Development of empirical potentials for amorphous silica

Development of empirical potentials for amorphous silica Amorphous silica (SiO2) is of great importance in geoscience and mineralogy as well as a raw material in glass industry. Its structure is characterized as a disordered continuous network of SiO4 tetrahedra. Many efforts have been undertaken to understand the microscopic properties of silica by classical molecular dynamics (MD) simulations. In this method the interatomic interactions are modeled by an effective potential that does not take explicitely into account the electronic degrees of freedom. In this work, we propose a new methodology to parameterize such a potential for silica using ab initio simulations, namely Car-Parrinello (CP) method [Phys. Rev. Lett. 55, 2471 (1985)]. The new potential proposed is compared to the BKS potential [Phys. Rev. Lett. 64, 1955 (1990)] that is considered as the benchmark potential for silica. First, CP simulations have been performed on a liquid silica sample at 3600 K. The structural features so obtained have been compared to the ones predicted by the classical BKS potential. Regarding the bond lengths the BKS tends to underestimate the Si-O bond whereas the Si-Si bond is overestimated. The inter-tetrahedral angular distribution functions are also not well described by the BKS potential. The corresponding mean value of theSiOSi angle is found to be ≃ 147◦, while the CP yields to aSiOSi angle centered around 135◦. Our aim is to fit a classical Born-Mayer/Coulomb pair potential using ab initio calculations. To this end, we use the force-matching method proposed by Ercolessi and Adams [Europhys. Lett. 26, 583 (1994)]. The CP configurations and their corresponding interatomic forces have been considered for a least square fitting procedure. The classical MD simulations with the resulting potential have lead to a structure that is very different from the CP one. Therefore, a different fitting criterion based on the CP partial pair correlation functions was applied. Using this approach the resulting potential shows a better agreement with the CP data than the BKS ones: pair correlation functions, angular distribution functions, structure factors, density of states and pressure/density were improved. At low temperature, the diffusion coefficients appear to be three times higher than those predicted by the BKS model, however showing a similar temperature dependence. Calculations have also been carried out on crystalline samples in order to check the transferability of the potential. The equilibrium geometry as well as the elastic constants of α-quartz at 0 K are well described by our new potential although the crystalline phases have not been considered for the parameterization. We have developed a new potential for silica which represents an improvement over the pair potentials class proposed so far. Furthermore, the fitting methodology that has been developed in this work can be applied to other network forming systems such as germania as well as mixtures of SiO2 with other oxides (e.g. Al2O3, K2O, Na2O).

Differentielle Expression und molekulare Evolution von Mollusken-Hämocyanin

Molekularbiologische und biochemische Untersuchungen an den zwei Gastropoden-Arten Haliotis tuberculata und Haliotis asinina zeigten, dass diese jeweils zwei unterscheidbare Hämocyanin-Isoformen (HtH1/HaH1 und HtH2/HaH2) besitzen, die in unterschiedlichen Mengen in der Hämolymphe vorkommen. In situ-Hybridisierungsversuche an H. asinina ergaben, dass die beiden Hämocyanin-Isoformen sowohl entwicklungsspezifisch als auch gewebsspezifisch exprimiert werden. Die Transkription der Hämocyanin-Gene setzt bereits 9 Stunden nach der Befruchtung ein und ist von diesem Zeitpunkt an in allen Stadien der Larvalentwicklung nachweisbar. Während dieser Entwicklungsphase sind die Expressionsmuster der beiden Isoformen weitgehend überlappend, wohingegen in adulten Tieren in verschiedenen Geweben isoformspezifische Expressionsmuster auftreten. Diese Ergebnisse deuten auf funktionelle Unterschiede der beiden Hämocyanin-Isoformen hin, und somit darauf, dass Hämocyanin neben dem Transport von Sauerstoff noch weitere Funktionen ausüben könnte (Streit et al., 2005). Weiterhin wurden Untersuchungen zur Primär- und Sekundärstruktur der Hämocyanine aus H. tuberculata und zwei weiteren Arten (Megathura crenulata und Aplysia californica) durchgeführt. Von den Vetigastropoden M. crenulata und H. tuberculata konnten die für die beiden Hämocyanin-Isoformen kodierenden cDNA-Sequenzen vervollständigt werden. Von HtH1 und HtH2 wurden zudem die Gensequenzen komplettiert. Die Sequenzen des KLH1-Gens wurden bis auf 24 bp der 5’UTR und die für das Signalpeptid 1 kodierenden 33 bp ermittelt. Erstmals ist es gelungen, Promotorsequenzen von Mollusken-Hämocyanin-Genen zu sequenzieren. Für HtH2 wurden 181 bp und für KLH2 906 bp des Promotors analysiert. Beide Gensequenzen weisen das konservierte Sequenzmotiv der TATA-Box auf. Wie bei H. tuberculata treten auch bei M. crenulata die beiden Isoformen in unterschiedlichen Mengenverhältnissen in der Hämolymphe auf. In den bisher analysierten Sequenzen dieser beiden Gastropoden konnten keine regulatorischen Elemente identifiziert werden, welche die differentielle Expression bedingen könnten. Die Genstruktur des Hämocyanins von A. californica konnte ebenfalls aufgeklärt werden. Die kodierenden Bereiche des AcH-Gens werden durch insgesamt 45 interne Introns fragmentiert. Im Gen liegen neun Insertionspositionen vor, in denen paraloge Introns inserieren. Zudem sind neun Introns ortholog zu internen Introns anderer Mollusken-Hämocyanin-Gene. Im Fall der paralogen und orthologen Introns handelt es sich um sehr ursprüngliche Introns, die bereits vor der Radiation der Mollusken inserierten. Damit widerlegen diese Ergebnisse die bisherige Annahme („Intron late”-Hypothese), der zufolge die Insertion interner Introns erst nach der Trennung der Gastropoden und Cephalopoden eingesetzt haben soll. Im Zuge dieser Sequenzanalysen ergaben sich zudem Hinweise auf die Existenz einer weiteren AcH-Isoform, da 13 Fragmente ermittelt wurden, die in den kodierenden Bereichen Sequenzunterschiede von bis zu 20% zu AcH 1 aufweisen. Die detaillierten Studien der Haliotis-Hämocyanine deckten einen weitreichenden phylogenetischen Informationsgehalt der Hämocyanin-Sequenzen auf. In weiterführenden Analysen wurden Teilsequenzen der Hämocyanin-Gene von 12 verschiedenen Haliotis-Arten amplifiziert. Der daraus rekonstruierte Stammbaum liefert entsprechend spezifischer Indels eine deutliche Auftrennung der Haliotidae in eine nordpazifische und eine europäischaustralasische Abstammungslinie. Anhand dieser Analyse lassen sich der phylogeographische Ursprung der Haliotiden aufzeigen (Streit et al., 2006) und deren Wanderungsbewegungen nachvollziehen. Hämocyanin-Daten wurden des Weiteren für phylogenetische Analysen auf höherem taxonomischem Niveau eingesetzt. Innerhalb der Klasse der Polyplacophoren wurden interfamiliäre Verwandtschaftsverhältnisse rekonstruiert. Für diese Analyse wurden Teilsequenzen der Hämocyanin-Gene 17 unterschiedlicher Arten ermittelt. Die phylogenetische Untersuchung zeigt, dass sich die Polyplacophoren eindeutig in die beiden Ordnungen der Lepidopleurida und Chitonida auftrennen, da die Chitonida eine spezifische „Deletion” aufweisen. Anhand dieses Merkmals kann auch Callochiton bouveti, der diese „Deletion” besitzt und dessen phylogenetische Einordnung bisweilen umstritten war, eindeutig den Chitonida zugeordnet werden. Innerhalb der Chitonida bilden sowohl die Chitonina als auch die Acanthochitonina monophyletische Gruppen.

Nanoscale effects and applications of self-organized nanostructured thin films

A nanostructured thin film is a thin material layer, usually supported by a (solid) substrate, which possesses subdomains with characteristic nanoscale dimensions (10 ~ 100 nm) that are differentiated by their material properties. Such films have captured vast research interest because the dimensions and the morphology of the nanostructure introduce new possibilities to manipulating chemical and physical properties not found in bulk materials. Block copolymer (BCP) self-assembly, and anodization to form nanoporous anodic aluminium oxide (AAO), are two different methods for generating nanostructures by self-organization. Using poly(styrene-block-methyl methacrylate) (PS-b-PMMA) nanopatterned thin films, it is demonstrated that these polymer nanopatterns can be used to study the influence of nanoscale features on protein-surface interactions. Moreover, a method for the directed assembly of adsorbed protein nanoarrays, based on the nanoscale juxtaposition of the BCP surface domains, is also demonstrated. Studies on protein-nanopattern interactions may inform the design of biomaterials, biosensors, and relevant cell-surface experiments that make use of nanoscale structures. In addition, PS-b-PMMA and AAO thin films are also demonstrated for use as optical waveguides at visible wavelengths. Due to the sub-wavelength nature of the nanostructures, scattering losses are minimized, and the optical response is amenable to analysis with effective medium theory (EMT). Optical waveguide measurements and EMT analysis of the films’ optical anisotropy enabled the in situ characterization of the PS-b-PMMA nanostructure, and a variety of surface processes within the nanoporous AAO involving (bio)macromolecules at high sensitivity.

Oligomerization and protein-protein interactions of the sensory histidine kinase DcuS in Escherichia coli

DcuS is a membrane-integral sensory histidine kinase involved in the DcuSR two-component regulatory system in Escherichia coli by regulating the gene expression of C4-dicarboxylate metabolism in response to external stimuli. How DcuS mediates the signal transduction across the membrane remains little understood. This study focused on the oligomerization and protein-protein interactions of DcuS by using quantitative Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) spectroscopy. A quantitative FRET analysis for fluorescence spectroscopy has been developed in this study, consisting of three steps: (1) flexible background subtraction to yield background-free spectra, (2) a FRET quantification method to determine FRET efficiency (E) and donor fraction (fD = [donor] / ([donor]+[acceptor])) from the spectra, and (3) a model to determine the degree of oligomerization (interaction stoichiometry) in the protein complexes based on E vs. fD. The accuracy and applicability of this analysis was validated by theoretical simulations and experimental systems. These three steps were integrated into a computer procedure as an automatic quantitative FRET analysis which is easy, fast, and allows high-throughout to quantify FRET accurately and robustly, even in living cells. This method was subsequently applied to investigate oligomerization and protein-protein interactions, in particular in living cells. Cyan (CFP) and yellow fluorescent protein (YFP), two spectral variants of green fluorescent protein, were used as a donor-acceptor pair for in vivo measurements. Based on CFP- and YFP-fusions of non-interacting membrane proteins in the cell membrane, a minor FRET signal (E = 0.06 ± 0.01) can be regarded as an estimate of direct interaction between CFP and YFP moieties of fusion proteins co-localized in the cell membrane (false-positive). To confirm if the FRET occurrence is specific to the interaction of the investigated proteins, their FRET efficiency should be clearly above E = 0.06. The oligomeric state of DcuS was examined both in vivo (CFP/YFP) and in vitro (two different donor-acceptor pairs of organic dyes) by three independent experimental systems. The consistent occurrence of FRET in vitro and in vivo provides the evidence for the homo-dimerization of DcuS as full-length protein for the first time. Moreover, novel interactions (hetero-complexes) between DcuS and its functionally related proteins, citrate-specific sensor kinase CitA and aerobic dicarboxylate transporter DctA respectively, have been identified for the first time by intermolecular FRET in vivo. This analysis can be widely applied as a robust method to determine the interaction stoichiometry of protein complexes for other proteins of interest labeled with adequate fluorophores in vitro or in vivo.

Molecular dynamics simulations of sheared brush-like systems

Mit Hilfe von Molekulardynamik-Simulationen untersuchen wir bürstenartige Systeme unter guten Lösungsmittelbedingungen. Diese Systeme sind, dank ihren vielfältigen Beschaffenheiten, die von Molekularparametern und äußeren Bedingungen abhängig sind, wichtig für viele industrielle Anwendungen. Man vermutet, dass die Polymerbürsten eine entscheidende Rolle in der Natur wegen ihrer einzigartigen Gleiteigenschaften spielen. Ein vergröbertes Modell wird verwendet, um die strukturellen und dynamischen Eigenschaften zweier hochkomprimierter Polymerbürsten, die eine niedrige Reibung aufweisen, zu untersuchen. Allerdings sind die Lubrikationseigenschaften dieser Systeme, die in vielen biologischen Systemen vorhanden sind, beeinflußt. Wir untersuchen so-genannte "weiche Kolloide", die zwischen den beiden Polymerbürsten eingebettet sind, und wie diese Makroobjekte auf die Polymerbürsten wirken.rnrnNicht-Gleichgewichts-Molekulardynamik-Simulationen werden durchgeführt, in denen die hydrodynamischen Wechselwirkungen durch die Anwendung des DPD-Thermostaten mit expliziten Lösungsmittelmolekülen berücksichtigt werden. Wir zeigen, dass die Kenntnis der Gleichgewichtseigenschaften des Systems erlaubt, dynamische Nichtgleichgewichtsigenschaften der Doppelschicht vorherzusagen.rnrnWir untersuchen, wie die effektive Wechselwirkung zwischen kolloidalen Einschlüßen durch die Anwesenheit der Bürsten (in Abhängigkeit der Weichheit der Kolloide und der Pfropfdichte der Bürsten) beeinflußt wird. Als nächsten Schritt untersuchen wir die rheologische Antwort von solchen komplexen Doppelschichten auf Scherung. Wir entwickeln eine Skalen-Theorie, die die Abhängigkeit der makroskopischen Transporteigenschaften und der lateralen Ausdehnung der verankerten Ketten von der Weissenberg Zahl oberhalb des Bereichs, in dem die lineare Antwort-Theorie gilt, voraussagt. Die Vorhersagen der Theorie stimmen gut mit unseren und früheren numerischen Ergebnissen und neuen Experimenten überein. Unsere Theorie bietet die Möglichkeit, die Relaxationszeit der Doppelschicht zu berechnen. Wenn diese Zeit mit einer charakteristischen Längenskala kombiniert wird, kann auch das ''transiente'' (nicht-stationäre) Verhalten beschrieben werden.rnrnrnWir untersuchen die Antwort des Drucktensors und die Deformation der Bürsten während der Scherinvertierung für grosse Weissenberg Zahlen. Wir entwickeln eine Vorhersage für die charakteristische Zeit, nach der das System wieder den stationären Zustand erreicht.rnrnrnElektrostatik spielt eine bedeutende Rolle in vielen biologischen Prozessen. Die Lubrikationseigenschaften der Polymerbürsten werden durch die Anwesenheit langreichweitiger Wechselwirkungen stark beeinflusst. Für unterschiedliche Stärken der elektrostatischen Wechselwirkungen untersuchen wir rheologische Eigenschaften der Doppelschicht und vergleichen mit neutralen Systemen. Wir studieren den kontinuierlichen Übergang der Systemeigenschaften von neutralen zu stark geladenen Bürsten durch Variation der Bjerrumlänge und der Ladungsdichte.

Photokathoden mit internem DBR-Reflektor als Quellen hochintensiver spinpolarisierter Elektronenstrahlen

Die Erzeugung von Elektronenstrahlen hoher Intensität (I$geq$2,mA) und hoher Spinpolarisation (P$geq$85%) ist für die Experimente an den geplanten glqq Linac Ringgrqq Electron--Ion--Collidern (z.B. eRHIC am Brookhaven National Laboratory) unabdingbar, stellt aber zugleich eine enorme Herausforderung dar. Die Photoemission aus ce{GaAs}--basierten Halbleitern wie z.B. den in dieser Arbeit untersuchten GaAlAs/InGaAlAs Quanten--Übergittern zeichnet sich zwar durch eine hohe Brillanz aus, die geringe Quantenausbeute von nur ca. 1% im Bereich maximaler Polarisation erfordert jedoch hohe Laserintensitäten von mehreren Watt pro $text{cm}^{2}$, was erhebliche thermische Probleme verursacht. rnrnIn dieser Arbeit konnte zunächst gezeigt werden, dass die Lebensdauer einer Photokathode mit steigender Laserleistung bzw. Temperatur exponentiell abnimmt. Durch Einbringen eines DBR--Spiegels zwischen die aktive Zone der Photokathode und ihr Substrat wird ein Großteil des ungenutzten Laserlichts wieder aus dem Kristall herausreflektiert und trägt somit nicht zur Erwärmung bei. Gleichzeitig bildet der Spiegel zusammen mit der Grenzfläche zum Vakuum eine Resonator--Struktur aus, die die aktive Zone umschließt. Dadurch kommt es für bestimmte Wellenlängen zu konstruktiver Interferenz und die Absorption in der aktiven Zone erhöht sich. Beide Effekte konnten durch vergleichenden Messungen an Kathoden mit und ohne DBR--Spiegel nachgewiesen werden. Dabei ergibt sich eine gute Übereinstimmung mit der Vorhersage eines Modells, das auf der dielektrischen Funktion der einzelnen Halbleiterstrukturen beruht. Von besonderer praktischer Bedeutung ist, dass die DBR--Kathode für einen gegebenen Photoemissions-strom eine um einen Faktor $geq$,3{,}5 kleinere Erwärmung aufweist. Dies gilt über den gesamten Wellenlängenbereich in dem die Kathode eine hohe Strahlpolarisation (P$>$80%) produzieren kann, auch im Bereich der Resonanz.rnAus zeitaufgelösten Messungen der Ladungsverteilung und Polarisation lassen sich sowohl Rückschlüsse über die Transportmechanismen im Inneren einer Kathode als auch über die Beschaffenheit ihrer Oberfläche ziehen. Im Rahmen dieser Dissertation konnte die Messgeschwindigkeit der verwendeten Apparatur durch den Einbau eines schnelleren Detektors und durch eine Automatisierung der Messprozedur entscheidend vergrößert und die resultierende Zeitauflösung mit jetzt 1{,}2 Pikosekunden annähernd verdoppelt werden.rnrnDie mit diesen Verbesserungen erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass sich der Transport der Elektronen in Superlattice--Strukturen stark vom Transport in den bisher untersuchten Bulk--Kristallen unterscheidet. Der Charakter der Bewegung folgt nicht dem Diffusionsmodell, sondern gibt Hinweise auf lokalisierte Zustände, die nahe der Leitungsbandunterkante liegen und Elektronen für kurze Zeit einfangen können. Dadurch hat die Impulsantwort einer Kathode neben einem schnellen Abfall des Signals auch eine größere Zeitkonstante, die selbst nach 30,ps noch ein Signal in der Größenordnung von ca. 5textperthousand der Maximalintensität erzeugt.

Near-field mediated enhancement effects on plasmonic nanostructures

In dieser Arbeit wird eine detaillierte Untersuchung und Charakterisierung der Zwei-Photonen-induzierten Fluoreszenzverstärkung von organischen Farbstoffen auf plasmonischen Nanostrukturen vorgestellt. Diese Fluoreszenzverstärkung ist insbesondere für hochaufgelöste Fluoreszenzmikroskopie und Einzelmolekülspektroskopie von großer Bedeutung. Durch die Zwei-Photonen-Anregung resultiert eine Begrenzung des Absorptionsprozesses auf das fokale Volumen. In Kombination mit dem elektrischen Nahfeld der Nanostrukturen als Anregungsquelle entsteht eine noch stärkere Verringerung des Anregungsvolumens auf eine Größe unterhalb der Beugungsgrenze. Dies erlaubt die selektive Messung ausgewählter Farbstoffe. Durch die Herstellung der Nanopartikel mittels Kolloidlithografie wird eine definierte, reproduzierbare Geometrie erhalten. Polymermultischichten dienen als Abstandshalter, um die Farbstoffe an einer exakten Distanz zum Metall zu positionieren. Durch die kovalente Anbindung des Farbstoffs an die oberste Schicht wird eine gleichmäßige Verteilung des Farbstoffs in geringer Konzentration erhalten. rnEs wird eine Verstärkung der Fluoreszenz um den Faktor 30 für Farbstoffe auf Goldellipsen detektiert, verglichen mit Farbstoffen außerhalb des Nahfelds. Sichelförmige Nanostrukturen erzeugen eine Verstärkung von 120. Dies belegt, dass das Ausmaß der Fluoreszenzverstärkung entscheidend von der Stärke des elektrischen Nahfelds der Nanostruktur abhängt. Auch das Material der Nanostruktur ist hierbei von Bedeutung. So erzeugen Silberellipsen eine 1,5-fach höhere Fluoreszenzverstärkung als identische Goldellipsen. Distanzabhängige Fluoreszenzmessungen zeigen, dass die Zwei-Photonen-angeregte Fluoreszenzverstärkung an strukturspezifischen Abständen zum Metall maximiert wird. Elliptische Strukturen zeigen ein Maximum bei einem Abstand von 8 nm zum Metall, wohingegen bei sichelförmigen Nanostrukturen die höchste Fluoreszenzintensität bei 12 nm gemessen wird. Bei kleineren Abständen unterliegt der Farbstoff einem starken Löschprozess, sogenanntes Quenching. Dieses konkurriert mit dem Verstärkungsprozess, wodurch es zu einer geringen Nettoverstärkung kommt. Hat die untersuchte Struktur Dimensionen größer als das Auflösungsvermögen des Mikroskops, ist eine direkte Visualisierung des elektrischen Nahfelds der Nanostruktur möglich. rnrnEin weiterer Fokus dieser Arbeit lag auf der Herstellung neuartiger Nanostrukturen durch kolloidlithografische Methoden. Gestapelte Dimere sichelförmiger Nanostrukturen mit exakter vertikaler Ausrichtung und einem Separationsabstand von etwa 10 nm wurden hergestellt. Die räumliche Nähe der beiden Strukturen führt zu einem Kopplungsprozess, der neue optische Resonanzen hervorruft. Diese können als Superpositionen der Plasmonenmoden der einzelnen Sicheln beschrieben werden. Ein Hybridisierungsmodell wird angewandt, um die spektralen Unterschiede zu erklären. Computersimulationen belegen die zugrunde liegende Theorie und erweitern das Modell um experimentell nicht aufgelöste Resonanzen. rnWeiterhin wird ein neuer Herstellungsprozess für sichelförmige Nanostrukturen vorgestellt, der eine präzise Formanpassung ermöglicht. Hierdurch kann die Lage der Plasmonenresonanz exakt justiert werden. Korrelationen der geometrischen Daten mit den Resonanzwellenlängen tragen zum grundlegenden Verständnis der Plasmonenresonanzen bei. Die vorgestellten Resultate wurden mittels Computersimulationen verifiziert. Der Fabrikationsprozess erlaubt die Herstellung von Dimeren sichelförmiger Nanostrukturen in einer Ebene. Durch die räumliche Nähe überlappen die elektrischen Nahfelder, wodurch es zu kopplungs-induzierten Shifts der Plasmonenresonanzen kommt. Der Unterschied zu theoretisch berechneten ungekoppelten Nanosicheln kann auch bei den gegenüberliegenden sichelförmigen Nanostrukturen mit Hilfe des Plasmonenhybridisierungsmodells erklärt werden.

Proton magnetic resonance with parahydrogen induced polarization : Imaging strategies and continuous generation

A major challenge in imaging is the detection of small amounts of molecules of interest. In the case of magnetic resonance imaging (MRI) their signals are typically concealed by the large background signal of e.g. the tissue of the body. This problem can be tackled by hyperpolarization which increases the NMR signals up to several orders of magnitude. However, this strategy is limited for 1H, the most widely used nucleus in NMR andrnMRI, because the enormous number of protons in the body screen the small amount of hyperpolarized ones.Here, I describe a method giving rise to high 1H MRI contrast for hyperpolarized molecules against a large background signal. The contrast is based on the J-coupling induced rephasing of the NMR signal of molecules hyperpolarized via parahydrogen induce polarization (PHIP) and it can easily be implemented in common pulse sequences.rnrnHyperpolarization methods typically require expensive technical equipment (e.g. lasers or microwaves) and most techniques work only in batch mode, thus the limited lifetime of the hyperpolarization is limiting its applications. Therefore, the second part of my thesis deals with the simple and efficient generation of an hyperpolarization.These two achievements open up alternative opportunities to use the standard MRI nucleus 1H for e.g. metabolic imaging in the future.

Structural characterization of intermediate and metastable phases by electron microscopy

Structure characterization of nanocrystalline intermediates and metastable phases is of primary importance for a deep understanding of synthetic processes undergoing solid-to-solid state phase transitions. Understanding the evolution from the first nucleation stage to the final synthetic product supports not only the optimization of existing processes, but might assist in tailoring new synthetic paths. A systematic investigation of intermediates and metastable phases is hampered because it is impossible to produce large crystals and only in few cases a pure synthetic product can be obtained. Structure investigation by X-ray powder diffraction methods is still challenging on nanoscale, especially when the sample is polyphasic. Electron diffraction has the advantage to collect data from single nanoscopic crystals, but is limited by data incompleteness, dynamical effects and fast deterioration of the sample under the electron beam. Automated diffraction tomography (ADT), a recently developed technique, making possible to collect more complete three-dimensional electron diffraction data and to reduce at the same time dynamical scattering and beam damage, thus allowing to investigate even beam sensitive materials (f.e. hydrated phases and organics). At present, ADT is the only technique able to deliver complete three-dimensional structural information from single nanoscopic grains, independently from other surrounding phases. Thus, ADT is an ideal technique for the study of on-going processes where different phases exist at the same time and undergo several structural transitions. In this study ADT was used as the main technique for structural characterization for three different systems and combined subsequently with other techniques, among which high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), cryo-TEM imaging, X-ray powder diffraction (XRPD) and energy disperse X-ray spectroscopy (EDX).rnAs possible laser host materials, i.e. materials with a broad band emission in the near-infrared region, two unknown phases were investigated in the ternary oxide system M2O-Al2O3-WO3 (M = K, Na). Both phases exhibit low purity as well as non-homogeneous size distribution and particle morphology. The structures solved by ADT are also affected by pseudo-symmetry. rnSodium titanate nanotubes and nanowires are both intermediate products in the synthesis of TiO2 nanorods which are used as additives to colloidal TiO2 film for improving efficiency of dye-sensitized solar cells (DSSC). The structural transition from nantubes to nanowires was investigated in a step by step time-resolved study. Nanowires were discovered to consist of a hitherto unknown phase of sodium titanate. This new phase, typically affected by pervasive defects like mutual layer shift, was structurally determined ab-initio on the basis of ADT data. rnThe third system is related with calcium carbonate nucleation and early crystallization. The first part of this study is dedicated to the extensive investigations of calcium carbonate formation in a step by step analysis, up to the appearance of crystalline individua. The second part is dedicated to the structure determination by ADT of the first-to-form anhydrated phase of CaCO3: vaterite. An exhaustive structure analysis of vaterite had previously been hampered by diffuse scattering, extra periodicities and fast deterioration of the material under electron irradiation. rn

Controlled wetting on silica-based nano- and microstructured surfaces

Der Fokus dieser Doktorarbeit liegt auf der kontrollierten Benetzung von festen Oberflächen, die in vielen Bereichen, wie zum Beispiel in der Mikrofluidik, für Beschichtungen und in biologischen Studien von Zellen oder Bakterien, von großer Bedeutung ist.rnDer erste Teil dieser Arbeit widmet sich der Frage, wie Nanorauigkeit das Benetzungsverhalten, d.h. die Kontaktwinkel und die Pinningstärke, von hydrophoben und superhydrophoben Beschichtungen beeinflusst. Hierfür wird eine neue Methode entwickelt, um eine nanoraue Silika-Beschichtung über die Gasphase auf eine superhydrophobe Oberfläche, die aus rauen Polystyrol-Silika-Kern-Schale-Partikeln besteht, aufzubringen. Es wird gezeigt, dass die Topographie und Dichte der Nanorauigkeiten bestimmt, ob sich die Superhydrophobizität verringert oder erhöht, d.h. ob sich ein Flüssigkeitstropfen im Nano-Wenzel- oder Nano-Cassie-Zustand befindet. Das verstärkte Pinning im Nano-Wenzel-Zustand beruht auf dem Eindringen von Flüssigkeitsmolekülen in die Nanoporen der Beschichtung. Im Nano-Cassie-Zustand dagegen sitzt der Tropfen auf den Nanorauigkeiten, was das Pinning vermindert. Die experimentellen Ergebnisse werden mit molekulardynamischen Simulationen in Bezug gesetzt, die den Einfluss der Oberflächenbeschichtungsdichte und der Länge von fluorinierten Silanen auf die Hydrophobizität einer Oberfläche untersuchen. rnEs wurden bereits verschiedenste Techniken zur Herstellung von transparenten superhydrophoben, d.h. extrem flüssigkeitsabweisenden, Oberflächen entwickelt. Eine aktuelle Herausforderung liegt darin, Funktionalitäten einzuführen, ohne die superhydrophoben Eigenschaften einer Oberfläche zu verändern. Dies ist extrem anspruchsvoll, da funktionelle Gruppen in der Regel hydrophil sind. In dieser Arbeit wird eine innovative Methode zur Herstellung von transparenten superhydrophoben Oberflächen aus Janus-Mikrosäulen mit variierenden Dimensionen und Topographien entwickelt. Die Janus-Säulen haben hydrophobe Seitenwände und hydrophile Silika-Oberseiten, die anschließend selektiv und ohne Verlust der superhydrophoben Eigenschaften der Oberfläche funktionalisiert werden können. Diese selektive Oberflächenfunktionalisierung wird mittels konfokaler Mikroskopie und durch das chemische Anbinden von fluoreszenten Molekülen an die Säulenoberseiten sichtbar gemacht. Außerdem wird gezeigt, dass das Benetzungsverhalten durch Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Festkörper in der Nähe der Benetzungslinie bestimmt wird. Diese Beobachtung widerlegt das allgemein akzeptierte Modell von Cassie und Baxter und beinhaltet, dass hydrophile Flächen, die durch mechanischen Abrieb freigelegt werden, nicht zu einem Verlust der Superhydrophobizität führen müssen, wie allgemein angenommen.rnBenetzung kann auch durch eine räumliche Beschränkung von Flüssigkeiten kontrolliert werden, z.B. in mikrofluidischen Systemen. Hier wird eine modifizierte Stöber-Synthese verwendet, um künstliche und natürliche Faser-Template mit einer Silika-Schicht zu ummanteln. Nach der thermischen Zersetzung des organischen Templat-Materials entstehen wohldefinierte Silika-Kanäle und Kanalkreuzungen mit gleichmäßigen Durchmessern im Nano- und Mikrometerbereich. Auf Grund ihrer Transparenz, mechanischen Stabilität und des großen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnisses sind die Kanäle sehr gut geeignet, um die Füllgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten mit variierenden Oberflächenspannungen und Viskositäten zu untersuchen. Konfokale Mikroskopie ermöglicht es hierbei, die Füllgeschwindigkeiten über eine Länge von mehreren Millimetern, sowie direkt am Kanaleingang zu messen. Das späte Füllstadium kann sehr gut mit der Lucas-Washburn-Gleichung beschrieben werden. Die anfänglichen Füllgeschwindigkeiten sind jedoch niedriger als theoretisch vorhergesagt. Wohingegen die vorhergehenden Abschnitte dieser Arbeit sich mit der quasistatischen Benetzung beschäftigen, spielt hier die Dynamik der Benetzung eine wichtige Rolle. Tatsächlich lassen sich die beobachteten Abweichungen durch einen geschwindigkeitsabhängigen Fortschreitkontaktwinkel erklären und durch dynamische Benetzungstheorien modellieren. Somit löst diese Arbeit das seit langem diskutierte Problem der Abweichungen von der Lucas-Washburn-Gleichung bei kleinen Füllgeschwindigkeiten.

Oberflaechenverbesserung im 3D-Druck mittels hoeherer Aufloesung

Mit pulvergestützten 3D-Druckprozessen verbindet der Anwender bislang vor allem eine hohe Prozessgeschwindigkeiten bei mäßiger Genauigkeit und Oberflächenqualität. Dass das auch anders geht zeigt der vorliegende Artikel.

Update zur Hymenopterengiftallergie mit besonderen Aspekten in der Diagnostik und Therapie

Die Hymenopterengiftallergie ist weltweit eine der wichtigsten Ursachen für allergische und anaphylaktische Reaktionen, die bis zum Tod führen kann. Auch wenn sich durch Globalisierung und Klimawandel andere Hymenopterenarten verbreiten können, sind in Mitteleuropa Honigbienen- und Wespenstiche die häufigsten Auslöser der Hymenopterengiftallergie. Der Nachweis eines erhöhten basalen Tryptasewerts hat sich als Risikofaktor für schwere allergische Reaktionen nach Insektenstichen mehrfach bestätigt, sodass dessen Bestimmung heutzutage in der Diagnostik unerlässlich ist. Bis heute sind zwölf Bienen- und sechs Wespengiftallergene identifiziert, wobei aktuell die nicht glykolysierten, speziesspezifischen Hauptallergene Api m 1 (Biene), Ves v 5 und Ves v 1 (Wespe) kommerziell für die Diagnostik verfügbar sind. Im Fall einer Doppelpositivität der spezifischen Immunglobuline E (sIgE) gegen beide Gesamtgifte sind diese für die Identifizierung des verantwortlichen Gifts für die Immuntherapie wertvoll. Falls damit keine klare Diagnose erzielt wird, bietet sich der Basophilenaktivierungstest als zusätzlicher In-vitro-Assay an. Therapeutisch ist die spezifische Immuntherapie mit Insektengiften immer noch die einzige kausale und auch effektive Behandlung einer Hymenopterengiftallergie. Während fast alle Patienten mit Wespengiftallergie durch die Immuntherapie mit Wespengift geschützt sind, entwickeln etwa 20 % der Bienengiftallergiker trotz Bienengiftimmuntherapie bei Reexposition noch – meist leichtere – Allgemeinreaktionen. Durch Steigerung der Erhaltungsdosis kann fast jeder Patient geschützt werden. Ferner ist eine Optimierung in der Behandlung mit Bienengift denkbar, da in den präsenten Therapielösungen relevante Bienengiftallergene wie Api m 10 oder Api m 3 nicht oder nur in geringer Konzentration vorhanden sind. Aufgrund der aktuellen Forschungsrichtung mit Identifizierung IgE-induzierender Allergene rücken andere Therapieansätze bei der Behandlung von Hymenopterengiftallergie in den Hintergrund.

Globale Akteure an den Randzonen von Souveränität und Legitimität

Der moderne Nationalstaat mit seinen Grenzlinien, welche die räumliche Reichweite des souveränen Gewaltmonopols fixierten und gleichsam einen Kulturraum mit homogenen sozialen und rechtlichen Normen abschlossen, war lange eine zentrale Orientierungsgröße für die Geschichtsschreibung. Die wirtschaftlichen, politischen und kulturellen Globalisierungsprozesse der letzten zwei Jahrzehnte haben jedoch das nationale Narrativ mit seinen eindeutigen Demarkationslinien in Frage gestellt. Stattdessen sind Randzonen und Zwischenräume in den Mittelpunkt des Interesses gerückt. Dieser Paradigmenwechsel in Methodik und Perspektive hat auch realhistorisch seine volle Berechtigung, denn solche Zwischenräume sind keine neuartigen Phänomene der Postmoderne mit ihren globalen Transfers und multikulturellen Gesellschaften. Sie hatten sich beispielsweise stets auch während des Epochen übergreifenden Prozesses der europäischen Expansion aufgetan, insbesondere an den fluiden imperialen Randzonen. Nach eurozentrischen Maßstäben handelte es sich dabei um rechtlich nicht regulierte und territorial undefinierte Räume. Aber selbst in der Hochphase des Imperialismus sowie auch in den postkolonialen Gesellschaften konnte das nationalstaatliche Modell nur partiell etabliert werden und konkurrierte stets mit „tribalen“ oder quasi-feudalen Formen sozio-politischer Organisation. Außerdem wurde selbst in den westlichen Nationalstaaten das staatliche Gewaltmonopol sowie die soziale, rechtliche und politische Ordnung bei innerstaatlichen Konflikten wie Revolutionen und Bürgerkriegen sowie internationalen Kriegen immer wieder in Frage gestellt oder sogar ausgehebelt. In solch gewaltbasierten Umfeldern des Ausnahmezustandes und der Insurrektion sowie in solch deregulierten Räumen, weitgehend frei von Hierarchien, bürokratischer Kontrolle und rechtlichen Einschränkungen, agierten stets auch besondere Akteurstypen. Sie hatten einerseits das Privileg einer geringen Kontrolle unterworfen zu sein oder völlig losgelöst davon zu handeln, waren aber andererseits überwiegend auf sich gestellt und konnten nur sehr beschränkt den Schutz des fernen Souveräns im Hintergrund beanspruchen oder hatten sich diesen durch ihre Verhaltensweise sogar zum Gegner gemacht. Diese Akteure an den Randzonen von Souveränität und Legitimität können grob in verschiedene Typen eingeteilt werden: Zu nennen sind die Avantgardisten der Expansion wie Entdecker und Eroberer, die klassischen „Men on the Spot“ an der Peripherie von Imperien wie Militärs und Administratoren, private Gewaltunternehmer und Söldner, Insurgenten und Revolutionäre, sowie Spione und Nachrichtenhändler. Anhand verschiedener Fallstudien soll diese Figur des Akteurs an den Randzonen in globaler Perspektive beleuchtet werden. Es stellt sich die Frage nach seiner Motivation für Sondermissionen, seiner ideellen Beweggründe und politischen Überzeugung sowie seiner Beziehung zum Auftraggeber oder Souverän im fernen Hintergrund. Insbesondere ist untersuchen, ob deren Interessen trotz beschränkter Kontrolle und Rückendeckung loyal verfolgt wurden oder ob für unsere Protagonisten vor allem materielle Interessen ausschlaggebend waren, womöglich sogar einfach das Streben nach einem Betätigungsfeld mit möglichst großer Handlungsfreiheit? Während entgrenzte Verhaltensweisen in der Regel auf rechtlich nur schwach regulierte Umfeldern zurückgeführt werden, ist auch zu untersuchen, ob sich gewisse Persönlichkeiten nicht gezielt Räume am Rande oder jenseits nationalstaatlicher Rechtsnormen als Agitationsfeld suchten oder ob sie sich sogar zur Verwirklichung ihrer persönlichen Bedürfnisse solche Räume durch Subversion staatlicher Ordnung gezielt schafften. Indem die Protagonisten mit den kulturellen, politischen und rechtlichen Ordnungen ihres Betätigungsfeldes in Beziehung gesetzt werden, kann auch eine Brücke von einer rein personenbezogenen Biographik zur Strukturgeschichte geschlagen werden. Die Grenzgänger wie auch die Zwischenräume, in denen sie agierten, sind wohl auch weniger als Randerscheinungen des Ausnahmezustandes zu verstehen, sondern vielmehr als die unmittelbar mit der sich intensivierenden Verrechtlichung und Homogenisierung der westeuropäischen Nationalstaaten einhergehende andere Seite dieses Prozesses: Einerseits brauchten Regierungen zuweilen für besondere Aufgaben Akteure, die nicht an die eigenen Rechtsnormen gebunden waren, andererseits gab es stets Persönlichkeiten, die sich in der engen Rechtswirklichkeit und sozialen Ordnung des Nationalstaates nicht zurechtfanden. Darüber hinaus sind diese Grenzgänger auch als Brückenköpfe politischer wie ökonomischer Machterweiterung sowie als Schlüsselfiguren von Interaktions-, Kooperations-, Vernetzungs- und Transformationsprozessen zu verstehen – nur in Extremfällen waren sie radikale Grenzüberschreiter sowie Träger der bloßen Zerstörung und Zersetzung. Da sie in einem kulturell fremden oder zerrütteten, krisengebeutelten Umfeld agierten, gilt ein besonderes Augenmerk ihrer Rolle als Makler von Interessen, Vermittler sowie Informationsbeschaffer. Schließlich soll auch die Außenwahrnehmung dieser Randfiguren in Betracht gezogen werden. Ihre Position am Rande der Gesellschaft und der Legalität löste in der Regel eine große Faszination beim „Normalbürger“ aus, die sich entweder in Bewunderung oder Abscheu wenden konnte. Teilweise veranlassten sie einen regelrechten Medienrummel, der den Staat wiederum in Zugzwang bringen konnte, oft mit beachtlichen Folgen.

Primum et super omnium: nihil nocere Operationsindikation im Wandel bei Divertikulitis

Diverticulitis is a common disease in western countries and its incidence is increasing especially among young patients. Colonic diverticulosis, incidentally diagnosed by endoscopy or CT-scanning, has no immediate clinical consequences. Progression to diverticulitis develops in only 4 % of cases. In the last decades management of diverticular disease evolved and expectative treatment and less invasive techniques have gained importance. Elective resection has traditionally been advised after a second episode of diverticulitis or after a first episode if the patient was less than 50 years of age or complicated disease occurred. Recent changes in understanding the natural history of diverticular disease have substantially modified treatment paradigms. Elective resection in case of recurrent diverticular disease should be performed on a individual basis and in cases with complications like intestinal obstruction or fistulas. Primary anastomosis is an option even in emergency surgery due to colonic perforation, while diverting operations are indicated for selected patient groups with a high risk profile. Several prospective studies showed good results for laparoscopic drainage and lavage in the setting of perforated diverticulitis with generalized peritonitis, though this concept needs to be controlled with randomized clinical trials before application into the daily practice. This article should provide a short overview of trends in the surgical treatment of diverticulitis, help to understand the natural history of the disease and thereby explain the currently lower frequency of surgical interventions for diverticulitis.

Grenzen des Machbaren. Was Pilgerwege erfolgreich macht

Auch in Deutschland versuchen immer mehr Touristiker vom Pilgerboom zu profitieren. Die neuen Wege werden oft nur wenig genutzt. Wer versteht, was Pilgern ausmacht, kann auch erfolgreich agieren. Auf Basis eines empirischen Forschungsprojektes entfaltet der Beitrag das Spezifikum des Pilgerns als einen bestimmten Erfahrungsmodus: Pilger erfahren sich selbst eingebunden in den Zusammenhang des Seins, einen sie tragenden Grund. Es geht um ein Unverfügbares, dem sie sich überlassen, weil es Gewissheit stiftet. Dies setzt dem touristischen Inszenieren enge Grenzen. Werden diese beachtet, entstehen nachhaltige und erfahrungswirksame Pilgerwege. Schlagworte: Pilgern, Erfahrung, Körper, Natur