Transport magnetischer Partikel durch maßgeschneiderte magnetische Feldlandschaften zur Anwendung in mikrofluidischen Mischprozessen

Die Miniaturisierung von konventioneller Labor- und Analysetechnik nimmt eine zentrale Rolle im Bereich der allgemeinen Lebenswissenschaften und medizinischen Diagnostik ein. Neuartige und preiswerte Technologieplattformen wie Lab-on-a-Chip (LOC) oder Mikrototalanalysesysteme (µTAS) versprechen insbesondere im Bereich der Individualmedizin einen hohen gesellschaftlichen Nutzen zur frühzeitigen und nichtinvasiven Diagnose krankheitsspezifischer Indikatoren. Durch den patientennahen Einsatz preiswerter und verlässlicher Mikrochips auf Basis hoher Qualitätsstandards entfallen kostspielige und zeitintensive Zentrallaboranalysen, was gleichzeitig Chancen für den globalen Einsatz - speziell in Schwellen- und Entwicklungsländern - bietet. Die technischen Herausforderungen bei der Realisierung moderner LOC-Systeme sind in der kontrollierten und verlässlichen Handhabung kleinster Flüssigkeitsmengen sowie deren diagnostischem Nachweis begründet. In diesem Kontext wird der erfolgreichen Integration eines fernsteuerbaren Transports von biokompatiblen, magnetischen Mikro- und Nanopartikeln eine Schlüsselrolle zugesprochen. Die Ursache hierfür liegt in der vielfältigen Einsetzbarkeit, die durch die einzigartigen Materialeigenschaften begründet sind. Diese reichen von der beschleunigten, aktiven Durchmischung mikrofluidischer Substanzvolumina über die Steigerung der molekularen Interaktionsrate in Biosensoren bis hin zur Isolation und Aufreinigung von krankheitsspezifischen Indikatoren. In der Literatur beschriebene Ansätze basieren auf der dynamischen Transformation eines makroskopischen, zeitabhängigen externen Magnetfelds in eine mikroskopisch veränderliche potentielle Energielandschaft oberhalb magnetisch strukturierter Substrate, woraus eine gerichtete und fernsteuerbare Partikelbewegung resultiert. Zentrale Kriterien, wie die theoretische Modellierung und experimentelle Charakterisierung der magnetischen Feldlandschaft in räumlicher Nähe zur Oberfläche der strukturierten Substrate sowie die theoretische Beschreibung der Durchmischungseffekte, wurden jedoch bislang nicht näher beleuchtet, obwohl diese essentiell für ein detailliertes Verständnis der zu Grunde liegenden Mechanismen und folglich für einen Markteintritt zukünftiger Geräte sind. Im Rahmen der vorgestellten Arbeit wurde daher ein neuartiger Ansatz zur erfolgreichen Integration eines Konzepts zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel zur Anwendung in modernen LOC-Systemen unter Verwendung von magnetisch strukturierten Exchange-Bias (EB) Dünnschichtsystemen verfolgt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Verfahren der ionenbe-schussinduzierten magnetischen Strukturierung (IBMP) von EB-Systemen zur Herstellung von maßgeschneiderten magnetischen Feldlandschaften (MFL) oberhalb der Substratoberfläche, deren Stärke und räumlicher Verlauf auf Nano- und Mikrometerlängenskalen gezielt über die Veränderung der Materialparameter des EB-Systems via IBMP eingestellt werden kann, eignet. Im Zuge dessen wurden erstmals moderne, experimentelle Verfahrenstechniken (Raster-Hall-Sonden-Mikroskopie und rastermagnetoresistive Mikroskopie) in Kombination mit einem eigens entwickelten theoretischen Modell eingesetzt, um eine Abbildung der MFL in unterschiedlichen Abstandsbereichen zur Substratoberfläche zu realisieren. Basierend auf der quantitativen Kenntnis der MFL wurde ein neuartiges Konzept zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel entwickelt, bei dem Partikelgeschwindigkeiten im Bereich von 100 µm/s unter Verwendung von externen Magnetfeldstärken im Bereich weniger Millitesla erzielt werden können, ohne den magnetischen Zustand des Substrats zu modifizieren. Wie aus den Untersuchungen hervorgeht, können zudem die Stärke des externen Magnetfelds, die Stärke und der Gradient der MFL, das magnetfeldinduzierte magnetische Moment der Partikel sowie die Größe und der künstlich veränderliche Abstand der Partikel zur Substratoberfläche als zentrale Einflussgrößen zur quantitativen Modifikation der Partikelgeschwindigkeit genutzt werden. Abschließend wurde erfolgreich ein numerisches Simulationsmodell entwickelt, das die quantitative Studie der aktiven Durchmischung auf Basis des vorgestellten Partikeltransportkonzepts von theoretischer Seite ermöglicht, um so gezielt die geometrischen Gegebenheiten der mikrofluidischen Kanalstrukturen auf einem LOC-System für spezifische Anwendungen anzupassen.

Modification and Analysis of Group-13-Nitride Semiconductor Surfaces: Influence of Adsorbates on Device Characteristics and Processing

Im Rahmen dieser interdisziplinären Doktorarbeit wird eine (Al)GaN Halbleiteroberflächenmodifikation untersucht, mit dem Ziel eine verbesserte Grenzfläche zwischen dem Material und dem Dielektrikum zu erzeugen. Aufgrund von Oberflächenzuständen zeigen GaN basierte HEMT Strukturen üblicherweise große Einsatzspannungsverschiebungen. Bisher wurden zur Grenzflächenmodifikation besonders die Entfernung von Verunreinigungen wie Sauerstoff oder Kohlenstoff analysiert. Die nasschemischen Oberflächenbehandlungen werden vor der Abscheidung des Dielektrikums durchgeführt, wobei die Kontaminationen jedoch nicht vollständig entfernt werden können. In dieser Arbeit werden Modifikationen der Oberfläche in wässrigen Lösungen, in Gasen sowie in Plasma analysiert. Detaillierte Untersuchungen zeigen, dass die inerte (0001) c-Ebene der Oberfläche kaum reagiert, sondern hauptsächlich die weniger polaren r- und m- Ebenen. Dies kann deutlich beim Defektätzen sowie bei der thermischen Oxidation beobachtet werden. Einen weiteren Ansatz zur Oberflächenmodifikation stellen Plasmabehandlungen dar. Hierbei wird die Oberflächenterminierung durch eine nukleophile Substitution mit Lewis Basen, wie Fluorid, Chlorid oder Oxid verändert, wodurch sich die Elektronegativitätsdifferenz zwischen dem Metall und dem Anion im Vergleich zur Metall-Stickstoff Bindung erhöht. Dies führt gleichzeitig zu einer Erhöhung der Potentialdifferenz des Schottky Kontakts. Sauerstoff oder Fluor besitzen die nötige thermische Stabilität um während einer Silicium-nitridabscheidung an der (Al)GaN Oberfläche zu bleiben. Sauerstoffvariationen an der Oberfläche werden in NH3 bei 700°C, welches die nötigen Bedingungen für die Abscheidung darstellen, immer zu etwa 6-8% reduziert – solche Grenzflächen zeigen deswegen auch keine veränderten Ergebnisse in Einsatzspannungsuntersuchungen. Im Gegensatz dazu zeigt die fluorierte Oberfläche ein völlig neues elektrisches Verhalten: ein neuer dominanter Oberflächendonator mit einem schnellen Trapping und Detrapping Verhalten wird gefunden. Das Energieniveau dieses neuen, stabilen Donators liegt um ca. 0,5 eV tiefer in der Bandlücke als die ursprünglichen Energieniveaus der Oberflächenzustände. Physikalisch-chemische Oberflächen- und Grenzflächenuntersuchung mit XPS, AES oder SIMS erlauben keine eindeutige Schlussfolgerung, ob das Fluor nach der Si3N4 Abscheidung tatsächlich noch an der Grenzfläche vorhanden ist, oder einfach eine stabilere Oberflächenrekonstruktion induziert wurde, bei welcher es selbst nicht beteiligt ist. In beiden Fällen ist der neue Donator in einer Konzentration von 4x1013 at/cm-2 vorhanden. Diese Dichte entspricht einer Oberflächenkonzentration von etwa 1%, was genau an der Nachweisgrenze der spektroskopischen Methoden liegt. Jedoch werden die elektrischen Oberflächeneigenschaften durch die Oberflächenmodifikation deutlich verändert und ermöglichen eine potentiell weiter optimierbare Grenzfläche.

The function of SIFamide, PDF, and further neuropeptides in the circadian system of Rhyparobia maderae

Der täglich Wechsel von Hell- und Dunkelphasen führte während der Evolution zur Entwicklung innerer Uhren in nahezu allen Organismen. In der Schabe Rhyparobia maderae lokalisierten Läsions- und Transplantationsexperimente die innere Uhr in der akzessorischen Medulla (AME). Dieses kleine birnenförmige Neuropil am ventromedianen Rand der Medulla ist mit etwa 240 Neuronen assoziiert, die eine hohe Anzahl an zum Teil kolokalisierten Neuropeptiden und Neurotransmittern exprimieren. Diese Signalstoffe scheinen essentiell zu sein für die Synchronisation der inneren Uhr mit der Umwelt, der Kopplung der beiden bilateralen AME, der Aufrechterhaltung des circadianen Rhythmus sowie der zeitlichen Steuerung bestimmter Verhaltensweisen. Während die Funktion einiger dieser neuronalen Botenstoffe bereits gut untersucht ist, fehlt sie für andere. Zudem ist noch ungeklärt, wann einzelne Botenstoffe im circadianen Netzwerk agieren. Im Fokus dieser Studie lag daher die Erforschung der Funktion von SIFamide und Corazonin im circadianen Netzwerk sowie die weitere Untersuchung der Funktionen der Neuropeptide MIP und PDF. Es konnte gezeigt werden, dass SIFamide auch in R. maderae in vier großen neurosekretorischen Zellen in der pars intercerebralis exprimiert wird. Varikosenreiche SIFamide-immureaktive (-ir) Fasern innervieren eine Vielzahl an Neuropilen und finden sich auch in der Hüllregion der AME. Injektionsexperimente resultierten in einer monophasischen Phasen-Antwort-Kurve (PRC) mit einer Verzögerung zur frühen subjektiven Nacht. SIFamide ist also ein Eingangssignal für das circadiane Netzwerk und könnte in der Kontrolle der Schalf/Wach-Homöostase involviert sein. Auch Corazonin fungiert als Eingangssignal. Da die Injektionsexperimente in einer monophasischen PRC mit einem Phasenvorschub zur späten subjektiven Nacht resultierten, ist davon auszugehen, dass die Corazonin-ir AME-Zelle Bestandteil des Morning-Oszillator-Netzwerkes in R. maderae ist. Darüber hinaus zeigten Backfill-Experimente, dass MIP an der Kopplung beider AMAE beteiligt ist. ELISA-Quantifizierungen der PDF-Level im Tagesverlauf ergaben Schwankungen in der Konzentration, die auf eine Ausschüttung des Peptids während des Tages hindeuten – ähnlich wie es in Drosophila melanogaster der Fall ist. Dies spiegelt sich in der vervollständigten bimodalen PDF-PRC wieder. Hier führen Injektionen zu einem Phasenvorschub, bevor maximale Peptidlevel erreicht werden, sowie zu einer Phasenverzögerung, sobald die Peptidlevel wieder zu sinken beginnen. Die PRCs erlauben somit Rückschlüsse auf den Zeitpunkt der maximalen Peptidfreisetzung. PDF-ir Neuriten findet sich zudem in sämtlichen Ganglien des ventralen Strickleiternervensystems, was eine Funktion in der Kontrolle der Prozesse impliziert, die durch die Mustergeneratoren in Thorakal- und Abdominalganglien gesteuert werden.

How to improve the formal analytic reasoning and scientific motivation in the intellectual training of medical students

A review article of the The New England Journal of Medicine refers that almost a century ago, Abraham Flexner, a research scholar at the Carnegie Foundation for the Advancement of Teaching, undertook an assessment of medical education in 155 medical schools in operation in the United States and Canada. Flexner’s report emphasized the nonscientific approach of American medical schools to preparation for the profession, which contrasted with the university-based system of medical education in Germany. At the core of Flexner’s view was the notion that formal analytic reasoning, the kind of thinking integral to the natural sciences, should hold pride of place in the intellectual training of physicians. This idea was pioneered at Harvard University, the University of Michigan, and the University of Pennsylvania in the 1880s, but was most fully expressed in the educational program at Johns Hopkins University, which Flexner regarded as the ideal for medical education. (...)

Evaluation of strategic knowledge of students through authentic tasks of writingin science classroom

The difficulties at evaluating strategic knowledge have been connected to the use of deconxetualized tests that, at the end, do not involve the use of this knowledge. For this reason, an interest in developing authentic writing tasks that offer advantages for these kinds of evaluation have arisen. Throughout this research, authentic writing tasks were developed in a natural sciences class, with the purpose of evaluating the students' strategic knowledge. Different instruments were used to collect data, e.g. Interviews, questionnaires, a self-inform, as well as three samples of writing by the students, with the objective of analyzing the changes that occurred between one and the others, as well as to determine the decisions that students made in order to complete the assigned tasks successfully. An authentic writing task gives great opportunities to evaluate strategic knowledge. These tasks lead students to arrange their knowledge about the topic in hand, organize and adapt it to fit the objectives and the audience, also, it allows them to control and adjust their decisions on the task. This last stage became the perfect opportunity to take notes on the knowledge and regulation of cognitive processes that the students brought into play, as well as to evaluating their understanding of writing and the demands given on the different discursive genres. As a result, the students showed different degrees of strategic knowledge in the task. The students who showed a better strategic knowledge trust in their structural abilities know about discursive genres and have a good performance in basic linguistic abilities. The students who showed weak strategic knowledge distrust their writing skills, seem extremely worried about organizing the content of their texts, fail when checking their writings, and overlook or are unaware of the basic requirements of the discursive genre they are asked to exemplify. It appears that the previous knowledge and experiences at writing the students have been exposed to may affect the strategic knowledge shown when writing in this subject. 

Acordo internacional sobre o valor das colecções de Ciências Naturais

O Museu e a Universidade de Manchester, realizaram em Abril p.p., a Conferência Internacional sobre o Valor e a Avaliação das Colecções de Ciências Naturais, na qual participaram 135 delegados provenientes de 31 países Ao longo dos três dias de trabalho, foram apresentadas e discutidas várias comunicações explorando os diversos aspectos relativos ao valor científico, cultural e económico deste tipo de colecções. As intervenções feitas procuraram responder a algumas das questões formuladas pela Organização, quanto à possível sub-avaliação das colecções de ciências naturais relativamente às colecções na área das humanidades e, em particular, das belas-artes, e às medidas a implementar no sentido de valorizar as potencialidades destas colecções bem como melhorar o nível de investimentos em termos de preservação e formação profissional do pessoal envolvido na sua manipulação. Outro importante aspecto das colecções de ciências naturais também abordado, foi o do seu valor económico, por vezes mais enfatizado do que o valor científico e cultural. Dada a importância do acordo firmado e garantindo deste modo a sua divulgação no nosso país, transcrevemos seguidamente a sua adaptação para língua portuguesa.

A Educação alimentar e nutricional : práticas pedagógicas em Escolas do Município de Ubajara-CE

Umas das grandes causas de problemas nutricionais é a falta de Educação Alimentar e Nutricional, que, na maioria das vezes, consiste em simples orientações e técnicas educativas inadequadas e tradicionais. Portanto, a pesquisa analisou a Educação Alimentar e Nutricional, mais especificamente as práticas pedagógicas utilizadas pelos professores das escolas públicas do município de Ubajara-Ce, realizando entrevistas com os docentes que ministram Ciências Naturais no 8º ano de três escolas municipais e aplicando-se também um questionário para os alunos. Todos os docentes possuem graduação em Pedagogia e Pós-Graduação em áreas não afins com a temática. Não houve formação continuada sobre o assunto, mas de acordo com o questionário, os alunos possuem os conhecimentos sobre o tema, onde estatisticamente não houve diferenças significativas ao nível de 5% para a maioria das questões. Ao analisar o discurso dos docentes, a metodologia de ensino utilizada tem tendência ao ensino sócio e individualizado com a exposição oral, debates, dinâmicas e entre os recursos didáticos estão a lousa, livros e recursos audiovisuais. Somente as práticas pedagógicas dos Professores 1 e 3 tomam um caráter de práticas reflexivas, nos levando a concluir que independente das diferenças entre as práticas pedagógicas, todas levaram ao aprendizado do aluno.

Sharing and visualizing environmental data using Virtual Globes

Virtual globe technology holds many exciting possibilities for environmental science. These easy-to-use, intuitive systems provide means for simultaneously visualizing four-dimensional environmental data from many different sources, enabling the generation of new hypotheses and driving greater understanding of the Earth system. Through the use of simple markup languages, scientists can publish and consume data in interoperable formats without the need for technical assistance. In this paper we give, with examples from our own work, a number of scientific uses for virtual globes, demonstrating their particular advantages. We explain how we have used Web Services to connect virtual globes with diverse data sources and enable more sophisticated usage such as data analysis and collaborative visualization. We also discuss the current limitations of the technology, with particular regard to the visualization of subsurface data and vertical sections.

Benchmarking 2D hydraulic models for urban flooding

This paper describes benchmark testing of six two-dimensional (2D) hydraulic models (DIVAST, DIVASTTVD, TUFLOW, JFLOW, TRENT and LISFLOOD-FP) in terms of their ability to simulate surface flows in a densely urbanised area. The models are applied to a 1·0 km × 0·4 km urban catchment within the city of Glasgow, Scotland, UK, and are used to simulate a flood event that occurred at this site on 30 July 2002. An identical numerical grid describing the underlying topography is constructed for each model, using a combination of airborne laser altimetry (LiDAR) fused with digital map data, and used to run a benchmark simulation. Two numerical experiments were then conducted to test the response of each model to topographic error and uncertainty over friction parameterisation. While all the models tested produce plausible results, subtle differences between particular groups of codes give considerable insight into both the practice and science of urban hydraulic modelling. In particular, the results show that the terrain data available from modern LiDAR systems are sufficiently accurate and resolved for simulating urban flows, but such data need to be fused with digital map data of building topology and land use to gain maximum benefit from the information contained therein. When such terrain data are available, uncertainty in friction parameters becomes a more dominant factor than topographic error for typical problems. The simulations also show that flows in urban environments are characterised by numerous transitions to supercritical flow and numerical shocks. However, the effects of these are localised and they do not appear to affect overall wave propagation. In contrast, inertia terms are shown to be important in this particular case, but the specific characteristics of the test site may mean that this does not hold more generally.