Theoretical studies of fluid membrane mechanics

Biologische Membranen sind Fettmolekül-Doppelschichten, die sich wie zweidimensionale Flüssigkeiten verhalten. Die Energie einer solchen fluiden Oberfläche kann häufig mit Hilfe eines Hamiltonians beschrieben werden, der invariant unter Reparametrisierungen der Oberfläche ist und nur von ihrer Geometrie abhängt. Beiträge innerer Freiheitsgrade und der Umgebung können in den Formalismus mit einbezogen werden. Dieser Ansatz wird in der vorliegenden Arbeit dazu verwendet, die Mechanik fluider Membranen und ähnlicher Oberflächen zu untersuchen. Spannungen und Drehmomente in der Oberfläche lassen sich durch kovariante Tensoren ausdrücken. Diese können dann z. B. dazu verwendet werden, die Gleichgewichtsposition der Kontaktlinie zu bestimmen, an der sich zwei aneinander haftende Oberflächen voneinander trennen. Mit Ausnahme von Kapillarphänomenen ist die Oberflächenenergie nicht nur abhängig von Translationen der Kontaktlinie, sondern auch von Änderungen in der Steigung oder sogar Krümmung. Die sich ergebenden Randbedingungen entsprechen den Gleichgewichtsbedingungen an Kräfte und Drehmomente, falls sich die Kontaktlinie frei bewegen kann. Wenn eine der Oberflächen starr ist, muss die Variation lokal dieser Fläche folgen. Spannungen und Drehmomente tragen dann zu einer einzigen Gleichgewichtsbedingung bei; ihre Beiträge können nicht mehr einzeln identifiziert werden. Um quantitative Aussagen über das Verhalten einer fluiden Oberfläche zu machen, müssen ihre elastischen Eigenschaften bekannt sein. Der "Nanotrommel"-Versuchsaufbau ermöglicht es, Membraneigenschaften lokal zu untersuchen: Er besteht aus einer porenüberspannenden Membran, die während des Experiments durch die Spitze eines Rasterkraftmikroskops in die Pore gedrückt wird. Der lineare Verlauf der resultierenden Kraft-Abstands-Kurven kann mit Hilfe der in dieser Arbeit entwickelten Theorie reproduziert werden, wenn der Einfluss von Adhäsion zwischen Spitze und Membran vernachlässigt wird. Bezieht man diesen Effekt in die Rechnungen mit ein, ändert sich das Resultat erheblich: Kraft-Abstands-Kurven sind nicht länger linear, Hysterese und nichtverschwindende Trennkräfte treten auf. Die Voraussagen der Rechnungen könnten in zukünftigen Experimenten dazu verwendet werden, Parameter wie die Biegesteifigkeit der Membran mit einer Auflösung im Nanometerbereich zu bestimmen. Wenn die Materialeigenschaften bekannt sind, können Probleme der Membranmechanik genauer betrachtet werden. Oberflächenvermittelte Wechselwirkungen sind in diesem Zusammenhang ein interessantes Beispiel. Mit Hilfe des oben erwähnten Spannungstensors können analytische Ausdrücke für die krümmungsvermittelte Kraft zwischen zwei Teilchen, die z. B. Proteine repräsentieren, hergeleitet werden. Zusätzlich wird das Gleichgewicht der Kräfte und Drehmomente genutzt, um mehrere Bedingungen an die Geometrie der Membran abzuleiten. Für den Fall zweier unendlich langer Zylinder auf der Membran werden diese Bedingungen zusammen mit Profilberechnungen kombiniert, um quantitative Aussagen über die Wechselwirkung zu treffen. Theorie und Experiment stoßen an ihre Grenzen, wenn es darum geht, die Relevanz von krümmungsvermittelten Wechselwirkungen in der biologischen Zelle korrekt zu beurteilen. In einem solchen Fall bieten Computersimulationen einen alternativen Ansatz: Die hier präsentierten Simulationen sagen voraus, dass Proteine zusammenfinden und Membranbläschen (Vesikel) bilden können, sobald jedes der Proteine eine Mindestkrümmung in der Membran induziert. Der Radius der Vesikel hängt dabei stark von der lokal aufgeprägten Krümmung ab. Das Resultat der Simulationen wird in dieser Arbeit durch ein approximatives theoretisches Modell qualitativ bestätigt.

Numerical modelling of fluid-structure interaction with application in hemodynamics

The thesis deals with numerical algorithms for fluid-structure interaction problems with application in blood flow modelling. It starts with a short introduction on the mathematical description of incompressible viscous flow with non-Newtonian viscosity and a moving linear viscoelastic structure. The mathematical model consists of the generalized Navier-Stokes equation used for the description of fluid flow and the generalized string model for structure movement. The arbitrary Lagrangian-Eulerian approach is used in order to take into account moving computational domain. A part of the thesis is devoted to the discussion on the non-Newtonian behaviour of shear-thinning fluids, which is in our case blood, and derivation of two non-Newtonian models frequently used in the blood flow modelling. Further we give a brief overview on recent fluid-structure interaction schemes with discussion about the difficulties arising in numerical modelling of blood flow. Our main contribution lies in numerical and experimental study of a new loosely-coupled partitioned scheme called the kinematic splitting fluid-structure interaction algorithm. We present stability analysis for a coupled problem of non-Newtonian shear-dependent fluids in moving domains with viscoelastic boundaries. Here, we assume both, the nonlinearity in convective as well is diffusive term. We analyse the convergence of proposed numerical scheme for a simplified fluid model of the Oseen type. Moreover, we present series of experiments including numerical error analysis, comparison of hemodynamic parameters for the Newtonian and non-Newtonian fluids and comparison of several physiologically relevant computational geometries in terms of wall displacement and wall shear stress. Numerical analysis and extensive experimental study for several standard geometries confirm reliability and accuracy of the proposed kinematic splitting scheme in order to approximate fluid-structure interaction problems.

Application of reactive fluid transport modeling to hydrothermal systems

A one-dimensional multi-component reactive fluid transport algorithm, 1DREACT (Steefel, 1993) was used to investigate different fluid-rock interaction systems. A major short coming of mass transport calculations which include mineral reactions is that solid solutions occurring in many minerals are not treated adequately. Since many thermodynamic models of solid solutions are highly non-linear, this can seriously impact on the stability and efficiency of the solution algorithms used. Phase petrology community saw itself faced with a similar predicament 10 years ago. To improve performance and reliability, phase equilibrium calculations have been using pseudo compounds. The same approach is used here in the first, using the complex plagioclase solid solution as an example. Thermodynamic properties of a varying number of intermediate plagioclase phases were calculated using ideal molecular, Al-avoidance, and non-ideal mixing models. These different mixing models can easily be incorporated into the simulations without modification of the transport code. Simulation results show that as few as nine intermediate compositions are sufficient to characterize the diffusional profile between albite and anorthite. Hence this approach is very efficient, and can be used with little effort. A subsequent chapter reports the results of reactive fluid transport modeling designed to constrain the hydrothermal alteration of Paleoproterozoic sediments of the Southern Lake Superior region. Field observations reveal that quartz-pyrophyllite (or kaolinite) bearing assemblages have been transformed into muscovite-pyrophyllite-diaspore bearing assemblages due to action of fluids migrating along permeable flow channels. Fluid-rock interaction modeling with an initial qtz-prl assemblage and a K-rich fluid simulates the formation of observed mineralogical transformation. The bulk composition of the system evolves from an SiO2-rich one to an Al2O3+K2O-rich one. Simulations show that the fluid flow was up-temperature (e.g. recharge) and that fluid was K-rich. Pseudo compound approach to include solid solutions in reactive transport models was tested in modeling hydrothermal alteration of Icelandic basalts. Solid solutions of chlorites, amphiboles and plagioclase were included as the secondary mineral phases. Saline and fresh water compositions of geothermal fluids were used to investigate the effect of salinity on alteration. Fluid-rock interaction simulations produce the observed mineral transformations. They show that roughly the same alteration minerals are formed due to reactions with both types of fluid which is in agreement with the field observations. A final application is directed towards the remediation of nitrate rich groundwaters. Removal of excess nitrate from groundwater by pyrite oxidation was modeled using the reactive fluid transport algorithm. Model results show that, when a pyrite-bearing, permeable zone is placed in the flow path, nitrate concentration in infiltrating water can be significantly lowered, in agreement with proposals from the literature. This is due to nitrogen reduction. Several simulations investigate the efficiency of systems with different mineral reactive surface areas, reactive barrier zone widths, and flow rates to identify the optimum setup.

Simulation studies of correlation functions and relaxation in polymeric systems

We investigate the statics and dynamics of a glassy,non-entangled, short bead-spring polymer melt with moleculardynamics simulations. Temperature ranges from slightlyabove the mode-coupling critical temperature to the liquidregime where features of a glassy liquid are absent. Ouraim is to work out the polymer specific effects on therelaxation and particle correlation. We find the intra-chain static structure unaffected bytemperature, it depends only on the distance of monomersalong the backbone. In contrast, the distinct inter-chainstructure shows pronounced site-dependence effects at thelength-scales of the chain and the nearest neighbordistance. There, we also find the strongest temperaturedependence which drives the glass transition. Both the siteaveraged coupling of the monomer and center of mass (CM) andthe CM-CM coupling are weak and presumably not responsiblefor a peak in the coherent relaxation time at the chain'slength scale. Chains rather emerge as soft, easilyinterpenetrating objects. Three particle correlations arewell reproduced by the convolution approximation with theexception of model dependent deviations. In the spatially heterogeneous dynamics of our system weidentify highly mobile monomers which tend to follow eachother in one-dimensional paths forming ``strings''. Thesestrings have an exponential length distribution and aregenerally short compared to the chain length. Thus, arelaxation mechanism in which neighboring mobile monomersmove along the backbone of the chain seems unlikely.However, the correlation of bonded neighbors is enhanced. When liquids are confined between two surfaces in relativesliding motion kinetic friction is observed. We study ageneric model setup by molecular dynamics simulations for awide range of sliding speeds, temperatures, loads, andlubricant coverings for simple and molecular fluids. Instabilities in the particle trajectories are identified asthe origin of kinetic friction. They lead to high particlevelocities of fluid atoms which are gradually dissipatedresulting in a friction force. In commensurate systemsfluid atoms follow continuous trajectories for sub-monolayercoverings and consequently, friction vanishes at low slidingspeeds. For incommensurate systems the velocity probabilitydistribution exhibits approximately exponential tails. Weconnect this velocity distribution to the kinetic frictionforce which reaches a constant value at low sliding speeds. This approach agrees well with the friction obtaineddirectly from simulations and explains Amontons' law on themicroscopic level. Molecular bonds in commensurate systemslead to incommensurate behavior, but do not change thequalitative behavior of incommensurate systems. However,crossed chains form stable load bearing asperities whichstrongly increase friction.

10 Å cryo-EM structure of Drosophila melanogaster hexamerin and Limulus polyphemus hemocyanin

In the present study, the quaternary structures of Drosophila melanogaster hexamerin LSP-2 and Limulus polyphemus hemocyanin, both proteins from the hemocyanin superfamily, were elucidated to a 10 Å resolution with the technique of cryo-EM 3D-reconstruction. Furthermore, molecular modelling and rigid-body fitting allowed a detailed insight into the cryo-EM structures at atomic level. The results are summarised as follows: Hexamerin 1. The cryo-EM structure of Drosophila melanogaster hexamerin LSP-2 is the first quaternary structure of a protein from the group of the insect storage proteins. 2. The hexamerin LSP-2 is a hexamer of six bean-shaped subunits that occupy the corners of a trigonal antiprism, yielding a D3 (32) point-group symmetry. 3. Molecular modelling and rigid-body fitting of the hexamerin LSP-2 sequence showed a significant correlation between amino acid inserts in the primary structure and additional masses of the cryo-EM structure that are not present in the published quaternary structures of chelicerate and crustacean hemocyanins. 4. The cryo-EM structure of Drosophila melanogaster hexamerin LSP-2 confirms that the arthropod hexameric structure is applicable to insect storage proteins. Hemocyanin 1. The cryo-EM structure of the 8×6mer Limulus polyphemus hemocyanin is the highest resolved quaternary structure of an oligo-hexameric arthropod hemocyanin so far. 2. The hemocyanin is build of 48 bean-shaped subunits which are arranged in eight hexamers, yielding an 8×6mer with a D2 (222) point-group symmetry. The 'basic building blocks' are four 2×6mers that form two 4×6mers in an anti-parallel manner, latter aggregate 'face-to-face' to the 8×6mer. 3. The morphology of the 8×6mer was gauged and described very precisely on the basis of the cryo-EM structure. 4. Based on earlier topology studies of the eight different subunit types of Limulus polyphemus hemocyanin, eleven types of interhexamer interfaces have been identified that in the native 8×6mer sum up to 46 inter-hexamer bridges - 24 within the four 2×6mers, 10 to establish the two 4×6mers, and 12 to assemble the two 4×6mers into an 8×6mer. 5. Molecular modelling and rigid-body fitting of Limulus polyphemus and orthologous Erypelma californicum sequences allowed to assign very few amino acids to each of these interfaces. These amino acids now serve as candidates for the chemical bonds between the eight hexamers. 6. Most of the inter-hexamer contacts are conspicuously histidine-rich and evince constellations of amino acids that could constitute the basis for the allosteric interactions between the hexamers. 7. The cryo-EM structure of Limulus polyphemus hemocyanin opens the door to a fundamental understanding of the function of this highly cooperative protein.

Struktur und Funktion des Lipoproteins von Nereis virens (Annelida)

Ein discoidales Lipoprotein aus dem Polychaeten Nereis virens (Annelida) wurde eingehend charakterisiert. Im Vordergrund standen dabei die transportierten Lipide, sowie die Ultrastruktur des Partikels. Das Nereis-Lipoprotein besitzt eine für Invertebraten atypische Lipidzusammensetzung: Außer den Phospholipiden gibt es keine klar dominierende Lipidklasse. Die Charakterisierung der Apolipoproteine zeigt Gemeinsamkeiten mit den Apolipophorinen der Insekten: Wie diese besitzt das Nereis-Lipoprotein zwei Apolipoproteine, die in einer 1:1-Stöchiometrie angeordnet sind. Das größere Protein (ApoNvLp I) ist dabei stärker zum wässrigen Medium exponiert ist als das kleinere (ApoNvLp II). Beide Proteinuntereinheiten sind N-glycosyliert. ApoNvLp II ist zusätzlich noch O-glycosyliert. Bei den Sekundärstrukturen dominieren β-Strukturen (35%) gegenüber α-Helices (14%); 28% waren ungeordnete Strukturen. Die Masse wurde mit verschiedenen Methoden bestimmt: sie liegt zwischen ~800 kDa (Gelfiltration) und ~860 kDa (Analytische Ultrazentrifugation). Der Sedimentationskoeffizient beträgt 9,7 S. Der zelluläre Lipoproteinrezeptor wurde aus einer großen Anzahl von Zellen und Geweben isoliert. Die biochemische Charakterisierung des Rezeptormoleküls zeigte es als ein monomeres, integrales, N- und O-glycosyliertes Membranprotein mit einer Masse von ~114 kDa. Die Bindungscharakteristika (Abhängigkeit von Ca2+, Disulfidbrücken) weisen es als Mitglied der LDLR-Superfamilie aus. In vitro-Inkubationsversuche mit fluoreszenzmarkierten Lipoproteinen zeigten die Aufnahme sowohl in Oocyten als auch in freie Coelomzellen (Elaeocyten) sowie in Spermatogonien- und Tetradenstadien. Auffällig war, dass die Lipide zusammen mit den Apolipoproteinen in die Dottergranula der Eizellen eingelagert wurden und nicht direkt in die Lipidtropfen. Auch bei den Elaeocyten wurden die Lipide nicht direkt in den Lipidtropfen eingelagert. Intakte Lipoproteine konnten per Dichtegradienten-Ultrazentrifugation nur aus Spermatogonien isoliert werden. Die isolierten Lipoproteine hatten die gleiche ‚Morphologie’ wie die aus der Coelomflüssigkeit isolierten, zeigten jedoch sehr viele Peptidfragmente im SDS-Gel, was auf eine beginnende Degradation hinweist. Es wird ein Modell für den Lipidtransport in Nereis virens vorgeschlagen, bei dem den Elaeocyten eine entscheidende Rolle im Lipidstoffwechsel zufällt.

First Ramsey-type mass measurements with ISOLTRAP and design studies of the new PENTATRAP project

Der Einsatz von Penningfallen in der Massenspektrometrie hat zu einem einmaligen Genauigkeitssprung geführt. Dadurch wurden Massenwerte verschiedenster Atome zu wichtigen Eingangsparametern bei immer mehr physikalischen Fragestellungen. Die Massenspektrometrie mit Hilfe von Penningfallen basiert auf der Bestimmung der freien Zyklotronfrequenz eines Ions in einem homogenen Magnetfeld νc=qB/(2πm). Sie wird mit Flugzeitmethode (TOF-ICR) bestimmt, wobei eine relative Massenungenauigkeit δm/m von wenigen 10^-9 bei Nukliden mit Lebensdauern von <500 ms erreicht wird. Dies wurde durch die im Rahmen dieser Arbeit erstmals in der Penningfallen-Massenspektrometrie eingesetzten Ramsey-Methode möglich. Dabei werden zeitlich separierte, oszillierenden Feldern zur resonanten Ionenanregung genutzt, um die Frequenzmessung durch die Flugzeitmethode zu verbessern. Damit wurden am Penningfallenmassenspektrometer ISOLTRAP an ISOLDE/CERN die Massen der Nuklide 26,27Al und 38,39Ca bestimmt. Alle Massen wurden in die „Atomic Mass Evaluation“ eingebettet. Die Massenwerte von 26Al und 38Ca dienten insbesondere zu Tests des Standardmodells. Um mit Massenwerten fundamentale Symmetrien oder die Quantenelektrodynamik (QED) in extremen Feldern zu testen wurde ein neues Penningfallenprojekt (PENTATRAP) für hochpräzise Massenmessungen an hochgeladenen Ionen konzipiert. In dieser Doktorarbeit wurde vornehmlich die Entwicklung der Penningfallen betrieben. Eine Neuerung bei Penningfallenexperimenten ist dabei die permanente Beobachtung des Magnetfeldes B und seiner zeitlichen Fluktuationen durch so genannte „Monitorfallen“.

Thermal Casimir effect at fluid interfaces: Fluctuation-induced forces between anisotropic colloids

We study the effective interaction between two ellipsoidal particles at the interface of two fluid phases which are mediated by thermal fluctuations of the interface. Within a coarse-grained picture, the properties of fluid interfaces are very well described by an effective capillary wave Hamiltonian which governs both the equilibrium interface configuration and the thermal fluctuations (capillary waves) around this equilibrium (or mean-field) position. As postulated by the Goldstone theorem the capillary waves are long-range correlated. The interface breaks the continuous translational symmetry of the system, and in the limit of vanishing external fields - like gravity - it has to be accompanied by easily excitable long wavelength (Goldstone) modes – precisely the capillary waves. In this system the restriction of the long-ranged interface fluctuations by particles gives rise to fluctuation-induced forces which are equivalent to interactions of Casimir type and which are anisotropic in the interface plane. Since the position and the orientation of the colloids with respect to the interface normal may also fluctuate, this system is an example for the Casimir effect with fluctuating boundary conditions. In the approach taken here, the Casimir interaction is rewritten as the interaction between fluctuating multipole moments of an auxiliary charge density-like field defined on the area enclosed by the contact lines. These fluctuations are coupled to fluctuations of multipole moments of the contact line position (due to the possible position and orientational fluctuations of the colloids). We obtain explicit expressions for the behavior of the Casimir interaction at large distances for arbitrary ellipsoid aspect ratios. If colloid fluctuations are suppressed, the Casimir interaction at large distances is isotropic, attractive and long ranged (double-logarithmic in the distance). If, however, colloid fluctuations are included, the Casimir interaction at large distances changes to a power law in the inverse distance and becomes anisotropic. The leading power is 4 if only vertical fluctuations of the colloid center are allowed, and it becomes 8 if also orientational fluctuations are included.

Nuclear structure studies in the xenon and radon region and the discovery of a new radon isotope by Penning trap mass spectrometry

Heutzutage gewähren hochpräzise Massenmessungen mit Penning-Fallen tiefe Einblicke in die fundamentalen Eigenschaften der Kernmaterie. Zu diesem Zweck wird die freie Zyklotronfrequenz eines Ions bestimmt, das in einem starken, homogenen Magnetfeld gespeichert ist. Am ISOLTRAP-Massenspektrometer an ISOLDE / CERN können die Massen von kurzlebigen, radioaktiven Nukliden mit Halbwertszeiten bis zu einigen zehn ms mit einer Unsicherheit in der Größenordnung von 10^-8 bestimmt werden. ISOLTRAP besteht aus einem Radiofrequenz-Quadrupol zum akkumulieren der von ISOLDE gelieferten Ionen, sowie zwei Penning-Fallen zum säubern und zur Massenbestimmung der Ionen. Innerhalb dieser Arbeit wurden die Massen von neutronenreichen Xenon- und Radonisotopen (138-146Xe und 223-229Rn) gemessen. Für elf davon wurde zum ersten Mal die Masse direkt bestimmt; 229Rn wurde im Zuge dieses Experimentes sogar erstmalig beobachtet und seine Halbwertszeit konnte zu ungefähr 12 s bestimmt werden. Da die Masse eines Nuklids alle Wechselwirkungen innerhalb des Kerns widerspiegelt, ist sie einzigartig für jedes Nuklid. Eine dieser Wechselwirkungen, die Wechselwirkung zwischen Protonen und Neutronen, führt zum Beispiel zu Deformationen. Das Ziel dieser Arbeit ist eine Verbindung zwischen kollektiven Effekten, wie Deformationen und Doppeldifferenzen von Bindungsenergien, sogenannten deltaVpn-Werten zu finden. Insbesondere in den hier untersuchten Regionen zeigen deltaVpn-Werte ein sehr ungewöhnliches Verhalten, das sich nicht mit einfachen Argumenten deuten lässt. Eine Erklärung könnte das Auftreten von Oktupoldeformationen in diesen Gebieten sein. Nichtsdestotrotz ist eine quantitative Beschreibung von deltaVpn-Werten, die den Effekt von solchen Deformationen berücksichtigt mit modernen Theorien noch nicht möglich.

Study of 3 Lambda H and 4 Lambda H in the reaction of 6 Li + 12 C at 2 A GeV

Die Produktion von Hyperkernen wurde in peripheren Schwerionenreaktionen untersucht, bei denen eine Kohlenstofffolie mit $^6$Li Projektilen mit einer Strahlenergie von $2 A$~GeV bestrahlt wurde. Es konnten klare Signale f{"{u}}r $Lambda$, $^3_{Lambda}$H, $^4_{Lambda}$H in deren jeweiligen invarianten Massenverteilungen aus Mesonenzerfall beobachtet werden.rnrnIn dieser Arbeit wird eine unabh{"{a}}ngige Datenauswertung vorgelegt, die eine Verifizierung fr"{u}herer Ergebnisse der HypHI Kollaboration zum Ziel hatte. Zu diesem Zweck wurde eine neue Track-Rekonstruktion, basierend auf einem Kalman-Filter-Ansatz, und zwei unterschiedliche Algorithmen zur Rekonstruktion sekund"{a}rer Vertices entwickelt.rn%-Rekonstruktionsalgorithmen .rnrnDie invarianten Massen des $Lambda$-Hyperon und der $^3_{Lambda}$H- und $^4_{Lambda}$H-Hyperkerne wurden mit $1109.6 pm 0.4$, $2981.0 pm 0.3$ und $3898.1 pm 0.7$~MeV$/c^2$ und statistischen Signifikanzen von $9.8sigma$, $12.8sigma$ beziehungsweise $7.3sigma$ bestimmt. Die in dieser Arbeit erhaltenen Ergebnisse stimmen mit der fr{"{u}}heren Auswertung {"{u}}berein.rnrnDas Ausbeutenverh{"{a}}ltnis der beiden Hyperkerne wurde als $N(^3_{Lambda}$H)/$N(^4_{Lambda}$H)$ sim 3$ bestimmt. Das deutet darauf hin, dass der Produktionsmechanismus f{"{u}}r Hyperkerne in Schwerionen-induzierten Reaktionen im Projektil-Rapidit{"{a}}tsbereich nicht allein durch einen Koaleszenzmechanismus beschrieben werden kann, sondern dass auch sekund{"{a}}re Pion-/Kaon-induzierte Reaktionen und Fermi-Aufbruch involviert sind.rn