VUV-Laserablation von Spinnenseide

Spinnenseide gehört zu den stabilsten bekannten Polymerverbindungen. Spinnfäden können bis auf das Dreifache ihrer ursprünglichen Länge gedehnt werden, bevor sie reißen, und dabei mit rund 160 MJ/m³ mehr als dreimal soviel Energie absorbieren wie die stärkste synthetisch hergestellte Faser Kevlar (50 MJ/m³). Dabei weisen Spinnfäden mit 2 bis 5 Mikrometer nur ein Zehntel des Durchmessers eines menschlichen Haares auf. Das präzise, berührungslose Bearbeiten von Spinnenseide ist für verschiedene technische Anwendungen interessant, insbesondere wenn dabei ihre außergewöhnlichen Eigenschaften erhalten bleiben. Könnten die von Natur aus dünnen Seidenfäden gezielt in ihrem Durchmesser verringert werden, so wären sie unter anderem in der Mikroelektronik einzusetzen. Hier könnten sie als Trägermaterial für eine dünne, elektrisch leitfähige Schicht fungieren. Man erhielte Nanodrähte, die auch in mechanisch besonders belasteten Mikroelektronikbauteilen (MEMS) Verwendung finden könnten. In dieser Arbeit wird die Verwendung der laserinduzierten Ablation zur gezielten Bearbeitung von Haltefäden der Schwarzen Witwe (Latrodectus hesperus) beschrieben. Eingesetzt wurde ein VUV-Excimerlaser vom Typ LPF 205 (Lambda-Physik, Göttingen) mit einer Wellenlänge von 157 nm und einer Pulsdauer von 18 ns. Eine berührungslose Laserbearbeitung bei 157 nm erlaubt einen effizienten und präzisen Abtrag von Material durch Ablation aufgrund der geringen optischen Eindringtiefe von unter 100 nm oberhalb einer Schwellenfluenz (Energie/Fläche) von Φth=29 mJ/cm², ohne dabei das umgebende Material thermisch zu beeinträchtigen. Parallel zur Ablation setzt allerdings eine wellenförmige Oberflächenstrukturierung auf der Faseroberfläche ein, wodurch die mechanische Belastbarkeit der Faser entscheidend geschwächt wird. Die Ursache hierfür liegt im Abbau materialbedingter Spannungsfelder („stress release“) innerhalb einer durch das Laserlicht induzierten dünnen Schmelzschicht. Im Rahmen dieser Arbeit ist es nun gelungen, diese Strukturen durch einen anschließenden Glättungsprozeß zu entfernen. Dabei wird auf der bestrahlten Oberfläche mittels Laserlichts eine glatte Ablation erzielt. Mit feinerer Abstufung dieser Prozeßschritte konnte der Durchmesser des verwendeten Spinnenseidefadens zum Teil um 70 Prozent bis auf ca. 750 nm verringert werden. Durch Zugfestigkeitsexperimente wurde belegt, daß die mechanischen Eigenschaften der so bearbeiteten Spinnenseide weitgehend erhalten bleiben. Die im Rahmen dieser Arbeit angewandte Methode erlaubt somit eine präzise Laserablation von Spinnenseide und ähnlichen hochabsorbierenden Materialien, ohne deren Kernsubstanz in ihrer Beschaffenheit zu verändern.

Sprachentwicklung und Fachlernen im Mechanikunterricht

Die empirische Studie untersucht das Wechselspiel zwischen der fachbezogenen Sprachentwicklung und dem Fachlernen von Schülerinnen und Schülern bei der Einführung in den Kraftbegriff. Sie betrachtet also sowohl sprachliche wie auch kognitive Aspekte des Lernens in der Mechanik. Dafür wurde ein Unterrichtskonzept entwickelt, das den Gebrauch des Fachwortes Kraft in der Wissenschaft und in der alltäglichen Sprache besonders thematisiert. Dieses Unterrichtskonzept basiert auf Empfehlungen und Ergebnissen der Kognitionspsychologie, Linguistik, Philosophie, Sprachlehrforschung und der Didaktiken der Physik und der Fremdsprachen. Im Rahmen des Unterrichts wurden die Schülerinnen und Schüler mit zwei Aufgabentypen konfrontiert: Beim ersten Aufgabentyp waren die Lerner aufgefordert, den Kraftbegriff so zu verwenden, wie es einer fachsprachlich angemessenen Form entspräche, etwa um die Bewegung eines Zuges zu beschreiben. Aufgaben des zweiten Typs sahen vor, dass die Schülerinnen und Schüler kurze Texte danach klassifizierten, ob sie der Alltagssprache oder der Fachsprache angehörten. Diese als Metadiskurs bezeichnete Form der Auseinandersetzung mit sprachlichen Aspekten verhalf den Schülerinnen und Schülern zu einer Gelegenheit, ihr eigenes Verständnis des Kraftbegriffs zu thematisieren. Weiter lieferte der Metadiskurs wichtige Hinweise darauf, ob die Schülerinnen und Schüler sich bei ihren Beurteilungen eher auf formal-sprachliche oder inhaltliche Aspekte der Sprache bezogen. Für die Datenerhebung wurden alle Unterrichtsstunden videografiert und transkribiert. Zusammen mit schriftlichen Arbeitsergebnissen und Tests stand ein umfangreicher Datensatz zur Verfügung, für dessen Auswertung ein inhaltsanalytisches Verfahren Anwendung fand. Die Ergebnisse zeigen, dass das Lernen im Fach Physik bestimmte Ähnlichkeiten mit dem Lernen einer Fremdsprache zeigt: Wenn die Schülerinnen und Schüler den Kraftbegriff fachsprachlich verwenden sollen, sehen sie sich oft einer Alternativentscheidung gegenüber. Entweder sie versuchen, einer fachsprachlichen Form zu gehorchen und verlieren dabei den Inhalt aus den Augen, oder sie konzentrieren sich auf den Inhalt, drücken sich dabei aber in ihrer Alltagssprache aus und folgen Alltagskonzepten, die weit entfernt von den fachlich intendierten liegen. Ähnliche Beobachtungen kann man im Sprachunterricht machen, wenn Schüler eine neue grammatische Regel einüben: Sie konzentrieren sich entweder auf die neu zu erlernende Regel, oder aber auf den Inhalt des Gesagten, wobei sie die grammatische Regel, die an sich Gegenstand der Übung ist, verletzen. Meistens fällt diese Entscheidung derart, dass die Konzentration auf den Inhalt des Gesagten gerichtet ist, nicht oder wenig auf seine Form. Im Unterschied zum Sprachunterricht ist der Physikunterricht allerdings nicht nur darauf gerichtet, fachsprachlich angemessene Formen einzuüben, sondern insbesondere darauf, den Blick für neue und ungewohnte Konzepte zu öffnen. Damit müssen die Schülerinnen und Schüler hier häufig sprachliche und kognitive Hürden zur selben Zeit bewältigen. Die detaillierte Analyse des Metadiskurses zeigt, dass das Problem des Nebeneinanders zweier unterschiedlicher Anforderung entschäft werden kann: Während die Schüler im Metadiskurs unterschiedliche Aspekte der Sprache diskutieren, sind sie eher in der Lage, sowohl formale wie inhaltsbezogene Merkmale der Sprache wahrzunehmen. Der Text referiert weitere Parallelen zwischen dem Physikunterricht und dem Fremdsprachenlernen, sodass die Auffassung gerechtfertigt ist, dass die Fremdsprachendidaktik als Ideenlieferantin dafür dienen kann, neue Verbesserungsmöglichkeiten für den Physikunterricht aufzufinden.

Theoretical study of magnetism, structure and chemical order in transition-metal alloy clusters

Research on transition-metal nanoalloy clusters composed of a few atoms is fascinating by their unusual properties due to the interplay among the structure, chemical order and magnetism. Such nanoalloy clusters, can be used to construct nanometer devices for technological applications by manipulating their remarkable magnetic, chemical and optical properties. Determining the nanoscopic features exhibited by the magnetic alloy clusters signifies the need for a systematic global and local exploration of their potential-energy surface in order to identify all the relevant energetically low-lying magnetic isomers. In this thesis the sampling of the potential-energy surface has been performed by employing the state-of-the-art spin-polarized density-functional theory in combination with graph theory and the basin-hopping global optimization techniques. This combination is vital for a quantitative analysis of the quantum mechanical energetics. The first approach, i.e., spin-polarized density-functional theory together with the graph theory method, is applied to study the Fe$_m$Rh$_n$ and Co$_m$Pd$_n$ clusters having $N = m+n \leq 8$ atoms. We carried out a thorough and systematic sampling of the potential-energy surface by taking into account all possible initial cluster topologies, all different distributions of the two kinds of atoms within the cluster, the entire concentration range between the pure limits, and different initial magnetic configurations such as ferro- and anti-ferromagnetic coupling. The remarkable magnetic properties shown by FeRh and CoPd nanoclusters are attributed to the extremely reduced coordination number together with the charge transfer from 3$d$ to 4$d$ elements. The second approach, i.e., spin-polarized density-functional theory together with the basin-hopping method is applied to study the small Fe$_6$, Fe$_3$Rh$_3$ and Rh$_6$ and the larger Fe$_{13}$, Fe$_6$Rh$_7$ and Rh$_{13}$ clusters as illustrative benchmark systems. This method is able to identify the true ground-state structures of Fe$_6$ and Fe$_3$Rh$_3$ which were not obtained by using the first approach. However, both approaches predict a similar cluster for the ground-state of Rh$_6$. Moreover, the computational time taken by this approach is found to be significantly lower than the first approach. The ground-state structure of Fe$_{13}$ cluster is found to be an icosahedral structure, whereas Rh$_{13}$ and Fe$_6$Rh$_7$ isomers relax into cage-like and layered-like structures, respectively. All the clusters display a remarkable variety of structural and magnetic behaviors. It is observed that the isomers having similar shape with small distortion with respect to each other can exhibit quite different magnetic moments. This has been interpreted as a probable artifact of spin-rotational symmetry breaking introduced by the spin-polarized GGA. The possibility of combining the spin-polarized density-functional theory with some other global optimization techniques such as minima-hopping method could be the next step in this direction. This combination is expected to be an ideal sampling approach having the advantage of avoiding efficiently the search over irrelevant regions of the potential energy surface.

Double burden malnutrition of preschool children and its association with brain development and milk consumption

Protecting the quality of children growth and development becomes a supreme qualification for the betterment of a nation. Double burden child malnutrition is emerging worldwide which might have a strong influence to the quality of child brain development and could not be paid-off on later life. Milk places a notable portion during the infancy and childhood. Thus, the deep insight on milk consumption pattern might explain the phenomenon of double burden child malnutrition correlated to the cognitive impairments. Objective: Current study is intended (1) to examine the current face of Indonesian double burden child malnutrition: a case study in Bogor, West Java, Indonesia, (2) to investigate the association of this phenomenon with child brain development, and (3) to examine the contribution of socioeconomic status and milk consumption on this phenomenon so that able to formulate some possible solutions to encounter this problem. Design: A cross-sectional study using a structured coded questionnaire was conducted among 387 children age 5-6 years old and their parents from 8 areas in Bogor, West-Java, Indonesia on November 2012 to December 2013, to record some socioeconomic status, anthropometric measurements, and history of breast feeding. Diet and probability of milk intake was assessed by two 24 h dietary recalls and food frequency questionnaire (FFQ). Usual daily milk intake was calculated using Multiple Source Method (MSM). Some brain development indicators (IQ, EQ, learning, and memory ability) using Projective Multi-phase Orientation method was also executed to learn the correlation between double burden child malnutrition and some brain development indicator. Results and conclusions: A small picture of child double burden malnutrition is shown in Bogor, West Java, Indonesia, where prevalence of Severe Acute Malnutrition (SAM) is 27.1%, Moderate Acute Malnutrition (MAM) is 24.9%, and overnutrition is 7.7%. This phenomenon proves to impair the child brain development. The malnourished children, both under- and over- nourished children have significantly (P-value<0.05) lower memory ability compared to the normal children (memory score, N; SAM = 45.2, 60; MAM = 48.5, 61; overweight = 48.4, 43; obesity = 47.9, 60; normal = 52.4, 163). The plausible reasons behind these evidences are the lack of nutrient intake during the sprout growth period on undernourished children or increasing adiposity on overnourished children might influence the growth of hippocampus area which responsible to the memory ability. Either undernutrition or overnutrition, the preventive action on this problem is preferable to avoid ongoing cognitive performance loss of the next generation. Some possible solutions for this phenomenon are promoting breast feeding initiation and exclusive breast feeding practices for infants, supporting the consumption of a normal portion of milk (250 to 500 ml per day) for children, and breaking the chain of poverty by socioeconomic improvement. And, the national food security becomes the fundamental point for the betterment of the next. In the global context, the causes of under- and over- nutrition have to be opposed through integrated and systemic approaches for a better quality of the next generation of human beings.