The swelling behaviour of polyelectrolyte networks

Being basic ingredients of numerous daily-life products with significant industrial importance as well as basic building blocks for biomaterials, charged hydrogels continue to pose a series of unanswered challenges for scientists even after decades of practical applications and intensive research efforts. Despite a rather simple internal structure it is mainly the unique combination of short- and long-range forces which render scientific investigations of their characteristic properties to be quite difficult. Hence early on computer simulations were used to link analytical theory and empirical experiments, bridging the gap between the simplifying assumptions of the models and the complexity of real world measurements. Due to the immense numerical effort, even for high performance supercomputers, system sizes and time scales were rather restricted until recently, whereas it only now has become possible to also simulate a network of charged macromolecules. This is the topic of the presented thesis which investigates one of the fundamental and at the same time highly fascinating phenomenon of polymer research: The swelling behaviour of polyelectrolyte networks. For this an extensible simulation package for the research on soft matter systems, ESPResSo for short, was created which puts a particular emphasis on mesoscopic bead-spring-models of complex systems. Highly efficient algorithms and a consistent parallelization reduced the necessary computation time for solving equations of motion even in case of long-ranged electrostatics and large number of particles, allowing to tackle even expensive calculations and applications. Nevertheless, the program has a modular and simple structure, enabling a continuous process of adding new potentials, interactions, degrees of freedom, ensembles, and integrators, while staying easily accessible for newcomers due to a Tcl-script steering level controlling the C-implemented simulation core. Numerous analysis routines provide means to investigate system properties and observables on-the-fly. Even though analytical theories agreed on the modeling of networks in the past years, our numerical MD-simulations show that even in case of simple model systems fundamental theoretical assumptions no longer apply except for a small parameter regime, prohibiting correct predictions of observables. Applying a "microscopic" analysis of the isolated contributions of individual system components, one of the particular strengths of computer simulations, it was then possible to describe the behaviour of charged polymer networks at swelling equilibrium in good solvent and close to the Theta-point by introducing appropriate model modifications. This became possible by enhancing known simple scaling arguments with components deemed crucial in our detailed study, through which a generalized model could be constructed. Herewith an agreement of the final system volume of swollen polyelectrolyte gels with results of computer simulations could be shown successfully over the entire investigated range of parameters, for different network sizes, charge fractions, and interaction strengths. In addition, the "cell under tension" was presented as a self-regulating approach for predicting the amount of swelling based on the used system parameters only. Without the need for measured observables as input, minimizing the free energy alone already allows to determine the the equilibrium behaviour. In poor solvent the shape of the network chains changes considerably, as now their hydrophobicity counteracts the repulsion of like-wise charged monomers and pursues collapsing the polyelectrolytes. Depending on the chosen parameters a fragile balance emerges, giving rise to fascinating geometrical structures such as the so-called pear-necklaces. This behaviour, known from single chain polyelectrolytes under similar environmental conditions and also theoretically predicted, could be detected for the first time for networks as well. An analysis of the total structure factors confirmed first evidences for the existence of such structures found in experimental results.

They are not enlightened: Wie Staatsbedienstete in Nordghana Differenz zwischen sich und ihren Klienten konstruieren /// Arbeitspapiere / Institut für Ethnologie und Afrikastudien ; 97

Der vorliegende Artikel befasst sich mit den Eindrücken einer vom Institut für Ethnologie und Afrikastudien in Mainz durchgeführten Lehrforschung, die staatliche Institutionen in Nordghana untersuchte. Obwohl unsere Arbeiten verschiedene Institutionen und verschiedene Forschungsfragen thematisierten, ließ sich in Gesprächen ein gemeinsames Motiv erkennen: die Konstruktion einer binären Dichotomie zwischen enlightened und unenlightened durch sprachliche und nicht-sprachliche Routinen der Bürokraten im Umgang mit ihren Klienten. Wir interessieren uns im vorliegenden Artikel nicht für Modernität und Entwicklung als universellen oder lokal angeeigneten Prozess, sondern untersuchen die Praktiken mit denen Akteure mittels der Konzepte Modernität, Entwicklung, Aufklärung und Erziehung Differenzen zwischen sich und ihren Klienten konstruieren und funktionale Kategorien zu schaffen, sowie die Bruchstellen dieses Konstruktionsprozesses. Anhand von Fallbeispielen aus Gerichten, Polizei, Kulturinstitutionen und Schulen erläutern wir die Praxis der Differenzierung, die als eine Form der Alltagsbewältigung für die Bürokraten erscheint.

Die Bürokratisierung von Kultur: Ein staatliches Kulturzentrum in Nordghana /// Arbeitspapiere / Institut für Ethnologie und Afrikastudien ; 98

Die vorliegende Magisterarbeit beschäftigt sich mit der Produktivitaet bürokratischer Routinen am Centre for National Culture in Wa, Nordwestghana. Staat, Nation und nationale Kultur sind keine fest umgrenzten Entitäten, sondern entstehen in einem andauernden Prozess der Aushandlung und Bedeutungszuschreibung und in der permanenten Reproduzierung ihrer Grenzen und Kategorien. Bürokratische Routinen und administrativen Prozesse werden als jene Praktiken betrachtet, die Kultur nationalisieren. Die Arbeit geht der Frage nach, wie sich die stete Reproduktion der räumlichen Verortung des Staats durch bürokratische Routinen auf die Grenzen von Kultur und die Kategorien, in denen Kultur gedacht wird, auswirkt. Das wichtigste Schlagwort ghanaischer Kulturpolitik ist „unity in diversity“. Einer Vielzahl „lokaler Kulturen“ soll ihr rechtmäßiger Platz im nationalen Potpourri eingeräumt werden, aber die gewünschte Vielfalt darf keine politische Sprengkraft entwickeln. Die zentrale Aufgabe staatlicher Kulturinstitutionen in Ghana ist daher, die „rohe Kultur“ (die im Dorf verortet wird), zu choreographieren. Die Verwaltungspraxis der Kulturbeamten unterstellt die Einheit lokaler Kulturgrenzen (wo auch immer man die ziehen würde) mit den politisch-administrativen Grenzen, nach denen die Kulturinstitutionen organisiert sind, und trägt auf diese Weise zur Naturalisierung staatlicher Kulturgrenzen bei.

„They can be responsible leaders, they can also be housewives…“: ein Mädcheninternat in Nordghana /// Arbeitspapiere / Institut für Ethnologie und Afrikastudien ; 104

Diese Arbeit analysiert, welche Erziehungsziele ein gymnasiales Mädcheninternat in der Upper West Region in Ghana verfolgt und wie diese Erziehungsziele im Schulalltag praktisch umsetzt werden. Angeregt durch das Goffmansche Konzept der „totalen Institution“ untersucht die Arbeit den umfassenden Einfluss der katholischen Internatsschule auf die Schülerinnen, die mit dem Eintritt in die Schule ihre dörfliche Herkunftswelt verlassen und ein Übergangsstadium durchlaufen. Die Schülerinnen werden nicht nur im Unterricht erzogen, sondern der gesamte Schulalltag wird von Regeln bestimmt, die aus den Schülerinnen gute Staatsbürgerinnen machen sollen. Dabei entwickelte sich die 1959 gegründete St. Francis Girls’ Secondary School im Lauf der Zeit von einer Institution, die vor allem christliche Haus- und Ehefrauen produzieren wollte, zu einer Schule, die die Mädchen auch akademisch gut ausbilden will und ihnen vermittelt, dass sie künftig zu einer „Elite“ gehören werden. Dass der Einfluss des Internats aber weder „total“ ist, noch die Schülerinnen passiv sind, zeigt sich daran, dass die Schülerinnen zum einen die Schulregeln nicht immer befolgen und sich zum anderen auch gegenseitig, und dies nicht immer im Sinne der Regeln, disziplinieren.

"Talking about Marriage ..." : Polizeiarbeit in Upper West, Ghana /// Arbeitspapiere / Institut für Ethnologie und Afrikastudien ; 102

Polizei in Afrika ist korrupt und schlecht ausgebildet und eine „Marionette“ der Regierungen − so das nicht nur im populären, sondern auch sozialwissenschaftlichen Diskurs vermittelte Bild. Eine ethnographische Perspektive, die Polizeiarbeit im Alltag beobachtet und auf die Interaktionsstrategien der Polizisten mit Klienten und ihre Deutungen und Selbstbilder fokussiert, erlaubt neue Einsichten in das alltägliche Funktionieren der Organisation. Die vorliegende Arbeit basiert auf einem dreimonatigen Aufenthalt in der domestic violence unit der Police Headquarters in der Upper West Region Ghanas. Sie zeigt unter anderem, wie die Akteure die Ausbildung zum Polizisten, Gehaltsfragen, Versetzungen, Geschlechterverhältnis und Beförderungen konzeptionalisieren und wo sie sich in ihrer Arbeitswelt positionieren. Die besondere Aufmerksamkeit der Arbeit gilt der Interaktion der Polizisten mit Akteuren außerhalb ihrer Organisation, den „Klienten“. Eine zentrale Erkenntnis ist, dass die Klienten erst mit Hilfe typischer bürokratischer Praktiken und Redensarten als solche von den Polizisten konstruiert werden. Dabei sind die Klienten aber weder passiv polizeilicher Willkür ausgeliefert noch können einflussreiche Klienten die Polizei nach ihrem Gusto manipulieren. In zwei Fallstudien von Verhandlungssituationen wird deutlich, wie Polizisten Autorität in der Interaktion mit Klienten herstellen und legitimieren und welche Maßnahmen Klienten ihrerseits ergreifen, um die Situation zu ihren Gunsten zu gestalten.

Photo- und Elektropionproduktion in chiraler effektiver Feldtheorie

In der vorliegenden Arbeit werden Photopionproduktion (PPP) und Elektropionproduktion (EPP) im Rahmen der manifest lorentzinvarianten baryonischen chiralen Störungstheorie untersucht. Dabei werden zwei verschiedene Ansätze verfolgt. Zum einen wird eine Rechnung auf Einschleifenniveau bis zur chiralen Ordnung O(q^4) mit Pionen und Nukleonen als Freiheitsgrade durchgeführt, um die Energieabhängigkeit der Reaktionen über einen möglichst großen Bereich zu beschreiben. Um die Abhängigkeit von der Photonvirtualität in der EPP zu verbessern, werden zum anderen in einer zweiten Rechnung Vektormesonen in die Theorie einbezogen. Diese Rechnung wird bis zur chiralen Ordnung O(q^3) auf Einschleifenniveau durchgeführt. rnrnVon den vier physikalischen Prozessen in PPP und EPP sind nur drei experimentell zugänglich. Untersucht werden diese Reaktionen an mehreren verschiedenen Anlagen, z.B. in Mainz, Bonn oder Saskatoon. Die dort gewonnenen Daten werden hier verwendet, um die Grenzen der chiralen Störungstheorie auszuloten. rnrnDiese Arbeit stellt die erste, vollständige, manifest lorentzinvariante Rechnung in O(q^4) für PPP und EPP, und die erste jemals durchgeführte Rechnung mit Vektormesonen als Freiheitsgrade für diesen Prozess, dar. Neben der Berechnung der physikalischen Observablen wird auch eine Partialwellenzerlegung durchgeführt und die wichtigsten Multipole untersucht. Diese lassen sich aus den gewonnenen Amplituden extrahieren und bieten eine gute Möglichkeit das Nukleon und Resonanzen zu untersuchen. rnrnUm das Matrixelement für die Prozesse berechnen zu können, wurden verschiedene Routinen für das Computeralgebrasystem Mathematica entwickelt, da die Anzahl der zu bestimmenden Diagramme sehr groß ist. Für die Multipolzerlegung werden zwei verschiedene Programme verwendet. Zum einen das bereits existierende Programm XMAID, welches für diese Arbeit entsprechend modifiziert wurde. Zum anderen wurden vergleichbare Routinen für Mathematica entwickelt. Am Ende der Analysen werden die verschiedenen Rechnungen bezüglich ihrer Anwendbarkeit auf PPP und EPP verglichen.

Numerical precision calculations for LHC physics

In dieser Arbeit stelle ich Aspekte zu QCD Berechnungen vor, welche eng verknüpft sind mit der numerischen Auswertung von NLO QCD Amplituden, speziell der entsprechenden Einschleifenbeiträge, und der effizienten Berechnung von damit verbundenen Beschleunigerobservablen. Zwei Themen haben sich in der vorliegenden Arbeit dabei herauskristallisiert, welche den Hauptteil der Arbeit konstituieren. Ein großer Teil konzentriert sich dabei auf das gruppentheoretische Verhalten von Einschleifenamplituden in QCD, um einen Weg zu finden die assoziierten Farbfreiheitsgrade korrekt und effizient zu behandeln. Zu diesem Zweck wird eine neue Herangehensweise eingeführt welche benutzt werden kann, um farbgeordnete Einschleifenpartialamplituden mit mehreren Quark-Antiquark Paaren durch Shufflesummation über zyklisch geordnete primitive Einschleifenamplituden auszudrücken. Ein zweiter großer Teil konzentriert sich auf die lokale Subtraktion von zu Divergenzen führenden Poltermen in primitiven Einschleifenamplituden. Hierbei wurde im Speziellen eine Methode entwickelt, um die primitiven Einchleifenamplituden lokal zu renormieren, welche lokale UV Counterterme und effiziente rekursive Routinen benutzt. Zusammen mit geeigneten lokalen soften und kollinearen Subtraktionstermen wird die Subtraktionsmethode dadurch auf den virtuellen Teil in der Berechnung von NLO Observablen erweitert, was die voll numerische Auswertung der Einschleifenintegrale in den virtuellen Beiträgen der NLO Observablen ermöglicht. Die Methode wurde schließlich erfolgreich auf die Berechnung von NLO Jetraten in Elektron-Positron Annihilation im farbführenden Limes angewandt.