Development of empirical potentials for amorphous silica

Development of empirical potentials for amorphous silica Amorphous silica (SiO2) is of great importance in geoscience and mineralogy as well as a raw material in glass industry. Its structure is characterized as a disordered continuous network of SiO4 tetrahedra. Many efforts have been undertaken to understand the microscopic properties of silica by classical molecular dynamics (MD) simulations. In this method the interatomic interactions are modeled by an effective potential that does not take explicitely into account the electronic degrees of freedom. In this work, we propose a new methodology to parameterize such a potential for silica using ab initio simulations, namely Car-Parrinello (CP) method [Phys. Rev. Lett. 55, 2471 (1985)]. The new potential proposed is compared to the BKS potential [Phys. Rev. Lett. 64, 1955 (1990)] that is considered as the benchmark potential for silica. First, CP simulations have been performed on a liquid silica sample at 3600 K. The structural features so obtained have been compared to the ones predicted by the classical BKS potential. Regarding the bond lengths the BKS tends to underestimate the Si-O bond whereas the Si-Si bond is overestimated. The inter-tetrahedral angular distribution functions are also not well described by the BKS potential. The corresponding mean value of theSiOSi angle is found to be ≃ 147◦, while the CP yields to aSiOSi angle centered around 135◦. Our aim is to fit a classical Born-Mayer/Coulomb pair potential using ab initio calculations. To this end, we use the force-matching method proposed by Ercolessi and Adams [Europhys. Lett. 26, 583 (1994)]. The CP configurations and their corresponding interatomic forces have been considered for a least square fitting procedure. The classical MD simulations with the resulting potential have lead to a structure that is very different from the CP one. Therefore, a different fitting criterion based on the CP partial pair correlation functions was applied. Using this approach the resulting potential shows a better agreement with the CP data than the BKS ones: pair correlation functions, angular distribution functions, structure factors, density of states and pressure/density were improved. At low temperature, the diffusion coefficients appear to be three times higher than those predicted by the BKS model, however showing a similar temperature dependence. Calculations have also been carried out on crystalline samples in order to check the transferability of the potential. The equilibrium geometry as well as the elastic constants of α-quartz at 0 K are well described by our new potential although the crystalline phases have not been considered for the parameterization. We have developed a new potential for silica which represents an improvement over the pair potentials class proposed so far. Furthermore, the fitting methodology that has been developed in this work can be applied to other network forming systems such as germania as well as mixtures of SiO2 with other oxides (e.g. Al2O3, K2O, Na2O).

Reinforcement Lernen mit Regularisierungsnetzwerken

Die Arbeit behandelt das Problem der Skalierbarkeit von Reinforcement Lernen auf hochdimensionale und komplexe Aufgabenstellungen. Unter Reinforcement Lernen versteht man dabei eine auf approximativem Dynamischen Programmieren basierende Klasse von Lernverfahren, die speziell Anwendung in der Künstlichen Intelligenz findet und zur autonomen Steuerung simulierter Agenten oder realer Hardwareroboter in dynamischen und unwägbaren Umwelten genutzt werden kann. Dazu wird mittels Regression aus Stichproben eine Funktion bestimmt, die die Lösung einer "Optimalitätsgleichung" (Bellman) ist und aus der sich näherungsweise optimale Entscheidungen ableiten lassen. Eine große Hürde stellt dabei die Dimensionalität des Zustandsraums dar, die häufig hoch und daher traditionellen gitterbasierten Approximationsverfahren wenig zugänglich ist. Das Ziel dieser Arbeit ist es, Reinforcement Lernen durch nichtparametrisierte Funktionsapproximation (genauer, Regularisierungsnetze) auf -- im Prinzip beliebig -- hochdimensionale Probleme anwendbar zu machen. Regularisierungsnetze sind eine Verallgemeinerung von gewöhnlichen Basisfunktionsnetzen, die die gesuchte Lösung durch die Daten parametrisieren, wodurch die explizite Wahl von Knoten/Basisfunktionen entfällt und so bei hochdimensionalen Eingaben der "Fluch der Dimension" umgangen werden kann. Gleichzeitig sind Regularisierungsnetze aber auch lineare Approximatoren, die technisch einfach handhabbar sind und für die die bestehenden Konvergenzaussagen von Reinforcement Lernen Gültigkeit behalten (anders als etwa bei Feed-Forward Neuronalen Netzen). Allen diesen theoretischen Vorteilen gegenüber steht allerdings ein sehr praktisches Problem: der Rechenaufwand bei der Verwendung von Regularisierungsnetzen skaliert von Natur aus wie O(n**3), wobei n die Anzahl der Daten ist. Das ist besonders deswegen problematisch, weil bei Reinforcement Lernen der Lernprozeß online erfolgt -- die Stichproben werden von einem Agenten/Roboter erzeugt, während er mit der Umwelt interagiert. Anpassungen an der Lösung müssen daher sofort und mit wenig Rechenaufwand vorgenommen werden. Der Beitrag dieser Arbeit gliedert sich daher in zwei Teile: Im ersten Teil der Arbeit formulieren wir für Regularisierungsnetze einen effizienten Lernalgorithmus zum Lösen allgemeiner Regressionsaufgaben, der speziell auf die Anforderungen von Online-Lernen zugeschnitten ist. Unser Ansatz basiert auf der Vorgehensweise von Recursive Least-Squares, kann aber mit konstantem Zeitaufwand nicht nur neue Daten sondern auch neue Basisfunktionen in das bestehende Modell einfügen. Ermöglicht wird das durch die "Subset of Regressors" Approximation, wodurch der Kern durch eine stark reduzierte Auswahl von Trainingsdaten approximiert wird, und einer gierigen Auswahlwahlprozedur, die diese Basiselemente direkt aus dem Datenstrom zur Laufzeit selektiert. Im zweiten Teil übertragen wir diesen Algorithmus auf approximative Politik-Evaluation mittels Least-Squares basiertem Temporal-Difference Lernen, und integrieren diesen Baustein in ein Gesamtsystem zum autonomen Lernen von optimalem Verhalten. Insgesamt entwickeln wir ein in hohem Maße dateneffizientes Verfahren, das insbesondere für Lernprobleme aus der Robotik mit kontinuierlichen und hochdimensionalen Zustandsräumen sowie stochastischen Zustandsübergängen geeignet ist. Dabei sind wir nicht auf ein Modell der Umwelt angewiesen, arbeiten weitestgehend unabhängig von der Dimension des Zustandsraums, erzielen Konvergenz bereits mit relativ wenigen Agent-Umwelt Interaktionen, und können dank des effizienten Online-Algorithmus auch im Kontext zeitkritischer Echtzeitanwendungen operieren. Wir demonstrieren die Leistungsfähigkeit unseres Ansatzes anhand von zwei realistischen und komplexen Anwendungsbeispielen: dem Problem RoboCup-Keepaway, sowie der Steuerung eines (simulierten) Oktopus-Tentakels.

Large-scale coupled-cluster calculations

Coupled-cluster theory provides one of the most successful concepts in electronic-structure theory. This work covers the parallelization of coupled-cluster energies, gradients, and second derivatives and its application to selected large-scale chemical problems, beside the more practical aspects such as the publication and support of the quantum-chemistry package ACES II MAB and the design and development of a computational environment optimized for coupled-cluster calculations. The main objective of this thesis was to extend the range of applicability of coupled-cluster models to larger molecular systems and their properties and therefore to bring large-scale coupled-cluster calculations into day-to-day routine of computational chemistry. A straightforward strategy for the parallelization of CCSD and CCSD(T) energies, gradients, and second derivatives has been outlined and implemented for closed-shell and open-shell references. Starting from the highly efficient serial implementation of the ACES II MAB computer code an adaptation for affordable workstation clusters has been obtained by parallelizing the most time-consuming steps of the algorithms. Benchmark calculations for systems with up to 1300 basis functions and the presented applications show that the resulting algorithm for energies, gradients and second derivatives at the CCSD and CCSD(T) level of theory exhibits good scaling with the number of processors and substantially extends the range of applicability. Within the framework of the ’High accuracy Extrapolated Ab initio Thermochemistry’ (HEAT) protocols effects of increased basis-set size and higher excitations in the coupled- cluster expansion were investigated. The HEAT scheme was generalized for molecules containing second-row atoms in the case of vinyl chloride. This allowed the different experimental reported values to be discriminated. In the case of the benzene molecule it was shown that even for molecules of this size chemical accuracy can be achieved. Near-quantitative agreement with experiment (about 2 ppm deviation) for the prediction of fluorine-19 nuclear magnetic shielding constants can be achieved by employing the CCSD(T) model together with large basis sets at accurate equilibrium geometries if vibrational averaging and temperature corrections via second-order vibrational perturbation theory are considered. Applying a very similar level of theory for the calculation of the carbon-13 NMR chemical shifts of benzene resulted in quantitative agreement with experimental gas-phase data. The NMR chemical shift study for the bridgehead 1-adamantyl cation at the CCSD(T) level resolved earlier discrepancies of lower-level theoretical treatment. The equilibrium structure of diacetylene has been determined based on the combination of experimental rotational constants of thirteen isotopic species and zero-point vibrational corrections calculated at various quantum-chemical levels. These empirical equilibrium structures agree to within 0.1 pm irrespective of the theoretical level employed. High-level quantum-chemical calculations on the hyperfine structure parameters of the cyanopolyynes were found to be in excellent agreement with experiment. Finally, the theoretically most accurate determination of the molecular equilibrium structure of ferrocene to date is presented.

Investigation of the dipole response of nickel isotopes in the presence of a high-frequency electromagnetic field

The electric dipole response of neutron-rich nickel isotopes has been investigated using the LAND setup at GSI in Darmstadt (Germany). Relativistic secondary beams of 56−57Ni and 67−72Ni at approximately 500 AMeV have been generated using projectile fragmentation of stable ions on a 4 g/cm2 Be target and subsequent separation in the magnetic dipole fields of the FRagment Separator (FRS). After reaching the LAND setup in Cave C, the radioactive ions were excited electromagnetically in the electric field of a Pb target. The decay products have been measured in inverse kinematics using various detectors. Neutron-rich 67−69Ni isotopes decay by the emission of neutrons, which are detected in the LAND detector. The present analysis concentrates on the (gamma,n) and (gamma,2n) channels in these nuclei, since the proton and three-neutron thresholds are unlikely to be reached considering the virtual photon spectrum for nickel ions at 500 AMeV. A measurement of the stable 58Ni isotope is used as a benchmark to check the accuracy of the present results with previously published data. The measured (gamma,n) and (gamma,np) channels are compared with an inclusive photoneutron measurement by Fultz and coworkers, which are consistent within the respective errors. The measured excitation energy distributions of 67−69Ni contain a large portion of the Giant Dipole Resonance (GDR) strength predicted by the Thomas-Reiche-Kuhn energy-weighted sum rule, as well as a significant amount of low-lying E1 strength, that cannot be attributed to the GDR alone. The GDR distribution parameters are calculated using well-established semi-empirical systematic models, providing the peak energies and widths. The GDR strength is extracted from the chi-square minimization of the model GDR to the measured data of the (gamma,2n) channel, thereby excluding any influence of eventual low-lying strength. The subtraction of the obtained GDR distribution from the total measured E1 strength provides the low-lying E1 strength distribution, which is attributed to the Pygmy Dipole Resonance (PDR). The extraction of the peak energy, width and strength is performed using a Gaussian function. The minimization of trial Gaussian distributions to the data does not converge towards a sharp minimum. Therefore, the results are presented by a chi-square distribution as a function of all three Gaussian parameters. Various predictions of PDR distributions exist, as well as a recent measurement of the 68Ni pygmy dipole-resonance obtained by virtual photon scattering, to which the present pygmy dipole-resonance distribution is also compared.

Supernova neutrinos in AMANDA and IceCube - Monte Carlo development and data analysis

Supernovae are among the most energetic events occurring in the universe and are so far the only verified extrasolar source of neutrinos. As the explosion mechanism is still not well understood, recording a burst of neutrinos from such a stellar explosion would be an important benchmark for particle physics as well as for the core collapse models. The neutrino telescope IceCube is located at the Geographic South Pole and monitors the antarctic glacier for Cherenkov photons. Even though it was conceived for the detection of high energy neutrinos, it is capable of identifying a burst of low energy neutrinos ejected from a supernova in the Milky Way by exploiting the low photomultiplier noise in the antarctic ice and extracting a collective rate increase. A signal Monte Carlo specifically developed for water Cherenkov telescopes is presented. With its help, we will investigate how well IceCube can distinguish between core collapse models and oscillation scenarios. In the second part, nine years of data taken with the IceCube precursor AMANDA will be analyzed. Intensive data cleaning methods will be presented along with a background simulation. From the result, an upper limit on the expected occurrence of supernovae within the Milky Way will be determined.

Time-resolved surface enhanced resonance Raman spectro-electrochemistry of heme proteins

The membrane protein Cytochrome c Oxidase (CcO) is one of the most important functional bio-molecules. It appears in almost every eukaryotic cell and many bacteria. Although the different species differ in the number of subunits, the functional differences are merely marginal. CcO is the terminal link in the electron transfer pathway of the mitochondrial respiratory chain. Electrons transferred to the catalytic center of the enzyme conduce to the reduction of molecular oxygen to water. Oxygen reduction is coupled to the pumping of protons into the inter-membrane space and hence generates a difference in electrochemical potential of protons across the inner mitochondrial membrane. This potential difference drives the synthesis of adenosine triphosphate (ATP), which is the universal energy carrier within all biological cells. rnrnThe goal of the present work is to contribute to a better understanding of the functional mechanism of CcO by using time-resolved surface enhanced resonance Raman spectroscopy (TR-SERRS). Despite intensive research effort within the last decades, the functional mechanism of CcO is still subject to controversial discussions. It was the primary goal of this dissertation to initiate electron transfer to the redox centers CuA, heme a, heme a3 and CuB electrochemically and to observe the corresponding redox transitions in-situ with a focus on the two heme structures by using SERRS. A measuring cell was developed, which allowed combination of electrochemical excitation with Raman spectroscopy for the purpose of performing the accordant measurements. Cytochrome c was used as a benchmark system to test the new measuring cell and to prove the feasibility of appropriate Raman measurements. In contrast to CcO the heme protein cc contains only a single heme structure. Nevertheless, characteristic Raman bands of the hemes can be observed for both proteins.rnrnIn order to investigate CcO it was immobilized on top of a silver substrate and embedded into an artificial membrane. The catalytic activity of CcO and therefore the complete functional capability of the enzyme within the biomimetic membrane architecture was verified using cyclic voltammetry. Raman spectroscopy was performed using a special nano-structured silver surface, which was developed within the scope of the present work. This new substrate combined two fundamental properties. It facilitated the formation of a protein tethered bilayer lipid membrane (ptBLM) and it allowed obtaining Raman spectra with sufficient high signal-to-noise ratios.rnSpectro-electrochemical investigations showed that at open circuit potential the enzyme exists in a mixed-valence state, with heme a and and heme a3 in the reduced and oxidized state, respectively. This was considered as an intermediate state between the non-activated and the fully activated state of CcO. Time-resolved SERRS measurements revealed that a hampered electron transfer to the redox center heme a3 characterizes this intermediate state.rn

Enantioselektive Organokatalyse in Epoxidierungen und Cyanhydrinbildungen

In der vorliegenden Arbeit mit dem Titel „Enantioselektive Organokatalyse in Epoxidierungen und Cyanhydrinbildungen“ wurde die Synthese zweier Cyclophan-carbaldimine durchgeführt. Beide Verbindungen bestehen aus einem Glykosyl-Baustein und einem Paracyclophan-Baustein, die über eine Imin-Bindung verbrückt sind. Die Cyclophan-carbaldimine wurden dann als Katalysatoren in einer Reihe von enantioselektiven Reaktionen verwendet. Enantioselektive Reaktionen bilden von zwei spiegelbildlichen Produkten stets eines im Überschuss. Zu diesen Reaktionen zählen die in dieser Arbeit durchgeführten enantioselektiven Epoxidierungen und enantioselektiven Cyanhydrinsynthesen. Die enantioselektiven Epoxidierungen waren dabei als Teil der Totalsynthesen der Naturstoffe Dasyscyphin D und Caripyrin geplant. Diese beiden Naturstoffe zeigten in biologischen Tests am Institut für Biotechnologie und Wirkstoffforschung (IBWF) in Kaiserslautern Aktivität gegen den Reisbrand-Pilz Magnaporthe grisea, der für Ernteverluste in beträchtlichem Ausmaß verantwortlich ist. Das Caripyrin selbst beinhaltet eine Epoxidstruktur. Mittels der oben angeführten Katalysatoren wurde versucht, diese Epoxidstruktur selektiv einzuführen. Dies gelang nicht, aber der Naturstoff konnte mittels Epoxidierung durch m-Chlorperbenzoesäure erstmals dargestellt werden. In mehreren biologischen Vergleichstests am IBWF Kaiserslautern zeigte auch das synthetische Caripyrin mit dem natürlichen Caripyrin vergleichbare biologische Aktivität.rnDas Dasyscyphin D an sich trägt keine Epoxidfunktion. Dennoch spielt sie auch hier eine wichtige Rolle. Innerhalb der geplanten Totalsynthese von Dasyscyphin D sollte die Farnesylseitenkette eines aromatischen Ringes selektiv epoxidiert werden. Durch einen elektrophilen Angriff an dieses Epoxid sollte im Anschluss eine Cyclisierung zum Dasyscyphin-Grundgerüst eingeleitet werden, aus dem dann Dasyscyphin D dargestellt werden sollte. Im Gegensatz zur Caripyrin-Synthese, bei der die selektive Epoxidierung nicht gelang, scheint sie in der Synthese von Dasyscyphin D sattgefunden zu haben, allerdings ist eine Isolierung des Reaktionsproduktes noch nicht gelungen. Folglich konnte das Dasyscyphin D noch nicht erfolgreich synthetisiert werden.rnDie Versuche zur enantioselektiven Cyanhydrin-Synthese waren nicht Bestandteil einer Totalsynthese. Die Cyanhydrine wurden zuerst als Racemate synthetisiert und gaschromatographisch vermessen, um auf diese Weise die exakten Retentionszeiten der einzelnen Enantiomere zu ermitteln. Anschließend wurden die Cyanhydrine dann enantioselektiv dargestellt und ebenfalls gaschromatographisch vermessen. Durch den Vergleich mit den racemischen Cyanhydrinen konnte dabei direkt aus der Reaktionslösung gemessen werden, was erforderlich war, da eine Isolierung der Cyanhydrine unter den gewählten Reaktionsbedingen nicht gelang. Aus den gaschromatographischen Messungen konnten Enantiomerenüberschüsse von bis zu 95 % ermittelt werden. Weiterhin ergaben die Messungen, dass der Arabinosyl-Katalysator im Vergleich mit dem Galactosyl-Katalysator eine geringere Enantioselektivität induziert, was vermutlich auf leichte räumliche Differenzen der beiden Katalysatoren zurückzuführen ist. Ein weiteres wichtiges Ergebnis war, dass beide Katalysatoren, wie geplant, unterschiedliche Enantiomere im Überschuss bilden. Die Glykosyl- und Paracyclophan-Bausteine der beiden Katalysatoren waren so gewählt worden, dass beide Katalysatoren pseudo-Enantiomere bilden. Auf diese Weise sollte eine Einflussnahme auf das gebildete Enantiomer durch die Wahl des entsprechenden Cyclophan-carbaldimin-Katalysators möglich gemacht werden, was, wie bereits erwähnt, gelang.rn

Pharmakovigilanz bei Patienten mit Phenprocoumon-Therapie : Untersuchungen zu potentiellen Interaktionen und Betreuungsqualität

Zur Verbesserung der Sicherheit und Effektivität der Phenprocoumon-Therapie wurden drei unterschiedliche Untersuchungen durchgeführt.rnZunächst wurde auf Grundlage bekannter Datenbanken und Informationsquellen zu Arznei-mittelinteraktionen (Drugdex, Abda Datenbank, Marcumar® Fachinformation, Coumarin-Interaktionsliste der Federatie van Nederlandse Trombosediensten, Review zu Warfarin-Interaktionen) eine handlungsorientierte Interaktionsdatenbank für Phenprocoumon erstellt. Dazu wurden in einer Übersichtstabelle relevante Informationen zu potentiellen Interaktionen für insgesamt 375 Arzneimittel zusammengestellt. Diese Tabelle wurde durch ein dreiköpfiges Expertenteam begutachtet und die potentiellen Interaktionspartner fünf verschiedenen Schweregraden und Stufen klinischer Relevanz zugeordnet. Für fast 50% der potentiellen Interaktionspartner wurden Handlungen als nicht erforderlich erachtet. Für die restlichen potentiellen Interaktionspartner wurden Handlungen zum klinischen Management der Interaktion in Abhängigkeit vom zeitlichen Zusammenhang mit der Phenprocoumon-Einnahme festgelegt. rnAnschließend wurde in einer Anwendungsbeobachtung der Zusammenhang zwischen der zusätzlichen Einnahme potentiell interagierender Arzneimittel (in der entwickelten Datenbank eingestuft mit dem Schweregrad „hoch“ und „sehr hoch“) und der Häufigkeit von Änderungen der Phenprocoumon-Wochendosis an 116 Patienten untersucht. Das relative Risiko für eine Dosisanpassung war bei Patienten in der Interaktions-Gruppe (n=23) signifikant erhöht (RR=1,9; p<0,001). Als weitere potentielle Einflussfaktoren stellten sich zunehmendes Alter (Alter 80-85 Jahre: RR=2; p<0,05), vielfache Komorbiditäten (4 Komorbiditäten: RR=2,1; p<0,05) und eingeschränkte Nieren- (RR=1,47; p>0,05) und Leberfunktion (RR=1,3; p>0,05) heraus.rnZur Untersuchung der Betreuungsqualität von VKA-Patienten im Thrombosedienst Mainz wurden retrospektiv die Daten von 118 Patienten ausgewertet. Als Qualitätsparameter wurden die prozentuale Häufigkeit von INR-Werten im Zielbereich, die TTR (Time in Therapeutic Range), die Dauer der NMH-Therapie, die Zeit bis zum Erreichen des Zielbereichs und der durchschnittliche Abstand zwischen zwei Kontrollterminen ermittelt. Im Median lag jeder Patient mit 73% der gemessenen INR-Werte und im individuellen Zielbereich. Die TTR betrug im Median 80%. Die Patienten benötigten 7 Tage zum Erreichen des Zielbereiches. Die NMH-Therapie wurde über 8 Tage durchgeführt. Die Patienten kamen im Median alle 11 Tage zu einem Kontrolltermin. Im Benchmark zu international publizierten Qualitätskenn-zahlen zur VKA-Therapie ist die Betreuungsqualität im Thrombosedienst Mainz als sehr gut einzustufen.rn

Higher-order perturbative relativistic corrections to energies and properties

Relativistic effects need to be considered in quantum-chemical calculations on systems including heavy elements or when aiming at high accuracy for molecules containing only lighter elements. In the latter case, consideration of relativistic effects via perturbation theory is an attractive option. Among the available techniques, Direct Perturbation Theory (DPT) in its lowest order (DPT2) has become a standard tool for the calculation of relativistic corrections to energies and properties.In this work, the DPT treatment is extended to the next order (DPT4). It is demonstrated that the DPT4 correction can be obtained as a second derivative of the energy with respect to the relativistic perturbation parameter. Accordingly, differentiation of a suitable Lagrangian, thereby taking into account all constraints on the wave function, provides analytic expressions for the fourth-order energy corrections. The latter have been implemented at the Hartree-Fock level and within second-order Møller-Plesset perturbaton theory using standard analytic second-derivative techniques into the CFOUR program package. For closed-shell systems, the DPT4 corrections consist of higher-order scalar-relativistic effects as well as spin-orbit corrections with the latter appearing here for the first time in the DPT series.Relativistic corrections are reported for energies as well as for first-order electrical properties and compared to results from rigorous four-component benchmark calculations in order to judge the accuracy and convergence of the DPT expansion for both the scalar-relativistic as well as the spin-orbit contributions. Additionally, the importance of relativistic effects to the bromine and iodine quadrupole-coupling tensors is investigated in a joint experimental and theoretical study concerning the rotational spectra of CH2BrF, CHBrF2, and CH2FI.