Supramolecular order and dynamics of functional materials studied by solid state NMR

The goal of this thesis was the investigation of the structure, conformation, supramolecular order and molecular dynamics of different classes of functional materials (phthalocyanine, perylene and hexa-peri-hexabenzocoronene derivatives and mixtures of those), all having planar aromatic cores modified with various types of alkyl chains. The planar aromatic systems are known to stack in the solid and the liquid-crystalline state due to p-p interactions forming columnar superstructures with high one-dimensional charge carrier mobility and potential application in photovoltaic devices. The different functionalities attached to the aromatic cores significantly influence the behavior of these systems allowing the experimentalists to modify the structures to fine-tune the desired thermotropic properties or charge carrier mobility. The aim of the presented studies was to understand the interplay between the driving forces causing self-assembly by relating the structural and dynamic information about the investigated systems. The supramolecular organization is investigated by applying 1H solid state NMR recoupling techniques. The results are related with DSC and X-ray scattering data. Detailed information about the site-specific molecular dynamics is gained by recording spinning sideband patterns using 1H-1H and 13C-1H solid state NMR recoupling techniques. The determined dipole-dipole coupling constants are then related with the coupling constants of the respective rigid pairs, thus providing local dynamic order parameters for the respective moieties. The investigations presented reveal that in the crystalline state the preferred arrangement in the columnar stack of discotic molecules modified with alkyl chains is tilted. This leads to characteristic differences in the 1H chemical shifts of otherwise chemically equivalent protons. Introducing branches and increasing the length of the alkyl chains results in lower mesophase transitions and disordered columnar stacks. In the liquid-crystalline state some of the discs lose the tilted orientation, others do not, but all start a rapid rotation about the columnar axis.

Magnetization dynamics in spin valves

Key technology applications like magnetoresistive sensors or the Magnetic Random Access Memory (MRAM) require reproducible magnetic switching mechanisms. i.e. predefined remanent states. At the same time advanced magnetic recording schemes push the magnetic switching time into the gyromagnetic regime. According to the Landau-Lifschitz-Gilbert formalism, relevant questions herein are associated with magnetic excitations (eigenmodes) and damping processes in confined magnetic thin film structures.rnObjects of study in this thesis are antiparallel pinned synthetic spin valves as they are extensively used as read heads in today’s magnetic storage devices. In such devices a ferromagnetic layer of high coercivity is stabilized via an exchange bias field by an antiferromagnet. A second hard magnetic layer, separated by a non-magnetic spacer of defined thickness, aligns antiparallel to the first. The orientation of the magnetization vector in the third ferromagnetic NiFe layer of low coercivity - the freelayer - is then sensed by the Giant MagnetoResistance (GMR) effect. This thesis reports results of element specific Time Resolved Photo-Emission Electron Microscopy (TR-PEEM) to image the magnetization dynamics of the free layer alone via X-ray Circular Dichroism (XMCD) at the Ni-L3 X-ray absorption edge.rnThe ferromagnetic systems, i.e. micron-sized spin valve stacks of typically deltaR/R = 15% and Permalloy single layers, were deposited onto the pulse leading centre stripe of coplanar wave guides, built in thin film wafer technology. The ferromagnetic platelets have been applied with varying geometry (rectangles, ellipses and squares), lateral dimension (in the range of several micrometers) and orientation to the magnetic field pulse to study the magnetization behaviour in dependence of these magnitudes. The observation of magnetic switching processes in the gigahertz range became only possible due to the joined effort of producing ultra-short X-ray pulses at the synchrotron source BESSY II (operated in the so-called low-alpha mode) and optimizing the wave guide design of the samples for high frequency electromagnetic excitation (FWHM typically several 100 ps). Space and time resolution of the experiment could be reduced to d = 100 nm and deltat = 15 ps, respectively.rnIn conclusion, it could be shown that the magnetization dynamics of the free layer of a synthetic GMR spin valve stack deviates significantly from a simple phase coherent rotation. In fact, the dynamic response of the free layer is a superposition of an averaged critically damped precessional motion and localized higher order spin wave modes. In a square platelet a standing spin wave with a period of 600 ps (1.7 GHz) was observed. At a first glance, the damping coefficient was found to be independent of the shape of the spin-valve element, thus favouring the model of homogeneous rotation and damping. Only by building the difference in the magnetic rotation between the central region and the outer rim of the platelet, the spin wave becomes visible. As they provide an additional efficient channel for energy dissipation, spin waves contribute to a higher effective damping coefficient (alpha = 0.01). Damping and magnetic switching behaviour in spin valves thus depend on the geometry of the element. Micromagnetic simulations reproduce the observed higher-order spin wave mode.rnBesides the short-run behaviour of the magnetization of spin valves Permalloy single layers with thicknesses ranging from 3 to 40 nm have been studied. The phase velocity of a spin wave in a 3 nm thick ellipse could be determined to 8.100 m/s. In a rectangular structure exhibiting a Landau-Lifschitz like domain pattern, the speed of the field pulse induced displacement of a 90°-Néel wall has been determined to 15.000 m/s.rn

Development of a field method to assess root parasites of woody plants - ecological analyses of the grapevine-phylloxera interaction

The development and the growth of plants is strongly affected by the interactions between roots, rootrnassociated organisms and rhizosphere communities. Methods to assess such interactions are hardly torndevelop particularly in perennial and woody plants, due to their complex root system structure and theirrntemporal change in physiology patterns. In this respect, grape root systems are not investigated veryrnwell. The aim of the present work was the development of a method to assess and predict interactionsrnat the root system of rootstocks (Vitis berlandieri x Vitis riparia) in field. To achieve this aim, grapernphylloxera (Daktulosphaira vitifoliae Fitch, Hemiptera, Aphidoidea) was used as a graperoot parasitizingrnmodel.rnTo develop the methodical approach, a longt-term trial (2006-2009) was arranged on a commercial usedrnvineyard in Geisenheim/Rheingau. All 2 to 8 weeks the top most 20 cm of soil under the foliage wallrnwere investigated and root material was extracted (n=8-10). To include temporal, spatial and cultivarrnspecific root system dynamics, the extracted root material was analyzed digitally on the morphologicalrnproperties. The grape phylloxera population was quantified and characterized visually on base of theirrnlarvalstages (oviparous, non oviparous and winged preliminary stages). Infection patches (nodosities)rnwere characterized visually as well, partly supported by digital root color analyses. Due to the knownrneffects of fungal endophytes on the vitality of grape phylloxera infested grapevines, fungal endophytesrnwere isolated from nodosity and root tissue and characterized (morphotypes) afterwards. Further abioticrnand biotic soil conditions of the vineyards were assessed. The temporal, spatial and cultivar specificrnsensitivity of single parameters were analyzed by omnibus tests (ANOVAs) and adjacent post-hoc tests.rnThe relations between different parameters were analyzed by multiple regression models.rnQuantitative parameters to assess the degeneration of nodosity, the development nodosity attachedrnroots and to differentiate between nodosities and other root swellings in field were developed. Significantrndifferences were shown between root dynamic including parameters and root dynamic ignoringrnparameters. Regarding the description of grape phylloxera population and root system dynamic, thernmethod showed a high temporal, spatial and cultivar specific sensitivity. Further, specific differencesrncould be shown in the frequency of endophyte morphotypes between root and nodosity tissue as wellrnas between cultivars. Degeneration of nodosities as well as nodosity occupation rates could be relatedrnto the calculated abundances of grape phylloxera population. Further ecological questions consideringrngrape root development (e.g. relation between moisture and root development) and grape phylloxerarnpopulation development (e.g. relation between temperature and population structure) could be answeredrnfor field conditions.rnGenerally, the presented work provides an approach to evaluate vitality of grape root systems. Thisrnapproach can be useful, considering the development of control strategies against soilborne pests inrnviticulture (e.g. grape phylloxera, Sorospheara viticola, Roesleria subterranea (Weinm.) Redhaed) as well as considering the evaluation of integrated management systems in viticulture.

Pinning-Effekte kolumnarer Schwerionenspuren in Kuprat-Supraleiter-Dünnschichten

In this work the flux line dynamics in High-Temperature Superconductor (HTSC) thin films in the presence of columnar defects was studied using electronic transport measurements. The columnar defects which are correlated pinning centers for vortices were generated by irradiation with swift heavy ions at the Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt. In the first part, the vortex dynamics is discussed within the framework of the Bose-glass model. This approach describes the continuous transition from a vortex liquid to a Bose-glass phase which is characterized by the localization of the flux lines at the columnar defects. The critical behavior of the characteristic length and time scales for temperatures in the vicinity of this phase transition were probed by scaling properties of experimentally obtained current-voltage characteristics. In contrast to the predicted universal properties of the critical behavior the scaling analysis shows a strong dependence of the dynamic critical exponent on the experimentally accessible electric field range. In addition, the predicted divergence of the activation energy in the limit of low current densities was experimentally not confirmed.The dynamic behavior of flux lines in spatially resolved irradiation geometries is reported in the second part. Weak pinning channels with widths between 10 µm and 100 µm were generated in a strong pinning environment with the use of metal masks and the GSI microprobe, respectively. Measurements of the anisotropic transport properties of these structures show a striking resemblance to the results in YBCO single crystals with unidirected twin boundaries which were interpreted as a guided vortex motion effect. The use of two additional test bridges allowed to determine in parallel the resistivities of the irradiated and unirradiated parts as well as the respective current-voltage characteristics. These measurements provided the input parameters for a numerical simulation of the potential distribution in the spatially resolved irradiation geometry. The results are interpreted within a model that describes the hydrodynamic interaction between a Bose-glass phase and a vortex liquid. The interface between weakly pinned flux lines in the unirradiated channels and strongly pinned vortices leads to a nonuniform vortex velocity profile and therefore a variation of the local electric field. The length scale of these interactions was estimated for the first time in measuring the local variation of the electric field profile in a Bose-glass contact.Finally, a method for the determination of the true temperature in HTSC thin films at high dissipation levels is described. In this regime of electronic transport the occurrence of a flux flow instability is accompanied by heating effects in the vortex system. The heat propagation properties of the film/substrate system are deduced from the time dependent voltage response to a short high current density pulse of rectangular shape. The influence of heavy ion irradiation on the heat resistance at the film/substrate interface is studied.

Untersuchung zur Bestimmung quantitativer Parameter der Lungenventilation mittels CT und MRT

Die zuverlässige Berechnung von quantitativen Parametern der Lungenventilation ist für ein Verständnis des Verhaltens der Lunge und insbesondere für die Diagnostik von Lungenerkrankungen von großer Bedeutung. Nur durch quantitative Parameter sind verlässliche und reproduzierbare diagnostische Aussagen über den Gesundheitszustand der Lunge möglich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue quantitative Verfahren zur Erfassung der Lungenventilation basierend auf der dynamischen Computer- (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT) entwickelt. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die Frage untersucht, ob das Aufblähen der Lunge in gesunden Schweinelungen und Lungen mit Akutem Lungenversagen (ARDS) durch einzelne, diskrete Zeitkonstanten beschrieben werden kann, oder ob kontinuierliche Verteilungen von Zeitkonstanten die Realität besser beschreiben. Hierzu wurden Serien dynamischer CT-Aufnahmen während definierter Beatmungsmanöver (Drucksprünge) aufgenommen und anschließend aus den Messdaten mittels inverser Laplace-Transformation die zugehörigen Verteilungen der Zeitkonstanten berechnet. Um die Qualität der Ergebnisse zu analysieren, wurde der Algorithmus im Rahmen von Simulationsrechnungen systematisch untersucht und anschließend in-vivo an gesunden und ARDS-Schweinelungen eingesetzt. Während in den gesunden Lungen mono- und biexponentielle Verteilungen bestimmt wurden, waren in den ARDS-Lungen Verteilungen um zwei dominante Zeitkonstanten notwendig, um die gemessenen Daten auf der Basis des verwendeten Modells verlässlich zu beschreiben. Es wurden sowohl diskrete als auch kontinuierliche Verteilungen gefunden. Die CT liefert Informationen über das solide Lungengewebe, während die MRT von hyperpolarisiertem 3He in der Lage ist, direkt das eingeatmete Gas abzubilden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde zeitlich hochaufgelöst das Einströmen eines 3He-Bolus in die Lunge erfasst. Über eine Entfaltungsanalyse wurde anschließend das Einströmverhalten unter Idealbedingungen (unendlich kurzer 3He-Bolus), also die Gewebeantwortfunktion, berechnet und so eine Messtechnik-unabhängige Erfassung des Einströmens von 3He in die Lunge ermöglicht. Zentrale Fragestellung war hier, wie schnell das Gas in die Lunge einströmt. Im Rahmen von Simulationsrechnungen wurde das Verhalten eines Entfaltungsalgorithmus (basierend auf B-Spline Repräsentationen) systematisch analysiert. Zusätzlich wurde ein iteratives Entfaltungsverfahren eingesetzt. Aus zeitlich hochaufgelösten Messungen (7ms) an einer gesunden und einer ARDS-Schweinelunge konnte erstmals nachgewiesen werden, dass das Einströmen in-vivo in weniger als 0,1s geschieht. Die Ergebnisse zeigen Zeitkonstanten im Bereich von 4ms–50ms, wobei zwischen der gesunden Lungen und der ARDS-Lunge deutliche Unterschiede beobachtet wurden. Zusammenfassend ermöglichen daher die in dieser Arbeit vorgestellten Algorithmen eine objektivere Bestimmung quantitativer Parameter der Lungenventilation. Dies ist für die eindeutige Beschreibung ventilatorischer Vorgänge in der Lunge und somit für die Lungendiagnostik unerlässlich. Damit stehen quantitative Methoden für die Lungenfunktionsdiagnostik zur Verfügung, deren diagnostische Relevanz im Rahmen wissenschaftlicher und klinischer Studien untersucht werden kann.

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.

Molecular dynamics simulations of sheared brush-like systems

Mit Hilfe von Molekulardynamik-Simulationen untersuchen wir bürstenartige Systeme unter guten Lösungsmittelbedingungen. Diese Systeme sind, dank ihren vielfältigen Beschaffenheiten, die von Molekularparametern und äußeren Bedingungen abhängig sind, wichtig für viele industrielle Anwendungen. Man vermutet, dass die Polymerbürsten eine entscheidende Rolle in der Natur wegen ihrer einzigartigen Gleiteigenschaften spielen. Ein vergröbertes Modell wird verwendet, um die strukturellen und dynamischen Eigenschaften zweier hochkomprimierter Polymerbürsten, die eine niedrige Reibung aufweisen, zu untersuchen. Allerdings sind die Lubrikationseigenschaften dieser Systeme, die in vielen biologischen Systemen vorhanden sind, beeinflußt. Wir untersuchen so-genannte "weiche Kolloide", die zwischen den beiden Polymerbürsten eingebettet sind, und wie diese Makroobjekte auf die Polymerbürsten wirken.rnrnNicht-Gleichgewichts-Molekulardynamik-Simulationen werden durchgeführt, in denen die hydrodynamischen Wechselwirkungen durch die Anwendung des DPD-Thermostaten mit expliziten Lösungsmittelmolekülen berücksichtigt werden. Wir zeigen, dass die Kenntnis der Gleichgewichtseigenschaften des Systems erlaubt, dynamische Nichtgleichgewichtsigenschaften der Doppelschicht vorherzusagen.rnrnWir untersuchen, wie die effektive Wechselwirkung zwischen kolloidalen Einschlüßen durch die Anwesenheit der Bürsten (in Abhängigkeit der Weichheit der Kolloide und der Pfropfdichte der Bürsten) beeinflußt wird. Als nächsten Schritt untersuchen wir die rheologische Antwort von solchen komplexen Doppelschichten auf Scherung. Wir entwickeln eine Skalen-Theorie, die die Abhängigkeit der makroskopischen Transporteigenschaften und der lateralen Ausdehnung der verankerten Ketten von der Weissenberg Zahl oberhalb des Bereichs, in dem die lineare Antwort-Theorie gilt, voraussagt. Die Vorhersagen der Theorie stimmen gut mit unseren und früheren numerischen Ergebnissen und neuen Experimenten überein. Unsere Theorie bietet die Möglichkeit, die Relaxationszeit der Doppelschicht zu berechnen. Wenn diese Zeit mit einer charakteristischen Längenskala kombiniert wird, kann auch das ''transiente'' (nicht-stationäre) Verhalten beschrieben werden.rnrnrnWir untersuchen die Antwort des Drucktensors und die Deformation der Bürsten während der Scherinvertierung für grosse Weissenberg Zahlen. Wir entwickeln eine Vorhersage für die charakteristische Zeit, nach der das System wieder den stationären Zustand erreicht.rnrnrnElektrostatik spielt eine bedeutende Rolle in vielen biologischen Prozessen. Die Lubrikationseigenschaften der Polymerbürsten werden durch die Anwesenheit langreichweitiger Wechselwirkungen stark beeinflusst. Für unterschiedliche Stärken der elektrostatischen Wechselwirkungen untersuchen wir rheologische Eigenschaften der Doppelschicht und vergleichen mit neutralen Systemen. Wir studieren den kontinuierlichen Übergang der Systemeigenschaften von neutralen zu stark geladenen Bürsten durch Variation der Bjerrumlänge und der Ladungsdichte.

Hundertneunundzwanzig Xe NMR for investigations of complex and dynamic systems

In this work, the remarkable versatility and usefulness of applications of Xe-129 NMR experiments is further extended. The application of Xe-129 NMR spectroscopy to very different system is studied, including dynamic and static, solid and liquid, porous and non-porous systems. Using the large non-equilibrium polarization created by hyperpolarization of Xe-129, time-resolved NMR measurements can be used for the online-monitoring of dynamic systems. In the first part of this work, several improvements for medical applications of hyperpolarized Xe-129 are achieved and their feasibility shown experimentally. A large gain in speed and reproducibility of the accumulation process of Xe-129 as ice and an enhancement of the usable polarization in any experiment requiring prior accumulation are achieved. An enhancement of the longitudinal relaxation time of Xe-129 is realized by admixture of a buffer gas during the storage of hyperpolarized Xe-129. Pursuing the efforts of simplifying the accumulation process and enhancing the storage time of hyperpolarized Xe-129 will allow for a wider use of the hyperpolarized gas in (medical) MRI experiments. Concerning the use of hyperpolarized Xe-129 in MRI, the influence of the diffusion coefficient of the gas on parameters of the image contrast is experimentally demonstrated here by admixture of a buffer gas and thus changing the diffusion coefficient. In the second part of this work, a polymer system with unique features is probed by Xe-129 NMR spectroscopy, proving the method to be a valuable tool for the characterization of the anisotropic properties of semicrystalline, syndiotactic polystyrene films. The polymer films contain hollow cavities or channels with sizes in the sub-nanometer range, allowing for adsorption of Xe-129 and subsequent NMR measurements. Despite the use of a ’real-world’ system, the transfer of the anisotropic properties from the material to adsorbed Xe-129 atoms is shown, which was previously only known for fully crystalline materials. The anisotropic behavior towards atomar guests inside the polymer films is proven here for the first time for one of the phases. For the polymer phase containing nanochannels, the dominance of interactions between Xe-129 atoms in the channels compared to interactions between Xe atoms and the channel walls are proven by measurements of a powder sample of the polymer material and experiments including the rotation of the films in the external magnetic field as well as temperature-dependent measurements. The characterization of ’real-world’ systems showing very high degrees of anisotropy by Xe-129 are deemed to be very valuable in future applications. In the last part of this work, a new method for the online monitoring of chemical reactions has been proposed and its feasibility and validity are experimentally proven. The chemical shift dependence of dissolved Xe-129 on the composition of a reaction mixture is used for the online monitoring of free-radical miniemulsion polymerization reactions. Xe-129 NMR spectroscopy provides an excellent method for the online monitoring of polymerization reactions, due to the simplicity of the Xe-129 NMR spectra and the simple relationship between the Xe-129 chemical shift and the reaction conversion. The results of the time-resolved Xe-129 NMR measurements are compared to those from calorimetric measurements, showing a good qualitative agreement. The applicability of the new method to reactions other than polymerization reactions is investigated by the online monitoring of an enzymatic reaction in a miniemulsion. The successful combination of the large sensitivity of Xe-129, the NMR signal enhancements due to hyperpolarization, and the solubility of Xe-129 gives access to the large new field of investigations of chemical reaction kinetics in dynamic and complex systems like miniemulsions.

Bestimmung thermischer Untergrundparameter in Erdwärmesondenfeldern und Evaluierung tiefenaufgelöster Thermal-Response-Tests durch thermohydraulische Modellierungen

Die oberflächennahe Geothermie leistet im Bereich der Nutzung regenerativer Wärme einen wichtigen Beitrag zum Klima- und Umweltschutz. Um die technische Nutzung oberflächennaher Geothermie zu optimieren, ist die Kenntnis der Beschaffenheit des geologischen Untergrundes ausschlaggebend. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Bestimmung verschiedener Untergrundparameter an einem Erdwärmesondenfeld. Es wurden Untersuchungen zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit wie der enhanced Thermal Response Test (eTRT), sowie eine Untergrund-Temperaturüberwachung im ersten Betriebsjahr durchgeführt. Die Überwachung zeigte keine gegenseitige Beeinflussung einzelner Sonden. Ein Vergleich zwischen dem geplanten und dem tatsächlichem Wärmebedarf des ersten Betriebsjahres ergab eine Abweichung von ca. 35%. Dies zeigt, dass die Nutzungsparameter der Anlage deren Effizienz maßgeblich beeinflussen können. Der am Beispielobjekt praktisch durchgeführte eTRT wurde mittels numerischer Modellierung auf seine Reproduzierbarkeit hin überprüft. Bei einem rein konduktiven Wärmetransport im Untergrund betrug die maximale Abweichung der Messung selbst unter ungünstigen Bedingungen lediglich ca. 6% vom zu erwartenden Wert. Die Detektion von grundwasserdurchflossenen Schichten ist in den Modellen ebenfalls gut abbildbar. Problematisch bleibt die hohe Abhängigkeit des Tests von einer konstanten Wärmezufuhr. Lediglich die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit über das Relaxationsverhalten des Untergrundes liefert bei Wärmeeintragsschwankungen hinreichend genaue Ergebnisse. Die mathematische Nachbearbeitung von fehlerhaften Temperaturkurven bietet einen Einstiegspunkt für weiterführende Forschung.

Dynamic development of hydrofractures

Natürliche hydraulische Bruchbildung ist in allen Bereichen der Erdkruste ein wichtiger und stark verbreiteter Prozess. Sie beeinflusst die effektive Permeabilität und Fluidtransport auf mehreren Größenordnungen, indem sie hydraulische Konnektivität bewirkt. Der Prozess der Bruchbildung ist sowohl sehr dynamisch als auch hoch komplex. Die Dynamik stammt von der starken Wechselwirkung tektonischer und hydraulischer Prozesse, während sich die Komplexität aus der potentiellen Abhängigkeit der poroelastischen Eigenschaften von Fluiddruck und Bruchbildung ergibt. Die Bildung hydraulischer Brüche besteht aus drei Phasen: 1) Nukleation, 2) zeitabhängiges quasi-statisches Wachstum so lange der Fluiddruck die Zugfestigkeit des Gesteins übersteigt, und 3) in heterogenen Gesteinen der Einfluss von Lagen unterschiedlicher mechanischer oder sedimentärer Eigenschaften auf die Bruchausbreitung. Auch die mechanische Heterogenität, die durch präexistierende Brüche und Gesteinsdeformation erzeugt wird, hat großen Einfluß auf den Wachstumsverlauf. Die Richtung der Bruchausbreitung wird entweder durch die Verbindung von Diskontinuitäten mit geringer Zugfestigkeit im Bereich vor der Bruchfront bestimmt, oder die Bruchausbreitung kann enden, wenn der Bruch auf Diskontinuitäten mit hoher Festigkeit trifft. Durch diese Wechselwirkungen entsteht ein Kluftnetzwerk mit komplexer Geometrie, das die lokale Deformationsgeschichte und die Dynamik der unterliegenden physikalischen Prozesse reflektiert. rnrnNatürliche hydraulische Bruchbildung hat wesentliche Implikationen für akademische und kommerzielle Fragestellungen in verschiedenen Feldern der Geowissenschaften. Seit den 50er Jahren wird hydraulisches Fracturing eingesetzt, um die Permeabilität von Gas und Öllagerstätten zu erhöhen. Geländebeobachtungen, Isotopenstudien, Laborexperimente und numerische Analysen bestätigen die entscheidende Rolle des Fluiddruckgefälles in Verbindung mit poroelastischen Effekten für den lokalen Spannungszustand und für die Bedingungen, unter denen sich hydraulische Brüche bilden und ausbreiten. Die meisten numerischen hydromechanischen Modelle nehmen für die Kopplung zwischen Fluid und propagierenden Brüchen vordefinierte Bruchgeometrien mit konstantem Fluiddruck an, um das Problem rechnerisch eingrenzen zu können. Da natürliche Gesteine kaum so einfach strukturiert sind, sind diese Modelle generell nicht sonderlich effektiv in der Analyse dieses komplexen Prozesses. Insbesondere unterschätzen sie die Rückkopplung von poroelastischen Effekten und gekoppelte Fluid-Festgestein Prozesse, d.h. die Entwicklung des Porendrucks in Abhängigkeit vom Gesteinsversagen und umgekehrt.rnrnIn dieser Arbeit wird ein zweidimensionales gekoppeltes poro-elasto-plastisches Computer-Model für die qualitative und zum Teil auch quantitativ Analyse der Rolle lokalisierter oder homogen verteilter Fluiddrücke auf die dynamische Ausbreitung von hydraulischen Brüchen und die zeitgleiche Evolution der effektiven Permeabilität entwickelt. Das Programm ist rechnerisch effizient, indem es die Fluiddynamik mittels einer Druckdiffusions-Gleichung nach Darcy ohne redundante Komponenten beschreibt. Es berücksichtigt auch die Biot-Kompressibilität poröser Gesteine, die implementiert wurde um die Kontrollparameter in der Mechanik hydraulischer Bruchbildung in verschiedenen geologischen Szenarien mit homogenen und heterogenen Sedimentären Abfolgen zu bestimmen. Als Resultat ergibt sich, dass der Fluiddruck-Gradient in geschlossenen Systemen lokal zu Störungen des homogenen Spannungsfeldes führen. Abhängig von den Randbedingungen können sich diese Störungen eine Neuausrichtung der Bruchausbreitung zur Folge haben kann. Durch den Effekt auf den lokalen Spannungszustand können hohe Druckgradienten auch schichtparallele Bruchbildung oder Schlupf in nicht-entwässerten heterogenen Medien erzeugen. Ein Beispiel von besonderer Bedeutung ist die Evolution von Akkretionskeilen, wo die große Dynamik der tektonischen Aktivität zusammen mit extremen Porendrücken lokal starke Störungen des Spannungsfeldes erzeugt, die eine hoch-komplexe strukturelle Entwicklung inklusive vertikaler und horizontaler hydraulischer Bruch-Netzwerke bewirkt. Die Transport-Eigenschaften der Gesteine werden stark durch die Dynamik in der Entwicklung lokaler Permeabilitäten durch Dehnungsbrüche und Störungen bestimmt. Möglicherweise besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Bildung von Grabenstrukturen und großmaßstäblicher Fluid-Migration. rnrnDie Konsistenz zwischen den Resultaten der Simulationen und vorhergehender experimenteller Untersuchungen deutet darauf hin, dass das beschriebene numerische Verfahren zur qualitativen Analyse hydraulischer Brüche gut geeignet ist. Das Schema hat auch Nachteile wenn es um die quantitative Analyse des Fluidflusses durch induzierte Bruchflächen in deformierten Gesteinen geht. Es empfiehlt sich zudem, das vorgestellte numerische Schema um die Kopplung mit thermo-chemischen Prozessen zu erweitern, um dynamische Probleme im Zusammenhang mit dem Wachstum von Kluftfüllungen in hydraulischen Brüchen zu untersuchen.

Synthesis and application of stimuli responsive tunable systems based on physical interactions

Novel single step synthetic procedure for hydrophobically modified alkali soluble latexes (HASE) via a miniemulsion-analogous method is presented. This facile method simplifies the copolymerization of the monomers with basically “opposite” character in terms of their hydrophilic/hydrophobic nature, which represent one of the main challenges in water based systems. Considered systems do not represent classical miniemulsions due to a high content of water soluble monomers. However, the polymerization mechanism was found to be rather similar to miniemulsion polymerization process.rnThe influence of the different factors on the system stability has been investigated. The copolymerization behavior studies typically showed strong composition drifts during copolymerization. It was found that the copolymer composition drift can be suppressed via changing the initial monomer ratio.rnThe neutralization behavior of the obtained HASE systems was investigated via potentiometric titration. The rheological behavior of the obtained systems as a function of the different parameters, such as pH, composition (ultrahydrophobe content) and additive type and content has also been investigated.rnDetailed investigation of the storage and loss moduli, damping factor and the crossover frequencies of the samples showed that at the initial stages of the neutralization the systems show microgel-like behavior.rnThe dependence of the rheological properties on the content and the type of the ultrahydrophobe showed that the tuning of the mechanical properties can be easily achieved via minor (few percent) but significant changes in the content of the latter. Besides, changing the hydrophobicity of the ultrahydrophobe via increasing the carbon chain length represents another simple method for achieving the same results.rnThe influence of amphiphilic additives (especially alcohols) on the rheological behavior of the obtained systems has been studied. An analogy was made between micellation of surfactants and the formation of hydrophobic domains between hydrophobic groups of the polymer side chain.rnDilution induced viscosity reduction was investigated in different systems, without or with different amounts or types of the amphiphilic additive. Possibility of the controlled response to dilution was explored. It was concluded that the sensitivity towards dilution can be reduced, and in extreme cases even the increase of the dynamic modulus can be observed, which is of high importance for the setting behavior of the adhesive material.rnIn the last part of this work, the adhesive behavior of the obtained HASE systems was investigated on different substrates (polypropylene and glass) for the standard labeling paper. Wet tack and setting behavior was studied and the trends for possible applications have been evaluated.rnThe novel synthetic procedure, investigation of rheological properties and the possibility of the tuning via additives, investigated in this work create a firm background for the development of the HASE based adhesives as well as rheology modifiers with vast variety of possible applications due to ease of tuning the mechanical and rheological properties of the systems.