Theoretical investigation of the interaction of a polymer film with a nanoparticle

The fundamental aim in our investigation of the interaction of a polymer film with a nanoparticle is the extraction of information on the dynamics of the liquid using a single tracking particle. In this work two theoretical methods were used: one passive, where the motion of the particle measures the dynamics of the liquid, one active, where perturbations in the system are introduced through the particle. In the first part of this investigation a thin polymeric film on a substrate is studied using molecular dynamics simulations. The polymer is modeled via a 'bead spring' model. The particle is spheric and non structured and is able to interact with the monomers via a Lennard Jones potential. The system is micro-canonical and simulations were performed for average temperatures between the glass transition temperature of the film and its dewetting temperature. It is shown that the stability of the nanoparticle on the polymer film in the absence of gravity depends strongly on the form of the chosen interaction potential between nanoparticle and polymer. The relative position of the tracking particle to the liquid vapor interface of the polymer film shows the glass transition of the latter. The velocity correlation function and the mean square displacement of the particle has shown that it is caged when the temperature is close to the glass transition temperature. The analysis of the dynamics at long times shows the coupling of the nanoparticle to the center of mass of the polymer chains. The use of the Stokes-Einstein formula, which relates the diffusion coefficient to the viscosity, permits to use the nanoparticle as a probe for the determination of the bulk viscosity of the melt, the so called 'microrheology'. It is shown that for low frequencies the result obtained using microrheology coincides with the results of the Rouse model applied to the polymer dynamics. In the second part of this investigation the equations of Linear Hydrodynamics are solved for a nanoparticle oscillating above the film. It is shown that compressible liquids have mechanical response to external perturbations induced with the nanoparticle. These solutions show strong velocity and pressure profiles of the liquid near the interface, as well as a mechanical response of the liquid-vapor interface. The results obtained with this calculations can be employed for the interpretation of experimental results of non contact AFM microscopy

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.

Demokratie, good governance und Entwicklung: Eine quantitative Analyse für 191 Staaten im Zeitraum 1996 bis 2005

Das Jahr 1989 markiert nicht nur den Beginn entscheidender geopolitischer Veränderungen, sondern gleichzeitig den Ursprung eines bedeutsamen Wandels in der internationalen Entwicklungszusammenarbeit. Mit der viel beachteten Studie ‚Sub-Saharan Africa – From Crisis to Sustainable Growth’ initiierte die Weltbank eine Debatte über die Relevanz institutioneller Faktoren für wirtschaftliche Entwicklung, die in den folgenden Jahren unter dem Titel ‚Good Governance’ erhebliche Bedeutung erlangte. Nahezu alle zentralen Akteure begannen, entsprechende Aspekte in ihrer praktischen Arbeit zu berücksichtigen, und entwickelten eigene Konzepte zu dieser Thematik. Wenn auch mit der Konzentration auf Institutionen als Entwicklungsdeterminanten eine grundlegende Gemeinsamkeit der Ansätze festzustellen ist, unterscheiden sie sich jedoch erheblich im Hinblick auf die Einbeziehung politischer Faktoren, so dass von einem einheitlichen Verständnis von ‚Good Governance’ nicht gesprochen werden kann. Während die meisten bilateralen Akteure sowie DAC und UNDP Demokratie und Menschenrechte explizit als zentrale Bestandteile betrachten, identifiziert die Weltbank einen Kern von Good Governance, der unabhängig von der Herrschaftsform, also sowohl in Demokratien wie auch in Autokratien, verwirklicht werden kann. Die Implikationen dieser Feststellung sind weit reichend. Zunächst erlaubt erst diese Sichtweise der Bank überhaupt, entsprechende Aspekte aufzugreifen, da ihr eine Berücksichtigung politischer Faktoren durch ihre Statuten verboten ist. Bedeutsamer ist allerdings, dass die Behauptung der Trennbarkeit von Good Governance und der Form politischer Herrschaft die Möglichkeit eröffnet, Entwicklung zu erreichen ohne eine demokratische Ordnung zu etablieren, da folglich autokratische Systeme in gleicher Weise wie Demokratien in der Lage sind, die institutionellen Voraussetzungen zu verwirklichen, welche als zentrale Determinanten für wirtschaftlichen Fortschritt identifiziert wurden. Damit entfällt nicht nur ein bedeutsamer Rechtfertigungsgrund für demokratische Herrschaft als solche, sondern rekurrierend auf bestimmte, dieser zu attestierende, entwicklungshemmende Charakteristika können Autokratien nun möglicherweise als überlegene Herrschaftsform verstanden werden, da sie durch jene nicht gekennzeichnet sind. Die Schlussfolgerungen der Weltbank unterstützen somit auch die vor allem im Zusammenhang mit der Erfolgsgeschichte der ostasiatischen Tigerstaaten vertretene Idee der Entwicklungsdiktatur, die heute mit dem Aufstieg der Volksrepublik China eine Renaissance erlebt. Der wirtschaftliche Erfolg dieser Staaten ist danach auf die überlegene Handlungsfähigkeit autokratischer Systeme zurückzuführen, während Demokratien aufgrund der Verantwortlichkeitsbeziehungen zwischen Regierenden und Regierten nicht in der Lage sind, die notwendigen Entscheidungen zu treffen und durchzusetzen. Die dargestellte Sichtweise der Weltbank ist allerdings von verschiedenen Autoren in Zweifel gezogen worden, die auch für ein im Wesentlichen auf technische Elemente beschränktes Good Governance-Konzept einen Zusammenhang mit der Form politischer Herrschaft erkennen. So wird beispielsweise vertreten, das Konzept der Bank bewege sich ausdrücklich nicht in einem systemneutralen Vakuum, sondern propagiere zumindest implizit die Etablierung demokratischer Regierungsformen. Im Übrigen steht die aus den Annahmen der Weltbank neuerlich abgeleitete Idee der Entwicklungsdiktatur in einem erheblichen Widerspruch zu der von multilateralen wie bilateralen Akteuren verstärkt verfolgten Förderung demokratischer Herrschaft als Mittel für wirtschaftliche Entwicklung sowie der fortschreitenden Verbreitung der Demokratie. Besteht nun doch ein Einfluss der Herrschaftsform auf die Verwirklichung von Good Governance als zentraler Entwicklungsdeterminante und kann zudem davon ausgegangen werden, dass Demokratien diesbezüglich Vorteile besitzen, dann ist eine Entwicklungsdiktatur keine denkbare Möglichkeit, sondern im Gegenteil demokratische Herrschaft der gebotene Weg zu wirtschaftlichem Wachstum bzw. einer Verbesserung der Lebensverhältnisse. Aufgrund der mit den Schlussfolgerungen der Weltbank verbundenen bedeutsamen Implikationen und der bisher weitestgehend fehlenden ausführlichen Thematisierung dieses Gegenstands in der Literatur ist eine detaillierte theoretische Betrachtung der Zusammenhänge zwischen den zentralen Elementen von Good Governance und demokratischer Herrschaft notwendig. Darüber hinaus sollen die angesprochenen Beziehungen auch einer empirischen Analyse unterzogen werden. Gegenstand dieser Arbeit ist deshalb die Fragestellung, ob Good Governance eine von demokratischer Herrschaft theoretisch und empirisch unabhängige Entwicklungsstrategie darstellt.

Theoretical study of correlated systems using hybrid functionals

Diese Arbeit unterstreicht das Potential von Hybridfunktionalen (B3LYP) für die Untersuchung einer großen Bandbreite von Systemen. Durch die Einbeziehung der exakten Hartree-Fock Austauschenergie kann B3LYP für molekulare und kristalline Systeme eingesetzt werden. Zum Beispiel können stark korrelierte Systeme mit B3LYP erfolgreich erforscht werden. Die elektronische Struktur von PAHs wurde mit B3LYP Hybriddichtefunktionalen untersucht. Mit der ∆SCF-Methode wurden Elektronenbindungsenergien bestimmt, welche die mit UPS gewonnenen experimentellen Resultate bestätigen und ergänzen. Symmetrieeigenschaften der molekularen Orbitale wurden analysiert, um eine Zuordnung und Einschätzung der zugehörigen Signalstärke zu ermöglichen. Während σ-artige Orbitale nur schwer durch UPS-Messungen an dünnen Filmen detektiert werden können, bieten Rechnungen eine detaillierte Einsicht in die verborgenen Teile der Spektren.rnWeiterhin wurden π−π-Komplexe untersucht, welche von verschiedenen Donor- und Akzeptor-Molekülen gebildet werden. Die Moleküle basieren auf polyzyklischen, aromatischen Kohlenwasserstoffen. Für Ladungstransferkomplexe finden DFT Rechnungen ein Minimum in der Oberfläche der potentiellen Energie. Diese attraktive Wechselwirkung wird durch Coulombanziehung verursacht. Allerdings ist die Coulombanziehung nicht die stärkste Wechselwirkung in Ladungstransferkomplexen. Die Einbeziehung von van der Waals-Korrekturen verbessert den intermolekularen Abstand und die Bindungsenergie.rnEine Verkleinerung der intermolekularen Abstände führt zu einer großen Verschiebung der HOMO- und LUMO-Energie.rnAus der Klasse der kristallinen korrelierten Systeme wurden Rb4O6 und FeSe untersucht. Im Falle von Rb4O6 führen Ladungsordnung und Korrelationen zu einem isolierenden Grundzustand. Das hypothetische druckabhängige Phasendiagramm wurde untersucht. Eine Erhöhung des Drucks führt zu einer vergrößerten Bandlücke. Bei etwa 75 GPa wird die Bandbreite W größer als der Bandabstand U und das System nimmt einen homogen gemischt valenten Zustand mit teilweise besetzten π−π-Orbitalen an. Für Drücke ab 160 GPa wird W sehr viel größer als U und das System wird metallisch.rnIm Fall von FeSe finden wir eine korrelierte und isolierende Phase bei hohen Drücken, während das System bei niedrigen Drücken supraleitendes Verhalten zeigt. Die Berechnungen der Elektronenstruktur mit dem Hybridfunktional B3LYP führt zum korrekten halbleitenden Grundzustand in der NiAs- und MnP-Struktur von FeSe. Die Rolle der Korrelationen, der Stöchiometrie und der Nähe zum Magnetismus wird besprochen. Im Speziellen wird gezeigt, dass die Phase mit NiAs-Struktur starke lokale Korrelationen aufweist, was zu einem halbleitenden Zustand in einem weiten Druckbereich führt.

Theoretical analysis of hidden photon searches in high-precision experiments

Although the Standard Model of particle physics (SM) provides an extremely successful description of the ordinary matter, one knows from astronomical observations that it accounts only for around 5% of the total energy density of the Universe, whereas around 30% are contributed by the dark matter. Motivated by anomalies in cosmic ray observations and by attempts to solve questions of the SM like the (g-2)_mu discrepancy, proposed U(1) extensions of the SM gauge group have raised attention in recent years. In the considered U(1) extensions a new, light messenger particle, the hidden photon, couples to the hidden sector as well as to the electromagnetic current of the SM by kinetic mixing. This allows for a search for this particle in laboratory experiments exploring the electromagnetic interaction. Various experimental programs have been started to search for hidden photons, such as in electron-scattering experiments, which are a versatile tool to explore various physics phenomena. One approach is the dedicated search in fixed-target experiments at modest energies as performed at MAMI or at JLAB. In these experiments the scattering of an electron beam off a hadronic target e+(A,Z)->e+(A,Z)+l^+l^- is investigated and a search for a very narrow resonance in the invariant mass distribution of the lepton pair is performed. This requires an accurate understanding of the theoretical basis of the underlying processes. For this purpose it is demonstrated in the first part of this work, in which way the hidden photon can be motivated from existing puzzles encountered at the precision frontier of the SM. The main part of this thesis deals with the analysis of the theoretical framework for electron scattering fixed-target experiments searching for hidden photons. As a first step, the cross section for the bremsstrahlung emission of hidden photons in such experiments is studied. Based on these results, the applicability of the Weizsäcker-Williams approximation to calculate the signal cross section of the process, which is widely used to design such experimental setups, is investigated. In a next step, the reaction e+(A,Z)->e+(A,Z)+l^+l^- is analyzed as signal and background process in order to describe existing data obtained by the A1 experiment at MAMI with the aim to give accurate predictions of exclusion limits for the hidden photon parameter space. Finally, the derived methods are used to find predictions for future experiments, e.g., at MESA or at JLAB, allowing for a comprehensive study of the discovery potential of the complementary experiments. In the last part, a feasibility study for probing the hidden photon model by rare kaon decays is performed. For this purpose, invisible as well as visible decays of the hidden photon are considered within different classes of models. This allows one to find bounds for the parameter space from existing data and to estimate the reach of future experiments.