Quantum critical scaling at a Bose-glass/superfluid transition: Theory and experiment for a model quantum magnet

In this paper we investigate the quantum phase transition from magnetic Bose Glass to magnetic Bose-Einstein condensation induced by amagnetic field in NiCl2 center dot 4SC(NH2)(2) (dichloro-tetrakis-thiourea-nickel, or DTN), doped with Br (Br-DTN) or site diluted. Quantum Monte Carlo simulations for the quantum phase transition of the model Hamiltonian for Br-DTN, as well as for site-diluted DTN, are consistent with conventional scaling at the quantum critical point and with a critical exponent z verifying the prediction z = d; moreover the correlation length exponent is found to be nu = 0.75(10), and the order parameter exponent to be beta = 0.95(10). We investigate the low-temperature thermodynamics at the quantum critical field of Br-DTN both numerically and experimentally, and extract the power-law behavior of the magnetization and of the specific heat. Our results for the exponents of the power laws, as well as previous results for the scaling of the critical temperature to magnetic ordering with the applied field, are incompatible with the conventional crossover-scaling Ansatz proposed by Fisher et al. [Phys. Rev. B 40, 546 (1989)]. However they can all be reconciled within a phenomenological Ansatz in the presence of a dangerously irrelevant operator.

Interstitial doping induced superconductivity at 15.3 K in Nb5Ge3 compound

It is reported superconductivity in Nb5Ge3C0.3, an interstitial carbide compound. The temperature dependence of the electrical resistivity, ac-susceptibility, and heat capacity (HC) indicate that a bulk type-II superconductivity appears at T-C - 15.3 K. Magneto-resistance measurements suggest an upper critical field of B-C2 similar to 10.6 T and a coherence length of xi similar to 55 angstrom at zero temperature. Neutron diffraction analyzes locate the carbon atoms at the interstitial 2b site of the Mn5Si3 type-structure. Heat capacity data below T-C are well described by BCS theory. The size of the jump at T-C is in good agreement with the superconducting volume fraction observed in susceptibility measurements. A Debye temperature and Sommerfeld constant were also extracted from heat capacity data as 343 K and 34 mJ/mol K-2, respectively. (C) 2012 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.4730611]

Kalorimetrische Tieftemperaturdetektoren für niederenergetische (E 1 MeV/amu) Schwerionen und ihr erster Einsatz in der Beschleuniger-Massenspektrometrie zur Spurenanalyse von 236 U

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden zum ersten Mal kalorimetrische Tieftemperatur-Detektoren in der Beschleuniger-Massenspektrometrie (Accelerator Mass Spectrometry AMS), einer Standard-Methode zur Bestimmung kleinster Isotopenverhältnisse, eingesetzt, um das Isotopenverhältnis von 236U zu 238U zu bestimmen. Das Uran-Isotop 236U entsteht in der Neutroneneinfang-Reaktion 235U(n,gamma)236U und kann daher als Monitor-Nuklid für Neutronenflüsse verwendet werden. Die Detektoren bestehen aus einem Saphir-Absorber, auf den ein supraleitender Aluminium-Film aufgedampft ist, der als Thermistor dient. Ein energetisches Schwerion deponiert seine kinetische Energie als Wärme im Absorber, dessen Temperaturänderung durch die Widerstandsänderung des Supraleiters nachgewiesen wird. Mit solchen Detektoren konnte in vorhergehenden Experimenten bei GSI in einem Energiebereich von E = 5 - 300 MeV/amu für eine Vielzahl von Ionen von Neon bis Uran eine relative Energieauflösung von (1 - 4) E-3 erreicht werden. Der für die Beschleuniger-Massenspektrometrie typische Energiebereich liegt bei E = 0.1 - 1 MeV/amu. Im ersten Schritt wurde daher die systematische Untersuchung der Detektoreigenschaften auf diesen Energiebereich ausgedehnt. Diese Untersuchungen sowie die AMS-Messungen wurden am Tandem-Beschleuniger VERA des Instituts für Isotopenforschung und Kernphysik der Universität Wien durchgeführt. In einem Energiebereich von 10 - 60 MeV konnte für verschiedene Ionen (13C, 197Au, 238U) zunächst eine relative Energieauflösung von DeltaE/E = 7 E-3 erreicht werden. Dies übertrifft die Auflösung konventioneller Ionisations-Detektoren um ca. eine Größenordnung. Durch eine Verbesserung thermischer und elektronischer Rauschbeiträge konnte in einem zweiten Experiment für Uran der Energie 17 MeV die Auflösung auf DeltaE/E = 4.6 E-3 verbessert werden. Die Energie-Response des Detektors war linear über den gesamten beobachteten Energiebereich und unabhängig von der Ionenmasse; bis auf ein Niveau von 0.1 % wurde kein Pulshöhendefekt beobachtet. Diese Ergebnisse zeigen, daß solche Detektoren ein wertvolles Werkzeug in der Schwerionenphysik im Bereich relativ niedriger Ionenenergien darstellen. Mit der erreichten Energieauflösung war es möglich, für mehrere Proben aus natürlichem Uran das Isotopenverhältnis 236U/238U zu bestimmen: Um einen Material-Standard für Uran in der AMS zu etablieren, wurde das Isotopenverhältnis 236U/238U für zwei Proben aus der Mine ''K.u.K. Joachimsthal'' möglichst präzise bestimmt. Die Ergebnisse in der vorliegenden Arbeit stimmen gut mit früheren Messungen überein, die mit einem konventionellen Detektorsystem durchgeführt wurden. Sowohl der statistische als auch der systematische Fehler konnten deutlich reduziert werden. Für eine weitere Probe, extrahiert aus dem Wasser einer Uran-haltigen Quelle in Bad Gastein, wurde ein Isotopenverhältnis von 6.1 E-12 gemessen. Dies stellt das kleinste bislang für 236U/238U gemessene Isotopenverhältnis dar und bedeutet eine Steigerung der Sensitivität um eine Größenordnung. Die erreichte Energieauflösung ermöglicht es außerdem, die Detektoren zur direkten Massenidentifikation von schweren Ionen mittels einer kombinierten Energie-Flugzeit-Messung einzusetzen. In ersten Test-Messungen im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Massenauflösung von DeltaM/M = (8.5 - 11.0) E-3 erreicht. In einem ersten Test für den Einsatz dieser Detektoren zum Nachweis sog. ''superschwerer Elemente (Z >= 112)'' erlaubte der große dynamische Bereich, die Reaktionsprodukte und ihre nachfolgenden Alpha-Zerfälle mit hoher Energieauflösung simultan und zeitaufgelöst nachzuweisen.

Evoluzione Morfotettonica delle Aree Alpine "Sempione" e "Brennero" attraverso Studi Termocronologici di bassa temperatura

E’ mostrata l’analisi e la modellazione di dati termocronologici di bassa temperatura da due regioni Alpine: il Sempione ed il Brennero. Le faglie distensive presenti bordano settori crostali profondi appartenenti al dominio penninico: il duomo metamorfico Lepontino al Sempione e la finestra dei Tauri al Brennero. I dati utilizzati sono FT e (U-Th)/He su apatite. Per il Sempione i dati provengono dalla bibliografia; per il Brennero si è provveduto ad un nuovo campionamento, sia in superficie che in sotterraneo. Gli attuali lavori per la galleria di base del Brennero (BBT), hanno consentito, per la prima volta, di raccogliere dati di FT e (U-Th)/He in apatite in sottosuolo per la finestra dei Tauri occidentale. Le analisi sono state effettuate tramite un codice a elementi finiti, Pecube, risolvente l’equazione di diffusione del calore per una topografia evolvente nel tempo. Il codice è stato modificato per tener conto dei dati sotterranei. L’inversione dei dati è stata effettuata usando il Neighbourhood Algorithm (NA), per ottenere il più plausibile scenario di evoluzione morfotettonico. I risultati ottenuti per il Sempione mostrano: ipotetica evoluzione dello stile tettonico della faglia del Sempione da rolling hinge a low angle detachment a 6.5 Ma e la cessazione dell’attività a 3 Ma; costruzione del rilievo fino a 5.5 Ma, smantellamento da 5.5 Ma ad oggi, in coincidenza dei cambiamenti climatici Messiniani e relativi all’inizio delle maggiori glaciazioni; incremento dell’esumazione da 0–0.6 mm/anno a 0.6–1.2 mm/anno a 2.4 Ma nell’emisfero settentrionale. I risultati al Brennero mostrano: maggiore attività tettonica della faglia del Brennero (1.3 mm/anno), maggiore attività esumativa (1–2 mm/anno) prima dei 10 Ma; crollo dell’attività della faglia del Brennero fra 10 Ma e oggi (0.1 mm/anno) e dell’attività esumativa nello stesso periodo (0.1–0.3 mm/anno); nessun aumento del tasso esumativo o variazioni topografiche negli ultimi 5 Ma.

Innovative processes for syngas production

The research of new advanced processes for syngas production is a part of a European project for the production of a new Gas to Liquid Process (NextGTL). The crucial points in the production of GTL process are the energy required for the air separation used in autothermal reforming or the heat required for steam reforming and the efficiency in carbon utilization. Therefore a new multistep oxy-reforming process scheme was developed at lower temperature with intermediate H2 membrane separation to improve the crucial parameter. The process is characterized by a S/C of 0.7 and O2/C of 0.21 having a smoothed temperature profile in which kinetic regime is easily obtained. Active catalysts for low temperature oxy-reforming process have been studied working at low pressure to discriminate among the catalyst and at high pressure to prove it on industrial condition. It allows the selection of the Rh as active phase among single and bimetallic VIII group metal. The study of the matrix composition and thermal treatment has been carried out on Rh-Mg/Al hydrotalcite selected as reference catalyst. The research to optimize the catalyst lead to enhanced performances through the identification of a limitation of the Rh reduction from the oxides matrix as key point to increase the Rh performances. The Rh loading have been studied to allow the catalyst scale up for pilot process in Chieti in a shape of Rh-HT on honeycomb ceramic material. The developed catalyst has enhanced methane conversion in a inch diameter monolith reactor if compared with the semi-industrial catalyst chosen in the project as the best reference.

Flut und Hitze: Auswirkungen extremer Klimaereignisse auf die epigäische Arthropodenfauna (Araneae – Spinnen) ufernaher Lebensräume (Auen, Polder) des Inselrheins bei Mainz

Die vorliegende Arbeit ist ein Teil des Projektes Flut und Hitze des Kompetenzzentrums Überflutung an der Universität Mainz. Die Ziele dieser Untersuchung waren: Die Artzusammensetzung und Phänologien der Spinnengemeinschaften von Uferhabitaten bei Mainz (Rheinland-Pfalz, Deutschland) zu ermitteln, anhand des Artenspektrums die Folgen langjähriger Trockenheit und die Auswirkungen des Extremsommers 2003 zu beschreiben, Einflüsse von Überflutungen festzustellen und die Submersionstoleranzen ausgewählter Arten zu bestimmen. Insgesamt wurden 27783 Spinnen aus 179 Arten und 24 Familien bearbeitet. Die Untersuchung umfasste einen Hartholzauwald bei Ingelheim am Rhein, den Hochwasserschutzpolder Ingelheim, sowie Tiermaterial von vier weiteren Uferstandorten und drei Inselstandorten des Rheins bei Mainz. Die Beprobung der Hartholzaue mit Barberfallen und Stammeklektoren erfolgte von Mai 2005 bis Mai 2008. Im Polder wurden von Oktober 2006 bis Mai 2008 mit Barberfallen und einem Vakuumsauger gefangen. Die Proben der weiteren Standorte stammten aus Barberfallenfängen der Jahre 2000 bis einschließlich 2005. In der seit Winter 2002/2003 nicht mehr überfluteten und im Sommer stark austrocknenden Hartholzaue wurde eine als xerotolerant zu bezeichnende Spinnenfauna vorgefunden. Dies galt insbesondere für die sehr artenreiche Stammregion. Zu den dominierenden Spezies zählten: Diplostyla concolor (Boden), Clubiona pallidula und Textrix denticulata (beide Stamm). Der Polder Ingelheim wurde überwiegend von euryöken Freilandbewohnern besiedelt, dominant kamen Oedothorax apicatus und Pardosa agrestis vor. Das Tiermaterial der Ufer- und Inselstandorte wies deutliche Unterschiede in der Artenzusammensetzung im Bezug auf die Flutungsintensität auf. Nach dem Ausbleiben von Hochwässern und dem starken Austrocknen der Standorte im Sommer 2003 wurden hygrobionte Arten wie Allomengea vidua kaum mehr vorgefunden, während sich xerotolerante Spezies ausbreiteten. Darüber hinaus wurden die Submersionstoleranzen ausgewählter Spinnenarten im Labor ermittelt. Die gewonnenen Daten lassen Vermuten, dass die getesteten Spinnenspezies durchaus in der Lage sind, bei niedrigen Wassertemperaturen eine kurze Flut submers zu überstehen. Unter hohen Temperaturen besteht dagegen keine Submersionstoleranz.

Das wasserlösliche Chlorophyll-Protein (WSCP): biochemische Charakterisierung und Untersuchungen zur biologischen Funktion

Das WSCP (water-soluble chlorophyll protein) der Brassicaceen ist das einzig bekannte Chlorophyll-bindende Protein, welches keine Carotinoide bindet. Es ist ein wasserlösliches, ca. 80 kDa großes Homotetramer mit 1-4 gebundenen Chlorophyllen. Das Protein ist äußerst stabil und vermag die gebundenen Chlorophylle vor Photooxidation zu schützen. Seine Funktion in der Pflanze ist bis heute ein Rätsel und sollte in dieser Arbeit zusammen mit seinen biochemischen Eigenschaften weiter aufgeklärt werden. Es wurden Versuche durchgeführt mit nativem und rekombinantem WSCP aus Blumenkohl (BoWSCP bzw. BoWSCPhis) und aus Arabidopsis thaliana (AtWSCP bzw. AtWSCPhis). Die Expressionsausbeute von BoWSCPhis konnte verbessert werden und zusätzlich wurde die Rekonstitutionsmethode für das rekombinante WSCP optimiert, sodass das pigmentierte Protein mit hoher Ausbeute und großer Reinheit gewonnen werden konnte. Zudem wurde ein neuer WSCP-Klon hergestellt, mBoWSCPhis, der in seiner Sequenz dem maturen nativen BoWSCP entspricht und weitaus weniger Aggregationsprobleme zeigte als BoWSCPhis. Weiterführende Versuche zur Stabilität und dem Oligomerisierungsgrad von WSCP haben die neue Erkenntnis erbracht, dass die Phytolschwänze der von WSCP gebundenen Chlorophylle zwar essentiell sind für die Stabilität von WSCP-Oligomeren, nicht aber für die Oligomerisierung selbst, wie es in der Literatur bislang postuliert wurde. Zusätzlich zu ihrer außerordentlichen Hitzestabilität erwiesen sich die Chl-WSCP-Komplexe als stabil in einem breiten pH-Spektrum. AtWSCPhis besaß eine vergleichbare Stabilität, und auch das Oligomerisierungsverhalten zeigte Ähnlichkeiten zu BoWSCPhis. Im Rahmen einer Forschungskooperation mit dem Institut für Optik und Atomare Physik der TU Berlin wurden zeitaufgelöste Absorptionsspektren sowie Tieftemperatur-Fluoreszenzspektren an Chl-WSCP-Komplexen gemessen. Die Ergebnisse zeigten deutlich, dass die WSCP-gebundenen Chlorophylle excitonisch gekoppelt sind und wiesen zudem auf unterschiedliche Chl-Bindungsmodi hin. Aufgrund seines einfachen Aufbaus und seines geringen Chlorophyllgehalts hat sich WSCP bei diesen Versuchen als sehr geeignetes Modellsystem erwiesen, um Messungen zur Chlorophyllbindung mit Vorhersagen aus theoretischen Modellen zu vergleichen. Bei den Experimenten zur biologischen Funktion wurden einerseits Arabidopsis thaliana WSCP-„knock-out“-Pflanzen unter verschiedenen Bedingungen charakterisiert, andererseits wurden Experimente mit rekombinantem WSCP durchgeführt, um eine mögliche Interaktion mit anderen Proteinen zu detektieren. Die vegetativen Stadien der Mutante zeigten keinen Phänotyp; das native Arabidopsis-WSCP konnte später bei der Wildtyp-Pflanze ausschließlich in jungen Schoten lokalisiert werden, was eine Erklärung hierfür lieferte. Rekombinantes WSCP konnte Chlorophylle aus nativem LHCII entfernen, eine Interaktion mit Chlorophyllase konnte jedoch nicht nachgewiesen werden; daher konnte auch die Hypothese, WSCP sei ein Chl-Carrier beim Chl-Abbau, nicht untermauert werden. Bei den durchgeführten Enzym-Assays wurde eine geringfügige Inhibition der Cysteinprotease Papain beobachtet, aber keine Inhibition der Serinprotease Trypsin, obwohl Blumenkohl-WSCP N-proximal das Motiv der Künitz-Proteaseinhibitoren besitzt. Die Frage nach der biologischen Funktion von WSCP bleibt also weiterhin offen.

Wet chemistry synthesis towards nanostructures of thermoelectric antimonides

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese von nanostrukturierten Antimoniden, wobei die folgenden beiden Themen bearbeitet wurden: rnAus chemischer Sicht wurden neue Synthesewege entwickelt, um Nanopartikel der Verbindungen in den binären Systemen Zn-Sb und Fe-Sb herzustellen (Zn4Sb3, ZnSb, FeSb2, Fe1+xSb). Anders als in konventionellen Festkörperreaktionen, die auf die Synthese von Bulk-Materialien oder Einkristallen zielen, muss die Synthese von Nanopartikeln Agglomerate und Ostwald-Wachstum vermeiden. Daher benötigen annehmbare Reaktionszeiten und vergleichsweise tiefe Reaktionstemperaturen kurze Diffusionswege und tiefe Aktivierungsbarrieren. Demzufolge bedient sich die Synthese der Reaktion von Antimon-Nanopartikeln und geeigneten molekularen oder nanopartikulären Edukten der entsprechenden Übergangsmetalle. Zusätzlich wurden anisotrope ZnSb Strukturen synthetisiert, indem eine Templat-Synthese mit Hilfe von anodisierten Aluminiumoxid- oder Polycarbonat-Membranen angewandt wurde. rnDie erhaltenen Produkte wurden hauptsächlich durch Röntgen-Diffraktion und Elektronenmikroskopie untersucht. Die Auswertung der Pulver Röntgendiffraktions-Daten stellte eine Herausforderung dar, da die Nanostrukturierung und die Anwesenheit von mehreren Phasen zu verbreiterten und überlagernden Reflexen führen. Zusätzliche Fe-Mößbauer Messungen wurden im Falle der Fe-Sb Produkte vorgenommen, um detailliertere Informationen über die genaue Zusammensetzung zu erhalten. Die erstmals hergestellte Phase Zn1+xSb wurde einer detaillierten Kristallstrukturanalyse unterzogen, die mit Hilfe einer neuen Diffraktionsmethode, der automatisierten Elektronen Diffraktions Tomographie, durchgeführt wurde.rnrnAus physikalischer Sicht sind Zn4Sb3, ZnSb und FeSb2 interessante thermoelektrische Materialien, die aufgrund ihrer Fähigkeit thermische in elektrische Energie umzuwandeln, großes Interesse geweckt haben. Nanostrukturierte thermoelektrische Materialien zeigen dabei eine höhere Umwandlungseffizienz zu erhöhen, da deren thermische Leitfähigkeit herabgesetzt ist. Da thermoelektrische Bauteile aus dichten Bulk-Materialien gefertigt werden, spielte die Verfestigung der synthetisierten nanopartikulären Pulver eine große Rolle. Die als „Spark Plasma Sintering“ bezeichnete Methode wurde eingesetzt, um die Proben zu pressen. Dies ermöglicht schnelles Heizen und Abkühlen der Probe und kann so das bei klassischen Heißpress-Methoden unvermeidliche Kristallitwachstum verringern. Die optimalen Bedingungen für das Spark Plasma Sintern zu finden, ist Inhalt von bestehender und weiterführender Forschung. rnEin Problem stellt die Stabilität der Proben während des Sinterns dar. Trotz des schnellen Pressens wurde eine teilweise Zersetzung im Falle des Zn1+xSb beobachtet, wie mit Hilfe von Synchrotrondiffraktionsuntersuchungen aufgedeckt wurde. Morphologie und Dichte der verschiedenen verfestigten Materialien wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie und Lasermikroskopie bestimmt. Die Gitterdynamik wurde mit Hilfe von Wärmekapazitätsmessungen- und inelastischer Kern-Streuung untersucht. Die Wärmeleitfähigkeit der nanostrukturierten Materialien ist im Vergleich zu den Festkörpern ist drastisch reduziert - im Falle des FeSb2 um mehr als zwei Größenordnungen. Abhängig von der Zusammensetzung und mechanischen Härte wurden für einen Teil der verfestigten Nanomaterialien die thermoelektrische Eigenschaften, wie Seebeck Koeffizient, elektrische und Wärmeleitfähigkeit, gemessen.rn

Quantenchemische Behandlung von elektronischem Energietransfer

Im Rahmen dieser Dissertation wurden quantenchemische Untersuchungen zum Phänomen des elektronischen Energietransfers durchgeführt. Zum einen wurden theoretische Modelle zur Berücksichtigung temperaturabhängiger Elektron-Phonon-Kopplung in vibronischen Spektren ausgearbeitet und numerischen Tests unterzogen. Zum anderen erfolgte die Bestimmung molekularer Eigenschaften bichromophorer Systeme unter Anwendung etablierter Rechenmethoden. Im Fokus stehen das Zusammenspiel elektronischer Kopplung und statischer Unordnung sowie Energietransferzeiten und der Einfluss molekularer Brücken in Dimeren auf die Kopplung. Da sich elektronischer Energietransfer spektroskopisch nachweisen lässt, wurden temperaturabhängige Simulationen der Linienform von vibronischen Übergängen, die an ein Wärmebad ankoppeln, durchgeführt. Die erforderliche Antwortfunktion zur Bestimmung der spektralen Linienform kann aus einer Kumulantenentwicklung und alternativ aus der Multi-Level Redfieldtheorie abgeleitet werden. Statt der genäherten Schwingungsstruktur des Brownschen Oszillatormodells wurde eine explizit berechnete Zustandsdichte als Ausgangspunkt verwendet. Sowohl reine Elektron-Phonon- als auch Schwingung-Phonon-Kopplung werden für verschiedene Spektraldichten der Badmoden diskutiert. Im Zuge eines Kooperationsprojekts führten wir Untersuchungen zur elektronischen Kopplung an einer homologen Reihe von Rylendimeren mit unterschiedlichen Brückenlängen durch. Zu diesem Zweck wurden Ergebnisse aus Tieftemperatureinzelmolekülmessungen und quantenchemischen Berechnungen auf Grundlage des vibronischen Kopplungsmodells herangezogen und ausgewertet. Die untersuchten Dimere zeigen einen Übergang vom Grenzfall starker Kopplung hin zu schwacher Kopplung und die mittleren Energietransferzeiten konnten in guter Übereinstimmung mit experimentellen Messwerten berechnet werden. Da eine molekulare Brücke zwischen Donor- und Akzeptoreinheit die elektronische Kopplung modifiziert, kann sie sich störend auf experimentelle Messungen auswirken. Daher wurde untersucht, ob das interchromophore Kopplungsverhalten vorwiegend durch die Polarisierbarkeit des verbrückenden Elements oder durch bindungsvermittelte Wechselwirkungen beeinflusst wird und welche Brückentypen sich folglich für experimentelle Studien eignen. Sämtliche untersuchten Brückenelemente führten zu einer Vergrößerung der elektronischen Kopplung und die Kopplungsstärke wurde maßgeblich durch brückenvermittelte Wechselwirkungen bestimmt.

Development of the Heat and Energy Concept Inventory: Preliminary Results on the Prevalence and Persistence of Engineering Students' Misconceptions

BACKGROUND Students frequently hold a number of misconceptions related to temperature, heat and energy. There is not currently a concept inventory with sufficiently high internal reliability to assess these concept areas for research purposes. Consequently, there is little data on the prevalence of these misconceptions amongst undergraduate engineering students. PURPOSE (HYPOTHESIS) This work presents the Heat and Energy Concept Inventory (HECI) to assess prevalent misconceptions related to: (1) Temperature vs. Energy, (2) Temperature vs. Perceptions of Hot and Cold, (3) Factors that affect the Rate vs. Amount of Heat Transfer and (4) Thermal Radiation. The HECI is also used to document the prevalence of misconceptions amongst undergraduate engineering students. DESIGN/METHOD Item analysis, guided by classical test theory, was used to refine individual questions on the HECI. The HECI was used in a one group, pre-test-post-test design to assess the prevalence and persistence of targeted misconceptions amongst a population of undergraduate engineering students at diverse institutions. RESULTS Internal consistency reliability was assessed using Kuder-Richardson Formula 20; values were 0.85 for the entire instrument and ranged from 0.59 to 0.76 for the four subcategories of the HECI. Student performance on the HECI went from 49.2% to 54.5% after instruction. Gains on each of the individual subscales of the HECI, while generally statistically significant, were similarly modest. CONCLUSIONS The HECI provides sufficiently high estimates of internal consistency reliability to be used as a research tool to assess students' understanding of the targeted concepts. Use of the instrument demonstrates that student misconceptions are both prevalent and resistant to change through standard instruction.

Temperature-Dependent Defect Dynamics in the Network Glass SiO2

We investigate the long time dynamics of a strong glass former, SiO2, below the glass transition temperature by averaging single-particle trajectories over time windows which comprise roughly 100 particle oscillations. The structure on this coarse-grained time scale is very well defined in terms of coordination numbers, allowing us to identify ill-coordinated atoms, which are called defects in the following. The most numerous defects are O-O neighbors, whose lifetimes are comparable to the equilibration time at low temperature. On the other hand, SiO and OSi defects are very rare and short lived. The lifetime of defects is found to be strongly temperature dependent, consistent with activated processes. Single-particle jumps give rise to local structural rearrangements. We show that in SiO2 these structural rearrangements are coupled to the creation or annihilation of defects, giving rise to very strong correlations of jumping atoms and defects.

Mesoproterozoic Deposition, Regional Metamorphism and Deformation in North-Central New Mexico: Evidence from Metamorphic Monazite and Detrital Zircon Geochronology in the Picuris Mountains

Detrital zircon and metamorphic monazite ages from the Picuris Mountains, north central New Mexico, were used to confirm the depositional age of the Marquenas Formation, to document the depositional age of the Vadito Group, and to constrain the timing of metamorphism and deformation in the region. Detrital zircon 207Pb/206Pb ages were obtained with the LA-MC-ICPMS from quartzites collected from the type locality of the Marquenas Formation exposed at Cerro de las Marquenas, and from the lower Vadito Group in the southern and eastern Picuris Mountains. The Marquenas Formation sample yields 113 concordant ages including a Mesoproterozoic age population with four grains ca. 1470 Ga, a broad Paleoproterozoic age peak at 1695 Ma, and minor Archean age populations. Data confirm recent findings of Mesoproterozoic detrital zircons reported by Jones et al. (2011), and show that the Marquenas Formation is the youngest lithostratigraphic unit in the Picuris Mountains. Paleoproterozoic and Archean detrital grains in the Marquenas Formation are likely derived from local recycled Vadito Group rocks and ca. 1.75 Ga plutonic complexes, and ca. 1.46 detrital zircons were most likely derived from exposed Mesoproterozoic plutons south of the Picuris. Ninety-five concordant grains from each of two Vadito Group quartzites yield relatively identical unimodal Paleoproterozoic age distributions, with peaks at 1713-1707 Ma. Eastern exposures of quartzite mapped as Marquenas Formation yield detrital zircon age patterns and metamorphic mineral assemblages that are nearly identical to the Vadito Group. On this basis, I tentatively assigned the easternmost quartzite to the Vadito Group. Zircon grains in all samples show low U/Th ratios, welldeveloped concentric zoning, and no evidence of metamorphic overgrowth events, consistent with an igneous origin. North-directed paleocurrent indicators, such as tangential crossbeds (Soegaard & Eriksson, 1986) and other primary sedimentary structures, are preserved in the Marquenas Formation quartzite. Together with pebble-toboulder metaconglomerates in the Marquenas, these observations suggest that this formation was deposited in a braided alluvial plain environment in response to syntectonic uplift to the south of the Picuris Mountains. Metamorphic monazite from two Vadito Group quartzite samples were analyzed with an electron microprobe (EMP). Elemental compositional variation with respect to Th and Y define core and rim domains in monazite grains, and show lower concentrations of Th (1.46-1.52 wt%) and Y (0.67 wt%) in the cores, and higher concentrations of Th (1.98 wt%) and Y (1.06 wt%) in the rims. Results show that Mesoproterozoic core and rim ages from five grains overlap within uncertainty, ranging from 1395-1469 Ma with an average age of 1444 Ma. This 1.44 Ga average age is the dominant timing of metamorphic monazite growth in the region, and represents the timing of metamorphism experienced by the region. An older 1630 Ma core observed in sample CD10-12 may be interpreted as a result of low temperature metamorphism in lower Vadito Group rocks due to heat from ca. 1.65 Ga granitic intrusions. Core ages ca. 1.5 Ga are likely due to a mixing age of two different age domains during analyses. Confirmed sedimentation at 1.48-1.45 Ga and documented mid-crustal regional metamorphism in northern New Mexico ca. 1.44-1.40 are likely associated with a Mesoproterozoic orogenic event.

Temperature-Time History of Subducted Continental-Crust, Mount Olympos Region, Greece

In the Mt. Olympos region of northeastern Greece, continental margin strata and basement rocks were subducted and metamorphosed under blueschist facies conditions, and thrust over carbonate platform strata during Alpine orogenesis. Subsequent exposure of the subducted basement rocks by normal faulting has allowed an integrated study of the timing of metamorphism, its relationship to deformation, and the thermal history of the subducted terrane. Alpine low-grade metamorphic assemblages occur at four structural levels. Three thrust sheets composed of Paleozoic granitic basement and Mesozoic metasedimentary cover were thrust over Mesozoic carbonate rocks and Eocene flysch; thrusting and metamorphism occurred first in the highest thrust sheets and progressed downward as units were imbricated from NE to SW. 40Ar/39Ar spectra from hornblende, white mica, and biotite samples indicate that the upper two units preserve evidence of four distinct thermal events: (1) 293–302 Ma crystallization of granites, with cooling from >550°C to <325°C by 284 Ma; (2) 98–100 Ma greenschist to blueschist-greenschist transition facies metamorphism (T∼350–500°C) and imbrication of continental thrust sheets; (3) 53–61 Ma blueschist facies metamorphism and deformation of the basement and continental margin units at T<350–400°C; (4) 36–40 Ma thrusting of blueschists over the carbonate platform, and metamorphism at T∼200–350°C. Only the Eocene and younger events affected the lower two structural packages. A fifth event, indicated by diffusive loss profiles in microcline spectra, reflects the beginning of uplift and cooling to T<100–150°C at 16–23 Ma, associated with normal faulting which continued until Quaternary time. Incomplete resetting of mica ages in all units constrains the temperature of metamorphism during continental subduction to T≤350°C, the closure temperature for Ar in muscovite. The diffusive loss profiles in micas and K-feldspars enable us to “see through” the younger events to older events in the high-T parts of the release spectra. Micas grown during earlier metamorphic events lost relatively small amounts of Ar during subsequent high pressure-low temperature metamorphism. Release spectra from phengites grown during Eocene metamorphism and deformation record the ages of the Ar-loss events. Alpine deformation in northern Greece occurred over a long time span (∼90 Ma), and involved subduction and episodic imbrication of continental basement before, during, and after the collision of the Apulian and Eurasian plates. Syn-subduction uplift and cooling probably combined with intermittently higher cooling rates during extensional events to preserve the blueschist facies mineral assemblages as they were exhumed from depths of >20 km. Extension in the Olympos region was synchronous with extension in the Mesohellenic trough and the Aegean back-arc, and concurrent with westward-progressing shortening in the external Hellenides.

Reactive mass transport modelling of a three-dimensional vertical fault zone with a finger-like convective flow regime

For a three-dimensional vertically-oriented fault zone, we consider the coupled effects of fluid flow, heat transfer and reactive mass transport, to investigate the patterns of fluid flow, temperature distribution, mineral alteration and chemically induced porosity changes. We show, analytically and numerically, that finger-like convection patterns can arise in a vertically-oriented fault zone. The onset and patterns of convective fluid flow are controlled by the Rayleigh number which is a function of the thermal properties of the fluid and the rock, the vertical temperature gradient, and the height and the permeability of the fault zone. Vigorous fluid flow causes low temperature gradients over a large region of the fault zone. In such a case, flow across lithological interfaces becomes the most important mechanism for the formation of sharp chemical reaction fronts. The degree of rock buffering, the extent and intensity of alteration, the alteration mineralogy and in some cases the formation of ore deposits are controlled by the magnitude of the flow velocity across these compositional interfaces in the rock. This indicates that alteration patterns along compositional boundaries in the rock may provide some insights into the convection pattern. The advective mass and heat exchanges between the fault zone and the wallrock depend on the permeability contrast between the fault zone and the wallrock. A high permeability contrast promotes focussed convective flow within the fault zone and diffusive exchange of heat and chemical reactants between the fault zone and the wallrock. However, a more gradual permeability change may lead to a regional-scale convective flow system where the flow pattern in the fault affects large-scale fluid flow, mass transport and chemical alteration in the wallrocks

Competitive fitness in coronaviruses is not correlated with size or number of double-membrane vesicles under reduced-temperature growth conditions.

Positive-stranded viruses synthesize their RNA in membrane-bound organelles, but it is not clear how this benefits the virus or the host. For coronaviruses, these organelles take the form of double-membrane vesicles (DMVs) interconnected by a convoluted membrane network. We used electron microscopy to identify murine coronaviruses with mutations in nsp3 and nsp14 that replicated normally while producing only half the normal amount of DMVs under low-temperature growth conditions. Viruses with mutations in nsp5 and nsp16 produced small DMVs but also replicated normally. Quantitative reverse transcriptase PCR (RT-PCR) confirmed that the most strongly affected of these, the nsp3 mutant, produced more viral RNA than wild-type virus. Competitive growth assays were carried out in both continuous and primary cells to better understand the contribution of DMVs to viral fitness. Surprisingly, several viruses that produced fewer or smaller DMVs showed a higher fitness than wild-type virus at the reduced temperature, suggesting that larger and more numerous DMVs do not necessarily confer a competitive advantage in primary or continuous cell culture. For the first time, this directly demonstrates that replication and organelle formation may be, at least in part, studied separately during infection with positive-stranded RNA virus. IMPORTANCE The viruses that cause severe acute respiratory syndrome (SARS), poliomyelitis, and hepatitis C all replicate in double-membrane vesicles (DMVs). The big question about DMVs is why they exist in the first place. In this study, we looked at thousands of infected cells and identified two coronavirus mutants that made half as many organelles as normal and two others that made typical numbers but smaller organelles. Despite differences in DMV size and number, all four mutants replicated as efficiently as wild-type virus. To better understand the relative importance of replicative organelles, we carried out competitive fitness experiments. None of these viruses was found to be significantly less fit than wild-type, and two were actually fitter in tests in two kinds of cells. This suggests that viruses have evolved to have tremendous plasticity in the ability to form membrane-associated replication complexes and that large and numerous DMVs are not exclusively associated with efficient coronavirus replication.