Estudio del reconocimiento auditivo musical y melódico en pacientes con implante coclear

Programa de doctorado: Avances en Traumatología, Medicina del Deporte y Cuidados de Heridas

Models for the study of neuronal activity during cognitive tasks

Assessment of brain connectivity among different brain areas during cognitive or motor tasks is a crucial problem in neuroscience today. Aim of this research study is to use neural mass models to assess the effect of various connectivity patterns in cortical EEG power spectral density (PSD), and investigate the possibility to derive connectivity circuits from EEG data. To this end, two different models have been built. In the first model an individual region of interest (ROI) has been built as the parallel arrangement of three populations, each one exhibiting a unimodal spectrum, at low, medium or high frequency. Connectivity among ROIs includes three parameters, which specify the strength of connection in the different frequency bands. Subsequent studies demonstrated that a single population can exhibit many different simultaneous rhythms, provided that some of these come from external sources (for instance, from remote regions). For this reason in the second model an individual ROI is simulated only with a single population. Both models have been validated by comparing the simulated power spectral density with that computed in some cortical regions during cognitive and motor tasks. Another research study is focused on multisensory integration of tactile and visual stimuli in the representation of the near space around the body (peripersonal space). This work describes an original neural network to simulate representation of the peripersonal space around the hands, in basal conditions and after training with a tool used to reach the far space. The model is composed of three areas for each hand, two unimodal areas (visual and tactile) connected to a third bimodal area (visual-tactile), which is activated only when a stimulus falls within the peripersonal space. Results show that the peripersonal space, which includes just a small visual space around the hand in normal conditions, becomes elongated in the direction of the tool after training, thanks to a reinforcement of synapses.

Indagine sulla presenza di Helicobacter pullorum in allevamenti avicoli italiani

From September 2005 to December 2006, in order to define the prevalence of Helicobacter pullorum in broiler chickens, laying hens and turkey, a total of 365 caecum contents of animals reared in 76 different farms were collected at the slaughterhouse. A caecum content of a ostrich was also sampled. In addition, with the aim of investigating the occurrence of H. pullorum in humans, 151 faeces were collected at the Sant’Orsola-Malpighi University Hospital of Bologna from patients suffering of gastroenteritis. A modified Steele–McDermott membrane filter method was used. Gram-negative curved rod bacteria were preliminary identified as H. pullorum by a PCR assay based on 16S rRNA, then subjected to a RFLP-PCR assay to distinguish between H. pullorum and H. canadensis. One isolate from each farm was randomly selected for phenotypic characterization by biochemical methods and 1D SDSPAGE analysis of whole cell proteins profiles. Minimum Inhibitory Concentration (MIC) for seven different antibiotics were also determined by agar dilution method. Moreover, to examine the intraspecific genomic variability, two strains isolated from 17 different farms were submitted to genotyping by Pulse-Field Gel Electrophoresis (PFGE). In order to assess the molecular basis of fluorquinolone resistance in H. pullorum, gyrA of H. pullorum CIP 104787T was sequenced and nucleotide sequences of the Quinolone Resistance Determining Region (QRDR) of a total of 18 poultry isolates, with different MIC values for ciprofloxacin and nalidixic acid, were compared. According to the PCR and PCR-RFLP results, 306 out of 366 animals examined were positive for H. pullorum (83,6%) and 96,1% of farms resulted infected. All positive samples showed a high number of colonies (>50) phenotipically consistent with H. pullorum on the first isolation media, which suggests that this microrganism, when present, colonizes the poultry caecum at an elevate load. No human sample resulted positive for H. pullorum. The 1D SDS-PAGE whole protein profile analysis showed high similarity among the 74 isolates tested and with the type strain H. pullorum CIP 104787T. Regarding the MIC values, a monomodal distribution was found for ampicillin, chloramphenicol, gentamicin and nalidixic acid, whereas a bimodal trend was noticed for erythromycin, ciprofloxacin and tetracycline (indicating an acquired resistance for these antibiotics). Applying the breakpoints indicated by the CSLI, we may assume that all the H. pullorum tested are sensitive only to gentamicin. The intraspecific genomic variability observed in this study confirm that this species don’t have a clonal population structure, as motioned by other autors. The 2490 bp gyrA gene of H. pullorum CIP104787T with an Open Reading Frame (ORF) encoding a polypeptide of 829 amino acids was for the first time sequenced and characterized. All ciprofloxacin resistant poultry isolates showed ACA®ATA (Thr®Ile) substitution at codon 84 of gyrA corresponding to codons of gyrA 86, 87 and 83 of the Campylobacter jejuni, H. pylori and Escherichia coli, respectively. This substitution was functionally confirmed to be associated with the ciprofloxacin resistant phenotype of poultry isolates. This is the first report of isolation of H. pullorum in turkey and in ostrich, indicating that poultry species are the reservoir of this potential zoonotic microorganisms. In order to understand the potential role as food-borne human pathogen of H. pullorum, further studies must be carried on.

Il ruolo del collicolo superiore nell'orientamento spaziale

This thesis was aimed at verifying the role of the superior colliculus (SC) in human spatial orienting. To do so, subjects performed two experimental tasks that have been shown to involve SC’s activation in animals, that is a multisensory integration task (Experiment 1 and 2) and a visual target selection task (Experiment 3). To investigate this topic in humans, we took advantage of neurophysiological finding revealing that retinal S-cones do not send projections to the collicular and magnocellular pathway. In the Experiment 1, subjects performed a simple reaction-time task in which they were required to respond as quickly as possible to any sensory stimulus (visual, auditory or bimodal audio-visual). The visual stimulus could be an S-cone stimulus (invisible to the collicular and magnocellular pathway) or a long wavelength stimulus (visible to the SC). Results showed that when using S-cone stimuli, RTs distribution was simply explained by probability summation, indicating that the redundant auditory and visual channels are independent. Conversely, with red long-wavelength stimuli, visible to the SC, the RTs distribution was related to nonlinear neural summation, which constitutes evidence of integration of different sensory information. We also demonstrate that when AV stimuli were presented at fixation, so that the spatial orienting component of the task was reduced, neural summation was possible regardless of stimulus color. Together, these findings provide support for a pivotal role of the SC in mediating multisensory spatial integration in humans, when behavior involves spatial orienting responses. Since previous studies have shown an anatomical asymmetry of fibres projecting to the SC from the hemiretinas, the Experiment 2 was aimed at investigating temporo-nasal asymmetry in multisensory integration. To do so, subjects performed monocularly the same task shown in the Experiment 1. When spatially coincident audio-visual stimuli were visible to the SC (i.e. red stimuli), the RTE depended on a neural coactivation mechanism, suggesting an integration of multisensory information. When using stimuli invisible to the SC (i.e. purple stimuli), the RTE depended only on a simple statistical facilitation effect, in which the two sensory stimuli were processed by independent channels. Finally, we demonstrate that the multisensory integration effect was stronger for stimuli presented to the temporal hemifield than to the nasal hemifield. Taken together, these findings suggested that multisensory stimulation can be differentially effective depending on specific stimulus parameters. The Experiment 3 was aimed at verifying the role of the SC in target selection by using a color-oddity search task, comprising stimuli either visible or invisible to the collicular and magnocellular pathways. Subjects were required to make a saccade toward a target that could be presented alone or with three distractors of another color (either S-cone or long-wavelength). When using S-cone distractors, invisible to the SC, localization errors were similar to those observed in the distractor-free condition. Conversely, with long-wavelength distractors, visible to the SC, saccadic localization error and variability were significantly greater than in either the distractor-free condition or the S-cone distractors condition. Our results clearly indicate that the SC plays a direct role in visual target selection in humans. Overall, our results indicate that the SC plays an important role in mediating spatial orienting responses both when required covert (Experiments 1 and 2) and overt orienting (Experiment 3).

A panchromatic study of stellar populations in Galactic Globular Clusters

The aim of this Thesis is to investigate (i) how common the bimodal Blue Straggler Stars (BSS) radial distribution is in stellar clusters and (ii) which are the physical processes that can produce this bimodality. We discuss possible relations between the properties of the BSS radial distribution and the dynamical state of the hosting clusters by making use of dynamical models and simulations. When relevant, we also discuss the possible links with some cluster "anomalies" and the effects of a massive object (like Imtermediate Mass Black Hole) in the cluster center. To this purpose we present the observational multiwavelength studies of the BSS populations and their radial distributions in 5 GGCs: M5, M55, M2, NGC 2419 and NGC 6388.

Edelgase in Enstatit-Chondriten

Zusammenfassung - Die vorliegende Dissertation beschreibt die massenspektrometrische Bestimmung der Edelgaskonzentrationen und -isotopenverhältnisse von insgesamt 47 Enstatit-Chondriten (E-Chondriten). E-Chondrite bilden eine Meteoritengruppe, die sich durch einen hohen Reduktionsgrad auszeichnet. Es gibt Hinweise darauf, dass sie im inneren Bereich des Sonnensystems entstanden. Ihre chemischen und mineralogischen Eigenschaften können daher auch Aufschluss über die Genese der terrestrischen Planeten geben. Die Edelgasmessungen hatten im wesentlichen die Berechnung von Bestrahlungsaltern sowie die Untersuchung der getrappten Edelgaskomponenten zum Ziel. Die Bestrahlungsalter der E-Chondrite liegen zwischen 0.5 und 50 Millionen Jahren. Eine zweifelsfreie Aussage über Häufungen in der Altersverteilung, die auf große Impaktereignisse auf dem Mutterkörper hinweisen könnten, lässt sich aufgrund der relativ hohen Unsicherheit der Alter (20 Prozent) nicht treffen.Etwa 10 Prozent der E-Chondrite enthalten signifikante solare Gasanteile. Alle zählen zum nicht-equilibrierten petrologischen Typ 3.In der elementaren Zusammensetzung der getrappten schweren Edelgase fällt auf, dass EH3-Chondrite (H für high iron) vorrangig ein stärker fraktioniertes (planetares), relativ Ar-armes Edelgasmuster aufweisen, während alle übrigen Typen E4-6 von einer sog. subsolaren, relativ Ar-reichen Signatur dominiert werden. Diese Verteilung und Zusammensetzung lassen sich nicht ohne weiteres mit dem Modell zur Entstehung der petrologischen Typen durch Metamorphose, wie es für die gewöhnlichen Chondrite formuliert wurde, erklären.

Studio di ausili tecnologici compensativi di supporto all'iter di apprendimento matematico secondario e universitario degli studenti con dislessia

Data coming out from various researches carried out over the last years in Italy on the problem of school dispersion in secondary school show that difficulty in studying mathematics is one of the most frequent reasons of discomfort reported by students. Nevertheless, it is definitely unrealistic to think we can do without such knowledge in today society: mathematics is largely taught in secondary school and it is not confined within technical-scientific courses only. It is reasonable to say that, although students may choose academic courses that are, apparently, far away from mathematics, all students will have to come to terms, sooner or later in their life, with this subject. Among the reasons of discomfort given by the study of mathematics, some mention the very nature of this subject and in particular the complex symbolic language through which it is expressed. In fact, mathematics is a multimodal system composed by oral and written verbal texts, symbol expressions, such as formulae and equations, figures and graphs. For this, the study of mathematics represents a real challenge to those who suffer from dyslexia: this is a constitutional condition limiting people performances in relation to the activities of reading and writing and, in particular, to the study of mathematical contents. Here the difficulties in working with verbal and symbolic codes entail, in turn, difficulties in the comprehension of texts from which to deduce operations that, once combined together, would lead to the problem final solution. Information technologies may support this learning disorder effectively. However, these tools have some implementation limits, restricting their use in the study of scientific subjects. Vocal synthesis word processors are currently used to compensate difficulties in reading within the area of classical studies, but they are not used within the area of mathematics. This is because the vocal synthesis (or we should say the screen reader supporting it) is not able to interpret all that is not textual, such as symbols, images and graphs. The DISMATH software, which is the subject of this project, would allow dyslexic users to read technical-scientific documents with the help of a vocal synthesis, to understand the spatial structure of formulae and matrixes, to write documents with a technical-scientific content in a format that is compatible with main scientific editors. The system uses LaTex, a text mathematic language, as mediation system. It is set up as LaTex editor, whose graphic interface, in line with main commercial products, offers some additional specific functions with the capability to support the needs of users who are not able to manage verbal and symbolic codes on their own. LaTex is translated in real time into a standard symbolic language and it is read by vocal synthesis in natural language, in order to increase, through the bimodal representation, the ability to process information. The understanding of the mathematic formula through its reading is made possible by the deconstruction of the formula itself and its “tree” representation, so allowing to identify the logical elements composing it. Users, even without knowing LaTex language, are able to write whatever scientific document they need: in fact the symbolic elements are recalled by proper menus and automatically translated by the software managing the correct syntax. The final aim of the project, therefore, is to implement an editor enabling dyslexic people (but not only them) to manage mathematic formulae effectively, through the integration of different software tools, so allowing a better teacher/learner interaction too.

Physikalische Eigenschaften kolloidaler Festkörper

In dieser Arbeit wird das Phasenverhalten fluid-kristallin und kristallin-amorph, die elastischen Eigenschaften, das Nukleationsverhalten und das diffusive Verhalten ladungsstabilisierter Kolloide aus sphärischen Polystyrol- und Polytetrafluorethylenpartikeln in wässerigen Dispersionsmitteln bei sehr geringem Fremdionengehalt systematisch untersucht. Die dazugehörigen Messungen werden an einer neuartigen selbstkonstruierten Kombinationslichtstreuapparatur durchgeführt, die die Meßmethoden der dynamischen Lichtstreuung, statischen Lichtstreuung und Torsionsresonanzspektroskopie in sich vereint. Die drei Meßmethoden sind optimal auf die Untersuchung kolloidaler Festkörper abgestimmt. Das elastische Verhalten der Festkörper kann sehr gut durch die Elastizitätstheorie atomarer Kristallsysteme beschrieben werden, wenn ein Debye-Hückel-Potential im Sinne des Poisson-Boltzmann-Cell Modells als Wechselwirkungspotential verwendet wird. Die ermittelten Phasengrenzen fluid-kristallin stehen erstmalig in guter Übereinstimmung mit Ergebnissen aus molekulardynamischen Simulationen, wenn die in der Torsionsresonanzspektroskopie bestimmte Wechselwirkungsenergie zu Grunde gelegt wird. Neben der Gleichgewichtsstruktur sind Aussagen zur Verfestigungskinetik möglich. Das gefundene Nukleationserhalten kann gut durch die klassische Nukleationstheorie beschrieben werden, wenn bei niedriger Unterkühlung der Schmelze ein Untergrund heterogener Keimung berücksichtigt wird. PTFE-Partikel zeigen auch bei hohen Konzentrationen nur geringfügige Mehrfachstreuung. Durch ihren Einsatz ist erstmals eine systematische Untersuchung des Glasübergangs in hochgeladenen ladungsstabilisierten Systemen möglich. Ladungsstabilisierte Kolloide unterscheiden sich vor allem durch ihre extreme Kristallisationstendenz von früher untersuchten Hartkugelsystemen. Bei hohen Partikelkonzentrationen (Volumenbrüche größer 10 Prozent) kann ein glasartiger Festkörper identifiziert werden, dessen physikalisches Verhalten die Existenz eines Bernalglases nahe legt. Der Glasübergang ist im Vergleich mit den in anderen kolloidalen Systemen und atomaren Systemen beobachteten Übergängen von sehr unterschiedlichem Charakter. Im verwendeten PTFE-System ist auf Grund der langreichweitigen stark repulsiven Wechselwirkung kein direkter Zugang des Glaszustandes aus der übersättigten Schmelze möglich. Der amorphe Festkörper entsteht hier aus einer nanokristallinen Phase. Die Keimrate steigt im zugänglichen Meßbereich annähernd exponentiell mit der Partikelanzahldichte, so daß man feststellen kann, daß der Glaszustand nicht durch Unterdrückung der Nukleation, sondern durch eine Forcierung derselben erreicht wird.

Development of a new galaxy classification technique and its application to the zCOSMOS survey

The purpose of this Thesis is to develop a robust and powerful method to classify galaxies from large surveys, in order to establish and confirm the connections between the principal observational parameters of the galaxies (spectral features, colours, morphological indices), and help unveil the evolution of these parameters from $z \sim 1$ to the local Universe. Within the framework of zCOSMOS-bright survey, and making use of its large database of objects ($\sim 10\,000$ galaxies in the redshift range $0 < z \lesssim 1.2$) and its great reliability in redshift and spectral properties determinations, first we adopt and extend the \emph{classification cube method}, as developed by Mignoli et al. (2009), to exploit the bimodal properties of galaxies (spectral, photometric and morphologic) separately, and then combining together these three subclassifications. We use this classification method as a test for a newly devised statistical classification, based on Principal Component Analysis and Unsupervised Fuzzy Partition clustering method (PCA+UFP), which is able to define the galaxy population exploiting their natural global bimodality, considering simultaneously up to 8 different properties. The PCA+UFP analysis is a very powerful and robust tool to probe the nature and the evolution of galaxies in a survey. It allows to define with less uncertainties the classification of galaxies, adding the flexibility to be adapted to different parameters: being a fuzzy classification it avoids the problems due to a hard classification, such as the classification cube presented in the first part of the article. The PCA+UFP method can be easily applied to different datasets: it does not rely on the nature of the data and for this reason it can be successfully employed with others observables (magnitudes, colours) or derived properties (masses, luminosities, SFRs, etc.). The agreement between the two classification cluster definitions is very high. ``Early'' and ``late'' type galaxies are well defined by the spectral, photometric and morphological properties, both considering them in a separate way and then combining the classifications (classification cube) and treating them as a whole (PCA+UFP cluster analysis). Differences arise in the definition of outliers: the classification cube is much more sensitive to single measurement errors or misclassifications in one property than the PCA+UFP cluster analysis, in which errors are ``averaged out'' during the process. This method allowed us to behold the \emph{downsizing} effect taking place in the PC spaces: the migration between the blue cloud towards the red clump happens at higher redshifts for galaxies of larger mass. The determination of $M_{\mathrm{cross}}$ the transition mass is in significant agreement with others values in literature.

Monte Carlo simulations of Potts glasses

A complete understanding of the glass transition isstill a challenging problem. Some researchers attributeit to the (hypothetical) occurrence of a static phasetransition, others emphasize the dynamical transitionof mode coupling-theory from an ergodic to a non ergodicstate. A class of disordered spin models has been foundwhich unifies both scenarios. One of these models isthe p-state infinite range Potts glass with p>4, whichexhibits in the thermodynamic limit both a dynamicalphase transition at a temperature T_D, and a static oneat T_0 < T_D. In this model every spins interacts withall the others, irrespective of distance. Interactionsare taken from a Gaussian distribution.In order to understand better its behavior forfinite number N of spins and the approach to thethermodynamic limit, we have performed extensive MonteCarlo simulations of the p=10 Potts glass up to N=2560.The time-dependent spin-autocorrelation function C(t)shows strong finite size effects and it does not showa plateau even for temperatures around the dynamicalcritical temperature T_D. We show that the N-andT-dependence of the relaxation time for T > T_D can beunderstood by means of a dynamical finite size scalingAnsatz.The behavior in the spin glass phase down to atemperature T=0.7 (about 60% of the transitiontemperature) is studied. Well equilibratedconfigurations are obtained with the paralleltempering method, which is also useful for properlyestablishing static properties, such as the orderparameter distribution function P(q). Evidence is givenfor the compatibility with a one step replica symmetrybreaking scenario. The study of the cumulants of theorder parameter does not permit a reliable estimation ofthe static transition temperature. The autocorrelationfunction at low T exhibits a two-step decay, and ascaling behavior typical of supercooled liquids, thetime-temperature superposition principle, is observed. Inthis region the dynamics is governed by Arrheniusrelaxations, with barriers growing like N^{1/2}.We analyzed the single spin dynamics down to temperaturesmuch lower than the dynamical transition temperature. We found strong dynamical heterogeneities, which explainthe non-exponential character of the spin autocorrelationfunction. The spins seem to relax according to dynamicalclusters. The model in three dimensions tends to acquireferromagnetic order for equal concentration of ferro-and antiferromagnetic bonds. The ordering has differentcharacteristics from the pure ferromagnet. The spinglass susceptibility behaves like chi_{SG} proportionalto 1/T in the region where a spin glass is predicted toexist in mean-field. Also the analysis of the cumulantsis consistent with the absence of spin glass orderingat finite temperature. The dynamics shows multi-scalerelaxations if a bimodal distribution of bonds isused. We propose to understand it with a model based onthe local spin configuration. This is consistent with theabsence of plateaus if Gaussian interactions are used.

Polyelectrolytes and their counterions studied by EPR spectroscopy

In this thesis methods of EPR spectroscopy were used to investigate polyion-counterion interactions in polyelectrolyte solutions. The fact that EPR techniques are local methods is exploited and by employing spin-carrying (i.e., EPR-active) probe ions it is possible to examine polyelectrolytes from the counterions’ point of view. It was possible to gain insight into i) the dynamics and local geometry of counterion attachment, ii) conformations and dynamics of local segments of the polyion in an indirect manner, and iii) the spatial distribution of spin probe ions that surround polyions in solution. Analysis of CW EPR spectra of dianion nitroxide spin probe Fremy’s salt (FS, potassium nitrosodisulfonate) in solutions of cationic PDADMAC polyelectrolyte revealed that FS ions and PDADMAC form transient ion pairs with a lifetime of less than 1 ns. This effect was termed as dynamic electrostatic attachment (DEA). By spectral simulation taking into account the rotational dynamics as a uniaxial Brownian reorientation, also the geometry of the attached state could be characterized. By variation of solvent, the effect of solvent viscosity and permittivity were investigated and indirect information of the polyelectrolyte chain motion was obtained. Furthermore, analysis of CW EPR data also indicates that in mixtures of organic solvent/water PDADMAC chains are preferentially solvated by the organic solvent molecules, while in purely aqueous mixtures the PDADMAC chain segments were found in different conformations depending on the concentration ratio R of FS counterions to PDADMAC repeat units.Broadenings in CW EPR spectra of FS ions were assigned to spin-exchange interaction and hence contain information on the local concentrations and distributions of the counterions. From analysis of these broadenings in terms of a modified cylindrical cell approach of polyelectrolyte theory, radial distribution functions for the FS ions in the different solvents were obtained. This approach breaks down in water above a threshold value of R, which again indicates that PDADMAC chain conformations are altered as a function of R. Double electron-electron resonance (DEER) measurements of FS ions were carried out to probe the distribution of attached counterions along polyelectrolyte chains. For a significant fraction of FS spin probes in solution with a rigid-rod model polyelectrolyte containing charged Ru2+-centers, a bimodal distance distribution was found that nicely reproduced the spacings of direct and next-neighbor Ru2+-centers along the polyelectrolyte: 2.35 and 4.7 nm. For the system of FS/PDADMAC, DEER data could be simulated by assuming a two-state distribution of spin probes, one state corresponding to a homogeneous (3-dimensional) distribution of spin probes in the polyelectrolyte bulk and the other to a linear (1-dimensional) distribution of spin probes that are electrostatically condensed along locally extended PDADMAC chain segments. From this analysis it is suggested that the PDADMAC chains form locally elongated structures of a size of at least ~5 nm.

Ortsaufgelöster Nachweis von Elementspuren mittels Laserablation und Resonanzionisations-Massenspektrometrie und Untersuchungen zur Laserablations-Dynamik

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue Methode für einen empfindlichen und isotopenselektiven Elementnachweis entwickelt. Unter Einsatz von Laserablation geschieht der Probenaufschluß direkt und mit einer Ortsauflösung von unter 30 m. Hierzu wurde ein hochauflösendes MALDI-TOF-Massenspektrometer, welches üblicherweise für biochemische Fragestellungen eingesetzt wird, mit einem spektroskopischen Aufbau zur resonanten Ionisation von Elementgehalten modifiziert. Die Methode ist somit insbesondere für die Untersuchung von Elementspuren in Festkörperproben mit mikroskopischer Struktur konzipiert. Methodische Entwicklungsarbeiten wurden anhand des Elements Gadolinium durchgeführt. Durch die Verwendung gepulster Farbstofflaser stehen ausreichend hohe Laserfelder zur Verfügung, um unabhängig von Hyperfeinstruktur und Isotopieverschiebung Übergänge aller Isotope im Rahmen des Resonanzionisations-Verfahrens zu sättigen. Darauf konnte eine Isotopenverhältnisanalyse mit einer Genauigkeit im Prozentbereich verwirklicht werden. Verschiedene Anregungsleitern wurden untersucht, und mit elementspezifischen Resonanzüberhöhungen bis zu zwei Größenordnungen über dem nicht-resonant gebildeten Untergrund konnte eine Nachweiseffizienz von über 10-4 (entsprechend sub-fg/g-Niveau) erzielt werden. Dazu wurden Simulationsrechnungen zum atomaren Sättigungsverhalten in starken resonanten Laserfeldern durchgeführt. Erste Anwendungen des Laserablationsverfahrens waren Proben kosmologischer Herkunft. Der physikalische Prozeß der Laserablation bei Metallen wurde unter Hochvakuum-Bedingung systematisch in Abhängigkeit der Laserfluenz untersucht. In der ablatierten Plasmaphase erwies sich der Neutralanteil als besonders geeignet für geschwindigkeitsselektive Laserionisations-Messungen. Eine bimodale Struktur wurde beobachtet, bestehend aus einer thermischen und einer schockwellen-induzierten Komponente. Der ionische Anteil der ablatierten Dampfphase konnte über variable elektrische Feldpulse untersucht werden. Laserablation unter Atmosphärenbedingung wurde an einem beschichteten Messingtarget untersucht. Dabei wurde die Entstehung von permanenten Oberflächenstrukturen beobachtet, welche sich durch Nichtgleichgewichts-Prozesse in der Dampfphase erklären lassen.

Massenspektrometrische in-situ Messungen zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von natürlichem und anthropogenem Aerosol

Für die vorliegende Arbeit wurde die chemische Zusammensetzung von natürlichen und anthropogenen Aerosolpartikeln untersucht. Zu diesem Zweck wurde das Aerosolmassenspektrometer (AMS) der Firma Aerodyne, Inc. eingesetzt, womit neben den chemischen Substanzen auch die Massengrößenverteilungen der einzelnen Komponenten der Aerosolpartikel in einem Größenbereich zwischen 20 und 1500 nm quantitativ gemessen werden können. Im Rahmen der HAZE2002-Messkampagne am Meteorologischen Observatorium Hohenpeißenberg wurden die Aerosolpartikel aus natürlichen Quellen untersucht. Diese Partikel bestanden aus Sulfat, Nitrat, Ammonium und organischen Komponenten (Organics). Sulfat, Nitrat und Ammonium wiesen den gleichen Durchmesser auf, was auf eine interne Mischung dieser drei chemischen Substanzen in den Partikeln hinwies. Die Organics hatten einen kleineren Durchmesser, was auf jüngere Partikel hindeutete. Die Analyse der organischen Substanzen in den Aerosolpartikeln zeigte, dass diese zu einem großen Teil aus oxidierten Kohlenwasserstoffen bestanden, die während den Nachmittagsstunden gebildet wurden. Die thermische Abhängigkeit der Bildung von Ammoniumnitrat konnte sowohl gemessen als auch mit Hilfe Konzentrationsberechnungen nach [Seinfeld und Pandis, 1998] nachvollzogen werden. Die gemessene Partikelneubildung konnte auf die ternäre Nukleation aus H2SO4/H2O/NH3 zurückgeführt werden. Aerosolpartikel aus anthropogenen Quellen, wie z.B. der motorischen Verbrennung, wurden während der Messungen in Zusammenarbeit mit dem Ford Forschungszentrum in Aachen (FFA) untersucht. Nukleationspartikel (D 45 nm) konnten bei Experimenten auf dem Rollenprüfstand nur bei einer ausreichend hohen Verdünnung, einem hohen Schwefelgehalt im Kraftstoff und einem hohen Lastzustand nachgewiesen werden. Die Messungen an der Autobahn A4 ergaben eine bimodale Massengrößenverteilung der organischen Partikel, wobei die erste Mode Partikeln aus der motorischen Verbrennungen zugeschrieben werden konnte. Aufgrund der guten Charakterisierung stellt das AMS ein vielseitig einsetzbares Aerosolmessgerät dar, welches in einer hohen Zeitauflösung eine quantitative, größenaufgelöste chemische Analyse der zu messenden Aerosolpartikel bereitstellt.

Synthese und Analytik von sauer katalysiert dargestellten Polyorganosiloxan-Nanokugeln mit Kern-Schale-Architektur

In dieser Arbeit wurden zwei Wege zur sauer katalysierten Synthese von Polyorganosiloxan-Kern-Schale-Nanopartikeln mit monomodaler Größenverteilung erarbeitet. Zum einen führt eine Erhöhung der Rührergeschwindigkeit auf 14000 rpm unter Verwendung eines Ultrathorax, während der ersten Stunde der Kondensation des Kernes zu Nanokugeln mit einer monomodalen Größenverteilung mit einem hydrodynamischen Radius von 33.1 nm +/- 22%. Zum anderen eröffnete die Reduktion des Flottenverhältnisses S, d.h. des Verhältnisses von Tensid- zu Monomermenge, von S=0.02 auf S=0.001 einen zweiten Weg zur Synthese von Nanokugeln mit monomodaler Größenverteilung. Der Radius dieser Kugeln beträgt 54.2 nm +/- 20%. Durch diese beiden Synthesewege sind Polyorganosiloxan-Nanokugeln in zwei verschiedenen Größen zugänglich. Durch 29Si-NMR-Messungen der Kerndispersion konnte gezeigt werden, dass die Ursache der bimodalen Größenverteilung der Polyorganosiloxan-Nanokugeln in der Synthese der Kerndispersion zu finden ist. Aus den hieraus ermittelten Ergebnissen geht hervor, dass sich während der sauer katalysierten Kondensation von Diethoxydimethylsilan neben den PDMS-Ketten auch zyklische Kondensationsprodukte bilden. Die während der Reaktion fortschreitende Bildung von Zyklen - insbesondere von Vierringen - bewirkt eine Phasenseparation der Dispersion. Dies führt zur beobachteten Bildung der bimodalen Größenverteilung der Polyorganosiloxan-Nanokugeln. Wird die Rührergeschwindigkeit auf 14000 rpm während der ersten Stunde der Kondensation des Kernes erhöht, wird eine verminderte Ringbildung gefunden. Der erhöhte Energieeintrag und die damit verbundene bessere Durchmischung der Dispersion während der ersten Stunde der Kondensation des Kerns führt bevorzugt zum Kettenwachstum, so dass die Tendenz zur Ringbildung verringert wird. Es tritt keine Phasenseparation auf, wodurch die beobachtete monomodale Größenverteilung der Nanokugeln erklärt wird. Wird das Flottenverhältnis reduziert und somit der pH-Wert der Lösung erhöht, werden bevorzugt offenkettige PDMS-Produkte gebildet. Die Bildung von Vierringen erfolgt nicht, Ringe höherer Ordnung werden nur in untergeordneter Menge gebildet. Es erfolgt keine Phasenseparation der Dispersion und eine monomodale Größenverteilung der Polyorganosiloxan-Nanokugeln wird erhalten. Die durch Erniedrigung des Flottenverhältnisses synthetisierten Polyorganosiloxan-Nanokugeln zeigten in AFM-Experimenten interessante Eigenschaften. So ist es möglich, die Nanokugeln auf einer Mica-Oberfläche mittels der AFM-Spitze zu manipulieren, ohne sie hierbei sie degradieren. Die sauer katalysierte Synthese ermöglicht die Einführung von basenlabilen Hydridgruppen in die Polyorganosiloxan-Nanokugeln. Ausgehend von in organischen Lösungsmitteln redispergierbaren Polyorganosiloxan-Nanokugeln, deren Oberfläche mit Hydridgruppen funktionalisiert wurde, konnten durch Hydrosilylierung mit allylterminiertem Polyethylenoxid wasserlösliche potentielle Nanokontainer synthetisiert werden.

Nanopartikelcharakterisierung: Untersuchung des Retentionsverhaltens in der AF-FFF und der bimodalen Größenverteilung sauer katalysierter Poly(organosiloxan)-Dispersionen

Polymere Hohlstrukturen eignen sich um eine große Anzahl an Gastmolekülen zu verkapseln und bieten somit interessante Anwendungsmöglichkeiten, z.B. im Bereich kontrollierter Transportsysteme. Solche wohl definierten Strukturen lassen sich mittels des Sol-Gel-Prozesses durch Hydrolyse und Kondensation von Dialkoxydialkyl- und Trialkoxyalkylsilanen in wässriger Dispersion in Gegenwart von Tensiden synthetisieren. Die Methode ermöglicht den Aufbau verschiedener Kern-Schale-Systeme, inklusive Hohlkugelarchitekturen, mit Durchmessern von 10-100 nm. Abhängig von den eingestellten Parametern wird dabei eine bimodale Größenverteilung der Partikel beobachtet. Die bimodalen Proben wurden mittels der circularen asymmetrischen Fluss Feld-Fluss Fraktionierung (CAFFFE) fraktioniert. NMR-Untersuchungen deuten darauf hin, dass die Ursache der bimodalen Verteilung in der Synthese der Kerndispersion zu liegen scheint. MALDI-TOF-MS und GC-Messungen zeigen, dass der Kern der größeren Partikel ausschließlich aus zyklischen Kondensationsprodukten besteht, während im Kernmaterial der kleineren Partikel zusätzlich noch lineare Polydimethylsiloxan-Ketten vorhanden sind. Unter der Annahme, dass PDMS als Ultrahydrophob wirkt, lässt sich die Ostwaldreifung als Ursache der Bimodalität ausmachen. Eine Erhöhung des PDMS-Anteils, der zur Stabilisierung gegen den Reifungsprozess notwendig ist, führt zu einer monomodalen Verteilung der erhaltenen Partikel.