Crystallization characteristics of bioactive glasses

Bioactive glasses are excellent candidates for implant materials, because they can form a chemical bond to bone or guide bone growth, depending on the glass composition. Some compositions have even shown soft tissue attachment and antimicrobial effects. So far, most clinical applications are based on monoliths, plates and particulates of different grain sizes. There is a growing interest in special products such as porous implants sintered from microspheres and fibers drawn from preforms or glass melts. The viscosity range at which these are formed coincides with the crystallization temperature range for most bioactive glasses, thus complicating the manufacturing process. In this work, the crystallization tendency and its kinetics for a series of glasses with their compositions within the range of bioactivity were investigated. The factors affecting crystallization and how it is related to composition were studied by means of thermal analysis and hot stage microscopy. The crystal compositions formed during isothermal and non-isothermal heat treatments were analyzed with SEM-EDXA and X-ray diffraction analysis. The temperatures at which sintering and fiber drawing can take place without interfering with crystallization were determined and glass compositions which are suitable for these purposes were established. The bioactivity of glass fibers and partly crystallized glass plates was studied by soaking them in simulated body fluid (SBF). The thickness of silica, calcium and phosphate rich reaction layers on the glass surface after soaking was used as an indication of the bioactivity. The results indicated that the crystallization tendencies of the experimental glasses are strongly dependent on composition. The main factor affecting the crystallization was found to be the alkali oxide content: the higher the alkali oxide content the lower the crystallization temperature. The primary crystalline phase formed at low temperatures in these glasses was sodium calcium silicate. The crystals were found to form through internal nucleation, leading to bulk crystallization. These glasses had high bioactivity in vitro. Even when partially crystalline, they formed typical reaction layers, indicating bioactivity. In fact, sodium calcium silicate crystals were shown to transform in vitro into hydroxyapatite during soaking. However, crystallization should be avoided because it was shown to retard dissolution, bioactivity reactions and complicate fiber drawing process. Glass compositions having low alkali oxide content showed formation of wollastonite crystals on the surface, at about 300°C above the glass transition temperature. The wide range between glass transition and crystallization allowed viscous flow sintering of these compositions. These glasses also withstood the thermal treatments required for fiber drawing processing. Precipitation of calcium and phosphate on fibers of these glasses in SBF suggested that they were osteoconductive. Glasses showing bioactivity crystallize easily, making their hot working challenging. Undesired crystallization can be avoided by choosing suitable compositions and heat treatment parameters, allowing desired product forms to be attained. Small changes in the oxide composition of the glass can have large effects and therefore a thorough understanding of glass crystallization behavior is a necessity for a successful outcome, when designing and manufacturing implants containing bioactive glasses.

Distribution and role of macrophytes in coastal lagoons : implications of critical shifts

Crossroads, crucibles and refuges are three words that may describe natural coastal lagoon environments. The words refer to the complex mix of marine and terrestrial influences, prolonged dilution due to the semi-enclosed nature and the function of a habitat for highly diverse plant and animal communities, some of which are endangered. To attain a realistic picture of the present situation, high vulnerability to anthropogenic impact should be added to the description. As the sea floor in coastal lagoons is usually entirely photic, macrophyte primary production is accentuated compared with open sea environments. There is, however, a lack of proper knowledge on the importance of vegetation for the general functioning of coastal lagoon ecosystems. The aim of this thesis is to assess the role of macrophyte diversity, cover and species identity over temporal and spatial scales for lagoon functions, and to determine which steering factors primarily restrict the qualitative and quantitative composition of vegetation in coastal lagoons. The results are linked to patterns of related trophic levels and the indicative potential of vegetation for assessment of general conditions in coastal lagoons is evaluated. This thesis includes five field studies conducted in flads and glo-flads in the brackish water northern Baltic Sea. Flads and glo-flads are defined as a Baltic variety of coastal lagoons, which due to an inlet threshold and post-glacial landuplift slowly will be isolated from the open sea. This process shrinks inlet size, increases exposure and water retention, and is called habitat isolation. The studied coastal lagoons are situated in the archipelago areas of the eastern coast of Sweden, the Åland Islands and the south-west mainland of Finland, where land-uplift amounts to ca. 5 mm/ per year. Out of 400 evaluated sites, a total of 70 lagoons varying in inlet size, archipelago position and anthropogenic influence to cover for essential environmental variation were chosen for further inventory. Vegetation composition, cover and richness were measured together with several hydrographic and morphometric variables in the lagoons both seasonally and inter-annually to cover for general regional, local and temporal patterns influencing lagoon and vegetation development. On smaller species-level scale, the effects of macrophyte species identity and richness for the fish habitat function were studied by examining the influence of plant interaction on juvenile fish diversity. Thus, the active election of plant monoand polycultures by fish and the diversity of fish in the respective culture were examined and related to plant height and water depth. The lagoons and vegetation composition were found to experience a regime shift initiated by increased habitat isolation along with land-uplift. Vegetation composition altered, richness decreased and cover increased forming a less isolated and more isolated regime, named the vascular plant regime and charophyte regime, respectively according to the dominant vegetation. As total phosphorus in the water, turbidity and the impact of regional influences decreased in parallel, the dominance of charophytes and increasing cover seemed to buffer and stabilize conditions in the charophyte regime and indicated an increased functional role of vegetation for the lagoon ecosystem. The regime pattern was unaffected by geographical differences, while strong anthropogenic impact seemed to distort the pattern due to loss of especially Chara tomentosa L. in the charophyte regime. The regimes were further found unperturbed by short-time temporal fluctuations. In fact the seasonal and inter-annual dynamics reinforced the functional difference between the regimes by the increasing role of vegetation along habitat isolation and the resemblance to lake environments for the charophyte regime. For instance, greater total phosphorus and chlorophyll a concentrations in the water in the beginning of the season in the charophyte regime compared with the vascular plant regime presented a steeper reduction to even lower values than in the vascular plant regime along the season. Despite a regional importance and positive relationship of macrophyte diversity in relation to trophic diversity, species identity was underlined in the results of this thesis, especially with decreasing spatial scale. This result was supported partly by the increased role of charophytes in the functioning of the charophyte regime, but even more explicitly by the species-specific preference of juvenile fish for tall macrophyte monocultures. On a smaller species-level scale, tall plant species in monoculture seemed to be able to increase their length, indicating that negative selection forms preferred habitat structures, which increase fish diversity. This negative relationship between plant and fish diversity suggest a shift in diversity patterns among trohic levels on smaller scale. Thus, as diversity patterns seem complex and diverge among spatial scales, it might be ambiguous to extend the understanding of diversity relationships from one trophic level to the other. All together, the regime shift described here presents similarities to the regime development in marine lagoon environments and shallow lakes subjected to nutrient enrichment. However, due to nutrient buffering by vegetation with increased isolation and water retention as a consequence of the inlet threshold, the development seems opposite to the course along an eutrophication gradient described in marine lagoons lacking an inlet threshold, where the role of vegetation decreases. Thus, the results imply devastating consequences of inlet dredging (decreasing isolation) in terms of vegetation loss and nutrient release, and call for increased conservational supervision. Especially the red listed charophytes would suffer negatively from such interference and the consequences are likely to also deteriorate juvenile fish production. The fact that a new species to Finland, Chara connivens Salzm. Ex. Braun 1835 was discovered during this study further indicates a potential of the lagoons serving as refuges for rare species.

Mantle- and crust-derived magmatism in the southern Fennoscandian Shield at c. 1.8 Ga; evidence from geochemistry, isotopes and geochronology

Geokemi och isotopsammansättningarna hos ca 1,8 Ga (miljarder år) gamla mafiska bergartsintrusioner studerades i två huvudområden: i) Transskandinaviska magmatiska bältet (TMB) i Bergslagen, Småland och Blekinge, södra Sverige, inklusive några prov från det ca 1,87 Ga gamla Hedesunda-komplexet i östra Bergslagen, samt ii) mindre, postkollisionala komplex i södra Finland och ryska Karelen. I det senare fallet var även tillhörande granitoider inkluderade i studierna. TMB-bergarterna skiljer sig avsevärt i utvecklingsgrad och omfattar sammansättningsmässigt bergarter från ultramafiter till kvartsdioriter. Dessa bergarters geokemi är kännetecknande för kontinentala öbågar. För sydligaste TMB och Hedesunda antyder geokemin en något mera oceanisk öbågekaraktär. Tillsammans med tidigare data antyder de av Rutanen analyserade Nd- och Sr-isotopförhållanden för TMB en ’milt utarmad’ mantelsammansättning. De mafiska bergarterna i södra Finland och ryska Karelen varierar från ultramafiska till monzodioritiska, men med avsevärt högre alkalihalter jämfört med TMB. Källan för all den studerade mafiska magmatismen kan beskrivas som en utarmad mantel som i varierande grad påverkats av fluider och smältor ur subducerande litosfärplattor. Geokemin antyder infiltrering och påverkning av H2O-dominerande fluider i övre manteln för TMB. Den mafiska ca 1,8 Ga gamla magmatismen österut avspeglar en ökande påverkan av sedimentderiverade karbonatfluider och smältor inom allt djupare mantelområden. Denna subduktionsrelaterade mantelanrikning skedde under den föregående öbågeutvecklingen i södra delarna av Finland och Sverige, samt ryska Karelen. Geokemin för en grupp granitoider, associerade med de ca 1,8 Ga gamla intrusionerna i södra Finland visar både vulkanisk öbåge och synkollisional granitoidkaraktär. Denna grupp har ett blandat magmatiskt och sedimentärt Svekofenniskt ursprung, vilket kan antas p.g.a. deras Nd- och Sr-isotopförhållanden. En annan grupp av granitoider ligger geokemiskt mellan vulkanisk öbåge- och intraplatt-granitoider, och har magmatiskt ursprung. Geokemin och isotoperna hos dessa intrusioner kan förklaras med hybridisering mellan de kraftigt anrikade, mantelderiverade magmorna, och granitmagmor från den äldre skorpan. Den ca 1,8 Ga gamla TMB-magmatismen i Sverige skedde vid sammanslutning av kontinentalrandbågar, med kontinuerlig subduktion mot öster i Bergslagen, och mot norr i de sydligare delarna. Samtidigt i öster intruderade de postkollisionala intrusionerna i skorpan omedelbart efter kollisionen med den Volgo-Sarmatiska kontinenten från sydost. Denna invecklade paleotektoniska konfiguration orsakade en tektonisk regim där litosfäriska mantelkällor levererade de starkt anrikade magmorna, vilkas uppstigning troligen möjliggjordes av djupgående postkollisionala skjuvzoner. Intrusionerna orsakade uppsmältning av den omgivande skorpan, vilket framkallade den associerade granitoidmagmatismen.

Ion modulated organic transistors

I likhet med vanliga plaster är de π-konjugerade polymererna flexibla, lösliga och processbara vid låga temperaturer (< 150 ºC). Därutöver har de egenskapen att leda ström. Konduktivitetsintervallet är brett och omfattar nästintill metallisk ledningsförmåga å ena sidan, via halvledarkonduktiva till isolerande å andra sidan. Polymererna utgörs av regelbundna kedjor av kolatomer och associeras sålunda till organiska material. Sedan de första vetenskapliga rapporterna publicerades vid slutet av 1970-talet har π-konjugerade polymerer använts och utvecklats i exempelvis solceller, dioder, lysdioder och transistorer. Nobelpriset i kemi tilldelades år 2000 åt Hideki Shirakawa, Alan J. Heeger och Alan G. MacDiarmid för upptäckten och utvecklandet av ledande polymerer. I min avhandling har jag arbetat med att utveckla och förstå lågspännings jonmodulerade organiska transistorer. Två typer av jonmodulerade organiska transistorer studeras: (1) den jonmodulerade organiska fälteffekt transistorn (jonmodulerade OFETen), som utgör den centrala transistorn i avhandlingen, samt (2) den elektrokemiska transistorn. Den första typen fungerar som en konventionell OFET. Strömmen i halvledaren moduleras av det elektriska fältet över isolatorn. Med användandet av en elektrolyt ”isolator” orsakar polariseringen av jonerna däremot ett högt elektriskt fält vid elektrolyt/halvledargränssnittet och man åstadkommer modulering av strömmen redan vid några volts drivspänningar. I den andra typen utnyttjas elektrokemi för att medelst reduktion/oxidation modulera strömmen i den π-konjugerade polymeren. Ett viktigt ändamål i avhandlingen har också varit att kunna tillverka transistorerna med masstillverkningsmetoder. I avhandlingen presenteras de jonmodulerade organiska transistorernas möjlighet att framställas med masstillverkningsmetoder. Nya koncept introduceras och svagheter identifieras. Skillnaderna mellan OFETen, jonmodulerade OFETen och den elektrokemiska transistorn klargörs. Arbetet skall däremot inte anses fullbordat utan forskningen fortgår för att kringgå svagheterna, öka på transistorernas stabilitet och framförallt tillämpa dem i innovativa applikationer.

The Sottunga-Jurmo shear zone : structure and deformation history of a crustal-scale ductile shear zone in SW Finland

The aim of this study is to gain a better understanding of the structure and the deformation history of a NW-SE trending regional, crustal-scale shear structure in the Åland archipelago, SW Finland, called the Sottunga-Jurmo shear zone (SJSZ). Approaches involving e.g. structural geology, geochronology, geochemistry and metamorphic petrology were utilised in order to reconstruct the overall deformation history of the study area. The study therefore describes several features of the shear zone including structures, kinematics and lithologies within the study area, the ages of the different deformation phases (ductile to brittle) within the shear zone, as well as some geothermobarometric results. The results indicate that the SJSZ outlines a major crustal discontinuity between the extensively migmatized rocks NE of the shear zone and the unmigmatised, amphibolite facies rocks SW of the zone. The main SJSZ shows overall dextral lateral kinematics with a SW-side up vertical component and deformation partitioning into pure shear and simple shear dominated deformation styles that was intensified toward later stages of the deformation history. The deformation partitioning resulted in complex folding and refolding against the SW margin of the SJSZ, including conical and sheath folds, and in a formation of several minor strike-slip shear zones both parallel and conjugate to the main SJSZ in order to accommodate the regional transpressive stresses. Different deformation phases within the study area were dated by SIMS (zircon U-Pb), ID-TIMS (titanite U-Pb) and 40Ar/39Ar (pseudotachylyte wholerock) methods. The first deformation phase within the ca. 1.88 Ga rocks of the study area is dated at ca. 1.85 Ga, and the shear zone was reactivated twice within the ductile regime (at ca. 1.83 Ga and 1.79 Ga), during which the strain was successively increasingly partitioned into the main SJSZ and the minor shear zones. The age determinations suggest that the orogenic processes within the study area did not occur in a temporal continuum; instead, the metamorphic zircon rims and titanites show distinct, 10-20 Ma long breaks in deformation between phases of active deformation. The results of this study further imply slow cooling of the rocks through 600-700ºC so that at 1.79 Ga, 2 the temperature was still at least 600ºC. The highest recorded metamorphic pressures are 6.4-7.1 kbar. At the late stages or soon after the last ductile phase (ca. 1.79 Ga), relatively high-T mylonites and ultramylonites were formed, witnessing extreme deformation partitioning and high strain rates. After the rocks reached lower amphibolite facies to amphibolite-greenschist facies transitional conditions (ca. 500-550ºC), they cooled rapidly, probably due to crustal uplift and exhumation. The shear zone was reactivated at least once within the semi-brittle to brittle regime between ca. 1.79 Ga and 1.58 Ga, as evidenced by cataclasites and pseudotachylytes. In summary, the results of this study suggest that the Sottunga-Jurmo shear zone (and the South Finland shear zone) defines a major crustal discontinuity, and played a central role in accommodating the regional stresses during and after the Svecofennian orogeny.

Some defects in two-dimensional spin-1/2 Heisenberg antiferromagnets: a numerical study of magnetic effects

En del av de intressantaste fenomenen inom dagens materialfysik uppstår ur ett intrikat samspel mellan myriader av elektroner. Högtemperatursupraledare är det mest berömda exemplet. Varken klassiska teorier eller modeller där elektronerna är oberoende av varandra kan förklara de häpnadsväckande effekterna i de starkt korrelerade elektronsystemen. I vissa kopparoxider, till exempel La2CuO4, är det känt att valenselektronerna till följd av en stark ömsesidig växelverkan lokaliseras en och en till kopparatomerna i föreningens CuO2 plan. Laddningarnas inneboende magnetiska moment—spinnet—får då en avgörande roll för materialets elektriska och magnetiska egenskaper, vilka i exemplets fall kan beskrivas med Heisenbergmodellen som är den grundläggande teoretiska modellen för mikroskopisk magnetism. Men exakt varför föreningarna kan bli supraledande då de dopas med överskottsladdningar är än så länge en obesvarad fråga. Min avhandling undersöker orenheters inverkan på Heisenbergmodellens magnetiska egenskaper—ett problem av både experimentell och teoretisk relevans. En etablerad numerisk metod har använts—en kvantmekanisk Monte Carlo teknik—för att utföra omfattande datorsimuleringar av den matematiska modellen på två dedikerade Linux datorkluster. Arbetet hör till området beräkningsfysik. De teoretiska modellerna för starkt korrelerade elektronsystem, däribland Heisenbergmodellen, är ytterst invecklade matematiskt sett och de kan inte lösas exakt. Analytiska utredningar bygger för det mesta på antaganden och förenklingar vars inverkningar på slutresultatet är ofta oklara. I det avseende kan numeriska studier vara exakta, det vill säga de kan behandla modellerna som de är. Oftast behövs bägge tillvägagångssätten. Den röda tråden i arbetet har varit att numeriskt testa vissa högaktuella analytiska förutsägelser rörande effekterna av orenheter i Heisenbergmodellen. En del av dem har vi på basen av mycket noggranna data kunnat bekräfta. Men våra resultat har också påvisat felaktigheter i de analytiska prognoserna som sedermera delvis reviderats. En del av avhandlingens numeriska upptäckter har i sin tur stimulerat till helt nya teoretiska studier.

Dynamic interplay between the intermediate filament protein nestin and Cyclin-dependent kinase 5

Cellen har ett s.k. cytoskelett som bl.a. ger stadga åt cellen och deltar i dess form- och rörelsefunktioner. Intermediärfilamenten är en viktig del av cytoskelettet och de har länge varit kända för sina väsentliga roller i att upprätthålla den cellulära organisationen och vävnadernas integritet. På senare år har man insett att intermediärfilamenten har en större funktionell mångsidighet än man tidigare tänkts sig, i och med att en rad olika studier har visat betydelsen av intermediärfilamenten vid olika signaleringprocesser. Dessa proteinnätverk samverkar nämligen med kinaser och andra viktiga signalfaktorer och deltar därmed i cellens signaleringmaskineri. Intermediärfilamentproteinet nestin används ofta som en markör för stamceller men dess fysiologiska funktioner är i stort sett okända. Interaktion mellan nestin och ett signalkomplex bestående av cyklin-beroende kinas 5 (eng. Cyclin-dependent kinase, Cdk5) och dess aktivatorprotein p35 upptäcktes i vårt laboratorium före denna avhandling påbörjades. Därför var syftet med min avhandling att undersöka den funktionella betydelsen av nestin i regleringen av Cdk5/p35 komplexet. Cdk5 är ett multifunktionellt kinas som reglerar både utvecklingen och stressreaktioner i nerver och muskler. Vi visade att nestin skyddar neuronala stamceller under oxidativ stress genom dess förmåga att hämma Cdk5s skadliga aktivitet. Genom att förankra Cdk5/p35 komplexet, reglerar nestin den subcellulära lokaliseringen av Cdk5/p35 och minskar klyvningen av p35 till den mer stabila aktivatorn p25. Vi demonstrerade också aktiveringsmekanismen för Cdk5 under differentiering av muskelceller. Proteinkinas C zeta (PKCzeta) avslöjades ha en förmåga att accelera klyvningen av p35 till p25, och därmed öka aktiviteten hos Cdk5. Nestin kunde genom sin förmåga att reglera Cdk5 signalkomplexet styra muskelcellernas differentiering. Denna doktorsavhandling har på ett avgörande vis ökat förståelsen av de reglerande mekanismer som styr Cdk5 aktivering. Avhandling presenterar nestin och PKCzeta som kritiska faktorer i denna reglering. Vidare innehåller avhandlingen ny information om de cellulära funktionerna hos nestin som vi har visat vara en viktig reglerare av cellernas överlevnad och differentiering.

Biogeochemistry in acid sulphate soil landscapes and small urban centres in Western Finland

The overall purpose of this thesis was to increase the knowledge on the biogeochemistry of rural acid sulphate (AS) soil environments and urban forest ecosystems near small towns in Western Finland. In addition, the potential causal relationship between the distribution of AS soils and geographical occurence of multiple sclerosis (MS) disease was assessed based on a review of existing literature and data. Acid sulphate soils, which occupy an area of approximately 17–24 million hectare worldwide, are regarded as the nastiest soils in the world. Independent of the geographical locality of these soils, they pose a great threat to their surrounding environment if disturbed. The abundant metal-rich acid drainage from Finnish AS soils, which is a result of sulphide oxidation due to artificial farmland drainage, has significant but spatially and temporally variable ecotoxicological impacts on biodiversity and community structure of fish, benthic invertebrates and macrophytes. This has resulted in mass fish kills and even eradication of sensitive fish species in affected waters. Moreover, previous investigations demonstrated significantly enriched concentrations of Co, Ni, Mn and Al, metals which are abundantly mobilised in AS soils, in agricultural crops (timothy grass and oats) and approximately 50 times higher concentrations of Al in cow milk originating from AS soils in Western Finland. Nevertheless, the results presented here demonstrate, in general, relatively moderate metal concentrations in oats and cabbage grown on AS soils in Western Finland, although some of the studied fields showed anomalous values of metals (e.g. Co and Ni) in both the soil and target plants (especially oats), similar to that of the previous investigations. The results indicated that the concentrations of Co, Ni, Mn and Zn in oats and Co and Zn in cabbage were governed by soil geochemistry as these metals were correlated with corresponding concentrations extracted from the soil by NH4Ac-EDTA and NH4Ac, respectively. The concentrations of Cu and Fe in oats and cabbage were uncorrelated to that of the easily soluble concentrations in the soils, suggesting that biological processes (e.g. plant-root processes) overshadow geochemical variation. The concentrations of K and Mg in cabbage, which showed a low spread and were strongly correlated to the NH4Ac extractable contents in the soil, were governed by both the bioavailable fractions in the topsoil and plant-uptake mechanisms. The plant´s ability to regulate its uptake of Ca and P (e.g. through root exudates) seemed to be more important than the influence of soil geochemistry. The distribution of P, K, Ca, Mg, Mn and S within humus, moss and needles in and around small towns was to a high degree controlled by biological cycling, which was indicated by the low correlation coefficients for P, K, Ca, Mg and S between humus and moss, and the low spread of these nutrients in moss and needles. The concentration variations of elements in till are mainly due to natural processes (e.g. intrusions, weathering, mineralogical variations in the bedrock). There was a strong spatial pattern for B in humus, moss and needles, which was suggested to be associated with anthropogenic emissions from nearby town centres. Geogenic dust affected the spatial distribution of Fe and Cr in moss, while natural processes governed the Fe anomaly found in the needles. The spatial accumulation patterns of Zn, Cd, Cu, Ni and Pb in humus and moss were strong and diverse, and related to current industry, the former steel industry, coal combustion, and natural geochemical processes. An intriguing Cu anomaly was found in moss. Since it was located close to a main railway line and because the railway line´s electric cables are made of Cu, it was suggested that the reason for the Cu anomaly is corrosion of these cables. In Western Finland, where AS soils are particularly abundant and enrich the metal concentrations of stream waters, cow milk and to some extent crops, an environmental risk assessment would be motivated to elucidate if the metal dispersion affect human health. Within this context, a topic of concern is the distribution of multiple sclerosis as high MS prevalence rates are found in the main area of AS soils. Regionally, the AS soil type in the Seinäjoki area has been demonstrated to be very severe in terms of metal leaching, this area also shows one of the highest MS rates reported worldwide. On a local scale, these severe AS soil types coincide well with the corresponding MS clustering along the Kyrönjoki River in Seinäjoki. There are reasons to suspect that these spatial correlations are causal, as multiple sclerosis has been suggested to result from a combination of genetic and environmental factors.

Towards input/output-free modelling of linear infinite-dimensional systems in continuous time

This dissertation describes a networking approach to infinite-dimensional systems theory, where there is a minimal distinction between inputs and outputs. We introduce and study two closely related classes of systems, namely the state/signal systems and the port-Hamiltonian systems, and describe how they relate to each other. Some basic theory for these two classes of systems and the interconnections of such systems is provided. The main emphasis lies on passive and conservative systems, and the theoretical concepts are illustrated using the example of a lossless transfer line. Much remains to be done in this field and we point to some directions for future studies as well.

Molecular modeling of asymmetric induction in heterogeneously catalyzed hydrogenation of the C=O bond

Modifiering av metallytor med starkt adsorberade kirala organiska molekyler är eventuellt den mest relevanta teknik man vet i dag för att skapa kirala ytor. Den kan utnyttjas i katalytisk produktion av enantiomeriskt rena kirala föreningar som behövs t.ex. som läkemedel och aromkemikalier. Trots många fördelar av asymmetrisk heterogen katalys jämfört med andra sätt för att få kirala föreningar, har den ändå inte blivit ett allmänt verktyg för storskaliga tillämpningar. Detta beror t.ex. på brist på djupare kunskaper i katalytiska reaktionsmekanismer och ursprunget för asymmetrisk induktion. I denna studie användes molekylmodelleringstekniker för att studera asymmetriska, heterogena katalytiska system, speciellt hydrering av prokirala karbonylföreningar till motsvarande kirala alkoholer på cinchona-alkaloidmodifierade Pt-katalysatorer. 1-Fenyl-1,2-propandion (PPD) och några andra föreningar, som innehåller en prokiral C=O-grupp, användes som reaktanter. Konformationer av reaktanter och cinchona-alkaloider (som kallas modifierare) samt vätebundna 1:1-komplex mellan dem studerades i gas- och lösningsfas med metoder som baserar sig på vågfunktionsteori och täthetsfunktionalteori (DFT). För beräkningen av protonaffiniteter användes också högst noggranna kombinationsmetoder såsom G2(MP2). Den relativa populationen av modifierarnas konformationer varierade som funktion av modifieraren, dess protonering och lösningsmedlet. Flera reaktant–modifierareinteraktionsgeometrier beaktades. Slutsatserna på riktning av stereoselektivitet baserade sig på den relativa termodynamiska stabiliteten av de diastereomeriska reaktant–modifierare-komplexen samt energierna hos π- och π*-orbitalerna i den reaktiva karbonylgruppen. Adsorption och reaktioner på Pt(111)-ytan betraktades med DFT. Regioselektivitet i hydreringen av PPD och 2,3-hexandion kunde förklaras med molekyl–yta-interaktioner. Storleken och formen av klustret använt för att beskriva Pt-ytan inverkade inte bara på adsorptionsenergierna utan också på de relativa stabiliteterna av olika adsorptionsstrukturer av en molekyl. Populationerna av modifierarnas konformationer i gas- och lösningsfas korrelerade inte med populationerna på Pt-ytan eller med enantioselektiviteten i hydreringen av PPD på Pt–cinchona-katalysatorer. Vissa modifierares konformationer och reaktant–modifierare-interaktionsgeometrier var stabila bara på metallytan. Teoretiskt beräknade potentialenergiprofiler för hydrering av kirala α-hydroxiketoner på Pt implicerade preferens för parvis additionsmekanism för väte och selektiviteter i harmoni med experimenten. De uppnådda resultaten ökar uppfattningen om kirala heterogena katalytiska system och kunde därför utnyttjas i utvecklingen av nya, mera aktiva och selektiva kirala katalysatorer.

Assessment of endocrine disrupting activities in the aquatic environment

Hormonstörande ämnen är syntetiska eller naturliga ämnen som stör organismers hormonsystem och bidrar till könsförvirring och sterilitet. Sådana ämnen kommer i ökande takt ut i vattenmiljön genom rester av läkemedel, bekämpningsmedel och industriprodukter. Eftersom det finns många likheter mellan hormonsystemen hos människan och övriga ryggradsdjur kan till exempel fiskar användas som modellsystem för att underöka detta problem. I tidigare undersökningar har man funnit hormonella störningar, bl.a. feminisering och maskulinisering hos fiskar som utsatts för avfallsvatten från kommunala reningsverk eller avfallsvatten från pappersindustrin. Målet med denna avhandling var att undersöka om renat avfallsvatten från kommunala reningsverk längs Finlands kust innehåller hormonstörande ämnen i sådana mängder att de kan försorsaka hormonstörande effekter på fisk. Målet i denna avhandling var också att utveckla cellulära testsystem baserade på fiskceller, eftersom behovet av tillförlitliga och kostnadseffektiva cellbaserade tester för att underlätta riskbedömningen av hormonstörande ämnen är mycket stort för tillfället. Som testsystem har storspiggen använts, som besitter flera användbara biomarkörer för att mäta hormonstörande ämnens påverkan. Resultaten tyder på att problemen med hormonstörande påverkan på fisk inte är lika utbredda i Finland som i många andra europeiska länder. Detta beror troligtvis på att finska reningsverk har effektiva reningstekniker som reducerar mängden hormonstörande ämnen, eller på att utspädningen av avloppen i recipienterna är större än i många andra länder. Dock kan problemen inte helt uteslutas eftersom vissa feminiserande (estrogena) effekter kunde observeras hos fisken i de undersökta recipienterna utanför kommunala reningsverk. I kontrollerade laboratorieförsök där storpsiggar exponerades för kommunalt avloppsvatten uppmättes även här effekter som tyder på förekomst av estrogener i avloppsvattnet. De cell-baserade testsystemen klarade av att förutspå hormonella effekter hos hel fisk och kan därför vara mycket användbara i fortsatta studier av hormonstörande ämnens verkningsmekanismer i preliminära toxicitetsbedömningar.

Elemental analysis of wood materials by external millibeam thick target PIXE

PIXE (Particle Induce X-ray Emission spectrometry) was used for analysing stem bark and stem wood of Scots pine, Norway spruce and Silver birch. Thick samples were irradiated, in laboratory atmosphere, with 3 MeV protons and the beam current was measured indirectly using a photo multiplicator (PM) tube. Both point scans and bulk analyses were performed with the 1 mm diameter proton beam. In bulk analyses, whole bark and sectors of discs of the stem wood were dry ashed at 550 ˚C. The ashes were homogenised by shaking and prepared to target pellets for PIXE analyses. This procedure generated representative samples to be analysed, but the enrichment also enabled quantification of some additional trace elements. The ash contents obtained as a product of the sample preparation procedure also showed to be of great importance in the evaluation of results in environmental studies. Spot scans from the pith of pine wood outwards, showed clearly highest concentrations of manganese, calcium and zinc in the first spot irradiated, or 2-3 times higher than in the surrounding wood. For stem wood from the crown part of a pine this higher concentration level was found in the first four spots/mms, including the pith and the two following growth rings. Zinc showed increasing concentrations outwards in sapwood of the pine stem, with the over-all lowest concentrations in the inner half of the sapwood. This could indicate emigration of this element from sapwood being under transformation to heartwood. Point scans across sapwood of pine and spruce showed more distinct variations in concentrations relative to hearth wood. Higher concentrations of e.g. zinc, calcium and manganese were found in earlywood than in denser latewood. Very high concentrations of iron and copper were also seen for some earlywood increments. The ash content of stem bark is up to and order higher than for the stem wood. However, when the elemental concentration in ashes of bark and wood of the same disc were compared, these are very similar – this when trees are growing at spots with no anthropogenic contamination from the atmosphere. The largest difference was obtained for calcium which appeared at two times high concentrations in ashes of bark than in ashes of the wood (ratio of 2). Pine bark is often used in monitoring of atmospheric pollution, where concentrations in bark samples are compared. Here an alternative approach is suggested: Bark and the underlying stem wood of a pine trees are dry ashed and analysed. The elemental concentration in the bark ash is then compared to the concentration of the same element in the wood ash. Comparing bark to wood includes a normalisation for the varying availability of an element from the soil at different sites. When this comparison is done for the ashes of the materials, a normalisation is also obtained for the general and locally different enrichment of inorganic elements from wood to bark. Already a ratio >2 between the concentration in the bark ash and the concentration in the wood ash could indicate atmospheric pollution. For monitoring where bark is used, this way of “inwards” comparison is suggested - instead of comparing to results from analyses of bark from other trees (read reference areas), growing at sites with different soil and, locally, different climate conditions. This approach also enables evaluation of atmospheric pollution from sampling of only relative few individual trees –preferable during forest felling.

På flykt i eget land : internflyktingar i Sverige under stora nordiska kriget

År 1721 stod bondhustrun Lisbeta Mickelsdotter från Pyhäjoki framför prästen i Piteå socken och redogjorde för sina upplevelser under det hemska året 1714 då ryssarna inföll i Österbotten och alla som bara kunde begav sig på flykt. Lisbeta är bara en av de tiotusentals flyktingar som under det stora nordiska kriget 1700–1721 flydde från såväl Östersjöprovinserna men framför allt från Finland till tryggheten i Sverige. I avhandlingen skildras vilka som flydde, varifrån och vart. Man kan tala om en elitens flykt där ämbetsmän och präster sökte sig västerut enligt de direktiv som Karl XII gett om att civilbefolkningen skulle söka sig bakom den egna armén. Det förekom också en bondeflykt från framför allt Österbotten och Åland. Det här var områden som p.g.a. strategiska skäl förhärjades av ryssarna. För många fanns det inget annat alternativ än att fly, antingen ut i de djupa skogarna eller västerut till Sverige. En delorsak till flykten var den order som Karl XII gett. Ryssarna föregicks av ett rykte som hade sin bakgrund i den propaganda som de svenska myndigheterna i decennier hade bedrivit. Ryssarna sågs som en grym fiende. När ämbetsverk och magistrat började packa ihop sina arkiv för en överflyttning till Sverige skedde det i smyg för att inte förorsaka oro bland den övriga befolkningen. Paniken låg hela tiden på lur och det faktum att myndigheterna gav sig av ledde till, att när ryssarna verkligen plötsligt dök upp i socknen var det många som valde att hals över huvud ge sig iväg. För att hjälpa flyktingarna ekonomiskt samlades det till förmån för flyktingarna kollekt över hela det svenska väldet. I Stockholm tillsatte myndigheterna en flyktingkommission som fick till uppgift att bland flyktingarna fördela de medel som hade samlats in. Huvudprincipen var att ju mer man hade förlorat desto större understöd skulle man få. Det var viktigt att ståndssamhället bevarades. Utanför de grupper som skulle hjälpas lämnades bl.a. köpmän och hantverkare som förväntades kunna fortsätta sin verksamhet i Sverige, gamla och orkeslösa som skulle beredas rum på fattighus samt unga och friska som skulle försörja sig genom arbete. Eftersom det var svårt att finna en försörjning och då många tvingades livnära sig genom att tigga tvingades flyktingkommissionen också ge en slant till personer som enligt kommissionens instruktion skulle lämnas utan hjälp. Det är ändå tveksamt om de små summor det stora flertalet fick egentligen hade någon betydelse för dem. Man kan konstatera att många hade det oerhört svårt under sin tid i Sverige. För mitt arbete har det viktigaste källmaterialet varit de förteckningar som flyktingkommissionen gjorde över vem som fått understöd och hur mycket som utbetalades. Av de här uppgifterna har jag byggt upp en databas med över 13 000 identifierade flyktingar. Jag har utgående från bl.a. uppgiften om identifierade individer kunnat fastställa att antalet finska flyktingar uppgick till åtminstone 30 000 personer, vilket motsvarade närmare en tiondedel av befolkningen i Finland. Efter fredsslutet 1721 återvände de flesta hem. I Österbotten möttes då en del av en överraskning då de fann att någon främmande person hade övertagit deras hemman. Det förekom under slutet av 1710-talet en inflyttning från de österbottniska finskspråkiga inlandssocknarna till de svenskspråkiga kustsocknarna. Det är ändå uppenbart att de finskspråkiga snart assimilerade sig och helt uppgick i den svenskspråkiga majoriteten.