Untersuchungen über das Schalten photochromer Indolinospirobenzopyrane

Zusammenfassung Im Rahmen dieser Arbeit wurden grundlegende Aspekte der Photomodulation der Aktivität von Biomolekülen behandelt. Im ersten Teil der Arbeit wurde ein Weg ausgearbeitet, photochrome Indolinospirobenzopyrane kovalent an Immunoglobulin G zu koppeln. Dazu wurde ein vollständig wässriges Verfahren entwickelt, was die Synthese eines noch nicht in der Literatur beschriebenen wasserlöslichen und gleichzeitig zur Kopplung befähigten Indolinospirobenzopyrans voraussetzte. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigte sich mit der spektroskopischen Charakterisierung einer Reihe von photochromen Indolinospirobenzopyranen. Zur Untersuchung der Kinetik des Schaltprozesses wurde die zeitaufgelöste, transiente Absorptionsspektroskopie eingesetzt. Die erhaltenen Daten wurden vor dem Hintergrund von in der Literatur postulierten Schaltmechanismen kontrovers diskutiert. Darüber hinaus wurden mit Hilfe der elektrooptischen Absorptionsmessung die Dipolmomente im Grundzustand und im ersten angeregten Zustand für eine Reihe von Indolinospirobenzopyranen bestimmt. Zur Durchführung der Messungen wurde die bestehende Apparatur zu Messung von photochromen Verbindungen im photostationären Gleichgewicht erweitert. Erwartungsgemäß wurden für die Merocyaninformen sehr große Dipolmomente um 18 Debye gefunden. Das Dipolmoment im ersten angeregten Zustand betrug dagegen nur etwa 12 Debye. Im Fall der Spiroformen war das Dipolmoment im Grundzustand klein (3-5 Debye), während es im ersten angeregten Zustand auf etwa 20 D anstieg.

Synthese und photophysikalische Eigenschaften funktionalisierter 1-Oligoalkinylamide

Synthese und photophysikalische Eigenschaften funktionalisierter 1-Oligoalkinylamide Torsten Schweikert Zusammenfassung der Dissertation zur Erlangung des Grades „Doktor der Naturwissenschaften“ Die Zielsetzung dieser Arbeit bestand aus der Synthese verschiedener 1-Oligoalkinylamide und deren Funktionalisierung mit endständigen Akzeptoreinheiten, um einen Zugang zu konjugierten Donor-Akzeptor-substituierten Acetylenchromophoren zu realisieren, welche die Aminogruppe direkt am Acetylenkohlenstoff tragen. In einer kupfer(I)-katalysierten Cadiot-Chodkiewicz-Reaktion konnten terminale 1-Alkinylamide 1 mit verschiedenen substituierten 1-Bromalkinen 2 zu den 1-Oligoalkinylamiden 3 umgesetzt werden. Die Reaktion zeichnet sich durch eine hohe Toleranz gegenüber verschiedenen funktionellen Gruppen aus und lieferte die 1-Oligoalkinylamide 3 in Ausbeuten von 34 bis 99 %. NR1EWGNR2R1EWGR2Br5 Mol-% CuI30 Mol-% NH2OH·H2O2.0 Äquiv. n-BuNH2MeOH0 °C - 40 °C, 0.5 - 2 h34 - 99 %1.5 Äquiv. 213R1: Phenyl, 2-Iodphenyl, Benzyl, AlkylR2: Alkyl, Hydroxyalkyl, O-Tetrahydropyranyloxyalkyl, Methylester, 4-Nitrophenyl, 4-Cyanophenyl, 4-Dimesitylborylphenylnn Mittels UV/Vis-Spektroskopie sind die verschiedenen Donor-Akzeptor-substituierten Chromophore auf ihre photophysikalischen Eigenschaften hin untersucht worden. Dabei zeigten sich verschiedene Effekte bei Variation der Donor- und Akzeptorgruppen sowie bei Verlängerung der Acetylenbrücke auf die Lage der Charge-Transfer-Bande. Die Solvatochromie der Absorptionsbanden zeigte das Vorhandensein eines permanenten Dipolmoments der Verbindungen. Die elektrooptische Absorptionsmessung konnte schließlich Informationen über die Größe der Dipolmomente im Grundzustand und im angeregten Franck-Condon-Zustand liefern. Die elektrischen Dipolmomente der Verbindungen im Grundzustand in 1,4-Dioxan und Cyclohexan liegen im Bereich von (9.4 – 12.2)10-30 Cm. Nach optischer Anregung erhöhen sich die Dipolmomente um (25.0 – 92.3)10-30 Cm, wobei die Änderung des Dipolmoments bei optischer Anregung ein Maximum für die 1-Diinylamide durchläuft und bei drei konjugierten Acetylenbindungen stark abnimmt. Die synthetisierten 1-Diinylamide fanden ferner Anwendung in der Synthese von funktionalisierten 3-Alkinylindolen, wobei mittels einer palladiumkatalysierten Heteroanellierungssequenz in 2-Position am Indol ein Schwefel- oder Stickstoffnucleophil eingeführt werden konnte.

Investigation of a superthermal ultracold neutron source based on a solid deuterium converter for the TRIGA Mainz reactor

Research in fundamental physics with the free neutron is one of the key tools for testing the Standard Model at low energies. Most prominent goals in this field are the search for a neutron electric dipole moment (EDM) and the measurement of the neutron lifetime. Significant improvements of the experimental performance using ultracold neutrons (UCN) require reduction of both systematic and statistical errors.rnThe development and construction of new UCN sources based on the superthermal concept is therefore an important step for the success of future fundamental physics with ultracold neutrons. rnSignificant enhancement of today available UCN densities strongly correlates with an efficient use of an UCN converter material. The UCN converter here is to be understood as a medium which reduces the velocity of cold neutrons (CN, velocity of about 600 m/s) to the velocity of UCN (velocity of about 6 m/s).rnSeveral big research centers around the world are presently planning or constructing new superthermal UCN sources, which are mainly based on the use of either solid deuterium or superfluid helium as UCN converter.rnThanks to the idea of Yu.Pokotilovsky, there exists the opportunity to build competitive UCN sources also at small research reactors of the TRIGA type. Of course these smaller facilities don't promise high UCN densities of several 1000 UCN/cm³, but they are able to provide densities around 100 UCN/cm³ for experiments.rnIn the context of this thesis, it was possible to demonstrate succesfully the feasibility of a superthermal UCN source at the tangential beamport C of the research reactor TRIGA Mainz. Based on a prototype for the future UCN source at the Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRMII) in munich, which was planned and built in collaboration with the Technical University of Munich, further investigations and improvements were done and are presented in this thesis. rnIn parallel, a second UCN source for the radial beamport D was designed and built. The comissioning of this new source is foreseen in spring 2010.rnAt beamport D with its higher thermal neutron flux, it should be possible to increase the available UCN densities of 4 UCN/cm³ by minimum one order of magnitude.

Numerical studies of colloidal systems

The interplay of hydrodynamic and electrostatic forces is of great importance for the understanding of colloidal dispersions. Theoretical descriptions are often based on the so called standard electrokinetic model. This Mean Field approach combines the Stokes equation for the hydrodynamic flow field, the Poisson equation for electrostatics and a continuity equation describing the evolution of the ion concentration fields. In the first part of this thesis a new lattice method is presented in order to efficiently solve the set of non-linear equations for a charge-stabilized colloidal dispersion in the presence of an external electric field. Within this framework, the research is mainly focused on the calculation of the electrophoretic mobility. Since this transport coefficient is independent of the electric field only for small driving, the algorithm is based upon a linearization of the governing equations. The zeroth order is the well known Poisson-Boltzmann theory and the first order is a coupled set of linear equations. Furthermore, this set of equations is divided into several subproblems. A specialized solver for each subproblem is developed, and various tests and applications are discussed for every particular method. Finally, all solvers are combined in an iterative procedure and applied to several interesting questions, for example, the effect of the screening mechanism on the electrophoretic mobility or the charge dependence of the field-induced dipole moment and ion clouds surrounding a weakly charged sphere. In the second part a quantitative data analysis method is developed for a new experimental approach, known as "Total Internal Reflection Fluorescence Cross-Correlation Spectroscopy" (TIR-FCCS). The TIR-FCCS setup is an optical method using fluorescent colloidal particles to analyze the flow field close to a solid-fluid interface. The interpretation of the experimental results requires a theoretical model, which is usually the solution of a convection-diffusion equation. Since an analytic solution is not available due to the form of the flow field and the boundary conditions, an alternative numerical approach is presented. It is based on stochastic methods, i. e. a combination of a Brownian Dynamics algorithm and Monte Carlo techniques. Finally, experimental measurements for a hydrophilic surface are analyzed using this new numerical approach.

Ionic liquids in a multiscale study

Trotz des hohen Interesse an Ionischen Flüssigkeiten wird das zielgerichtete Design und die Anwendung Ionischer Flüssigkeiten durch fehlendes grundlegendes Verständnis erschwert. Deshalb wurde die Balance der molekularen Wechselwirkungen in Ionischen Flüssigkeiten studiert, um die Eigenschaften dieser zu verstehen und die Kraftfeldentwicklung im Rahmen des Multiskalenansatzes zu systematisieren. Es wurden reine Imidazolium-basierte Ionische Flüssigkeiten, Mischungen mit kleinen Molekülen und eine protische Ionische Flüssigkeit mit ab-initio-Methoden, hauptsächlich Car-Parrinello-Molekulardynamik, untersucht. Weiterhin wurden Eigenschaften der Flüssigphase mit denen von Ionenpaaren verglichen.rnIm Fokus standen die molekularen elektrostatischen Eigenschaften und es wurde gezeigt, dass Coulomb-Wechselwirkungen zu einzigartigen Charakteristika führten. So waren die Ionen-Nettoladungen stets reduziert, die molekularen Dipolmomentverteilungen sehr breit, elektronische Polarisation war entscheidend. Die elektrostatischen Eigenschaften waren allgemein lokal auf molekularen Größen- und Zeitskalen und hingen stark von Phasenzustand und Zusammensetzung ab. Für andere molekulare Eigenschaften, wie der Neigung zu dispersiven Kontakten oder Wasserstoffbrücken, wurde gezeigt, dass sie einen entscheidenden Einfluss auf die Feinstruktur Ionischer Flüssigkeiten hatten. Das Gleichgewicht der Wechselwirkungen zeigte sich auch in Leistungsspektren, die sich aus den ab-initio-Molekulardynamiksimulationen ergaben. Diese boten einen neuen Weg für den Vergleich zum Experiment und für einen Einblick in die schnelle Dynamik Ionischer Flüssigkeiten.

Aufbau und Inbetriebnahme eines hochsensitiven 3-He-Magnetometers für ein zukünftiges Experiment zur Bestimmung eines elektrischen Dipolmoments des freien Neutrons

Die Messung eines möglichen elektrischen Dipolmoments des freien Neutrons erfordert genaustmögliche Kenntnis und Überwachung des magnetischen Feldes im Inneren der n2EDM-Spektrometerkammer. Die freie Spinpräzession von hyperpolarisiertem ³He kann verbunden mit einer Signalauslese mittels optisch gepumpter Cs-Magnetometer dazu genutzt werden, Messempfindlichkeit auf Magnetfeldschwankungen im Bereich weniger Femto-Tesla zu erhalten. Am Institut für Physik der Universität Mainz wurde eine ³He/Cs-Testanlage aufgebaut, um die Möglichkeiten der Signalauslese der ³He-Spinpräzession mittels eines lampengepumpten Cs-Magnetometers zu untersuchen. Darüber hinaus wurde eine ultrakompakte und transportable Polarisationseinheit entwickelt und installiert, welche ermöglicht, eine ³He-Hyperpolarisation von bis zu 55 Prozent zu erreichen. Im Anschluss wird das polarisierte 3He-Gas automatisiert komprimiert und in zwei Magnetometerzellen in Sandwichanordnung innerhalb der n2EDM-Spektrometerkammer gefüllt. In dieser Arbeit werden die Ergebnisse der ersten im Januar 2012 erfolgreich durchgeführten Messungen vorgestellt. Bei diesen Messungen wurde ³He-Gas in der ultrakompakten Polarisationseinheit hyperpolarisiert und über Führungsfelder eines Transfersystems in eine vierlagige Mumetall-Abschirmung transferiert. Im Anschluss konnte im Inneren der magnetischen Abschirmung die freie ³He-Spinpräzession mittels eines lampengepumpten Cs-Magnetometer eindeutig nachgewiesen werden.

Charge generation and recombination in solid-state dye-sensitized solar cells

Diese Doktorarbeit befasst sich mit Ladungsgeneration und – rekombination in Feststoff-Farbstoffsolarzellen, die spiro-OMeTAD als Lochleiter verwenden. Die vorliegende Arbeit ist in drei Fallstudien unterteilt: i.) Kern-erweiterte Rylen-Farbstoffe, ii.) ein Perylenmonoimid-Farbstoff und iii.) Donor-π verbrückte (Cyclopentadithiophen)-Akzeptor-Farbstoffe. Trotz ihres hohen molaren Extinktionskoeffizienten und der hohen Absorbanz der sensibilisierten Filme, zeigen einige dieser Farbstoffmoleküle nur geringe photovoltaischen Effizienzen. Um den Ursprung des geringen Wirkungsgrades herauszufinden, wurde breitbandige, ultraschnelle transiente Absorptionsspektroskopie an Solarzellen durchgeführt.rnInsbesondere die Auswirkungen verschiedender Ankergruppen, Dipolmomente, Photolumineszenzlebenszeiten, Lithium-Kationensensitivität und Ladungsträgerdynamik, die alle einen großen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Solarzelle besitzen, wurden untersucht. In der ersten Fallstudie zeigte ein kurzer Rylen-Farbstoff aufgrund deutlich verlängerter Lebenszeiten die beste Effizienz im Vergleich zu größeren Kern-erweiterten Rylen-Farbstoffen. Die Lebenszeit wurde weiter reduziert, wenn Maleinsäure als Ankergruppe unter einer Ringöffnungsreaktion an die mesoporöse Oberfläche des Metalloxid-Halbleiters adsorbierte. Dies konnte mit Hilfe von Berechnungen mittels der Dichtefunktionaltheorie (DFT, B3LYP) auf die Differenz des Dipolmoments zwischen Grundzustand und angeregtem Zustand zurückgeführt werden. Die Berechnungen bekräftigen die unvorteilhafte Injektion von Ladungen durch die Änderung der Richtung des Dipolmoments, wenn eine Ringöffnung der Anhydridgruppe stattfindet. In der zweiten Studie zeigte das Perylenmonoimid-Derivat ID889 einen Wirkungsgrad von 4.5% in Feststoff-Farbstoffsolarzellen, wobei ID889 sogar ohne Zuhilfenahme eines Additivs in der Lage ist langlebige Farbstoffkationen zu bilden. Die Verwendung von Lithium-Kationen stabilisiert jedoch sowohl den Prozess der Ladungsgeneration als auch den der Ladungsregeneration. Des Weiteren wurde in ID889-sensitivierten Bauteilen kein reduktives Löschen beobachtet. Dabei wurde die Dynamik der Exzitonen mittels einer soft-modelling Methode Kurvenanalyse aus den Daten der transienten Absorptionsspektroskopie gewonnen. Zuletzt wurden Strukturen mit Cyclopentadithiophen(CPDT)-Baustein untersucht, die eine typische D-π-A Molekülstruktur bilden. FPH224 und 233 zeigten dabei eine bessere Effizienz als FPH231 und 303 aufgrund einer großen Injektionseffizienz (IE) und längerer Lebenszeit der angeregten Zustände. Dies kann auf reduktives Löschen in FPH231 und 303 zurückgeführt werden, wohingegen FPH224 und 233 einen moderaten Zerfall des Spirokationensignals zeigten.

Improvements in production and storage of HP-129 Xe

Seit seiner Entdeckung im Jahre 1978 wurden für hyperpolarisiertes (HP) 129Xe zahlreiche Anwendungen gefunden. Aufgrund seiner hohen Verstärkung von NMR-Signalen wird es dabei typischerweise für Tracer- und Oberflächenstudien verwendet. Im gasförmigen Zustand ist es ein interessantes, klinisches Kontrastmittel, welches für dynamische Lungen MRT genutzt oder auch in Blut oder lipophilen Flüssigkeiten gelöst werden kann. Weiterhin findet HP-Xe auch in der Grundlagenphysik in He-Xe Co-Magnetometern Verwendung, mit welchen z. B. das elektrische Dipolmoment von Xe bestimmt werden soll, oder es dient zur Überprüfung auf Lorentz-Invarianzen. Alle diese Anwendungen profitieren von einem hohen Polarisationsgrad (PXe), um hohe Signalstärken und lange Lagerzeiten zu erreichen. rnIn dieser Arbeit wurden zwei mobile Xe-Polarisatoren konstruiert: einer für Experimente in der Grundlagenphysik mit einer Produktionsrate von 400 mbar·l/h mit PXe ≈ 5%. Der zweite Xe-Polarisator wurde für medizinische Anwendungen entwickelt und soll 1 bar l/h mit PXe > 20% erzeugen. Der letztere wurde noch nicht getestet. Die Arbeitsbedingungen des Xe-Polarisators für Grundlagenphysik (Strömung des Gasgemischs, Temperatur, Druck und Konzentration von Xe) wurden variiert, um einen höchstmöglichen Polarisationsgrad zu erzielen. Die maximale Polarisation von 5,6 % wurde bei Verwendung eine Gasmischung von 1% Xe bei einem Durchfluss von 200 ml/min, einer Temperatur von 150°C und einem Gesamtdruck von 4 bar erreicht. rnWeiterhin muss HP-Xe auch effizient gelagert werden, um Polarisationsverluste zu minimieren. Das ist besonders für solche Anwendungen notwendig, welche an einem entfernten Standort durchgeführt werden sollen oder auch wenn lange Spinkohärenzeiten gefordert sind, z.B. bei He-Xe Co-Magnetometern. rnHierbei bestand bisher die größte Schwierigkeit darin, die Reproduzierbarkeit der gemessenen Lagerzeiten sicherzustellen. In dieser Arbeit konnte die Spin-Gitter-Relaxationszeit (T1) von HP-129Xe in unbeschichteten, Rb-freien, sphärischen Zellen aus Aluminiumsilikatglas (GE-180) signifikant verbessert werden. Die T1–Zeit wurde in einem selbstgebauten Niederfeld-NMR-System (2 mT) sowohl für reines HP-Xe als auch für HP-Xe in Mischungen mit N2, SF6 und CO2 bestimmt. Bei diesen Experimenten wurde die maximale Relaxationszeit für reines Xe (85% 129 Xe) bei (4,6 ± 0,1) h festgestellt. Dabei lagen die typischen Wand-Relaxationszeiten bei ca. 18 h für Glaszellen mit einem Durchmesser von 10 cm. Des Weiteren wurde herausgefunden, dass CO2 eine unerwartet hohe Effizienz bei der Verkürzung der Lebensdauer der Xe-Xe Moleküle zeigte und somit zu einer deutlichen Verlängerung der gesamten T1-Zeit genutzt werden kann. rnIm Verlauf vieler Experimente wurde durch wiederholte Messungen mit der gleichen Zelle, ein "Alterungsprozess“ bei der Wandrelaxation identifiziert und untersucht. Dieser Effekt könnte leicht rückgängig gemacht werden, indem die anfängliche Reinigungsprozedur wiederholt wurde. Auf diese Weise kann eine konstante Wandrelaxation sichergestellt werden, durch die sehr reproduzierbare T1-Messungen möglich werden. rnSchließlich wurde die maximale Relaxationszeit für HP-Xe mit natürlicher Häufigkeit in Mischungen mit SF6 bestimmt. Überraschenderweise war dieser Wert um ca. 75% niedriger als der Wert für Xenon, das zu 85% mit 129Xe angereichert war. Dieser Effekt wurde durch drei unabhängige Experimente bestätigt, da er nicht von der bestehenden Theorie der Xe-Relaxation ableitbar ist. rnDie Polarisation von HP-Xe, PXe, wird normalerweise durch den Vergleich der NMR-Signale des HP-Xe mit einer thermischen polarisierten Probe (z. B. 1H2O oder Xe) bestimmt. Dabei beinhaltet der Vergleich unterschiedlicher Messungen an verschiedenen Proben (unterschiedlicher Druck, Signalintensität und Messverfahren) viele experimentelle Unsicherheiten, welche sich oft nicht leicht bestimmen lassen. Eine einfache, genaue und kostengünstige Methode zur Bestimmung von PXe durch eine direkte Messung der makroskopischen Magnetisierung in einem statischen Magnetfeld vermeidet alle diese Unsicherheiten. Dieses Verfahren kann Polarisationen von > 2 % mit einer Genauigkeit von maximal 10% fast ohne Polarisationsverlust bestimmen. Zusätzlich kann diese Methode ohne weitere Änderungen auch für Bestimmungen des Polarisationsgrades anderer HP-Gase verwendet werden.rn

Testing the TICT State Hypothesis: an Investigation into the Solvatochromic Behavior of 2-Naphthalenylmethylene Malononitrile

Towards the goal of investigating the possible Twisted Intramolecular Charge Transfer (TICT) state mechanism of fluorescence emission, two aromatic dicyanovinyl compounds, 2-(naphthalene-2-ylmethylene) malononitrile (DCN) and a rigidified analogue, 3,4-dihydrophenanthren-1(2H)-ylidene)malononitrile (RDCN) were synthesized and their absorption and steady-state fluorescence emission spectra characterized. The spectral characterization was divided into two studies: first, DCN and RDCN were characterized in liquid solvents of increasing polarity; second, DCN and RDCN were characterized in viscous solvents and rigid glass media. The absorption spectra for both DCN and RDCN in all solvents demonstrated little to no solvatochromism. Emission results for DCN and RDCN in liquid solvents of increasing polarity showed DCN possessing strong solvatochromism while RDCN showed much less solvatochromism. Using the Lippert-Mataga equation, the difference between the ground and excited state dipole moment for DCN was estimated to be 8.4 + 0.4 Debye and between ~3.0 to 5.0 Debye for RDCN. Quantum yield measurements for DCN and RDCN in hexane, diethyl ether and acetonitrile were less than 0.01 and independent of polarity for both both solvents, with DCN generally possessing a quantum yield 3-4 times greater than RDCN. Experiments in glass media for DCN and RDCN showed a lessening of their solvatochromic character in both polar and non-polar glasses. These data provide strong evidence for a link between molecular flexibility and solvatochromism. However, while these data are consistent with a TICT state hypothesis for the emission mechanism, an alternative mechanism proposed by Maroncelli et al.10 involving rotation about the dicyanovinyl double bond in the excited state remains a possibility as well.

Solvatochromic and Thermochromic Studies of Tryptanthrin

Solvatochromism and thermochromism describe how a solvent or environment affects the photophysical behavior of a photoluminescent solute. The most common use of solvatochromism is as a probe in which the polarity of a solvent in which a solvatochromic solute is dissolved can be spectroscopically measured. Solvatochromic and thermochromic studies of tryptanthrin in several different solvents are reported. Absorption and corrected emission spectra for tryptanthrin at ~10-6 M concentrations are reported in four aprotic and nine alcoholic solvents. The absorption spectra are relatively unaffected by changes in solvent polarity and by differences in the hydrogen bonding ability of the alcoholic solvents. The emission spectra are much more affected by changes in solvent polarity and hydrogen bonding ability. In aprotic solvents, emission energy decreases and emission intensity increases with increasing solvent polarity. In the alcoholic solvents, emission energy also decreases with increasing solvent polarity. However, emission intensity for the alcoholic solvents varies significantly from the aprotic solvents over similar polarity ranges. This suggests that in the alcoholic solvents, hydrogen bonding ability correlates better than polarity to emission energy and intensity trends. The absorption and emission data in the aprotic solvents were also used to estimate the ground and emitting excited state dipole moments for tryptanthrin. The value obtained for the ground state dipole moment (2.37 D) agrees with theoretical results (2.06 D) and a previously reported experimental value (2.0 D). Attempts to explain previously reported results and conclusions with respect to the solvatochromic behavior of the aromatic carbonyls fluorenone and benzo(b)fluorenone were explored in an attempt to understand the solvatochromic response of tryptanthrin. Such attempts include models dependent on non-radiative decay pathways like intersystem crossing, internal conversion, and hydrogen bonding interactions.

Charge induced enhancement of adsorption for hydrogen storage materials

The rising concerns about environmental pollution and global warming have facilitated research interest in hydrogen energy as an alternative energy source. To apply hydrogen for transportations, several issues have to be solved, within which hydrogen storage is the most critical problem. Lots of materials and devices have been developed; however, none is able to meet the DOE storage target. The primary issue for hydrogen physisorption is a weak interaction between hydrogen and the surface of solid materials, resulting negligible adsorption at room temperature. To solve this issue, there is a need to increase the interaction between the hydrogen molecules and adsorbent surface. In this study, intrinsic electric dipole is investigated to enhance the adsorption energy. The results from the computer simulation of single ionic compounds with hydrogen molecules to form hydrogen clusters showed that electrical charge of substances plays an important role in generation of attractive interaction with hydrogen molecules. In order to further examine the effects of static interaction on hydrogen adsorption, activated carbon with a large surface area was impregnated with various ionic salts including LiCl, NaCl, KCl, KBr, and NiCl and their performance for hydrogen storage was evaluated by using a volumetric method. Corresponding computer simulations have been carried out by using DFT (Density Functional Theory) method combined with point charge arrays. Both experimental and computational results prove that the adsorption capacity of hydrogen and its interaction with the solid materials increased with electrical dipole moment. Besides the intrinsic dipole, an externally applied electric field could be another means to enhance hydrogen adsorption. Hydrogen adsorption under an applied electric field was examined by using porous nickel foil as electrodes. Electrical signals showed that adsorption capacity increased with the increasing of gas pressure and external electric voltage. Direct measurement of the amount of hydrogen adsorption was also carried out with porous nickel oxides and magnesium oxides using the piezoelectric material PMN-PT as the charge supplier due to the pressure. The adsorption enhancement from the PMN-PT generated charges is obvious at hydrogen pressure between 0 and 60 bars, where the hydrogen uptake is increased at about 35% for nickel oxide and 25% for magnesium oxide. Computer simulation reveals that under the external electric field, the electron cloud of hydrogen molecules is pulled over to the adsorbent site and can overlap with the adsorbent electrons, which in turn enhances the adsorption energy Experiments were also carried out to examine the effects of hydrogen spillover with charge induced enhancement. The results show that the overall storage capacity in nickel oxide increased remarkably by a factor of 4.

Identifying indicators of sustainable development using the global sustainability quadrant approach

Advances in information technology and global data availability have opened the door for assessments of sustainable development at a truly macro scale. It is now fairly easy to conduct a study of sustainability using the entire planet as the unit of analysis; this is precisely what this work set out to accomplish. The study began by examining some of the best known composite indicator frameworks developed to measure sustainability at the country level today. Most of these were found to value human development factors and a clean local environment, but to gravely overlook consumption of (remote) resources in relation to nature’s capacity to renew them, a basic requirement for a sustainable state. Thus, a new measuring standard is proposed, based on the Global Sustainability Quadrant approach. In a two‐dimensional plot of nations’ Human Development Index (HDI) vs. their Ecological Footprint (EF) per capita, the Sustainability Quadrant is defined by the area where both dimensions satisfy the minimum conditions of sustainable development: an HDI score above 0.8 (considered ‘high’ human development), and an EF below the fair Earth‐share of 2.063 global hectares per person. After developing methods to identify those countries that are closest to the Quadrant in the present‐day and, most importantly, those that are moving towards it over time, the study tackled the question: what indicators of performance set these countries apart? To answer this, an analysis of raw data, covering a wide array of environmental, social, economic, and governance performance metrics, was undertaken. The analysis used country rank lists for each individual metric and compared them, using the Pearson Product Moment Correlation function, to the rank lists generated by the proximity/movement relative to the Quadrant measuring methods. The analysis yielded a list of metrics which are, with a high degree of statistical significance, associated with proximity to – and movement towards – the Quadrant; most notably: Favorable for sustainable development: use of contraception, high life expectancy, high literacy rate, and urbanization. Unfavorable for sustainable development: high GDP per capita, high language diversity, high energy consumption, and high meat consumption. A momentary gain, but a burden in the long‐run: high carbon footprint and debt. These results could serve as a solid stepping stone for the development of more reliable composite index frameworks for assessing countries’ sustainability.

Modeling spontaneous three-dimensional polymerization

For human beings, the origin of life has always been an interesting and mysterious matter, particularly how life arose from inorganic matter through natural processes. Polymerization is always involved in such processes. In this paper we built what we refer to as ideal and physical models to simulate spontaneous polymerization based on certain physical principles. As the modeling confirms, without taking external energy, small and simple inorganic molecules formed bigger and more complicated molecules, which are necessary ingredients of all living organisms. In our simulations, we utilized actual ranges of parameters according to their experimentally observed values. The results from the simulations led to a good agreement with the nature of polymerization. After sorting out through all the models that were built, we arrived at a final model that, it is hoped, can be used to simply and efficiently describe spontaneous polymerization using only three parameters: the dipole moment, the distance between molecules, and the temperature.

A stochastic principle behind polar properties of condensed molecular matter

A statistical mechanics view leads to the conclusion that polar molecules allowed to populate a degree of freedom for orientational disorder in a condensed phase thermalize into a bi-polar state featuring zero net polarity. In cases of orientational disorder polar order of condensed molecular matter can only exist in corresponding sectors of opposite average polarities. Channel type inclusion compounds, single component molecular crystals, solid solutions, optically anomalous crystals, inorganic ionic crystals, biomimetic crystals and biological tissues investigated by scanning pyroelectric and phase sensitive second harmonic generation microscopy all showed domains of opposite polarities in their final grown state. For reported polar molecular crystal structures it is assumed that kinetic hindrance along one direction of the polar axis is preventing the formation of a bi-polar state, thus allowing for a kinetically controlled mono-domain state. In this review we summarize theoretical and experimental findings leading to far reaching conclusions on the polar state of solid molecular matter. “… no stationary state … of a system has an electrical dipole moment.” P. W. Anderson, Science, 1972, 177, 393.

Constraints on the effective fluid theory of stationary branes

We develop further the effective fluid theory of stationary branes. This formalism applies to stationary blackfolds as well as to other equilibrium brane systems at finite temperature. The effective theory is described by a Lagrangian containing the information about the elastic dynamics of the brane embedding as well as the hydrodynamics of the effective fluid living on the brane. The Lagrangian is corrected order-by-order in a derivative expansion, where we take into account the dipole moment of the brane which encompasses finite-thickness corrections, including transverse spin. We describe how to extract the thermodynamics from the Lagrangian and we obtain constraints on the higher-derivative terms with one and two derivatives. These constraints follow by comparing the brane thermodynamics with the conserved currents associated with background Killing vector fields. In particular, we fix uniquely the one- and two-derivative terms describing the coupling of the transverse spin to the background space-time. Finally, we apply our formalism to two blackfold examples, the black tori and charged black rings and compare the latter to a numerically generated solution.