Theoretical and experimental studies on the electronic, optical, and structural properties of poly-pyrrole-2-carboxylic acid films

A theoretical approach is used here to explain experimental results obtained from the electrosynthesis of polypyrrole-2-carboxylic acid (PPY-2-COOH) films in nonaqueous medium. An analysis of the Fukui function (reactivity index) indicates that the monomer (pyrrole-2-carboxylic acid, PY-2-COOH), and dimers and trimers are oxidized in the C4 or C5 positions of the heterocyclic ring of the PY-2-COOH structure. After calculating the heat of formation using semiempirical Austin Model 1 post-Hartree-Fock parameterization for dimer species, both C4 and C5 positions adjacent to the aromatic rings of PPY-2-COOH were considered the most susceptible ones to oxidative coupling reactions. The ZINDO-S/CI semiempirical method was used to simulate the electronic transitions typically seen in the UV-VIS-NIR range in monomer and oligomers with different conjugation lengths. The use of an electrochemical quartz crystal microbalance provides sufficient information to propose a polymerization mechanism of PY-2-COOH based on molecular modeling and experimental results.

Theoretical and Experimental Analysis of micro-CHP Energy Systems

In the framework of the micro-CHP (Combined Heat and Power) energy systems and the Distributed Generation (GD) concept, an Integrated Energy System (IES) able to meet the energy and thermal requirements of specific users, using different types of fuel to feed several micro-CHP energy sources, with the integration of electric generators of renewable energy sources (RES), electrical and thermal storage systems and the control system was conceived and built. A 5 kWel Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) has been studied. Using experimental data obtained from various measurement campaign, the electrical and CHP PEMFC system performance have been determinate. The analysis of the effect of the water management of the anodic exhaust at variable FC loads has been carried out, and the purge process programming logic was optimized, leading also to the determination of the optimal flooding times by varying the AC FC power delivered by the cell. Furthermore, the degradation mechanisms of the PEMFC system, in particular due to the flooding of the anodic side, have been assessed using an algorithm that considers the FC like a black box, and it is able to determine the amount of not-reacted H2 and, therefore, the causes which produce that. Using experimental data that cover a two-year time span, the ageing suffered by the FC system has been tested and analyzed.

Ab-initio study of hydrogen technology materials for hydrogen storage and proton conduction

This dissertation deals with two specific aspects of a potential hydrogen-based energy economy, namely the problems of energy storage and energy conversion. In order to contribute to the solution of these problems, the structural and dynamical properties of two promising materials for hydrogen storage (lithium imide/amide) and proton conduction (poly[vinyl phosphonic acid]) are modeled on an atomistic scale by means of first principles molecular dynamics simulation methods.rnrnrnIn the case of the hydrogen storage system lithium amide/imide (LiNH_2/Li_2NH), the focus was on the interplay of structural features and nuclear quantum effects. For these calculations, Path-Integral Molecular Dynamics (PIMD) simulations were used. The structures of these materials at room temperature were elucidated; in collaboration with an experimental group, a very good agreement between calculated and experimental solid-state 1H-NMR chemical shifts was observed. Specifically, the structure of Li_2NH features a disordered arrangement of the Li lattice, which was not reported in previous studies. In addition, a persistent precession of the NH bonds was observed in our simulations. We provide evidence that this precession is the consequence of a toroid-shaped effective potential, in which the protons in the material are immersed. This potential is essentially flat along the torus azimuthal angle, which might lead to important quantum delocalization effects of the protons over the torus.rnrnOn the energy conversion side, the dynamics of protons in a proton conducting polymer (poly[vinyl phosphonic acid], PVPA) was studied by means of a steered ab-initio Molecular Dynamics approach applied on a simplified polymer model. The focus was put on understanding the microscopic proton transport mechanism in polymer membranes, and on characterizing the relevance of the local environment. This covers particularly the effect of water molecules, which participate in the hydrogen bonding network in the material. The results indicate that these water molecules are essential for the effectiveness of proton conduction. A water-mediated Grotthuss mechanism is identified as the main contributor to proton conduction, which agrees with the experimentally observed decay on conductivity for the same material in the absence of water molecules.rnrnThe gain in understanding the microscopic processes and structures present in this materials can help the development of new materials with improved properties, thus contributing to the solution of problems in the implementation of fuel cells.

Motorisches Lernen in Drosophila melanogaster

In der vorliegenden Arbeit wurden die durch Training induzierten motorischen Gedächtnisleistungen der Taufliege Drosophila melanogaster beim Überklettern von acht symmetrisch verteilten Lücken auf einem rotierenden Ring untersucht. Durch den auf sie einwirkenden optischen Fluss der vorbeiziehenden äußeren Umgebung wurden die Fliegen angeregt, diesem optomotorischen Reiz entgegenzuwirken und die Lücken laufend zu überqueren. Durch Training verbessert und langfristig gelernt wird die kompensatorische Lückenüberquerung X+ gegen die Rotation. In der aus diesem Training erhaltenen Lernkurve war eine überdurchschnittlich hohe Leistungsverbesserung nach einem einzigen Trainingslauf mit einem zeitlichen Bestand von ca. 40 Minuten abzulesen, um danach vom motorischen Gedächtnisspeicher trainierter Fliegen nicht mehr abgerufen werden zu können. Nach einer Ruhephase von einem bis mehreren Tagen wurden die Fliegen auf mögliche Langzeitlernleistungen untersucht und diese für verschiedene Intervalle nachgewiesen. Sowohl die Leistungsverbesserung während des Trainings, als auch der Lerneffekt nach 24h bleiben in mutanten rutabaga2080 sowie rut1 Fliegen aus. Betroffen ist das Gen der Adenylylzyklase I, ein Schlüsselprotein der cAMP-Signalkaskade, die u.a. im olfaktorischen und visuellen Lernen gebraucht wird. Damit ergab sich die Möglichkeit die motorischen Gedächtnisformen durch partielle Rettung zu kartieren. Die motorische Gedächtniskonsolidierung ist schlafabhängig. Wie sich herausstellte, benötigen WTB Fliegen nur eine Dunkelphase von 10h zwischen einem ersten Trainingslauf und einem Testlauf um signifikante Leistungssteigerungen zu erzielen. In weiterführenden Versuchen wurden die Fliegen nachts sowie tagsüber mit einer LED-Lampe oder in einer Dunkelkammer, mit einem Kreisschüttler oder einer Laborwippe depriviert, mit dem Ergebnis, dass nur jene Fliegen ihre Leistung signifikant gegenüber einem ersten Trainingslauf verbessern konnten, welche entweder ausschließlich der Dunkelheit ausgesetzt waren oder welchen die Möglichkeit gegeben wurde, ein Gedächtnis zunächst in einer natürlichen Schlafphase zu konsolidieren (21Uhr bis 7Uhr MEZ). In weiteren Experimenten wurden die experimentellen Bedingungen entweder während des Trainings oder des Tests auf eine Fliege und damit verbunden auf eine erst durch das Training mögliche motorische Gedächtniskonsolidierung einwirken zu können, untersucht. Dazu wurden die Experimentparameter Lückenweite, Rotationsrichtung des Lückenringes, Geschwindigkeit des Lückenringes sowie die Verteilung der acht Lücken auf dem Ring (symmetrisch, asymmetrisch) im Training oder beim Gedächtnisabruf im Testlauf verändert. Aus den Ergebnissen kann geschlussfolgert werden, dass die Lückenweite langzeitkonsolidiert wird, die Rotationsrichtung kurzzeitig abgespeichert wird und die Drehgeschwindigkeit motivierend auf die Fliegen wirkt. Die symmetrische Verteilung der Lücken auf dem Ring dient der Langzeitkonsolidierung und ist als Trainingseingang von hoher Wichtigkeit. Mit Hilfe verschiedener Paradigmen konnten die Leistungsverbesserungen der Fliegen bei Abruf eines Kurz- bzw. Langzeitgedächtnisses hochauflösend betrachtet werden (Transfer). Die Konzentration, mit der eine WTB Fliege eine motorische Aufgabe - die Überquerung von Lücken entgegengesetzt der Rotationsrichtung - durchführt, konnte mit Hilfe von Distraktoreizen bestimmt werden. Wie sich herausstellte, haben Distraktoren einen Einfluss auf die Erfolgsquote einer Überquerung, d.h. mit zunehmender Distraktionsstärke nahm die Wahrscheinlichkeit einer Lückenüberquerung ab. Die Ablenkungsreize wirkten sich weiterhin auf die Vermessung einer Lücke aus, in dem entweder "peering"-artigen Bewegungen im Training durchgeführt wurden oder je nach Reizstärke ausschließlich nur jene Lücken vermessen wurden, welche auch überquert werden sollten.

Phenothiazine based polymers for energy and data storage application

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung von Polymeren mit redox-funktionalen Phenothiazin-Seitenketten. Phenothiazin und seine Derivate sind kleine Redoxeinheiten, deren reversibles Redoxverhalten mit electrochromen Eigenschaften verbunden ist. Das besondere an Phenothiazine ist die Bildung von stabilen Radikalkationen im oxidierten Zustand. Daher können Phenothiazine als bistabile Moleküle agieren und zwischen zwei stabilen Redoxzuständen wechseln. Dieser Schaltprozess geht gleichzeitig mit einer Farbveränderung an her.rnrnIm Rahmen dieser Arbeit wird die Synthese neuartiger Phenothiazin-Polymere mittels radikalischer Polymerisation beschrieben. Phenothiazin-Derivate wurden kovalent an aliphatischen und aromatischen Polymerketten gebunden. Dies erfolgte über zwei unterschiedlichen synthetischen Routen. Die erste Route beinhaltet den Einsatz von Vinyl-Monomeren mit Phenothiazin Funktionalität zur direkten Polymerisation. Die zweite Route verwendet Amin modifizierte Phenothiazin-Derivate zur Funktionalisierung von Polymeren mit Aktivester-Seitenketten in einer polymeranalogen Reaktion. rnrnPolymere mit redox-funktionalen Phenothiazin-Seitenketten sind aufgrund ihrer Elektron-Donor-Eigenschaften geeignete Kandidaten für die Verwendung als Kathodenmaterialien. Zur Überprüfung ihrer Eignung wurden Phenothiazin-Polymere als Elektrodenmaterialien in Lithium-Batteriezellen eingesetzt. Die verwendeten Polymere wiesen gute Kapazitätswerte von circa 50-90 Ah/kg sowie schnelle Aufladezeiten in der Batteriezelle auf. Besonders die Aufladezeiten sind 5-10 mal höher als konventionelle Lithium-Batterien. Im Hinblick auf Anzahl der Lade- und Entladezyklen, erzielten die Polymere gute Werte in den Langzeit-Stabilitätstests. Insgesamt überstehen die Polymere 500 Ladezyklen mit geringen Veränderungen der Anfangswerte bezüglich Ladezeiten und -kapazitäten. Die Langzeit-Stabilität hängt unmittelbar mit der Radikalstabilität zusammen. Eine Stabilisierung der Radikalkationen gelang durch die Verlängerung der Seitenkette am Stickstoffatom des Phenothiazins und der Polymerhauptkette. Eine derartige Alkyl-Substitution erhöht die Radikalstabilität durch verstärkte Wechselwirkung mit dem aromatischen Ring und verbessert somit die Batterieleistung hinsichtlich der Stabilität gegenüber Lade- und Entladezyklen. rnrnDes Weiteren wurde die praktische Anwendung von bistabilen Phenothiazin-Polymeren als Speichermedium für hohe Datendichten untersucht. Dazu wurden dünne Filme des Polymers auf leitfähigen Substraten elektrochemisch oxidiert. Die elektrochemische Oxidation erfolgte mittels Rasterkraftmikroskopie in Kombination mit leitfähigen Mikroskopspitzen. Mittels dieser Technik gelang es, die Oberfläche des Polymers im nanoskaligen Bereich zu oxidieren und somit die lokale Leitfähigkeit zu verändern. Damit konnten unterschiedlich große Muster lithographisch beschrieben und aufgrund der Veränderung ihrer Leitfähigkeit detektiert werden. Der Schreibprozess führte nur zu einer Veränderung der lokalen Leitfähigkeit ohne die topographische Beschaffenheit des Polymerfilms zu beeinflussen. Außerdem erwiesen sich die Muster als besonders stabil sowohl mechanisch als auch über die Zeit.rnrnZum Schluss wurden neue Synthesestrategien entwickelt um mechanisch stabile als auch redox-funktionale Oberflächen zu produzieren. Mit Hilfe der oberflächen-initiierten Atomtransfer-Radikalpolymerisation wurden gepfropfte Polymerbürsten mit redox-funktionalen Phenothiazin-Seitenketten hergestellt und mittels Röntgenmethoden und Rasterkraftmikroskopie analysiert. Eine der Synthesestrategien geht von gepfropften Aktivesterbürsten aus, die anschließend in einem nachfolgenden Schritt mit redox-funktionalen Gruppen modifiziert werden können. Diese Vorgehensweise ist besonders vielversprechend und erlaubt es unterschiedliche funktionelle Gruppen an den Aktivesterbürsten zu verankern. Damit können durch Verwendung von vernetzenden Gruppen neben den Redoxeigenschaften, die mechanische Stabilität solcher Polymerfilme optimiert werden. rn rn

Quality control of virgin olive oils with regard to different storage and shipment conditions

Virgin olive oil(VOO) is a product characterized by high economic and nutritional values, because of its superior sensory characteristics and minor compounds (phenols and tocopherols) contents. Since the original quality of VOO may change during its storage, this study aimed to investigate the influence of different storage and shipment conditions on the quality of VOO, by studying different solutions such as filtration, dark storage and shipment inside insulated containers to protect it. Different analytical techniques were used to follow-up the quality changes during virgin olive oil storage and simulated shipments, in terms of basic quality parameters, sensory analysis and evaluation of minor components (phenolic compounds, diglycerides, volatile compounds). Four main research streams were presented in this PhD thesis: The results obtained from the first experimental section revealed that the application of filtration and/or clarification can decrease the unavoidable quality loss of the oil samples during storage, in comparison with unfiltered oil samples. The second section indicated that the virgin olive oil freshness, evaluated by diglycerides content, was mainly affected by the storage time and temperature. The third section revealed that fluctuation in temperature during storage may adversely affect the virgin olive oil quality, in terms of hydrolytic rancidity and oxidation quality. The fourth section showed that virgin olive oil shipped inside insulated containers showed lower hydrolytic and oxidation degradation than those without insulation cover. Overall, this PhD thesis highlighted that application of adequate treatment, such as filtration or clarification, in addition to a good protection against other external variables, such as temperature and light, will improve the stability of virgin olive oil during storage.

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

Pulse or hyaline ring granuloma. Review of the literature on etiopathogenesis of oral and extraoral lesions

Since the late 1950s, reports on an unusual giant-cell granulomatous lesion affecting the jaws, lungs, stomach and intestines have been published. Histopathologically, the lesions showed the presence of structureless hyaline rings with multinucleated giant cells. The aim of this review was to summarize the literature on the etiopathogenesis of the so-called oral and extraoral pulse or hyaline ring granuloma. Literature was searched using PubMed and Medline. In addition, hand search was performed. Search words were oral and extraoral hyaline ring granuloma, giant-cell hyaline angiopathy, pulse granuloma and chronic periostitis. Numerous terms for hyaline ring granuloma have been introduced over time (1971-2008). One hundred seventy-three cases of oral hyaline ring granuloma have been retrieved from the literature. In the mandible, 72.3% occurred . Two theories for etiopathogenesis have been proposed: (1) the origin of the hyaline rings is due to a foreign material (pulse and legumes) having penetrated the oral mucosa or gastrointestinal tract and lungs (exogenous theory) and (2) the rings are due to hyaline degenerative changes in walls of blood vessels (endogenous theory). Experimental production of oral and extraoral hyaline ring granulomas is consistent with the exogenous origin. Particles or remains of leguminous cells having been implanted or aspirated into human tissues whether located to the oral cavity or throughout the entire digestive tract and respiratory system are thought to be causative. Pulse or hyaline ring granulomas are rare but are well-defined oral and extraoral lesions due to implantation of the cellulose moiety of plant foods in contrast to the starch components.

Halogen lamp and led activation of resin-modified glass ionomer restorative material. In vitro microhardness after long term storage

AIM: The purpose of this study was to evaluate the activation of resin-modified glass ionomer restorative material (RMGI, Vitremer-3M-ESPE, A3) by halogen lamp (QTH) or light-emitting diode (LED) by Knoop microhardness (KHN) in two storage conditions: 24hrs and 6 months and in two depths (0 and 2 mm). MATERIALS AND METHODS: The specimens were randomly divided into 3 experimental groups (n=10) according to activation form and evaluated in depth after 24h and after 6 months of storage. Activation was performed with QTH for 40s (700 mW/cm2) and for 40 or 20 s with LED (1,200 mW/scm2). After 24 hrs and 6 months of storage at 37°C in relative humidity in lightproof container, the Knoop microhardness test was performed. Statistics Data were analysed by three-way ANOVA and Tukey post-tests (p<0.05). RESULTS: All evaluated factors showed significant differences (p<0.05). After 24 hrs there were no differences within the experimental groups. KHN at 0 mm was significantly higher than 2 mm. After 6 months, there was an increase of microhardness values for all groups, being the ones activated by LED higher than the ones activated by QTH. CONCLUSION: Light-activation with LED positively influenced the KHN for RMGI evaluated after 6 months.

Comparison of different radiography systems in an experimental study for detection of forearm fractures and evaluation of the Müller-AO and Frykman classification for distal radius fractures

OBJECTIVES: We sought to compare the diagnostic performance of screen-film radiography, storage-phosphor radiography, and a flat-panel detector system in detecting forearm fractures and to classify distal radius fractures according to the Müller-AO and Frykman classifications compared with the true extent, depicted by anatomic preparation. MATERIALS AND METHODS: A total of 71 cadaver arms were fractured in a material testing machine creating different fractures of the radius and ulna as well as of the carpal bones. Radiographs of the complete forearm were evaluated by 3 radiologists, and anatomic preparation was used as standard of reference in a receiver operating curve analysis. RESULTS: The highest diagnostic performance was obtained for the detection of distal radius fractures with area under the receiver operating curve (AUC) values of 0.959 for screen-film radiography, 0.966 for storage-phosphor radiography, and 0.971 for the flat-panel detector system (P > 0.05). Exact classification was slightly better for the Frykman (kappa values of 0.457-0.478) compared with the Müller-AO classification (kappa values of 0.404-0.447), but agreement can be considered as moderate for both classifications. CONCLUSIONS: The 3 imaging systems showed a comparable diagnostic performance in detecting forearm fractures. A high diagnostic performance was demonstrated for distal radius fractures and conventional radiography can be routinely performed for fracture detection. However, compared with anatomic preparation, depiction of the true extent of distal radius fractures was limited and the severity of distal radius fractures tends to be underestimated.

Intra-annual radial growth and water relations of trees - implications towards a growth mechanism

There is a missing link between tree physiological and wood-anatomical knowledge which makes it impossible mechanistically to explain and predict the radial growth of individual trees from climate data. Empirical data of microclimatic factors, intra-annual growth rates, and tree-specific ratios between actual and potential transpiration (T PET−1) of trees of three species (Quercus pubescens, Pinus sylvestris, and Picea abies) at two dry sites in the central Wallis, Switzerland, were recorded from 2002 to 2004 at a 10 min resolution. This included the exceptionally hot and dry summer of 2003. These data were analysed in terms of direct (current conditions) and indirect impacts (predispositions of the past year) on growth. Rain was found to be the only factor which, to a large extent, consistently explained the radial increment for all three tree species at both sites and in the short term as well. Other factors had some explanatory power on the seasonal time-scale only. Quercus pubescens built up much of its tree ring before bud break. Pinus sylvestris and Picea abies started radial growth 1–2 weeks after Quercus pubescens and this was despite the fact that they had a high T PET−1 before budburst and radial growth started. A high T PET−1 was assumed to be related to open stomata, a very high net CO2 assimilation rate, and thus a potential carbon (C)-income for the tree. The main period of radial growth covered about 30–70% of the productive days of a year. In terms of C-allocation, these results mean that Quercus pubescens depended entirely on internal C-stores in the early phase of radial growth and that for all three species there was a long time period of C-assimilation which was not used for radial growth in above-ground wood. The results further suggest a strong dependence of radial growth on the current tree water relations and only secondarily on the C-balance. A concept is discussed which links radial growth over a feedback loop to actual tree water-relations and long-term affected C-storage to microclimate.

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.

Experimental characterization of cement–bentonite interaction using core infiltration techniques and 4D computed tomography

Deep geological storage of radioactive waste foresees cementitious materials as reinforcement of tunnels and as backfill. Bentonite is proposed to enclose spent fuel drums, and as drift seals. The emplacement of cementitious material next to clay material generates an enormous chemical gradient in pore water composition that drives diffusive solute transport. Laboratory studies and reactive transport modeling predict significant mineral alteration at and near interfaces, mainly resulting in a decrease of porosity in bentonite. The goal of this project is to characterize and quantify the cement/bentonite skin effects spatially and temporally in laboratory experiments. A newly developed mobile X-ray transparent core infiltration device was used, which allows performing X-ray computed tomography (CT) periodically without interrupting a running experiment. A pre-saturated cylindrical MX-80 bentonite sample (1920 kg/m3 average wet density) is subjected to a confining pressure as a constant total pressure boundary condition. The infiltration of a hyperalkaline (pH 13.4), artificial OPC (ordinary Portland cement) pore water into the bentonite plug alters the mineral assemblage over time as an advancing reaction front. The related changes in X-ray attenuation values are related to changes in phase densities, porosity and local bulk density and are tracked over time periodically by non-destructive CT scans.

Scheduling of continuous and discontinuous material flows with intermediate storage restrictions

This paper deals with scheduling batch (i.e., discontinuous), continuous, and semicontinuous production in process industries (e.g., chemical, pharmaceutical, or metal casting industries) where intermediate storage facilities and renewable resources (processing units and manpower) of limited capacity have to be observed. First, different storage configurations typical of process industries are discussed. Second, a basic scheduling problem covering the three above production modes is presented. Third, (exact and truncated) branch-and-bound methods for the basic scheduling problem and the special case of batch scheduling are proposed and subjected to an experimental performance analysis. The solution approach presented is flexible and in principle simple, and it can (approximately) solve relatively large problem instances with sufficient accuracy.