scaling of metabolic rates with the species' body masses supports their persistence in size-structured food webs (where predators are larger than their prey), and how this interacts with the adaptive adjustment of foraging efforts by consumer species to create stable food webs with a large number of coexisting species. The importance of the master trait body mass for structuring communities is further exemplified by demonstrating that the specific way the body masses of species engaging in empirically documented predator-prey interactions affect the predator's feeding rate dampens population oscillations, thereby helping both species to survive. In the first part of the thesis it is also shown that in order to understand certain phenomena of population dynamics, it may be necessary to not only take the interactions of a focal species with other species into account, but to also consider the internal structure of the population. This can refer for example to different abundances of age cohorts or developmental stages, or the way individuals of different age or stage interact with other species. Building on these general insights, the second part of the thesis is devoted to exploring the consequences of anthropogenic global change on the persistence of species. It is first shown that warming decreases diversity in size-structured food webs. This is due to starvation of large predators on higher trophic levels, which suffer from a mismatch between their respiration and ingestion rates when temperature increases. In host-parasitoid networks, which are not size-structured, warming does not have these negative effects, but eutrophication destabilises the systems by inducing detrimental population oscillations. In further studies, the effect of habitat change is addressed. On the level of individual patches, increasing isolation of habitat patches has a similar effect as warming, as it leads to decreasing diversity due to the extinction of predators on higher trophic levels. In this case it is caused by dispersal mortality of smaller and therefore less mobile species on lower trophic levels, meaning that an increasing fraction of their biomass production is lost to the inhospitable matrix surrounding the habitat patches as they become more isolated. It is further shown that increasing habitat isolation desynchronises population oscillations between the patches, which in itself helps species to persist by dampening fluctuations on the landscape level. However, this is counteracted by an increasing strength of local population oscillations fuelled by an indirect effect of dispersal mortality on the feeding interactions. Last, a study is presented that introduces a novel mechanism for supporting diversity in metacommunities. It builds on the self-organised formation of spatial biomass patterns in the landscape, which leads to the emergence of spatio-temporally varying selection pressures that keep local communities permanently out of equilibrium and force them to continuously adapt. Because this mechanism relies on the spatial extension of the metacommunity, it is also sensitive to habitat change. In the third part of the thesis, the consequences of biodiversity for the functioning of ecosystems are explored. The studies focus on standing stock biomass, biomass production, and trophic transfer efficiency as ecosystem functions. It is first shown that increasing the diversity of animal communities increases the total rate of intra-guild predation. However, the total biomass stock of the animal communities increases nevertheless, which also increases their exploitative pressure on the underlying plant communities. Despite this, the plant communities can maintain their standing stock biomass due to a shift of the body size spectra of both animal and plant communities towards larger species with a lower specific respiration rate. In another study it is further demonstrated that the generally positive relationship between diversity and the above mentioned ecosystem functions becomes steeper when not only the feeding interactions but also the numerous non-trophic interactions (like predator interference or competition for space) between the species of an ecosystem are taken into account. Finally, two studies are presented that demonstrate the power of functional diversity as explanatory variable. It is interpreted as the range spanned by functional traits of the species that determine their interactions. This approach allows to mechanistically understand how the ecosystem functioning of food webs with multiple trophic levels is affected by all parts of the food web and why a high functional diversity is required for efficient transportation of energy from primary producers to the top predators. The general discussion draws some synthesising conclusions, e.g. on the predictive power of ecosystem functioning to explain diversity, and provides an outlook on future research directions. N2 - In dieser Habilitationsschrift wird eine Zusammenstellung wissenschaftlicher Arbeiten präsentiert, die die Forschung zu komplexen Nahrungsnetzen in verschiedene Richtungen weiterentwickeln. Nahrungsnetze sind die Netzwerke der Räuber-Beute-Interaktionen in einem Ökosystem und bestimmen damit über die Verteilung der von allen Arten zum Überleben benötigten Ressourcen. Sie sind daher ein zentrales Konzept für das Verständnis der Mechanismen, die die Koexistenz einer Vielzahl von Arten ermöglichen. Angesichts der zunehmenden Intensität des anthropogenen globalen Wandels und sich weiter beschleunigendem Artensterben ist ein solches Verständnis von zentraler Bedeutung, nicht zuletzt auch für das menschliche Wohlergehen. Die Studien im ersten Teil der Thesis befassen sich mit generellen Mechanismen, die die Struktur und Stabilität von Nahrungsnetzen bestimmen. Es wird gezeigt, wie die allometrische Skalierung metabolischer Raten mit der Körpermasse der Individuen ihre Persistenz in größenstrukturierten Nahrungsnetzen unterstützt, und wie dies mit dem adaptiven Jagdverhalten von Räubern interagiert um stabile Nahrungsnetzstrukturen zu erzeugen. Basierend auf der Analyse empirisch dokumentierter Räuber-Beute-Paare wird zudem gezeigt, dass das Körpergrößenverhältnis von Räuber- und Beutearten deren Interaktionsstärke so beeinflusst, dass Populationsoszillationen stabilisiert werden. Weitere Studien demonstrieren, dass es zum Verständnis bestimmter populationsdynamischer Phänomene notwendig sein kann, die interne Struktur der betrachteten Populationen (z.B. die Größe von Alterskohorten) zu berücksichtigen. Auf diesen allgemeinen Erkenntnissen aufbauend werden im zweiten Teil der Habilitationsschrift Studien vorgestellt, die sich mit den Auswirkungen des anthropogenen globalen Wandels auf die Persistenz von Arten befassen. Erwärmung reduziert die Diversität in größenstrukturierten Nahrungsnetzen, indem sie zum Aussterben großer Räuberarten führt. Dies geschieht dadurch, dass die Respirationsrate wechselwarmer Tiere bei Erwärmung schneller ansteigt als ihre maximale Fraßrate. In Parasitoid-Wirt-Netzwerken mit flacher Größenstruktur hat Erwärmung keinen derartigen negativen Effekt, allerdings führt dort Eutrophierung durch die Induktion starker Populationsoszillationen zu Destabilisierung und Artensterben. In weiteren Studien werden die Auswirkungen von Habitatveränderung untersucht. Analog zur Erwärmung führt zunehmende Habitatisolation in den einzelnen Habitatflecken zu einem Rückgang der Diversität aufgrund des Aussterbens von großen Räuberarten. In diesem Fall wird das durch die Zunahme der Migrationsmortalität kleinerer und daher weniger mobiler Arten verursacht, welche dazu führt, dass ein immer größerer Anteil der Biomassenproduktion dieser Arten an die lebensfeindliche Matrix zwischen den Habitatflecken verloren geht. Es wird weiterhin gezeigt, dass zunehmende Isolation zur Desynchronisierung von Populationsoszillationen zwischen den einzelnen Habitatflecken führt. Allerdings führt die Zunahme der Wanderungsmortalität aufgrund eines indirekten Effektes auf die Fraßraten in den Habitatflecken zu einer Verstärkung der lokalen Populationsoszillationen, was den positiven Effekt der Desynchronisierung ausgleicht. Zuletzt wird in diesem Abschnitt ein neuartiger Mechanismus vorgestellt, der die Diversität in Meta-Gemeinschaften unterstützen kann. Er basiert auf selbstorganisierter Bildung räumlicher Muster in der Biomassenverteilung der Arten. Diese Muster erzeugen räumlich-zeitlich fluktuierende Selektionsdrücke, die die lokalen Artengemeinschaften in einem permanenten Nichtgleichgewichtszustand halten und dazu zwingen, sich ständig neu anzupassen. Da dieser Mechanismus auf der räumlichen Ausdehnung der Metagemeinschaften basiert, kann er ebenfalls empfindlich auf Habitatveränderungen reagieren. Im dritten Teil der Habilitationsschrift werden die Effekte von Biodiversität auf Ökosystemfunktionen untersucht. Die Studien beziehen sich dabei vor allem auf Bestand und Produktionsrate von Biomasse sowie auf die trophische Transfereffizienz. Es wird gezeigt, dass zunehmende Diversität von Tiergemeinschaften eine Verschiebung der Größenspektren von Pflanzen- und Tiergemeinschaften hin zu größeren Arten mit geringerer spezifischer Respirationsrate bewirkt, wodurch es den Pflanzengemeinschaften möglich wird, ihren Biomassenbestand trotz erhöhtem Fraßdruck zu erhalten. In einer weiteren Studie wird gezeigt, dass der im Allgemeinen positive Zusammenhang zwischen Biodiversität und den genannten Ökosystemfunktionen verstärkt wird, wenn neben den Fraßbeziehungen der Arten auch die zahlreichen weiteren Interaktionsmöglichkeiten der Arten (wie zum Beispiel Flächenkonkurrenz sessiler Arten) berücksichtigt werden. Abschließend werden zwei Studien präsentiert, auf funktioneller Diversität als zentraler erklärender Variable beruhen. Diese wird interpretiert als der Wertebereich, den funktionelle Merkmale, die die Interaktionen der Arten bestimmen, überspannen. Dieser Ansatz erlaubt es, mechanistisch nachzuvollziehen, wie die ökologischen Funktionen von Nahrungsnetzen von den einzelnen Teilen der Netzwerke beeinflusst werden, und warum eine hohe funktionelle Diversität für den effizienten Transport der Biomasse von den Primärproduzenten zu den Räubern an der Spitze der Nahrungskette notwendig ist. In der allgemeinen Diskussion werden einige zusammenfassende Schlussfolgerungen gezogen, die zum Beispiel die Vorhersagekraft von Ökosystemfunktionen zum Erklären der Diversität betreffen, und es wird ein Ausblick auf künftige Forschungsansätze gegeben. KW - ecology KW - food webs KW - biodiversity KW - anthropogenic global change KW - metacommunities KW - ecosystem functioning KW - functional diversity KW - Ökologie KW - Nahrungsnetze KW - Biodiversität KW - anthropogener globaler Wandel KW - Metagemeinschaften KW - Ökosystemfunktionen KW - funktionelle Diversität Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-561153 ER - TY - THES A1 - Omelchenko, Oleh T1 - Synchronität-und-Unordnung-Muster in Netzwerken gekoppelter Oszillatoren T1 - Patterns of synchrony and disorder in networks of coupled oscillators N2 - Synchronization of coupled oscillators manifests itself in many natural and man-made systems, including cyrcadian clocks, central pattern generators, laser arrays, power grids, chemical and electrochemical oscillators, only to name a few. The mathematical description of this phenomenon is often based on the paradigmatic Kuramoto model, which represents each oscillator by one scalar variable, its phase. When coupled, phase oscillators constitute a high-dimensional dynamical system, which exhibits complex behaviour, ranging from synchronized uniform oscillation to quasiperiodicity and chaos. The corresponding collective rhythms can be useful or harmful to the normal operation of various systems, therefore they have been the subject of much research. Initially, synchronization phenomena have been studied in systems with all-to-all (global) and nearest-neighbour (local) coupling, or on random networks. However, in recent decades there has been a lot of interest in more complicated coupling structures, which take into account the spatially distributed nature of real-world oscillator systems and the distance-dependent nature of the interaction between their components. Examples of such systems are abound in biology and neuroscience. They include spatially distributed cell populations, cilia carpets and neural networks relevant to working memory. In many cases, these systems support a rich variety of patterns of synchrony and disorder with remarkable properties that have not been observed in other continuous media. Such patterns are usually referred to as the coherence-incoherence patterns, but in symmetrically coupled oscillator systems they are also known by the name chimera states. The main goal of this work is to give an overview of different types of collective behaviour in large networks of spatially distributed phase oscillators and to develop mathematical methods for their analysis. We focus on the Kuramoto models for one-, two- and three-dimensional oscillator arrays with nonlocal coupling, where the coupling extends over a range wider than nearest neighbour coupling and depends on separation. We use the fact that, for a special (but still quite general) phase interaction function, the long-term coarse-grained dynamics of the above systems can be described by a certain integro-differential equation that follows from the mathematical approach called the Ott-Antonsen theory. We show that this equation adequately represents all relevant patterns of synchrony and disorder, including stationary, periodically breathing and moving coherence-incoherence patterns. Moreover, we show that this equation can be used to completely solve the existence and stability problem for each of these patterns and to reliably predict their main properties in many application relevant situations. N2 - Die Synchronisation von gekoppelten Oszillatoren tritt in vielen natürlichen und künstlichen Systemen auf, beispielsweise bei zirkadianen Uhren, zentralen Mustergeneratoren, Laserarrays, Stromnetzen oder chemischen und elektrochemischen Oszillatoren, um nur einige zu nennen. Die mathematische Beschreibung dieses Phänomens basiert häufig auf dem paradigmatischen Kuramoto-Modell, das jeden Oszillator durch eine skalare Variable, seine Phase, darstellt. Wenn Phasenoszillatoren gekoppelt sind, bilden sie ein hochdimensionales dynamisches System, das ein komplexes Verhalten aufweist, welches von synchronisierter kollektiver Oszillation bis zu Quasiperiodizität und Chaos reicht. Die entsprechenden kollektiven Rhythmen können für den normalen Betrieb verschiedener Systeme nützlich oder schädlich sein, weshalb sie Gegenstand zahlreicher Untersuchungen waren. Anfänglich wurden Synchronisationsphänomene in Systemen mit globaler Mittelfeldkopplung und lokaler Nächster-Nachbar Kopplung oder in komplexen Netzwerken untersucht. In den letzten Jahrzehnten gab es jedoch großes Interesse an anderen Kopplungsstrukturen, die die räumlich verteilte Natur realer Oszillatorsysteme und die entfernungsabhängige Natur der Wechselwirkung zwischen ihren Komponenten berücksichtigen. Sowohl in Bereichen der Biologie als auch der Neurowissenschaften gibt es eine Vielzahl von Beipsieln für solche Systeme. Dazu gehören räumlich verteilte Zellpopulationen, Zilien-Teppiche und neuronale Netze, die für das Arbeitsgedächtnis relevant sind. In vielen Fällen unterstützen diese Systeme eine Vielzahl von Synchronität-und-Unordnung-Mustern mit bemerkenswerten Eigenschaften, die in anderen kontinuierlichen Medien nicht beobachtet wurden. Solche Muster werden üblicherweise als Kohärenz-Inkohärenz-Muster bezeichnet, aber in symmetrisch gekoppelten Oszillatorsystemen sind diese auch unter dem Namen Chimära-Zustände bekannt. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, einen Überblick über verschiedene Arten von kollektivem Verhalten in großen Netzwerken räumlich verteilter Phasenoszillatoren zu geben und mathematische Methoden für deren Analyse zu entwickeln. Wir konzentrieren uns dabei auf die Kuramoto-Modelle für ein-, zwei- und dreidimensionale Oszillator-Arrays mit nichtlokaler Kopplung, wobei sich die Kopplung über einen Bereich erstreckt, welcher breiter ist als die Kopplung zum nächsten Nachbarn und von der Trennung abhängt. Wir verwenden die Tatsache, dass für eine spezielle (aber immer noch recht allgemeine) Phasenwechselwirkungsfunktion die langfristige grobkörnige Dynamik der obigen Systeme durch eine bestimmte Integro-Differentialgleichung beschrieben werden kann. Diese ergibt sich aus dem mathematischen Ansatz namens Ott-Antonsen-Theorie. Wir zeigen, dass diese Gleichung alle relevanten Synchronität-und-Unordnung-Muster angemessen darstellt, einschließlich stationärer, periodisch oszillierender und sich bewegender Kohärenz-Inkohärenz-Muster. Darüber hinaus zeigen wir, dass diese Gleichung verwendet werden kann, um das Existenz- und Stabilitätsproblem für jedes dieser Muster vollständig zu lösen und ihre Haupteigenschaften in vielen anwendungsrelevanten Situationen zuverlässig vorherzusagen. KW - phase oscillators KW - networks KW - synchronization KW - dynamical patterns KW - chimera states KW - Phasenoszillatoren KW - Netzwerke KW - Synchronisation KW - dynamische Muster KW - Chimäre-Zustände Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-535961 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 - 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 - Marwan, Norbert T1 - Recurrence plot techniques for the investigation of recurring phenomena in the system earth T1 - Recurrence-Plot-Techniken zur Untersuchung wiederkehrender Phänomene im System Erde N2 - The habilitation deals with the numerical analysis of the recurrence properties of geological and climatic processes. The recurrence of states of dynamical processes can be analysed with recurrence plots and various recurrence quantification options. In the present work, the meaning of the structures and information contained in recurrence plots are examined and described. New developments have led to extensions that can be used to describe the recurring patterns in both space and time. Other important developments include recurrence plot-based approaches to identify abrupt changes in the system's dynamics, to detect and investigate external influences on the dynamics of a system, the couplings between different systems, as well as a combination of recurrence plots with the methodology of complex networks. Typical problems in geoscientific data analysis, such as irregular sampling and uncertainties, are tackled by specific modifications and additions. The development of a significance test allows the statistical evaluation of quantitative recurrence analysis, especially for the identification of dynamical transitions. Finally, an overview of typical pitfalls that can occur when applying recurrence-based methods is given and guidelines on how to avoid such pitfalls are discussed. In addition to the methodological aspects, the application potential especially for geoscientific research questions is discussed, such as the identification and analysis of transitions in past climates, the study of the influence of external factors to ecological or climatic systems, or the analysis of landuse dynamics based on remote sensing data. N2 - Die Habilitation beschäftigt sich mit der Analyse der Wiederkehreigenschaften geologischer und klimatischer Prozesse. Die Wiederkehr von Zuständen dynamischer Prozesses kann mit recurrence plots und deren verschiedenen Quantifizierungsmöglichkeiten untersucht werden. In der Arbeit wird die Bedeutung der Strukturen und Informationen, die in recurrence plots enthalten sind, untersucht und beschrieben. Neue Entwicklungen führen zu Erweiterungen, die zur Beschreibung räumlich und raumzeitlich wiederkehrender Muster genutzt werden können. Weitere wichtige Entwicklungen umfassen Erweiterungen zur Identifizierung von abrupten Änderungen in der Dynamik, zum Aufspüren und Untersuchen äußerer Einflüsse auf die Dynamik eines Systems als auch von Kopplungen zwischen verschiedenen Systemen, sowie eine Kombination mit der Methodik der komplexen Netzwerke. Typische Probleme geowissenschaftlicher Datenanalyse, wie unregelmäßiges Datensampling und Unsicherheiten in den Daten, werden durch spezielle Modifikationen und Ergänzungen behandelt. Die Entwicklung eines Signifikanztests erlaubt die statistische Bewertung der quantitativen Analyse vor allem für die Betrachtung dynamischer Übergänge. Den Abschluß bildet ein Überblick typischer Fehler, die im Zusammenhang mit dieser Methode auftreten können und wie man diese vermeidet. Neben den methodischen Aspekten werden Anwendungsmöglichkeiten vor allem fü geowissenschaftliche Fragestellungen vorgestellt, wie die Analyse von Klimaänderungen, von externen Einflußfaktoren auf ökologische oder klimatische Systeme, oder der Landnutzungsdynamik anhand von Fernerkundungsdaten. KW - recurrence KW - complex systems KW - palaeoclimate KW - spatial recurrence KW - recurrence plot KW - recurrence network KW - Wiederkehr KW - komplexe Systeme KW - Paläoklima KW - räumliche Wiederkehr KW - Recurrence plot KW - Recurrence network Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-441973 SN - 978-3-00-064508-2 ER - TY - THES A1 - Brune, Sascha T1 - Modelling continental rift dynamics T1 - Modellierung kontinentaler Riftdynamik N2 - Continental rift systems open up unique possibilities to study the geodynamic system of our planet: geodynamic localization processes are imprinted in the morphology of the rift by governing the time-dependent activity of faults, the topographic evolution of the rift or by controlling whether a rift is symmetric or asymmetric. Since lithospheric necking localizes strain towards the rift centre, deformation structures of previous rift phases are often well preserved and passive margins, the end product of continental rifting, retain key information about the tectonic history from rift inception to continental rupture. Current understanding of continental rift evolution is based on combining observations from active rifts with data collected at rifted margins. Connecting these isolated data sets is often accomplished in a conceptual way and leaves room for subjective interpretation. Geodynamic forward models, however, have the potential to link individual data sets in a quantitative manner, using additional constraints from rock mechanics and rheology, which allows to transcend previous conceptual models of rift evolution. By quantifying geodynamic processes within continental rifts, numerical modelling allows key insight to tectonic processes that operate also in other plate boundary settings, such as mid ocean ridges, collisional mountain chains or subduction zones. In this thesis, I combine numerical, plate-tectonic, analytical, and analogue modelling approaches, whereas numerical thermomechanical modelling constitutes the primary tool. This method advanced rapidly during the last two decades owing to dedicated software development and the availability of massively parallel computer facilities. Nevertheless, only recently the geodynamical modelling community was able to capture 3D lithospheric-scale rift dynamics from onset of extension to final continental rupture. The first chapter of this thesis provides a broad introduction to continental rifting, a summary of the applied rift modelling methods and a short overview of previews studies. The following chapters, which constitute the main part of this thesis feature studies on plate boundary dynamics in two and three dimension followed by global scale analyses (Fig. 1). Chapter II focuses on 2D geodynamic modelling of rifted margin formation. It highlights the formation of wide areas of hyperextended crustal slivers via rift migration as a key process that affected many rifted margins worldwide. This chapter also contains a study of rift velocity evolution, showing that rift strength loss and extension velocity are linked through a dynamic feed-back. This process results in abrupt accelerations of the involved plates during rifting illustrating for the first time that rift dynamics plays a role in changing global-scale plate motions. Since rift velocity affects key processes like faulting, melting and lower crustal flow, this study also implies that the slow-fast velocity evolution should be imprinted in rifted margin structures. Chapter III relies on 3D Cartesian rift models in order to investigate various aspects of rift obliquity. Oblique rifting occurs if the extension direction is not orthogonal to the rift trend. Using 3D lithospheric-scale models from rift initialisation to breakup I could isolate a characteristic evolution of dominant fault orientations. Further work in Chapter III addresses the impact of rift obliquity on the strength of the rift system. We illustrate that oblique rifting is mechanically preferred over orthogonal rifting, because the brittle yielding requires a lower tectonic force. This mechanism elucidates rift competition during South Atlantic rifting, where the more oblique Equatorial Atlantic Rift proceeded to breakup while the simultaneously active but less oblique West African rift system became a failed rift. Finally this Chapter also investigates the impact of a previous rift phase on current tectonic activity in the linkage area of the Kenyan with Ethiopian rift. We show that the along strike changes in rift style are not caused by changes in crustal rheology. Instead the rift linkage pattern in this area can be explained when accounting for the thinned crust and lithosphere of a Mesozoic rift event. Chapter IV investigates rifting from the global perspective. A first study extends the oblique rift topic of the previous chapter to global scale by investigating the frequency of oblique rifting during the last 230 million years. We find that approximately 70% of all ocean-forming rift segments involved an oblique component of extension where obliquities exceed 20°. This highlights the relevance of 3D approaches in modelling, surveying, and interpretation of many rifted margins. In a final study, we propose a link between continental rift activity, diffuse CO2 degassing and Mesozoic/Cenozoic climate changes. We used recent CO2 flux measurements in continental rifts to estimate worldwide rift-related CO2 release, which we based on the global extent of rifts through time. The first-order correlation to paleo-atmospheric CO2 proxy data suggests that rifts constitute a major element of the global carbon cycle. N2 - Kontinentale Grabensysteme eröffnen einzigartige Einsichten in das geodynamische System unseres Planeten: Geodynamische Lokalisierungs-prozesse prägen die Morphologie von Riftsystemen, indem sie die zeitabhängige Aktivität von Störungen, die topographische Entwicklung des Rifts oder dessen Symmetrieentwicklung kontrollieren. Da die Verformung oft in Richtung des Riftzentrums lokalisiert, sind die Deformationsstrukturen früherer Riftphasen meist gut erhalten und passive Ränder, die Endprodukte kontinentalen Riftings, beinhalten wichtige Informationen über die tektonische Geschichte vom Riftbeginn bis zum kontinentalen Zerbrechen. Unser gegenwärtiges Verständnis der Riftentwicklung basiert auf der Kombination von Beobachtungen in aktiven Rifts mit Informationen, die an passiven Kontinental-rändern gesammelt wurden. Die Einbindung dieser isolierten Datensätze erfolgt oft konzeptionell und lässt Raum für subjektive Interpretationen. Geodynamische Vorwärtsmodelle haben jedoch das Potenzial, einzelne Datensätze quantitativ zu verknüpfen, wobei zusätzliche Informationen aus der Gesteinsmechanik und Rheologie verwendet werden, die es ermöglichen, frühere konzeptionelle Riftmodelle weiter zu entwickeln. In dieser Arbeit kombiniere ich numerische, plattentektonische, analytische und analoge Modellierungsansätze, wobei die numerische thermomechanische Modellierung das primäre Werkzeug darstellt. Diese Methode hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten aufgrund dedizierter Softwareentwicklung und der Verfügbarkeit von massiv parallelisierten Supercomputern sehr schnell entwickelt. Dennoch gelang es der geodynamischen Modellierungsgemeinschaft erst vor kurzem, die dreidimensionale lithosphärenskalige Riftentwicklung vom Beginn der Dehnung bis zum endgültigen Zerbrechen eines Kontinents zu erfassen. Meine Habilitationsschrift beinhaltet eine Einführung in kontinentale Rifttektonik, eine Zusammenfassung der angewendeten Modellierungsmethoden und einen kurzen Überblick über Vorstudien. In dem Hauptteil dieser Arbeit werden Untersuchungen auf Plattenrandskala in zwei und drei Dimensionen durchgeführt, gefolgt von globalen Analysen der Riftentwicklung. Dabei beschreibe ich die Bildung extrem ausgedehnter kontinentaler Kruste, die an vielen gerifteten Kontinentalrändern beobachtet wurde, die Rückkopplung zwischen Riftdynamik und Plattenbewegungen, der Wirkung von Riftschrägheit und tektonischer Vererbung auf die Riftarchitektur sowie den Einfluss von Riftsystemen auf CO2-Entgasung in Bezug auf die paläoklimatische Entwicklung der Erde seit dem Zerbrechen Pangäas. KW - rifting KW - modelling KW - plate tectonics KW - geodynamics KW - Grabenbruch KW - Modellierung KW - Plattentektonik KW - Geodynamik Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-432364 ER - TY - THES A1 - Qiu, Xunlin T1 - Ferroelectrets: heterogenous polymer electrets with high electromechanical response T1 - Ferroelektrete: heterogene Polymer-Elektrete mit großen elektromechanischen Effekten N2 - Ferroelectrets are internally charged polymer foams or cavity-containing polymer-_lm systems that combine large piezoelectricity with mechanical flexibility and elastic compliance. The term “ferroelectret” was coined based on the fact that it is a space-charge electret that also shows ferroic behavior. In this thesis, comprehensive work on ferroelectrets, and in particular on their preparation, their charging, their piezoelectricity and their applications is reported. For industrial applications, ferroelectrets with well-controlled distributions or even uniform values of cavity size and cavity shape and with good thermal stability of the piezoelectricity are very desirable. Several types of such ferroelectrets are developed using techniques such as straightforward thermal lamination, sandwiching sticky templates with electret films, and screen printing. In particular, uoroethylenepropylene (FEP) _lm systems with tubular-channel openings, prepared by means of the thermal lamination technique, show piezoelectric d33 coefficients of up to 160 pC/N after charging through dielectric barrier discharges (DBDs) . For samples charged at suitable elevated temperatures, the piezoelectricity is stable at temperatures of at least 130°C. These preparation methods are easy to implement at laboratory or industrial scales, and are quite flexible in terms of material selection and cavity geometry design. Due to the uniform and well-controlled cavity structures, samples are also very suitable for fundamental studies on ferroelectrets. Charging of ferroelectrets is achieved via a series of dielectric barrier discharges (DBDs) inside the cavities. In the present work, the DBD charging process is comprehensively studied by means of optical, electrical and electro-acoustic methods. The spectrum of the transient light from the DBDs in cellular polypropylene (PP) ferroelectrets directly confirms the ionization of molecular nitrogen, and allows the determination of the electric field in the discharge. Detection of the light emission reveals not only DBDs under high applied voltage but also back discharges when the applied voltage is reduced to sufficiently low values. Back discharges are triggered by the internally deposited charges, as the breakdown inside the cavities is controlled by the sum of the applied electric field and the electric field of the deposited charges. The remanent effective polarization is determined by the breakdown strength of the gas-filled cavities. These findings form the basis of more efficient charging techniques for ferroelectrets such as charging with high-pressure air, thermal poling and charging assisted by gas exchange. With the proposed charging strategies, the charging efficiency of ferroelectrets can be enhanced significantly. After charging, the cavities can be considered as man-made macroscopic dipoles whose direction can be reversed by switching the polarity of the applied voltage. Polarization-versus-electric-field (P(E)) hysteresis loops in ferroelectrets are observed by means of an electro-acoustic method combined with dielectric resonance spectroscopy. P(E) hysteresis loops in ferrroelectrets are also obtained by more direct measurements using a modified Sawyer-Tower circuit. Hysteresis loops prove the ferroic behavior of ferroelectrets. However, repeated switching of the macroscopic dipoles involves complex physico-chemical processes. The DBD charging process generates a cold plasma with numerous active species and thus modifies the inner polymer surfaces of the cavities. Such treatments strongly affect the chargeability of the cavities. At least for cellular PP ferroelectrets, repeated DBDs in atmospheric conditions lead to considerable fatigue of the effective polarization and of the resulting piezoelectricity. The macroscopic dipoles in ferroelectrets are highly compressible, and hence the piezoelectricity is essentially the primary effect. It is found that the piezoelectric d33 coefficient is proportional to the polarization and the elastic compliance of the sample, providing hints for developing materials with higher piezoelectric sensitivity in the future. Due to their outstanding electromechanical properties, there has been constant interest in the application of ferroelectrets. The antiresonance frequencies (fp) of ferroelectrets are sensitive to the boundary conditions during measurement. A tubular-channel FEP ferroelectret is conformably attached to a self-organized minimum-energy dielectric elastomer actuator (DEA). It turns out that the antiresonance frequency (fp) of the ferroelectret film changes noticeably with the bending angle of the DEA. Therefore, the actuation of DEAs can be used to modulate the fp value of ferroelectrets, but fp can also be exploited for in-situ diagnosis and for precise control of the actuation of the DEA. Combination of DEAs and ferroelectrets opens up various new possibilities for application. N2 - Ferroelektrete sind intern geladene Polymerschäume oder Polymerfilmsysteme mit definierten Hohlräumen, die große piezoelektrische Koeffizienten mit guter mechanischer Flexibilität und hoher elastischer Nachgiebigkeit vereinen. Der Begriff „Ferroelektret“ weist darauf hin, dass es sich um einen Ladungselektret handelt, der gleichzeitig ferroisches Verhalten zeigt. In der vorliegenden Arbeit werden umfangreiche Untersuchungen an Ferroelektreten, insbesondere zu ihrer Herstellung und Aufladung, ihrer Piezoelektrizität sowie ihren Anwendungen beschrieben und diskutiert. Für industrielle Anwendungen sind Ferroelektrete mit gut kontrollierten Verteilungen oder sogar einheitlichen Werten von Hohlraumgröße und Hohlraumform und mit hoher thermischer Stabilität der Piezoelektrizität sehr wünschenswert. Mehrere Typen solcher Ferroelektrete werden unter Verwendung von thermisch laminierten Folien, von Schichtaufbauten mit aufeinander haftenden Elektretfilmen und von Siebdruck-Verfahren entwickelt. Insbesondere zeigen durch thermisches Laminieren hergestellte Kopolymer-filmsysteme aus Fluor-Ethylen-Propylen (FEP) mit röhrenförmigen Kanälen parallel zur Oberfläche nach Aufladung durch dielektrische Barrierenentladungen (DBDs) piezoelektrische d33-Koeffizienten von bis zu 160 pC/N. Bei Proben, die bei erhöhten Temperaturen aufgeladen werden, ist die Piezoelektrizität bis mindestens 130 °C stabil. Die Herstellungsverfahren sind leicht im Labor- oder im Industriemaßstab zu realisieren, und sie sind hinsichtlich der Materialauswahl und der Hohlraumgeometrie sehr flexibel verwendbar. Aufgrund der gleichmäßigen und gut kontrollierbaren Hohlraumstrukturen eignen sich solche Proben auch für Grundlagenuntersuchungen an Ferroelektreten. Das Aufladen von Ferroelektreten erfolgt über dielektrische Barrierenentladungen (DBDs) innerhalb der Hohlräume. In der vorliegenden Arbeit wird diese Polungtechnik mittels optischer, elektrischer und elektroakustischer Verfahren umfassend untersucht. Das Spektrum des transienten Lichts aus den DBDs in zellulären Polypropylen (PP)-Ferroelektreten bestätigt die Ionisierung von molekularem Stickstoff und ermöglicht die Bestimmung des lokalen elektrischen Felds in der Entladung. Die damit verbundene Lichtemission zeigt nicht nur DBDs bei hoher angelegter Spannung, sondern auch Rückentladungen, wenn die angelegte Spannung auf ausreichend niedrige Werte reduziert wird. Die Rückentladungen werden durch die deponierten Ladungen ausgelöst, da der elektrische Durchschlag in den Hohlräumen durch die Summe des von außen angelegten elektrischen Felds und des elektrischen Felds der deponierten Ladungen bestimmt wird. Die remanente Polarisation wird durch die Durchschlagsfestigkeit der gasgefüllten Hohlräume begrenzt. Diese Erkenntnisse bilden die Grundlage für effizientere Aufladungsverfahren für Ferroelektrete wie z.B. das Aufladen in Luft unter erhöhtem Druck, das thermische Polen und das Aufladen mit gezieltem Gasaustausch. Mit den vorgeschlagenen Aufladestrategien kann die Effizienz der Aufladung von Ferroelektreten deutlich gesteigert werden. Die intern geladenen Hohlräume können als makroskopische Dipole betrachtet werden, deren Orientierung durch Umschalten der Polarität der angelegten Spannung umgekehrt werden kann. Hysteresekurven für das Verhalten der elektrischen Polarisation bei Variation des elektrischen Felds, d.h. sogenannte P(E)-Hysteresekurven, können in Ferroelektreten mittels eines elektroakustischen Verfahrens in Kombination mit der dielektrischen Resonanzspektroskopie beobachtet werden. Darüber hinaus können P(E)-Hysteresekurven auch durch direkte Messung des Polarisationsstromes unter Verwendung einer modifizierten Sawyer-Tower-Schaltung erhalten werden. Solche Hystereseschleifen sind ein direkter Nachweis des ferroischen Verhaltens der Ferroelektrete. Das wiederholte Schalten der makroskopischen Dipole ist jedoch von komplexen physikalisch-chemischen Prozessen begleitet. Der DBD-Ladeprozess erzeugt ein kaltes Plasma mit zahlreichen aktiven Spezies und modifiziert dadurch die inneren Oberflächen der Hohlräume. Dies wirkt sich in erheblichem Maße auf die wiederholte Aufladbarkeit der Hohlräume aus. So führen bei zellulären PP-Ferroelektreten wiederholte DBDs unter normalen atmosphärischen Bedingungen zu einer deutlichen Reduzierung der effektiven Polarisation und der daraus resultierenden Piezoelektrizität. Die makroskopischen Dipole in Ferroelektreten sind hoch-kompressibel, daher beruht die Piezoelektrizität im Wesentlichen auf dem primären piezoelektrischen Effekt, d.h. der Veränderung der Dipolmomente. Es wurde festgestellt, dass der piezoelektrische d33-Koeffizient proportional zur elektrischen Polarisation und zur elastischen Nachgiebigkeit der Probe ist. Daraus können Folgerungen für die künftige Entwicklung von Materialien mit höherer piezoelektrischer Empfindlichkeit gezogen werden. Aufgrund ihrer hervorragenden elektromechanischen Wandler-Eigenschaften besteht ständiges Interesse an der Anwendung von Ferroelektreten. Die Antiresonanzfrequenzen (fp) von Ferroelektreten hängen von den Randbedingungen des jeweiligen Experiments ab. So wurde ein FEP-Ferroelektret mit röhrenförmigen Kanälen mit einem dielektrischen Elastomer-Aktuator (DEA) in einer sich selbst einstellenden Konfiguration minimaler Energie kombiniert. Es zeigte sich, dass sich die Antiresonanzfrequenz des Ferroelektretfilms mit dem Biegewinkel des DEA merklich ändert. Somit können DEAs zur Modulation des fp –Wertes von Ferroelektreten eingesetzt werden, und umgekehrt können piezoelektrische Antiresonanzen für die in-situ-Diagnose und für eine präzise Ansteuerung von DEAs Anwendung finden. Auf diese Weise eröffnet die Kombination von DEAs und Ferroelektreten neue Anwendungsperspektiven nicht nur in der Sensorik und der Aktorik, sondern auch zur Energiegewinnung aus der Umgebung (sogenanntes „energy harvesting“). KW - ferroelectrets KW - electromechanical transducers (sensors and actuators) KW - thin flexible and conformable films KW - piezo-, pyro- and ferroelectricity KW - Ferroelektrete KW - elektromechanische Wandler (Sensoren und Aktoren) KW - dünne, flexible und formbare Schichten KW - Piezo-, Pyro-und Ferroelektrizität Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-398425 ER - TY - THES A1 - Amaro-Seoane, Pau T1 - Dense stellar systems and massive black holes T1 - Dichte stellare Systeme und massive Schwarze Löcher BT - sources of gravitational radiation and tidal disruptions BT - Quellen von Gravitationsstrahlung und Gezeiten-Sternzerissereignissen N2 - Gravity dictates the structure of the whole Universe and, although it is triumphantly described by the theory of General Relativity, it is the force that we least understand in nature. One of the cardinal predictions of this theory are black holes. Massive, dark objects are found in the majority of galaxies. Our own galactic center very contains such an object with a mass of about four million solar masses. Are these objects supermassive black holes (SMBHs), or do we need alternatives? The answer lies in the event horizon, the characteristic that defines a black hole. The key to probe the horizon is to model the movement of stars around a SMBH, and the interactions between them, and look for deviations from real observations. Nuclear star clusters harboring a massive, dark object with a mass of up to ~ ten million solar masses are good testbeds to probe the event horizon of the potential SMBH with stars. The channel for interactions between stars and the central MBH are the fact that (a) compact stars and stellar-mass black holes can gradually inspiral into the SMBH due to the emission of gravitational radiation, which is known as an “Extreme Mass Ratio Inspiral” (EMRI), and (b) stars can produce gases which will be accreted by the SMBH through normal stellar evolution, or by collisions and disruptions brought about by the strong central tidal field. Such processes can contribute significantly to the mass of the SMBH. These two processes involve different disciplines, which combined will provide us with detailed information about the fabric of space and time. In this habilitation I present nine articles of my recent work directly related with these topics. N2 - Die Gravitation bestimmt die Struktur des ganzen Universums und ist, obwohl sie mit großem Erfolg durch die Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben wird, die am wenigsten verstandene Kraft in der Natur. Eine der grundsätzlichsten Vorhersagen dieser Theorie sind Schwarze Löcher. Massive, dunkle Objekte befinden sich in einem Großteil aller Galaxien. Das Zentrum unserer eigenen Galaxis enthält solch ein Objekt mit einer Masse von etwa vier Millionen Sonnenmassen. Sind diese Objekte supermassive Schwarze Löcher oder brauchen wir Alternativen? Die Antwort liegt im Ereignishorizont, der Eigenschaft, die ein Schwarzes Loch definiert. Der Schlüssel um den Ereignishorizont zu untersuchen ist, die Bewegungen der Sterne um eine Supermassives Schwarzes Loch zu modellieren, sowie deren Interaktionen, und nach Abweichungen von unseren Erwartungen in echten Beobachtungen zu suchen. Zentrale Sternhaufen, die ein massives, dunkles Objekt mit einer Masse bis zu ∼ zehn Millionen Sonnenmassen enthalten, sind gute Laborarien um den Ereignishorizont eines möglichen supermassiven Schwarzen Lochs mit Hilfe von Sternen zu untersuchen. Die Kanäle für mögliche Wechselwirkungen zwischen Sternen und einem zentralen Schwarzen Loch sind: (a) Kompakte Sternreste und stellare Schwarze Löcher können durch die Emission von Gravitationswellen allmählich auf spiralförmigen Orbits in das supermassive Schwarze Loch fallen, was als “Extreme Mass Ratio Inspiral” (EMRI) bezeichent wird. (b) Durch normale Sternentwicklung (Sternwinde) sowie durch Sternkollisionen oder Zerstörung von Sternen im starken zentralen Gezeitenfeld kann Gas freigesetzt werden, welches anschließend vom supermassiven Schwarzen Loch akkretiert werden kann. Solche Prozesse können wesentlich zur Masse eines Supermassiven Schwarzen Lochs beitragen. Die beiden Prozesse (a und b) beinhalten verschiedene astrophysikalische Aspekte, welche uns in ihrer Kombination mit detaillierter Information über die Beschaffenheit der Raumzeit versorgen. In dieser Habilitationsschrift präsentiere ich neun Artikel aus meiner jüngeren Forschungsarbeit, welche direkt Probleme aus diesen Themenbereichen behandeln. KW - stellar dynamics KW - massive black holes KW - gravitational waves KW - general relativity KW - Stellardynamik KW - massive Schwarze Löcher KW - Gravitationswellen KW - allgemeine Relativitätstheorie Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-95439 ER - TY - THES A1 - Konrad-Schmolke, Matthias T1 - Thermodynamic and geochemical modeling in metamorphic geology T1 - Thermodynamische und geochemische Modellierungen in metamorpher Geologie N2 - Quantitative thermodynamic and geochemical modeling is today applied in a variety of geological environments from the petrogenesis of igneous rocks to the oceanic realm. Thermodynamic calculations are used, for example, to get better insight into lithosphere dynamics, to constrain melting processes in crust and mantle as well as to study fluid-rock interaction. The development of thermodynamic databases and computer programs to calculate equilibrium phase diagrams have greatly advanced our ability to model geodynamic processes from subduction to orogenesis. However, a well-known problem is that despite its broad application the use and interpretation of thermodynamic models applied to natural rocks is far from straightforward. For example, chemical disequilibrium and/or unknown rock properties, such as fluid activities, complicate the application of equilibrium thermodynamics. One major aspect of the publications presented in this Habilitationsschrift are new approaches to unravel dynamic and chemical histories of rocks that include applications to chemically open system behaviour. This approach is especially important in rocks that are affected by element fractionation due to fractional crystallisation and fluid loss during dehydration reactions. Furthermore, chemically open system behaviour has also to be considered for studying fluid-rock interaction processes and for extracting information from compositionally zoned metamorphic minerals. In this Habilitationsschrift several publications are presented where I incorporate such open system behaviour in the forward models by incrementing the calculations and considering changing reacting rock compositions during metamorphism. I apply thermodynamic forward modelling incorporating the effects of element fractionation in a variety of geodynamic and geochemical applications in order to better understand lithosphere dynamics and mass transfer in solid rocks. In three of the presented publications I combine thermodynamic forward models with trace element calculations in order to enlarge the application of geochemical numerical forward modeling. In these publications a combination of thermodynamic and trace element forward modeling is used to study and quantify processes in metamorphic petrology at spatial scales from µm to km. In the thermodynamic forward models I utilize Gibbs energy minimization to quantify mineralogical changes along a reaction path of a chemically open fluid/rock system. These results are combined with mass balanced trace element calculations to determine the trace element distribution between rock and melt/fluid during the metamorphic evolution. Thus, effects of mineral reactions, fluid-rock interaction and element transport in metamorphic rocks on the trace element and isotopic composition of minerals, rocks and percolating fluids or melts can be predicted. One of the included publications shows that trace element growth zonations in metamorphic garnet porphyroblasts can be used to get crucial information about the reaction path of the investigated sample. In order to interpret the major and trace element distribution and zoning patterns in terms of the reaction history of the samples, we combined thermodynamic forward models with mass-balance rare earth element calculations. Such combined thermodynamic and mass-balance calculations of the rare earth element distribution among the modelled stable phases yielded characteristic zonation patterns in garnet that closely resemble those in the natural samples. We can show in that paper that garnet growth and trace element incorporation occurred in near thermodynamic equilibrium with matrix phases during subduction and that the rare earth element patterns in garnet exhibit distinct enrichment zones that fingerprint the minerals involved in the garnet-forming reactions. In two of the presented publications I illustrate the capacities of combined thermodynamic-geochemical modeling based on examples relevant to mass transfer in subduction zones. The first example focuses on fluid-rock interaction in and around a blueschist-facies shear zone in felsic gneisses, where fluid-induced mineral reactions and their effects on boron (B) concentrations and isotopic compositions in white mica are modeled. In the second example, fluid release from a subducted slab and associated transport of B and variations in B concentrations and isotopic compositions in liberated fluids and residual rocks are modeled. I show that, combined with experimental data on elemental partitioning and isotopic fractionation, thermodynamic forward modeling unfolds enormous capacities that are far from exhausted. In my publications presented in this Habilitationsschrift I compare the modeled results to geochemical data of natural minerals and rocks and demonstrate that the combination of thermodynamic and geochemical models enables quantification of metamorphic processes and insights into element cycling that would have been unattainable so far. Thus, the contributions to the science community presented in this Habilitatonsschrift concern the fields of petrology, geochemistry, geochronology but also ore geology that all use thermodynamic and geochemical models to solve various problems related to geo-materials. N2 - Große Teile des Planeten auf dem wir leben sind für direkte Beobachtungen unzugänglich. Dieser Umstand umfasst nicht nur eine räumliche Komponente, so wie dies z.B. in den Tiefseegräben der Ozeane oder im Erdinneren der Fall ist sondern auch eine zeitliche Komponente, da viele für uns lebenswichtigen Prozesse, wie z.B. die Verschiebung der Kontinentalplatten, in für uns kaum beobachtbaren Raten stattfinden. Daher sind sogenannte Proxies, d.h. Archive in denen Informationen über die untersuchten Prozesse aus der längeren Vergangenheit gespeichert sind für die Geowissenschaften von sehr großer Bedeutung. Der wohl bekannteste Proxy ist zur Zeit CO2, dessen Konzentration in der Atmosphäre mit der Lufttemperatur korreliert wird. Als Archive für diesen Proxy dienen in der Regel Luftblasen in den Schichten der Eisschilde. Ist der Prozess bekannt, der den Proxy mit der gesuchten Information verbindet, im Falle von CO2 ist das der weitgehend bekannte sogenannte Treibhaus-Effekt, der die Oberflächentemperatur auf der Erde kontrolliert, kann man aus den Daten der Vergangenheit auf die Zukunft rückschließen. Wichtig ist dabei natürlich, dass der Prozess, der den Proxy kontrolliert genau bekannt ist, denn sonst führen dessen Messungen und die Interpretation der Daten zu falschen Rückschlüssen. In der von mir vorgelegten Habilitationsschrift geht es um Prozesse, die bestimmte Proxies in Gesteinen kontrollieren und darum, aus den Messungen der Proxies Rückschlüsse über Prozesse machen zu können, die weit außerhalb unseres direkt beobachtbaren Raumes liegen. Bei den untersuchten Prozessen handelt es sich um die sogenannte Lithosphärendynamik, die Bewegung der Gesteine in den obersten etwa 100km unseres Planeten. Diese Dynamik und die damit verbundenen Massenbewegungen sind weder räumlich noch zeitlich gut zu beobachten, die Prozesse laufen meist in größeren Tiefen und im Maßstab von Millionen von Jahren ab, sind aber dennoch für die Menschen von größter Bedeutung, da sie für Erdbeben, Vulkanausbrüche aber auch für die Lagerstättenbildung verantwortlich sind. Bewegungen der Gesteine in der Lithosphäre gehen mit Druck- und Temperaturänderungen in den Gesteinen einher. Die Gesteine versuchen sich diesen Änderungen anzupassen, was durch chemische Veränderungen in den Mineralen aus denen die Gesteine bestehen, geschieht. Solche Veränderungen infolge der Anpassung an sich ändernde Umweltbedingungen sind uns allen bekannt: Eis schmilzt, wenn die Umgebungstemperatur über dem Gefrierpunkt liegt und die Kraft, die wir im Verbrennungsmotor aus der chemischen Reaktion zwischen Benzin und Luft gewinnen setzen wir in Bewegung um. Die Berechnung solcher chemischer Anpassungen an sich ändernde Umgebungsbedingungen erfolgt mit Hilfe der Thermodynamik. Mit thermodynamischen Modellen können wir voraussagen welche Veränderungen in einem chemischen System auftreten, wenn sich die Umgebungsbedingungen ändern. Im Bezug auf Gesteine bedeutet dies, dass wir die chemische Zusammensetzung der Minerale bei bestimmten Druck und Temperaturbedingungen voraussagen können und umgekehrt auch aus der chemischen Zusammensetzung der Minerale auf die Druck- und Temperaturbedingungen bei ihrer Entstehung rückschließen können. Einige Minerale, wie z.B. Granat oder Feldspat weisen in Gesteinen oft eine chemische Zonierung auf, d.h. wie die Jahresringe in einem Baum haben solche Minerale konzentrische Anwachssäume, die sich in ihrer chemischen Zusammensetzung unterscheiden und so ein Archiv über die erfahrenen Druck- und Temperaturveränderungen in der Geschichte des Gesteins darstellen. Zur Interpretation dieser Zonierungen bedarf es komplexer thermodynamischer Modellierungen mit denen ich mich in den hier zusammengefassten publizierten Arbeiten beschäftigt habe. In den in dieser Habilitationsschrift zusammengefassten Arbeiten arbeite ich vor allem heraus, dass sowohl die Haupt- als auch die Spurenelementzonierungen in den Mineralen Granat und Hellglimmer hervorragende Indikatoren für Elementtransportprozesse in den Gesteinen sind. In Granat können Haupt- und Seltenerdelementzonierungen herangezogen werden um Elementfraktionierungsprozesse während der Gesteinsentwicklung zu detektieren. In den Hellglimmern ist die Konzentration und isotopische Zusammensetzung von Bor indikativ für eine Fluid-Gesteins-Wechselwirkung. Ich zeige, dass mit von mir und meinen Co-Autoren entwickelten thermodynamisch-geochemischen Modellen solche Elementtransportprozesse quantifiziert werden können. In den hier vorgelegten Arbeiten verwende ich solche numerischen Modelle um Prozesse vom µm bis km Maßstab zu quantifizieren. KW - geology KW - petrology KW - thermodynamic modelling KW - Geologie KW - Petrologie KW - thermodynamische Modellierungen Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-101805 ER - TY - THES A1 - Dunlop, John William Chapman T1 - The physics of shape changes in biology T1 - Die Physik von Formveränderungen in der Biologie N2 - Biological materials, in addition to having remarkable physical properties, can also change shape and volume. These shape and volume changes allow organisms to form new tissue during growth and morphogenesis, as well as to repair and remodel old tissues. In addition shape or volume changes in an existing tissue can lead to useful motion or force generation (actuation) that may even still function in the dead organism, such as in the well known example of the hygroscopic opening or closing behaviour of the pine cone. Both growth and actuation of tissues are mediated, in addition to biochemical factors, by the physical constraints of the surrounding environment and the architecture of the underlying tissue. This habilitation thesis describes biophysical studies carried out over the past years on growth and swelling mediated shape changes in biological systems. These studies use a combination of theoretical and experimental tools to attempt to elucidate the physical mechanisms governing geometry controlled tissue growth and geometry constrained tissue swelling. It is hoped that in addition to helping understand fundamental processes of growth and morphogenesis, ideas stemming from such studies can also be used to design new materials for medicine and robotics. N2 - Biologische Materialien verfügen nicht nur über außergewöhnliche physikalische Eigenschaften, sie können auch ihre Form und ihr Volumen verändern. Ermöglicht werden diese Anpassungen während der Morphogenese und des Wachstums sowohl durch die Bildung neuer Gewebe, als auch die Umformung und/oder Reparatur alter Gewebe. Zusätzlich führen Form? oder Volumenänderungen in Geweben häufig zur Generierung von Kräften (Aktuation) und daraus resultierenden Bewegungen. Ein bekanntes Beispiel dafür ist der feuchtigkeitsgetriebene Öffnungs? und Schließmechanismus der Schuppen von Kiefernzapfen, die ausschließlich aus totem Gewebe ohne aktiven Metabolismus bestehen. Bestimmend für Wachstum und Aktuation sind dabei nicht nur biochemische Faktoren sondern auch physikalische Randbedingung definiert durch die Umgebung und die Gewebearchitektur. Die vorliegende Habilitationsschrift basiert auf biophysikalischen Arbeiten der Gruppe „Biomimetic Actuation and Tissue Growth“ zu wachstums? und quellungsbedingten Formänderungen biologischer Systeme. Physikalische Mechanismen von Gewebewachstum und Quellprozessen unter dem kontrollierenden Einfluss von geometrischen Randbedingungen werden mit theoretischen und experimentellen Methoden untersucht und erklärt. Die gewonnenen Ergebnisse tragen nicht nur zum Verständnis grundlegender Wachstums? und Morphogeneseprozesse bei, sie könnten zukünftig auch für die Entwicklung neuer Materialien für die Medizin und Robotik von Nutzen sein. KW - tissue growth KW - actuation KW - swelling KW - biomechanics KW - biophysics KW - Biomechanik KW - Aktuation KW - Gewebewachstum KW - Biophysik KW - Morphogenese Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-96554 ER - TY - THES A1 - Giordano, Cristina T1 - A neglected world: transition metal nitride and metal carbide based nanostructures T1 - Eine vernachlässigte Welt: Übergangsmetallnitrid- und Metallcarbid-basierte Nanostrukturen BT - novel synthesis and future perspectives BT - neuartige Synthese und Zukunftsperspektiven N2 - Potentiality of nanosized materials has been largely proved but a closer look shows that a significant percentage of this research is related to oxides and metals, while the number drastically drops for metallic ceramics, namely transition metal nitrides and metal carbides. The lack of related publications do not reflect their potential but rather the difficulties related to their synthesis as dense and defect-free structures, fundamental prerequisites for advanced mechanical applications. The present habilitation work aims to close the gap between preparation and processing, indicating novel synthetic pathways for a simpler and sustainable synthesis of transition metal nitride (MN) and carbide (MC) based nanostructures and easier processing thereafter. In spite of simplicity and reliability, the designed synthetic processes allow the production of functional materials, with the demanded size and morphology. The goal was achieved exploiting classical and less-classical precursors, ranging from common metal salts and molecules (e.g. urea, gelatin, agar, etc), to more exotic materials, such as leafs, filter paper and even wood. It was found that the choice of precursors and reaction conditions makes it possible to control chemical composition (going for instance from metal oxides to metal oxy-nitrides to metal nitrides, or from metal nitrides to metal carbides, up to quaternary systems), size (from 5 to 50 nm) and morphology (going from mere spherical nanoparticles to rod-like shapes, fibers, layers, meso-porous and hierarchical structures, etc). The nature of the mixed precursors also allows the preparation of metal nitrides/carbides based nanocomposites, thus leading to multifunctional materials (e.g. MN/MC@C, MN/MC@PILs, etc) but also allowing dispersion in liquid media. Control over composition, size and morphology is obtained with simple adjustment of the main route, but also coupling it with processes such as electrospin, aerosol spray, bio-templating, etc. Last but not least, the nature of the precursor materials also allows easy processing, including printing, coating, casting, film and thin layers preparation, etc). The designed routes are, concept-wise, similar and they all start by building up a secondary metal ion-N/C precursor network, which converts, upon heat treatment, into an intermediate “glass”. This glass stabilizes the nascent nanoparticles during their nucleation and impairs their uncontrolled growth during the heat treatment (scheme 1). This way, one of the main problems related to the synthesis of MN/MC, i.e. the need of very high temperature, could also be overcome (from up to 2000°C, for classical synthesis, down to 700°C in the present cases). The designed synthetic pathways are also conceived to allow usage of non-toxic compounds and to minimize (or even avoid) post-synthesis purification, still bringing to phase pure and well-defined (crystalline) nanoparticles. This research aids to simplify the preparation of MN/MC, making these systems now readily available in suitable amounts both for fundamental and applied science. The prepared systems have been tested (in some cases for the first time) in many different fields, e.g. battery (MnN0.43@C shown a capacity stabilized at a value of 230 mAh/g, with coulombic efficiencies close to 100%), as alternative magnetic materials (Fe3C nanoparticles were prepared with different size and therefore different magnetic behavior, superparamagnetic or ferromagnetic, showing a saturation magnetization value up to 130 emu/g, i.e. similar to the value expected for the bulk material), as filters and for the degradation of organic dyes (outmatching the performance of carbon), as catalysts (both as active phase but also as active support, leading to high turnover rate and, more interesting, to tunable selectivity). Furthermore, with this route, it was possible to prepare for the first time, to the best of our knowledge, well-defined and crystalline MnN0.43, Fe3C and Zn1.7GeN1.8O nanoparticles via bottom-up approaches. Once the synthesis of these materials can be made straightforward, any further modification, combination, manipulation, is in principle possible and new systems can be purposely conceived (e.g. hybrids, nanocomposites, ferrofluids, etc). N2 - Materialien sind wichtige Hilfsmittel, die wir täglich benutzen, um unser Leben einfacher zu machen. Materialien werden durch ihre Eigenschaften charakterisiert. Manche sind stark, manche sind elektrisch, manche magnetisch, usw. Wenn ein Stoff auf die Dimension eines Virus verkleinert wird, zeigen sich besondere Veränderungen. War das Material groß z.B. elektrisch, hat es klein diese Eigenschaft nicht mehr. Groß war es glanzlos, aber klein ist es transparent... Das heißt, dass jedes bekannte Material prinzipiell ein neues Material werden kann, nur durch die Veränderung seiner Größe. Wegen dieser besonderen Entdeckung, ist seit vielen Jahren ein Großteil der Forschung Nanopartikeln gewidmet. Dennoch werden in diesem Gebiet meistens besondere Materialien untersucht, weil ihre Anwendungsfelder weithin bekannt und wichtig sind. Meine Forschung basiert auf der Untersuchung neuer oder weniger bekannter Materialien, nämlich Übergangsmetallnitride und Übergangsmetallcarbide als Nanostrukturen. Sie sind nicht so bekannt, weil sie nicht so einfach herzustellen waren (die klassische Synthese braucht eine hohe Temperatur bis 2000°C, und oft toxische Reaktionsmittel). Trotzdem sind sie sehr interessante Materialien, weil sie auf der Grenze zwischen reinen Metallen und reinen keramischen Materialien hinsichtlich der Eigenschaften liegen. Das heißt, sie sind z.B. sehr fest, aber auch leitend, sie haben einen hohen Schmelzpunkt und sind magnetisch, etc. Durch die hier vorgestellte Forschung wird die Synthese dieser Materialien einfacher gemacht, bei niedrigen Temperaturen, mit natürlichen Produkten (z.B. Harnstoff, Gelatine, Agar, Zellulose, etc). Die Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten dieser Systeme wurden auch studiert, ebenso wie die Kontrolle der Größe und Form. So konnten wir sphärische, rohrförmige, und fiber-basierte Nanostrukturen synthetisieren, aber sogar Blätter und Holz konnten als Reaktionsmittel benutzt werden und in Nitrid und Carbid umgewandelt werden, ohne die Form zu ändern. Weil die Synthese dieser Materialien direkt gemacht werden konnte, ist prinzipiell jede weitere Modifikation, Kombination und Manipulation möglich. So können jetzt neue Systeme entworfen werden. KW - metal carbides KW - metal nitrides KW - nanostructures KW - sol-gel KW - Metallnitride KW - Metallcarbide KW - Nanostrukturen KW - Sol-Gel Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-75375 ER - TY - THES A1 - Faivre, Damien T1 - Biological and biomimetic formation and organization of magnetic nanoparticles T1 - Biologische und biomimetische Bildung und Anordnung von magnetischen Nanopartikel N2 - Biological materials have ever been used by humans because of their remarkable properties. This is surprising since the materials are formed under physiological conditions and with commonplace constituents. Nature thus not only provides us with inspiration for designing new materials but also teaches us how to use soft molecules to tune interparticle and external forces to structure and assemble simple building blocks into functional entities. Magnetotactic bacteria and their chain of magnetosomes represent a striking example of such an accomplishment where a very simple living organism controls the properties of inorganics via organics at the nanometer-scale to form a single magnetic dipole that orients the cell in the Earth magnetic field lines. My group has developed a biological and a bio-inspired research based on these bacteria. My research, at the interface between chemistry, materials science, physics, and biology focuses on how biological systems synthesize, organize and use minerals. We apply the design principles to sustainably form hierarchical materials with controlled properties that can be used e.g. as magnetically directed nanodevices towards applications in sensing, actuating, and transport. In this thesis, I thus first present how magnetotactic bacteria intracellularly form magnetosomes and assemble them in chains. I developed an assay, where cells can be switched from magnetic to non-magnetic states. This enabled to study the dynamics of magnetosome and magnetosome chain formation. We found that the magnetosomes nucleate within minutes whereas chains assembles within hours. Magnetosome formation necessitates iron uptake as ferrous or ferric ions. The transport of the ions within the cell leads to the formation of a ferritin-like intermediate, which subsequently is transported and transformed within the magnetosome organelle in a ferrihydrite-like precursor. Finally, magnetite crystals nucleate and grow toward their mature dimension. In addition, I show that the magnetosome assembly displays hierarchically ordered nano- and microstructures over several levels, enabling the coordinated alignment and motility of entire populations of cells. The magnetosomes are indeed composed of structurally pure magnetite. The organelles are partly composed of proteins, which role is crucial for the properties of the magnetosomes. As an example, we showed how the protein MmsF is involved in the control of magnetosome size and morphology. We have further shown by 2D X-ray diffraction that the magnetosome particles are aligned along the same direction in the magnetosome chain. We then show how magnetic properties of the nascent magnetosome influence the alignment of the particles, and how the proteins MamJ and MamK coordinate this assembly. We propose a theoretical approach, which suggests that biological forces are more important than physical ones for the chain formation. All these studies thus show how magnetosome formation and organization are under strict biological control, which is associated with unprecedented material properties. Finally, we show that the magnetosome chain enables the cells to find their preferred oxygen conditions if the magnetic field is present. The synthetic part of this work shows how the understanding of the design principles of magnetosome formation enabled me to perform biomimetic synthesis of magnetite particles within the highly desired size range of 25 to 100 nm. Nucleation and growth of such particles are based on aggregation of iron colloids termed primary particles as imaged by cryo-high resolution TEM. I show how additives influence magnetite formation and properties. In particular, MamP, a so-called magnetochrome proteins involved in the magnetosome formation in vivo, enables the in vitro formation of magnetite nanoparticles exclusively from ferrous iron by controlling the redox state of the process. Negatively charged additives, such as MamJ, retard magnetite nucleation in vitro, probably by interacting with the iron ions. Other additives such as e.g. polyarginine can be used to control the colloidal stability of stable-single domain sized nanoparticles. Finally, I show how we can “glue” magnetic nanoparticles to form propellers that can be actuated and swim with the help of external magnetic fields. We propose a simple theory to explain the observed movement. We can use the theoretical framework to design experimental conditions to sort out the propellers depending on their size and effectively confirm this prediction experimentally. Thereby, we could image propellers with size down to 290 nm in their longer dimension, much smaller than what perform so far. N2 - Biologische Materialien wie Knochen, Muscheln und Holz wurden von den Menschen seit den ältesten Zeiten verwendet. Diese biologisch gebildeten Materialien haben bemerkenswerte Eigenschaften. Dies ist besonders überraschend, da sie unter physiologischen Bedingungen und mit alltäglichen Bestandteilen gebildet sind. Die Natur liefert uns also nicht nur mit Inspiration für die Entwicklung neuer Materialien, sondern lehrt uns auch, wie biologische Additiven benutzen werden können, um einfache synthetische Bausteine in funktionale Einheiten zu strukturieren. Magnetotaktischen Bakterien und ihre Kette von Magnetosomen sind ein Beispiel, wo einfache Lebewesen die Eigenschaften von anorganischen Materialien steuern, um sich entlang den magnetischen Feldlinien der Erde zu orientieren. Die von den Bakterien gebildeten Magnetosomen sind von besonderem Interesse, da mit magnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln in den letzten zehn Jahren einer Vielzahl von Bio-und nanotechnologischen Anwendungen entwickelt worden sind. In dieser Arbeit stelle ich eine biologische und eine bio-inspirierte Forschung auf der Grundlage der magnetotaktischen Bakterien vor. Diese Forschung verbindet die neuesten Entwicklungen von Nanotechnik in der chemischen Wissenschaft, die neuesten Fortschritte der Molekularbiologie zusammen mit modernen Messverfahren. Mein Forschungsschwerpunkt liegt somit an der Schnittstelle zwischen Chemie, Materialwissenschaften, Physik und Biologie. Ich will verstehen, wie biologische Systeme Materialien synthetisieren und organisieren, um Design-Prinzipien zu extrahieren, damit hierarchischen Materialien mit kontrollierten Eigenschaften nachhaltig gebildet werden. KW - magnetotaktische Bakterien KW - Magnetit Nanopartikel KW - Biomineralisation KW - magnetite KW - nanoparticle KW - biomineralization KW - magnetosome KW - magnetotactic bacteria Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-72022 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 - 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 - Bordihn, Henning T1 - Contributions to the syntactical analysis beyond context-freeness T1 - Beiträge zur syntaktischen Analyse nicht-kontextfreier Sprachen N2 - Parsability approaches of several grammar formalisms generating also non-context-free languages are explored. Chomsky grammars, Lindenmayer systems, grammars with controlled derivations, and grammar systems are treated. Formal properties of these mechanisms are investigated, when they are used as language acceptors. Furthermore, cooperating distributed grammar systems are restricted so that efficient deterministic parsing without backtracking becomes possible. For this class of grammar systems, the parsing algorithm is presented and the feature of leftmost derivations is investigated in detail. N2 - Ansätze zum Parsing verschiedener Grammatikformalismen, die auch nicht-kontextfreie Sprachen erzeugen können, werden diskutiert. Chomsky-Grammatiken, Lindenmayer-Systeme, Grammatiken mit gesteuerten Ersetzungen und Grammatiksysteme werden behandelt. Formale Eigenschaften dieser Mechanismen als Akzeptoren von Sprachen werden untersucht. Weiterhin werden kooperierende verteilte (CD) Grammatiksysteme derart beschränkt, dass effizientes deterministisches Parsing ohne Backtracking möglich ist. Für diese Klasse von Grammatiksystemen wird der Parsingalgorithmus vorgestellt und die Rolle von Linksableitungen wird detailliert betrachtet. KW - Parsing KW - Akzeptierende Grammatiken KW - Gesteuerte Ableitungen KW - Grammatiksysteme KW - Linksableitungen KW - Parsing KW - Accepting Grammars KW - Controlled Derivations KW - Grammar Systems KW - Leftmost Derivations Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-59719 ER - TY - THES A1 - Hainzl, Sebastian T1 - Earthquake triggering and interaction T1 - Erdbebenentstehung und Wechselwirkungen N2 - Earthquake faults interact with each other in many different ways and hence earthquakes cannot be treated as individual independent events. Although earthquake interactions generally lead to a complex evolution of the crustal stress field, it does not necessarily mean that the earthquake occurrence becomes random and completely unpredictable. In particular, the interplay between earthquakes can rather explain the occurrence of pronounced characteristics such as periods of accelerated and depressed seismicity (seismic quiescence) as well as spatiotemporal earthquake clustering (swarms and aftershock sequences). Ignoring the time-dependence of the process by looking at time-averaged values – as largely done in standard procedures of seismic hazard assessment – can thus lead to erroneous estimations not only of the activity level of future earthquakes but also of their spatial distribution. Therefore, it exists an urgent need for applicable time-dependent models. In my work, I aimed at better understanding and characterization of the earthquake interactions in order to improve seismic hazard estimations. For this purpose, I studied seismicity patterns on spatial scales ranging from hydraulic fracture experiments (meter to kilometer) to fault system size (hundreds of kilometers), while the temporal scale of interest varied from the immediate aftershock activity (minutes to months) to seismic cycles (tens to thousands of years). My studies revealed a number of new characteristics of fluid-induced and stress-triggered earthquake clustering as well as precursory phenomena in earthquake cycles. Data analysis of earthquake and deformation data were accompanied by statistical and physics-based model simulations which allow a better understanding of the role of structural heterogeneities, stress changes, afterslip and fluid flow. Finally, new strategies and methods have been developed and tested which help to improve seismic hazard estimations by taking the time-dependence of the earthquake process appropriately into account. N2 - Erdbeben interagieren in vielfältiger Weise miteinander, weshalb sie nicht als einzelne, unabhängige Ereignisse behandelt werden können. Obwohl diese Erdbebenwechselwirkungen in der Regel zu einer komplexen Entwicklung des Spannungsfelds führen, bedeutet dies nicht zwangsläufig, dass Erdbeben rein zufällig und völlig unberechenbar auftreten. Insbesondere kann das Zusammenspiel zwischen Erdbeben zu ausgeprägten Charakteristiken wie Phasen beschleunigter Aktivität, seismischer Ruhe sowie raumzeitlichen Erdbebenanhäufungen (Schwärme und Nachbebensequenzen) führen. Die Vernachlässigung der Zeitabhängigkeit des Erdbebenprozesses kann somit zu fehlerhaften Einschätzungen nicht nur des zukünftigen Aktivitätsniveaus, sondern auch der räumlichen Verteilung führen. Daher besteht ein dringender Bedarf an geeigneten zeitabhängigen Seismizitätsmodellen. Meine Arbeit zielt auf ein verbessertes Verständnis und Charakterisierung der Interaktionen von Erdbeben ab, um Abschätzungen der Erdbebengefährdung zu verbessern. Zu diesem Zweck untersuche ich Seismizitätsmuster auf den räumlichen Skalen von hydraulisch induzierten Öffnungsbrüchen (Meter bis Kilometer) bis zu Verwerfungssystemen (Hunderte von Kilometern), während die zeitlichen Skalen von Nachbebenaktivität (Minuten bis Monate) bis zu seismischen Zyklen (bis zu mehrere tausendend Jahre) reichen. Meine Studien ergeben eine Reihe neuer Merkmale von Fluid- und Spannungs-induzierten Erdbeben. Ergänzend zur reinen Datenanalyse der Erdbeben- und Deformationsdaten liefern statistische und Physik-basierte Modellsimulationen ein besseres Verständnis der Rolle von strukturellen Heterogenitäten, Spannungsänderungen und postseismischen Prozessen. Schließlich konnten neue Strategien und Methoden entwickelt und getestet werden, mit denen die Erdbebengefährdung besser eingeschätzt werden kann, indem die Zeitabhängigkeit des Erdbebens Prozess angemessen berücksichtigt wird. KW - Erdbebeninteraktion KW - Erdbebengefährdung KW - earthquake interaction KW - seismic hazard Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-50095 ER - TY - THES A1 - Bach, Stefan T1 - Empirical studies on tax distribution and tax reform in Germany T1 - Empirische Studien zu Steuerlastverteilung und Steuerreformen in Deutschland N2 - This professorial dissertation thesis collects several empirical studies on tax distribution and tax reform in Germany. Chapter 2 deals with two studies on effective income taxation, based on representative micro data sets from tax statistics. The first study analyses the effective income taxation at the individual level, in particular with respect to the top incomes. It is based on an integrated micro data file of household survey data and income tax statistics, which captures the entire income distribution up to the very top. Despite substantial tax base erosion and reductions of top tax rates, the German personal income tax has remained effectively progressive. The distribution of the tax burden is highly concentrated and the German economic elite is still taxed relatively heavily, even though the effective tax rate for this group has significantly declined. The second study of Chapter 2 highlights the effective income taxation of functional income sources, such as labor income, business and capital income, etc. Using income tax micro data and microsimulation models, we allocate the individual income tax liability to the respective income sources, according to different apportionment schemes accounting for losses. We find that the choice of the apportionment scheme markedly affects the tax shares of income sources and implicit tax rates, in particular those of capital income. Income types without significant losses such as labor income or transfer incomes show higher tax shares and implicit tax rates if we account for losses. The opposite is true for capital income, in particular for income from renting and leasing. Chapter 3 presents two studies on business taxation, based on representative micro data sets from tax statistics and the microsimulation model BizTax. The first part provides a study on fundamental reform options for the German local business tax. We find that today’s high concentration of local business tax revenues on corporations with high profits decreases if the tax base is broadened by integrating more taxpayers and by including more elements of business value added. The reform scenarios with a broader tax base distribute the local business tax revenue per capita more equally across regional categories. The second study of Chapter 3 discusses the macroeconomic performance of business taxation against the background of corporate income. A comparison of the tax base reported in tax statistics with the macroeconomic corporate income from national accounts gives hints to considerable tax base erosion. The average implicit tax rate on corporate income was around 20 percent since 2001, and thus falling considerably short of statutory tax rates and effective tax rates discussed in the literature. For lack of detailed accounting data it is hard to give precise reasons for the presumptive tax base erosion. Chapter 4 deals with several assessment studies on the ecological tax reform implemented in Germany as of 1999. First, we describe the scientific, ideological, and political background of the ecological tax reform. Further, we present the main findings of a first systematic impact analysis. We employ two macroeconomic models, an econometric input-output model and a recursive-dynamic computable general equilibrium (CGE) model. Both models show that Germany’s ecological tax reform helps to reduce energy consumption and CO2 emissions without having a substantial adverse effect on overall economic growth. It could have a slightly positive effect on employment. The reform’s impact on the business sector and the effects of special provisions granted to agriculture and the goods and materials sectors are outlined in a further study. The special provisions avoid higher tax burdens on the energy-intensive production. However, they widely reduce the marginal tax rates and thus the incentives to energy saving. Though the reform of special provisions 2003 increased the overall tax burden of the energy-intensive industry, the enlarged eligibility for tax rebates neutralizes the ecologic incentives. Based on the Income and Consumption Survey of 2003, we have analyzed the distributional impact of the ecological tax reform. The increased energy taxes show a clear regressive impact relative to disposable income. Families with children face a higher tax burden relative to household income. The reduction of pension contributions and the automatic adjustment of social security transfers widely mitigate this regressive impact. Households with low income or with many children nevertheless bear a slight increase in tax burden. Refunding the eco tax revenue by an eco bonus would make the reform clearly progressive. N2 - Diese Habilitationsschrift fasst verschiedene empirische Studien zu Steuerlastverteilung und Steuerreformen in Deutschland zusammen. In Kapitel 2 werden zwei Studien zur effektiven Einkommensteuerbelastung dargestellt. Die erste Studie analysiert die effektive Einkommensteuerbelastung auf der persönlichen Ebene, insbesondere bei Personen mit hohen Einkommen. Grundlage der Analyse ist ein integrierter Mikrodatensatz aus Haushaltserhebungen und Steuerstatistik, der die vollständige Einkommensverteilung zuverlässig abbildet. Trotz erheblicher Steuerbegünstigungen und Senkungen der Spitzensteuersätze wirkt die deutsche Einkommensteuer klar progressiv, auch wenn die Belastung der Top-Verdiener in den letzten Jahren deutlich gesunken ist. Die zweite Studie in Kapitel 2 analysiert die effektive Einkommensteuerbelastung von verschiedenen funktionalen Einkommensquellen. Auf Grundlage von steuerstatistischen Mikrodaten und Mikrosimulationsmodellen analysieren wir die Anteile der Einkunftsarten an der Steuerbelastung für verschiedene Aufteilungsregeln unter Berücksichtigung von Verlusten. Die Wahl der Aufteilungsregel wirkt sich spürbar auf den Steueranteil und die impliziten Steuersätze von Einkommensarten aus, wenn Verluste berücksichtigt werden, vor allem bei den Vermögenseinkommen. Kapitel 3 enthält zwei Studien zur Unternehmensbesteuerung, die auf repräsentativen Einzeldatensätzen der Steuerstatistik und dem Mikrosimulationsmodell BizTax basieren. Zunächst wird eine Mikrosimulationsanalyse zu grundlegenden Reformmodellen für die Gewerbesteuer vorgestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die starke Konzentration des Gewerbesteueraufkommens auf die Unternehmen mit höheren Gewinnen deutlich vermindert werden kann, wenn die Bemessungsgrundlagen verbreitert werden, durch Einbeziehung aller Unternehmen und eine Ausweitung auf weitere Komponenten der betrieblichen Wertschöpfung. Diese Reformszenarien verteilen das Steueraufkommen je Einwohner deutlich gleichmäßiger über die Regionen. In der zweiten Studie des Kapitels 3 analysieren wir das Unternehmensteueraufkommen vor dem Hintergrund der gesamtwirtschaftlichen Unternehmensgewinne. Ein Vergleich der steuerlichen Bemessungsgrundlagen mit den entsprechenden Unternehmensgewinnen der Volkswirtschaftlichen Gesamtrechnungen ergibt eine beträchtliche Besteuerungslücke. Die durchschnittliche effektive Unternehmensteuerbelastung dürfte sich seit 2001 um 20 Prozent bewegt haben. Dies ist deutlich niedriger als die nominalen tariflichen Steuersätze und die effektiven Steuersätze, die in der Literatur ermittelt werden. Mangels detaillierter statistischer Erfassung der steuerlichen Gewinnermittlung ist es derzeit nicht möglich, diese Besteuerungslücke genauer aufzuklären. In Kapitel 4 werden verschiedene Studien zur ökologischen Steuerreform dargestellt. Zunächst werden die wissenschaftlichen, ideologischen und politischen Hintergründe dieser Reform erläutert. Danach wird eine erste systematische Wirkungsanalyse dargestellt. Dabei werden zwei makroökonomische Modelle eingesetzt, ein ökonometrisches Input-Output-Modell und ein empirisches rekursiv-dynamisches allgemeines Gleichgewichtsmodell. Die Ergebnisse zeigen, dass die ökologische Steuerreform den Energieverbrauch und die CO2-Emissionen spürbar senken kann, ohne dass dies nennenswerte Wachstumseinbußen nach sich ziehen würde. Ferner löst die Reform leicht positive Beschäftigungseffekte aus. Die Wirkungen der ökologischen Steuerreform nach Wirtschaftsbereichen und die Wirkungen der Steuervergünstigungen für Landwirtschaft und Produzierendes Gewerbe werden in einer weiteren Studie analysiert. Die Steuervergünstigungen vermeiden höhere Belastungen in den energieintensiven Produktionsbereichen. Zugleich reduzieren sie die Grenzbelastungen und somit die Anreize zum Energiesparen in diesen Branchen weitgehend. Die Reform der Steuervergünstigungen hat zwar die Belastungen für die energieintensive Wirtschaft seit 2003 erhöht. Die zusätzlichen Anreizwirkungen wurden aber durch die Ausweitung des „Spitzenausgleichs“ konterkariert. Die Effekte der ökologischen Steuerreform auf die Einkommensverteilung wurden auf Grundlage der Einkommens- und Verbrauchsstichprobe 2003 untersucht. Die erhöhten Energiesteuern wirken klar regressiv bezogen auf das verfügbare Einkommen. Familien mit Kindern werden relativ stärker belastet. Die Senkung der Rentenbeiträge und die automatische Anpassung von Sozialleistungen mildern die regressive Belastungswirkung. Bei Haushalten mit niedrigen Einkommen oder bei Familien mit vielen Kindern bleiben jedoch Nettobelastungen bestehen. Eine Rückerstattung des Ökosteueraufkommens durch einen „Ökobonus“ würde die gesamten Verteilungswirkungen der Reform deutlich progressiv machen. KW - Steuerlastverteilung KW - Steuerreform KW - Mikrosimulation KW - Evaluierung der Steuerpolitik KW - Tax distribution KW - tax reform KW - microsimulation KW - tax policy evaluation Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-60289 ER - TY - THES A1 - Börner, Hans Gerhard T1 - Exploiting self-organization and functionality of peptides for polymer science T1 - Peptide im Dienste der Polymerwissenschaften : Kontrolle der Selbstorganisation und der Funktionalität N2 - Controlling interactions in synthetic polymers as precisely as in proteins would have a strong impact on polymer science. Advanced structural and functional control can lead to rational design of, integrated nano- and microstructures. To achieve this, properties of monomer sequence defined oligopeptides were exploited. Through their incorporation as monodisperse segments into synthetic polymers we learned in recent four years how to program the structure formation of polymers, to adjust and exploit interactions in such polymers, to control inorganic-organic interfaces in fiber composites and induce structure in Biomacromolecules like DNA for biomedical applications. N2 - Die Kontrolle von Wechselwirkungen in synthetischen Polymersystemen mit vergleichbarer Präzision wie in Polypeptiden und Proteinen hätte einen dramatischen Einfluss auf die Möglichkeiten in den Polymer- und Materialwissenschaften. Um dies zu erreichen, werden im Rahmen dieser Arbeit Eigenschaften von Oligopeptiden mit definierter Monomersequenz ausgenutzt. Die Integration dieser monodispersen Biosegmente in synthetische Polymere erlaubt z. B. den Aufbau von Peptid-block-Polymer Copolymeren. In solchen sogenannten Peptid-Polymer-Konjugaten sind die Funktionalitäten, die Sekundärwechselwirkungen und die biologische Aktivität des Peptidsegments präzise programmierbar. In den vergangen vier Jahren konnte demonstriert werden, wie in Biokonjugatsystemen die Mikrostrukturbildung gesteuert werden kann, wie definierte Wechselwirkungen in diesen Systemen programmiert und ausgenutzt werden können und wie Grenzflächen zwischen anorganischen und organischen Komponenten in Faserkompositmaterialien kontrolliert werden können. Desweiteren konnten Peptid-Polymer-Konjugate verwendet werden, um für biomedizinische Anwendungen DNS gezielt zu komprimieren oder Zelladhäsion auf Oberflächen zu steuern. KW - Peptid-Polymer-Konjugate KW - Biokonjugate KW - Selbstorganisation KW - peptide-polymer conjugate KW - bioconjugate KW - self-assembly Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-29066 ER -