Photovernetzbare flüssigkristalline Polymere unterschiedlicher Kettentopologien

„Photovernetzbare flüssigkristalline Polymere unterschiedlicher Kettentopologien“, Patrick Beyer, Mainz 2007 Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wurde die Synthese und Charakterisierung flüssigkristalliner Elastomere unterschiedlicher Polymertopologien vorgestellt. Dabei wurden Systeme synthetisiert, bei denen die mesogenen Einheiten entweder als Seitengruppen an ein Polymerrückgrat angebunden (Seitenkettenelastomere) oder direkt in die Polymerkette integriert (Hauptkettenelastomere) sind (siehe Abbildung). Bezüglich der Seitenkettensysteme konnten erstmals photovernetzbare smektische Seitenkettenpolymere, in denen aufgrund der Anknüpfung eines photoisomerisierbaren Azobenzols eine Photo- modulation der ferroelektrischen Eigenschaften möglich ist, dargestellt werden. Homöotrop orientierte freistehende Filme dieser Materialien konnten durch Spincoaten dargestellt und unter Ausnutzung des Dichroismus der Azobenzole durch geeignete Wahl der Bestrahlungsgeometrie photovernetzt werden. Aufbauend auf diesen Untersuchungen wurde anhand eines nicht vernetzbaren Modellsystems im Detail der Einfluss der trans-cis Isomerisierung des Azobenzols auf die ferroelektrischen Parameter untersucht. Durch zeitaufgelöste Messungen der Absorption der Azobenzole, der spontanen Polarisation und des Direktorneigungswinkels und Auswertung der kinetischen Prozesse konnte eine lineare Abhängigkeit der ferroelektrischen Eigenschaften vom Grad der Isomerisierungsreaktion festgestellt werden. Durch Vergleich dieser in der flüssigkristallinen Phase erhaltenen Ergebnisse mit der Kinetik der thermischen Reisomerisierung in Lösung (Toluol) konnte ferner eine deutliche Reduzierung der Relaxationszeiten in der anisotropen flüssigkristallinen Umgebung festgestellt und auf eine Absenkung der Aktivierungsenergie zurückgeführt werden. Makroskopische Formänderungen der Seitenkettenelastomere am Phasenübergang von der flüssigkristallinen in die isotrope Phase konnten jedoch nicht festgestellt werden. Aus diesem Grund wurden neue Synthesestrategien für die Darstellung von Hauptkettenelastomeren entwickelt, die sich aufgrund der direkten Kopplung von flüssigkristallinem Ordnungsgrad und Polymerkettenkonformation besser für die Herstellung thermischer Aktuatoren eignen. Auf Basis flüssigkristalliner Polymalonate konnten dabei lateral funktionalisierte smektische Hauptkettenpolymere synthetisiert werden, welche erstmals die Darstellung von LC-Hauptkettenelastomeren durch Photovernetzung in der flüssigkristallinen Phase erlauben. Durch laterale Bromierung konnte in diesen Systemen die Kristallisationstendenz der verwendeten Biphenyleinheiten unterdrückt werden. Bezüglich der Photovernetzung konnten zwei neue Synthesemethoden entwickelt werden, bei denen der Vernetzungsschritt entweder durch radikalische Polymerisation lateral angebundener Acrylatgruppen oder durch photoaktive Benzophenongruppen erfolgte. Basierend auf den Benzophenon funktionalisierten Systemen konnte ein neuartiges Verfahren zur Darstellung makroskopisch orientierter Hauptkettenelastomere durch Photovernetzung entwickelt werden. Die Elastomerproben, deren Ordnungsgrad durch Röntgenuntersuchungen ermittelt werden konnte, zeigen am Phasenübergang von der flüssigkristallinen in die isotrope Phase eine reversible Formänderung von 40%. Im Gegensatz zu anderen bekannten smektischen Systemen konnten die in dieser Arbeit vorgestellten Elastomere ohne Zerstörung der Phase bis zu 60% entlang der smektischen Schichtnormalen gestreckt werden, was im Kontext einer geringen Korrelation der smektischen Schichten in Hauptkettenelastomeren diskutiert wurde.

Lesion detection and classification in breast cancer: evaluation of approaches based on morphological features, tracer kinetic modelling and semi-quantitative parameters in MR functional imaging (DCE-MRI)

The diagnosis, grading and classification of tumours has benefited considerably from the development of DCE-MRI which is now essential to the adequate clinical management of many tumour types due to its capability in detecting active angiogenesis. Several strategies have been proposed for DCE-MRI evaluation. Visual inspection of contrast agent concentration curves vs time is a very simple yet operator dependent procedure, therefore more objective approaches have been developed in order to facilitate comparison between studies. In so called model free approaches, descriptive or heuristic information extracted from time series raw data have been used for tissue classification. The main issue concerning these schemes is that they have not a direct interpretation in terms of physiological properties of the tissues. On the other hand, model based investigations typically involve compartmental tracer kinetic modelling and pixel-by-pixel estimation of kinetic parameters via non-linear regression applied on region of interests opportunely selected by the physician. This approach has the advantage to provide parameters directly related to the pathophysiological properties of the tissue such as vessel permeability, local regional blood flow, extraction fraction, concentration gradient between plasma and extravascular-extracellular space. Anyway, nonlinear modelling is computational demanding and the accuracy of the estimates can be affected by the signal-to-noise ratio and by the initial solutions. The principal aim of this thesis is investigate the use of semi-quantitative and quantitative parameters for segmentation and classification of breast lesion. The objectives can be subdivided as follow: describe the principal techniques to evaluate time intensity curve in DCE-MRI with focus on kinetic model proposed in literature; to evaluate the influence in parametrization choice for a classic bi-compartmental kinetic models; to evaluate the performance of a method for simultaneous tracer kinetic modelling and pixel classification; to evaluate performance of machine learning techniques training for segmentation and classification of breast lesion.

Oxidation photochemistry in the remote marine boundary layer

Die bedeutendste Folge der Luftverschmutzung ist eine erhöhte Konzentration an Ozon (O3) in der Troposphäre innerhalb der letzten 150 Jahre. Ozon ist ein photochemisches Oxidationsmittel und ein Treibhausgas, das als wichtigste Vorstufe des Hydroxyradikals OH die Oxidationskraft der Atmosphäre stark beeinflusst. Um die Oxidationskraft der Atmosphäre und ihren Einfluss auf das Klima verstehen zu können, ist es von großer Bedeutung ein detailliertes Wissen über die Photochemie des Ozons und seiner Vorläufer, den Stickoxiden (NOx), in der Troposphäre zu besitzen. Dies erfordert das Verstehen der Bildungs- und Abbaumechanismen von Ozon und seiner Vorläufer. Als eine für den chemischen Ozonabbau wichtige Region kann die vom Menschen weitgehend unberührte marine Grenzschicht (Marine boundary layer (MBL)) angesehen werden. Bisher wurden für diese Region jedoch kaum Spurengasmessungen durchgeführt, und so sind die dort ablaufenden photochemischen Prozesse wenig untersucht. Da etwa 70 % der Erdoberfläche mit Ozeanen bedeckt sind, können die in der marinen Granzschicht ablaufenden Prozesse als signifikant für die gesamte Atmosphäre angesehen werden. Dies macht eine genaue Untersuchung dieser Region interessant. Um die photochemische Produktion und den Abbau von Ozon abschätzen zu können und den Einfluss antrophogener Emissionen auf troposphärisches Ozon zu quantifizieren, sind aktuelle Messergebnisse von NOx im pptv-Bereich für diese Region erforderlich. Die notwendigen Messungen von NO, NO2, O3, JNO2, J(O1D), HO2, OH, ROx sowie einiger meteorologischer Parameter wurden während der Fahrt des französischen Forschungsschiffes Marion-Dufresne auf dem südlichen Atlantik (28°S-57°S, 46°W-34°E) im März 2007 durchgeführt. Dabei sind für NO und NO2 die bisher niedrigsten gemessenen Werte zu verzeichnen. Die während der Messcampagne gewonnen Daten wurden hinsichtlich Ihrer Übereinstimmung mit den Bedingungen des photochemischen stationären Gleichgewichts (photochemical steady state (PSS)) überprüft. Dabei konnte eine Abweichung vom PSS festgestellt werden, welche unter Bedingungen niedriger NOx-Konzentrationen (5 bis 25pptv) einen unerwarteten Trend im Leighton-Verhältnis bewirkt, der abhängig vom NOx Mischungsverhältnis und der JNO2 Intensität ist. Signifikante Abweichungen vom Verhältnis liegen bei einer Zunahme der JNO2 Intensität vor. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Abweichung vom PSS nicht beim Minimum der NOx-Konzentrationen und der JNO2 Werte liegt, so wie es in bisherigen theoretischen Studien dargelegt wurde und können als Hinweis auf weitere photochemische Prozesse bei höheren JNO2-Werten in einem System mit niedrigem NOx verstanden werden. Das wichtigste Ergebnis dieser Untersuchung, ist die Verifizierung des Leighton-Verhältnisses, das zur Charakterisierung des PSS dient, bei sehr geringen NOx-Konzentrationen in der MBL. Die bei dieser Doktorarbeit gewonnenen Erkenntnisse beweisen, dass unter den Bedingungen der marinen Granzschicht rein photochemischer Abbau von Ozon stattfindet und als Hauptursache hierfür während des Tages die Photolyse gilt. Mit Hilfe der gemessenen Parameter wurde der kritische NO-Level auf Werte zwischen 5 und 9 pptv abgeschätzt, wobei diese Werte im Vergleich zu bisherigen Studien vergleichsweise niedrig sind. Möglicherweise bedeutet dies, dass das Ozon Produktion/ Abbau-Potential des südlichen Atlantiks deutlich stärker auf die Verfügbarkeit von NO reagiert, als es in anderen Regionen der Fall ist. Im Rahmen der Doktorarbeit wurde desweiteren ein direkter Vergleich der gemessenen Spezies mit dem Modelergebnis eines 3-dimensionalen Zirkulationsmodel zur Simulation atmosphären chemischer Prozesse (EMAC) entlang der exakten Schiffsstrecke durchgeführt. Um die Übereinstimmung der Messergebnisse mit dem bisherigen Verständnis der atmosphärischen Radikalchemie zu überprüfen, wurde ein Gleichgewichtspunktmodel entwickelt, das die während der Überfahrt erhaltenen Daten für Berechungen verwendet. Ein Vergleich zwischen der gemessenen und der modellierten ROx Konzentrationen in einer Umgebung mit niedrigem NOx zeigt, dass die herkömmliche Theorie zur Reproduktion der Beobachtungen unzureichend ist. Die möglichen Gründe hierfür und die Folgen werden in dieser Doktorarbeit diskutiert.

The atmospheric stable boundary layer: Data analysis and comparison with similarity theories

The objective of this dissertation is to study the structure and behavior of the Atmospheric Boundary Layer (ABL) in stable conditions. This type of boundary layer is not completely well understood yet, although it is very important for many practical uses, from forecast modeling to atmospheric dispersion of pollutants. We analyzed data from the SABLES98 experiment (Stable Atmospheric Boundary Layer Experiment in Spain, 1998), and compared the behaviour of this data using Monin-Obukhov's similarity functions for wind speed and potential temperature. Analyzing the vertical profiles of various variables, in particular the thermal and momentum fluxes, we identified two main contrasting structures describing two different states of the SBL, a traditional and an upside-down boundary layer. We were able to determine the main features of these two states of the boundary layer in terms of vertical profiles of potential temperature and wind speed, turbulent kinetic energy and fluxes, studying the time series and vertical structure of the atmosphere for two separate nights in the dataset, taken as case studies. We also developed an original classification of the SBL, in order to separate the influence of mesoscale phenomena from turbulent behavior, using as parameters the wind speed and the gradient Richardson number. We then compared these two formulations, using the SABLES98 dataset, verifying their validity for different variables (wind speed and potential temperature, and their difference, at different heights) and with different stability parameters (zita or Rg). Despite these two classifications having completely different physical origins, we were able to find some common behavior, in particular under weak stability conditions.

Airborne in situ measurements of ice particles in the tropical tropopause layer

Ice clouds have a strong effect on the Earth-atmosphere radiative energy balance, on the distribution of condensable gases in the atmosphere, as well as on the chemical composition of the air. The ice particles in these clouds can take on a variety of shapes which makes the description of the cloud microphysical properties more difficult. In the tropical upper troposphere/lower stratosphere (UTLS), a region where ice cloud abundance is relatively high, different types of ice clouds can be observed. However, in situ measurements are rare due to the high altitude of these clouds and the few available research aircraft, only three worldwide, that can fly at such altitudes.rnThis work focuses on in situ measurements of the tropical UTLS clouds performedrnwith a Cloud Imaging Probe (CIP) and a Forward Scattering Spectrometer Probern(FSSP-100), whereof the CIP is the key instrument of this thesis. The CIP is anrnairborne in situ instrument that obtains two-dimensional shadow images of cloud particles. Several cloud microphysical parameters can be derived from these measurements, e.g. number concentrations and size distributions. In order to obtain a high quality data set, a careful image analysis and several corrections need to be applied to the CIP observations. These methods are described in detail.rnMeasurements within the tropical UTLS have been performed during two campaigns:rnSCOUT-O3, 2005 in Northern Australia and SCOUT-AMMA, 2006 inWest Africa. Thernobtained data set includes first observations of subvisible cirrus clouds over a continental area and observations of the anvils of deep convective clouds. The latter can be further divided into clouds in mesoscale convective system outflows of different ages and clouds in overshooting cloud turrets that even penetrated the stratosphere. The microphysical properties of these three cloud types are discussed in detail. Furthermore, the vertical structure of the ice clouds in the UTLS is investigated. The values of the microphysical parameters were found to decrease with increasing altitude in the upper troposphere. Particle numbers and maximum sizes were also decreasing with increasing age of the outflow clouds. Further differences between the deep convective clouds and subvisible cirrus were found in the particle morphology as well as in the ratio of the observed aerosol particles to cloud particles which indicates that the different freezing processes (deposition, contact, immersion freezing) play different roles in the formation of the respective clouds. For the achievementrnof a better microphysical characterisation and description numerical fits have been adjusted onto the cloud particle size distributions of the subvisible cirrus as well as on the size distributions of the clouds at different altitudes in the UTLS.

Origin of the spin Seebeck effect

Der Spin Seebeck Effekt repräsentiert einen neuartigen Spin kalorischen Effekt mit vorteilhaften und aussichtsreichen Eigenschaften für Anwendungen in den Gebieten der Spintronik und Thermoelektrik.rnIn dieser Arbeit präsentieren wir eine umfangreiche Untersuchung des Spin Seebeck Effekts in isolierenden, magnetischen Granaten und geben Antworten zum kontrovers diskutierten Ursprung des Effekts. Um dieses Ziel zu erreichen, haben wir die Abhängigkeit des Spin Seebeck Effekts von der Dicke des Ferromagneten, der Temperatur, der Stärke des magnetisches Feldes, der Grenzflächen und des Detektormaterials, sowie Kombinationen dieser Parameter gemessen. Im Zuge dessen haben wir das Wachstum der untersuchten magnetischen Granate optimiert und eine umfassende Analyse der strukturellen und magnetischen Parameter durchgeführt, um Einflüsse der Probenqualität auszuschließen. Des Weiteren zeigte eine Untersuchung des magnetoresistiven Effekts, welcher als mögliche Ursache des Effekts galt, in Kombination mit einer Studie des Messaufbaus, dass parasitäre Einflüsse auf das Messergebnis ausgeschlossen werden können. Unsere Ergebnisse zeigen, dass der Spin Seebeck Effekt mit zunehmender Dicke des Ferromagneten eine Sättigung des Signals aufweist. Diese hängt zudem von der Temperatur ab, da mit abnehmender Temperatur die Sättigung erst bei dickeren Filmen auftritt. Außerdem fanden unsere Messungen ein Maximum des Spin Seebeck Effekts für Temperaturen unterhalb der Raumtemperatur, welcher sowohl von der Dicke des Materials als auch der Magnetfeldstärke und dem Detektormaterial beeinflusst wird. In Messungen bei hohen magnetischen Feldstärken beobachteten wir eine Unterdrückung des Messsignals, dessen Ursache mithilfe von Simulationen auf den magnonischen Ursprung des Spin Seebeck Effekts zurückgeführt werden kann. Dies unterstreicht, dass der Effekt auf vom Ferromagneten emittierten Magnonen basiert. Im letzten Abschnitt dieser Arbeit präsentieren wir Messungen in einem bislang nicht untersuchten ferrimagnetischen Material, welche zwei Vorzeichenwechsel des Spin Seebeck Effekts als Funktion der Temperatur aufzeigen. Dieses bisher unbekannte Signalverhalten betont, dass der Effekt aus einem komplexen Zusammenspiel der magnonischen Moden resultiert und zusätzlich vom Detektormaterial abhängt.rnSomit tragen unsere Ergebnisse und Beobachtungen im hohen Maße zur Beantwortung der Frage nach dem Ursprungs des Spin Seebeck Effekts bei und zeigen neuartige bisher nicht beobachtete Effekte, welche ein neues Kapitel für das Gebiet der Spin Kaloritronik eröffnen.

Threshold-dependent effects on peripheral nerve in vivo excitability properties in the rat

Various factors, including maturity, have been shown to influence peripheral nerve excitability measures, but little is known about differences in these properties between axons with different stimulation thresholds. Multiple nerve excitability tests were performed on the caudal motor axons of immature and mature female rats, recording from tail muscles at three target compound muscle action potential (CMAP) levels: 10%, 40% ("standard" level), and 60% of the maximum CMAP amplitude. Compared to lower target levels, axons at high target levels have the following characteristics: lower strength-duration time constant, less threshold reduction during depolarizing currents and greater threshold increase to hyperpolarizing currents, most notably to long hyperpolarizing currents in mature rats. Threshold-dependent effects on peripheral nerve excitability properties depend on the maturation stage, especially inward rectification (Ih), which becomes inversely related to threshold level. Performing nerve excitability tests at different target levels is useful in understanding the variation in membrane properties between different axons within a nerve. Because of the threshold effects on nerve excitability and the possibility of increased variability between axons and altered electric recruitment order in disease conditions, excitability parameters measured only at the "standard" target level should be interpreted with caution, especially the responses to hyperpolarizing currents.

Orientation dependent molecular friction on organic layer compound crystals

High resolution friction force maps of the benzylammonium terminated crystalline surface of a layer compound are presented. The lateral force map acquired with an atomic force microscope, reveals a significant contrast between different molecular orientations yielding molecular rows which differ from their neighboring ones. The single crystals are formed by stacks of copper oxalate sheets sandwiched between stereoregular organic cations, resulting in highly organized surface structures. Single molecular defects are observed at small loads. The experimental results are compared with numerical calculations which indicate a transition from an unperturbed state at small loads to a distorted state at higher loads. (C) 2011 American Institute of Physics.

Vibro-acoustical analysis and design of a multiple-layer constrained viscoelastic damping structure

The goal of this research is to provide a framework for vibro-acoustical analysis and design of a multiple-layer constrained damping structure. The existing research on damping and viscoelastic damping mechanism is limited to the following four mainstream approaches: modeling techniques of damping treatments/materials; control through the electrical-mechanical effect using the piezoelectric layer; optimization by adjusting the parameters of the structure to meet the design requirements; and identification of the damping material’s properties through the response of the structure. This research proposes a systematic design methodology for the multiple-layer constrained damping beam giving consideration to vibro-acoustics. A modeling technique to study the vibro-acoustics of multiple-layered viscoelastic laminated beams using the Biot damping model is presented using a hybrid numerical model. The boundary element method (BEM) is used to model the acoustical cavity whereas the Finite Element Method (FEM) is the basis for vibration analysis of the multiple-layered beam structure. Through the proposed procedure, the analysis can easily be extended to other complex geometry with arbitrary boundary conditions. The nonlinear behavior of viscoelastic damping materials is represented by the Biot damping model taking into account the effects of frequency, temperature and different damping materials for individual layers. A curve-fitting procedure used to obtain the Biot constants for different damping materials for each temperature is explained. The results from structural vibration analysis for selected beams agree with published closed-form results and results for the radiated noise for a sample beam structure obtained using a commercial BEM software is compared with the acoustical results of the same beam with using the Biot damping model. The extension of the Biot damping model is demonstrated to study MDOF (Multiple Degrees of Freedom) dynamics equations of a discrete system in order to introduce different types of viscoelastic damping materials. The mechanical properties of viscoelastic damping materials such as shear modulus and loss factor change with respect to different ambient temperatures and frequencies. The application of multiple-layer treatment increases the damping characteristic of the structure significantly and thus helps to attenuate the vibration and noise for a broad range of frequency and temperature. The main contributions of this dissertation include the following three major tasks: 1) Study of the viscoelastic damping mechanism and the dynamics equation of a multilayer damped system incorporating the Biot damping model. 2) Building the Finite Element Method (FEM) model of the multiple-layer constrained viscoelastic damping beam and conducting the vibration analysis. 3) Extending the vibration problem to the Boundary Element Method (BEM) based acoustical problem and comparing the results with commercial simulation software.

Water transport in complex, non-wetting porous layers with applications to water management in low temperature fuel cells

An experimental setup was designed to visualize water percolation inside the porous transport layer, PTL, of proton exchange membrane, PEM, fuel cells and identify the relevant characterization parameters. In parallel with the observation of the water movement, the injection pressure (pressure required to transport water through the PTL) was measured. A new scaling for the drainage in porous media has been proposed based on the ratio between the input and the dissipated energies during percolation. A proportional dependency was obtained between the energy ratio and a non-dimensional time and this relationship is not dependent on the flow regime; stable displacement or capillary fingering. Experimental results show that for different PTL samples (from different manufacturers) the proportionality is different. The identification of this proportionality allows a unique characterization of PTLs with respect to water transport. This scaling has relevance in porous media flows ranging far beyond fuel cells. In parallel with the experimental analysis, a two-dimensional numerical model was developed in order to simulate the phenomena observed in the experiments. The stochastic nature of the pore size distribution, the role of the PTL wettability and morphology properties on the water transport were analyzed. The effect of a second porous layer placed between the porous transport layer and the catalyst layer called microporous layer, MPL, was also studied. It was found that the presence of the MPL significantly reduced the water content on the PTL by enhancing fingering formation. Moreover, the presence of small defects (cracks) within the MPL was shown to enhance water management. Finally, a corroboration of the numerical simulation was carried out. A threedimensional version of the network model was developed mimicking the experimental conditions. The morphology and wettability of the PTL are tuned to the experiment data by using the new energy scaling of drainage in porous media. Once the fit between numerical and experimental data is obtained, the computational PTL structure can be used in different types of simulations where the conditions are representative of the fuel cell operating conditions.

The effect of demand, tank parameters, and pumping stations on energy use in municipal drinking water distribution systems

Two of the indicators of the UN Millennium Development Goals ensuring environmental sustainability are energy use and per capita carbon dioxide emissions. The increasing urbanization and increasing world population may require increased energy use in order to transport enough safe drinking water to communities. In addition, the increase in water use would result in increased energy consumption, thereby resulting in increased green-house gas emissions that promote global climate change. The study of multiple Municipal Drinking Water Distribution Systems (MDWDSs) that relates various MDWDS aspects--system components and properties--to energy use is strongly desirable. The understanding of the relationship between system aspects and energy use aids in energy-efficient design. In this study, components of a MDWDS, and/or the characteristics associated with the component are termed as MDWDS aspects (hereafter--system aspects). There are many aspects of MDWDSs that affect the energy usage. Three system aspects (1) system-wide water demand, (2) storage tank parameters, and (3) pumping stations were analyzed in this study. The study involved seven MDWDSs to understand the relationship between the above-mentioned system aspects in relation with energy use. A MDWDSs model, EPANET 2.0, was utilized to analyze the seven systems. Six of the systems were real and one was a hypothetical system. The study presented here is unique in its statistical approach using seven municipal water distribution systems. The first system aspect studied was system-wide water demand. The analysis involved analyzing seven systems for the variation of water demand and its impact on energy use. To quantify the effects of water use reduction on energy use in a municipal water distribution system, the seven systems were modeled and the energy usage quantified for various amounts of water conservation. It was found that the effect of water conservation on energy use was linear for all seven systems and that all the average values of all the systems' energy use plotted on the same line with a high R 2 value. From this relationship, it can be ascertained that a 20% reduction in water demand results in approximately a 13% savings in energy use for all seven systems analyzed. This figure might hold true for many similar systems that are dominated by pumping and not gravity driven. The second system aspect analyzed was storage tank(s) parameters. Various tank parameters: (1) tank maximum water levels, (2) tank elevation, and (3) tank diameter were considered in this part of the study. MDWDSs use a significant amount of electrical energy for the pumping of water from low elevations (usually a source) to higher ones (usually storage tanks). The use of electrical energy has an effect on pollution emissions and, therefore, potential global climate change as well. Various values of these tank parameters were modeled on seven MDWDSs of various sizes using a network solver and the energy usage recorded. It was found that when averaged over all seven analyzed systems (1) the reduction of maximum tank water level by 50% results in a 2% energy reduction, (2) energy use for a change in tank elevation is system specific, and (2) a reduction of tank diameter of 50% results in approximately a 7% energy savings. The third system aspect analyzed in this study was pumping station parameters. A pumping station consists of one or more pumps. The seven systems were analyzed to understand the effect of the variation of pump horsepower and the number of booster stations on energy use. It was found that adding booster stations could save energy depending upon the system characteristics. For systems with flat topography, a single main pumping station was found to use less energy. In systems with a higher-elevation neighborhood, however, one or more booster pumps with a reduced main pumping station capacity used less energy. The energy savings for the seven systems was dependent on the number of boosters and ranged from 5% to 66% for the analyzed five systems with higher elevation neighborhoods (S3, S4, S5, S6, and S7). No energy savings was realized for the remaining two flat topography systems, S1, and S2. The present study analyzed and established the relationship between various system aspects and energy use in seven MDWDSs. This aids in estimating the amount of energy savings in MDWDSs. This energy savings would ultimately help reduce Greenhouse gases (GHGs) emissions including per capita CO 2 emissions thereby potentially lowering the global climate change effect. This will in turn contribute to meeting the MDG of ensuring environmental sustainability.

Time-dependent interactions of the two porphyrinic compounds chlorin e6 and mono-L-aspartyl-chlorin e6 with phospholipid vesicles probed by NMR spectroscopy

The distribution processes of chlorin e6 (CE) and monoaspartyl-chlorin e6 (MACE) between the outer and inner phospholipid monolayers of 1,2-dioleoyl-phosphatidylcholine (DOPC) vesicles were monitored by 1H NMR spectroscopy through analysis of chemical shifts and line widths of the DOPC vesicle resonances. Chlorin adsorption to the outer vesicle monolayer induced changes in the DOPC 1H NMR spectrum. Most pronounced was a split of the N-methyl choline resonance, allowing for separate analysis of inner and outer vesicle layers. Transbilayer distribution of the chlorin compounds was indicated by time-dependent characteristic spectral changes of the DOPC resonances. Kinetic parameters for the flip-flop processes, that is, half-lives and rate constants, were obtained from the experimental data points. In comparison to CE, MACE transbilayer movement was significantly reduced, with MACE remaining more or less attached to the outer membrane layer. The distribution coefficients for CE and MACE between the vesicular and aqueous phase were determined. Both CE and MACE exhibited a high affinity for the vesicular phase. For CE, a positive correlation was found between transfer rate and increasing molar ratio CE/DOPC. Enhanced membrane rigidity induced by increasing amounts of cholesterol into the model membrane was accompanied by a decrease of CE flip-flop rates across the membrane. The present study shows that the movement of porphyrins across membranes can efficiently be investigated by 1H NMR spectroscopy and that small changes in porphyrin structure can have large effects on membrane kinetics.

Prediction of PA12 melt viscosity in Laser Sintering by a Time and Temperature dependent rheological model

Ein auf Basis von Prozessdaten kalibriertes Viskositätsmodell wird vorgeschlagen und zur Vorhersage der Viskosität einer Polyamid 12 (PA12) Kunststoffschmelze als Funktion von Zeit, Temperatur und Schergeschwindigkeit angewandt. Im ersten Schritt wurde das Viskositätsmodell aus experimentellen Daten abgeleitet. Es beruht hauptsächlich auf dem drei-parametrigen Ansatz von Carreau, wobei zwei zusätzliche Verschiebungsfaktoren eingesetzt werden. Die Temperaturabhängigkeit der Viskosität wird mithilfe des Verschiebungsfaktors aT von Arrhenius berücksichtigt. Ein weiterer Verschiebungsfaktor aSC (Structural Change) wird eingeführt, der die Strukturänderung von PA12 als Folge der Prozessbedingungen beim Lasersintern beschreibt. Beobachtet wurde die Strukturänderung in Form einer signifikanten Viskositätserhöhung. Es wurde geschlussfolgert, dass diese Viskositätserhöhung auf einen Molmassenaufbau zurückzuführen ist und als Nachkondensation verstanden werden kann. Abhängig von den Zeit- und Temperaturbedingungen wurde festgestellt, dass die Viskosität als Folge des Molmassenaufbaus exponentiell gegen eine irreversible Grenze strebt. Die Geschwindigkeit dieser Nachkondensation ist zeit- und temperaturabhängig. Es wird angenommen, dass die Pulverbetttemperatur einen Molmassenaufbau verursacht und es damit zur Kettenverlängerung kommt. Dieser fortschreitende Prozess der zunehmenden Kettenlängen setzt molekulare Beweglichkeit herab und unterbindet die weitere Nachkondensation. Der Verschiebungsfaktor aSC drückt diese physikalisch-chemische Modellvorstellung aus und beinhaltet zwei zusätzliche Parameter. Der Parameter aSC,UL entspricht der oberen Viskositätsgrenze, wohingegen k0 die Strukturänderungsrate angibt. Es wurde weiterhin festgestellt, dass es folglich nützlich ist zwischen einer Fließaktivierungsenergie und einer Strukturänderungsaktivierungsenergie für die Berechnung von aT und aSC zu unterscheiden. Die Optimierung der Modellparameter erfolgte mithilfe eines genetischen Algorithmus. Zwischen berechneten und gemessenen Viskositäten wurde eine gute Übereinstimmung gefunden, so dass das Viskositätsmodell in der Lage ist die Viskosität einer PA12 Kunststoffschmelze als Folge eines kombinierten Lasersinter Zeit- und Temperatureinflusses vorherzusagen. Das Modell wurde im zweiten Schritt angewandt, um die Viskosität während des Lasersinter-Prozesses in Abhängigkeit von der Energiedichte zu berechnen. Hierzu wurden Prozessdaten, wie Schmelzetemperatur und Belichtungszeit benutzt, die mithilfe einer High-Speed Thermografiekamera on-line gemessen wurden. Abschließend wurde der Einfluss der Strukturänderung auf das Viskositätsniveau im Prozess aufgezeigt.

Relative Predicativity and dependent recursion in second-order set theory and higher-orders theories

This article reports that some robustness of the notions of predicativity and of autonomous progression is broken down if as the given infinite total entity we choose some mathematical entities other than the traditional ω. Namely, the equivalence between normal transfinite recursion scheme and new dependent transfinite recursion scheme, which does hold in the context of subsystems of second order number theory, does not hold in the context of subsystems of second order set theory where the universe V of sets is treated as the given totality (nor in the contexts of those of n+3-th order number or set theories, where the class of all n+2-th order objects is treated as the given totality).