Elucidating solvent contributions to solution reactions with ab initio QM/MM methods.

Computer simulations of reaction processes in solution in general rely on the definition of a reaction coordinate and the determination of the thermodynamic changes of the system along the reaction coordinate. The reaction coordinate often is constituted of characteristic geometrical properties of the reactive solute species, while the contributions of solvent molecules are implicitly included in the thermodynamics of the solute degrees of freedoms. However, solvent dynamics can provide the driving force for the reaction process, and in such cases explicit description of the solvent contribution in the free energy of the reaction process becomes necessary. We report here a method that can be used to analyze the solvent contributions to the reaction activation free energies from the combined QM/MM minimum free-energy path simulations. The method was applied to the self-exchange S(N)2 reaction of CH(3)Cl + Cl(-), showing that the importance of solvent-solute interactions to the reaction process. The results were further discussed in the context of coupling between solvent and solute molecules in reaction processes.

A complete analytic theory for structure and dynamics of populations and communities spanning wide ranges in body size

The prediction and management of ecosystem responses to global environmental change would profit from a clearer understanding of the mechanisms determining the structure and dynamics of ecological communities. The analytic theory presented here develops a causally closed picture for the mechanisms controlling community and population size structure, in particular community size spectra, and their dynamic responses to perturbations, with emphasis on marine ecosystems. Important implications are summarised in non-technical form. These include the identification of three different responses of community size spectra to size-specific pressures (of which one is the classical trophic cascade), an explanation for the observed slow recovery of fish communities from exploitation, and clarification of the mechanism controlling predation mortality rates. The theory builds on a community model that describes trophic interactions among size-structured populations and explicitly represents the full life cycles of species. An approximate time-dependent analytic solution of the model is obtained by coarse graining over maturation body sizes to obtain a simple description of the model steady state, linearising near the steady state, and then eliminating intraspecific size structure by means of the quasi-neutral approximation. The result is a convolution equation for trophic interactions among species of different maturation body sizes, which is solved analytically using a novel technique based on a multiscale expansion.

Modelling the rheology of anisotropic particles adsorbed on a two-dimensional fluid interface

We present a general approach based on nonequilibrium thermodynamics for bridging the gap between a well-defined microscopic model and the macroscopic rheology of particle-stabilised interfaces. Our approach is illustrated by starting with a microscopic model of hard ellipsoids confined to a planar surface, which is intended to simply represent a particle-stabilised fluid–fluid interface. More complex microscopic models can be readily handled using the methods outlined in this paper. From the aforementioned microscopic starting point, we obtain the macroscopic, constitutive equations using a combination of systematic coarse-graining, computer experiments and Hamiltonian dynamics. Exemplary numerical solutions of the constitutive equations are given for a variety of experimentally relevant flow situations to explore the rheological behaviour of our model. In particular, we calculate the shear and dilatational moduli of the interface over a wide range of surface coverages, ranging from the dilute isotropic regime, to the concentrated nematic regime.

Molecular insights of p47phox phosphorylation dynamics in the regulation of NADPH oxidase activation and superoxide production

Phagocyte superoxide production by a multicomponent NADPH oxidase is important in host defense against microbial invasion. However inappropriate NADPH oxidase activation causes inflammation. Endothelial cells express NADPH oxidase and endothelial oxidative stress due to prolonged NADPH oxidase activation predisposes many diseases. Discovering the mechanism of NADPH oxidase activation is essential for developing novel treatment of these diseases. The p47phox is a key regulatory subunit of NADPH oxidase; however, due to the lack of full protein structural information, the mechanistic insight of p47phox phosphorylation in NADPH oxidase activation remains incomplete. Based on crystal structures of three functional domains, we generated a computational structural model of the full p47phox protein. Using a combination of in silico phosphorylation, molecular dynamics simulation and protein/protein docking, we discovered that the C-terminal tail of p47phox is critical for stabilizing its autoinhibited structure. Ser-379 phosphorylation disrupts H-bonds that link the C-terminal tail to the autoinhibitory region (AIR) and the tandem Src homology 3 (SH3) domains, allowing the AIR to undergo phosphorylation to expose the SH3 pocket for p22phox binding. These findings were confirmed by site-directed mutagenesis and gene transfection of p47phox_/_ coronary microvascular cells. Compared with wild-type p47phoxcDNAtransfected cells, the single mutation of S379A completely blocked p47phox membrane translocation, binding to p22phox and endothelial O2 . production in response to acute stimulation of PKC. p47phox C-terminal tail plays a key role in stabilizing intramolecular interactions at rest. Ser-379 phosphorylation is a molecular switch which initiates p47phox conformational changes and NADPH oxidase-dependent superoxide production by cells.

First principle study of ions in water and ionic liquids

Die beiden in dieser Arbeit betrachteten Systeme, wässrige Lösungen von Ionen und ionische Flüssigkeiten, zeigen vielfältige Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten, im Gegensatz zu anderen Systemen. Man findet sie beinahe überall im normalen Leben (Wasser), oder ihre Bedeutung wächst (ioinische Flüssigkeiten). Der elektronische Anteil und der atomare Anteil wurden getrennt voneinander untersucht und im Zusammenhang analysiert. Mittels dieser Methode konnten die in dem jeweiligen System auftretenden Mechanismen genauer untersucht werden. Diese Methode wird "Multiscale Modeling" genannt, dabei werden die Untereinheiten eines Systems genauer betrachtet, wie in diesem Fall die elektronischen and atomaren Teilsystem. Die Ergebnisse, die aus den jeweiligen Betrachtungen hervorgehen, zeigen, dass, im Falle von hydratisierten Ionen die Wasser-Wasser Wechselwirkungen wesentlich stärker sind als die elektrostatischen Wechselwirkung zwischen Wasser und dem Ion. Anhand der Ergebnisse ergibt sich, dass normale nicht-polarisierbare Modelle ausreichen, um Ionen-Wasser Lösungen zu beschreiben. Im Falle der ionischen Flüssigkeiten betrachten wir die elektronische Ebene mittels sehr genauer post-Hartree-Fock Methoden und DFT, deren Ergebnisse dann mit denen auf molekularer Ebene (mithilfe von CPMD/klassischer MD) in Beziehung gesetzt werden. Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass die Wasserstoff-Brückenbindungen im Fall der ionischen Flüssigkeiten nicht vernachässigt werden können. Weiterhin hat diese Studie herausgefunden, dass die klassischen Kraftfelder die Elektrostatik (Dipol- und Quadrupolmomente) nicht genau genug beschreibt. Die Kombination des mikroskopischen Mechanismus und der molekularen Eigenschaften ist besonders sinnvoll um verschiedene Anhaltspunkte von Simualtionen (z.B. mit klassische Molekular-Dynamik) oder Experimenten zu liefern oder solche zu erklären.

Der Renormierungsgruppen-Fluß der konform-reduzierten Quantengravitation

Wir analysieren die Rolle von "Hintergrundunabhängigkeit" im Zugang der effektiven Mittelwertwirkung zur Quantengravitation. Wenn der nicht-störungstheoretische Renormierungsgruppen-(RG)-Fluß "hintergrundunabhängig" ist, muß die Vergröberung durch eine nicht spezifizierte, variable Metrik definiert werden. Die Forderung nach "Hintergrundunabhängigkeit" in der Quantengravitation führt dazu, daß die funktionale RG-Gleichung von zusätzlichen Feldern abhängt; dadurch unterscheidet sich der RG-Fluß in der Quantengravitation deutlich von dem RG-Fluß einer gewöhnlichen Quantentheorie, deren Moden-Cutoff von einer starren Metrik abhängt. Beispielsweise kann in der "hintergrundunabhängigen" Theorie ein Nicht-Gauß'scher Fixpunkt existieren, obwohl die entsprechende gewöhnliche Quantentheorie keinen solchen entwickelt. Wir untersuchen die Bedeutung dieses universellen, rein kinematischen Effektes, indem wir den RG-Fluß der Quanten-Einstein-Gravitation (QEG) in einem "konform-reduzierten" Zusammenhang untersuchen, in dem wir nur den konformen Faktor der Metrik quantisieren. Alle anderen Freiheitsgrade der Metrik werden vernachlässigt. Die konforme Reduktion der Einstein-Hilbert-Trunkierung zeigt exakt dieselben qualitativen Eigenschaften wie in der vollen Einstein-Hilbert-Trunkierung. Insbesondere besitzt sie einen Nicht-Gauß'schen Fixpunkt, der notwendig ist, damit die Gravitation asymptotisch sicher ist. Ohne diese zusätzlichen Feldabhängigkeiten ist der RG-Fluß dieser Trunkierung der einer gewöhnlichen $phi^4$-Theorie. Die lokale Potentialnäherung für den konformen Faktor verallgemeinert den RG-Fluß in der Quantengravitation auf einen unendlich-dimensionalen Theorienraum. Auch hier finden wir sowohl einen Gauß'schen als auch einen Nicht-Gauß'schen Fixpunkt, was weitere Hinweise dafür liefert, daß die Quantengravitation asymptotisch sicher ist. Das Analogon der Metrik-Invarianten, die proportional zur dritten Potenz der Krümmung ist und die die störungstheoretische Renormierbarkeit zerstört, ist unproblematisch für die asymptotische Sicherheit der konform-reduzierten Theorie. Wir berechnen die Skalenfelder und -imensionen der beiden Fixpunkte explizit und diskutieren mögliche Einflüsse auf die Vorhersagekraft der Theorie. Da der RG-Fluß von der Topologie der zugrundeliegenden Raumzeit abhängt, diskutieren wir sowohl den flachen Raum als auch die Sphäre. Wir lösen die Flußgleichung für das Potential numerisch und erhalten Beispiele für RG-Trajektorien, die innerhalb der Ultraviolett-kritischen Mannigfaltigkeit des Nicht-Gauß'schen Fixpunktes liegen. Die Quantentheorien, die durch einige solcher Trajektorien definiert sind, zeigen einen Phasenübergang von der bekannten (Niederenergie-) Phase der Gravitation mit spontan gebrochener Diffeomorphismus-Invarianz zu einer neuen Phase von ungebrochener Diffeomorphismus-Invarianz. Diese Hochenergie-Phase ist durch einen verschwindenden Metrik-Erwartungswert charakterisiert.

A novel functional renormalization group framework for gauge theories and gravity

In this thesis we develop further the functional renormalization group (RG) approach to quantum field theory (QFT) based on the effective average action (EAA) and on the exact flow equation that it satisfies. The EAA is a generalization of the standard effective action that interpolates smoothly between the bare action for krightarrowinfty and the standard effective action rnfor krightarrow0. In this way, the problem of performing the functional integral is converted into the problem of integrating the exact flow of the EAA from the UV to the IR. The EAA formalism deals naturally with several different aspects of a QFT. One aspect is related to the discovery of non-Gaussian fixed points of the RG flow that can be used to construct continuum limits. In particular, the EAA framework is a useful setting to search for Asymptotically Safe theories, i.e. theories valid up to arbitrarily high energies. A second aspect in which the EAA reveals its usefulness are non-perturbative calculations. In fact, the exact flow that it satisfies is a valuable starting point for devising new approximation schemes. In the first part of this thesis we review and extend the formalism, in particular we derive the exact RG flow equation for the EAA and the related hierarchy of coupled flow equations for the proper-vertices. We show how standard perturbation theory emerges as a particular way to iteratively solve the flow equation, if the starting point is the bare action. Next, we explore both technical and conceptual issues by means of three different applications of the formalism, to QED, to general non-linear sigma models (NLsigmaM) and to matter fields on curved spacetimes. In the main part of this thesis we construct the EAA for non-abelian gauge theories and for quantum Einstein gravity (QEG), using the background field method to implement the coarse-graining procedure in a gauge invariant way. We propose a new truncation scheme where the EAA is expanded in powers of the curvature or field strength. Crucial to the practical use of this expansion is the development of new techniques to manage functional traces such as the algorithm proposed in this thesis. This allows to project the flow of all terms in the EAA which are analytic in the fields. As an application we show how the low energy effective action for quantum gravity emerges as the result of integrating the RG flow. In any treatment of theories with local symmetries that introduces a reference scale, the question of preserving gauge invariance along the flow emerges as predominant. In the EAA framework this problem is dealt with the use of the background field formalism. This comes at the cost of enlarging the theory space where the EAA lives to the space of functionals of both fluctuation and background fields. In this thesis, we study how the identities dictated by the symmetries are modified by the introduction of the cutoff and we study so called bimetric truncations of the EAA that contain both fluctuation and background couplings. In particular, we confirm the existence of a non-Gaussian fixed point for QEG, that is at the heart of the Asymptotic Safety scenario in quantum gravity; in the enlarged bimetric theory space where the running of the cosmological constant and of Newton's constant is influenced by fluctuation couplings.

Measuring complexity through average symmetry

This work introduces a complexity measure which addresses some conflicting issues between existing ones by using a new principle - measuring the average amount of symmetry broken by an object. It attributes low (although different) complexity to either deterministic or random homogeneous densities and higher complexity to the intermediate cases. This new measure is easily computable, breaks the coarse graining paradigm and can be straightforwardly generalized, including to continuous cases and general networks. By applying this measure to a series of objects, it is shown that it can be consistently used for both small scale structures with exact symmetry breaking and large scale patterns, for which, differently from similar measures, it consistently discriminates between repetitive patterns, random configurations and self-similar structures

The role of pinning and instability in a class of non-equilibrium growth models

We study the dynamics of a growing crystalline facet where the growth mechanism is controlled by the geometry of the local curvature. A continuum model, in (2+1) dimensions, is developed in analogy with the Kardar-Parisi-Zhang (KPZ) model is considered for the purpose. Following standard coarse graining procedures, it is shown that in the large time, long distance limit, the continuum model predicts a curvature independent KPZ phase, thereby suppressing all explicit effects of curvature and local pinning in the system, in the "perturbative" limit. A direct numerical integration of this growth equation, in 1+1 dimensions, supports this observation below a critical parametric range, above which generic instabilities, in the form of isolated pillared structures lead to deviations from standard scaling behaviour. Possibilities of controlling this instability by introducing statistically "irrelevant" (in the sense of renormalisation groups) higher ordered nonlinearities have also been discussed.

Refined composite multiscale permutation entropy to overcome multiscale permutation entropy length dependence

International audience

The multiscale entropy algorithm and its variants: a review

International audience

Räumliche Modellierung der Dynamik von Landnutzung in Hessen und ihrer Wirkung auf die biologische Kohlenstoffspeicherung - Entwicklung eines GIS-basierten Modellsystems

Die gegenwärtige Entwicklung der internationalen Klimapolitik verlangt von Deutschland eine Reduktion seiner Treibhausgasemissionen. Wichtigstes Treibhausgas ist Kohlendioxid, das durch die Verbrennung fossiler Energieträger in die Atmosphäre freigesetzt wird. Die Reduktionsziele können prinzipiell durch eine Verminderung der Emissionen sowie durch die Schaffung von Kohlenstoffsenken erreicht werden. Senken beschreiben dabei die biologische Speicherung von Kohlenstoff in Böden und Wäldern. Eine wichtige Einflussgröße auf diese Prozesse stellt die räumliche Dynamik der Landnutzung einer Region dar. In dieser Arbeit wird das Modellsystem HILLS entwickelt und zur Simulation dieser komplexen Wirkbeziehungen im Bundesland Hessen genutzt. Ziel ist es, mit HILLS über eine Analyse des aktuellen Zustands hinaus auch Szenarien über Wege der zukünftigen regionalen Entwicklung von Landnutzung und ihrer Wirkung auf den Kohlenstoffhaushalt bis 2020 zu untersuchen. Für die Abbildung der räumlichen und zeitlichen Dynamik von Landnutzung in Hessen wird das Modell LUCHesse entwickelt. Seine Aufgabe ist die Simulation der relevanten Prozesse auf einem 1 km2 Raster, wobei die Raten der Änderung exogen als Flächentrends auf Ebene der hessischen Landkreise vorgegeben werden. LUCHesse besteht aus Teilmodellen für die Prozesse: (A) Ausbreitung von Siedlungs- und Gewerbefläche, (B) Strukturwandel im Agrarsektor sowie (C) Neuanlage von Waldflächen (Aufforstung). Jedes Teilmodell umfasst Methoden zur Bewertung der Standorteignung der Rasterzellen für unterschiedliche Landnutzungsklassen und zur Zuordnung der Trendvorgaben zu solchen Rasterzellen, die jeweils am besten für eine Landnutzungsklasse geeignet sind. Eine Validierung der Teilmodelle erfolgt anhand von statistischen Daten für den Zeitraum von 1990 bis 2000. Als Ergebnis eines Simulationslaufs werden für diskrete Zeitschritte digitale Karten der Landnutzugsverteilung in Hessen erzeugt. Zur Simulation der Kohlenstoffspeicherung wird eine modifizierte Version des Ökosystemmodells Century entwickelt (GIS-Century). Sie erlaubt einen gesteuerten Simulationslauf in Jahresschritten und unterstützt die Integration des Modells als Komponente in das HILLS Modellsystem. Es werden verschiedene Anwendungsschemata für GIS-Century entwickelt, mit denen die Wirkung der Stilllegung von Ackerflächen, der Aufforstung sowie der Bewirtschaftung bereits bestehender Wälder auf die Kohlenstoffspeicherung untersucht werden kann. Eine Validierung des Modells und der Anwendungsschemata erfolgt anhand von Feld- und Literaturdaten. HILLS implementiert eine sequentielle Kopplung von LUCHesse mit GIS-Century. Die räumliche Kopplung geschieht dabei auf dem 1 km2 Raster, die zeitliche Kopplung über die Einführung eines Landnutzungsvektors, der die Beschreibung der Landnutzungsänderung einer Rasterzelle während des Simulationszeitraums enthält. Außerdem integriert HILLS beide Modelle über ein dienste- und datenbankorientiertes Konzept in ein Geografisches Informationssystem (GIS). Auf diesem Wege können die GIS-Funktionen zur räumlichen Datenhaltung und Datenverarbeitung genutzt werden. Als Anwendung des Modellsystems wird ein Referenzszenario für Hessen mit dem Zeithorizont 2020 berechnet. Das Szenario setzt im Agrarsektor eine Umsetzung der AGENDA 2000 Politik voraus, die in großem Maße zu Stilllegung von Ackerflächen führt, während für den Bereich Siedlung und Gewerbe sowie Aufforstung die aktuellen Trends der Flächenausdehnung fortgeschrieben werden. Mit HILLS ist es nun möglich, die Wirkung dieser Landnutzungsänderungen auf die biologische Kohlenstoffspeicherung zu quantifizieren. Während die Ausdehnung von Siedlungsflächen als Kohlenstoffquelle identifiziert werden kann (37 kt C/a), findet sich die wichtigste Senke in der Bewirtschaftung bestehender Waldflächen (794 kt C/a). Weiterhin führen die Stilllegung von Ackerfläche (26 kt C/a) sowie Aufforstung (29 kt C/a) zu einer zusätzlichen Speicherung von Kohlenstoff. Für die Kohlenstoffspeicherung in Böden zeigen die Simulationsexperimente sehr klar, dass diese Senke nur von beschränkter Dauer ist.

A mesoscopic simulation method for electrolyte solutions

This thesis deals with the development of a novel simulation technique for macromolecules in electrolyte solutions, with the aim of a performance improvement over current molecular-dynamics based simulation methods. In solutions containing charged macromolecules and salt ions, it is the complex interplay of electrostatic interactions and hydrodynamics that determines the equilibrium and non-equilibrium behavior. However, the treatment of the solvent and dissolved ions makes up the major part of the computational effort. Thus an efficient modeling of both components is essential for the performance of a method. With the novel method we approach the solvent in a coarse-grained fashion and replace the explicit-ion description by a dynamic mean-field treatment. Hence we combine particle- and field-based descriptions in a hybrid method and thereby effectively solve the electrokinetic equations. The developed algorithm is tested extensively in terms of accuracy and performance, and suitable parameter sets are determined. As a first application we study charged polymer solutions (polyelectrolytes) in shear flow with focus on their viscoelastic properties. Here we also include semidilute solutions, which are computationally demanding. Secondly we study the electro-osmotic flow on superhydrophobic surfaces, where we perform a detailed comparison to theoretical predictions.