TY  - THES
A1  - Adelhelm, Philipp
T1  - Novel carbon materials with hierarchical porosity : templating strategies and advanced characterization
T1  - Neue Kohlenstoffmaterialien mit hierarchischer Porosität : Strategien der Templatierung und erweiterte Charakterisierung
N2  - The aim of this work was the generation of carbon materials with high surface area, exhibiting a hierarchical pore system in the macro- and mesorange. Such a pore system facilitates the transport through the material and enhances the interaction with the carbon matrix (macropores are pores with diameters > 50 nm, mesopores between 2 – 50 nm). Thereto, new strategies for the synthesis of novel carbon materials with designed porosity were developed that are in particular useful for the storage of energy. Besides the porosity, it is the graphene structure itself that determines the properties of a carbon material. Non-graphitic carbon materials usually exhibit a quite large degree of disorder with many defects in the graphene structure, and thus exhibit inherent microporosity (d < 2nm). These pores are traps and oppose reversible interaction with the carbon matrix. Furthermore they reduce the stability and conductivity of the carbon material, which was undesired for the proposed applications. As one part of this work, the graphene structures of different non-graphitic carbon materials were studied in detail using a novel wide-angle x-ray scattering model that allowed precise information about the nature of the carbon building units (graphene stacks). Different carbon precursors were evaluated regarding their potential use for the synthesis shown in this work, whereas mesophase pitch proved to be advantageous when a less disordered carbon microstructure is desired. By using mesophase pitch as carbon precursor, two templating strategies were developed using the nanocasting approach. The synthesized (monolithic) materials combined for the first time the advantages of a hierarchical interconnected pore system in the macro- and mesorange with the advantages of mesophase pitch as carbon precursor. In the first case, hierarchical macro- / mesoporous carbon monoliths were synthesized by replication of hard (silica) templates. Thus, a suitable synthesis procedure was developed that allowed the infiltration of the template with the hardly soluble carbon precursor. In the second case, hierarchical macro- / mesoporous carbon materials were synthesized by a novel soft-templating technique, taking advantage of the phase separation (spinodal decomposition) between mesophase pitch and polystyrene. The synthesis also allowed the generation of monolithic samples and incorporation of functional nanoparticles into the material. The synthesized materials showed excellent properties as an anode material in lithium batteries and support material for supercapacitors.
N2  - Kohlenstoffmaterialien finden aufgrund ihrer Vielseitigkeit heute in den unterschiedlichsten Bereichen des täglichen Lebens ihren Einsatz. Bekannte Beispiele sind Kohlenstofffasern in Verbundwerkstoffen, Graphit als trockenes Schmiermittel, oder Aktivkohlen in Filtersystemen. Ferner wird Graphit als Elektrodenmaterial auch in Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Wegen knapper werdender Ressourcen von Öl und Gas wurde in den letzten Jahren verstärkt an der Entwicklung neuer Materialien für die Speicherung von Wasserstoff und elektrischer Energie gearbeitet. Die Nanotechnologie ist dabei auch für neue Kohlenstoffmaterialien zukunftsweisend, denn sie stellt weitere Anwendungsmöglichkeiten in Aussicht. In dieser Arbeit wurden hierzu mittels des sogenannten Nanocastings neue Kohlenstoffmaterialien für Energieanwendungen, insbesondere zur Speicherung von elektrischer Energie entwickelt. Die Eigenschaften eines Kohlenstoffmaterials beruhen im Wesentlichen auf der Struktur des Kohlenstoffs im molekularen Bereich. Die in dieser Arbeit hergestellten Materialen bestehen aus nichtgraphitischem Kohlenstoff und wurden im ersten Teil der Arbeit mit den Methoden der Röntgenstreuung genau untersucht. Eine speziell für diese Art von Kohlenstoffen kürzlich entwickelte Modellfunktion wurde dazu an die experimentellen Streubilder angepasst. Das verwendete Modell basiert dabei auf den wesentlichen Strukturmerkmalen von nichtgraphitischem Kohlenstoff und ermöglichte von daher eine detaillierte Beschreibung der Materialien. Im Gegensatz zu den meisten nichtgraphitischen Kohlenstoffen konnte gezeigt werden, dass die Verwendung von Mesophasen-Pech als Vorläufersubstanz (Precursor) ein Material mit vergleichsweise geringem Grad an Unordnung ermöglicht. Solch ein Material erlaubt eine ähnlich reversible Einlagerung von Lithium-Ionen wie Graphit, weist aber gleichzeitig wegen des nichtgraphitischen Charakters eine deutlich höhere Speicherfähigkeit auf. Zur Beschreibung der Porosität eines Materials verwendet man die Begriffe der Makro-, Meso-, und Mikroporen. Die Aktivität eines Materials kann durch die Erhöhung der Oberfläche noch erheblich gesteigert werden. Hohe Oberflächen können insbesondere durch die Schaffung von Poren im Nanometerbereich erzielt werden. Um die Zugänglichkeit zu diesen Poren zu steigern, weist ein Material idealerweise zusätzlich ein kontinuierliches makroporöses Transportsystem (Porendurchmesser d > 50 nm) auf. Solch eine Art von Porosität über mehrere Größenordnungen wird allgemein als „hierarchische Porosität“ bezeichnet. Für elektrochemische Anwendungen sind sogenannte Mesoporen (d = 2 – 50 nm) relevant, da noch kleinere Poren (Mikroporen, d < 2 nm) z.B. zu einer irreversiblen Bindung von Lithium- Ionen führen können. Wird Mesophasen-Pech als Kohlenstoffprekursor verwendet, kann die Entstehung dieser Mikroporen verhindert werden. Im zweiten und dritten Teil der Arbeit konnte mit den Methoden des „Nanocastings“ zum ersten Mal die spezielle Struktur des Mesophasen-Pech basierenden Kohlenstoffmaterials mit den Vorteilen einer hierarchischen (makro- / meso-) Porosität kombiniert werden. Im ersten Syntheseverfahren wurde dazu ein sogenanntes „hartes Templat“ mit entsprechender Porosität aus Siliziumdioxid repliziert. Aufgrund der hohen Viskosität des Pechs und der geringen Löslichkeit wurde dazu ein Verfahren entwickelt, das die Infiltration des Templates auch auf der Nanometerebene ermöglicht. Das Material konnte in Form größerer Körper (Monolithen) hergestellt werden, die im Vergleich zu Pulvern eine bessere technische Verwendung ermöglichen. Im zweiten Syntheseverfahren konnte die Herstellung eines hierarchisch makro- / mesoporösen Kohlenstoffmaterials erstmals mittels eines weichen Templates (organisches Polymer) erreicht werden. Die einfache Entfernung von weichen Templaten durch eine geeignete Temperaturbehandlung, macht dieses Verfahren im Vergleich zu hart templatierten Materialien kostengünstiger und stellt eine technische Umsetzung in Aussicht. Desweiteren erlaubt das Syntheseverfahren die Herstellung von monolithischen Körpern und die Einbindung funktionaler Nanopartikel. Die hergestellten Materialien zeigen exzellente Eigenschaften als Elektrodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien und als Trägermaterial für Superkondensatoren.
KW  - Mesoporosität
KW  - hierarchische Porosität
KW  - weiche und harte Templatierung
KW  - Kohlenstoffmaterialien
KW  - Weitwinkelröntgenstreuung
KW  - Mesoporosity
KW  - hierarchical porosity
KW  - soft and hard templating
KW  - carbon materials
KW  - wide-angle x-ray scattering
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-15053
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TY  - THES
A1  - Andersen, Audrée
T1  - Surfactant dynamics at interfaces : a series of second harmonic generation experiments
T1  - Surfactant Dynamik an Grenzflächen : eine Studie über SHG-Experimente
N2  - Adsorption layers of soluble surfactants enable and govern a variety of phenomena in surface and colloidal sciences, such as foams. The ability of a surfactant solution to form wet foam lamellae is governed by the surface dilatational rheology. Only systems having a non-vanishing imaginary part in their surface dilatational modulus, E, are able to form wet foams. The aim of this thesis is to illuminate the dissipative processes that give rise to the imaginary part of the modulus.  There are two controversial models discussed in the literature. The reorientation model assumes that the surfactants adsorb in two distinct states, differing in their orientation. This model is able to describe the frequency dependence of the modulus E. However, it assumes reorientation dynamics in the millisecond time regime. In order to assess this model, we designed a SHG pump-probe experiment that addresses the orientation dynamics. Results obtained reveal that the orientation dynamics occur in the picosecond time regime, being in strong contradiction with the two states model.  The second model regards the interface as an interphase. The adsorption layer consists of a topmost monolayer and an adjacent sublayer. The dissipative process is due to the molecular exchange between both layers. The assessment of this model required the design of an experiment that discriminates between the surface compositional term and the sublayer contribution. Such an experiment has been successfully designed and results on elastic and viscoelastic surfactant provided evidence for the correctness of the model.  Because of its inherent surface specificity, surface SHG is a powerful analytical tool that can be used to gain information on molecular dynamics and reorganization of soluble surfactants. They are central elements of both experiments. However, they impose several structural elements of the model system. During the course of this thesis, a proper model system has been identified and characterized. The combination of several linear and nonlinear optical techniques, allowed for a detailed picture of the interfacial architecture of these surfactants.
N2  - Amphiphile vereinen zwei gegensätzliche Strukturelemente in einem Molekül, eine hydrophile Kopfgruppe und ein hydrophobe, meist aliphatische Kette. Aufgrund der molekularen Asymmetrie erfolgt eine spontane Adsorption an der Wasser-Luft Grenzfläche. Die Adsorptionsschicht verändert die makroskopischen Eigenschaften des Materials, z.B. die Grenzflächenspannung wird erniedrigt. Amphiphile sind zentrale Bauelemente der Kolloid- und Grenzflächenforschung, die Phänomene, wie Schäume ermöglichen.  Eine Schaumlamelle besteht aus einem dünnen Wasserfilm, der durch zwei Adsorptionsschichten stabilisiert wird. Die Stabilität der Lamelle wird durch die Grenzflächenrheologie entscheidend geprägt. Die wesentliche makroskopische Größe in diesem Zusammenhang ist das so genannte Grenzflächendilatationsmodul E. Es beschreibt die Fähigkeit des Systems die Gleichgewichtsgrenzflächenspannung nach einer Expansion oder Dilatation der Adsorptionschicht wieder herzustellen. Das Modul E ist eine komplexe Größe, in dem der Imaginärteil direkt mit der Schaumstabilität korreliert.  Diese Arbeit widmet sich der Grenzflächenrheologie. In der Literatur werden zwei kontroverse Modelle zur Interpretation dieser Größe diskutiert. Diese Modelle werden experimentell in dieser Arbeit überprüft. Dies erfordert die Entwicklung neuer experimenteller Aufbauten basierend auf nichtlinearen, optischen Techniken. Mit diesen Experimenten konnte eines der Modelle bestätigt werden.
KW  - Tensid
KW  - Grenzflächenchemie
KW  - Nichtlineare Spektroskopie
KW  - Oscillating Bubble
KW  - surfactants
KW  - nonlinear optics
KW  - surface rheology
KW  - air-water interface
KW  - oscillating bubble
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-6553
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TY  - THES
A1  - Aue, Lars
T1  - Cyclone impacts on sea ice in the Atlantic Arctic Ocean
T1  - Auswirkungen von Zyklonen auf das Meereis im Atlantischen Arktischen Ozean
N2  - The Arctic is the hot spot of the ongoing, global climate change. Over the last decades, near-surface temperatures in the Arctic have been rising almost four times faster than on global average. This amplified warming of the Arctic and the associated rapid changes of its environment are largely influenced by interactions between individual components of the Arctic climate system. On daily to weekly time scales, storms can have major impacts on the Arctic sea-ice cover and are thus an important part of these interactions within the Arctic climate. The sea-ice impacts of storms are related to high wind speeds, which enhance the drift and deformation of sea ice, as well as to changes in the surface energy budget in association with air mass advection, which impact the seasonal sea-ice growth and melt. 

The occurrence of storms in the Arctic is typically associated with the passage of transient cyclones. Even though the above described mechanisms how storms/cyclones impact the Arctic sea ice are in principal known, there is a lack of statistical quantification of these effects. In accordance with that, the overarching objective of this thesis is to statistically quantify cyclone impacts on sea-ice concentration (SIC) in the Atlantic Arctic Ocean over the last four decades. In order to further advance the understanding of the related mechanisms, an additional objective is to separate dynamic and thermodynamic cyclone impacts on sea ice and assess their relative importance. Finally, this thesis aims to quantify recent changes in cyclone impacts on SIC. These research objectives are tackled utilizing various data sets, including atmospheric and oceanic reanalysis data as well as a coupled model simulation and a cyclone tracking algorithm. 

Results from this thesis demonstrate that cyclones are significantly impacting SIC in the Atlantic Arctic Ocean from autumn to spring, while there are mostly no significant impacts in summer. The strength and the sign (SIC decreasing or SIC increasing) of the cyclone impacts strongly depends on the considered daily time scale and the region of the Atlantic Arctic Ocean. Specifically, an initial decrease in SIC (day -3 to day 0 relative to the cyclone) is found in the Greenland, Barents and Kara Seas, while SIC increases following cyclones (day 0 to day 5 relative to the cyclone) are mostly limited to the Barents and Kara Seas. 
 
For the cold season, this results in a pronounced regional difference between overall (day -3 to day 5 relative to the cyclone) SIC-decreasing cyclone impacts in the Greenland Sea and overall SIC-increasing cyclone impacts in the Barents and Kara Seas. A cyclone case study based on a coupled model simulation indicates that both dynamic and thermodynamic mechanisms contribute to cyclone impacts on sea ice in winter. A typical pattern consisting of an initial dominance of dynamic sea-ice changes followed by enhanced thermodynamic ice growth after the cyclone passage was found. This enhanced ice growth after the cyclone passage most likely also explains the (statistical) overall SIC-increasing effects of cyclones in the Barents and Kara Seas in the cold season.

Significant changes in cyclone impacts on SIC over the last four decades have emerged throughout the year. These recent changes are strongly varying from region to region and month to month. The strongest trends in cyclone impacts on SIC are found in autumn in the Barents and Kara Seas. Here, the magnitude of destructive cyclone impacts on SIC has approximately doubled over the last four decades. The SIC-increasing effects following the cyclone passage have particularly weakened in the Barents Sea in autumn. As a consequence, previously existing overall SIC-increasing cyclone impacts in this region in autumn have recently disappeared. Generally, results from this thesis show that changes in the state of the sea-ice cover (decrease in mean sea-ice concentration and thickness) and near-surface air temperature are most important for changed cyclone impacts on SIC, while changes in cyclone properties (i.e. intensity) do not play a significant role.
N2  - Die Arktis ist der Hotspot des globalen Klimawandels. In den letzten Jahrzehnten sind die oberflächennahen Temperaturen in der Arktis fast viermal so schnell gestiegen wie im globalen Durchschnitt. Diese verstärkte Erwärmung der Arktis und die damit verbundenen raschen Umweltveränderungen werden u.a. durch Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Komponenten des arktischen Klimasystems angetrieben. Auf täglichen bis wöchentlichen Zeitskalen können Stürme große Einflüsse auf das arktische Meereis haben und sind somit ein wichtiger Teil dieser Wechselwirkungen innerhalb des arktischen Klimas. Der Einfluss der Stürme auf das Meereis resultiert aus den hohen Windgeschwindigkeiten, welche die Drift und Verformung des Meereises verstärken, sowie aus Änderungen in der Oberflächenenergiebilanz im Zusammenhang mit der Advektion von Luftmassen, was das Wachstum und Schmelzen des Meereises beeinflusst.

Das Auftreten von Stürmen in der Arktis ist oft mit dem Durchzug von Zyklonen verbunden. Obwohl die oben beschriebenen Mechanismen, wie sich Stürme/Zyklone auf das arktische Meereis auswirken, im Prinzip bekannt sind, fehlt es an einer statistischen Quantifizierung dieser Effekte. Dementsprechend ist das übergeordnete Ziel dieser Arbeit eine statistische Quantifizierung der Auswirkungen von Zyklonen auf die Meereiskonzentration (engl. Sea Ice Concentration, SIC) im atlantischen Arktischen Ozeans über die letzten vier Jahrzehnte. Um ein Verständnis für die zugrunde liegenden Mechanismen zu erlangen, besteht ein weiteres Ziel darin, die dynamischen und thermodynamischen Auswirkungen von Zyklonen auf das Meereis zu trennen und ihre relative Bedeutung zu analysieren. Zuletzt zielt diese Arbeit darauf ab, aktuelle Veränderungen der Zykloneneinflüsse auf das Meereis zu quantifizieren. Zum Erreichen dieser Forschungsziele werden verschiedene Datensätze genutzt, darunter atmosphärische und ozeanische Reanalysedaten sowie eine gekoppelte Modellsimulation und ein Algorithmus zur automatischen Identifikation von Zyklonen.

Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Zyklone die SIC im atlantischen Arktischen Ozean von Herbst bis Frühjahr signifikant beeinflussen, während es im Sommer meist keine signifikanten Auswirkungen gibt. Die Stärke und das Vorzeichen (abnehmende oder zunehmende SIC) der Auswirkungen der Zyklone hängt stark von der betrachteten täglichen Zeitskala und der Region des Arktischen Ozeans ab. So ist ein anfänglicher Rückgang der SIC (Tag -3 bis Tag 0 relativ zum Zyklonendurchgang) in der Grönland-, der Barents- und der Karasee festzustellen, während ein SIC-Anstieg nach dem Zyklonendurchgang (Tag 0 bis Tag 5 relativ zum Zyklonendurchgang) hauptsächlich auf die Barents- und die Karasee beschränkt ist.

Für die kalte Jahreszeit ergibt sich daraus ein ausgeprägter regionaler Unterschied zwischen insgesamt (Tag -3 bis Tag 5 relativ zum Zyklon) SIC-verringernden Zyklonenauswirkungen in der Grönlandsee und insgesamt SIC-erhöhenden Zyklonenauswirkungen in der Barents- und Karasee. Die Analyse spezifischer Zyklonenfälle basierend auf einer gekoppelten Modellsimulation zeigt, dass sowohl dynamische als auch thermodynamische Mechanismen zu den Auswirkungen von Zyklonen auf das Meereis im Winter beitragen. Hierbei wurde ein typisches Muster bestehend aus einer anfänglichen Dominanz dynamischer Meereisveränderungen gefolgt von verstärktem thermodynamischem Eiswachstum nach der Zyklonenpassage gefunden. Dieses verstärkte Eiswachstum nach der Zyklonenpassage erklärt u.a. auch die (statistischen) insgesamt SIC-erhöhenden Effekte von Zyklonen in der Barents- und Karasee im Winter.

Signifikante Änderungen in den Auswirkungen von Zyklonen auf die SIC über die letzten vier Dekaden sind das ganze Jahr über zu finden. Diese Veränderungen variieren stark von Region zu Region und von Monat zu Monat. Die stärksten Trends in den Auswirkungen von Zyklonen auf die SIC sind im Herbst in der Barents- und Karasee zu beobachten. Hier hat sich die Stärke der zerstörerischen Auswirkungen von Zyklonen auf die SIC in den letzten vier Jahrzehnten ungefähr verdoppelt. Die SIC-erhöhenden Effekte nach der Zyklonenpassage haben sich in der Barentssee im Herbst besonders abgeschwächt.  Dadurch sind zuvor existierende, insgesamt SIC-erhöhende Zyklonenauswirkungen in dieser Region und Jahreszeit zuletzt verschwunden. Generell zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass Änderungen im Zustand des Meereises (Abnahme der mittleren Meereiskonzentration und -dicke) sowie in der Lufttemperatur die veränderten Auswirkungen der Zyklonen auf die SIC antreiben, während Veränderungen in den Eigenschaften der Zyklonen (z.B. ihre Intensität) keine wesentliche Rolle spielen.
KW  - Arctic
KW  - atmosphere
KW  - sea ice
KW  - cyclones
KW  - meteorology
KW  - Arktis
KW  - Atmosphäre
KW  - Meereis
KW  - Zyklone
KW  - Meteorologie
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-634458
SP  - VIII, 131
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TY  - THES
A1  - Bajerski, Felizitas
T1  - Bacterial communities in glacier forefields of the Larsemann Hills, East Antarctica : structure, development & adaptation
T1  - Bakterielle Gemeinschaften in Gletschervorfeldern der Larsemann Berge der Ostantarktis : Struktur, Entwicklung & Anpassung
N2  - Antarctic glacier forfields are extreme environments and pioneer sites for ecological succession. The Antarctic continent shows microbial community development as a natural laboratory because of its special environment, geographic isolation and little anthropogenic influence. Increasing temperatures due to global warming lead to enhanced deglaciation processes in cold-affected habitats and new terrain is becoming exposed to soil formation and accessible for microbial colonisation. This study aims to understand the structure and development of glacier forefield bacterial communities, especially how soil parameters impact the microorganisms and how those are adapted to the extreme conditions of the habitat. To this effect, a combination of cultivation experiments, molecular, geophysical and geochemical analysis was applied to examine two glacier forfields of the Larsemann Hills, East Antarctica. Culture-independent molecular tools such as terminal restriction length polymorphism (T-RFLP), clone libraries and quantitative real-time PCR (qPCR) were used to determine bacterial diversity and distribution. Cultivation of yet unknown species was carried out to get insights in the physiology and adaptation of the microorganisms. Adaptation strategies of the microorganisms were studied by determining changes of the cell membrane phospholipid fatty acid (PLFA) inventory of an isolated bacterium in response to temperature and pH fluctuations and by measuring enzyme activity at low temperature in environmental soil samples. The two studied glacier forefields are extreme habitats characterised by low temperatures, low water availability and small oligotrophic nutrient pools and represent sites of different bacterial succession in relation to soil parameters. The investigated sites showed microbial succession at an early step of soil formation near the ice tongue in comparison to closely located but rather older and more developed soil from the forefield. At the early step the succession is influenced by a deglaciation-dependent areal shift of soil parameters followed by a variable and prevalently depth-related distribution of the soil parameters that is driven by the extreme Antarctic conditions. The dominant taxa in the glacier forefields are Actinobacteria, Acidobacteria, Proteobacteria, Bacteroidetes, Cyanobacteria and Chloroflexi. The connection of soil characteristics with bacterial community structure showed that soil parameter and soil formation along the glacier forefield influence the distribution of certain phyla. In the early step of succession the relative undifferentiated bacterial diversity reflects the undifferentiated soil development and has a high potential to shift according to past and present environmental conditions. With progressing development environmental constraints such as water or carbon limitation have a greater influence. Adapting the culturing conditions to the cold and oligotrophic environment, the number of culturable heterotrophic bacteria reached up to 108 colony forming units per gram soil and 148 isolates were obtained. Two new psychrotolerant bacteria, Herbaspirillum psychrotolerans PB1T and Chryseobacterium frigidisoli PB4T, were characterised in detail and described as novel species in the family of Oxalobacteraceae and Flavobacteriaceae, respectively. The isolates are able to grow at low temperatures tolerating temperature fluctuations and they are not specialised to a certain substrate, therefore they are well-adapted to the cold and oligotrophic environment. The adaptation strategies of the microorganisms were analysed in environmental samples and cultures focussing on extracellular enzyme activity at low temperature and PLFA analyses. Extracellular phosphatases (pH 11 and pH 6.5), β-glucosidase, invertase and urease activity were detected in the glacier forefield soils at low temperature (14°C) catalysing the conversion of various compounds providing necessary substrates and may further play a role in the soil formation and total carbon turnover of the habitat. The PLFA analysis of the newly isolated species C. frigidisoli showed that the cold-adapted strain develops different strategies to maintain the cell membrane function under changing environmental conditions by altering the PLFA inventory at different temperatures and pH values. A newly discovered fatty acid, which was not found in any other microorganism so far, significantly increased at decreasing temperature and low pH and thus plays an important role in the adaption of C. frigidisoli. This work gives insights into the diversity, distribution and adaptation mechanisms of microbial communities in oligotrophic cold-affected soils and shows that Antarctic glacier forefields are suitable model systems to study bacterial colonisation in connection to soil formation.
N2  - Gletschervorfelder der Antarktis stellen extreme Habitate dar und sind Pionierstandorte biologischer Sukzession. Insbesondere unter Berücksichtigung zuletzt beobachteter und vorausgesagter Erwärmungstrends in der Antarktis und der Relevanz der Mikroorganismen für das Antarktische Ökosystem, ist es essentiell mehr Informationen über die Entwicklung frisch exponierter Gletschervorfelder zu erlangen. Ziel dieser Studie ist es, die Struktur und Entwicklung bakterieller Gletschervorfeldgemeinschaften zu verstehen, insbesondere wie die Mikroorganismen von den Bodenparametern beeinflusst werden und wie diese sich an die extremen Bedingungen des Habitats anpassen. Für die Untersuchung der Proben von zwei Gletschervorfeldern aus den Larsemann Bergen der Ostantarktis diente eine Kombination aus Kultivierungsexperimenten und molekularen, geophysikalischen und geochemischen Analysen. Die untersuchten Gletschervorfelder sind durch extrem niedrige Temperaturen, einer geringen biologischen Wasserverfügbarkeit und oligotrophe Nährstoffgehalte charakterisiert und zeigen unterschiedliche Entwicklungsstufen in Verbindung zu den Bodenparametern. In einem frühen Schritt der Bodenbildung in der Nähe der Gletscherzunge sind die Gemeinschaften undifferenziert, doch mit fortschreitender Entwicklung nimmt de Einfluss von Wasser- und Nährstofflimitationen zu. Nachdem die Kultivierungsbedingungen den kalten und nährstoffarmen Bedingungen des Habitats angepasst wurden, konnten 108 koloniebildende Einheiten heterotropher Bakterien pro Gramm Boden angereichert und daraus 148 Isolate gewonnen werden. Zwei neue psychrotolerante Bakterien, Herbaspirillum psychrotolerans PB1T und Chryseobacterium frigidisoli PB4T, wurden detailiert charakterisiert und als jeweils neue Spezies beschrieben. Die Anpassungsstrategien der Mikroorganismen an die extremen antarktischen Bedingungen zeigten sich in der Aktivität extrazellulärer Enzyme bei niedriger Temperatur, die mit derer temperierter Habitate vergleichbar ist, und in der Fähigkeit der Mikroorganismen, die Fettsäurezusammensetzung der Zellmembran zu ändern. Eine neue Fettsäure, die bisher in keinen anderen Mikroorganismus gefunden wurde, spielt eine entscheidende Rolle in der Anpassung des neu-beschriebenen Bakteriums C. frigidisoli an niedrige Temperaturen und saure pH-Werte. Diese Arbeit gibt einen Einblick in die Vielfalt, Verteilung und Anpassung mikrobieller Gemeinschaften in nährstoffarmen und Kälte-beeinflussten Habitaten und zeigt, dass Antarktische Gletschervorfelder geeignete Modellsysteme, um bakterielle Besiedelung in Verbindung zu Bodenbildung zu untersuchen.
KW  - Antarktis
KW  - Gletschervorfeld
KW  - mikrobielle Gemeinschaften
KW  - Anpassung
KW  - Kultivierung
KW  - Antarctica
KW  - glacier forefield
KW  - microbial communities
KW  - adaptation
KW  - cultivation
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-67424
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TY  - THES
A1  - Beamish, Alison Leslie
T1  - Hyperspectral remote sensing of the spatial and temporal heterogeneity of low Arctic vegetation
T1  - Hyperspektrale Fernerkundung der räumlichen und zeitlichen Heterogenität niedriger arktischer Vegetation
BT  - the role of phenology, vegetation colour, and intrinsic ecosystem components
BT  - die Rolle von Phänologie, Vegetationsfarbe und intrinsischer Ökosystemkomponenten
N2  - Arctic tundra ecosystems are experiencing warming twice the global average and Arctic vegetation is responding in complex and heterogeneous ways. Shifting productivity, growth, species composition, and phenology at local and regional scales have implications for ecosystem functioning as well as the global carbon and energy balance. Optical remote sensing is an effective tool for monitoring ecosystem functioning in this remote biome. However, limited field-based spectral characterization of the spatial and temporal heterogeneity limits the accuracy of quantitative optical remote sensing at landscape scales. To address this research gap and support current and future satellite missions, three central research questions were posed:
•	Does canopy-level spectral variability differ between dominant low Arctic vegetation communities and does this variability change between major phenological phases?
•	How does canopy-level vegetation colour images recorded with high and low spectral resolution devices relate to phenological changes in leaf-level photosynthetic pigment concentrations? 
•	How does spatial aggregation of high spectral resolution data from the ground to satellite scale influence low Arctic tundra vegetation signatures and thereby what is the potential of upcoming hyperspectral spaceborne systems for low Arctic vegetation characterization?
To answer these questions a unique and detailed database was assembled. Field-based canopy-level spectral reflectance measurements, nadir digital photographs, and photosynthetic pigment concentrations of dominant low Arctic vegetation communities were acquired at three major phenological phases representing early, peak and late season. Data were collected in 2015 and 2016 in the Toolik Lake Research Natural Area located in north central Alaska on the North Slope of the Brooks Range. In addition to field data an aerial AISA hyperspectral image was acquired in the late season of 2016. Simulations of broadband Sentinel-2 and hyperspectral Environmental and Mapping Analysis Program (EnMAP) satellite reflectance spectra from ground-based reflectance spectra as well as simulations of EnMAP imagery from aerial hyperspectral imagery were also obtained.
Results showed that canopy-level spectral variability within and between vegetation communities differed by phenological phase. The late season was identified as the most discriminative for identifying many dominant vegetation communities using both ground-based and simulated hyperspectral reflectance spectra. This was due to an overall reduction in spectral variability and comparable or greater differences in spectral reflectance between vegetation communities in the visible near infrared spectrum.
Red, green, and blue (RGB) indices extracted from nadir digital photographs and pigment-driven vegetation indices extracted from ground-based spectral measurements showed strong significant relationships. RGB indices also showed moderate relationships with chlorophyll and carotenoid pigment concentrations. The observed relationships with the broadband RGB channels of the digital camera indicate that vegetation colour strongly influences the response of pigment-driven spectral indices and digital cameras can track the seasonal development and degradation of photosynthetic pigments.
Spatial aggregation of hyperspectral data from the ground to airborne, to simulated satel-lite scale was influenced by non-photosynthetic components as demonstrated by the distinct shift of the red edge to shorter wavelengths. Correspondence between spectral reflectance at the three scales was highest in the red spectrum and lowest in the near infra-red. By artificially mixing litter spectra at different proportions to ground-based spectra, correspondence with aerial and satellite spectra increased. Greater proportions of litter were required to achieve correspondence at the satellite scale.
Overall this thesis found that integrating multiple temporal, spectral, and spatial data is necessary to monitor the complexity and heterogeneity of Arctic tundra ecosystems. The identification of spectrally similar vegetation communities can be optimized using non-peak season hyperspectral data leading to more detailed identification of vegetation communities. The results also highlight the power of vegetation colour to link ground-based and satellite data. Finally, a detailed characterization non-photosynthetic ecosystem components is crucial for accurate interpretation of vegetation signals at landscape scales.
N2  - Die arktische Erwärmung beeinflusst Produktivität, Wachstums, Artenzusammensetzung, Phänologie und den Reproduktionserfolg arktischer Vegetation, mit Auswirkungen auf die Ökosystemfunktionen sowie auf den globalen Kohlenstoff- und Energiehaushalt. Feldbasierte Messungen und spektrale Charakterisierungen der räumlichen und zeitlichen Heterogenität arktischer Vegetationsgemeinschaften sind limitiert und die Genauigkeit fernerkundlicher Methoden im Landschaftsmaßstab eingeschränkt. Um diese Forschungslücke zu schließen und aktuelle und zukünftige Satellitenmissionen zu unterstützen, wurden drei zentrale Forschungsfragen entwickelt: 1) Wie unterscheidet sich die spektrale Variabilität des Kronendaches zwischen dominanten Vegetationsgemeinschaften der niederen Arktis und wie verändert sich diese Variabilität zwischen den wichtigsten phänologischen Phasen? 2) Wie hängen Aufnahmen der Vegetationsfarbe des Kronendaches von hoch und niedrig auflösenden Geräten mit phänologischen Veränderungen des photosynthetischen Pigmentgehalts auf Blattebene zusammen? 3) Wie beeinflusst die räumliche Aggregation von Daten mit hoher spektraler Auflösung von der Boden- bis zur Satelliten-Skala die arktischen Vegetationssignale der Tundra und welches Potenzial haben zukünftige hyperspektraler Satellitensysteme für die arktische Vegetationscharakterisierung? 
Zur Beantwortung dieser Fragen wurde eine detaillierte Datenbank aus feldbasierten Daten erstellt und mit hyperspektralen Luftbildern sowie multispektralen Sentinel-2 und simulierten hyperspektralen EnMAP Satellitendaten verglichen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Spätsai-son am besten geeignet ist um dominante Vegetationsgemeinschaften mit Hilfe von hyper-spektralen Daten zu identifizieren. Ebenfalls konnte gezeigt werden, dass die mit handelsüb-lichen Digitalkameras aufgenommene Vegetationsfarbe pigmentgesteuerte Spektralindizes stark beeinflusst und den Verlauf von photosynthetischen Pigmenten nachverfolgen kann. Die räumliche Aggregation hyperspektraler Daten von der Boden- über die Luft- zur Satelli-tenskala wurde durch nicht-photosynthetische Komponenten beeinflusst und die spektralen Reflexionsvermögen der drei Skalen stimmten im roten Spektrum am höchsten und im nahen Infrarotbereich am niedrigsten überein. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die Integration zeitlicher, spektraler und räumlicher Daten notwendig ist, um Komplexität und Heterogenität arktischer Vegetationsreaktionen in Reaktion auf klimatische Veränderungen zu überwachen.
KW  - hyperspectral remote sensing
KW  - Arctic tundra
KW  - vegetation
KW  - imaging spectroscopy
KW  - hyperspektral Fernerkundung
KW  - arktische Tundra
KW  - Vegetation
KW  - Spektroskopie
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-425922
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TY  - THES
A1  - Berger, Florian
T1  - Different modes of cooperative transport by molecular motors
T1  - Verschiedene Arten kooperativen Transportes mittels molekularer Motoren
N2  - Cargo transport by molecular motors is ubiquitous in all eukaryotic cells and is typically driven cooperatively by several molecular motors, which may belong to one or several motor species like kinesin, dynein or myosin. These motor proteins transport cargos such as RNAs, protein complexes or organelles along filaments, from which they unbind after a finite run length. Understanding how these motors interact and how their movements are coordinated and regulated is a central and challenging problem in studies of intracellular transport. In this thesis, we describe a general theoretical framework for the analysis of such transport processes, which enables us to explain the behavior of intracellular cargos based on the transport properties of individual motors and their interactions. Motivated by recent in vitro experiments, we address two different modes of transport: unidirectional transport by two identical motors and cooperative transport by actively walking and passively diffusing motors. The case of cargo transport by two identical motors involves an elastic coupling between the motors that can reduce the motors’ velocity and/or the binding time to the filament. We show that this elastic coupling leads, in general, to four distinct transport regimes. In addition to a weak coupling regime, kinesin and dynein motors are found to exhibit a strong coupling and an enhanced unbinding regime, whereas myosin motors are predicted to attain a reduced velocity regime. All of these regimes, which we derive both by analytical calculations and by general time scale arguments, can be explored experimentally by varying the elastic coupling strength. In addition, using the time scale arguments, we explain why previous studies came to different conclusions about the effect and relevance of motor-motor interference. In this way, our theory provides a general and unifying framework for understanding the dynamical behavior of two elastically coupled molecular motors. The second mode of transport studied in this thesis is cargo transport by actively pulling and passively diffusing motors. Although these passive motors do not participate in active transport, they strongly enhance the overall cargo run length. When an active motor unbinds, the cargo is still tethered to the filament by the passive motors, giving the unbound motor the chance to rebind and continue its active walk. We develop a stochastic description for such cooperative behavior and explicitly derive the enhanced run length for a cargo transported by one actively pulling and one passively diffusing motor. We generalize our description to the case of several pulling and diffusing motors and find an exponential increase of the run length with the number of involved motors.
N2  - Lastentransport mittels Motorproteinen ist ein grundlegender Mechanismus aller eukaryotischen Zellen und wird üblicherweise von mehreren Motoren kooperativ durchgeführt, die zu einer oder zu verschiedenen Motorarten wie Kinesin, Dynein oder Myosin gehören. Diese Motoren befördern Lasten wie zum Beispiel RNAs, Proteinkomplexe oder Organellen entlang Filamenten, von denen sie nach einer endlichen zurückgelegten Strecke abbinden. Es ist ein zentrales und herausforderndes Problem zu verstehen, wie diese Motoren wechselwirken und wie ihre Bewegungen koordiniert und reguliert werden. In der vorliegenden Arbeit wird eine allgemeine theoretische Herangehensweise zur Untersuchung solcher Transportprozesse beschrieben, die es uns ermöglicht, das Verhalten von intrazellularem Transport, ausgehend von den Transporteigenschaften einzelner Motoren und ihren Wechselwirkungen, zu verstehen. Wir befassen uns mit zwei Arten kooperativen Transports, die auch kürzlich in verschiedenen in vitro-Experimenten untersucht wurden: (i) gleichgerichteter Transport mit zwei identischen Motorproteinen und (ii) kooperativer Transport mit aktiv schreitenden und passiv diffundierenden Motoren. Beim Lastentransport mit zwei identischen Motoren sind die Motoren elastisch gekoppelt, was eine Verminderung ihrer Geschwindigkeit und/oder ihrer Bindezeit am Filament hervorrufen kann. Wir zeigen, dass solch eine elastische Kopplung im Allgemeinen zu vier verschiedenen Transportcharakteristiken führt. Zusätzlich zu einer schwachen Kopplung, können bei Kinesinen und Dyneinen eine starke Kopplung und ein verstärktes Abbinden auftreten, wohingegen bei Myosin Motoren eine verminderte Geschwindigkeit vorhergesagt wird. All diese Transportcharakteristiken, die wir mit Hilfe analytischer Rechnungen und Zeitskalenargumenten herleiten, können durch Änderung der elastischen Kopplung experimentell untersucht werden. Zusätzlich erklären wir anhand der Zeitskalenargumente, warum frühere Untersuchungen zu unterschiedlichen Erkenntnissen über die Auswirkung und die Wichtigkeit der gegenseitigen Beeinflussung der Motoren gelangt sind. Auf diese Art und Weise liefert unsere Theorie eine allgemeine und vereinheitlichende Beschreibung des dynamischen Verhaltens von zwei elastisch gekoppelten Motorproteinen. Die zweite Art von Transport, die in dieser Arbeit untersucht wird ist der Lastentransport durch aktiv ziehende und passiv diffundierende Motoren. Obwohl die passiven Motoren nicht zum aktiven Transport beitragen, verlängern sie stark die zurückgelegte Strecke auf dem Filament. Denn wenn ein aktiver Motor abbindet, wird das Lastteilchen immer noch am Filament durch den passiven Motor festgehalten, was dem abgebundenen Motor die Möglichkeit gibt, wieder an das Filament anzubinden und den aktiven Transport fortzusetzen. Für dieses kooperative Verhalten entwickeln wir eine stochastische Beschreibung und leiten explizit die verlängerte Transportstrecke für einen aktiv ziehenden und einen passiv diffundierenden Motor her. Wir verallgemeinern unsere Beschreibung für den Fall von mehreren ziehenden und diffundierenden Motoren und finden ein exponentielles Anwachsen der zurückgelegten Strecke in Abhängigkeit von der Anzahl der beteiligten Motoren.
KW  - molekulare Motoren
KW  - kooperativer Transport
KW  - intrazellulärer Transport
KW  - elastische Kopplung
KW  - stochastische Prozesse
KW  - molecular motors
KW  - cooperative transport
KW  - intracellular transport
KW  - elastic coupling
KW  - stochastic processes
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-60319
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bierbaum, Veronika
T1  - Chemomechanical coupling and motor cycles of the molecular motor myosin V
T1  - Chemomechanische Kopplung und Motorzyklen für den molekularen Motor Myosin V
N2  - In the living cell, the organization of the complex internal structure relies to a large extent on molecular motors. Molecular motors are proteins that are able to convert chemical energy from the hydrolysis of adenosine triphosphate (ATP) into mechanical work. Being about 10 to 100 nanometers in size, the molecules act on a length scale, for which thermal collisions have a considerable impact onto their motion. In this way, they constitute paradigmatic examples of thermodynamic machines out of equilibrium. This study develops a theoretical description for the energy conversion by the molecular motor myosin V, using many different aspects of theoretical physics. Myosin V has been studied extensively in both bulk and single molecule experiments. Its stepping velocity has been characterized as a function of external control parameters such as nucleotide concentration and applied forces. In addition, numerous kinetic rates involved in the enzymatic reaction of the molecule have been determined. For forces that exceed the stall force of the motor, myosin V exhibits a 'ratcheting' behaviour: For loads in the direction of forward stepping, the velocity depends on the concentration of ATP, while for backward loads there is no such influence. Based on the chemical states of the motor, we construct a general network theory that incorporates experimental observations about the stepping behaviour of myosin V. The motor's motion is captured through the network description supplemented by a Markov process to describe the motor dynamics. This approach has the advantage of directly addressing the chemical kinetics of the molecule, and treating the mechanical and chemical processes on equal grounds. We utilize constraints arising from nonequilibrium thermodynamics to determine motor parameters and demonstrate that the motor behaviour is governed by several chemomechanical motor cycles. In addition, we investigate the functional dependence of stepping rates on force by deducing the motor's response to external loads via an appropriate Fokker-Planck equation. For substall forces, the dominant pathway of the motor network is profoundly different from the one for superstall forces, which leads to a stepping behaviour that is in agreement with the experimental observations. The extension of our analysis to Markov processes with absorbing boundaries allows for the calculation of the motor's dwell time distributions. These reveal aspects of the coordination of the motor's heads and contain direct information about the backsteps of the motor. Our theory provides a unified description for the myosin V motor as studied in single motor experiments.
N2  - Die hier vorgelegte Arbeit entwickelt unter Verwendung vieler verschiedener Aspekte der statistischen Physik eine Theorie der chemomechanischen Kopplung für den Energieumsatz des molekularen Motors Myosin V. Das Myosin V ist sowohl in chemokinetischen wie in Einzelmolekülexperimenten grundlegend untersucht worden. Seine Schrittgeschwindigkeit ist in Abhängigkeit verschiedener externer Parameter, wie der Nukleotidkonzentration und einer äußeren Kraft, experimentell bestimmt. Darüber hinaus ist eine große Anzahl verschiedener chemokinetischer Raten, die an der enzymatischen Reaktion des Moleküls beteiligt sind, quantitativ erfasst. Unter der Wirkung externer Kräfte, die seine Anhaltekraft überschreiten, verhält sich der Motor wie eine Ratsche: Für Kräfte, die entlang der Schrittbewegung des Motors wirken, hängt seine Geschwindigkeit von der ATP-Konzentration ab, für rückwärts angreifende Kräfte jedoch ist die Bewegung des Motors unabhängig von ATP. Auf der Grundlage der chemischen Zustände des Motors wird eine Netzwerktheorie aufgebaut, die die experimentellen Beobachtungen des Schrittverhaltens für Myosin V einschließt. Diese Netzwerkbeschreibung dient als Grundlage für einen Markovprozess, der die Dynamik des Motors beschreibt. Die Verwendung diskreter Zustände bietet den Vorteil der direkten Erfassung der chemischen Kinetik des Moleküls. Darüber hinaus werden chemische und mechanische Eigenschaften des Motors in gleichem Maße im Modell berücksichtigt. Durch die Erfassung der Enzymkinetik mittels eines stochastischen Prozesses lässt sich die Motordynamik mit Hilfe des stationären Zustands der Netzwerkdarstellung beschreiben. Um diesen zu bestimmen, verwenden wir eine graphentheoretische Methode, die auf Kirchhoff zurückgreift. Wir zeigen in Einklang mit den Gesetzen der Thermodynamik für Nichtgleichgewichtssysteme, dass das Schrittverhalten des Motors von mehreren chemomechanischen Zyklen beeinflusst wird. Weiterhin untersuchen wir das funktionale Verhalten mechanischer Schrittraten in Abhängigkeit der äußeren Kraft unter Verwendung einer geeigneten Fokker-Planck-Gleichung. Hierfür wird auf die Theorie einer kontinuierlichen Beschreibung von molekularen Methoden zurückgegriffen. Wir berechnen Größen wie die mittlere Schrittgeschwindigkeit, das Verhältnis von Vorwärts- und Rückwärtsschritten, und die Lauflänge des Motors in Abhängigkeit einer äußeren angreifenden Kraft sowie der Nukleotidkonzentration, und vergleichen diese mit experimentellen Daten. Für Kräfte, die kleiner als die Anhaltekraft des Motors sind, unterscheidet sich der chemomechanische Zyklus grundlegend von demjenigen, der für große Kräfte dominiert. Diese Eigenschaft resultiert in einem Schrittverhalten, das mit den experimentellen Beobachtungen übereinstimmt. Es ermöglicht weiterhin die Zerlegung des Netzwerks in einzelne Zyklen, die die Bewegung des Motors für verschiedene Bereiche externer Kräfte erfassen. Durch die Erweiterung unseres Modells auf Markovprozesse mit absorbierenden Zuständen können so die Wartezeitenverteilungen für einzelne Zyklen des Motors analytisch berechnet werden. Sie erteilen Aufschluss über die Koordination des Motors und enthalten zudem direkte Informationen über seine Rückwärtsschritte, die experimentell nicht erfasst sind. Für das gesamte Netzwerk werden die Wartezeitenverteilungen mit Hilfe eines Gillespie-Algorithmus bestimmt. Unsere Theorie liefert eine einheitliche Beschreibung der Eigenschaften von Myosin V, die in Einzelmolekülexperimenten erfasst werden können.
KW  - statistische Physik
KW  - Markov-Prozesse
KW  - molekulare Motoren
KW  - statistical physics
KW  - markov processes
KW  - molecular motors
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-53614
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bojdys, Michael Janus
T1  - On new allotropes and nanostructures of carbon nitrides
T1  - Über neue Allotrope und Nanostrukturen von Karbonitriden
N2  - In the first section of the thesis graphitic carbon nitride was for the first time synthesised using the high-temperature condensation of dicyandiamide (DCDA) – a simple molecular precursor – in a eutectic salt melt of lithium chloride and potassium chloride. The extent of condensation, namely next to complete conversion of all reactive end groups, was verified by elemental microanalysis and vibrational spectroscopy. TEM- and SEM-measurements gave detailed insight into the well-defined morphology of these organic crystals, which are not based on 0D or 1D constituents like known molecular or short-chain polymeric crystals but on the packing motif of extended 2D frameworks. The proposed crystal structure of this g-C3N4 species was derived in analogy to graphite by means of extensive powder XRD studies, indexing and refinement. It is based on sheets of hexagonally arranged s-heptazine (C6N7) units that are held together by covalent bonds between C and N atoms. These sheets stack in a graphitic, staggered fashion adopting an AB-motif, as corroborated by powder X-ray diffractometry and high-resolution transmission electron microscopy. This study was contrasted with one of many popular – yet unsuccessful – approaches in the last 30 years of scientific literature to perform the condensation of an extended carbon nitride species through synthesis in the bulk. The second section expands the repertoire of available salt melts introducing the lithium bromide and potassium bromide eutectic as an excellent medium to obtain a new phase of graphitic carbon nitride. The combination of SEM, TEM, PXRD and electron diffraction reveals that the new graphitic carbon nitride phase stacks in an ABA’ motif forming unprecedentedly large crystals. This section seizes the notion of the preceding chapter, that condensation in a eutectic salt melt is the key to obtain a high degree of conversion mainly through a solvatory effect. At the close of this chapter ionothermal synthesis is seen established as a powerful tool to overcome the inherent kinetic problems of solid state reactions such as incomplete polymerisation and condensation in the bulk especially when the temperature requirement of the reaction in question falls into the proverbial “no man’s land” of classical solvents, i.e. above 250 to 300 °C. The following section puts the claim to the test, that the crystalline carbon nitrides obtained from a salt melt are indeed graphitic. A typical property of graphite – namely the accessibility of its interplanar space for guest molecules – is transferred to the graphitic carbon nitride system. Metallic potassium and graphitic carbon nitride are converted to give the potassium intercalation compound, K(C6N8)3 designated according to its stoichiometry and proposed crystal structure. Reaction of the intercalate with aqueous solvents triggers the exfoliation of the graphitic carbon nitride material and – for the first time – enables the access of singular (or multiple) carbon nitride sheets analogous to graphene as seen in the formation of sheets, bundles and scrolls of carbon nitride in TEM imaging. The thus exfoliated sheets form a stable, strongly fluorescent solution in aqueous media, which shows no sign in UV/Vis spectroscopy that the aromaticity of individual sheets was subject to degradation. The final section expands on the mechanism underlying the formation of graphitic carbon nitride by literally expanding the distance between the covalently linked heptazine units which constitute these materials. A close examination of all proposed reaction mechanisms to-date in the light of exhaustive DSC/MS experiments highlights the possibility that the heptazine unit can be formed from smaller molecules, even if some of the designated leaving groups (such as ammonia) are substituted by an element, R, which later on remains linked to the nascent heptazine. Furthermore, it is suggested that the key functional groups in the process are the triazine- (Tz) and the carbonitrile- (CN) group. On the basis of these assumptions, molecular precursors are tailored which encompass all necessary functional groups to form a central heptazine unit of threefold, planar symmetry and then still retain outward functionalities for self-propagated condensation in all three directions. Two model systems based on a para-aryl (ArCNTz) and para-biphenyl (BiPhCNTz) precursors are devised via a facile synthetic procedure and then condensed in an ionothermal process to yield the heptazine based frameworks, HBF-1 and HBF-2. Due to the structural motifs of their molecular precursors, individual sheets of HBF-1 and HBF-2 span cavities of 14.2 Å and 23.0 Å respectively which makes both materials attractive as potential organic zeolites. Crystallographic analysis confirms the formation of ABA’ layered, graphitic systems, and the extent of condensation is confirmed as next-to-perfect by elemental analysis and vibrational spectroscopy.
N2  - Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung neuer Allotropen und Nanostrukturen von Karbonitriden und berührt einige ihrer möglichen Anwendungen. Alle gezeigten, ausgedehnten, kovalent verbundenen Karbonitridgerüste wurden in einem ionothermalen Syntheseprozess – einer Hochtemperaturbehandlung in einem eutektischen Salzgemisch als ungewöhnlichem Lösungsmittel – aus einfachen Präkursormolkülen erzeugt. Der Kondensationsmechanismus folgt einer temperaturinduzierten Deaminierung und Bildung einer ausgedehnten, aromatischen Einheit; des dreifach substituierten Heptazines. Die Dissertation folgt vier übergreifenden Themen, beginnend mit der Einleitung in Karbonitridsysteme und der Suche nach einem Material, welches einzig aus Kohlenstoff und Stickstoff aufgebaut ist – einer Suche, die 1834 mit den Beobachtungen Justus von Liebigs „über einige Stickstoffverbindungen“ begann. Der erste Abschnitt zeigt die erfolgreiche Synthese von graphitischem Karbonitrid (g-C3N4); einer Spezies, welche auf Schichten hexagonal angeordneter s-Heptazineinheiten beruht, die durch kovalente Bindungen zwischen C- und N-Atomen zusammengehalten werden, und welche in einer graphitischen, verschobenen Art und Weise gestapelt sind. Der zweite Abschnitt berührt die Vielfalt von Salzschmelzensystemen, die für die Ionothermalsynthese geeignet sind und zeigt auf, dass die bloße Veränderung der Salzschmelze eine andere Kristallphase des graphitischen Karbonitrides ergibt – das g-C3N4-mod2. Im dritten Abschnitt wird vom Graphit bekannte Interkallationschemie auf das g-C3N4 angewendet, um eine Kalliuminterkallationsverbindung des graphitischen Karbonitirdes zu erhalten (K(C6N8)3). Diese Verbindung kann in Analogie zum graphitischen System leicht exfoliiert werden, um Bündel von Karbonitridnanoschichten zu erhalten, und weist darüberhinaus interessante optische Eigenschaften auf. Der vierte und letzte Abschnitt handelt von der Einführung von Aryl- und Biphenylbrücken in das Karbonitridmaterial durch rationale Synthese der Präkursormoleküle. Diese ergeben die heptazinbasierten Frameworks, HBF-1 und HBF-2 – zwei kovalente, organische Gerüste.
KW  - kovalente Rahmenbedingungen
KW  - mehrschichtige Verbindungen
KW  - Triazin
KW  - Heptazine
KW  - Karbonnitrid Ionothermalsynthese
KW  - Salzschmelze
KW  - covalent frameworks
KW  - layered compounds
KW  - triazine
KW  - heptazine
KW  - carbon nitride
KW  - ionothermal synthesis
KW  - salt melt
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-41236
ER  - 
TY  - THES
A1  - Borisova, Dimitriya
T1  - Feedback active coatings based on mesoporous silica containers
T1  - Rückkopplungsaktive Beschichtungen basierend auf mesoporösen Silika-Behältern
N2  - Metalle werden oft während ihrer Anwendung korrosiven Bedingungen ausgesetzt, was ihre Alterungsbeständigkeit reduziert. Deswegen werden korrosionsanfällige Metalle, wie Aluminiumlegierungen mit Schutzbeschichtungen versehen, um den Korrosionsprozess aktiv oder passiv zu verhindern. Die klassischen Schutzbeschichtungen funktionieren als physikalische Barriere zwischen Metall und korrosiver Umgebung und bieten einen passiven Korrosionsschutz nur, wenn sie unbeschädigt sind. Im Gegensatz dazu kann die Korrosion auch im Fall einer Beschädigung mittels aktiver Schutzbeschichtungen gehemmt werden. Chromathaltige Beschichtungen bieten heutzutage den besten aktiven Korrosionsschutz für Aluminiumlegierungen. Aufgrund ihrer Giftigkeit wurden diese weltweit verboten und müssen durch neue umweltfreundliche Schutzbeschichtungen ersetzt werden. Ein potentieller Ersatz sind Schutzbeschichtungen mit integrierten Nano- und Mikrobehältern, die mit ungiftigem Inhibitor gefüllt sind. In dieser Arbeit werden die Entwicklung und Optimierung solcher aktiver Schutzbeschichtungen für die industriell wichtige Aluminiumlegierung AA2024-T3 dargestellt Mesoporöse Silika-Behälter wurden mit dem ungiftigen Inhibitor (2-Mercaptobenzothiazol) beladen und dann in die Matrix anorganischer (SiOx/ZrOx) oder organischer (wasserbasiert) Schichten dispergiert. Zwei Sorten von Silika-Behältern mit unterschiedlichen Größen (d ≈ 80 and 700 nm) wurden verwendet. Diese haben eine große spezifische Oberfläche (≈ 1000 m² g-1), eine enge Porengrößenverteilung mit mittlerer Porenweite ≈ 3 nm und ein großes Porenvolumen (≈ 1 mL g-1). Dank dieser Eigenschaften können große Inhibitormengen im Behälterinneren adsorbiert und gehalten werden. Die Inhibitormoleküle werden bei korrosionsbedingter Erhöhung des pH-Wertes gelöst und freigegeben. Die Konzentration, Position und Größe der integrierten Behälter wurden variiert um die besten Bedingungen für einen optimalen Korrosionsschutz zu bestimmen. Es wurde festgestellt, dass eine gute Korrosionsschutzleistung durch einen Kompromiss zwischen ausreichender Inhibitormenge und guten Barriereeigenschaften hervorgerufen wird. Diese Studie erweitert das Wissen über die wichtigsten Faktoren, die den Korrosionsschutz beeinflussen. Somit wurde die Entwicklung effizienter, aktiver Schutzbeschichtungen ermöglicht, die auf mit Inhibitor beladenen Behältern basieren.
N2  - Metals are often used in environments that are conducive to corrosion, which leads to a reduction in their mechanical properties and durability. Coatings are applied to corrosion-prone metals such as aluminum alloys to inhibit the destructive surface process of corrosion in a passive or active way. Standard anticorrosive coatings function as a physical barrier between the material and the corrosive environment and provide passive protection only when intact. In contrast, active protection prevents or slows down corrosion even when the main barrier is damaged. The most effective industrially used active corrosion inhibition for aluminum alloys is provided by chromate conversion coatings. However, their toxicity and worldwide restriction provoke an urgent need for finding environmentally friendly corrosion preventing systems. A promising approach to replace the toxic chromate coatings is to embed particles containing nontoxic inhibitor in a passive coating matrix. This work presents the development and optimization of effective anticorrosive coatings for the industrially important aluminum alloy, AA2024-T3 using this approach. The protective coatings were prepared by dispersing mesoporous silica containers, loaded with the nontoxic corrosion inhibitor 2-mercaptobenzothiazole, in a passive sol-gel (SiOx/ZrOx) or organic water-based layer. Two types of porous silica containers with different sizes (d ≈ 80 and 700 nm, respectively) were investigated. The studied robust containers exhibit high surface area (≈ 1000 m² g-1), narrow pore size distribution (dpore ≈ 3 nm) and large pore volume (≈ 1 mL g-1) as determined by N2 sorption measurements. These properties favored the subsequent adsorption and storage of a relatively large amount of inhibitor as well as its release in response to pH changes induced by the corrosion process. The concentration, position and size of the embedded containers were varied to ascertain the optimum conditions for overall anticorrosion performance. Attaining high anticorrosion efficiency was found to require a compromise between delivering an optimal amount of corrosion inhibitor and preserving the coating barrier properties. This study broadens the knowledge about the main factors influencing the coating anticorrosion efficiency and assists the development of optimum active anticorrosive coatings doped with inhibitor loaded containers.
KW  - Korrosion
KW  - Beschichtungen
KW  - Aluminiumlegierung
KW  - Silika
KW  - Nanopartikel
KW  - mesoporös
KW  - corrosion
KW  - coating
KW  - aluminum alloy
KW  - silica nanoparticles
KW  - mesoporous
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-63505
ER  - 
TY  - THES
A1  - Brauer, Dorothée
T1  - Chemo-kinematic constraints on Milky Way models from the spectroscopic surveys SEGUE & RAVE
T1  - Beschränkungen von Modellen der Milchstraße auf Basis der chemisch-kinematischen Analyse von Beobachtungsdaten der spektroskopischen Himmelsdurchmusterungen SEGUE und RAVE
N2  - The Milky Way is only one out of billions of galaxies in the universe. However, it is a special galaxy because it allows to explore the main mechanisms involved in its evolution and formation history by unpicking the system star-by-star. Especially, the chemical fingerprints of its stars provide clues and evidence of past events in the Galaxy’s lifetime. These information help not only to decipher the current structure and building blocks of the Milky Way, but to learn more about the general formation process of galaxies.

In the past decade a multitude of stellar spectroscopic Galactic surveys have scanned millions of stars far beyond the rim of the solar neighbourhood. The obtained spectroscopic information provide unprecedented insights to the chemo-dynamics of the Milky Way. In addition analytic models and numerical simulations of the Milky Way provide necessary descriptions and predictions suited for comparison with observations in order to decode the physical properties that underlie the complex system of the Galaxy.

In the thesis various approaches are taken to connect modern theoretical modelling of galaxy formation and evolution with observations from Galactic stellar surveys. With its focus on the chemo-kinematics of the Galactic disk this work aims to determine new observational constraints on the formation of the Milky Way providing also proper comparisons with two different models. These are the population synthesis model TRILEGAL based on analytical distribution functions, which aims to simulate the number and distribution of stars in the Milky Way and its different components, and a hybrid model (MCM) that combines an N-body simulation of a Milky Way like galaxy in the cosmological framework with a semi-analytic chemical evolution model for the Milky Way. The major observational data sets in use come from two surveys, namely the “Radial Velocity Experiment” (RAVE) and the “Sloan Extension for Galactic Understanding and Exploration” (SEGUE).

In the first approach the chemo-kinematic properties of the thin and thick disk of the Galaxy as traced by a selection of about 20000 SEGUE G-dwarf stars are directly compared to the predictions by the MCM model. As a necessary condition for this, SEGUE's selection function and its survey volume are evaluated in detail to correct the spectroscopic observations for their survey specific selection biases. Also, based on a Bayesian method spectro-photometric distances with uncertainties below 15% are computed for the selection of SEGUE G-dwarfs that are studied up to a distance of 3 kpc from the Sun.

For the second approach two synthetic versions of the SEGUE survey are generated based on the above models. The obtained synthetic stellar catalogues are then used to create mock samples best resembling the compiled sample of observed SEGUE G-dwarfs. Generally, mock samples are not only ideal to compare predictions from various models. They also allow validation of the models' quality and improvement as with this work could be especially achieved for TRILEGAL. While TRILEGAL reproduces the statistical properties of the thin and thick disk as seen in the observations, the MCM model has shown to be more suitable in reproducing many chemo-kinematic correlations as revealed by the SEGUE stars. However, evidence has been found that the MCM model may be missing a stellar component with the properties of the thick disk that the observations clearly show. While the SEGUE stars do indicate a thin-thick dichotomy of the stellar Galactic disk in agreement with other spectroscopic stellar studies, no sign for a distinct metal-poor disk is seen in the MCM model.

Usually stellar spectroscopic surveys are limited to a certain volume around the Sun covering different regions of the Galaxy’s disk. This often prevents to obtain a global view on the chemo-dynamics of the Galactic disk. Hence, a suitable combination of stellar samples from independent surveys is not only useful for the verification of results but it also helps to complete the picture of the Milky Way. Therefore, the thesis closes with a comparison of the SEGUE G-dwarfs and a sample of RAVE giants. The comparison reveals that the chemo-kinematic relations agree in disk regions where the samples of both surveys show a similar number of stars. For those parts of the survey volumes where one of the surveys lacks statistics they beautifully complement each other. This demonstrates that the comparison of theoretical models on the one side, and the combined observational data gathered by multiple surveys on the other side, are key ingredients to understand and disentangle the structure and formation history of the Milky Way.
N2  - Die Milchstraße ist nur eine unter Milliarden von Galaxien im Universum, dennoch ist sie besonders. Sie bietet die einzigartige Möglichkeit anhand ihrer einzeln auflösbaren Sterne und deren im Detail beobachtbaren Eigenschaften die Mechanismen ihrer Evolutions- und Entstehungsgeschichte genau zu studieren und damit Rückschlüsse auf die Entwicklungsprozesse von Galaxien im Allgemeinen zu ziehen. Insbesondere der chemische Fingerabdruck ihrer Sterne liefert dabei Indizien und Beweise für Ereignisse im Leben der Galaxie.

In den letzten 15 Jahren wurden daher in einer Vielzahl von Himmeldurchmusterungen Millionen von Sternen in der Milchstraße spektroskopisch beobachtet. Die so gewonnenen Informationen bieten detaillierte Einblicke in die Substrukturen unserer Galaxie und deren chemisch-kinematische Struktur. Ergänzend dazu liefern analytische Modelle und numerische Simulationen der Milchstraße wichtige Beschreibungen, die sich zum Vergleich mit Beobachtungen eignen, um die dem komplexen System der Galaxie zugrunde liegenden exakten physikalischen Eigenschaften entschlüsseln zu können.

Die vorliegende Arbeit nutzt verschiedene Ansätze, um moderne theoretische Modelle der Galaxienentstehung und -evolution mit Daten aus stellaren Beobachtungskampagnen zu vergleichen. Die dazu analysierten Beobachtungsdatensätze stammen aus zwei großen Himmelsdurchmusterungen, dem „Radial Velocity Experiment“ (RAVE) und dem „Sloan Extension for Galactic Understanding and Exploration“ (SEGUE). Mit dem Fokus auf der chemisch-kinematischen Struktur der galaktischen Scheibe geht es im Wesentlichen darum, zwei Modelle der Milchstraße zu testen, nämlich ein Populationssynthesemodell (TRILEGAL) und ein Hybridmodell (MCM). Während TRILEGAL auf analytischen Verteilungsfunktionen basiert und zum Ziel hat, die Anzahl und Verteilung der Sterne innerhalb der Galaxie und ihrer unterschiedlichen Komponenten zu simulieren, verbindet das MCM Modell eine kosmologische N-Körper Simulation einer der Milchstraße ähnlichen Galaxie mit einem semi-analytischen Modell zur Beschreibung der chemischen Evolution der Milchstraße. 

Auf Grundlage einer Auswahl von etwa 20000 SEGUE G-Zwergsternen werden in einem ersten Ansatz die aus den Messdaten gewonnenen chemisch-kinematischen Eigenschaften der dünnen und dicken Scheibe der Milchstraße mit den direkten Vorhersagen des MCM Modells verglichen. Eine notwendige Bedingung dafür ist die Korrektur der Beobachtungsdaten für systematische Fehler bei der Objektauswahl der Beobachtungskampagne. Zudem werden mittels einer Bayesischen Methode spektro-photometrische Distanzen mit Fehlern kleiner als 15% für die Auswahl an SEGUE Sternen berechnet, die sich in einer Entfernung von bis zu 3 kpc von der Sonne befinden.

Für den zweiten Ansatz werden basierend auf den oben genannten Modellen zwei synthetische Versionen der SEGUE Himmelsdurchmusterung generiert. Diese künstlichen stellaren Kataloge werden dann verwendet, um Vergleichspseudodatensätze für die verwendeten Zwergsterndaten anzufertigen. Solche synthetischen Testdatensätze eignen sich nicht nur, um die Vorhersagen verschiedener Modelle zu vergleichen, sie können auch zur Validierung der Qualität einzelner Modelle herangezogen werden. Während sich in der Analyse zeigt, dass TRILEGAL sich besonders gut eignet, statistische Eigenschaften der dünnen und dicken galaktischen Scheibe zu reproduzieren, spiegelt das MCM Modell viele der in der Milchstraße beobachtbaren chemisch-kinematischen Korrelationen gut wieder. Trotzdem finden sich Beweise dafür, dass dem MCM Modell eine stellare Komponente fehlt, deren Eigenschaften der in den Beobachtungen sichtbaren dicken Scheibe ähnlich sind.

Meist sind spektroskopische Beobachtungskampagnen auf ein bestimmtes Volumen um die Sonne beschränkt. Oftmals verhindert dies die Möglichkeit einen globalen Blick auf die chemisch-kinematischen Eigenschaften der galaktischen Scheibe zu erlangen. Die Kombination von stellaren Daten unabhängiger Kampagnen ist daher nicht nur nützlich für die Verifikation von Ergebnissen, es hilft auch ein ganzheitlicheres Bild der Galaxie zu erlangen. Die vorliegende Arbeit schließt daher mit einem Vergleich der SEGUE G-Zwergsterne und einer Auswahl von RAVE Riesensternen. Es zeigt sich eine gute Übereinstimmung bzgl. der chemisch-kinematischen Struktur der galaktischen Scheibe besonders in denjenigen Regionen, die von einer Vielzahl von SEGUE und RAVE Objekten abgedeckt werden. Für Regionen des Beobachtungsvolumens, in dem die eine oder die andere der beiden Beobachtungskampagnen eine geringere Statistik von beobachteten Sternen aufweist, ergänzen sich RAVE und SEGUE gut. Dies zeigt, dass nicht nur der Vergleich von Beobachtungen und theoretischen Modellen, sondern auch die Kombination von Messdaten aus verschiedenen Himmelsdurchmusterungen wichtig ist, um die Struktur und die Entstehungsgeschichte der Milchstraße zu verstehen und zu entschlüsseln.
KW  - galaktische Astronomie
KW  - galactic astronomy
KW  - Entstehung der Milchstraße
KW  - Milky Way formation
KW  - Evolution der Milchstraße
KW  - Milky Way evolution
KW  - Milky Way chemo-kinematics
KW  - Chemokinematik der Milchstraße
KW  - SEGUE survey
KW  - SEGUE Beobachtungskampagne
KW  - RAVE survey
KW  - RAVE Beobachtungskampagne
KW  - mock data catalogues
KW  - Pseudodatensätze
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-403968
ER  -