Study of surface free energy on a lattice-gas model applied to Liquid bridge

The pulmonary crackling and the formation of liquid bridges are problems that for centuries have been attracting the attention of scientists. In order to study these phenomena, it was developed a canonical cubic lattice-gas­ like model to explain the rupture of liquid bridges in lung airways [A. Alencar et al., 2006, PRE]. Here, we further develop this model and add entropy analysis to study thermodynamic properties, such as free energy and force. The simulations were performed using the Monte Carlo method with Metropolis algorithm. The exchange between gas and liquid particles were performed randomly according to the Kawasaki dynamics and weighted by the Boltzmann factor. Each particle, which can be solid (s), liquid (l) or gas (g), has 26 neighbors: 6 + 12 + 8, with distances 1, √2 and √3, respectively. The energy of a lattice's site m is calculated by the following expression: Em = ∑k=126 Ji(m)j(k) in witch (i, j) = g, l or s. Specifically, it was studied the surface free energy of the liquid bridge, trapped between two planes, when its height is changed. For that, was considered two methods. First, just the internal energy was calculated. Then was considered the entropy. It was fond no difference in the surface free energy between this two methods. We calculate the liquid bridge force between the two planes using the numerical surface free energy. This force is strong for small height, and decreases as the distance between the two planes, height, is increased. The liquid-gas system was also characterized studying the variation of internal energy and heat capacity with the temperature. For that, was performed simulation with the same proportion of liquid and gas particle, but different lattice size. The scale of the liquid-gas system was also studied, for low temperature, using different values to the interaction Jij.

Microextraction techniques coupled to liquid chromatography with mass spectrometry for the determination of organic micropollutants in environmental water samples

[EN]Until recently, sample preparation was carried out using traditional techniques, such as liquid–liquid extraction (LLE), that use large volumes of organic solvents. Solid-phase extraction (SPE) uses much less solvent than LLE, although the volume can still be significant. These preparation methods are expensive, time-consuming and environmentally unfriendly. Recently, a great effort has been made to develop new analytical methodologies able to perform direct analyses using miniaturised equipment, thereby achieving high enrichment factors, minimising solvent consumption and reducing waste. These microextraction techniques improve the performance during sample preparation, particularly in complex water environmental samples, such as wastewaters, surface and ground waters, tap waters, sea and river waters. Liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry (LC/MS/MS) and time-of-flight mass spectrometric (TOF/MS) techniques can be used when analysing a broad range of organic micropollutants. Before separating and detecting these compounds in environmental samples, the target analytes must be extracted and pre-concentrated to make them detectable. In this work, we review the most recent applications of microextraction preparation techniques in different water environmental matrices to determine organic micropollutants: solid-phase microextraction SPME, in-tube solid-phase microextraction (IT-SPME), stir bar sorptive extraction (SBSE) and liquid-phase microextraction (LPME). Several groups of compounds are considered organic micropollutants because these are being released continuously into the environment. Many of these compounds are considered emerging contaminants. These analytes are generally compounds that are not covered by the existing regulations and are now detected more frequently in different environmental compartments. Pharmaceuticals, surfactants, personal care products and other chemicals are considered micropollutants. These compounds must be monitored because, although they are detected in low concentrations, they might be harmful toward ecosystems.

Amalgamersatz

Amalgamersatz:Neue Wege zur Herstellung von Dentalkompositen mit geringem Polymerisationsschrumpf auf (Meth-)Acrylat-Basis Aufgrund der ästhetischen und gesundheitlichen Bedenken wird seit Jahrzehnten nach einer Alternative für Amalgam als Zahnfüllmaterial gesucht. Der größte Nachteil von organischen Monomeren liegt in der Volumenkontraktion während der Aushärtung, welche sich negativ auf die Materialeigenschaften auswirkt. Aus diesem Grund war das Hauptziel dieser Arbeit, eine Minimierung des Schrumpfes bei der radikalischen Polymerisation zu erreichen. Dazu wurden verschiedene, zum Teil neue, (Meth-)Acrylate synthetisiert und auf ihre Einsetzbarkeit als Bestandteil von Dentalkompositen geprüft.Um die Volumenkontraktion während der Polymerisation zu minimieren, wurde die Beweglichkeit der polymerisierbaren Gruppe eingeschränkt. Im ersten Teil der Arbeit wurden dazu flüssigkristalline Substanzen eingesetzt. Durch Mischen von flüssigkristallinen Diacrylaten konnte eine Mesophase im gewünschten Temperaturintervall von 25 bis 35 °C erhalten werden. Der Einsatz dieser Flüssigkristalle zeigte einen positiven Einfluss auf den Polymerisationsschrumpf. Zudem wurden neue Monomere synthetisiert, deren Methacrylgruppe in direkter Nachbarschaft zum Mesogen angebunden wurde, um die Stabilität der erhaltenen Polymere zu erhöhen.Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Beweglichkeit der polymerisierbaren Gruppe durch eine Fixierung an einem starren Kern reduziert. Als Grundkörper wurden Polyphenole, enzymatisch polymerisierte Phenole und ߖCyclodextrin verwendet. Bei den modifizierten Polyphenolen auf Basis von Gallussäure und 3,5-Dihydroxybenzoesäure konnte eine leichte Reduzierung des Polymerisationsschrumpfes erreicht werden. Mit HRP (Horseradish Peroxidase) katalysierten enzymatisch polymerisierten Phenole konnte dagegen nicht photochemisch vernetzt werden, da diese Oligomere in Lösung gefärbt vorlagen. Zudem zeigten die freien, phenolischen Hydroxygruppen eine sehr geringe Reaktivität. Die besten Ergebnisse wurden mit modifizierten ߖCyclodextrinen als Komponente einer Komposite erreicht. Dabei wurde in einem Fall sogar eine leichte Volumenexpansion während der Polymerisation erzielt.

New discotic liquid crystals based on large polycyclic aromatic hydrocarbons as materials for molecular electronics

A series of new columnar discotic liquid crystalline materials based on the superphenalene (C96) core has been synthesized by oxidative cyclodehydrogenation with iron(III) chloride of suitable three-dimensional oligophenylene precursors. These compounds were investigated by means of differential scanning calorimetry (DSC), polarized optical microscopy (POM) and wide angle X-ray scattering (WAXS), and showed highly ordered supramolecular arrays and mesophase behavior over a broad temperature range. Good solubility, through the introduction of long alkyl chains, and the fact that these new superphenalene derivatives were found to be liquid crystalline at room temperature enabled the formation of highly ordered films (using the zone-casting technique), a requirement for application in organic electronic devices. The one-dimensional, intracolumnar charge carrier mobilities of superphenalene derivatives were determined using the pulse-radiolysis time-resolved microwave conductivity technique (PR-TRMC). Electrical properties of different C96-C12 architectures on mica surfaces were examined by using Electrostatic Force Microscopy (EFM) and Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM). Hexa-peri-hexabenzocoronene (C42) derivatives substituted at the periphery with six branched alkyl ether chains were also synthesized. It was found that the introduction of ether groups within the side chains enhances the affinity of the discotic molecules towards polar surfaces, resulting in homeotropic self-assembly (as shown by POM and 2D-WAXS) when the compounds are processed from the isotropic state between two surfaces. A new, insoluble, superphenalene building block bearing six reactive sites was prepared, and was further used for the preparation of dendronized superphenalenes with bulky dendritic substituents around the core. UV/Vis and fluorescence experiments suggest reduced π-π stacking of the superphenalene cores as a result of steric hindrance between the peripheral dendritic units. A new family of graphitic molecules with partial ”zig-zag” periphery has been established. The incorporation of ”zig-zag” edges was shown to have a strong influence on the electronic properties of the new molecules (as studied by solution and solid-state UV/Vis, and fluorescence spectroscopy), leading to a significant bathochromic shift with respect to the parent PAHs (C42 and C96). The reactivity of the additional double bonds was examined. The attachment of long alkyl chains to a ”zig-zag” superphenalene core afforded a new, processable, liquid crystalline material.

Rod-coil copolymer structures

Skalenargumente werden verwendet, um Rod-Coil Copolymere mit fester Zusammensetzung von steifen Stäbchen und flexiblen Ketten zu studieren. In einem selektiven Lösungsmittel, in dem sich nur die Ketten lösen, bildet ein Rod-Coil Multiblock zylinderförmige Micellen aus aggregierten Stäbchen verbunden durch Kettenstücke. Die Stäbchen aggregieren, um Energie zu gewinnen. Dieser Prozeß wird durch den Entropieverlust der flexiblen Ketten ausgeglichen. Das Adsorptionsverhalten von Aggregaten aus parallel aneinandergelagerten, einzelnen Rod-Coil Diblöcken in selektivem Lösungsmittel wird anhand von erweiterten Skalenbetrachtungen diskutiert. Wenn ein solches Aggregat mit den Stäbchen parallel zur Oberfläche adsorbiert, verschieben sich die Stäbchen gegeneinander. Zusätzlich werden die Stabilität der adsorbierten Aggregate und andere mögliche Konfigurationen untersucht. Um einen Rod-Coil Multiblock mit variabler Zusammensetzung zu studieren, wird eine Feldtheorie entwickelt. Jedes Segment kann entweder steif oder flexibel sein. Das System zeigt drei Phasenzustände, offene Kette, amorphe Globule und flüssig-kristalline Globule. Beim Übergang von amorpher zu flüssig-kristalliner Globule steigt der Anteil an steifen Segmenten rapide an. Dieser Übergang wird durch die isotrope Wechselwirkung zwischen den steifen Segmenten und die anisotrope Oberflächenenergie der Globule verursacht.

Computer simulations of microstructures related to the olivine spinel transition

Tiefherd-Beben, die im oberen Erdmantel in einer Tiefe von ca. 400 km auftreten, werden gewöhnlich mit dem in gleicher Tiefe auftretenden druckabhängigen, polymorphen Phasenübergang von Olivine (α-Phase) zu Spinel (β-Phase) in Verbindung gebracht. Es ist jedoch nach wie vor unklar, wie der Phasenübergang mit dem mechanischen Versagen des Mantelmaterials zusammenhängt. Zur Zeit werden im Wesentlichen zwei Modelle diskutiert, die entweder Mikrostrukturen, die durch den Phasenübergang entstehen, oder aber die rheologischen Veränderungen des Mantelgesteins durch den Phasenübergang dafür verantwortlich machen. Dabei sind Untersuchungen der Olivin→Spinel Umwandlung durch die Unzugänglichkeit des natürlichen Materials vollständig auf theoretische Überlegungen sowie Hochdruck-Experimente und Numerische Simulationen beschränkt. Das zentrale Thema dieser Dissertation war es, ein funktionierendes Computermodell zur Simulation der Mikrostrukturen zu entwickeln, die durch den Phasenübergang entstehen. Des Weiteren wurde das Computer Modell angewandt um die mikrostrukturelle Entwicklung von Spinelkörnern und die Kontrollparameter zu untersuchen. Die Arbeit ist daher in zwei Teile unterteilt: Der erste Teil (Kap. 2 und 3) behandelt die physikalischen Gesetzmäßigkeiten und die prinzipielle Funktionsweise des Computer Modells, das auf der Kombination von Gleichungen zur Errechnung der kinetischen Reaktionsgeschwindigkeit mit Gesetzen der Nichtgleichgewichtsthermodynamik unter nicht-hydostatischen Bedingungen beruht. Das Computermodell erweitert ein Federnetzwerk der Software latte aus dem Programmpaket elle. Der wichtigste Parameter ist dabei die Normalspannung auf der Kornoberfläche von Spinel. Darüber hinaus berücksichtigt das Programm die Latenzwärme der Reaktion, die Oberflächenenergie und die geringe Viskosität von Mantelmaterial als weitere wesentliche Parameter in der Berechnung der Reaktionskinetic. Das Wachstumsverhalten und die fraktale Dimension von errechneten Spinelkörnern ist dabei in guter Übereinstimmung mit Spinelstrukturen aus Hochdruckexperimenten. Im zweiten Teil der Arbeit wird das Computermodell angewandt, um die Entwicklung der Oberflächenstruktur von Spinelkörnern unter verschiedenen Bedigungen zu eruieren. Die sogenannte ’anticrack theory of faulting’, die den katastrophalen Verlauf der Olivine→Spinel Umwandlung in olivinhaltigem Material unter differentieller Spannung durch Spannungskonzentrationen erklärt, wurde anhand des Computermodells untersucht. Der entsprechende Mechanismus konnte dabei nicht bestätigt werden. Stattdessen können Oberflächenstrukturen, die Ähnlichkeiten zu Anticracks aufweisen, durch Unreinheiten des Materials erklärt werden (Kap. 4). Eine Reihe von Simulationen wurde der Herleitung der wichtigsten Kontrollparameter der Reaktion in monomineralischem Olivin gewidmet (Kap. 5 and Kap. 6). Als wichtigste Einflüsse auf die Kornform von Spinel stellten sich dabei die Hauptnormalspannungen auf dem System sowie Heterogenitäten im Wirtsminerals und die Viskosität heraus. Im weiteren Verlauf wurden die Nukleierung und das Wachstum von Spinel in polymineralischen Mineralparagenesen untersucht (Kap. 7). Die Reaktionsgeschwindigkeit der Olivine→Spinel Umwandlung und die Entwicklung von Spinelnetzwerken und Clustern wird durch die Gegenwart nicht-reaktiver Minerale wie Granat oder Pyroxen erheblich beschleunigt. Die Bildung von Spinelnetzwerken hat das Potential, die mechanischen Eigenschaften von Mantelgestein erheblich zu beeinflussen, sei es durch die Bildung potentieller Scherzonen oder durch Gerüstbildung. Dieser Lokalisierungprozess des Spinelwachstums in Mantelgesteinen kann daher ein neues Erklärungsmuster für Tiefbeben darstellen.

Liquid crystalline phases of anisotropic, polymer functionalized nanoparticles

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Polymerfunktionalisierung formanisotroperrnNanopartikel wie TiO2 Nanostäbchen oder Kohlenstoff Nanoröhren. Dies dient derrnSolubilisierung und sterischen Stabilisierung in organischen Medien, da diesernionenfrei hergestellt werden können, was eine Nutzung für nanoskopische,rnelektrische Schaltkreise ermöglicht. Die Polymere wurden mittels der RAFTrn(reversible addition-fragmentation chain transfer) Polymerisation mit engenrnMolekulargewichtsverteilungen hergestellt. Im Detail wurden Ankergruppen inrnBlockcopolymere und an der Alphaposition eingeführt, welche eine Anbindung an diernNanopartikeloberfläche ermöglichen. Die Polymere wurden durch Variation derrnverschiedenen Blocklängen für eine bestmögliche Adsorption optimiert. Die sorngewonnenen Polymer funktionalisierten Nanopartikel zeigten eine gute Löslichkeit inrnorganischen Medien und zeigten zudem eine lyotropes, flüssigkristallinesrnPhasenverhalten. Dies war aufgrund der Formanisotropie zu erwarten, zeigte jedochrnebenfalls ein unerwartetes thermotropes Verhalten, welches durch die Polymerhüllernerzeugt wurde. Die Flüssigkristalle wurden eingehend mittels polarisierterrnMikroskopie und Differential Scanning Calorimetry (DSC) untersucht. Diernflüssigkristallinen Phasen aus Nanostäbchen und –röhren wurde dann zurrnOrientierung der anisotropen Nanopartikel benutzt und es konnten makroskopischrngeordnete Proben hergestellt werden. Die Polymerhülle um die Nanopartikelrnermöglichte es ebenfalls diese in Polymerfilme einzuarbeiten und sornNanopartikelverstärkte Kunststoffe herzustellen.

DEVELOPMENT OF CONFOCAL IMAGING TECHNIQUES FOR PROBING INTERFACIAL DYNAMICS IN MICROSCALE, GAS-LIQUID, TWO-PHASE FLOW

Micro-scale, two-phase flow is found in a variety of devices such as Lab-on-a-chip, bio-chips, micro-heat exchangers, and fuel cells. Knowledge of the fluid behavior near the dynamic gas-liquid interface is required for developing accurate predictive models. Light is distorted near a curved gas-liquid interface preventing accurate measurement of interfacial shape and internal liquid velocities. This research focused on the development of experimental methods designed to isolate and probe dynamic liquid films and measure velocity fields near a moving gas-liquid interface. A high-speed, reflectance, swept-field confocal (RSFC) imaging system was developed for imaging near curved surfaces. Experimental studies of dynamic gas-liquid interface of micro-scale, two-phase flow were conducted in three phases. Dynamic liquid film thicknesses of segmented, two-phase flow were measured using the RSFC and compared to a classic film thickness deposition model. Flow fields near a steadily moving meniscus were measured using RSFC and particle tracking velocimetry. The RSFC provided high speed imaging near the menisci without distortion caused the gas-liquid interface. Finally, interfacial morphology for internal two-phase flow and droplet evaporation were measured using interferograms produced by the RSFC imaging technique. Each technique can be used independently or simultaneously when.

Lattice study of an electroweak phase transition at mh ~ 126 GeV

We carry out lattice simulations of a cosmological electroweak phase transition for a Higgs mass mh 126 GeV. The analysis is based on a dimensionally reduced effective theory for an MSSM-like scenario including a relatively light coloured SU(2)-singlet scalar, referred to as a right-handed stop. The non-perturbative transition is stronger than in 2-loop perturbation theory, and may offer a window for electroweak baryogenesis. The main remaining uncertainties concern the physical value of the right-handed stop mass which according to our analysis could be as high as mR 155 GeV; a more precise effective theory derivation and vacuum renormalization than available at present are needed for confirming this value.

First order thermal phase transition with 126 GeV Higgs mass

We study the strength of the electroweak phase transition in models with two light Higgs doublets and a light SU(3)c triplet by means of lattice simulations in a dimensionally reduced effective theory. In the parameter region considered the transition on the lattice is significantly stronger than indicated by a 2-loop perturbative analysis. Within some ultraviolet uncertainties, the finding applies to MSSM with a Higgs mass mh ≈ 126 GeV and shows that the parameter region useful for electroweak baryogenesis is enlarged. In particular (even though only dedicated analyses can quantify the issue), the tension between LHC constraints after the 7 TeV and 8 TeV runs and frameworks where the electroweak phase transition is driven by light stops, seems to be relaxed.

Liquid-Crystalline Dendrimers Designed by Click Chemistry

Liquid-crystalline dendrimers have been prepared from second-generation Percec-type poly(benzyl ether) dendrons or second-generation poly(aryl ester) dendrons carrying cyanobiphenyl mesogens. The Janus dendrimer, which combines the two types of dendromesogens, has also been synthesized. Those compounds have been prepared under copper-catalyzed azide–alkyne cycloaddition conditions. The mesomorphic properties have been studied by thermal analysis (POM, DSC) and small-angle X-ray scattering. Smectic A, nematic, and columnar phases have been observed depending on the dendritic building blocks. The click reaction has proven to be a powerful and elegant synthetic tool for the design of complex dendritic liquid-crystalline architectures.

Invariance of the Glass Transition Temperature of Plant Vitrification Solutions with Cooling Rate

The solutions studied were Plant Vitrification Solutions 1, 2 and 3: (PVS1: Uragami et al. 1989, Plant Cell Rep. 8, 418; PVS2: Sakai et al. 1990, Plant Cell Rep. 9, 30; PVS3: Nishizawa et al. 1993, Plant Sci. 91, 67). Cooling was performed using the calorimeter control (5, 10 and 20°C min-1), or for higher rates, by quenching the closed pan with PVS in LN, either naked (faster - 5580°C min-1) or introduced in cryovials (reduced rate 360°C min-1). Quenched pans were then transferred to the sample chamber, pre-cooled to -196°C. Glass transition temperature was observed by DSC with a TA 2920 instrument, upon warming pans with solution samples from -145°C to room temperature, at standard warming rate10°C min-1.

Phase transition in the countdown problem

We present a combinatorial decision problem, inspired by the celebrated quiz show called Countdown, that involves the computation of a given target number T from a set of k randomly chosen integers along with a set of arithmetic operations. We find that the probability of winning the game evidences a threshold phenomenon that can be understood in the terms of an algorithmic phase transition as a function of the set size k. Numerical simulations show that such probability sharply transitions from zero to one at some critical value of the control parameter, hence separating the algorithm's parameter space in different phases. We also find that the system is maximally efficient close to the critical point. We derive analytical expressions that match the numerical results for finite size and permit us to extrapolate the behavior in the thermodynamic limit.

Application of laser-induced plasma spectroscopy to the measurement of transition probabilities of Ca I

We present improved experimental transition probabilities for the optical Ca I 4s4p-4s4d and 4s4p-4p2multiplets. The values were determined with an absolute uncertainty of 10%. Transition probabilities have been determined by the branching ratios from the measurement of relative line intensities emitted by laser-induced plasma (LIP). The line intensities were obtained with the target (leadcalcium) placed in argon atmosphere at 6 Torr, recorded at a 2.5 µs delay from the laser pulse, which provides appropriate measurement conditions, and analysed between 350.0 and 550.0 nm. They are measured when the plasma reaches local thermodynamic equilibrium (LTE). The plasma is characterized by electron temperature (T) of 11400 K and an electron number density (Ne) of 1.1 x 1016 cm-3. The influence self-absorption has been estimated for every line, and plasma homogeneity has been checked. The values obtained were compared with previous experimental values in the literature. The method for measurement of transition probabilities using laser-induced plasma as spectroscopic source has been checked.

Reduced three-wave model to study the hard transition to chaotic dynamics in Alfven wave-fronts

The derivative nonlinear Schrödinger (DNLS) equation, describing propagation of circularly polarized Alfven waves of finite amplitude in a cold plasma, is truncated to explore the coherent, weakly nonlinear, cubic coupling of three waves near resonance, one wave being linearly unstable and the other waves damped. In a reduced three-wave model (equal damping of daughter waves, three-dimensional flow for two wave amplitudes and one relative phase), no matter how small the growth rate of the unstable wave there exists a parametric domain with the flow exhibiting chaotic dynamics that is absent for zero growth-rate. This hard transition in phase-space behavior occurs for left-hand (LH) polarized waves, paralelling the known fact that only LH time-harmonic solutions of the DNLS equation are modulationally unstable.