A semi-phenomenological approach to the structure and transport properties of macromolecules in solution

Motiviert durch die Lebenswissenschaften (Life sciences) haben sich Untersuchungen zur Dynamik von Makromolekülen in Lösungen in den vergangenen Jahren zu einem zukunftsweisenden Forschungsgebiet etabliert, dessen Anwendungen von der Biophysik über die physikalische Chemie bis hin zu den Materialwissenschaften reichen. Neben zahlreichen experimentellen Forschungsprogrammen zur räumlichen Struktur und den Transporteigenschaften grosser MolekÄule, wie sie heute praktisch an allen (Synchrotron-) Strahlungsquellen und den Laboren der Biophysik anzutreffen sind, werden gegenwärtig daher auch umfangreiche theoretische Anstrengungen unternommen, um das Diffusionsverhalten von Makromolekülen besser zu erklären. Um neue Wege für eine quantitative Vorhersagen des Translations- und Rotationsverhaltens grosser Moleküle zu erkunden, wurde in dieser Arbeit ein semiphänomenologischer Ansatz verfolgt. Dieser Ansatz erlaubte es, ausgehend von der Hamiltonschen Mechanik des Gesamtsystems 'Molekül + Lösung', eine Mastergleichung für die Phasenraumdichte der Makromoleküle herzuleiten, die den Einfluss der Lösung mittels effektiver Reibungstensoren erfasst. Im Rahmen dieses Ansatzes gelingt es z.B. (i) sowohl den Einfluss der Wechselwirkung zwischen den makromolekularen Gruppen (den sogenannten molekularen beads) und den Lösungsteilchen zu analysieren als auch (ii) die Diffusionseigen schaften für veschiedene thermodynamische Umgebungen zu untersuchen. Ferner gelang es auf der Basis dieser Näherung, die Rotationsbewegung von grossen Molekülen zu beschreiben, die einseitig auf einer Oberfläche festgeheftet sind. Im Vergleich zu den aufwendigen molekulardynamischen (MD) Simulationen grosser Moleküle zeichnet sich die hier dargestellte Methode vor allem durch ihren hohen `Effizienzgewinn' aus, der für komplexe Systeme leicht mehr als fünf Grössenordnungen betragen kann. Dieser Gewinn an Rechenzeit erlaubt bspw. Anwendungen, wie sie mit MD Simulationen wohl auch zukünftig nicht oder nur sehr zögerlich aufgegriffen werden können. Denkbare Anwendungsgebiete dieser Näherung betreffen dabei nicht nur dichte Lösungen, in denen auch die Wechselwirkungen der molekularen beads zu benachbarten Makromolekülen eine Rolle spielt, sondern auch Untersuchungen zu ionischen Flüssigkeiten oder zur Topologie grosser Moleküle.

Transport properties of one-dimensional, disordered two-band systems

We have studied the transport properties of disordered one-dimensional two-band systems. The model includes a narrow d band hybridised with an s band. The Landauer formula was used in the case of a very narrow d band or in the case of short chains. The results were compared with the localisation length of the wavefunctions calculated by the transfer matrix method, which allows the use of very lang chains, and an excellent agreement was obtained.

Relativistic prediction of the ground state of atomic Lawrencium

In contradiction to the prediction of the Periodic Table but in agreement with earlier suggestions by Brewer and Mann, the ground state configuration of atomic Lawrencium (Z = 103) will not be 7s^2 6d^2 D_3/2 but 7s^2 7p ^2p_1/2. The reason for this deviation from normal trends across the Periodic Table are strong relativistic effects on the outermost 7P_l/2 orbital. Multicontiguration Dirac-Fock calculations are reported for Lawrencium and analogous lighter atoms. These calculations include contributions from magnetic and retardation interactions and an estimation of quantum electrodynamic corrections.

Ground state correlation energy of the Be-sequence for Z = 4-20 in MCDF approximation

The ground state (J = 0) electronic correlation energy of the 4-electron Be-sequence is calculated in the Multi-Configuration Dirac-Fock approximation for Z = 4-20. The 4 electrons were distributed over the configurations arising from the 1s, 2s, 2p, 3s, 3p and 3d orbitals. Theoretical values obtained here are in good agreement with experimental correlation energies.

Electronic configuration in the ground state of atomic lawrencium

Self-consistent relativistic Dirac-Hartree-Fock calculations have been made of some lowlying electronic energies for the atoms of all elements in ground-state ds^2 electron configurations. The results indicate that, contrary to some previous estimates, the ground electronic state of atomic Lr could be in either the 5f^14 6d7s^2 or the 5f^14 7p 7s^2 electron configuration. The separation between the lowest energy level of the 5f^14 6d7s^2 configuration and the lowest energy level of the 5f^14 7p7s^2 configuration is estimated to be (0 ± 3) x 10^3 cm^-1 for atomic Lr.

Estimation of the ground state correlation energy for isoelectronic series of 2 to 20 electrons

Correlation energies for all isoelectronic sequences of 2 to 20 electrons and Z = 2 to 25 are obtained by taking differences between theoretical total energies of Dirac-Fock calculations and experimental total energies. These are pure relativistic correlation energies because relativistic and QED effects are already taken care of. The theoretical as well as the experimental values are analysed critically in order to get values as accurate as possible. The correlation energies obtained show an essentially consistent behaviour from Z = 2 to 17. For Z > 17 inconsistencies occur indicating errors in the experimental values which become very large for Z > 25.

Precision laser spectroscopy of the ground state hyperfine splitting of hydrogenlike ^209 Bi^82+

The first direct observation of a hyperfine splitting in the optical regime is reported. The wavelength of the M1 transition between the F = 4 and F = 5 hyperfine levels of the ground state of hydrogenlike ^209 Bi^82+ was measured to be \lamda_0 = 243.87(4) nm by detection of laser induced fluorescence at the heavy-ion storage ring ESR at GSI. In addition, the lifetime of the laser excited F = 5 sublevel was determined to be \tau_0 = 0.351(16) ms. The method can be applied to a number of other nuclei and should allow a novel test of QED corrections in the previously unexplored combination of strong magnetic and electric fields in highly charged ions.

Numerical Feasibility Study for Treated Wastewater Recharge as a Tool to Impede Saltwater Intrusion in the Coastal Aquifer of Gaza – Palestine

The ongoing depletion of the coastal aquifer in the Gaza strip due to groundwater overexploitation has led to the process of seawater intrusion, which is continually becoming a serious problem in Gaza, as the seawater has further invaded into many sections along the coastal shoreline. As a first step to get a hold on the problem, the artificial neural network (ANN)-model has been applied as a new approach and an attractive tool to study and predict groundwater levels without applying physically based hydrologic parameters, and also for the purpose to improve the understanding of complex groundwater systems and which is able to show the effects of hydrologic, meteorological and anthropogenic impacts on the groundwater conditions. Prediction of the future behaviour of the seawater intrusion process in the Gaza aquifer is thus of crucial importance to safeguard the already scarce groundwater resources in the region. In this study the coupled three-dimensional groundwater flow and density-dependent solute transport model SEAWAT, as implemented in Visual MODFLOW, is applied to the Gaza coastal aquifer system to simulate the location and the dynamics of the saltwater–freshwater interface in the aquifer in the time period 2000-2010. A very good agreement between simulated and observed TDS salinities with a correlation coefficient of 0.902 and 0.883 for both steady-state and transient calibration is obtained. After successful calibration of the solute transport model, simulation of future management scenarios for the Gaza aquifer have been carried out, in order to get a more comprehensive view of the effects of the artificial recharge planned in the Gaza strip for some time on forestall, or even to remedy, the presently existing adverse aquifer conditions, namely, low groundwater heads and high salinity by the end of the target simulation period, year 2040. To that avail, numerous management scenarios schemes are examined to maintain the ground water system and to control the salinity distributions within the target period 2011-2040. In the first, pessimistic scenario, it is assumed that pumping from the aquifer continues to increase in the near future to meet the rising water demand, and that there is not further recharge to the aquifer than what is provided by natural precipitation. The second, optimistic scenario assumes that treated surficial wastewater can be used as a source of additional artificial recharge to the aquifer which, in principle, should not only lead to an increased sustainable yield of the latter, but could, in the best of all cases, revert even some of the adverse present-day conditions in the aquifer, i.e., seawater intrusion. This scenario has been done with three different cases which differ by the locations and the extensions of the injection-fields for the treated wastewater. The results obtained with the first (do-nothing) scenario indicate that there will be ongoing negative impacts on the aquifer, such as a higher propensity for strong seawater intrusion into the Gaza aquifer. This scenario illustrates that, compared with 2010 situation of the baseline model, at the end of simulation period, year 2040, the amount of saltwater intrusion into the coastal aquifer will be increased by about 35 %, whereas the salinity will be increased by 34 %. In contrast, all three cases of the second (artificial recharge) scenario group can partly revert the present seawater intrusion. From the water budget point of view, compared with the first (do nothing) scenario, for year 2040, the water added to the aquifer by artificial recharge will reduces the amount of water entering the aquifer by seawater intrusion by 81, 77and 72 %, for the three recharge cases, respectively. Meanwhile, the salinity in the Gaza aquifer will be decreased by 15, 32 and 26% for the three cases, respectively.

Controlling the transport of an ion: classical and quantum mechanical solutions

The accurate transport of an ion over macroscopic distances represents a challenging control problem due to the different length and time scales that enter and the experimental limitations on the controls that need to be accounted for. Here, we investigate the performance of different control techniques for ion transport in state-of-the-art segmented miniaturized ion traps. We employ numerical optimization of classical trajectories and quantum wavepacket propagation as well as analytical solutions derived from invariant based inverse engineering and geometric optimal control. The applicability of each of the control methods depends on the length and time scales of the transport. Our comprehensive set of tools allows us make a number of observations. We find that accurate shuttling can be performed with operation times below the trap oscillation period. The maximum speed is limited by the maximum acceleration that can be exerted on the ion. When using controls obtained from classical dynamics for wavepacket propagation, wavepacket squeezing is the only quantum effect that comes into play for a large range of trapping parameters. We show that this can be corrected by a compensating force derived from invariant based inverse engineering, without a significant increase in the operation time.

Transport magnetischer Partikel durch maßgeschneiderte magnetische Feldlandschaften zur Anwendung in mikrofluidischen Mischprozessen

Die Miniaturisierung von konventioneller Labor- und Analysetechnik nimmt eine zentrale Rolle im Bereich der allgemeinen Lebenswissenschaften und medizinischen Diagnostik ein. Neuartige und preiswerte Technologieplattformen wie Lab-on-a-Chip (LOC) oder Mikrototalanalysesysteme (µTAS) versprechen insbesondere im Bereich der Individualmedizin einen hohen gesellschaftlichen Nutzen zur frühzeitigen und nichtinvasiven Diagnose krankheitsspezifischer Indikatoren. Durch den patientennahen Einsatz preiswerter und verlässlicher Mikrochips auf Basis hoher Qualitätsstandards entfallen kostspielige und zeitintensive Zentrallaboranalysen, was gleichzeitig Chancen für den globalen Einsatz - speziell in Schwellen- und Entwicklungsländern - bietet. Die technischen Herausforderungen bei der Realisierung moderner LOC-Systeme sind in der kontrollierten und verlässlichen Handhabung kleinster Flüssigkeitsmengen sowie deren diagnostischem Nachweis begründet. In diesem Kontext wird der erfolgreichen Integration eines fernsteuerbaren Transports von biokompatiblen, magnetischen Mikro- und Nanopartikeln eine Schlüsselrolle zugesprochen. Die Ursache hierfür liegt in der vielfältigen Einsetzbarkeit, die durch die einzigartigen Materialeigenschaften begründet sind. Diese reichen von der beschleunigten, aktiven Durchmischung mikrofluidischer Substanzvolumina über die Steigerung der molekularen Interaktionsrate in Biosensoren bis hin zur Isolation und Aufreinigung von krankheitsspezifischen Indikatoren. In der Literatur beschriebene Ansätze basieren auf der dynamischen Transformation eines makroskopischen, zeitabhängigen externen Magnetfelds in eine mikroskopisch veränderliche potentielle Energielandschaft oberhalb magnetisch strukturierter Substrate, woraus eine gerichtete und fernsteuerbare Partikelbewegung resultiert. Zentrale Kriterien, wie die theoretische Modellierung und experimentelle Charakterisierung der magnetischen Feldlandschaft in räumlicher Nähe zur Oberfläche der strukturierten Substrate sowie die theoretische Beschreibung der Durchmischungseffekte, wurden jedoch bislang nicht näher beleuchtet, obwohl diese essentiell für ein detailliertes Verständnis der zu Grunde liegenden Mechanismen und folglich für einen Markteintritt zukünftiger Geräte sind. Im Rahmen der vorgestellten Arbeit wurde daher ein neuartiger Ansatz zur erfolgreichen Integration eines Konzepts zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel zur Anwendung in modernen LOC-Systemen unter Verwendung von magnetisch strukturierten Exchange-Bias (EB) Dünnschichtsystemen verfolgt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Verfahren der ionenbe-schussinduzierten magnetischen Strukturierung (IBMP) von EB-Systemen zur Herstellung von maßgeschneiderten magnetischen Feldlandschaften (MFL) oberhalb der Substratoberfläche, deren Stärke und räumlicher Verlauf auf Nano- und Mikrometerlängenskalen gezielt über die Veränderung der Materialparameter des EB-Systems via IBMP eingestellt werden kann, eignet. Im Zuge dessen wurden erstmals moderne, experimentelle Verfahrenstechniken (Raster-Hall-Sonden-Mikroskopie und rastermagnetoresistive Mikroskopie) in Kombination mit einem eigens entwickelten theoretischen Modell eingesetzt, um eine Abbildung der MFL in unterschiedlichen Abstandsbereichen zur Substratoberfläche zu realisieren. Basierend auf der quantitativen Kenntnis der MFL wurde ein neuartiges Konzept zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel entwickelt, bei dem Partikelgeschwindigkeiten im Bereich von 100 µm/s unter Verwendung von externen Magnetfeldstärken im Bereich weniger Millitesla erzielt werden können, ohne den magnetischen Zustand des Substrats zu modifizieren. Wie aus den Untersuchungen hervorgeht, können zudem die Stärke des externen Magnetfelds, die Stärke und der Gradient der MFL, das magnetfeldinduzierte magnetische Moment der Partikel sowie die Größe und der künstlich veränderliche Abstand der Partikel zur Substratoberfläche als zentrale Einflussgrößen zur quantitativen Modifikation der Partikelgeschwindigkeit genutzt werden. Abschließend wurde erfolgreich ein numerisches Simulationsmodell entwickelt, das die quantitative Studie der aktiven Durchmischung auf Basis des vorgestellten Partikeltransportkonzepts von theoretischer Seite ermöglicht, um so gezielt die geometrischen Gegebenheiten der mikrofluidischen Kanalstrukturen auf einem LOC-System für spezifische Anwendungen anzupassen.