Phasenverhalten von Polyethylen in Mischsystemen

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Phasenverhalten von Polyethylen (PE) in nicht-reaktiven und in reaktiven Systemen. Von drei eng verteilten Polyethylenen (Mw = 6,4, 82 bzw. 380 kg/mol) in n-Hexan sowie für das System 2,2-Dimethylbutan / PE 82 wurde die Entmischung in Abhängigkeit von der Zusammensetzung, dem Druck und der Temperatur experimentell bestimmt. Die Modellierung der Trübungskurven erfolgte nach der Theorie von Sanchez und Lacombe. Dieser Ansatz beschreibt die Ergebnisse qualitativ und kann in einem engen Temperatur- und Druckbereich für gegebenes Molekulargewicht die kritische Temperatur und den kritischen Druck quantitativ vorhersagen. Durch Extrapolation der kritischen Temperatur der verschiedenen Lösungen von PE in n-Hexan auf unendliches Molekulargewicht nach Shultz-Flory wurde im Druckbereich von 20 bis 100 bar und im Temperaturbereich von 130 bis 200 °C eine Grenzlinie bestimmt. Diese Linie trennt unabhängig vom Molekulargewicht des Polymers und der Zusammensetzung der Mischung das Zweiphasengebiet vom homogenen Bereich. Im Fall des Mischlösungsmittels n-Hexan / 2,2-Dimethylbutan wurde für eine annähernd kritische Polymerkonzentration die Abhängigkeit der Entmischungsbedingungen von der Zusammensetzung untersucht. Durch einfache Erweiterung der Sanchez-Lacombe-Theorie und Einführen eines Fitparameters konnte das ternäre System beschrieben werden. An einer breit verteilten PE-Probe wurden Experimente zur Fraktionierung von PE in n-Hexan durchgeführt. Die Analyse der in den koexistenten Phasen enthaltenen Polymere lieferte Informationen über die Konzentration und die Molekulargewichtsverteilung des PE in diesen Phasen sowie die kritische Zusammensetzung der Mischung. Von verschiedenen PE-Lösungen (Mw = 0,5 kg/mol) wurde die polymerisationsinduzierte Phasenseparation in Isobornylmethacrylat mit und ohne Vernetzer untersucht. Mit 15 Gew.-% PE und in Abwesenheit von Vernetzer findet die Entmischung erst bei hohen Umsätzen statt. Die Charakterisierung der resultierenden Proben zeigte, dass sich etwas mehr als 5 Gew.-% PE im Polyisobornylmethacrylat lösen. Die Glasübergangstemperaturen der Polymermischungen steigen mit steigender Vernetzer- und sinkender Polyethylenkonzentration. Bei Proben mit 15 Gew.-% PE zeigte sich folgendes: 5 Gew.-% Vernetzer führen zu großen PE-Bereichen (150 - 200 nm) in der Matrix und der Kristallinitätsgrad ist gering. Bei der Polymermischung mit 10 Gew.-% Vernetzer bilden sich sehr kleine Polyethylenkristalle (< 80 nm) und der Kristallinitätsgrad ist hoch. Ohne Vernetzer hängt der Kristallinitätsgrad - wie bei reinem PE - von der Abkühlrate ab, mit Vernetzer ist er von ihr unabhängig.

Stress – structure correlations in grafted polymer films

In der vorliegenden Arbeit wurden experimentelle Untersuchungen zu gepfropften Polymerfilmen durchgeführt. Dabei wurden endgepfropfte poly-methyl-methacrylate (PMMA) Bürsten hergestellt durch „grafting from“ Methoden und polystyrol (PS)/ poly-vinyl-methyl-ether (PVME) Polymerfilme gepfropft auf UV sensitiven Oberflächen untersucht. Zur Strukturuntersuchung wurden die hergestellten Systeme wurden mit Rasterkraftmikroskopie (engl.: Surface Probe Microscopy, SPM), Röntgen - und Neutronenreflektivitätsmessungen, sowie mit Röntgenstreuung unter streifenden Einfall (engl.: Grazing Incidence Small Angle X-Ray Scattering, GISAXS) untersucht. rnEs wurde gezeigt, dass ein aus der Transmissionsstreuung bekanntes Model auch für auch für die GISAXS Analyse polydisperser Polymerdomänen und Kolloidsysteme verwendet werden kann. Der maximale Fehler durch die gemachten Näherungen wurde auf < 20% abgeschätzt.rnErgebnisse aus der Strukturanalyse wurden mit mechanischen Filmeigenschaften verknüpft. Dazu wurden mechanische Spannungsexperimente durchgeführt. Hierzu wurden die zu untersuchenden Filme selektiv auf einzelne Mikro-Federbalken-Sensoren (engl.: Micro Cantilever Sensor, MCS) der MCS Arrays aufgebracht. Dies wurde durch Maskierungstechniken und Mikro-Kontaktdrucken bewerkstelligt. rnPhasenübergansexperimente der gepfropften PS/PVME Filme haben gezeigt, dass die Möglichkeit einer Polymer/Polymer Phasenseparation stark von Propfpunktdichte der gebundenen Polymerketten mit der Oberfläche abhängt. PS/PVME Filmsysteme mit hohen Pfropfpunktdichten zeigten keinen Phasenübergang. Bei niedrig gepfropften Filmsystemen waren hingegen Polymer/Polymer Phasenseparationen zu beobachten. Es wurde geschlussfolgert, dass die gepfropften Polymersysteme einen hinreichenden Grad an entropischen Freiheitsgraden benötigen um eine Phasenseparation zu zeigen. Mechanische Spannungsexperimente haben dabei das Verstehen der Phasenseparationsmechanismen möglich gemacht.rnAus Quellexperimenten dichtgepfropfter PMMA Bürsten, wurden Lösungsmittel-Polymer Wechselwirkungsparameter (-Parameter) bestimmt. Dabei wurde festgestellt, dass sich die erhaltenen Parameter aufgrund von Filmbenetzung und entropischen Effekten maßgeblich von den errechneten Bulkwerten unterscheiden. Weiterhin wurden nicht reversible Kettenverschlaufungseffekt beobachtet.

Coarse-graining methods and polymer dynamics

This thesis studies molecular dynamics simulations on two levels of resolution: the detailed level of atomistic simulations, where the motion of explicit atoms in a many-particle system is considered, and the coarse-grained level, where the motion of superatoms composed of up to 10 atoms is modeled. While atomistic models are capable of describing material specific effects on small scales, the time and length scales they can cover are limited due to their computational costs. Polymer systems are typically characterized by effects on a broad range of length and time scales. Therefore it is often impossible to atomistically simulate processes, which determine macroscopic properties in polymer systems. Coarse-grained (CG) simulations extend the range of accessible time and length scales by three to four orders of magnitude. However, no standardized coarse-graining procedure has been established yet. Following the ideas of structure-based coarse-graining, a coarse-grained model for polystyrene is presented. Structure-based methods parameterize CG models to reproduce static properties of atomistic melts such as radial distribution functions between superatoms or other probability distributions for coarse-grained degrees of freedom. Two enhancements of the coarse-graining methodology are suggested. Correlations between local degrees of freedom are implicitly taken into account by additional potentials acting between neighboring superatoms in the polymer chain. This improves the reproduction of local chain conformations and allows the study of different tacticities of polystyrene. It also gives better control of the chain stiffness, which agrees perfectly with the atomistic model, and leads to a reproduction of experimental results for overall chain dimensions, such as the characteristic ratio, for all different tacticities. The second new aspect is the computationally cheap development of nonbonded CG potentials based on the sampling of pairs of oligomers in vacuum. Static properties of polymer melts are obtained as predictions of the CG model in contrast to other structure-based CG models, which are iteratively refined to reproduce reference melt structures. The dynamics of simulations at the two levels of resolution are compared. The time scales of dynamical processes in atomistic and coarse-grained simulations can be connected by a time scaling factor, which depends on several specific system properties as molecular weight, density, temperature, and other components in mixtures. In this thesis the influence of molecular weight in systems of oligomers and the situation in two-component mixtures is studied. For a system of small additives in a melt of long polymer chains the temperature dependence of the additive diffusion is predicted and compared to experiments.

Functional hydrogels: ferrogel thin films

Die Kombination magnetischer Nanopartikel (NP) mit temperatursensitiven Polymeren führt zur Bildung neuer Komposit-Materialien mit interessanten Eigenschaften, die auf vielfältige Weise genutzt werden können. Mögliche Anwendungsgebiete liegen in der magnetischen Trennung, der selektiven Freisetzung von Medikamenten, dem Aufbau von Sensoren und Aktuatoren. Als Polymerkomponente können z.B. Hydrogele dienen. Die Geschwindigkeit der Quellgradänderung mittels externer Stimuli kann durch eine Reduzierung des Hydrogelvolumens erhöht werden, da das Quellen ein diffusionskontrollierter Prozess ist. rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde ein durch ultraviolettes Licht vernetzbares Hydrogel aus N-isopropylacrylamid, Methacrylsäure und dem Vernetzer 4-Benzoylphenylmethacrylat hergestellt (PNIPAAm-Hydrogel) und mit magnetischen Nanopartikeln aus Magnetit (Fe3O4) kombiniert. Dabei wurde die Temperatur- und die pH-Abhängigkeit des Quellgrades im Hinblick auf die Verwendung als nanomechanische Cantilever Sensoren (NCS) untersucht. Desweiteren erfolgte eine Charakterisierung durch Oberflächenplasmonen- und optischer Wellenleitermoden-Resonanz Spektroskopie (SPR/OWS). Die daraus erhaltenen Werte für den pKa-Wert und die lower critical solution Temperatur (LCST) stimmten mit den bekannten Literaturwerten überein. Es konnte gezeigt werden, dass eine stärkere Vernetzung zu einer geringeren LCST führt. Die Ergebnisse mittels NCS wiesen zudem auf einen skin-effect während des Heizens von höher vernetzten Polymeren hin.rnDie Magnetit Nanopartikel wurden ausgehend von Eisen(II)acetylacetonat über eine Hochtemperaturreaktion synthetisiert. Durch Variation der Reaktionstemperatur konnte die Größe der hergestellten Nanopartikel zwischen 3.5 und 20 nm mit einer Größenverteilung von 0.5-2.5 nm eingestellt werden. Durch geeignete Oberflächenfunktionalisierung konnten diese in Wasser stabilisiert werden. Dazu wurde nach zwei Strategien verfahren: Zum einen wurden die Nanopartikel mittels einer Silika-Schale funktionalisiert und zum anderen Zitronensäure als Tensid eingesetzt. Wasserstabilität ist vor allem für biologische Anwendungen wünschenswert. Die magnetischen Partikel wurden mit Hilfe von Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), und superconductive quantum interference device (SQUID) charakterisiert. Dabei wurde eine Größenabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften sowie superparamagnetisches Verhalten beobachtet. Außerdem wurde die Wärmeerzeugung der magnetischen Nanopartikel in einem AC Magnetfeld untersucht. rnDie Kombination beider Komponenten in Form eines Ferrogels wurde durch Mischen Benzophenon funktionalisierter magnetischer Nanopartikel mit Polymer erreicht. Durch Aufschleudern (Spin-Coaten) wurden dünne Filme erzeugt und diese im Hinblick auf ihr Verhalten in einem Magnetfeld untersucht. Dabei wurde eine geringes Plastikverhalten beobachtet. Die experimentellen Ergebnisse wurden anschließend mit theoretisch berechneten Erwartungswerten verglichen und mit den unterschiedlichen Werten für dreidimensionale Ferrogele in Zusammenhang gestellt. rn

Analysis of Two Component Systems in Group B Streptococcus Shows that RgfAC and the Novel FspSR Modulate Virulence and Bacterial Fitness

Group B Streptococcus (GBS), in its transition from commensal to pathogen, will encounter diverse host environments and thus require coordinately controlling its transcriptional responses to these changes. This work was aimed at better understanding the role of two component signal transduction systems (TCS) in GBS pathophysiology through a systematic screening procedure. We first performed a complete inventory and sensory mechanism classification of all putative GBS TCS by genomic analysis. Five TCS were further investigated by the generation of knock-out strains, and in vitro transcriptome analysis identified genes regulated by these systems, ranging from 0.1-3% of the genome. Interestingly, two sugar phosphotransferase systems appeared differently regulated in the knock-out mutant of TCS-16, suggesting an involvement in monitoring carbon source availability. High throughput analysis of bacterial growth on different carbon sources showed that TCS-16 was necessary for growth of GBS on fructose-6-phosphate. Additional transcriptional analysis provided further evidence for a stimulus-response circuit where extracellular fructose-6-phosphate leads to autoinduction of TCS-16 with concomitant dramatic up-regulation of the adjacent operon encoding a phosphotransferase system. The TCS-16-deficient strain exhibited decreased persistence in a model of vaginal colonization and impaired growth/survival in the presence of vaginal mucoid components. All mutant strains were also characterized in a murine model of systemic infection, and inactivation of TCS-17 (also known as RgfAC) resulted in hypervirulence. Our data suggest a role for the previously unknown TCS-16, here named FspSR, in bacterial fitness and carbon metabolism during host colonization, and also provide experimental evidence for TCS-17/RgfAC involvement in virulence.

Design of nanoparticle systems with antimicrobial properties

Infektiöse Komplikationen im Zusammenhang mit Implantaten stellen einen Großteil aller Krankenhausinfektionen dar und treiben die Gesundheitskosten signifikant in die Höhe. Die bakterielle Kolonisation von Implantatoberflächen zieht schwerwiegende medizinische Konsequenzen nach sich, die unter Umständen tödlich verlaufen können. Trotz umfassender Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der antibakteriellen Oberflächenbeschichtungen ist das Spektrum an wirksamen Substanzen aufgrund der Anpassungsfähigkeit und Ausbildung von Resistenzen verschiedener Mikroorganismen eingeschränkt. Die Erforschung und Entwicklung neuer antibakterieller Materialien ist daher von fundamentaler Bedeutung.rnIn der vorliegenden Arbeit wurden auf der Basis von Polymernanopartikeln und anorganischen/polymeren Verbundmaterialien verschiedene Systeme als Alternative zu bestehenden antibakteriellen Oberflächenbeschichtungen entwickelt. Polymerpartikel finden Anwendung in vielen verschiedenen Bereichen, da sowohl Größe als auch Zusammensetzung und Morphologie vielseitig gestaltet werden können. Mit Hilfe der Miniemulsionstechnik lassen sich u. A. funktionelle Polymernanopartikel im Größenbereich von 50-500 nm herstellen. Diese wurde im ersten System angewendet, um PEGylierte Poly(styrol)nanopartikel zu synthetisieren, deren anti-adhesives Potential in Bezug auf P. aeruginosa evaluiert wurde. Im zweiten System wurden sog. kontakt-aktive kolloide Dispersionen entwickelt, welche bakteriostatische Eigenschaften gegenüber S. aureus zeigten. In Analogie zum ersten System, wurden Poly(styrol)nanopartikel in Copolymerisation in Miniemulsion mit quaternären Ammoniumgruppen funktionalisiert. Als Costabilisator diente das zuvor quaternisierte, oberflächenaktive Monomer (2-Dimethylamino)ethylmethacrylat (qDMAEMA). Die Optimierung der antibakteriellen Eigenschaften wurde im nachfolgenden System realisiert. Hierbei wurde das oberflächenaktive Monomer qDMAEMA zu einem oberflächenaktiven Polyelektrolyt polymerisiert, welcher unter Anwendung von kombinierter Miniemulsions- und Lösemittelverdampfungstechnik, in entsprechende Polyelektrolytnanopartikel umgesetzt wurde. Infolge seiner oberflächenaktiven Eigenschaften, ließen sich aus dem Polyelektrolyt stabile Partikeldispersionen ohne Zusatz weiterer Tenside ausbilden. Die selektive Toxizität der Polyelektrolytnanopartikel gegenüber S. aureus im Unterschied zu Körperzellen, untermauert ihr vielversprechendes Potential als bakterizides, kontakt-aktives Reagenz. rnAufgrund ihrer antibakteriellen Eigenschaften wurden ZnO Nanopartikel ausgewählt und in verschiedene Freisetzungssysteme integriert. Hochdefinierte eckige ZnO Nanokristalle mit einem mittleren Durchmesser von 23 nm wurden durch thermische Zersetzung des Precursormaterials synthetisiert. Durch die nachfolgende Einkapselung in Poly(L-laktid) Latexpartikel wurden neue, antibakterielle und UV-responsive Hybridnanopartikel entwickelt. Durch die photokatalytische Aktivierung von ZnO mittels UV-Strahlung wurde der Abbau der ZnO/PLLA Hybridnanopartikel signifikant von mehreren Monaten auf mehrere Wochen verkürzt. Die Photoaktivierung von ZnO eröffnet somit die Möglichkeit einer gesteuerten Freisetzung von ZnO. Im nachfolgenden System wurden dünne Verbundfilme aus Poly(N-isopropylacrylamid)-Hydrogelschichten mit eingebetteten ZnO Nanopartikeln hergestellt, die als bakterizide Oberflächenbeschichtungen gegen E. coli zum Einsatz kamen. Mit minimalem Gehalt an ZnO zeigten die Filme eine vergleichbare antibakterielle Aktivität zu Silber-basierten Beschichtungen. Hierbei lässt sich der Gehalt an ZnO relativ einfach über die Filmdicke einstellen. Weiterhin erwiesen sich die Filme mit bakteriziden Konzentrationen an ZnO als nichtzytotoxisch gegenüber Körperzellen. Zusammenfassend wurden mehrere vielversprechende antibakterielle Prototypen entwickelt, die als potentielle Implantatbeschichtungen auf die jeweilige Anwendung weiterhin zugeschnitten und optimiert werden können.

Computer simulations of colloidal fluids in confinement

Computer-Simulationen von Kolloidalen Fluiden in Beschränkten Geometrien Kolloidale Suspensionen, die einen Phasenübergang aufweisen, zeigen eine Vielfalt an interessanten Effekten, sobald sie auf eine bestimmte Geometrie beschränkt werden, wie zum Beispiel auf zylindrische Poren, sphärische Hohlräume oder auf einen Spalt mit ebenen Wänden. Der Einfluss dieser verschiedenen Geometrietypen sowohl auf das Phasenverhalten als auch auf die Dynamik von Kolloid-Polymer-Mischungen wird mit Hilfe von Computer-Simulationen unter Verwendung des Asakura-Oosawa- Modells, für welches auf Grund der “Depletion”-Kräfte ein Phasenübergang existiert, untersucht. Im Fall von zylindrischen Poren sieht man ein interessantes Phasenverhalten, welches vom eindimensionalen Charakter des Systems hervorgerufen wird. In einer kurzen Pore findet man im Bereich des Phasendiagramms, in dem das System typischerweise entmischt, entweder eine polymerreiche oder eine kolloidreiche Phase vor. Sobald aber die Länge der zylindrischen Pore die typische Korrelationslänge entlang der Zylinderachse überschreitet, bilden sich mehrere quasi-eindimensionale Bereiche der polymerreichen und der kolloidreichen Phase, welche von nun an koexistieren. Diese Untersuchungen helfen das Verhalten von Adsorptionshysteresekurven in entsprechenden Experimenten zu erklären. Wenn das Kolloid-Polymer-Modellsystem auf einen sphärischen Hohlraum eingeschränkt wird, verschiebt sich der Punkt des Phasenübergangs von der polymerreichen zur kolloidreichen Phase. Es wird gezeigt, dass diese Verschiebung direkt von den Benetzungseigenschaften des Systems abhängt, was die Beobachtung von zwei verschiedenen Morphologien bei Phasenkoexistenz ermöglicht – Schalenstrukturen und Strukturen des Janustyps. Im Rahmen der Untersuchung von heterogener Keimbildung von Kristallen innerhalb einer Flüssigkeit wird eine neue Simulationsmethode zur Berechnung von Freien Energien der Grenzfläche zwischen Kristall- bzw. Flüssigkeitsphase undWand präsentiert. Die Resultate für ein System von harten Kugeln und ein System einer Kolloid- Polymer-Mischung werden anschließend zur Bestimmung von Kontaktwinkeln von Kristallkeimen an Wänden verwendet. Die Dynamik der Phasenseparation eines quasi-zweidimensionalen Systems, welche sich nach einem Quench des Systems aus dem homogenen Zustand in den entmischten Zustand ausbildet, wird mit Hilfe von einer mesoskaligen Simulationsmethode (“Multi Particle Collision Dynamics”) untersucht, die sich für eine detaillierte Untersuchung des Einflusses der hydrodynamischen Wechselwirkung eignet. Die Exponenten universeller Potenzgesetze, die das Wachstum der mittleren Domänengröße beschreiben, welche für rein zwei- bzw. dreidimensionale Systeme bekannt sind, können für bestimmte Parameterbereiche nachgewiesen werden. Die unterschiedliche Dynamik senkrecht bzw. parallel zu den Wänden sowie der Einfluss der Randbedingungen für das Lösungsmittel werden untersucht. Es wird gezeigt, dass die daraus resultierende Abschirmung der hydrodynamischen Wechselwirkungsreichweite starke Auswirkungen auf das Wachstum der mittleren Domänengröße hat.

Three dimensional finite element simulation of polymer melting and flow in a single-screw extruder : optimization of screw channel geometry

Single-screw extrusion is one of the widely used processing methods in plastics industry, which was the third largest manufacturing industry in the United States in 2007 [5]. In order to optimize the single-screw extrusion process, tremendous efforts have been devoted for development of accurate models in the last fifty years, especially for polymer melting in screw extruders. This has led to a good qualitative understanding of the melting process; however, quantitative predictions of melting from various models often have a large error in comparison to the experimental data. Thus, even nowadays, process parameters and the geometry of the extruder channel for the single-screw extrusion are determined by trial and error. Since new polymers are developed frequently, finding the optimum parameters to extrude these polymers by trial and error is costly and time consuming. In order to reduce the time and experimental work required for optimizing the process parameters and the geometry of the extruder channel for a given polymer, the main goal of this research was to perform a coordinated experimental and numerical investigation of melting in screw extrusion. In this work, a full three-dimensional finite element simulation of the two-phase flow in the melting and metering zones of a single-screw extruder was performed by solving the conservation equations for mass, momentum, and energy. The only attempt for such a three-dimensional simulation of melting in screw extruder was more than twenty years back. However, that work had only a limited success because of the capability of computers and mathematical algorithms available at that time. The dramatic improvement of computational power and mathematical knowledge now make it possible to run full 3-D simulations of two-phase flow in single-screw extruders on a desktop PC. In order to verify the numerical predictions from the full 3-D simulations of two-phase flow in single-screw extruders, a detailed experimental study was performed. This experimental study included Maddock screw-freezing experiments, Screw Simulator experiments and material characterization experiments. Maddock screw-freezing experiments were performed in order to visualize the melting profile along the single-screw extruder channel with different screw geometry configurations. These melting profiles were compared with the simulation results. Screw Simulator experiments were performed to collect the shear stress and melting flux data for various polymers. Cone and plate viscometer experiments were performed to obtain the shear viscosity data which is needed in the simulations. An optimization code was developed to optimize two screw geometry parameters, namely, screw lead (pitch) and depth in the metering section of a single-screw extruder, such that the output rate of the extruder was maximized without exceeding the maximum temperature value specified at the exit of the extruder. This optimization code used a mesh partitioning technique in order to obtain the flow domain. The simulations in this flow domain was performed using the code developed to simulate the two-phase flow in single-screw extruders.

Polymer Models of Meiotic and Mitotic Chromosomes

Polymers tied together by constraints exhibit an internal pressure; this idea is used to analyze physical properties of the bottle-brush–like chromosomes of meiotic prophase that consist of polymer-like flexible chromatin loops, attached to a central axis. Using a minimal number of experimental parameters, semiquantitative predictions are made for the bending rigidity, radius, and axial tension of such brushes, and the repulsion acting between brushes whose bristles are forced to overlap. The retraction of lampbrush loops when the nascent transcripts are stripped away, the oval shape of diplotene bivalents between chiasmata, and the rigidity of pachytene chromosomes are all manifestations of chromatin pressure. This two-phase (chromatin plus buffer) picture that suffices for meiotic chromosomes has to be supplemented by a third constituent, a chromatin glue to understand mitotic chromosomes, and explain how condensation can drive the resolution of entanglements. This process resembles a thermal annealing in that a parameter (the affinity of the glue for chromatin and/or the affinity of the chromatin for buffer) has to be tuned to achieve optimal results. Mechanical measurements to characterize this protein–chromatin matrix are proposed. Finally, the propensity for even slightly chemically dissimilar polymers to phase separate (cluster like with like) can explain the apparent segregation of the chromatin into A+T- and G+C-rich regions revealed by chromosome banding.

Concentrations and isotopic compositions of low molecular weight hydrocarbons in hydrothermal fluids from ODP Field, Middle Valley, northern Juan de Fuca Ridge

The presence of sedimentary organic matter blanketing midocean ridge crests has a potentially strong impact on metal transport in hydrothermal vent fluids. To constrain the role of organic matter in metal mobility during hydrothermal sediment alteration, we reacted organic-rich diatomaceous ooze from Guaymas Basin, Gulf of California, and organic-poor hemipelagic mud from Middle Valley, northern Juan de Fuca Ridge, with seawater and a Na-Ca-K-Cl fluid of seawater chlorinity, at 275° to 400°C, 350 to 500 bars, and initial fluid: sediment mass ratios ranging from 1.6 to 9.8. Reaction of these fluids with both sediment types released CO2 and high concentrations of ore-forming metals (Fe, Mn, Zn, Pb) to solution. Relatively low concentrations of Cu were observed in solution and likely reflect the reducing conditions that resulted from the presence of sedimentary organic matter. Both the concentrations of CO2 and dissolved metals were lower in fluids reacted with Middle Valley sediment compared with aqueous concentrations in fluids reacted with Guaymas Basin sediment. During alteration of both sediment types, metal concentrations varied strongly as a function of temperature, increasing by up to an order of magnitude over the 75°C range of each experiment. Major element fluid chemistry and observed alteration assemblages suggest that during hydrothermal alteration of organic-lean sediment from Middle Valley a feldspar-quartz-illite mineral assemblage buffered in situ pH. In contrast, data from the experimental alteration of organic-rich Guaymas Basin sediment suggest that a calcite-plagioclase-quartz assemblage regulated in situ pH. Fluid speciation calculations suggest that in situ pH during Guaymas Basin sediment alteration was lower than during alteration of Middle Valley sediment and accounts for the substantially greater metal mobility at a given temperature and pressure during the former experiment. Comparison of our results with the results of basalt alteration experiments indicate that except for Cu, hydrothermal sediment alteration results in equal or greater concentrations of ore-forming metals at a given temperature and pressure. Accordingly, the presence of ore-forming metals in fluids currently venting from sediment-covered hydrothermal systems at concentrations substantially lower than in fluids from bare-rock systems may reflect chemical reequilibration during subsurface cooling within the sediment pile.

Quantum entanglement in the two-impurity Kondo model

In order to quantify quantum entanglement in two-impurity Kondo systems, we calculate the concurrence, negativity, and von Neumann entropy. The entanglement of the two Kondo impurities is shown to be determined by two competing many-body effects, namely the Kondo effect and the Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interaction, I. Due to the spin-rotational invariance of the ground state, the concurrence and negativity are uniquely determined by the spin-spin correlation between the impurities. It is found that there exists a critical minimum value of the antiferromagnetic correlation between the impurity spins which is necessary for entanglement of the two impurity spins. The critical value is discussed in relation with the unstable fixed point in the two-impurity Kondo problem. Specifically, at the fixed point there is no entanglement between the impurity spins. Entanglement will only be created [and quantum information processing (QIP) will only be possible] if the RKKY interaction exchange energy, I, is at least several times larger than the Kondo temperature, T-K. Quantitative criteria for QIP are given in terms of the impurity spin-spin correlation.

HRM systems of Indian call centres:an exploratory study

This paper initially highlights the rapid growth in the call centre (CC) sector in developing countries like India. It then makes a case for the investigation of human resource management (HRM) systems of call centres in India. The analysis is based on a two-phase empirical study. Phase one examines the nature and pattern of HRM systems and phase two the emerging issue of attrition in Indian call centres. A mixed research approach comprising in-depth interviews and questionnaire survey was adopted to conduct the investigation. Against the established norms of Indian organizations, the findings highlight the existence of formal, structured and rationalized HRM systems. Core reasons for the increasing levels of attrition are highlighted. The analysis further provides useful information both for academics and practitioners and opens avenues for future research.

Pole tip recession in linear tape systems

The tribology of linear tape storage system including Linear Tape Open (LTO) and Travan5 was investigated by combining X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Auger Electron Spectroscopy (AES), Optical Microscopy and Atomic Force Microscopy (AFM) technologies. The purpose of this study was to understand the tribology mechanism of linear tape systems then projected recording densities may be achieved in future systems. Water vapour pressure or Normalized Water Content (NWC) rather than the Relative Humidity (RH) values (as are used almost universally in this field) determined the extent of PTR and stain (if produced) in linear heads. Approximately linear dependencies were found for saturated PTR increasing with normalized water content increasing over the range studied using the same tape. Fe Stain (if produced) preferentially formed on the head surfaces at the lower water contents. The stain formation mechanism had been identified. Adhesive bond formation is a chemical process that is governed by temperature. Thus the higher the contact pressure, the higher the contact temperature in the interface of head and tape, was produced higher the probability of adhesive bond formation and the greater the amount of transferred material (stain). Water molecules at the interface saturate the surface bonds and makes adhesive junctions less likely. Tape polymeric binder formulation also has a significant role in stain formation, with the latest generation binders producing less transfer of material. This is almost certainly due to higher cohesive bonds within the body of the magnetic layer. TiC in the two-phase ceramic tape-bearing surface (AlTiC) was found to oxidise to form TiO2.The oxidation rate of TiC increased with water content increasing. The oxide was less dense than the underlying carbide; hence the interface between TiO2 oxide and TiC was stressed. Removals of the oxide phase results in the formation of three-body abrasive particles that were swept across the tape head, and gave rise to three-body abrasive wear, particularly in the pole regions. Hence, PTR and subsequent which signal loss and error growth. The lower contact pressure of the LTO system comparing with the Travan5 system ensures that fewer and smaller three-body abrasive particles were swept across the poles and insulator regions. Hence, lower contact pressure, as well as reducing stain in the same time significantly reduces PTR in the LTO system.

Properties and performance of polymer modified cements and mortars

Polymer modified cements and mortars have become popular for use as patch repair materials. General evidence suggests that these materials offer considerable improvements compared to traditional mortars although the mechanisms for this are not fully understood. This work elucidates the factors which govern some properties and performance of different polymer systems. In view of the wide range of commercial systems available, investigations concentrated on the use of three of the most commonly available groups of polymers. These were: (1) Styrene Butadiene Rubber (SBR), (2) Acrylics and, (3) Ethylene Vinyl Acetates (EVA). The later two were in the form of both emulsions and redispersible powders. Experiments concentrated on: (1) Rheological behaviour of polymer modified cement pastes; (2) Workability of polymer modified mortars; (3) Influence of curing conditions on the pore size distribution and diffusion of chloride ions; (4) Bond strength of polymer modified cement and mortar patches; and (5) Microscopic examination and semi-quantitative analyses of the bulk and interfacial microstructures. The following main conclusions were reached: (1) The addition of polymer emulsions have a considerable influence on the workability of fresh cement pastes, the extent of this depending on the type of system used. (2) The rheological parameters of fresh polymer modified mortars can be established using a two-point workability test which may be used when comparing the properties of different systems at constant workability. (3) Curing conditions affect the properties of polymer modified systems and a wet/dry curing regime was essential for good adhesion of these materials to mortar substrates. (4) In contrast, the wet/dry curing regime resulted in a curing affected zone at the surface of patch materials. This can result in a much coarser pore structure and enhanced diffusion of e.g. chloride ions. (5) The microstructure of polymer modified systems was very different compared with the unmodified cement/mortar and varied depending on curing conditions.

SIGNIFICANCE OF HEAT DISSIPATION IN THE CATHODE CATALYST LAYER ON THE LIFETIME AND RELIABILITY OF POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELLS

To study the dissipation of heat generated due to the formation of pinholes that cause local hotspots in the catalyst layer of the Polymer Electrolyte Fuel Cell, a two-phase non-isothermal model has been developed by coupling Darcy’s law with heat transport. The domain under consideration is a section of the membrane electrode assembly with a half-channel and a half-rib. Five potential locations where a pinhole might form were analyzed: at the midplane of the channel, midway between the channel midplane and the channel wall, at the channel or rib wall, midway between the rib midplane and the channel wall, at the midplane of the rib. In the first part of this work, a preliminary thermal model was developed. The model was then refined to account for the two-phase effects. A sensitivity study was done to evaluate the effect of the following properties on the maximum temperature in the domain: Catalyst layer thermal conductivity, the Microporous layer thermal conductivity, the anisotropy factor of the Catalyst layer thermal conductivity, the Porous transport layer porosity, the liquid water distribution and the thickness of the membrane and porous layers. Accounting for the two-phase effects, a slight cooling effect was observed across all hotspot locations. The thermal properties of the catalyst layer were shown to have a limited impact on the maximum temperature in the catalyst layer of new fuel cells without pinhole. However, as hotspots start to appear, thermal properties play a more significant role in mitigating the thermal runaway.