Nucleation studies on graphics processing units

Ein System in einem metastabilen Zustand muss eine bestimmte Barriere in derrnfreien Energie überwinden um einen Tropfen der stabilen Phase zu formen.rnHerkömmliche Untersuchungen nehmen hierbei kugelförmige Tropfen an. Inrnanisotropen Systemen (wie z.B. Kristallen) ist diese Annahme aber nicht ange-rnbracht. Bei tiefen Temperaturen wirkt sich die Anisotropie des Systems starkrnauf die freie Energie ihrer Oberfläche aus. Diese Wirkung wird oberhalb derrnAufrauungstemperatur T R schwächer. Das Ising-Modell ist ein einfaches Mo-rndell, welches eine solche Anisotropie aufweist. Wir führen großangelegte Sim-rnulationen durch, um die Effekte, die mit einer endlichen Simulationsbox ein-rnhergehen, sowie statistische Ungenauigkeiten möglichst klein zu halten. DasrnAusmaß der Simulationen die benötigt werden um sinnvolle Ergebnisse zu pro-rnduzieren, erfordert die Entwicklung eines skalierbaren Simulationsprogrammsrnfür das Ising-Modell, welcher auf verschiedenen parallelen Architekturen (z.B.rnGrafikkarten) verwendet werden kann. Plattformunabhängigkeit wird durch ab-rnstrakte Schnittstellen erreicht, welche plattformspezifische Implementierungs-rndetails verstecken. Wir benutzen eine Systemgeometrie die es erlaubt eine Ober-rnfläche mit einem variablen Winkel zur Kristallebene zu untersuchen. Die Ober-rnfläche ist in Kontakt mit einer harten Wand, wobei der Kontaktwinkel Θ durchrnein Oberflächenfeld eingestellt werden kann. Wir leiten eine Differenzialglei-rnchung ab, welche das Verhalten der freien Energie der Oberfläche in einemrnanisotropen System beschreibt. Kombiniert mit thermodynamischer Integrationrnkann die Gleichung benutzt werden, um die anisotrope Oberflächenspannungrnüber einen großen Winkelbereich zu integrieren. Vergleiche mit früheren Mes-rnsungen in anderen Geometrien und anderen Methoden zeigen hohe Überein-rnstimung und Genauigkeit, welche vor allem durch die im Vergleich zu früherenrnMessungen wesentlich größeren Simulationsdomänen erreicht wird. Die Temper-rnaturabhängigkeit der Oberflächensteifheit κ wird oberhalb von T R durch diernKrümmung der freien Energie der Oberfläche für kleine Winkel gemessen. DiesernMessung lässt sich mit Simulationsergebnissen in der Literatur vergleichen undrnhat bessere Übereinstimmung mit theoretischen Voraussagen über das Skalen-rnverhalten von κ. Darüber hinaus entwickeln wir ein Tieftemperatur-Modell fürrndas Verhalten um Θ = 90 Grad weit unterhalb von T R. Der Winkel bleibt bis zu einemrnkritischen Feld H C quasi null; oberhalb des kritischen Feldes steigt der Winkelrnrapide an. H C wird mit der freien Energie einer Stufe in Verbindung gebracht,rnwas es ermöglicht, das kritische Verhalten dieser Größe zu analysieren. Die harternWand muss in die Analyse einbezogen werden. Durch den Vergleich freier En-rnergien bei geschickt gewählten Systemgrößen ist es möglich, den Beitrag derrnKontaktlinie zur freien Energie in Abhängigkeit von Θ zu messen. Diese Anal-rnyse wird bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt. Im letzten Kapitel wirdrneine 2D Fluiddynamik Simulation für Grafikkarten parallelisiert, welche u. a.rnbenutzt werden kann um die Dynamik der Atmosphäre zu simulieren. Wir im-rnplementieren einen parallelen Evolution Galerkin Operator und erreichen

Windkanalstudien zum Graupelwachstum und Bestimmung von Retentionskoeffizienten verschiedener Spurengase während der Bereifung

Am vertikalen Windkanal der Johannes Gutenberg-Universität Mainz wurden physikalische und chemische Bereifungsexperimente durchgeführt. Dabei lagen die Umgebungstemperaturen bei allen Experimenten zwischen etwa -15 und -5°C und der Flüssigwassergehalt erstreckte sich von 0,9 bis etwa 1,6g/m³, typische Bedingungen für Mischphasenwolken in denen Bereifung stattfindet. Oberflächentemperaturmessungen an wachsenden hängenden Graupelpartikeln zeigten, dass während der Experimente trockene Wachstumsbedingungen herrschten.rnZunächst wurde das Graupelwachstum an in einer laminaren Strömung frei schwebenden Eispartikeln mit Anfangsradien zwischen 290 und 380µm, die mit flüssigen unterkühlten Wolkentröpfchen bereift wurden, studiert. Ziel war es, den Kollektionskern aus der Massenzunahme des bereiften Eispartikels und dem mittleren Flüssigwassergehalt während des Wachstumsexperimentes zu bestimmen. Die ermittelten Werte für die Kollektionskerne der bereiften Eispartikel erstreckten sich von 0,9 bis 2,3cm³/s in Abhängigkeit ihres Kollektorimpulses (Masse * Fallgeschwindigkeit des bereifenden Graupels), der zwischen 0,04 und 0,10gcm/s lag. Bei den Experimenten zeigte sich, dass die hier gemessenen Kollektionskerne höher waren im Vergleich mit Kollektionskernen flüssiger Tropfen untereinander. Aus den aktuellen Ergebnissen dieser Arbeit und der vorhandenen Literaturwerte wurde ein empirischer Faktor entwickelt, der von dem Wolkentröpfchenradius abhängig ist und diesen Unterschied beschreibt. Für die untersuchten Größenbereiche von Kollektorpartikel und flüssigen Tröpfchen können die korrigierten Kollektionskernwerte in Wolkenmodelle für die entsprechenden Größen eingebunden werden.rnBei den chemischen Experimenten zu dieser Arbeit wurde die Spurenstoffaufnahme verschiedener atmosphärischer Spurengase (HNO3, HCl, H2O2, NH3 und SO2) während der Bereifung untersucht. Diese Experimente mussten aus technischen Gründen mit hängenden Eispartikeln, dendritischen Eiskristallen und Schneeflocken, bereift mit flüssigen Wolkenlösungströpfchen, durchgeführt werden.rnDie Konzentrationen der Lösung, aus der die Wolkentröpfchen mit Hilfe von Zweistoffdüsen erzeugt wurden, lagen zwischen 1 und 120mg/l. Für die Experimente mit Ammoniak und Schwefeldioxid wurden Konzentrationen zwischen 1 und 22mg/l verwendet. Das Schmelzwasser der bereiften hängenden Graupel und Schneeflocken wurden ionenchromatographisch analysiert und zusammen mit der bekannten Konzentration der bereifenden Wolkentröpfchen konnte der Retentionskoeffizient für jeden Spurenstoff bestimmt werden. Er gibt die Menge an Spurenstoff an, die bei der Phasenumwandlung von flüssig zu fest in die Eisphase übergeht. Salpetersäure und Salzsäure waren nahezu vollständig retiniert (Mittelwerte der gesamten Experimente entsprechend 99±8% und 100±9%). Für Wasserstoffperoxid wurde ein mittlerer Retentionskoeffizient von 65±17% bestimmt. rnDer mittlere Retentionskoeffizient von Ammoniak ergab sich unabhängig vom Flüssigwassergehalt zu 92±21%, während sich für Schwefeldioxid 53±10% für niedrige und 29±7% für hohe Flüssigphasenkonzentrationen ergaben. Bei einigen der untersuchten Spurenstoffe wurde eine Temperaturabhängigkeit beobachtet und wenn möglich durch Parametrisierungen beschrieben.rn

Flugzeuggetragene in-situ Messungen zur Eis- und Flüssigphase troposphärischer Wolken

Die Mikrophysik in Wolken bestimmt deren Strahlungseigenschaften und beeinflusst somit auch den Strahlungshaushalt des Planeten Erde. Aus diesem Grund werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit die mikrophysikalischen Charakteristika von Cirrus-Wolken sowie von arktischen Grenzschicht-Wolken behandelt. Die Untersuchung dieser Wolken wurde mithilfe verschiedener Instrumente verwirklicht, welche Partikel in einem Durchmesserbereich von 250nm bis zu 6.4mm vermessen und an Forschungsflugzeugen montiert werden. Ein Instrumentenvergleich bestätigt, dass innerhalb der Bereiche in denen sich die Messungen dieser Instrumente überlappen, die auftretenden Diskrepanzen als sehr gering einzustufen sind. Das vorrangig verwendete Instrument trägt die Bezeichnung CCP (Cloud Combination Probe) und ist eine Kombination aus einem Instrument, das Wolkenpartikel anhand von vorwärts-gerichtetem Streulicht detektiert und einem weiteren, das zweidimensionale Schattenbilder einzelner Wolkenpartikel aufzeichnet. Die Untersuchung von Cirrus-Wolken erfolgt mittels Daten der AIRTOSS-ICE (AIRcraft TOwed Sensor Shuttle - Inhomogeneous Cirrus Experiment) Kampagne, welche im Jahr 2013 über der deutschen Nord- und Ostsee stattfand. Parameter wie Partikeldurchmesser, Partikelanzahlkonzentration, Partikelform, Eiswassergehalt, Wolkenhöhe und Wolkendicke der detektierten Cirrus-Wolken werden bestimmt und im Kontext des aktuellen Wissenstandes diskutiert. Des Weiteren wird eine beprobte Cirrus-Wolke im Detail analysiert, welche den typischen Entwicklungsprozess und die vertikale Struktur dieser Wolkengattung widerspiegelt. Arktische Grenzschicht-Wolken werden anhand von Daten untersucht, die während der VERDI (VERtical Distribution of Ice in Arctic Clouds) Kampagne im Jahr 2012 über der kanadischen Beaufortsee aufgezeichnet wurden. Diese Messkampagne fand im Frühling statt, um die Entwicklung von Eis-Wolken über Mischphasen-Wolken bis hin zu Flüssigwasser-Wolken zu beobachten. Unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen tritt innerhalb von Mischphasen-Wolken der sogenannte Wegener-Bergeron-Findeisen Prozess auf, bei dem Flüssigwassertropfen zugunsten von Eispartikeln verdampfen. Es wird bestätigt, dass dieser Prozess anhand von mikrophysikalischen Messungen, insbesondere den daraus resultierenden Größenverteilungen, nachweisbar ist. Darüber hinaus wird eine arktische Flüssigwasser-Wolke im Detail untersucht, welche im Inneren das Auftreten von monomodalen Tröpfchen-Größenverteilungen zeigt. Mit zunehmender Höhe wachsen die Tropfen an und die Maxima der Größenverteilungen verschieben sich hin zu größeren Durchmessern. Dahingegen findet im oberen Übergangsbereich dieser Flüssigwasser-Wolke, zwischen Wolke und freier Atmosphäre, ein Wechsel von monomodalen zu bimodalen Tröpfchen-Größenverteilungen statt. Diese weisen eine Mode 1 mit einem Tropfendurchmesser von 20μm und eine Mode 2 mit einem Tropfendurchmesser von 10μm auf. Das dieses Phänomen eventuell typisch für arktische Flüssigwasser-Wolken ist, zeigen an dem Datensatz durchgeführte Analysen. Mögliche Entstehungsprozesse der zweiten Mode können durch Kondensation von Wasserdampf auf eingetragenen Aerosolpartikeln, die aus einer Luftschicht oberhalb der Wolke stammen oder durch Wirbel, welche trockene Luftmassen in die Wolke induzieren und Verdampfungsprozesse von Wolkentröpfchen hervorrufen, erklärt werden. Unter Verwendung einer direkten numerischen Simulation wird gezeigt, dass die Einmischung von trockenen Luftmassen in den Übergangsbereich der Wolke am wahrscheinlichsten die Ausbildung von Mode 2 verursacht.

Amphotericin B nano-formulations : development, characterisation and suitability for oral administration

In der Form von Nanokapseln (AmB-HST), Nanoemulsion beziehungsweise multilamellaren Vesikeln (MLV) wurden drei Amphotericin-B-Formulierungen für die orale Applikation entwickelt, charakterisiert und verglichen. Die neuartige homogene Nanokapsel-Formulierung des hydrophoben Polyen-Antimykotikums Amphotericin B wurde in Analogie zu einem für Simvastatin und andere Arzneistoffe etablierten Prozess aus der Reinsubstanz, Lezithin und Gelatine mit Hilfe des HST-Verfahrens hergestellt. Photometrische Untersuchungen zeigten, dass das Endprodukt aus Monomeren aufgebaut ist. Mittels Mikroskopie ließen sich die Aggregate vor der Umhüllung mit Lezithin und Gelatine im Ausgangsmaterial als individuelle kugelförmige Arzneistoffpartikel darstellen. Strukturuntersuchungen mit dynamischer licht streuung (DLS) zeigten eine enge Größenverteilung der verkapselten Partikel von ca. 1 µm. Die Struktur der Hülle der HST-Partikel wurde erstmalig mit Neutronenstreuung unter Verwendung der Deuterium-basierten Lösungsmittel kontrastmethode aufgeklärt. Durch die teilweise Kontrastmaskierung des Partikelkerns bei der Neutronenstreuung konnte die Lezithin-Gelatine-Hülle als eine dünne, 5,64 ± 0.18 nm dicke Schicht aufgelöst werden, welche der biologischen Lipidmembran ähnlich, im Vergleich aber geringfügig größer ist. Dieses Resultat eröffnet Wege für die Optimierung der Formulierung von pharmazeutischen Nanopartikeln, z.B. durch Oberflächenmodifizierungen. Weitere Untersuchungen mittels Kleinwinkelneutronenstreuung unter Verwendung der D-Kontrastvariation deuten darauf hin, dass die Komponenten der Nanokapseln nicht den gleichen Masseschwerpunkt haben, sondern asymmetrisch aufgebaut sind und dass die stärker streuenden Domänen weiter außen liegen. Die Partikel sind im Vergleich zu Liposomen dichter. In-Vitro Freisetzungsstudien belegen das Solubilisierungsvermögen des HST-Systems, wonach die Freisetzung des Arzneistoffes aus der Formulierung zu allen gemessenen Zeitpunkten höher als diejenige der Reinsubstanz war. rnDie Nanoemulsion-Formulierung von Amphotericin B wurde mit einem Öl und Tensid system, jedoch mit unterschiedlichen Co-Solvenzien, erfolgreich entwickelt. Gemäß der Bestimmung der Löslichkeit in verschiedenen Hilfsstoffen erwies sich der Arzneistoff Amphotericin B als nicht-lipophil, gleichzeitig aber auch als nicht-hydrophil. Die zur Ermittlung der für die Emulsionsbildung notwendigen Hilfstoffkonzentrationen erstellten ternären Diagramme veranschaulichten, dass hohe Öl- und Tensidgehalte zu keiner Emulsionsbildung führten. Dementsprechend betrug der höchste Ölgehalt 10%. Die Tröpfchengröße wuchs mit zunehmender Tensidkonzentration, wobei die Co-Solventmenge der Propylenglykol-haltigen Nanoemulsion indirekt verringert wurde. Für die Transcutol®P-haltige Nanoemulsion hingegen wurde das Gegenteil beobachtet, nämlich eine Abnahme der Tröpfchengröße bei steigenden Tensidkonzentrationen. Durch den Einschluss des Arzneistoffes wurde nicht die Viskosität der Formulierung, sondern die Tröpfchengröße beeinflusst. Der Wirkstoffeinschluss führte zu höheren Tröpfchengrößen. Mit zunehmender Propylenglykolkonzentration wurde der Wirkstoffgehalt erhöht, mit zunehmender Transcutol®P-Konzentration dagegen vermindert. UV/VIS-spektroskopische Analysen deuten darauf hin, dass in beiden Formulierungen Amphotericin B als Monomer vorliegt. Allerdings erwiesen sich die Formulierungen Caco-2-Zellen und humanen roten Blutkörperchen gegenüber als toxisch. Da die Kontrollproben eine höhere Toxizität als die wirkstoffhaltigen Formulierungen zeigten, ist die Toxizität nicht nur auf Amphotericin, sondern auch auf die Hilfsstoffe zurückzuführen. Die solubilisierte Wirkstoffmenge ist in beiden Formulierungen nicht ausreichend im Hinblick auf die eingesetzte Menge an Hilfsstoff nach WHO-Kriterien. Gemäß diesen Untersuchungen erscheinen die Emulsions-Formulierungen für die orale Gabe nicht geeignet. Dennoch sind Tierstudien notwendig, um den Effekt bei Tieren sowie die systemisch verfügbare Wirkstoffmenge zu ermitteln. Dies wird bestandskräftige Schlussfolgerungen bezüglich der Formulierung und Aussagen über mögliche Perspektiven erlauben. Nichtsdestotrotz sind die Präkonzentrate sehr stabil und können bei Raumtemperatur gelagert werden.rnDie multilamellar-vesikulären Formulierungen von Amphotericin B mit ungesättigten und gesättigten neutralen Phospholipiden und Cholesterin wurden erfolgreich entwickelt und enthielten nicht nur Vesikel, sondern auch zusätzliche Strukturen bei zunehmender Cholesterinkonzentration. Mittels Partikelgrößenanalyse wurden bei den Formulierungen mit gesättigten Lipiden Mikropartikel detektiert, was abhängig von der Alkylkettenlänge war. Mit dem ungesättigten Lipid (DOPC) konnten hingegen Nanopartikel mit hinreichender Verkapselung und Partikelgrößenverteilung gebildet werden. Die Ergebnisse der thermischen und FTIR-spektroskopischen Analyse, welche den Einfluss des Arzneistoffes ausschließen ließen, liefern den Nachweis für die mögliche, bereits in der Literatur beschriebene Einlagerung des Wirkstoffs in lipid- und/oder cholesterinreiche Membranen. Mit Hilfe eines linearen Saccharosedichtegradienten konnte die Formulierung in Vesikel und Wirkstoff-Lipid-Komplexe nach bimodaler Verteilung aufgetrennt werden, wobei der Arzneistoff stärker mit den Komplexen als mit den Vesikeln assoziiert ist. Bei den Kleinwinkelneutronenstreu-Experimenten wurde die Methode der Kontrastvariation mit Erfolg angewendet. Dabei konnte gezeigt werden, dass Cholesterol in situ einen Komplex mit Amphotericin B bildet. Diesen Sachverhalt legt unter anderem die beobachtete Differenz in der äquivalenten Streulängendichte der Wirkstoff-Lipid- und Wirkstoff-Lipid-Cholesterin-haltigen kleinen unilamellaren Vesikeln nahe. Das Vorkommen von Bragg-Peaks im Streuprofil weist auf Domänen hin und systematische Untersuchungen zeigten, dass die Anzahl der Domänen mit steigendem Cholesteringehalt zunimmt, ab einem bestimmten Grenzwert jedoch wieder abnimmt. Die Domänen treten vor allem nahe der Außenfläche der Modellmembran auf und bestätigen, dass der Wirkstoff in den Cholesterinreichen Membranen vertikal eingelagert ist. Die Formulierung war sowohl Caco-2-Zellen als auch humanen roten Blutkörperchen gegenüber nicht toxisch und erwies sich unter Berücksichtigung der Aufnahme in Caco-2-Zellen als vielversprechend für die orale Applikation. Die Formulierung zeigt sich somit aussichtsreich und könnte in Tabletten weiterverarbeitet werden. Ein Filmüberzug würde den Wirkstoff gegen die saure Umgebung im Magen schützen. Für die Bestimmung der systemischen Verfügbarkeit der Formulierung sind Tierstudien notwendig. Die entwickelten multilamellaren Formulierungen einschließlich der Wirkstoff-Cholesterin-Komplexe bieten somit gute Aussichten auf die mögliche medizinische Anwendung. rnrn

Protocolli e applicazioni della reazione a catena della polimerasi (PCR).

Con il seguente lavoro di tesi si propone un excursus dell’evoluzione della tecnica che ha permesso l’amplificazione del DNA in laboratorio, spiegandone i principi elementari di base. La scoperta che il DNA è il depositario dell’informazione genica ha aperto la strada a una nuova disciplina: la biologia molecolare, dove molte delle tecniche utilizzate limitano le funzioni naturali degli acidi nucleici. Dalla sua introduzione, la tecnologia PCR ha modificato il modo nel quale l’analisi del DNA viene condotta nei laboratori di ricerca e di diagnostica. Con lo scopo di rilevare direttamente sequenze genomiche specifiche in un campione biologico nasce l’esigenza di avere a disposizione metodologie con un’elevata soglia di sensibilità e specificità. Il primo capitolo di questo elaborato introduce la PCR nella sua prima formulazione. A partire da quantità estremamente ridotte di DNA, questa tecnica di amplificazione in vitro, consente di ottenere rapidamente milioni di molecole identiche della sequenza bersaglio di acido nucleico. A seguire, nel secondo capitolo, verrà trattata un’implementazione della PCR: la real-time PCR. La RT-PCR, introduce nuove opportunità poiché rende possibile la misurazione diretta e la quantificazione della reazione mentre è in atto. Con l’utilizzo di molecole fluorescenti che vengono incorporate nel prodotto in formazione o che si intercalano alla doppia elica, si può monitorare la formazione del prodotto di amplificazione in tempo reale seguendone l’assorbimento con un sistema spettrofotometrico, in un sistema automatizzato che provvede anche alle routine della PCR. Nel terzo e ultimo capitolo si analizza una nuova tecnologia recentemente commercializzata: la PCR in formato digitale. Verranno prese in esame essenzialmente due metodologie, la dPCR su chip e la ddPCR (Droplet Digital Polymerase Chain Reaction).

DESIGN OF A LIQUID FUEL INJECTOR FOR ALTERNATIVE FUEL STUDIES IN AN ATMOSPHERIC MODEL GAS TURBINE COMBUSTOR

A new liquid-fuel injector was designed for use in the atmospheric-pressure, model gas turbine combustor in Bucknell University’s Combustion Research Laboratory during alternative fuel testing. The current liquid-fuel injector requires a higher-than-desired pressure drop and volumetric flow rate to provide proper atomization of liquid fuels. An air-blast atomizer type of fuel injector was chosen and an experiment utilizing water as the working fluid was performed on a variable-geometry prototype. Visualization of the spray pattern was achieved through photography and the pressure drop was measured as a function of the required operating parameters. Experimental correlations were used to estimate droplet sizes over flow conditions similar to that which would be experienced in the actual combustor. The results of this experiment were used to select the desired geometric parameters for the proposed final injector design and a CAD model was generated. Eventually, the new injector will be fabricated and tested to provide final validation of the design prior to use in the combustion test apparatus.

Echinococcus multilocularis: the impact of ionizing radiation on metacestodes

Alveolar echinococcosis is caused by the metacestode stage of the fox tapeworm Echinococcus multilocularis. Current chemotherapeutical options for the treatment of echinococcosis are not satisfactory, and novel drugs and/or other potential means of therapy are needed. E. multilocularis metacestodes are characterized by almost potentially unlimited growth, and also display other features of cancerous tumours. In this study, we exposed metacestodes that were generated in vitro to 50-100 Gy ionizing irradiation, and subsequently investigated the short-term (10-12 days post-treatment) and long-term (14 weeks post-treatment) effects. We found, that in the short-term, no release of alkaline phosphatase (EmAP) activity as a measure for potentially induced damage and loss of viability could be detected, and that the protein expression pattern and protease activities in vesicle fluids and medium supernatants did not alter dramatically following irradiation. However, irradiation was associated with distinct morphological and ultrastructural alterations in the tissue of metacestodes, affecting most notably cell-cell contacts, mitochondrial shape, glycogen-storage cells and lipid droplet formation. These could be detected already at 10 days following treatment and remained as such also in the long-term. In addition, as determined after 14 weeks of culture, irradiation affected the proliferation and the growth of E. multilocularis metacestodes. Thus, we demonstrate that radiotherapy does not have a clear-cut parasitocidal effect, but can lead to metabolic impairment of E. multilocularis metacestodes, as reflected by the distinct morphological and structural alterations induced by irradiation treatment.

Continuous Formation and Separation of Calcium-Alginate Capsules Containing Viable Mammalian Cells in Microfluidic Devices

Microfluidic devices can be used for many applications, including the formation of well-controlled emulsions. In this study, the capability to continuously create monodisperse droplets in a microfluidic device was used to form calcium-alginate capsules.Calcium-alginate capsules have many potential uses, such as immunoisolation of cells and microencapsulation of active drug ingredients or bitter agents in food or beverage products. The gelation of calcium-alginate capsules is achieved by crosslinking sodiumalginate with calcium ions. Calcium ions dissociated from calcium carbonate due to diffusion of acetic acid from a sunflower oil phase into an aqueous droplet containing sodium-alginate and calcium carbonate. After gelation, the capsules were separated from the continuous oil phase into an aqueous solution for use in biological applications. Typically, capsules are separated bycentrifugation, which can damage both the capsules and the encapsulated material. A passive method achieves separation without exposing the encapsulated material or the capsules to large mechanical forces, thereby preventing damage. To achieve passiveseparation, the use of a microfluidic device with opposing channel wa hydrophobicity was used to stabilize co-laminar flow of im of hydrophobicity is accomplished by defining one length of the channel with a hydrogel. The chosen hydrogel was poly (ethylene glycol) diacrylate, which adheres to the glass surface through the use of self-assembled monolayer of 3-(trichlorosilyl)-propyl methacrylate. Due to the difference in surface energy within the channel, the aqueous stream is stabilized near a hydrogel and the oil stream is stabilized near the thiolene based optical adhesive defining the opposing length of the channel. Passive separation with co-laminar flow has shown success in continuously separating calcium-alginatecapsules from an oil phase into an aqueous phase. In addition to successful formation and separation of calcium alginate capsules,encapsulation of Latex micro-beads and viable mammalian cells has been achieved. The viability of encapsulated mammalian cells was determined using a live/dead stain. The co-laminar flow device has also been demonstrated as a means of separating liquid-liquidemulsions.

The Investigation of Uniform, Monodisperse Crystalline Particles via the Evaporation of Small Droplets

Many industrial solids processes require the production of disperse particles. In industries such as food, personal care, and pharmaceuticals, particle formation is widely used to produce solid products or to separate substances in intermediate process steps. The most important characteristics known to impact the effectiveness of a solid product are purity, size, internal structure, and morphology. These characteristics are essential to maintain optimal operation of subsequent process steps and for obtaining the desired high quality product. This thesis aims to aid in the advancement of particle production technology by (1) investigating the use of a vibrating orifice aerosol generator (VOAG) for collecting data to predict particle attributes including morphology, size, and internal structure as a function of processing parameters such as solvent, solution concentration, air flow rate, and initial droplet size, as well as to (2) determine the extent to which uniform droplet evaporation can be a tool to achieve novel particle morphologies, controlled sizes, or internal structures (crystallinity and crystal form). Experimental results for succinic acid, L-serine, and L-glutamic acid suggest that particles of controlled characteristics can indeed be produced by this method. Analysis by scanning electron microscopy (SEM), nanoindentation, and X-ray diffraction (XRD) shows that various sizes, internal structures, and morphologies can be obtained using the VOAG. Furthermore, unique morphologies and unexpected internal structures were able to be achieved for succinic acid, providing an added benefit to particle formation by this method.

Implementation of a phenomenological evaporation model into a porous network simulation for water management in low temperature fuel cells

A phenomenological transition film evaporation model was introduced to a pore network model with the consideration of pore radius, contact angle, non-isothermal interface temperature, microscale fluid flows and heat and mass transfers. This was achieved by modeling the transition film region of the menisci in each pore throughout the porous transport layer of a half-cell polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell. The model presented in this research is compared with the standard diffusive fuel cell modeling approach to evaporation and shown to surpass the conventional modeling approach in terms of predicting the evaporation rates in porous media. The current diffusive evaporation models used in many fuel cell transport models assumes a constant evaporation rate across the entire liquid-air interface. The transition film model was implemented into the pore network model to address this issue and create a pore size dependency on the evaporation rates. This is accomplished by evaluating the transition film evaporation rates determined by the kinetic model for every pore containing liquid water in the porous transport layer (PTL). The comparison of a transition film and diffusive evaporation model shows an increase in predicted evaporation rates for smaller pore sizes with the transition film model. This is an important parameter when considering the micro-scaled pore sizes seen in the PTL and becomes even more substantial when considering transport in fuel cells containing an MPL, or a large variance in pore size. Experimentation was performed to validate the transition film model by monitoring evaporation rates from a non-zero contact angle water droplet on a heated substrate. The substrate was a glass plate with a hydrophobic coating to reduce wettability. The tests were performed at a constant substrate temperature and relative humidity. The transition film model was able to accurately predict the drop volume as time elapsed. By implementing the transition film model to a pore network model the evaporation rates present in the PTL can be more accurately modeled. This improves the ability of a pore network model to predict the distribution of liquid water and ultimately the level of flooding exhibited in a PTL for various operating conditions.

Fluidic oscillator design for water removal enhancement in a PEM fuel cell

This research initiative was triggered by the problems of water management of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC). In low temperature fuel cells such as PEMFC, some of the water produced after the chemical reaction remains in its liquid state. Excess water produced by the fuel cell must be removed from the system to avoid flooding of the gas diffusion layers (GDL). The GDL is responsible for the transport of reactant gas to the active sites and remove the water produced from the sites. If the GDL is flooded, the supply gas will not be able to reach the reactive sites and the fuel cell fails. The choice of water removal method in this research is to exert a variable asymmetrical force on a liquid droplet. As the drop of liquid is subjected to an external vibrational force in the form of periodic wave, it will begin to oscillate. A fluidic oscillator is capable to produce a pulsating flow using simple balance of momentum fluxes between three impinging jets. By connecting the outputs of the oscillator to the gas channels of a fuel cell, a flow pulsation can be imposed on a water droplet formed within the gas channel during fuel cell operation. The lowest frequency produced by this design is approximately 202 Hz when a 20 inches feed-back port length was used and a supply pressure of 5 psig was introduced. This information was found by setting up a fluidic network with appropriate data acquisition. The components include a fluidic amplifier, valves and fittings, flow meters, a pressure gage, NI-DAQ system, Siglab®, Matlab software and four PCB microphones. The operating environment of the water droplet was reviewed, speed of the sound pressure which travels down the square channel was precisely estimated, and measurement devices were carefully selected. Applicable alternative measurement devices and its application to pressure wave measurement was considered. Methods for experimental setup and possible approaches were recommended, with some discussion of potential problems with implementation of this technique. Some computational fluid dynamic was also performed as an approach to oscillator design.

QUADRUPOLE LEVITATION OF PARTICLES IN A THERMODYNAMICALLY REALISTIC CLOUD ENVIRONMENT

Understanding clouds and their role in climate depends in part on our ability to understand how individual cloud particles respond to environmental conditions. Keeping this objective in mind, a quadrupole trap with thermodynamic control has been designed and constructed in order to create an environment conducive to studying clouds in the laboratory. The quadrupole trap allows a single cloud particle to be suspended for long times. The temperature and water vapor saturation ratio near the trapped particle is controlled by the flow of saturated air through a tube with a discontinuous wall temperature. The design has the unique aspect that the quadrupole electrodes are submerged in heat transfer fluid, completely isolated from the cylindrical levitation volume. This fluid is used in the thermodynamic system to cool the chamber to realistic cloud temperatures, and a heated section of the tube provides for the temperature discontinuity. Thus far, charged water droplets, ranging from about 30-70 microns in diameter have been levitated. In addition, the thermodynamic system has been shown to create the necessary thermal conditions that will create supersaturated conditions in subsequent experiments. These advances will help lead to the next generation of ice nucleation experiments, moving from hemispherical droplets on a substrate to a spherical droplet that is not in contact with any surface.

Microfluidic fabrication of advanced microcapsules for use in self-healing materials

The proposed work aims to facilitate the development of a microfluidic platform for the production of advanced microcapsules containing active agents which can be the functional constituents of self-healing composites. The creation of such microcapsules is enabled by the unique flow characteristics within microchannels including precise control over shear and interfacial forces for droplet creation and manipulation as well as the ability to form a solid shell either chemically or via the addition of thermal or irradiative energy. Microchannel design and a study of the fluid dynamics and mechanisms for shell creation are undertaken in order to establish a fabrication approach capable of producing healing-agent-containing microcapsules. An in-depth study of the process parameters has been undertaken in order to elucidate the advantages of this production technique including precise control of size (i.e., monodispersity) and surface morphology of the microcapsules. This project also aims to aid the optimization of the mechanical properties as well as healing performance of self-healing composites by studying the effects of the advantageous properties of the as-produced microcapsules. Scale-up of the microfluidic fabrication using parallel devices on a single chip as well as on-chip microcapsule production and shape control will also be investigated. It will be demonstrated that microfluidic fabrication is a versatile approach for the efficient creation of functional microcapsules allowing for superior design of self-healing composites.

MAGNETO-PHOTONIC CRYSTALS FOR OPTICAL SENSING APPLICATIONS

Among the optical structures investigated for optical sensing purpose, a significant amount of research has been conducted on photonic crystal based sensors. A particular advantage of photonic crystal based sensors is that they show superior sensitivity for ultra-small volume sensing. In this study we investigate polarization changes in response to the changes in the cover index of magneto-optic active photonic band gap structures. One-dimensional photonic-band gap structures fabricated on iron garnet materials yield large polarization rotations at the band gap edges. The enhanced polarization effects serve as an excellent tool for chemical sensing showing high degree of sensitivity for photonic crystal cover refractive index changes. The one dimensional waveguide photonic crystals are fabricated on single-layer bismuth-substituted rare earth iron garnet films ((Bi, Y, Lu)3(Fe, Ga)5O12 ) grown by liquid phase epitaxy on gadolinium gallium garnet substrates. Band gaps have been observed where Bragg scattering conditions links forward-going fundamental waveguide modes to backscattered high-order waveguide modes. Large near-band-edge polarization rotations which increase progressively with backscattered-mode order have been experimentally demonstrated for multiple samples with different composition, film thickness and fabrication parameters. Experimental findings are supported by theoretical analysis of Bloch modes polarization states showing that large near stop-band edge rotations are induced by the magneto-photonic crystal. Theoretical and experimental analysis conducted on polarization rotation sensitivity to waveguide photonic crystal cover refractive index changes shows a monotonic enhancement of the rotation with cover index. The sensor is further developed for selective chemical sensing by employing Polypyrrole as the photonic crystal cover layer. Polypyrrole is one of the extensively studied conducting polymers for selective analyte detection. Successful detection of aqueous ammonia and methanol has been achieved with Polypyrrole deposited magneto-photonic crystals.

Two-Phase Flow In Microchannels: Morphology And Interface Phenomena

The existence and morphology, as well as the dynamics of micro-scale gas-liquid interfaces is investigated numerically and experimentally. These studies can be used to assess liquid management issues in microsystems such as PEMFC gas flow channels, and are meant to open new research perspectives in two-phase flow, particularly in film deposition on non-wetting surfaces. For example the critical plug volume data can be used to deliver desired length plugs, or to determine the plug formation frequency. The dynamics of gas-liquid interfaces, of interest for applications involving small passages (e.g. heat exchangers, phase separators and filtration systems), was investigated using high-speed microscopy - a method that also proved useful for the study of film deposition processes. The existence limit for a liquid plug forming in a mixed wetting channel is determined by numerical simulations using Surface Evolver. The plug model simulate actual conditions in the gas flow channels of PEM fuel cells, the wetting of the gas diffusion layer (GDL) side of the channel being different from the wetting of the bipolar plate walls. The minimum plug volume, denoted as critical volume is computed for a series of GDL and bipolar plate wetting properties. Critical volume data is meant to assist in the water management of PEMFC, when corroborated with experimental data. The effect of cross section geometry is assessed by computing the critical volume in square and trapezoidal channels. Droplet simulations show that water can be passively removed from the GDL surface towards the bipolar plate if we take advantage on differing wetting properties between the two surfaces, to possibly avoid the gas transport blockage through the GDL. High speed microscopy was employed in two-phase and film deposition experiments with water in round and square capillary tubes. Periodic interface destabilization was observed and the existence of compression waves in the gas phase is discussed by taking into consideration a naturally occurring convergent-divergent nozzle formed by the flowing liquid phase. The effect of channel geometry and wetting properties was investigated through two-phase water-air flow in square and round microchannels, having three static contact angles of 20, 80 and 105 degrees. Four different flow regimes are observed for a fixed flow rate, this being thought to be caused by the wetting behavior of liquid flowing in the corners as well as the liquid film stability. Film deposition experiments in wetting and non-wetting round microchannels show that a thicker film is deposited for wetting conditions departing from the ideal 0 degrees contact angle. A film thickness dependence with the contact angle theta as well as the Capillary number, in the form h_R ~ Ca^(2/3)/ cos(theta) is inferred from scaling arguments, for contact angles smaller than 36 degrees. Non-wetting film deposition experiments reveal that a film significantly thicker than the wetting Bretherton film is deposited. A hydraulic jump occurs if critical conditions are met, as given by a proposed nondimensional parameter similar to the Froude number. Film thickness correlations are also found by matching the measured and the proposed velocity derived in the shock theory. The surface wetting as well as the presence of the shock cause morphological changes in the Taylor bubble flow.