Enhancement of Nematic Order and Global Phase Diagram of a Lattice Model for Coupled Nematic Systems

We use an infinite-range Maier-Saupe model, with two sets of local quadrupolar variables and restricted orientations, to investigate the global phase diagram of a coupled system of two nematic subsystems. The free energy and the equations of state are exactly calculated by standard techniques of statistical mechanics. The nematic-isotropic transition temperature of system A increases with both the interaction energy among mesogens of system B, and the two-subsystem coupling J. This enhancement of the nematic phase is manifested in a global phase diagram in terms of the interaction parameters and the temperature T. We make some comments on the connections of these results with experimental findings for a system of diluted ferroelectric nanoparticles embedded in a nematic liquid-crystalline environment.

Hero's journey in bifurcation diagram

The hero's journey is a narrative structure identified by several authors in comparative studies on folklore and mythology. This storytelling template presents the stages of inner metamorphosis undergone by the protagonist after being called to an adventure. In a simplified version, this journey is divided into three acts separated by two crucial moments. Here we propose a discrete-time dynamical system for representing the protagonist's evolution. The suffering along the journey is taken as the control parameter of this system. The bifurcation diagram exhibits stationary, periodic and chaotic behaviors. In this diagram, there are transition from fixed point to chaos and transition from limit cycle to fixed point. We found that the values of the control parameter corresponding to these two transitions are in quantitative agreement with the two critical moments of the three-act hero's journey identified in 10 movies appearing in the list of the 200 worldwide highest-grossing films. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Milky Way demographics with the VVV survey I. The 84-million star colour-magnitude diagram of the Galactic bulge

Context. The Milky Way (MW) bulge is a fundamental Galactic component for understanding the formation and evolution of galaxies, in particular our own. The ESO Public Survey VISTA Variables in the Via Lactea is a deep near-IR survey mapping the Galactic bulge and southern plane. Particularly for the bulge area, VVV is covering similar to 315 deg(2). Data taken during 2010 and 2011 covered the entire bulge area in the JHKs bands. Aims. We used VVV data for the whole bulge area as a single and homogeneous data set to build for the first time a single colour-magnitude diagram (CMD) for the entire Galactic bulge. Methods. Photometric data in the JHK(s) bands were combined to produce a single and huge data set containing 173 150 467 sources in the three bands, for the similar to 315 deg(2) covered by VVV in the bulge. Selecting only the data points flagged as stellar, the total number of sources is 84 095 284. Results. We built the largest colour-magnitude diagrams published up to date, containing 173.1+ million sources for all data points, and more than 84.0 million sources accounting for the stellar sources only. The CMD has a complex shape, mostly owing to the complexity of the stellar population and the effects of extinction and reddening towards the Galactic centre. The red clump (RC) giants are seen double in magnitude at b similar to -8 degrees-10 degrees, while in the inner part (b similar to -3 degrees) they appear to be spreading in colour, or even splitting into a secondary peak. Stellar population models show the predominance of main-sequence and giant stars. The analysis of the outermost bulge area reveals a well-defined sequence of late K and M dwarfs, seen at (J - K-s) similar to 0.7-0.9 mag and K-s greater than or similar to 14 mag. Conclusions. The interpretation of the CMD yields important information about the MW bulge, showing the fingerprint of its structure and content. We report a well-defined red dwarf sequence in the outermost bulge, which is important for the planetary transit searches of VVV. The double RC in magnitude seen in the outer bulge is the signature of the X-shaped MW bulge, while the spreading of the RC in colour, and even its splitting into a secondary peak, are caused by reddening effects. The region around the Galactic centre is harder to interpret because it is strongly affected by reddening and extinction.

Microemulsion: prediction of the phase diagram with a modified Helfrich free energy

Microemulsions are thermodynamically stable, macroscopically homogeneous but microscopically heterogeneous, mixtures of water and oil stabilised by surfactant molecules. They have unique properties like ultralow interfacial tension, large interfacial area and the ability to solubilise other immiscible liquids. Depending on the temperature and concentration, non-ionic surfactants self assemble to micelles, flat lamellar, hexagonal and sponge like bicontinuous morphologies. Microemulsions have three different macroscopic phases (a) 1phase- microemulsion (isotropic), (b) 2phase-microemulsion coexisting with either expelled water or oil and (c) 3phase- microemulsion coexisting with expelled water and oil.rnrnOne of the most important fundamental questions in this field is the relation between the properties of the surfactant monolayer at water-oil interface and those of microemulsion. This monolayer forms an extended interface whose local curvature determines the structure of the microemulsion. The main part of my thesis deals with the quantitative measurements of the temperature induced phase transitions of water-oil-nonionic microemulsions and their interpretation using the temperature dependent spontaneous curvature [c0(T)] of the surfactant monolayer. In a 1phase- region, conservation of the components determines the droplet (domain) size (R) whereas in 2phase-region, it is determined by the temperature dependence of c0(T). The Helfrich bending free energy density includes the dependence of the droplet size on c0(T) as

Variational Monte Carlo study of the hydrogen electronic structure at ultra-high pressure

Die causa finalis der vorliegenden Arbeit ist das Verständnis des Phasendiagramms von Wasserstoff bei ultrahohen Drücken, welche von nichtleitendem H2 bis hin zu metallischem H reichen. Da die Voraussetzungen für ultrahohen Druck im Labor schwer zu schaffen sind, bilden Computersimulationen ein wichtiges alternatives Untersuchungsinstrument. Allerdings sind solche Berechnungen eine große Herausforderung. Eines der größten Probleme ist die genaue Auswertung des Born-Oppenheimer Potentials, welches sowohl für die nichtleitende als auch für die metallische Phase geeignet sein muss. Außerdem muss es die starken Korrelationen berücksichtigen, die durch die kovalenten H2 Bindungen und die eventuellen Phasenübergänge hervorgerufen werden. Auf dieses Problem haben unsere Anstrengungen abgezielt. Im Kontext von Variationellem Monte Carlo (VMC) ist die Shadow Wave Function (SWF) eine sehr vielversprechende Option. Aufgrund ihrer Flexibilität sowohl lokalisierte als auch delokalisierte Systeme zu beschreiben sowie ihrer Fähigkeit Korrelationen hoher Ordnung zu berücksichtigen, ist sie ein idealer Kandidat für unsere Zwecke. Unglücklicherweise bringt ihre Formulierung ein Vorzeichenproblem mit sich, was die Anwendbarkeit limitiert. Nichtsdestotrotz ist es möglich diese Schwierigkeit zu umgehen indem man die Knotenstruktur a priori festlegt. Durch diesen Formalismus waren wir in der Lage die Beschreibung der Elektronenstruktur von Wasserstoff signifikant zu verbessern, was eine sehr vielversprechende Perspektive bietet. Während dieser Forschung haben wir also die Natur des Vorzeichenproblems untersucht, das sich auf die SWF auswirkt, und dabei ein tieferes Verständnis seines Ursprungs erlangt. Die vorliegende Arbeit ist in vier Kapitel unterteilt. Das erste Kapitel führt VMC und die SWF mit besonderer Ausrichtung auf fermionische Systeme ein. Kapitel 2 skizziert die Literatur über das Phasendiagramm von Wasserstoff bei ultrahohem Druck. Das dritte Kapitel präsentiert die Implementierungen unseres VMC Programms und die erhaltenen Ergebnisse. Zum Abschluss fasst Kapitel 4 unsere Bestrebungen zur Lösung des zur SWF zugehörigen Vorzeichenproblems zusammen.

How different is water crystallization from polymer crystallization under confinement?

Ziel der vorliegenden Dissertation war es, Einblicke in das Kristallisationsverhalten weicher Materie („soft matter“), wie verschiedener Polymere oder Wasser, unter räumlicher Einschränkung („confinement“) zu erlangen. Dabei sollte untersucht werden, wie, weshalb und wann die Kristallisation in nanoporösen Strukturen eintritt. Desweiteren ist Kristallisation weicher Materie in nanoporösen Strukturen nicht nur aus Aspekten der Grundlagenforschung von großem Interesse, sondern es ergeben sich zahlreiche praktische Anwendungen. Durch die gezielte Steuerung der Kristallinität von Polymeren könnten somit Materialien mit verschiendenen mechanischen und optischen Eigenschaften erhalten werden. Desweiteren wurde auch räumlich eingeschränktes Wasser untersucht. Dieses spielt eine wichtige Rolle in der Molekularbiologie, z.B. für das globuläre Protein, und als Wolkenkondensationskeime in der Atmosphärenchemie und Physik. Auch im interstellaren Raum ist eingeschränktes Wasser in Form von Eispartikeln anzutreffen. Die Kristallisation von eingeschränktem Wasser zu verstehen und zu beeinflussen ist letztlich auch für die Haltbarkeit von Baumaterialien wie etwa Zement von großem Interesse.rnUm dies zu untersuchen wird Wasser in der Regel stark abgekühlt und das Kristallisationsverhalten in Abhängigkeit des Volumens untersucht. Dabei wurde beobachtet, dass Mikro- bzw. Nanometer große Volumina erst ab -38 °C bzw. -70 °C kristallisieren. Wasser unterliegt dabei in der Regel dem Prozess der homogenen Nukleation. In der Regel gefriert Wasser aber bei höheren Temperaturen, da durch Verunreinigungen eine vorzeitige, heterogene Nukleation eintritt.rnDie vorliegende Arbeit untersucht die sachdienlichen Phasendiagramme von kristallisierbaren Polymeren und Wasser unter räumlich eingeschränkten Bedingungen. Selbst ausgerichtetes Aluminiumoxid (AAO) mit Porengrößen im Bereich von 25 bis 400 nm wurden als räumliche Einschränkung sowohl für Polymere als auch für Wasser gewählt. Die AAO Nanoporen sind zylindrisch und parallel ausgerichtet. Außerdem besitzen sie eine gleichmäßige Porenlänge und einen gleichmäßigen Durchmesser. Daher eignen sie sich als Modelsystem um Kristallisationsprozesse unter wohldefinierter räumlicher Einschränkung zu untersuchen.rnEs wurden verschiedene halbkristalline Polymere verwendet, darunter Poly(ethylenoxid), Poly(ɛ-Caprolacton) und Diblockcopolymere aus PEO-b-PCL. Der Einfluss der Porengröße auf die Nukleation wurde aus verschiedenen Gesichtspunkten untersucht: (i) Einfluss auf den Nukleationmechanismus (heterogene gegenüber homogener Nukleation), (ii) Kristallorientierung und Kristallinitätsgrad und (iii) Zusammenhang zwischen Kristallisationstemperatur bei homogener Kristallisation und Glasübergangstemperatur.rnEs konnte gezeigt werden, dass die Kristallisation von Polymeren in Bulk durch heterogene Nukleation induziert wird und das die Kristallisation in kleinen Poren hauptsächlich über homogene Nukleation mit reduzierter und einstellbarer Kristallinität verläuft und eine hohe Kristallorientierung aufweist. Durch die AAOs konnte außerdem die kritische Keimgröße für die Kristallisation der Polymere abgeschätzt werden. Schließlich wurde der Einfluss der Polydispersität, von Oligomeren und anderen Zusatzstoffen auf den Nukleationsmechanismus untersucht.rn4rnDie Nukleation von Eis wurde in den selben AAOs untersucht und ein direkter Zusammenhang zwischen dem Nukleationstyp (heterogen bzw. homogen) und der gebildeten Eisphase konnte beobachtet werden. In größeren Poren verlief die Nukleation heterogen, wohingegen sie in kleineren Poren homogen verlief. Außerdem wurde eine Phasenumwandlung des Eises beobachtet. In den größeren Poren wurde hexagonales Eis nachgewiesen und unter einer Porengröße von 35 nm trat hauptsächlich kubisches Eis auf. Nennenswerter Weise handelte es sich bei dem kubischem Eis nicht um eine metastabile sondern eine stabile Phase. Abschließend wird ein Phasendiagramm für räumlich eingeschränktes Wasser vorgeschlagen. Dieses Phasendiagramm kann für technische Anwendungen von Bedeutung sein, so z.B. für Baumaterial wie Zement. Als weiteres Beispiel könnten AAOs, die die heterogene Nukleation unterdrücken (Porendurchmesser ≤ 35 nm) als Filter für Reinstwasser zum Einsatz kommen.rnNun zur Anfangs gestellten Frage: Wie unterschiedlich sind Wasser und Polymerkristallisation voneinander unter räumlicher Einschränkung? Durch Vergleich der beiden Phasendiagramme kommen wir zu dem Schluss, dass beide nicht fundamental verschieden sind. Dies ist zunächst verwunderlich, da Wasser ein kleines Molekül ist und wesentlich kleiner als die kleinste Porengröße ist. Wasser verfügt allerdings über starke Wasserstoffbrückenbindungen und verhält sich daher wie ein Polymer. Daher auch der Name „Polywasser“.

A Simple Visual Demonstration of Phase Diagram Concepts for an Introductory Materials Science Course Using Colored Solvents

A simple and effective demonstration to help students comprehend phase diagrams and understand phase equilibria and transformations is created using common chemical solvents available in the laboratory. Common misconceptions surrounding phase diagram operations, such as components versus phases, reversibility of phase transformations, and the lever rule are addressed. Three different binary liquid mixtures of varying compatibility create contrastive phase equilibrium cases, where colorful dyes selectively dissolved in each of corresponding phases allow for quick and unambiguous perceptions of solubility limit and phase transformations. Direct feedback and test scores from a group of students show evidence of the effectiveness of the visual and active teaching tool.

Alternative DNA base-pairs: from efforts to expand the genetic code to potential material applications

The complementary Watson-Crick base-pairs, A:T and G:C, have long been recognized as pivotal to both the stability of the DNA double helix and replication/transcription. Recently, the replacement of the Watson-Crick base-pairs with other molecular entities has received considerable attention. In this tutorial review we highlight different approaches used to replace natural base-pairs and equip them with novel function. We also discuss the advantages that non-natural base-pairs convey with respect to practical applications.

Assessing success of forest restoration efforts in degraded montane cloud forests in southern Mexico

Montane cloud forests are home to great biodiversity. However, non-sustainable anthropogenic activities have led to the loss of forest cover in southern Mexico. Increasing conservation, restoration and sustainable use of forest resources prevents the loss of cloud forests. In this study, success of forest restoration was evaluated in a degraded forest of Highlands Chiapas. The goal of this study was to assess the structure and composition of native tree species. We evaluated vegetation composition at three sites that had undergone enrichment plantings. Floristic composition and structure of the herbaceous, seedling, sapling, and overstory layers were measured. A total of sixty-six native tree species were recorded. Enrichment planting was found to have increased tree diversity. Moreover, 54% of the planted species were found in the understory, indicating that they were successfully recruiting. In conclusion, enrichment planting can aid in the conservation of forest cover in degraded areas.

An Investigation Into the Adaption of the Induction Furnace for Determining the Equilibrim Diagram of the System Cu2S-FeS

This investigation was started in an effort to find an accurate and efficient method of determining the freezing points of ferrous and cuprous sulphides, mixtures of the two substances, and from this to establish the liquidus line of the equilibrium dia­gram.