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- Institut für Biochemie und Biologie (75)
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- Institut für Physik und Astronomie (56)
- Institut für Chemie (47)
- Vereinigung für Jüdische Studien e. V. (47)
- Institut für Geowissenschaften (46)
- Strukturbereich Kognitionswissenschaften (37)
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Reflexion – unhinterfragt eines der wichtigsten Worte im Kontext der Lehrkräftebildung. Fest verankert in den bundesdeutschen Bildungsstandards sind in Forschung und Lehre die Suche nach Evidenz und die Unterstützung (angehender) Lehrkräfte ständiger Antrieb unzähliger Akteur:innen aller Phasen der Lehrkräftebildung. Wenngleich begriff liche Unklarheiten die Kommunikation von Forschungsergebnissen nicht immer intuitiv und die Unterstützung in der Lehre nicht immer praktikabel werden lassen, besteht Einigkeit darüber, dass ein Diskurs zur reflexiven Professionalisierung von Lehrkräften geführt werden muss. Aus diesem Grund veranstalteten die beiden QLB-Projekte PSI-Potsdam der Universität Potsdam und K2teach der Freien Universität Berlin vom 5. bis 7. Oktober 2022 die Onlinetagung „Reflexion in der Lehrkräftebildung. Empirisch – Phasenübergreifend – Interdisziplinär“. Ausgehend von den verschiedensten Fachdisziplinen diskutierten Akteur:innen aller Phasen der Lehrkräftebildung unterschiedlicher Standorte Ergebnisse empirischer Studien und Erfahrungen aus der Arbeit mit (angehenden) Lehrkräften. Beiträge der Tagung sind in diesem Buch festgehalten und sind als Momentaufnahme eines sich ständig entwickelnden Themenfelds zu verstehen. Forschende und Lehrende haben mit dieser Momentaufnahme die Möglichkeit, Eindrücke für die eigene Arbeit aufzunehmen und weiterzuentwickeln.
In the present thesis, AC electrokinetic forces, like dielectrophoresis and AC electroosmosis, were demonstrated as a simple and fast method to functionalize the surface of nanoelectrodes with submicrometer sized biological objects. These nanoelectrodes have a cylindrical shape with a diameter of 500 nm arranged in an array of 6256 electrodes. Due to its medical relevance influenza virus as well as anti-influenza antibodies were chosen as a model organism. Common methods to bring antibodies or proteins to biosensor surfaces are complex and time-consuming. In the present work, it was demonstrated that by applying AC electric fields influenza viruses and antibodies can be immobilized onto the nanoelectrodes within seconds without any prior chemical modification of neither the surface nor the immobilized biological object. The distribution of these immobilized objects is not uniform over the entire array, it exhibits a decreasing gradient from the outer row to the inner ones. Different causes for this gradient have been discussed, such as the vortex-shaped fluid motion above the nanoelectrodes generated by, among others, electrothermal fluid flow. It was demonstrated that parts of the accumulated material are permanently immobilized to the electrodes. This is a unique characteristic of the presented system since in the literature the AC electrokinetic immobilization is almost entirely presented as a method just for temporary immobilization. The spatial distribution of the immobilized viral material or the anti-influenza antibodies at the electrodes was observed by either the combination of fluorescence microscopy and deconvolution or by super-resolution microscopy (STED). On-chip immunoassays were performed to examine the suitability of the functionalized electrodes as a potential affinity-based biosensor. Two approaches were pursued: A) the influenza virus as the bio-receptor or B) the influenza virus as the analyte. Different sources of error were eliminated by ELISA and passivation experiments. Hence, the activity of the immobilized object was inspected by incubation with the analyte. This resulted in the successful detection of anti-influenza antibodies by the immobilized viral material. On the other hand, a detection of influenza virus particles by the immobilized anti-influenza antibodies was not possible. The latter might be due to lost activity or wrong orientation of the antibodies. Thus, further examinations on the activity of by AC electric fields immobilized antibodies should follow. When combined with microfluidics and an electrical read-out system, the functionalized chips possess the potential to serve as a rapid, portable, and cost-effective point-of-care (POC) device. This device can be utilized as a basis for diverse applications in diagnosing and treating influenza, as well as various other pathogens.
Im Rahmen des PSI-Projekts wurde eine Lehrveranstaltung konzipiert, die Lehramtsstudierenden einen vertieften Einblick sowohl in den Ablauf von Forschung als auch eine Bearbeitung einer eigenen experimentellen Forschungsaufgabe ermöglichen soll. Anlass waren die Berücksichtigung eines „Wissens über Erkenntnisgewinnung in der Disziplin“ im Modell des „Erweiterten Fachwissens für den schulischen Kontext“ (PSI) sowie Erkenntnisse empirischer Studien, die die Relevanz eigener Forschungserfahrung für das Unterrichten naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnungsprozesse zeigen. Hier stellen wir eine neue Lehrveranstaltung (4 SWS) vor, die den angehenden Lehrkräften Forschungserfahrung ermöglicht (Seminar und Praktikum). Die Lehrveranstaltung vermittelt Einblicke in Forschung und die „Natur der Naturwissenschaften“, ermöglicht das Durchführen eigener wissenschaftlicher und schulrelevanter Experimente und bietet eine angemessene Reflexion über die verschiedenen Kurselemente. Die Evaluationsergebnisse sind überwiegend positiv, zeigen aber auch, dass für die Studierenden die wahrgenommene Schulrelevanz und die fachdidaktischen Aspekte ein wichtiges Kriterium für die positive Bewertung sind.
Algorithmen als Dozierende?
(2023)
Auf maschinellem Lernen basierende Tools haben schon längst Einzug in unseren Alltag gefunden und so konnten auch in der Lehrkräftebildung erste Anwendungen entwickelt, erprobt und evaluiert werden. Im Teilprojekt Physikdidaktik des Schwerpunktes 2 „Schulpraktische Studien“ wurden auf Basis eines Rahmenmodells für Reflexion (Nowak et al., 2019) automatisierte Analysemethoden (Wulff et al., 2020) entwickelt und fanden Einzug in universitäre fachdidaktische Lehre (Mientus et al., 2021a). Mit dem Projekt konnten Potenziale KI-basierter Unterstützung aufgezeigt und verstetigt sowie spezifische Herausforderungen identifiziert werden. Dieser Beitrag skizziert ausgewählte Anwendungsmöglichkeiten und weiterführende Forschungen unter dem Gesichtspunkt der Akzeptanz computerunterstützter Lehre.
Reflexion ist eine Schlüsselkategorie für die professionelle Entwicklung von Lehrkräften, welche als Ausbildungsziel in den Bildungsstandards für die Lehrkräftebildung verankert ist. Eine Verstetigung universitär geprägter Forschung und Modellierung in der praxisnahen Anwendung im schulischen Kontext bietet Potentiale nachhaltiger Professionalisierung. Die Stärkung reflexionsbezogener Kompetenzen durch Empirie und Anwendung scheint eine phasenübergreifende Herausforderung der Lehrkräftebildung zu sein, die es zu bewältigen gilt. Ziele des Tagungsbandes Reflexion in der Lehrkräftebildung sind eine theoretische Schärfung des Konzeptes „Reflexive Professionalisierung“ und der Austausch über Fragen der Einbettung wirksamer reflexionsbezogener Lerngelegenheiten in die Lehrkräftebildung. Forschende und Lehrende der‚ drei Phasen (Studium, Referendariat sowie Fort- und Weiterbildung) der Lehrkräftebildung stellen Lehrkonzepte und Forschungsprojekte zum Thema Reflexion in der Lehrkräftebildung vor und diskutieren diese. Gemeinsam mit Teilnehmenden aller Phasen und von verschiedenen Standorten der Lehrkräftebildung werden zukünftige Herausforderungen identifiziert und Lösungsansätze herausgearbeitet.
Für die Entwicklung professioneller Handlungskompetenzen angehender Lehrkräfte stellt die Unterrichtsreflexion ein wichtiges Instrument dar, um Theoriewissen und Praxiserfahrungen in Beziehung zu setzen. Die Auswertung von Unterrichtsreflexionen und eine entsprechende Rückmeldung stellt Forschende und Dozierende allerdings vor praktische wie theoretische Herausforderungen. Im Kontext der Forschung zu Künstlicher Intelligenz (KI) entwickelte Methoden bieten hier neue Potenziale. Der Beitrag stellt überblicksartig zwei Teilstudien vor, die mit Hilfe von KI-Methoden wie dem maschinellen Lernen untersuchen, inwieweit eine Auswertung von Unterrichtsreflexionen angehender Physiklehrkräfte auf Basis eines theoretisch abgeleiteten Reflexionsmodells und die automatisierte Rückmeldung hierzu möglich sind. Dabei wurden unterschiedliche Ansätze des maschinellen Lernens verwendet, um modellbasierte Klassifikation und Exploration von Themen in Unterrichtsreflexionen umzusetzen. Die Genauigkeit der Ergebnisse wurde vor allem durch sog. Große Sprachmodelle gesteigert, die auch den Transfer auf andere Standorte und Fächer ermöglichen. Für die fachdidaktische Forschung bedeuten sie jedoch wiederum neue Herausforderungen, wie etwa systematische Verzerrungen und Intransparenz von Entscheidungen. Dennoch empfehlen wir, die Potenziale der KI-basierten Methoden gründlicher zu erforschen und konsequent in der Praxis (etwa in Form von Webanwendungen) zu implementieren.
Lehramtsstudierende äußern vielfach den Wunsch nach umfangreichen praktischen Lerngelegenheiten. Insbesondere fallbasierte Lehr-Lern-Konzepte scheinen diesen Ansprüchen gerecht zu werden. Dieser Beitrag stellt ein an der Universität Potsdam entwickeltes Seminarkonzept vor, welches diesen Transfer zu fördern versucht. Die Basis des Konzepts bildet der Einsatz erfahrungsbasiert entwickelter Textvignetten pädagogischer Situationen. Im Rahmen der Begleitseminare zum Praktikum in pädagogisch-psychologischen Handlungsfeldern (PppH) wurde die kollegiale Fallbesprechung als eine Form zur angestrebten Transferförderung in dieses Seminarkonzept integriert. Dieser Beitrag skizziert zunächst die erfahrungsbasierte Entwicklung der Vignetten sowie die theoretischen Grundlagen des Seminarkonzepts. Im Anschluss werden die praktische Implementation und erfahrungsbasierte konzeptionelle Änderung (design-based-research) in der Lehre beschrieben sowie erste Ergebnisse der systematischen empirischen Erprobung im Rahmen des PppH vorgestellt. Abschließend diskutieren die Autoren die Herausforderungen der praktischen Umsetzung auch mit Blick auf das Verstetigungsvorhaben.
Late-type stars are by far the most frequent stars in the universe and of fundamental interest to various fields of astronomy – most notably to Galactic archaeology and exoplanet research. However, such stars barely change during their main sequence lifetime; their temperature, luminosity, or chemical composition evolve only very slowly over the course of billions of years. As such, it is difficult to obtain the age of such a star, especially when it is isolated and no other indications (like cluster association) can be used. Gyrochronology offers a way to overcome this problem.
Stars, just like all other objects in the universe, rotate and the rate at which stars rotate impacts many aspects of their appearance and evolution. Gyrochronology leverages the observed rotation rate of a late-type main sequence star and its systematic evolution to estimate their ages. Unlike the above-mentioned parameters, the rotation rate of a main sequence star changes drastically throughout its main sequence lifetime; stars spin down. The youngest stars rotate every few hours, whereas much older stars rotate only about once a month, or – in the case of some late M-stars – once in a hundred days. Given that this spindown is systematic (with an additional mass dependence), it gave rise to the idea of using the observed rotation rate of a star (and its mass or a suitable proxy thereof) to estimate a star’s age. This has been explored widely in young stellar open clusters but remains essentially unconstrained for stars older than the sun, and K and M stars older than 1 Gyr.
This thesis focuses on the continued exploration of the spindown behavior to assess, whether gyrochronology remains applicable for stars of old ages, whether it is universal for late-type main sequence stars (including field stars), and to provide calibration mileposts for spindown models. To accomplish this, I have analyzed data from Kepler space telescope for the open clusters Ruprecht 147 (2.7 Gyr old) and M 67 (4 Gyr). Time series photometry data (light curves)
were obtained for both clusters during Kepler’s K2 mission. However, due to technical limitations and telescope malfunctions, extracting usable data from the K2 mission to identify (especially long) rotation periods requires extensive data preparation.
For Ruprecht 147, I have compiled a list of about 300 cluster members from the literature and adopted preprocessed light curves from the Kepler archive where available. They have been cleaned of the gravest of data artifacts but still contained systematics. After correcting them for said artifacts, I was able to identify rotation periods in 31 of them.
For M 67 more effort was taken. My work on Ruprecht 147 has shown the limitations imposed by the preselection of Kepler targets. Therefore, I adopted the time series full frame image directly and performed photometry on a much higher spatial resolution to be able to obtain data for as many stars as possible. This also means that I had to deal with the ubiquitous artifacts in Kepler data. For that, I devised a method that correlates the artificial flux variations with the ongoing drift of the telescope pointing in order to remove it. This process was a large success and I was able to create light curves whose quality match and even exceede those that were created by the Kepler mission – all while operating on higher spatial resolution and processing fainter stars. Ultimately, I was able to identify signs of periodic variability in the (created) light curves for 31 and 47 stars in Ruprecht 147 and M 67, respectively. My data connect well to bluer stars of cluster of the same age and extend for the first time to stars redder than early-K and older than 1 Gyr. The cluster data show a clear flattening in the distribution of Ruprecht 147 and even a downturn for M 67, resulting in a somewhat sinusoidal shape. With that, I have shown that the systematic spindown of stars continues at least until 4 Gyr and stars continue to live on a single surface in age-rotation periods-mass space which allows gyrochronology to be used at least up to that age. However, the shape of the spindown – as exemplified by the newly discovered sinusoidal shape of the cluster sequence – deviates strongly from the expectations.
I then compiled an extensive sample of rotation data in open clusters – very much including my own work – and used the resulting cluster skeleton (with each cluster forming a rip in color-rotation period-mass space) to investigate if field stars follow the same spindown as cluster stars. For the field stars, I used wide binaries, which – with their shared origin and coevality – are in a sense the smallest possible open clusters. I devised an empirical method to evaluate the consistency between the rotation rates of the wide binary components and found that the vast majority of them are in fact consistent with what is observed in open clusters. This leads me to conclude that gyrochronology – calibrated on open clusters – can be applied to determine the ages of field stars.
Viele Studieneingangs- und Eignungstests haben zum Ziel, für den entsprechenden Studiengang geeignete Studierende zu finden, die das Studium erfolgreich beenden können. Gerade in der Informatik ist aber häufig unklar, welche Eigenschaften geeignete Studierende haben sollten – auch stimmen mutmaßlich nicht alle Dozierenden in ihren Erwartungen an Studienanfänger*innen überein; Untersuchungen hierzu fehlen jedoch bislang. Um die Erwartungen von Dozent*innen an Studienanfänger*innen im Fach Informatik an deutschen Hochschulen zu analysieren, hat das Projekt MINTFIT im Sommer 2019 eine deutschlandweite Online-Befragung durchgeführt, an der 588 Hochschuldozent* innen aus allen Bundesländern teilnahmen. Die Umfrage hat gezeigt, dass überwiegend allgemeine Fähigkeiten, wie Motivation und logisches Denkvermögen, und nur wenig fachliches Vorwissen, wie Programmieren oder Formale Sprache, erwartet wird. Nach Einschätzung der Dozent*innen sind die problembehafteten Bereiche überwiegend in der theoretischen Informatik und in formellen Aspekten (z. B. Formale Sprache) zu finden. Obwohl Tendenzen erkennbar sind, zeigt die Umfrage, dass bei Anwendung strenger Akzeptanzkriterien keine Fähigkeiten und Kenntnisse explizit vorausgesetzt werden, was darauf hindeutet, dass noch kein deutschlandweiter Konsens unter den Lehrenden vorhanden ist.
Peer-Reviews werden seit geraumer Zeit in unterschiedlichen Lehrszenarien eingesetzt. In diesem Paper wird untersucht, inwieweit das Peer- Review die Auseinandersetzung mit den Inhalten eines Grundlagenmoduls in einem präsenzfreien Lehrszenario befördern kann. Dabei scheint in den Ergebnissen die Qualität der selbst erstellten Reviews einer der wichtigsten Einflussfaktoren für den Lernerfolg zu sein, während Experten-Feedback und weitere Faktoren deutlich untergeordnet erscheinen. Die Fähigkeit ausführliche Peer-Reviews zu verfassen geht einher mit dem Erwerb von fachlicher Kompetenz bzw. entsprechenden fachlichen Vorkenntnissen.
1,7 Milliarden Studierende waren von der ad hoc Umstellung der Lehre an Hochschulen durch den Ausbruch der COVID-19-Pandemie im Jahr 2020 betroffen. Innerhalb kürzester Zeit mussten Lehr- und Lernformate digital transformiert werden, um ein Distanzlernen für Studierende überall auf der Welt zu ermöglichen. Etwa zwei Jahre später können die Erfahrungen aus der Entwicklung von digitalen Lehr- und Lernformaten dazu genutzt werden, um Blended Learning Formate zielgerecht weiterzuentwickeln. Die nachfolgende Untersuchung zeigt einerseits einen Prozess der evolutionären Entwicklung am Beispiel eines Inverted Classrooms auf. Andererseits wird das Modell des Student Engagement genutzt, um die Einflussfaktoren, im Speziellen die des Verhaltens, zielgerecht anzupassen und so die Outcomes in Form von besseren Noten und einer erhöhten Zufriedenheit bei den Studierenden zu erzielen. Grundlage für die Untersuchung bildet die Lehrveranstaltung Projektmanagement, die an einer deutschen Hochschule durchgeführt wird.
Forschendes Lernen ist eine Lehr-Lernform, in der Studierende einen eigenen Forschungsprozess vollständig durchlaufen. In Informatikstudiengängen und insbesondere in Informatikbachelorstudiengängen ist die Forschungsorientierung allerdings nur gering ausgeprägt: Forschendes Lernen wird kaum eingesetzt, obwohl dies möglich und sinnvoll ist. Dieser Artikel stellt ein Konzept für ein Seminar Software Engineering im Bachelorstudium vor und beschreibt dessen Durchführung. Abschließend wird das Konzept diskutiert und sowohl aus Studierenden- als auch aus Lehrendensicht positiv evaluiert.
Lehrkräfte aller Fächer benötigen informatische Kompetenzen, um der wachsenden Alltagsrelevanz von Informatik und aktuell gültigen Lehrplänen gerecht zu werden. Beispielsweise verweist in Sachsen der Lehrplan für das Fach Gemeinschaftskunde, Rechtserziehung und Wirtschaft am Gymnasium mit dem für die Jahrgangsstufe 11 vorgesehenem Thema „Digitalisierung und sozialer Wandel“ auf Künstliche Intelligenz (KI) und explizit auf die Bedeutung der informatischen Bildung. Um die nötigen informatischen Grundlagen zu vermitteln, wurde für Lehramtsstudierende des Faches Politik ein Workshop erarbeitet, der die Grundlagen der Funktionsweise von KI anhand von überwachtem maschinellen Lernen in neuronalen Netzen vermittelt. Inhalt des Workshops ist es, mit Bezug auf gesellschaftliche Implikationen wie Datenschutz bei Trainingsdaten und algorithmic bias einen informierten Diskurs zu politischen Themen zu ermöglichen. Ziele des Workshops für Lehramtsstudierende mit dem Fach Politik sind: (1) Aufbau informatischer Kompetenzen in Bezug zum Thema KI, (2) Stärkung der Diskussionsfähigkeiten der Studierenden durch passende informatische Kompetenzen und (3) Anregung der Studierenden zum Transfer auf passende Themenstellungen im Politikunterricht. Das Evaluationskonzept umfasst eine Pre-Post-Befragung zur Zuversicht zur Vermittlungskompetenz unter Bezug auf maschinelles Lernen in neuronalen Netzen im Unterricht, sowie die Analyse einer abschließenden Diskussion. Für die Pre-Post-Befragung konnte eine Steigerung der Zuversicht zur Vermittlungskompetenz beobachtet werden. Die Analyse der Diskussion zeigte das Bewusstsein der Alltagsrelevanz des Themas KI bei den Teilnehmenden, aber noch keine Anwendung der informatischen Inhalte des Workshops zur Stützung der Argumente in der Diskussion.
Ethical issues surrounding modern computing technologies play an increasingly important role in the public debate. Yet, ethics still either doesn’t appear at all or only to a very small extent in computer science degree programs. This paper provides an argument for the value of ethics beyond a pure responsibility perspective and describes the positive value of ethical debate for future computer scientists. It also provides a systematic analysis of the module handbooks of 67 German universities and shows that there is indeed a lack of ethics in computer science education. Finally, we present a principled design of a compulsory course for undergraduate students.
A degree course in IT and business administration solely for women (FIW) has been offered since 2009 at the HTW Berlin – University of Applied Sciences. This contribution discusses student motivations for enrolling in such a women only degree course and gives details of our experience over recent years. In particular, the approach to attracting new female students is described and the composition of the intake is discussed. It is shown that the women-only setting together with other factors can attract a new clientele for computer science.
Viele Studierende stoßen im Rahmen ihres Informatikstudiums auf Probleme und benötigen individuell bedarfsgerechte Unterstützung, um beispielsweise trotz gewisser Startschwierigkeiten ihr Studium erfolgreich zu Ende zu führen. In die damit verbundene Lern- bzw. Studienberatung fließen Empfehlungen zur weiteren Studienverlaufsplanung ein. Anhand einer Datenanalyse über den Prüfungsleistungsdaten der Studierenden überprüfen wir die hinter diesen Empfehlungen liegenden Hypothesen und leiten aus den dabei gewonnenen Erkenntnissen Konsequenzen für die Beratung ab.
Insgesamt zeigt sich, dass sich nach den ersten Semestern ein mittlerer Bereich von Studierenden identifizieren lässt, bei denen Studienabbruch und Studienerfolg etwa gleich wahrscheinlich sind. Für diese Personengruppe ist Beratungsbedarf dringend gegeben. Gleichzeitig stößt die Datenanalyse auch an gewisse Grenzen, denn es zeigen sich insgesamt keine echt trennscharfen Muster, die frühzeitig im Studium eindeutig Erfolg oder Misserfolg prognostizieren. Dieses Ergebnis ist jedoch insofern erfreulich, als es bedeutet, dass jede:r Studierende:r auch nach einem suboptimalen Start ins Studium noch eine Chance auf einen Abschluss hat.
Informatikstudiengänge verzeichnen hohe Abbruchquoten innerhalb der ersten beiden Semester, die häufig mit Leistungsdefiziten oder Motivationsproblemen begründet werden. Eine Ursache dafür, dass trotz intensiver Bemühungen um bessere Lehre und motivationsfördernde Maßnahmen diese Situation imWesentlichen unverändert bleibt, könnte darin liegen, dass nicht die eine Maßnahme oder der eine Ansatz das Problem im Ganzen lösen kann, sondern dass eine heterogene Studierendenschaft vielmehr nach unterschiedlichen Maßnahmen verlangt. Bisher findet sich wenig Forschung zu differenzierten Studierendentypen in der Informatik. Wir stellen in dieser Arbeit einen Ansatz dafür vor, die Heterogenität der Informatikstudierenden zu ergründen, und beschreiben die Ergebnisse erster Versuche mit diesem Ansatz. Um die große Anzahl von Studierenden auf eine überschaubare Anzahl von Typen mit jeweils ähnlichen Bedürfnissen und Erwartungen zu reduzieren, wird dazu die im Produktmanagement bewährte Personas-Methode adaptiert. Im Rahmen einer Befragung von 170 Informatikstudierenden konnten hierzu bereits einige Personas mit unterschiedlichen Merkmalshäufungen ausgearbeitet werden, die eine gute Grundlage darstellen, um auf dieser Basis differenzierte Interventionen zur Förderung und Motivation der Informatikstudierenden zu entwickeln.
Both horizontal-to-vertical (H/V) spectral ratios and the spatial autocorrelation method (SPAC) have proven to be valuable tools to gain insight into local site effects by ambient noise measurements. Here, the two methods are employed to assess the subsurface velocity structure at the Piano delle Concazze area on Mt Etna. Volcanic tremor records from an array of 26 broadband seismometers is processed and a strong variability of H/V ratios during periods of increased volcanic activity is found. From the spatial distribution of H/V peak frequencies, a geologic structure in the north-east of Piano delle Concazze is imaged which is interpreted as the Ellittico caldera rim. The method is extended to include both velocity data from the broadband stations and distributed acoustic sensing data from a co-located 1.5 km long fibre optic cable. High maximum amplitude values of the resulting ratios along the trajectory of the cable coincide with known faults. The outcome also indicates previously unmapped parts of a fault. The geologic interpretation is in good agreement with inversion results from magnetic survey data. Using the neighborhood algorithm, spatial autocorrelation curves obtained from the modified SPAC are inverted alone and jointly with the H/V peak frequencies for 1D shear wave velocity profiles. The obtained models are largely consistent with published models and were able to validate the results from the fibre optic cable.
Reactive eutectic media based on ammonium formate for the valorization of bio-sourced materials
(2023)
In the last several decades eutectic mixtures of different compositions were successfully used as solvents for vast amount of chemical processes, and only relatively recently they were discovered to be widely spread in nature. As such they are discussed as a third liquid media of the living cell, that is composed of common cell metabolites. Such media may also incorporate water as a eutectic component in order to regulate properties such as enzyme activity or viscosity. Taking inspiration form such sophisticated use of eutectic mixtures, this thesis will explore the use of reactive eutectic media (REM) for organic synthesis. Such unconventional media are characterized by the reactivity of their components, which means that mixture may assume the role of the solvent as well as the reactant itself.
The thesis focuses on novel REM based on ammonium formate and investigates their potential for the valorization of bio-sourced materials. The use of REM allows the performance of a number of solvent-free reactions, which entails the benefits of a superior atom and energy economy, higher yields and faster rates compared to reactions in solution. This is evident for the Maillard reaction between ammonium formate and various monosaccharides for the synthesis of substituted pyrazines as well as for a Leuckart type reaction between ammonium formate and levulinic acid for the synthesis of 5-methyl-2-pyrrolidone. Furthermore, reaction of ammonium formate with citric acid for the synthesis of yet undiscovered fluorophores, shows that synthesis in REM can open up unexpected reaction pathways.
Another focus of the thesis is the study of water as a third component in the REM. As a result, the concept of two different dilution regimes (tertiary REM and in REM in solvent) appears useful for understanding the influence of water. It is shown that small amounts of water can be of great benefit for the reaction, by reducing viscosity and at the same time increasing reaction yields.
REM based on ammonium formate and organic acids are employed for lignocellulosic biomass treatment. The thesis thereby introduces an alternative approach towards lignocellulosic biomass fractionation that promises a considerable process intensification by the simultaneous generation of cellulose and lignin as well as the production of value-added chemicals from REM components. The thesis investigates the generated cellulose and the pathway to nanocellulose generation and also includes the structural analysis of extracted lignin.
Finally, the thesis investigates the potential of microwave heating to run chemical reactions in REM and describes the synergy between these two approaches. Microwave heating for chemical reactions and the use of eutectic mixtures as alternative reaction media are two research fields that are often described in the scope of green chemistry. The thesis will therefore also contain a closer inspection of this terminology and its greater goal of sustainability.
The Lyman-𝛼 (Ly𝛼) line commonly assists in the detection of high-redshift galaxies, the so-called Lyman-alpha emitters (LAEs). LAEs are useful tools to study the baryonic matter distribution of the high-redshift universe. Exploring their spatial distribution not only reveals the large-scale structure of the universe at early epochs, but it also provides an insight into the early formation and evolution of the galaxies we observe today. Because dark matter halos (DMHs) serve as sites of galaxy formation, the LAE distribution also traces that of the underlying dark matter. However, the details of this relation and their co-evolution over time remain unclear. Moreover, theoretical studies predict that the spatial distribution of LAEs also impacts their own circumgalactic medium (CGM) by influencing their extended Ly𝛼 gaseous halos (LAHs), whose origin is still under investigation. In this thesis, I make several contributions to improve the knowledge on these fields using samples of LAEs observed with the Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) at redshifts of 3 < 𝑧 < 6.