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.

Polarisation von Licht im Physikunterricht : ein Elementarisierungsansatz zur Einführung in quantenphysikalische Begriffe und Prinzipien

In der vorliegenden Arbeit wird ein Unterrichtskonzept für die gymnasiale Oberstufe beschrieben, das anhand der Polarisationseigenschaft des Lichts von der Beobachtung ausgehend einen Zugang zur Quantenphysik ermöglicht. Die Unterrichtsinhalte bauen so aufeinander auf, dass ein "harter Bruch" zwischen der klassischen und der quantenphysikalischen Beschreibung von Licht vermieden wird. Das methodische Vorgehen des Unterrichtskonzeptes führt vom Phänomen ausgehend zu quantitativen Experimenten hin zu einer Einführung in quantenphysikalische Begriffe und Prinzipien. Dabei bildet der elektrische Feldvektor die Verknüpfung zwischen der klassischen und der quantenphysi-kalischen Beschreibung der Polarisationsexperimente, in dem er zunächst die Polarisationsexperimente beschreibt und im weiteren Verlauf des Unterrichtsganges als Wahrscheinlichkeitsamplitude gedeutet wird. Die Polarisation von Licht wird zu Beginn des Unterrichtsganges im Rahmen eines fächerübergreifenden Kontextes eingeführt, wobei die Navigation der Insekten nach dem polarisierten Himmelslicht als Einstieg dient. Die Erzeugung und die Eigen-schaften von polarisiertem Licht werden anhand von einfachen qualitativen Schüler- und Demonstrationsexperimenten mit Polarisationsfolien erarbeitet. Das Polarisationsphänomen der Haidinger-Büschel, das bei der Beobachtung von polarisiertem Licht wahrgenommen werden kann, ermöglicht eine Anbindung an das eigene Erleben der Schülerinnen und Schüler. Zur Erklärung dieser Experimente auf der Modellebene wird der elektrische Feldvektor und dessen Komponentenzerlegung benutzt. Im weiteren Verlauf des Unterrichtsganges wird die Komponentenzerlegung des elektrischen Feldvektors für eine quantitative Beschreibung der Polarisationsexperimente wieder aufgegriffen. In Experimenten mit Polarisationsfiltern wird durch Intensitätsmessungen das Malussche Gesetz und der quadratische Zusammenhang zwischen Intensität und elektrischem Feldvektor erarbeitet. Als Abschluss der klassischen Polarisationsexperimente wird das Verhalten von polarisiertem Licht bei Überlagerung in einem Michelson-Interferometer untersucht. Das in Abhängigkeit der Polarisationsrichtungen entstehende Interferenzmuster wird wiederum mit Hilfe der Komponentenzerlegung des elektrischen Feldvektors beschrieben und führt zum Superpositionsprinzip der elektrischen Feldvektoren. Beim Übergang zur Quantenphysik werden die bereits durchgeführten Polarisationsexperimente als Gedankenexperimente in der Photonenvorstellung gedeutet. Zur Beschreibung der Polarisation von Photonen wird der Begriff des Zustandes eingeführt, der durch die Wechselwirkung der Photonen mit dem Polarisationsfilter erzeugt wird. Das Malussche Gesetz wird in der Teilchenvorstellung wieder aufgegriffen und führt mit Hilfe der statistischen Deutung zum Begriff der Wahrscheinlichkeit. Bei der Beschreibung von Interferenzexperimenten mit einzelnen Photonen wird die Notwendigkeit eines Analogons zum elektrischen Feldvektor deutlich. Diese Betrachtungen führen zum Begriff der Wahrscheinlichkeitsamplitude und zum Superpositionsprinzip der Wahrscheinlichkeitsamplituden. Zum Abschluss des Unterrichtsganges wird anhand des Lokalisationsproblems einzelner Photonen das Fundamentalprinzip der Quantenphysik erarbeitet.

Profile simulations of gas chopping etching processes : model development and comparison with experiments

The progress in microsystem technology or nano technology places extended requirements to the fabrication processes. The trend is moving towards structuring within the nanometer scale on the one hand, and towards fabrication of structures with high aspect ratio (ratio of vertical vs. lateral dimensions) and large depths in the 100 µm scale on the other hand. Current procedures for the microstructuring of silicon are wet chemical etching and dry or plasma etching. A modern plasma etching technique for the structuring of silicon is the so-called "gas chopping" etching technique (also called "time-multiplexed etching"). In this etching technique, passivation cycles, which prevent lateral underetching of sidewalls, and etching cycles, which etch preferably in the vertical direction because of the sidewall passivation, are constantly alternated during the complete etching process. To do this, a CHF3/CH4 plasma, which generates CF monomeres is employed during the passivation cycle, and a SF6/Ar, which generates fluorine radicals and ions plasma is employed during the etching cycle. Depending on the requirements on the etched profile, the durations of the individual passivation and etching cycles are in the range of a few seconds up to several minutes. The profiles achieved with this etching process crucially depend on the flow of reactants, i.e. CF monomeres during the passivation cycle, and ions and fluorine radicals during the etching cycle, to the bottom of the profile, especially for profiles with high aspect ratio. With regard to the predictability of the etching processes, knowledge of the fundamental effects taking place during a gas chopping etching process, and their impact onto the resulting profile is required. For this purpose in the context of this work, a model for the description of the profile evolution of such etching processes is proposed, which considers the reactions (etching or deposition) at the sample surface on a phenomenological basis. Furthermore, the reactant transport inside the etching trench is modelled, based on angular distribution functions and on absorption probabilities at the sidewalls and bottom of the trench. A comparison of the simulated profiles with corresponding experimental profiles reveals that the proposed model reproduces the experimental profiles, if the angular distribution functions and absorption probabilities employed in the model is in agreement with data found in the literature. Therefor the model developed in the context of this work is an adequate description of the effects taking place during a gas chopping plasma etching process.

Model calculations on the influence of quantum electrodynamical effects on the chemistry of superheavy elements.

Using a phenomenological model, the influence of quantum electrodynamical effects on the prediction of the chemical behavior of superheavy elements within a relativistic Dirac-Slater calculation was investigated. This influence will be small and nondetectable for elements up to Z = 114. For elements near Z = 164 some changes in the ground state configurations occur but the chemical behavior will not change. Using this heuristic model, it is also possible to calculate elements beyond Z = 175. As an example we have chosen element E184 and are now able to make more valid speculations about the chemical behavior of the element than Penneman and co-workers could.

Empathie in der Psychotherapie aus neuer Perspektive

Die traditionellen Empathiekonzepte (z. B. Rogers, Kohut), die in der Psychotherapie bis heute maßgebend sind, werden einer gründlichen Überprüfung unterzogen. Dabei ergeben sich drei wesentliche Kritikpunkte: (1) Empathische Vorgänge in der Psychotherapie werden als einseitige Prozesse verstanden; der Therapeut fühlt sich in die Klientin ein, nicht auch umgekehrt. (2) Empathie wird in Cartesianischer Tradition schwerpunktmäßig als kognitive Leistung gesehen; ein körperloser Geist vergegenwärtigt sich die mentalen Inhalte eines anderen. (3) Das traditionelle Empathieverständnis ist individualistisch: Therapeutin und Klient halten sich demnach scheinbar im luftleeren Raum auf. Es sieht so aus, als existiere kein Kontext, der sie umgibt. So einseitig, wie ihre Beziehung gedacht wird, so abgetrennt, wie ihr Körper von ihrem Geist zu sein scheint, so unverbunden sind sie scheinbar mit dem Rest der Welt. Aus diesen drei Kritikpunkten folgt die Notwendigkeit, den Empathiebegriff der Psychotherapie zu erweitern, d. h. (a) Empathie als gegenseitigen Prozess der Beteiligten zu begreifen, (b) ihre tiefe Verwurzelung in der Leiblichkeit des Menschen zu berücksichtigen und (c) ihre Einbettung in die Dynamiken einer gemeinsamen Situation im Rahmen eines kulturellen Kontextes einzubeziehen. Mit Rückgriff auf neuere Untersuchungsergebnisse aus der Entwicklungspsychologie (z. B. Emde, Hobson, Meltzoff, Stern, Trevarthen), der Sozial- und Emotionspsychologie (z. B. Chartrand, Ekman, Goleman, Hatfield, Holodynski), der sozialen Neurowissenschaften (z. B. Damasio, Gallese, Iacoboni, LeDoux, Rizzolatti), aber auch mit Hilfe der Erkenntnisse aus der klassischen (Husserl, Merleau- Ponty, Edith Stein) und der Neuen Phänomenologie (Schmitz) sowie aus symbolischem Interaktionismus (Mead) und aus der kulturhistorischen Schule (Vygotskij) werden diese drei bislang wenig beleuchteten Dimensionen der Empathie betrachtet. ad a) Die Gegenseitigkeit empathischer Vorgänge in der Psychotherapie wird anhand des entwicklungspsychologischen Konzepts des social referencing erläutert und untersucht: Kleinkinder, die in eine unbekannte bzw. unsichere Situation geraten (z. B. im Experiment mit der "visuellen Klippe"), orientieren sich an den nonverbalen Signalen ihrer Bezugspersonen, um diese Situation zu bewältigen. Dabei erfasst die Mutter die Situation des Kindes, versucht ihm ihre Stellungnahme zu seiner Situation zu übermitteln, und das Kind begreift die Reaktion der Mutter als Stellungnahme zu seiner Situation. ad b) Die Körperlichkeit bzw. Leiblichkeit der Einfühlung manifestiert sich in vielfältigen Formen, wie sie von der Psychologie, der Phänomenologie und den Neurowissenschaften erforscht werden. Das kulturübergreifende Erkennen des Gesichtsausdrucks von Basisemotionen ist hier ebenso zu nennen wie die Verhaltensweisen des motor mimicry, bei dem Menschen Körperhaltungen und – bewegungen ihrer Bezugspersonen unwillkürlich imitieren; des Weiteren das unmittelbare Verstehen von Gesten sowie die Phänomene der „Einleibung“, bei denen die körperliche Situation des Anderen (z. B. eines stürzenden Radfahrers, den man beobachtet) am eigenen Leib mitgefühlt wird; und außerdem die Entdeckung der „Spiegelneurone“ und anderer neuronaler Strukturen, durch die Wahrgenommenes direkt in analoge motorische Aktivität übersetzt wird. ad c) Intersubjektivitätstheoretische Überlegungen, Konzepte wie „dyadisch erweiterter Bewusstseinszustand“ (Tronick) und „gemeinsame Situation“ (Gurwitsch, Schmitz) verweisen auf die Bedeutung überindividueller, ‚emergenter’ Dimensionen, die für die Verständigung zwischen Menschen wichtig sind. Sie folgen gestaltpsychologischen Prinzipien („Das Ganze ist mehr und anders als die Summe seiner Teile.“), die mit Hilfe von Gadamers Begriff des „Spiels“ analysiert werden. Am Ende der Arbeit stehen die Definition eines neuen Empathiebegriffs, wie er sich aus den vorangegangenen Überlegungen ergibt, sowie eine These über die psychotherapeutische Wirkweise menschlicher Einfühlung, die durch weitere Forschungen zu überprüfen wäre.

Atomistic-continuum modeling of ultrafast laser-induced melting of silicon targets

In this work, we present an atomistic-continuum model for simulations of ultrafast laser-induced melting processes in semiconductors on the example of silicon. The kinetics of transient non-equilibrium phase transition mechanisms is addressed with MD method on the atomic level, whereas the laser light absorption, strong generated electron-phonon nonequilibrium, fast heat conduction, and photo-excited free carrier diffusion are accounted for with a continuum TTM-like model (called nTTM). First, we independently consider the applications of nTTM and MD for the description of silicon, and then construct the combined MD-nTTM model. Its development and thorough testing is followed by a comprehensive computational study of fast nonequilibrium processes induced in silicon by an ultrashort laser irradiation. The new model allowed to investigate the effect of laser-induced pressure and temperature of the lattice on the melting kinetics. Two competing melting mechanisms, heterogeneous and homogeneous, were identified in our big-scale simulations. Apart from the classical heterogeneous melting mechanism, the nucleation of the liquid phase homogeneously inside the material significantly contributes to the melting process. The simulations showed, that due to the open diamond structure of the crystal, the laser-generated internal compressive stresses reduce the crystal stability against the homogeneous melting. Consequently, the latter can take a massive character within several picoseconds upon the laser heating. Due to the large negative volume of melting of silicon, the material contracts upon the phase transition, relaxes the compressive stresses, and the subsequent melting proceeds heterogeneously until the excess of thermal energy is consumed. A series of simulations for a range of absorbed fluences allowed us to find the threshold fluence value at which homogeneous liquid nucleation starts contributing to the classical heterogeneous propagation of the solid-liquid interface. A series of simulations for a range of the material thicknesses showed that the sample width we chosen in our simulations (800 nm) corresponds to a thick sample. Additionally, in order to support the main conclusions, the results were verified for a different interatomic potential. Possible improvements of the model to account for nonthermal effects are discussed and certain restrictions on the suitable interatomic potentials are found. As a first step towards the inclusion of these effects into MD-nTTM, we performed nanometer-scale MD simulations with a new interatomic potential, designed to reproduce ab initio calculations at the laser-induced electronic temperature of 18946 K. The simulations demonstrated that, similarly to thermal melting, nonthermal phase transition occurs through nucleation. A series of simulations showed that higher (lower) initial pressure reinforces (hinders) the creation and the growth of nonthermal liquid nuclei. For the example of Si, the laser melting kinetics of semiconductors was found to be noticeably different from that of metals with a face-centered cubic crystal structure. The results of this study, therefore, have important implications for interpretation of experimental data on the kinetics of melting process of semiconductors.