Homogeneous analysis of a sample of Open Clusters in the context of the BOCCE project and the Gaia-ESO Survey

The open clusters (OC) are gravitationally bound systems of a few tens or hundreds of stars. In our Galaxy, the Milky Way, we know about 3000 open clusters, of very different ages in the range of a few millions years to about 9 Gyr. OCs are mainly located in the Galactic thin disc, with distances from the Galactic centre in the range 4-22 kpc and a height scale on the disc of about 200 pc. Their chemical properties trace those of the environment in which they formed and the metallicity is in the range -0.5<[Fe/H]<+0.5 dex. Through photometry and spectroscopy it is possible to study relatively easily the properties of the OCs and estimate their age, distance, and chemistry. For these reasons they are considered primary tracers of the chemical properties and chemical evolution of the Galactic disc. The main subject of this thesis is the comprehensive study of several OCs. The research embraces two different projects: the Bologna Open Cluster Chemical Evolution project (BOCCE) and the Gaia-ESO Survey. The first is a long-term programme, aiming at studying the chemical evolution of the Milky Way disc by means of a homogeneous sample of OCs. The latter is a large public spectroscopy survey, conducted with the high-resolution spectrograph FLAMES@VLT and targeting about 10^5 stars in different part of the Galaxy and 10^4 stars in about 100 OCs. The common ground between the two projects is the study of the properties of the OCs as tracers of the disc's characteristics. The impressive scientific outcome of the Gaia-ESO Survey and the unique framework of homogeneity of the BOCCE project can propose, especially once combined together, a much more accurate description of the properties of the OCs. In turn, this will give fundamental constraints for the interpretation of the properties of the Galactic disc.

Numerical study of homogeneous and heterogeneous crystal nucleation in colloidal systems

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Computersimulationen von Keimbildungs- und Kris\-tallisationsprozessen in rnkolloidalen Systemen durchgef\"uhrt. rnEine Kombination von Monte-Carlo-Simulationsmethoden und der Forward-Flux-Sampling-Technik wurde rnimplementiert, um die homogene und heterogene Nukleation von Kristallen monodisperser Hart\-kugeln zu untersuchen. rnIm m\"a\ss{ig} unterk\"uhlten Bulk-Hartkugelsystem sagen wir die homogenen Nukleationsraten voraus und rnvergleichen die Resultate mit anderen theoretischen Ergebnissen und experimentellen Daten. rnWeiterhin analysieren wir die kristallinen Cluster in den Keimbildungs- und Wachstumszonen, rnwobei sich herausstellt, dass kristalline Cluster sich in unterschiedlichen Formen im System bilden. rnKleine Cluster sind eher l\"anglich in eine beliebige Richtung ausgedehnt, w\"ahrend gr\"o\ss{ere} rnCluster kompakter und von ellipsoidaler Gestalt sind. rn rnIm n\"achsten Teil untersuchen wir die heterogene Keimbildung an strukturierten bcc (100)-W\"anden. rnDie 2d-Analyse der kristallinen Schichten an der Wand zeigt, dass die Struktur der rnWand eine entscheidende Rolle in der Kristallisation von Hartkugelkolloiden spielt. rnWir sagen zudem die heterogenen Kristallbildungsraten bei verschiedenen \"Ubers\"attigungsgraden voraus. rnDurch Analyse der gr\"o\ss{ten} Cluster an der Wand sch\"atzen wir zus\"atzlich den Kontaktwinkel rnzwischen Kristallcluster und Wand ab. rnEs stellt sich heraus, dass wir in solchen Systemen weit von der Benetzungsregion rnentfernt sind und der Kristallisationsprozess durch heterogene Nukleation stattfindet. rn rnIm letzten Teil der Arbeit betrachten wir die Kristallisation von Lennard-Jones-Kolloidsystemen rnzwischen zwei ebenen W\"anden. rnUm die Erstarrungsprozesse f\"ur ein solches System zu untersuchen, haben wir eine Analyse des rnOrdnungsparameters f\"ur die Bindung-Ausrichtung in den Schichten durchgef\"urt. rnDie Ergebnisse zeigen, dass innerhalb einer Schicht keine hexatische Ordnung besteht, rnwelche auf einen Kosterlitz-Thouless-Schmelzvorgang hinweisen w\"urde. rnDie Hysterese in den Erhitzungs-Gefrier\-kurven zeigt dar\"uber hinaus, dass der Kristallisationsprozess rneinen aktivierten Prozess darstellt.

Experimentelle Untersuchung von Phasenübergängen im kolloidalen Modellsystem harter Kugeln

Die vorliegende Arbeit behandelt den fluid-kristallinen Phasenübergang sowie den Glasübergang anhand von kolloidalen Hart-Kugel(HK)-Modellsystemen. Die Untersuchungen erfolgen dabei im Wesentlichen mit unterschiedlichen Lichtstreumethoden und daher im reziproken Raum. rnDie Analyse der Kristallisationskinetik zeigt, dass es bei der Kristallisation zu signifikanten Abweichungen vom Bild der klassischen Nukleationstheorie (CNT) kommt. Diese geht von einem einstufigen Nukleationsprozess aus, wohingegen bei den hier durchgeführten Experimenten ein mehrstufiger Prozess beobachtet wird. Vor der eigentlichen Kristallisation kommt es zunächst zur Nukleation einer metastabilen Zwischenphase, sogenannter Precursor. In einer zweiten Stufe erfolgt innerhalb der Precursor die eigentliche Nukleation der Kristallite. rnDurch weitere Analyse und den Vergleich des Kristallisations- und Verglasungsszenarios konnte das Konzept der Precursornukleation auf den Vorgang der Verglasung erweitert werden. Während die Kristallnukleation oberhalb des Glasübergangspunktes zum Erliegen kommt, bleibt der Prozess der Precursornukleation auch bei verglasenden Proben erhalten. Ein Glas erstarrt somit in einem amorphen Zustand mit lokalen Precursorstrukturen. Die Korrelation der gemessenen zeitlichen Entwicklung der strukturellen sowie der dynamischen Eigenschaften zeigt darüber hinaus, dass das bisher unverstandene Ageing-Phänomen von HK-Gläsern mit der Nukleation von Precursorn zusammenhängt.rnEin solches mehrstufiges Szenario wurde bereits in früheren Veröffentlichungen beobachtet. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Messungen ermöglichten erstmals die Bestimmung von Kristallnukleationsratendichten (Kristall-NRD) und Ratendichten für die Precursornukleation bis über den Glasübergangspunkt hinaus. Die Kristall-NRD bestätigen die Resultate aus anderen experimentellen Arbeiten. Die weiteren Analysen der Kristall-NRD belegen, dass die fluid-kristalline Grenzflächenspannung bei der Nukleation entgegen den Annahmen der CNT nicht konstant ist, sondern mit ansteigendem Volumenbruch linear zunimmt. Die Erweiterung der CNT um eine linear zunehmende Grenzflächenspannung ermöglichte eine quantitative Beschreibung der gemessenen Kristall- sowie der Precursor-NRD, was den Schluss zulässt, dass es sich in beiden Fällen um einen Boltzmann-aktivierten Prozess handelt. rnUm die beobachteten Abweichungen des Nukleationsprozesses vom Bild der CNT näher zu untersuchen, wurden die kollektiven Partikeldynamiken in stabilen Fluiden und metastabilen Schmelzen analysiert. Im klassischen Bild wird angenommen, dass die kollektive Partikeldynamik beim Vorgang der Nukleation keine Rolle spielt. Anhand der Resultate zeigen sich Abweichungen in der Dynamik stabiler Fluide und metastabiler Schmelzen. Während die kollektive Partikeldynamik in der stabilen Schmelze von der Struktur entkoppelt ist, tritt oberhalb des Phasenübergangspunktes eine Kopplung von Struktur und Dynamik auf. Dabei treten die Abweichungen zunächst in der Umgebung des ersten Strukturfaktormaximums und somit bei den am stärksten besetzten Moden auf. Mit steigender Unterkühlung nehmen die Anzahl der abweichenden Moden sowie die Stärke der Abweichungen zu. Dieses Phänomen könnte einen signifikanten Einfluss auf den Nukleationsprozess und somit auf die Kristallisationskinetik haben. Die Analyse der Dynamik im stabilen Fluid zeigt darüber hinaus Hinweise auf eine Singularität bei Annäherung an den fluid-kristallinen Phasenübergangspunkt.rnDes Weiteren wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit erstmals Ratendichten für die heterogene Nukleation eines HK-Systems an einer flachen Wand mittels statischer Lichtstreuung (SLS) bestimmt. Die Ergebnisse der Messung zeigen, dass die Nukleationsbarriere der heterogenen Nukleation annähernd Null ist und folglich eine vollständige Benetzung der Wand mit einer kristallinen Monolage vorliegt. Die Erweiterung der Untersuchungen auf gekrümmte Oberflächen in Form von sphärischen Partikeln (Seeds) stellt die erste experimentelle Arbeit dar, die den Einfluss eines Ensembles von Seeds auf die Kristallisationskinetik in HK-Systemen untersucht. Die Kristallisationskinetik und die Mikrostruktur werden abhängig von Größe und Anzahldichte der Seed-Partikel signifikant beeinflusst. In Übereinstimmung mit konfokalmikroskopischen Experimenten und Simulationen spielt dabei das Radienverhältnis der Majoritäts- zur Minoritätskomponente eine entscheidende Rolle.

Numerical simulation of some viscoelastic fluids

Numerical simulation of the Oldroyd-B type viscoelastic fluids is a very challenging problem. rnThe well-known High Weissenberg Number Problem" has haunted the mathematicians, computer scientists, and rnengineers for more than 40 years. rnWhen the Weissenberg number, which represents the ratio of elasticity to viscosity, rnexceeds some limits, simulations done by standard methods break down exponentially fast in time. rnHowever, some approaches, such as the logarithm transformation technique can significantly improve rnthe limits of the Weissenberg number until which the simulations stay stable. rnrnWe should point out that the global existence of weak solutions for the Oldroyd-B model is still open. rnLet us note that in the evolution equation of the elastic stress tensor the terms describing diffusive rneffects are typically neglected in the modelling due to their smallness. However, when keeping rnthese diffusive terms in the constitutive law the global existence of weak solutions in two-space dimension rncan been shown. rnrnThis main part of the thesis is devoted to the stability study of the Oldroyd-B viscoelastic model. rnFirstly, we show that the free energy of the diffusive Oldroyd-B model as well as its rnlogarithm transformation are dissipative in time. rnFurther, we have developed free energy dissipative schemes based on the characteristic finite element and finite difference framework. rnIn addition, the global linear stability analysis of the diffusive Oldroyd-B model has also be discussed. rnThe next part of the thesis deals with the error estimates of the combined finite element rnand finite volume discretization of a special Oldroyd-B model which covers the limiting rncase of Weissenberg number going to infinity. Theoretical results are confirmed by a series of numerical rnexperiments, which are presented in the thesis, too.

Fluids and barriers of the CNS establish immune privilege by confining immune surveillance to a two-walled castle moat surrounding the CNS castle

Neuronal activity within the central nervous system (CNS) strictly depends on homeostasis and therefore does not tolerate uncontrolled entry of blood components. It has been generally believed that under normal conditions, the endothelial blood-brain barrier (BBB) and the epithelial blood-cerebrospinal fluid barrier (BCSFB) prevent immune cell entry into the CNS. This view has recently changed when it was realized that activated T cells are able to breach the BBB and the BCSFB to perform immune surveillance of the CNS. Here we propose that the immune privilege of the CNS is established by the specific morphological architecture of its borders resembling that of a medieval castle. The BBB and the BCSFB serve as the outer walls of the castle, which can be breached by activated immune cells serving as messengers for outside dangers. Having crossed the BBB or the BCSFB they reach the castle moat, namely the cerebrospinal fluid (CSF)-drained leptomeningeal and perivascular spaces of the CNS. Next to the CNS parenchyma, the castle moat is bordered by a second wall, the glia limitans, composed of astrocytic foot processes and a parenchymal basement membrane. Inside the castle, that is the CNS parenchyma proper, the royal family of sensitive neurons resides with their servants, the glial cells. Within the CSF-drained castle moat, macrophages serve as guards collecting all the information from within the castle, which they can present to the immune-surveying T cells. If in their communication with the castle moat macrophages, T cells recognize their specific antigen and see that the royal family is in danger, they will become activated and by opening doors in the outer wall of the castle allow the entry of additional immune cells into the castle moat. From there, immune cells may breach the inner castle wall with the aim to defend the castle inhabitants by eliminating the invading enemy. If the immune response by unknown mechanisms turns against self, that is the castle inhabitants, this may allow for continuous entry of immune cells into the castle and lead to the death of the castle inhabitants, and finally members of the royal family, the neurons. This review will summarize the molecular traffic signals known to allow immune cells to breach the outer and inner walls of the CNS castle moat and will highlight the importance of the CSF-drained castle moat in maintaining immune surveillance and in mounting immune responses in the CNS.

Stereoselective determination of drugs and metabolites in body fluids, tissues and microsomal preparations by capillary electrophoresis (2000-2010)

During the past two decades, chiral capillary electrophoresis (CE) emerged as a promising, effective and economic approach for the enantioselective determination of drugs and their metabolites in body fluids, tissues and in vitro preparations. This review discusses the principles and important aspects of CE-based chiral bioassays, provides a survey of the assays developed during the past 10 years and presents an overview of the key achievements encountered in that time period. Applications discussed encompass the pharmacokinetics of drug enantiomers in vivo and in vitro, the elucidation of the stereoselectivity of drug metabolism in vivo and in vitro, and bioanalysis of drug enantiomers of toxicological, forensic and doping interest. Chiral CE was extensively employed for research purposes to investigate the stereoselectivity associated with hydroxylation, dealkylation, carboxylation, sulfoxidation, N-oxidation and ketoreduction of drugs and metabolites. Enantioselective CE played a pivotal role in many biomedical studies, thereby providing new insights into the stereoselective metabolism of drugs in different species which might eventually lead to new strategies for optimization of pharmacotherapy in clinical practice.

Detection of Mycoplasma mycoides subsp. mycoides SC in bronchoalveolar lavage fluids of cows based on a TaqMan real-time PCR discriminating wild type strains from an lppQ(-) mutant vaccine strain used for DIVA-strategies

Contagious bovine pleuropneumonia (CBPP) is the most serious cattle disease in Africa, caused by Mycoplasma mycoides subsp. mycoides small-colony type (SC). CBPP control strategies currently rely on vaccination with a vaccine based on live attenuated strains of the organism. Recently, an lppQ(-) mutant of the existing vaccine strain T1/44 has been developed (Janis et al., 2008). This T1lppQ(-) mutant strain is devoid of lipoprotein LppQ, a potential virulence attribute of M. mycoides subsp. mycoides SC. It is designated as a potential live DIVA (Differentiating Infected from Vaccinated Animals) vaccine strain allowing both serological and etiological differentiation. The present paper reports on the validation of a control strategy for CBPP in cattle, whereby a TaqMan real-time PCR based on the lppQ gene has been developed for the direct detection of M. mycoides subsp. mycoides SC in ex vivo bronchoalveolar lavage fluids of cows and for the discrimination of wild type strains from the lppQ(-) mutant vaccine strain.

Strong Dynamical Heterogeneity and Universal Scaling in Driven Granular Fluids

Large-scale simulations of two-dimensional bidisperse granular fluids allow us to determine spatial correlations of slow particles via the four-point structure factor S-4 (q, t). Both cases, elastic (epsilon = 1) and inelastic (epsilon < 1) collisions, are studied. As the fluid approaches structural arrest, i.e., for packing fractions in the range 0.6 <= phi <= 0.805, scaling is shown to hold: S-4 (q, t)/chi(4)(t) = s(q xi(t)). Both the dynamic susceptibility chi(4)(tau(alpha)) and the dynamic correlation length xi(tau(alpha)) evaluated at the alpha relaxation time tau(alpha) can be fitted to a power law divergence at a critical packing fraction. The measured xi(tau(alpha)) widely exceeds the largest one previously observed for three-dimensional (3d) hard sphere fluids. The number of particles in a slow cluster and the correlation length are related by a robust power law, chi(4)(tau(alpha)) approximate to xi(d-p) (tau(alpha)), with an exponent d - p approximate to 1.6. This scaling is remarkably independent of epsilon, even though the strength of the dynamical heterogeneity at constant volume fraction depends strongly on epsilon.