Investigations of cooperative interactions in template induced crystallization processes and kinetic studies of nucleation and growth by small-angle neutron scattering

Zusammenfassung Um zu einem besseren Verständnis des Prozesses der Biomineralisation zu gelangen, muss das Zusammenwirken der verschiedenen Typen biologischer Makromoleküle, die am Keimbildungs- und Wachstumsprozess der Minerale beteiligt sind, berücksichtigt werden. In dieser Arbeit wird ein neues Modellsystem eingeführt, das aus einem SAM (self-assembled monolayer) mit verschiedenen Funktionalitäten und unterschiedlichen, gelösten Makromolekülen besteht. Es konnte gezeigt werden, dass die Kristallisation von Vaterit (CaCO3) sowie Strontianit (SrCO3) Nanodrähten der Präsenz von Polyacrylat in Kooperation mit einer COOH-funktionalisierten SAM-Oberfläche zugeschrieben werden kann. Die Kombination bestehend aus einer polaren SAM-Oberfläche und Polyacrylat fungiert als Grenzfläche für die Struktur dirigierende Kristallisation von Nanodraht-Kristallen. Weiter konnte gezeigt werden, dass die Phasenselektion von CaCO3 durch die kooperative Wechselwirkung zwischen einer SAM-Oberfläche und einem daran adsorbierten hb-Polyglycerol kontrolliert wird. Auch die Funktionalität einer SAM-Oberfläche in Gegenwart von Carboxymethyl-cellulose übt einen entscheidenden Einfluss auf die Phasenselektion des entstehenden Produktes aus. In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen an CaCO3 zur homogenen Keimbildung, zur Nukleation in Gegenwart eines Proteins sowie auf Kolloiden, die als Template fungieren, mittels Kleinwinkel-Neutronenstreuung durchgeführt. Die homogene Kristallisation in wässriger Lösung stellte sich als ein mehrstufiger Prozess heraus. In Gegenwart des Eiweißproteins Ovalbumin konnten drei Phasen identifiziert werden, darunter eine anfänglich vorhandene amorphe sowie zwei kristalline Phasen.

Polymer controlled mineralization of zinc phosphate hydrates and applications in corrosion protection, catalysis and biomedicine

ZUSAMMENFASSUNG Die Tauglichkeit von Hybridmaterialien auf der Basis von Zinkphosphathydrat-Zementen zum Einsatz als korrosionshemmende anorganische Pigmente oder zur prothetischen und konservierenden Knochen- und Zahntherapie wird weltweit empirisch seit den neunziger Jahren intensiv erforscht. In der vorliegenden Arbeit wurden zuerst Referenzproben, d.h. alpha-und beta-Hopeite (Abk. a-,b-ZPT) dank eines hydrothermalen Kristallisationsverfahrens in wässerigem Milieu bei 20°C und 90°C hergestellt. Die Kristallstruktur beider Polymorphe des Zinkphosphattetrahydrats Zn3(PO4)2  4 H2O wurde komplett bestimmt. Einkristall-strukturanalyse zeigt, daß der Hauptunterschied zwischen der alpha-und beta-Form des Zinkphosphattetrahydrats in zwei verschiedenen Anordnungen der Wasserstoffbrücken liegt. Die entsprechenden drei- und zweidimensionalen Anordnungen der Wasserstoffbrücken der a-und b-ZPT induzieren jeweils unterschiedliches thermisches Verhalten beim Aufwärmen. Während die alpha-Form ihr Kristallwasser in zwei definierten Stufen verliert, erzeugt die beta-Form instabile Dehydratationsprodukt. Dieses entspricht zwei unabhängigen, aber nebeneinander ablaufenden Dehydratationsmechanismen: (i) bei niedrigen Heizraten einen zweidimensionalen Johnson-Mehl-Avrami (JMA) Mechanismus auf der (011) Ebene, der einerseits bevorzugt an Kristallkanten stattfindet und anderseits von existierenden Kristalldefekten auf Oberflächen gesteuert wird; (ii) bei hohen Heizraten einem zweidimensionalen Diffusionsmechanismus (D2), der zuerst auf der (101) Ebene und dann auf der (110) Ebene erfolgt. Durch die Betrachtung der ZPT Dehydratation als irreversibele heterogene Festkörperstufenreaktion wurde dank eines „ähnlichen Endprodukt“-Protokolls das Dehydratationsphasendiagramm aufgestellt. Es beschreibt die möglichen Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Hydratationszuständen und weist auf die Existenz eines Übergangszustandes um 170°C (d.h. Reaktion b-ZPT  a-ZPT) hin. Daneben wurde auch ein gezieltes chemisches Ätzverfahren mit verdünnten H3PO4- und NH3 Lösungen angewendet, um die ersten Stufe des Herauslösens von Zinkphosphat genau zu untersuchen. Allerdings zeigen alpha- und beta-Hopeite charakteristische hexagonale und kubische Ätzgruben, die sich unter kristallographischer Kontrolle verbreitern. Eine zuverlässige Beschreibung der Oberfächenchemie und Topologie konnte nur durch AFM und FFM Experimente erfolgen. Gleichzeitig konnte in dieser Weise die Oberflächendefektdichte und-verteilung und die Volumenauflösungsrate von a-ZPT und b-ZPT bestimmt werden. Auf einem zweiten Weg wurde eine innovative Strategie zur Herstellung von basischen Zinkphosphatpigmenten erster und zweiter Generation (d.h. NaZnPO4  1H2O und Na2ZnPO4(OH)  2H2O) mit dem Einsatz von einerseits oberflächenmodifizierten Polystyrolatices (z.B. produziert durch ein Miniemulsionspolymerisationsverfahren) und anderseits von Dendrimeren auf der Basis von Polyamidoamid (PAMAM) beschritten. Die erhaltene Zeolithstruktur (ZPO) hat in Abhängigkeit von steigendem Natrium und Wassergehalt unterschiedliche kontrollierte Morphologie: hexagonal, würfelförmig, herzförmig, sechsarmige Sterne, lanzettenförmige Dendrite, usw. Zur quantitativen Evaluierung des Polymereinbaus in der Kristallstruktur wurden carboxylierte fluoreszenzmarkierte Latices eingesetzt. Es zeigt sich, daß Polymeradditive nicht nur das Wachstum bis zu 8 µm.min-1 reduzierten. Trotzdem scheint es auch als starker Nukleationsbeschleuniger zu wirken. Dank der Koordinationschemie (d.h. Bildung eines sechszentrigen Komplexes L-COO-Zn-PO4*H2O mit Ligandenaustausch) konnten zwei einfache Mechanismen zur Wirkung von Latexpartikeln bei der ZPO Kristallisation aufgezeigt werden: (i) ein Intrakorona- und (ii) ein Extrakorona-Keimbildungsmechanismus. Weiterhin wurde die Effizienz eines Kurzzeit- und Langzeitkorrosionschutzes durch maßgeschneiderte ZPO/ZPT Pigmente und kontrollierte Freisetzung von Phosphationen in zwei Näherungen des Auslösungsgleichgewichts abgeschätzt: (i) durch eine Auswaschungs-methode (thermodynamischer Prozess) und (ii) durch eine pH-Impulsmethode (kinetischer Prozess. Besonders deutlich wird der Ausflösungs-Fällungsmechanismus (d.h. der Metamorphismus). Die wesentliche Rolle den Natriumionen bei der Korrosionshemmung wird durch ein passendes zusammensetzungsabhängiges Auflösungsmodell (ZAAM) beschrieben, das mit dem Befund des Salzsprühteste und der Feuchtigkeitskammertests konsistent ist. Schließlich zeigt diese Arbeit das herausragende Potential funktionalisierter Latices (Polymer) bei der kontrollierten Mineralisation zur Herstellung maßgeschneiderter Zinkphosphat Materialien. Solche Hybridmaterialien werden dringend in der Entwicklung umweltfreundlicher Korrosionsschutzpigmente sowie in der Dentalmedizin benötigt.

Nanosized polymer carriers for metallocene catalysts in heterogeneous olefin polymerization

Das Ziel der vorgelegten Arbeit war die Synthese von definierten, sphärischen Polystyrolpartikeln im Größenbreichen von Nanometern, die als Träger für die Immobilisierung von Metallocenkatalysatoren verwendet werden sollten. Ein wichtiger Anspruch an das System war dabei die Möglichkeit einer homogene Verteilung des Metallocenes auf dem Träger and eine homogene Fragmentierung des geträgerten Katalysators während der Polymerisation im Polymerprodukt. Für diese Zielsetzung wurden unterschiedliche Polystyrolnanopartikel hergestellt. Die Polystyrolnanopartikel waren mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen wie Polyethylenoxid- und Polypropylenoxidketten oder Hydroxygruppen auf der Oberfläche versehen, um den Metallocenkatalysator und den Cokatalysator MAO immobilisieren zu können. In verschiedenen Experimenten wurde der Einfluss dieser Polystyrolnanopartikel als Träger auf die Katalysatoreigenschaften wie Aktivität oder Produktivität und die Eigenschaften des produzierten Polyolefins wie z.B. Molekulargewicht und Morphologie untersucht. Im Vergleich zu den PS- Nanopartikeln wurden außerdem PS-Mikropartikel, Silica und Dendrimere als Träger in der heterogenen Olefinpolymerisation eingesetzt. Von all diesen Trägersystemen wurde das Fragmentierungsverhalten durch konfocale Fluoreszenzmikroskopie untersucht. Aus den erhaltenen Ergebnissen kann geschlossen werden, dass die hergestellten Polystyrolnanopartikel neuartige und leistungsfähige Träger für heterogene Polymerisationsprozesse darstellen. Die hergestellten Polystyrolnanopartikel besaßen eine wohldefinierte sphärische Struktur, die eine homogene Verteilung des immobilisierten Metallocenkatalysators und somit auch eine vollständige Fragmentierung des geträgerten Katalysators im hergestellten Polyolefin ermöglichte. Die Katalysatorsysteme, die aus den PS- Nanopartikeln und dem Metallocenkatalysator zusammengesetzt waren, wurden in verschiedenen Polymerisationen wie der Ethylen- oder Propylenhomopolymersation und der Copolymerisation von Ethen mit α- Olefinen getestet. Die Oberflächen- funktionalisierten PS Nanopartikel immobilisierten den Metallocenkatalysator ausreichend gut, so dass kein „Leachen“ (Ablösen) des Katalysators von der Trägeroberfläche festgestellt werden konnte und deshalb Polymer von sehr guter Morphologie erhalten wurde. Um die Fragmentierung des Katalysators und den inneren Aufbau des Polymers näher untersuchen zu können, wurde die konfocale Fluoreszenzmikroskopie für das PS- Nanopartikelträgersystem angewendet. Durch farbstoffmarkierte Trägerpartikel konnte die Verteilung des fragmentierten Katalysators innerhalb des Polymers sichtbar gemacht und analysiert werden. Dabei wurde festgestellt, dass sich PS- Nanopartikel und auch Dendrimere als Träger ähnlich verhalten wie Ziegler- Natta- Katalysatoren, die auf MgCl2 immobilisiert für die heterogene Olefinpolymerisation verwendet werden. Das Fragmentierungsverhalten der Silica oder PS- Mirkopartikel geträgerten Systeme entsprach dagegen dem schichtweisen Fragmentierungsverhalten wie es bereits von Fink und Mitarbeitern beschrieben wurde.

Heterogeneous multicore systems for signal processing

This thesis explores the capabilities of heterogeneous multi-core systems, based on multiple Graphics Processing Units (GPUs) in a standard desktop framework. Multi-GPU accelerated desk side computers are an appealing alternative to other high performance computing (HPC) systems: being composed of commodity hardware components fabricated in large quantities, their price-performance ratio is unparalleled in the world of high performance computing. Essentially bringing “supercomputing to the masses”, this opens up new possibilities for application fields where investing in HPC resources had been considered unfeasible before. One of these is the field of bioelectrical imaging, a class of medical imaging technologies that occupy a low-cost niche next to million-dollar systems like functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI). In the scope of this work, several computational challenges encountered in bioelectrical imaging are tackled with this new kind of computing resource, striving to help these methods approach their true potential. Specifically, the following main contributions were made: Firstly, a novel dual-GPU implementation of parallel triangular matrix inversion (TMI) is presented, addressing an crucial kernel in computation of multi-mesh head models of encephalographic (EEG) source localization. This includes not only a highly efficient implementation of the routine itself achieving excellent speedups versus an optimized CPU implementation, but also a novel GPU-friendly compressed storage scheme for triangular matrices. Secondly, a scalable multi-GPU solver for non-hermitian linear systems was implemented. It is integrated into a simulation environment for electrical impedance tomography (EIT) that requires frequent solution of complex systems with millions of unknowns, a task that this solution can perform within seconds. In terms of computational throughput, it outperforms not only an highly optimized multi-CPU reference, but related GPU-based work as well. Finally, a GPU-accelerated graphical EEG real-time source localization software was implemented. Thanks to acceleration, it can meet real-time requirements in unpreceeded anatomical detail running more complex localization algorithms. Additionally, a novel implementation to extract anatomical priors from static Magnetic Resonance (MR) scansions has been included.

Numerical models of trench migration for lateral heterogeneous subducting plates

The aim of this Thesis is to investigate the effect of heterogeneities within the subducting plate on the dynamics of subduction. In particular, I study the motion of the trench for oceanic and continental subduction, first, separately, and, then, together in the same system to understand how they interact. The understanding of these features is fundamental to reconstruct the evolution of complex subduction zones, such as the Central Mediterranean. For this purpose, I developed 2D and 3D numerical models of oceanic and continental subduction where the rheological, geometrical and compositional properties of the plates are varied. In these models, the trench and the overriding plate move self-consistently as a function of the dynamics of the system. The effect of continental subduction on trench migration is largely investigated. Results from a parametric study showed that despite different rheological properties of the plates, all models with a uniform continental crust share the same kinematic behaviour: the trench starts to advance once the continent arrives at the subduction zone. Hence, the advancing mode in continental collision scenarios is at least partly driven by an intrinsic feature of the system. Moreover, the presence of a weak lower crust within the continental plate can lead to the occurrence of delamination. Indeed, by changing the viscosity of the lower crust, both delamination and slab detachment can occur. Delamination is favoured by a low viscosity value of the lower crust, because this makes the mechanical decoupling easier between crust and lithospheric mantle. These features are observed both in 2D and 3D models, but the numerical results of the 3D models also showed that the rheology of the continental crust has a very strong effect on the dynamics of the whole system, since it influences not only the continental part of plate but also the oceanic sides.

Investigation of heterogeneous catalysts for the synthesis of fine chemicals

In order to match the more stringent environmental regulations, heterogenization of traditional homogeneous processes is one of the main challenges of the modern chemical industry. Great results have been achieved in the fields of petrochemicals and base chemicals, whereas in fine chemical industry most of the synthetic procedures are based on multistep processes catalyzed by homogeneous catalysts mainly used in stoichiometric amounts. In the fine chemicals manufacture not so much efforts have been devoted to the investigation of suitable solid catalysts for the development of greener processes, then this sector represent a very attractive field of research. In this context, the present work deals with the extensive investigation of the possibility to heterogenize existing processes, in particular two different classes of reactions have been studied: alkylation of aromatic and heteroaromatic compounds and selective oxidation of aromatic alcohols. Traditional solid acid catalysts, such as zeolites, clays and alumina have been tested in the gas phase alkylation of 1,2-methylendioxybenzene, core building block of many drugs, pesticides and fragrances. The observed reactivity were clarified through a deep FTIR investigation complemented by ab initio calculation. The same catalysts were tested in the gas phase isopropylation of thiophene with the aim of clearly attribute the role of the reaction parameters in the reaction proceeding and verify the possibility to enhance the selectivity of one of the two possible isomers. Finally various Au/CeO2 catalysts were tested in the synthesis of benzaldehyde and piperonal, two aldehydes largely employed in the manufacture of fine chemical products, through liquid phase oxidation of the corresponding alcohols in very mild conditions.

Sustainable processes using heterogeneous acid catalysts. Some examples of industrial interest.

In recent years the need for the design of more sustainable processes and the development of alternative reaction routes to reduce the environmental impact of the chemical industry has gained vital importance. Main objectives especially regard the use of renewable raw materials, the exploitation of alternative energy sources, the design of inherently safe processes and of integrated reaction/separation technologies (e.g. microreactors and membranes), the process intensification, the reduction of waste and the development of new catalytic pathways. The present PhD thesis reports results derived during a three years research period at the School of Chemical Sciences of Alma Mater Studiorum-University of Bologna, Dept. of Industrial Chemistry and Materials (now Dept. of Industrial Chemistry “Toso Montanari”), under the supervision of Prof. Fabrizio Cavani (Catalytic Processes Development Group). Three research projects in the field of heterogeneous acid catalysis focused on potential industrial applications were carried out. The main project, regarding the conversion of lignocellulosic materials to produce monosaccharides (important intermediates for production of biofuels and bioplatform molecules) was financed and carried out in collaboration with the Italian oil company eni S.p.A. (Istituto eni Donegani-Research Center for non-Conventional Energies, Novara, Italy) The second and third academic projects dealt with the development of green chemical processes for fine chemicals manufacturing. In particular, (a) the condensation reaction between acetone and ammonia to give triacetoneamine (TAA), and (b) the Friedel-Crafts acylation of phenol with benzoic acid were investigated.

Temperature Variation Aware Energy Optimization in Heterogeneous MPSoCs

Thermal effects are rapidly gaining importance in nanometer heterogeneous integrated systems. Increased power density, coupled with spatio-temporal variability of chip workload, cause lateral and vertical temperature non-uniformities (variations) in the chip structure. The assumption of an uniform temperature for a large circuit leads to inaccurate determination of key design parameters. To improve design quality, we need precise estimation of temperature at detailed spatial resolution which is very computationally intensive. Consequently, thermal analysis of the designs needs to be done at multiple levels of granularity. To further investigate the flow of chip/package thermal analysis we exploit the Intel Single Chip Cloud Computer (SCC) and propose a methodology for calibration of SCC on-die temperature sensors. We also develop an infrastructure for online monitoring of SCC temperature sensor readings and SCC power consumption. Having the thermal simulation tool in hand, we propose MiMAPT, an approach for analyzing delay, power and temperature in digital integrated circuits. MiMAPT integrates seamlessly into industrial Front-end and Back-end chip design flows. It accounts for temperature non-uniformities and self-heating while performing analysis. Furthermore, we extend the temperature variation aware analysis of designs to 3D MPSoCs with Wide-I/O DRAM. We improve the DRAM refresh power by considering the lateral and vertical temperature variations in the 3D structure and adapting the per-DRAM-bank refresh period accordingly. We develop an advanced virtual platform which models the performance, power, and thermal behavior of a 3D-integrated MPSoC with Wide-I/O DRAMs in detail. Moving towards real-world multi-core heterogeneous SoC designs, a reconfigurable heterogeneous platform (ZYNQ) is exploited to further study the performance and energy efficiency of various CPU-accelerator data sharing methods in heterogeneous hardware architectures. A complete hardware accelerator featuring clusters of OpenRISC CPUs, with dynamic address remapping capability is built and verified on a real hardware.

Heterogeneous Multi-core Architectures for High Performance Computing

This thesis deals with heterogeneous architectures in standard workstations. Heterogeneous architectures represent an appealing alternative to traditional supercomputers because they are based on commodity components fabricated in large quantities. Hence their price-performance ratio is unparalleled in the world of high performance computing (HPC). In particular, different aspects related to the performance and consumption of heterogeneous architectures have been explored. The thesis initially focuses on an efficient implementation of a parallel application, where the execution time is dominated by an high number of floating point instructions. Then the thesis touches the central problem of efficient management of power peaks in heterogeneous computing systems. Finally it discusses a memory-bounded problem, where the execution time is dominated by the memory latency. Specifically, the following main contributions have been carried out: A novel framework for the design and analysis of solar field for Central Receiver Systems (CRS) has been developed. The implementation based on desktop workstation equipped with multiple Graphics Processing Units (GPUs) is motivated by the need to have an accurate and fast simulation environment for studying mirror imperfection and non-planar geometries. Secondly, a power-aware scheduling algorithm on heterogeneous CPU-GPU architectures, based on an efficient distribution of the computing workload to the resources, has been realized. The scheduler manages the resources of several computing nodes with a view to reducing the peak power. The two main contributions of this work follow: the approach reduces the supply cost due to high peak power whilst having negligible impact on the parallelism of computational nodes. from another point of view the developed model allows designer to increase the number of cores without increasing the capacity of the power supply unit. Finally, an implementation for efficient graph exploration on reconfigurable architectures is presented. The purpose is to accelerate graph exploration, reducing the number of random memory accesses.

Silica-Supported Gold Nanoparticles: Synthesis, Characterization and Reactivity

The main aim of this work was the synthesis and applications of functionalized-silica-supported gold nanoparticles. The silica-anchored functionalities employed, e.g. amine, alkynyl carbamate and sulfide moieties, possess a notable affinity with gold, so that they could be able to capture the gold precursor, to spontaneously reduce it (possibly at room temperature), and to stabilize the resulting gold nanoparticles. These new materials, potentially suitable for heterogeneous catalysis applications, could represent a breakthrough among the “green” synthesis of supported gold nanoparticles, since they would circumvent the addition of extra reducing agent and stabilizers, also allowing concomitant absorption of the active catalyst particles on the support immediately after spontaneous formation of gold nanoparticles. In chapter 4 of this thesis is also presented the work developed during a seven-months Marco Polo fellowship stay at the University of Lille (France), regarding nanoparticles nucleation and growth inside a microfluidic system and the study of the corresponding mechanism by in situ XANES spectroscopy. Finally, studies regarding the reparation and reactivity of gold decorated nanodiamonds are also described. Various methods of characterization have been used, such as ultraviolet-visible spectroscopy (UV-Vis), Transmission Electron Microscopy (TEM), Dynamic Light Scattering (DLS), X-ray Fluorescence (XRF), Field Emission Gun Scanning Electron Microscopy (SEM-FEG), X-ray Photoionization (XPS), X ray Absorption Spectroscopy (XAS).

Atmospheric heterogeneous reactions of N 2 O 5 and NO 3 radicals with mineral dust particles

Die heterogenen Reaktionen von N2O5 bzw. NO3 auf mineralischen Staubpartikeln wurden untersucht, um deren Einfluss auf den Abbau atmosphärischer Stickoxide (NOx) sowie auf die chemische Veränderung der Staubpartikel während ihres Transportes durch die Atmosphäre besser verstehen zu können. Die experimentellen Studien wurden bei Atmosphärendruck, Raumtemperatur und unterschiedlichen relativen Luftfeuchten durchgeführt. Der Aufnahmekoeffizient γ(N2O5) von N2O5 auf dispergiertem Staub aus der Sahara wurde zu 0,020 ± 0,002 (1σ) bestimmt, unabhängig von der relativen Feuchte (0 - 67 %) sowie der N2O5-Konzentration (5x1011 - 3x1013 Moleküle cm-3).rnDie Analyse der Reaktionsprodukte in der Gasphase sowie auf der Partikeloberfläche führt zu der Annahme, dass N2O5 auf der Staubpartikeloberfläche zu Nitrat hydrolysiert wird. Es konnte kein Einfluss der relativen Feuchte auf den Aufnahmekoeffizienten ermittelt werden, was durch das vorhandene interlamellare Wasser, welches bis zu 10 % der Partikelmasse betragen kann, erklärbar ist. Der gemessene Wert des Aufnahmekoeffizienten ist unabhängig von der Eingangs-N2O5-Konzentration, was sich über die sehr große innere Oberfläche der Partikel erklären lässt. Dennoch ließ sich durch eine vorherige Konditionierung der Partikel mit gasförmigem HNO3, was eine Nitratanreicherung an der Oberfläche bewirkt, die Effizienz der N2O5-Aufnahme auf die Staubpartikel reduzieren. Zusätzliche Studien befassten sich mit der Bestimmung des Aufnahmekoeffizienten von N2O5 auf Illit-Partikeln und auf Teststaub aus Arizona. Bei einer relativen Luftfeuchte von 0 % wurden für γ(N2O5) Werte von 0,084 ± 0,019 (1σ) für Illit und von 0,010 ± 0,001 (1σ) für Arizona Teststaub ermittelt.rnUnter Anwendung einer neuartigen Messmethode, die auf der zeitgleichen Messung der Konzentrationsabnahme von NO3 und N2O5 relativ zueinander beruht, wurde das Verhältnis γ(NO3)/γ(N2O5) der Aufnahmekoeffizienten von NO3 und N2O5 auf Saharastaub zu 0,9 ± 0,4 (1σ) bestimmt. Dieser Wert war unabhängig von der relativen Feuchte, den NO3- und N2O5-Konzentrationen sowie der Reaktionszeit, obwohl eine Oberflächendeaktivierung für beide Spurenstoffe beobachtet wurde.

Using sulfur isotope fractionation to understand the atmospheric oxidation of SO 2

Sulfate aerosol plays an important but uncertain role in cloud formation and radiative forcing of the climate, and is also important for acid deposition and human health. The oxidation of SO2 to sulfate is a key reaction in determining the impact of sulfate in the environment through its effect on aerosol size distribution and composition. This thesis presents a laboratory investigation of sulfur isotope fractionation during SO2 oxidation by the most important gas-phase and heterogeneous pathways occurring in the atmosphere. The fractionation factors are then used to examine the role of sulfate formation in cloud processing of aerosol particles during the HCCT campaign in Thuringia, central Germany. The fractionation factor for the oxidation of SO2 by ·OH radicals was measured by reacting SO2 gas, with a known initial isotopic composition, with ·OH radicals generated from the photolysis of water at -25, 0, 19 and 40°C (Chapter 2). The product sulfate and the residual SO2 were collected as BaSO4 and the sulfur isotopic compositions measured with the Cameca NanoSIMS 50. The measured fractionation factor for 34S/32S during gas phase oxidation is αOH = (1.0089 ± 0.0007) − ((4 ± 5) × 10−5 )T (°C). Fractionation during oxidation by major aqueous pathways was measured by bubbling the SO2 gas through a solution of H2 O2

Dynamic development of hydrofractures

Natürliche hydraulische Bruchbildung ist in allen Bereichen der Erdkruste ein wichtiger und stark verbreiteter Prozess. Sie beeinflusst die effektive Permeabilität und Fluidtransport auf mehreren Größenordnungen, indem sie hydraulische Konnektivität bewirkt. Der Prozess der Bruchbildung ist sowohl sehr dynamisch als auch hoch komplex. Die Dynamik stammt von der starken Wechselwirkung tektonischer und hydraulischer Prozesse, während sich die Komplexität aus der potentiellen Abhängigkeit der poroelastischen Eigenschaften von Fluiddruck und Bruchbildung ergibt. Die Bildung hydraulischer Brüche besteht aus drei Phasen: 1) Nukleation, 2) zeitabhängiges quasi-statisches Wachstum so lange der Fluiddruck die Zugfestigkeit des Gesteins übersteigt, und 3) in heterogenen Gesteinen der Einfluss von Lagen unterschiedlicher mechanischer oder sedimentärer Eigenschaften auf die Bruchausbreitung. Auch die mechanische Heterogenität, die durch präexistierende Brüche und Gesteinsdeformation erzeugt wird, hat großen Einfluß auf den Wachstumsverlauf. Die Richtung der Bruchausbreitung wird entweder durch die Verbindung von Diskontinuitäten mit geringer Zugfestigkeit im Bereich vor der Bruchfront bestimmt, oder die Bruchausbreitung kann enden, wenn der Bruch auf Diskontinuitäten mit hoher Festigkeit trifft. Durch diese Wechselwirkungen entsteht ein Kluftnetzwerk mit komplexer Geometrie, das die lokale Deformationsgeschichte und die Dynamik der unterliegenden physikalischen Prozesse reflektiert. rnrnNatürliche hydraulische Bruchbildung hat wesentliche Implikationen für akademische und kommerzielle Fragestellungen in verschiedenen Feldern der Geowissenschaften. Seit den 50er Jahren wird hydraulisches Fracturing eingesetzt, um die Permeabilität von Gas und Öllagerstätten zu erhöhen. Geländebeobachtungen, Isotopenstudien, Laborexperimente und numerische Analysen bestätigen die entscheidende Rolle des Fluiddruckgefälles in Verbindung mit poroelastischen Effekten für den lokalen Spannungszustand und für die Bedingungen, unter denen sich hydraulische Brüche bilden und ausbreiten. Die meisten numerischen hydromechanischen Modelle nehmen für die Kopplung zwischen Fluid und propagierenden Brüchen vordefinierte Bruchgeometrien mit konstantem Fluiddruck an, um das Problem rechnerisch eingrenzen zu können. Da natürliche Gesteine kaum so einfach strukturiert sind, sind diese Modelle generell nicht sonderlich effektiv in der Analyse dieses komplexen Prozesses. Insbesondere unterschätzen sie die Rückkopplung von poroelastischen Effekten und gekoppelte Fluid-Festgestein Prozesse, d.h. die Entwicklung des Porendrucks in Abhängigkeit vom Gesteinsversagen und umgekehrt.rnrnIn dieser Arbeit wird ein zweidimensionales gekoppeltes poro-elasto-plastisches Computer-Model für die qualitative und zum Teil auch quantitativ Analyse der Rolle lokalisierter oder homogen verteilter Fluiddrücke auf die dynamische Ausbreitung von hydraulischen Brüchen und die zeitgleiche Evolution der effektiven Permeabilität entwickelt. Das Programm ist rechnerisch effizient, indem es die Fluiddynamik mittels einer Druckdiffusions-Gleichung nach Darcy ohne redundante Komponenten beschreibt. Es berücksichtigt auch die Biot-Kompressibilität poröser Gesteine, die implementiert wurde um die Kontrollparameter in der Mechanik hydraulischer Bruchbildung in verschiedenen geologischen Szenarien mit homogenen und heterogenen Sedimentären Abfolgen zu bestimmen. Als Resultat ergibt sich, dass der Fluiddruck-Gradient in geschlossenen Systemen lokal zu Störungen des homogenen Spannungsfeldes führen. Abhängig von den Randbedingungen können sich diese Störungen eine Neuausrichtung der Bruchausbreitung zur Folge haben kann. Durch den Effekt auf den lokalen Spannungszustand können hohe Druckgradienten auch schichtparallele Bruchbildung oder Schlupf in nicht-entwässerten heterogenen Medien erzeugen. Ein Beispiel von besonderer Bedeutung ist die Evolution von Akkretionskeilen, wo die große Dynamik der tektonischen Aktivität zusammen mit extremen Porendrücken lokal starke Störungen des Spannungsfeldes erzeugt, die eine hoch-komplexe strukturelle Entwicklung inklusive vertikaler und horizontaler hydraulischer Bruch-Netzwerke bewirkt. Die Transport-Eigenschaften der Gesteine werden stark durch die Dynamik in der Entwicklung lokaler Permeabilitäten durch Dehnungsbrüche und Störungen bestimmt. Möglicherweise besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Bildung von Grabenstrukturen und großmaßstäblicher Fluid-Migration. rnrnDie Konsistenz zwischen den Resultaten der Simulationen und vorhergehender experimenteller Untersuchungen deutet darauf hin, dass das beschriebene numerische Verfahren zur qualitativen Analyse hydraulischer Brüche gut geeignet ist. Das Schema hat auch Nachteile wenn es um die quantitative Analyse des Fluidflusses durch induzierte Bruchflächen in deformierten Gesteinen geht. Es empfiehlt sich zudem, das vorgestellte numerische Schema um die Kopplung mit thermo-chemischen Prozessen zu erweitern, um dynamische Probleme im Zusammenhang mit dem Wachstum von Kluftfüllungen in hydraulischen Brüchen zu untersuchen.

Diffusion in heterogeneous systems studied by laser scanning confocal microscopy and fluorescence correlation spectroscopy

Understanding and controlling the mechanism of the diffusion of small molecules, macromolecules and nanoparticles in heterogeneous environments is of paramount fundamental and technological importance. The aim of the thesis is to show, how by studying the tracer diffusion in complex systems, one can obtain information about the tracer itself, and the system where the tracer is diffusing. rnIn the first part of my thesis I will introduce the Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) which is a powerful tool to investigate the diffusion of fluorescent species in various environments. By using the main advantage of FCS namely the very small probing volume (<1µm3) I was able to track the kinetics of phase separation in polymer blends at late stages by looking on the molecular tracer diffusion in individual domains of the heterogeneous structure of the blend. The phase separation process at intermediate stages was monitored with laser scanning confocal microscopy (LSCM) in real time providing images of droplet coalescence and growth. rnIn a further project described in my thesis I will show that even when the length scale of the heterogeneities becomes smaller than the FCS probing volume one can still obtain important microscopic information by studying small tracer diffusion. To do so, I will introduce a system of star shaped polymer solutions and will demonstrate that the mobility of small molecular tracers on microscopic level is nearly not affected by the transition of the polymer system to a “glassy” macroscopic state. rnIn the last part of the thesis I will introduce and describe a new stimuli responsive system which I have developed, that combines two levels of nanoporosity. The system is based on poly-N-isopropylacrylamide (PNIPAM) and silica inverse opals (iOpals), and allows controlling the diffusion of tracer molecules. rn