Integrated analysis and design of optimization and up-scaling of inductively coupled plasma synthesis of nanoparticles

This study is focused on radio-frequency inductively coupled thermal plasma (ICP) synthesis of nanoparticles, combining experimental and modelling approaches towards process optimization and industrial scale-up, in the framework of the FP7-NMP SIMBA European project (Scaling-up of ICP technology for continuous production of Metallic nanopowders for Battery Applications). First the state of the art of nanoparticle production through conventional and plasma routes is summarized, then results for the characterization of the plasma source and on the investigation of the nanoparticle synthesis phenomenon, aiming at highlighting fundamental process parameters while adopting a design oriented modelling approach, are presented. In particular, an energy balance of the torch and of the reaction chamber, employing a calorimetric method, is presented, while results for three- and two-dimensional modelling of an ICP system are compared with calorimetric and enthalpy probe measurements to validate the temperature field predicted by the model and used to characterize the ICP system under powder-free conditions. Moreover, results from the modeling of critical phases of ICP synthesis process, such as precursor evaporation, vapour conversion in nanoparticles and nanoparticle growth, are presented, with the aim of providing useful insights both for the design and optimization of the process and on the underlying physical phenomena. Indeed, precursor evaporation, one of the phases holding the highest impact on industrial feasibility of the process, is discussed; by employing models to describe particle trajectories and thermal histories, adapted from the ones originally developed for other plasma technologies or applications, such as DC non-transferred arc torches and powder spherodization, the evaporation of micro-sized Si solid precursor in a laboratory scale ICP system is investigated. Finally, a discussion on the role of thermo-fluid dynamic fields on nano-particle formation is presented, as well as a study on the effect of the reaction chamber geometry on produced nanoparticle characteristics and process yield.

Petrologisch-geochemische Charakterisierung quartärer Laven der Eifel als Grundlage zur archäometrischen Herkunftsbestimmung römischer Mühlsteine

Lava aus der quartären Vulkanregion der Eifel wurde in römischer Zeit großmaßstäblich abgebaut, um daraus Mühlsteine hoher Qualität herzustellen, die in großen Mengen in weite Teile des Römischen Reiches exportiert wurden. Somit erweisen sich diese Mühlsteine als ideale Indikatoren für Handelsgebiete und –wege dieser Zeit. Für eine erfolgreiche Herkunftsanalyse von Fundstücken ist eine genaue Charakterisierung der infrage kommenden Rohstoffe die unbedingte Voraussetzung. Aus diesem Grund konzentriert sich diese Arbeit auf die geochemische Definition der 16 bekannten römischen „Basalt“-Abbaustellen in den Vulkanfeldern der Ost- und Westeifel, mit dem vorrangigen Ziel, eine möglichste eindeutige Charakterisierung der einzelnen Abbaustellen zu erreichen. Auf dieser Basis wird eine Vorgehensweise zur folgenden Provenienzanalyse der Mühlsteine entwickelt. Um die geochemische Variabilität der Laven zu erfassen wurden die Abbaustellen großflächig beprobt. Die Proben wurden zunächst petrographisch bestimmt und der Phasenbestand mittels Röntgendiffraktometrie (XRD) untersucht. Die Haupt- und Spurenelement-Zusammensetzung wurde anhand von Röntgenfluoreszenzanalysen und Laser-Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (LA-ICP-MS) ermittelt, die Sr-Nd-Pb-Isotopie ausgewählter Proben mittels Thermo-Ionen-Massenspektrometrie (TIMS). Es zeigte sich, dass auf Grundlage der Haupt- und Spurenelementzusammensetzung, gemessen mit RFA, eine Abgrenzung der Abbaustellen zueinander mittels einer Kombination aus geochemischer Diskriminierung mit Cluster- und Diskriminanzanalysen gelingt. Die anschließende Provenienzanalyse der Mühlsteinfundstücke erfolgt analog zur Charakterisierung der Abbaustellen. Im ersten Schritt wird eine geochemische Zuordnung des Fundstücks vorgenommen, um zu überprüfen, ob eine Eifeler Herkunft überhaupt in Frage kommt. Lässt der geochemische Vergleich mit den Referenzdaten aus dem Gelände eine Eifeler Herkunft zu, kommt im zweiten Schritt die Clusteranalyse zum Einsatz. Hier wird auf multivariater Ebene geprüft, ob das Fundstück einer Eifeler Abbaustelle oder einem Cluster von Eifeler Abbaustellen zugeordnet werden kann. Bei einer positiven Zuordnung wird ergänzend als dritter Schritt die Diskriminanzanalyse angewendet, anhand der das Mühlstein-Fundstück einer Abbaustelle mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit zugewiesen wird. Bei 68 analysierten Mühlsteinen aus verschiedenen Regionen Mitteleuropas konnte so für 49 Fundstücke eine Eifeler Provenienz festgestellt werden. Alle römischen Eifeler Mühlsteine entstammen dem Bellerberg bei Mayen, ein mittelalterliches Stück aus dem Niedermendiger Lavastrom. Die Zuordnung der übrigen 19 Mühlsteine zu anderen möglichen Abbaugebieten erfolgt anhand geochemischer Daten aus der Literatur. Aufgrund der unzureichenden Datenlage sind im Falle dieser Proben jedoch im Gegensatz zur Lavastrom-genauen Zuordnung der Eifeler Mühlen lediglich Vermutungen über die Herkunftsregionen möglich. Damit zeigt sich, dass eine ausführliche Referenzdatenbank der in Frage kommenden Rohstoffe die erforderliche Basis für erfolgreiche Provenienzanalysen ist. Die Möglichkeit der genauen Zuordnungen von Mühlsteinen zu den Eifeler Abbaustellen belegt, dass die Verbindung von geochemischer Auswertung mit Cluster- und Diskriminanzanalysen ein hilfreiches Verfahren zur Provenienzanalyse darstellt.

Ab initio quantum mechanical investigation of structural and chemical-physical properties of selected minerals for minero-petrological, structural ceramic and biomaterial applications

The purpose of this thesis is the atomic-scale simulation of the crystal-chemical and physical (phonon, energetic) properties of some strategically important minerals for structural ceramics, biomedical and petrological applications. These properties affect the thermodynamic stability and rule the mineral-environment interface phenomena, with important economical, (bio)technological, petrological and environmental implications. The minerals of interest belong to the family of phyllosilicates (talc, pyrophyllite and muscovite) and apatite (OHAp), chosen for their importance in industrial and biomedical applications (structural ceramics) and petrophysics. In this thesis work we have applicated quantum mechanics methods, formulas and knowledge to the resolution of mineralogical problems ("Quantum Mineralogy”). The chosen theoretical approach is the Density Functional Theory (DFT), along with periodic boundary conditions to limit the portion of the mineral in analysis to the crystallographic cell and the hybrid functional B3LYP. The crystalline orbitals were simulated by linear combination of Gaussian functions (GTO). The dispersive forces, which are important for the structural determination of phyllosilicates and not properly con-sidered in pure DFT method, have been included by means of a semi-empirical correction. The phonon and the mechanical properties were also calculated. The equation of state, both in athermal conditions and in a wide temperature range, has been obtained by means of variations in the volume of the cell and quasi-harmonic approximation. Some thermo-chemical properties of the minerals (isochoric and isobaric thermal capacity) were calculated, because of their considerable applicative importance. For the first time three-dimensional charts related to these properties at different pressures and temperatures were provided. The hydroxylapatite has been studied from the standpoint of structural and phonon properties for its biotechnological role. In fact, biological apatite represents the inorganic phase of vertebrate hard tissues. Numerous carbonated (hydroxyl)apatite structures were modelled by QM to cover the broadest spectrum of possible biological structural variations to fulfil bioceramics applications.

Synthesis and characterization of temperature- and light-responsive polymers and block copolymers

In summary, thermoresponsive polyacrylamides with various amounts of different photoswitchable side groups, i. e. azobenzene, salicylideneaniline and fulgimide were successfully prepared. As such, in a first step three different chromophores with an amine functionality were synthesized. The synthesis of the stimuli-responsive materials was based on the RAFT polymerization of activated ester acrylates followed by a polymer analogous reaction with different amines. The procedure has been designed to allow the synthesis of well-defined materials with functional groups. All copolymers prepared in this way showed a LCST in aqueous solution. The LCST was in general decreased by increasing the amount of hydrophobic dye incorporated into the thermoresponsive polymer. However, in the case of the fulgimide, the LCST was hardly affected by the chromophore. For azobenzene containing PNIPAM polymers and analogues, higher LCST values were measured after irradiation of the polymer sample solutions with UV-light (Delta LCSTmax = 7.3°C). A reversible light-induced solubility change within a certain temperature range was possible. In contrast to this, irradiated samples of salicylideneaniline containing thermoresponsive copolymers showed an irreversible increase in the LCST (Delta LCSTmax = 13.0°C). Fulgimide chromophores did not influence the LCST of PNIPAM based copolymers after UV-light exposure.rnSimilar to the thermoresponsive polyacrylamides with azobenzene side groups, poly(oligo(ethylene glycol) methyl ether methacrylate) [P(OEGMA)] polymers with azobenzene end groups showed a LCST shift upon UV-irradiation. These polymers were synthesized by RAFT polymerization using a functional chain transfer agent (CTA). For this, PFP-CTA was used as a RAFT-agent for end group functionalization of (thermoresponsive) polymers. In contrast to the statistically arranged copolymers with azobenzene side groups, P(OEGMA) polymers with terminal azobenzene showed a linear increase of the LCST shifts with increasing amount of chromophore (Delta LCSTmax = 4.3°C). Noteworthy, the chemical nature of the end group exhibited a strong influence on the LCST in the case of short thermoresponsive P(OEGMA) polymers.rnThe investigation on temperature- and lightresponsive polymers was transferred onto block copolymers capable to self-assemble into polymeric micelles. Therefore, PEO-b-PNIPAM block copolymers with azobenzene moieties were synthesized successfully. These polymers showed a “smart” behavior in aqueous solution, as the reversible formation and disruption of the micelles could either be controlled by temperature or using light as a stimulus. The usefulness of these materials was demonstrated by encapsulation of a hydrophobic dye in the core of the micelle. Such materials might have a great potential as a model system for several technical or biological applications.rnFinally, double thermoresponsive block copolymers forming micellar structures in a certain temperature range with functional end groups could successfully be synthesized. These “smart materials” based on POEGMA-b-PNIPMAM have been demonstrated to be very promising for a temperature selective immobilization on a protein surface. This might be a suitable concept for further biological applications.rnConcluding, different thermoresponsive copolymers and block copolymers with lightresponsive moieties arranged along the backbone or located at the chain ends were successfully prepared and investigated. By controlling the nature of functional groups and their respective incorporation ratios, the LCST could be dialed in precisely. Further, the LCST of the polymers could be triggered by light. A light-controlled disruption of micellar structures could be shown for functional block copolymers. The importance of end groups of thermoresponsive polymers was demonstrated by a temperature-controlled protein-polymer binding of a terminal biotin-functionalized double thermoresponsive polymer. The synthetic approaches and the material properties presented here should be promising for further research and applications beyond this dissertation.rn

Prestazioni energetico-ambientali di sistemi cogenerativi avanzati e analisi di casi applicativi

Lo scopo di questa tesi è quello di analizzare dapprima l’impatto ambientale di tali impianti e poi analizzare il contributo effettivo che oggi la tecnologia innovativa dei cicli Rankine organici può dare nella valorizzazione elettrica del calore di scarto di processi industriali, focalizzando l’obiettivo principalmente sulle turbine a gas ed eseguendo un caso di studio in un settore ancora poco esplorato da questa tecnologia, quello Oil&Gas. Dopo aver effettuato il censimento degli impianti a fonti fossili e rinnovabili, cogenerativi e non, presenti in Emilia-Romagna, è stato sviluppato un software chiamato MiniBref che permette di simulare il funzionamento di una qualsiasi centrale termoelettrica grazie alla possibilità di combinare la tecnologia dell’impianto con il tipo di combustibile consentendo la valutazione delle emissioni inquinanti ed i potenziali di inquinamento. Successivamente verranno illustrati gli ORC, partendo dalle caratteristiche impiantistiche e termodinamiche fino ad arrivare alla scelta del fluido organico, fondamentale per le performance del ciclo. Dopo aver effettuato una ricognizione dello stato dell’arte delle applicazioni industriali degli ORC nel recupero termico, verranno eseguite simulazioni numeriche per ricostruire gli ORC ed avere una panoramica il più completa ed attendibile delle prestazioni effettive di questi sistemi. In ultimo verranno illustrati i risultati di un caso di studio che vede l’adozione di recupero mediante ciclo organico in un’installazione esistente del settore Oil&Gas. Si effettuerà uno studio delle prestazione dell’impianto al variare delle pressioni massime e minime del ciclo ed al variare del fluido impiegato al fine di mostrare come questi parametri influenzino non solo le performance ma anche le caratteristiche impiantistiche da adottare. A conclusione del lavoro si riporteranno i risultati relativi all’analisi condotte considerando l’impianto ai carichi parziali ed in assetto cogenerativo.

Untersuchungen zur Funktion multipler DnaJ-Proteine in dem Cyanobakterium Synechocystis sp. PCC 6803

Sowohl in Synechocystis sp. PCC 6803 als auch in anderen Cyanobakterien konnten multiple DnaJ-Proteine nachgewiesen werden, deren Funktion jedoch noch weitestgehend unverstanden ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Funktionen der multiplen DnaJ-Proteine von Synechocystis sp. charakterisiert. Das DnaJ-Protein, Sll0897 gehört aufgrund seiner Domänenstruktur zu den Typ I-Proteinen, Slr0093 und Sll1933 zu den Typ II-Proteinen und Sll0909, Sll1011, Sll1384 und Sll1666 zu den Typ III DnaJ-Proteinen. Durch Komplementationsstudien des E. coli ΔdnaJ-Stammes OD259 konnte eine Komplementation des Wachstumsdefekts bei höheren Temperaturen durch die Proteine Slr0093 und Sll0897 gezeigt werden. In Synechocystis war eine komplette Disruption von sll1933 nicht möglich, weshalb das Protein Sll1933 unter normalen Wachstumsbedingungen essentiell ist. Doppelte Insertionmutationen waren lediglich bei der Kombination der Gene sll0909 und sll1384 möglich. Untersuchungen des Wachstumsverhaltens der dnaJ-Disruptions-stämme unter Hitze- und Kältestressbedingungen zeigten, dass das Protein Sll0897 eine wichtige Funktion bei der Stressantwort in Synechocystis besitzt und unter Hitzestressbedingungen essentiell ist. Eine vollständige Deletion des Gens sll0897 war Synechocystis sp. bereits unter normalen Wachstumsbedingungen nicht möglich. Bei den für ein Wachstum mindestens notwendigen Domänen des Sll0897 handelt es sich um die charakteristische J-Domäne und die Glycin-Phenylalanin-reiche Domäne. Unter Hitzestressbedingungen ist das Volllängen-Protein Sll0897 für ein Wachstum essentiell. rnNeben den in vivo Wachstumsexperimenten wurde eine Methode zur heterologen Expression der sieben DnaJ-Proteine in E. coli und einer nativen Reinigung von Slr0093, Sll0897, Sll0909 und Sll1666 etabliert. Untersuchungen zur Thermostabilität der gereinigten Proteine zeigten für das Slr0093 und Sll1666 einen reversiblen Prozess, wodurch sie auch nach dem Hitzestress noch als Faltungshelfer fungieren können. Bei den Proteinen Sll0897 und Sll0909 ist der Prozess jedoch nicht reversibel, so dass sie nach Hitzestresseinwirkung neu synthetisiert oder durch Chaperoneinwirkung korrekt gefaltet werden müssen. Die Affinitäts-„Pull-Down“ Analysen lieferten keine klaren Hinweise auf die DnaK-Interaktionspartner der Proteine Slr0093, Sll0897, Sll0909 und Sll1666, weshalb weitere Untersuchungen notwendig sind. Mit Hilfe der Gelfiltrationsanalysen konnten die errechneten molaren Massen der Proteine Slr0093 und Sll1666 bestätigt und beide Proteine in einer monomeren Form nachgewiesen werden. Die DnaJ-Proteine Sll0897 und Sll0909 konnten in zwei oligomeren Zuständen detektiert werden. Analysen der ATPase-Aktivität des DnaK2-Proteins alleine und des DnaK2-Proteins zusammen mit den DnaJ-Proteinen Slr0093, Sll0897, Sll0909 und Sll1666 zeigten eine Steigerung der ATP-Hydrolyserate bei der Interaktion von DnaK und DnaJ, wobei Sll0897 die größte Steigerung der ATPase-Aktivität des DnaK2 induzierte.

Silk Fibroin: a biopolymer platform for innovative pharmaceutical formulation and biomedical devices.

The protein silk fibroin (SF) from the silkworm Bombyx mori is a FDA-approved biomaterial used over centuries as sutures wire. Importantly, several evidences highlighted the potential of silk biomaterials obtained by using so-called regenerated silk fibroin (RSF) in biomedicine, tissue engineering and drug delivery. Indeed, by a water-based protocol, it is possible to obtain protein water-solution, by extraction and purification of fibroin from silk fibres. Notably, RSF can be processed in a variety of biomaterials forms used in biomedical and technological fields, displaying remarkable properties such as biocompatibility, controllable biodegradability, optical transparency, mechanical robustness. Moreover, RSF biomaterials can be doped and/or chemical functionalized with drugs, optically active molecules, growth factors and/or chemicals In this view, activities of my PhD research program were focused to standardize the process of extraction and purification of protein to get the best physical and chemical characteristics. The analysis of the chemo-physical properties of the fibroin involved both the RSF water-solution and the protein processed in film. Chemo-physical properties have been studied through: vibrational (FT-IR and Raman-FT) and optical (absorption and emission UV-VIS) spectroscopy, nuclear magnetic resonance (1H and 13C NMR), thermal analysis and thermo-gravimetric scan (DSC and TGA). In the last year of my PhD, activities were focused to study and define innovative methods of functionalization of the silk fibroin solution and films. Indeed, research program was the application of different methods of manufacturing approaches of the films of fibroin without the use of harsh treatments and organic solvents. New approaches to doping and chemical functionalization of the silk fibroin were studied. Two different methods have been identified: 1) biodoping that consists in the doping of fibroin with optically active molecules through the addition of fluorescent molecules in the standard diet used for the breeding of silkworms; 2) chemical functionalization via silylation.

Advanced polymeric materials for applications in technical equipment for snow sports

The thesis is divided in three chapters, each one covering one topic. Initially, the thermo-mechanical and impact properties of materials used for back protectors have been analysed. Dynamical mechanical analysis (DMTA) has shown that materials used for soft-shell protectors present frequency-sensitive properties. Furthermore, through impact tests, the shock absorbing characteristics of the materials have been investigated proving the differences between soft and hard-shell protectors; moreover it has been demonstrated that the materials used for soft-shell protectors maintain their protective properties after multi-impacts. The second chapter covers the effect of the visco-elastic properties of the thermoplastic polymers on the flexural and rebound behaviours of ski boots. DMTA analysis on the materials and flexural and rebound testing on the boots have been performed. A comparison of the results highlighted a correlation between the visco-elastic properties and the flexural and rebound behaviour of ski boots. The same experimental methods have been used to investigate the influence of the design on the flexural and rebound behaviours. Finally in the third chapter the thermoplastic materials employed for the construction of ski boots soles have been characterized in terms of chemical composition, hardness, crystallinity, surface roughness and coefficient of friction (COF). The results showed a relation between material hardness and grip, in particular softer materials provide more grip with respect to harder materials. On the contrary, the surface roughness has a negative effect on friction because of the decrease in contact area. The measure of grip on inclined wet surfaces showed again a relation between hardness and grip. The performance ranking of the different materials has been the same for the COF and for the slip angle tests, indicating that COF can be used as a parameter for the choice of the optimal material to be used for the soles of ski boots.

Modelling, diagnostics and experimental analysis of plasma assisted processes for material treatment

This work presents results from experimental investigations of several different atmospheric pressure plasmas applications, such as Metal Inert Gas (MIG) welding and Plasma Arc Cutting (PAC) and Welding (PAW) sources, as well as Inductively Coupled Plasma (ICP) torches. The main diagnostic tool that has been used is High Speed Imaging (HSI), often assisted by Schlieren imaging to analyse non-visible phenomena. Furthermore, starting from thermo-fluid-dynamic models developed by the University of Bologna group, such plasma processes have been studied also with new advanced models, focusing for instance on the interaction between a melting metal wire and a plasma, or considering non-equilibrium phenomena for diagnostics of plasma arcs. Additionally, the experimental diagnostic tools that have been developed for industrial thermal plasmas have been used also for the characterization of innovative low temperature atmospheric pressure non equilibrium plasmas, such as dielectric barrier discharges (DBD) and Plasma Jets. These sources are controlled by few kV voltage pulses with pulse rise time of few nanoseconds to avoid the formation of a plasma arc, with interesting applications in surface functionalization of thermosensitive materials. In order to investigate also bio-medical applications of thermal plasma, a self-developed quenching device has been connected to an ICP torch. Such device has allowed inactivation of several kinds of bacteria spread on petri dishes, by keeping the substrate temperature lower than 40 degrees, which is a strict requirement in order to allow the treatment of living tissues.

Dynamic development of hydrofractures

Natürliche hydraulische Bruchbildung ist in allen Bereichen der Erdkruste ein wichtiger und stark verbreiteter Prozess. Sie beeinflusst die effektive Permeabilität und Fluidtransport auf mehreren Größenordnungen, indem sie hydraulische Konnektivität bewirkt. Der Prozess der Bruchbildung ist sowohl sehr dynamisch als auch hoch komplex. Die Dynamik stammt von der starken Wechselwirkung tektonischer und hydraulischer Prozesse, während sich die Komplexität aus der potentiellen Abhängigkeit der poroelastischen Eigenschaften von Fluiddruck und Bruchbildung ergibt. Die Bildung hydraulischer Brüche besteht aus drei Phasen: 1) Nukleation, 2) zeitabhängiges quasi-statisches Wachstum so lange der Fluiddruck die Zugfestigkeit des Gesteins übersteigt, und 3) in heterogenen Gesteinen der Einfluss von Lagen unterschiedlicher mechanischer oder sedimentärer Eigenschaften auf die Bruchausbreitung. Auch die mechanische Heterogenität, die durch präexistierende Brüche und Gesteinsdeformation erzeugt wird, hat großen Einfluß auf den Wachstumsverlauf. Die Richtung der Bruchausbreitung wird entweder durch die Verbindung von Diskontinuitäten mit geringer Zugfestigkeit im Bereich vor der Bruchfront bestimmt, oder die Bruchausbreitung kann enden, wenn der Bruch auf Diskontinuitäten mit hoher Festigkeit trifft. Durch diese Wechselwirkungen entsteht ein Kluftnetzwerk mit komplexer Geometrie, das die lokale Deformationsgeschichte und die Dynamik der unterliegenden physikalischen Prozesse reflektiert. rnrnNatürliche hydraulische Bruchbildung hat wesentliche Implikationen für akademische und kommerzielle Fragestellungen in verschiedenen Feldern der Geowissenschaften. Seit den 50er Jahren wird hydraulisches Fracturing eingesetzt, um die Permeabilität von Gas und Öllagerstätten zu erhöhen. Geländebeobachtungen, Isotopenstudien, Laborexperimente und numerische Analysen bestätigen die entscheidende Rolle des Fluiddruckgefälles in Verbindung mit poroelastischen Effekten für den lokalen Spannungszustand und für die Bedingungen, unter denen sich hydraulische Brüche bilden und ausbreiten. Die meisten numerischen hydromechanischen Modelle nehmen für die Kopplung zwischen Fluid und propagierenden Brüchen vordefinierte Bruchgeometrien mit konstantem Fluiddruck an, um das Problem rechnerisch eingrenzen zu können. Da natürliche Gesteine kaum so einfach strukturiert sind, sind diese Modelle generell nicht sonderlich effektiv in der Analyse dieses komplexen Prozesses. Insbesondere unterschätzen sie die Rückkopplung von poroelastischen Effekten und gekoppelte Fluid-Festgestein Prozesse, d.h. die Entwicklung des Porendrucks in Abhängigkeit vom Gesteinsversagen und umgekehrt.rnrnIn dieser Arbeit wird ein zweidimensionales gekoppeltes poro-elasto-plastisches Computer-Model für die qualitative und zum Teil auch quantitativ Analyse der Rolle lokalisierter oder homogen verteilter Fluiddrücke auf die dynamische Ausbreitung von hydraulischen Brüchen und die zeitgleiche Evolution der effektiven Permeabilität entwickelt. Das Programm ist rechnerisch effizient, indem es die Fluiddynamik mittels einer Druckdiffusions-Gleichung nach Darcy ohne redundante Komponenten beschreibt. Es berücksichtigt auch die Biot-Kompressibilität poröser Gesteine, die implementiert wurde um die Kontrollparameter in der Mechanik hydraulischer Bruchbildung in verschiedenen geologischen Szenarien mit homogenen und heterogenen Sedimentären Abfolgen zu bestimmen. Als Resultat ergibt sich, dass der Fluiddruck-Gradient in geschlossenen Systemen lokal zu Störungen des homogenen Spannungsfeldes führen. Abhängig von den Randbedingungen können sich diese Störungen eine Neuausrichtung der Bruchausbreitung zur Folge haben kann. Durch den Effekt auf den lokalen Spannungszustand können hohe Druckgradienten auch schichtparallele Bruchbildung oder Schlupf in nicht-entwässerten heterogenen Medien erzeugen. Ein Beispiel von besonderer Bedeutung ist die Evolution von Akkretionskeilen, wo die große Dynamik der tektonischen Aktivität zusammen mit extremen Porendrücken lokal starke Störungen des Spannungsfeldes erzeugt, die eine hoch-komplexe strukturelle Entwicklung inklusive vertikaler und horizontaler hydraulischer Bruch-Netzwerke bewirkt. Die Transport-Eigenschaften der Gesteine werden stark durch die Dynamik in der Entwicklung lokaler Permeabilitäten durch Dehnungsbrüche und Störungen bestimmt. Möglicherweise besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Bildung von Grabenstrukturen und großmaßstäblicher Fluid-Migration. rnrnDie Konsistenz zwischen den Resultaten der Simulationen und vorhergehender experimenteller Untersuchungen deutet darauf hin, dass das beschriebene numerische Verfahren zur qualitativen Analyse hydraulischer Brüche gut geeignet ist. Das Schema hat auch Nachteile wenn es um die quantitative Analyse des Fluidflusses durch induzierte Bruchflächen in deformierten Gesteinen geht. Es empfiehlt sich zudem, das vorgestellte numerische Schema um die Kopplung mit thermo-chemischen Prozessen zu erweitern, um dynamische Probleme im Zusammenhang mit dem Wachstum von Kluftfüllungen in hydraulischen Brüchen zu untersuchen.

Thermal excitations of optical nanofibers measured with a fiber-integrated Fabry-Pérot cavity

Efficient coupling of light to quantum emitters, such as atoms, molecules or quantum dots, is one of the great challenges in current research. The interaction can be strongly enhanced by coupling the emitter to the eva-nescent field of subwavelength dielectric waveguides that offer strong lateral confinement of the guided light. In this context subwavelength diameter optical nanofibers as part of a tapered optical fiber (TOF) have proven to be powerful tool which also provide an efficient transfer of the light from the interaction region to an optical bus, that is to say, from the nanofiber to an optical fiber. rnAnother approach towards enhancing light–matter interaction is to employ an optical resonator in which the light is circulating and thus passes the emitters many times. Here, both approaches are combined by experi-mentally realizing a microresonator with an integrated nanofiber waist. This is achieved by building a fiber-integrated Fabry-Pérot type resonator from two fiber Bragg grating mirrors with a stop-band near the cesium D2-line wavelength. The characteristics of this resonator fulfill the requirements of nonlinear optics, optical sensing, and cavity quantum electrodynamics in the strong-coupling regime. Together with its advantageous features, such as a constant high coupling strength over a large volume, tunability, high transmission outside the mirror stop band, and a monolithic design, this resonator is a promising tool for experiments with nanofiber-coupled atomic ensembles in the strong-coupling regime. rnThe resonator's high sensitivity to the optical properties of the nanofiber provides a probe for changes of phys-ical parameters that affect the guided optical mode, e.g., the temperature via the thermo-optic effect of silica. Utilizing this detection scheme, the thermalization dynamics due to far-field heat radiation of a nanofiber is studied over a large temperature range. This investigation provides, for the first time, a measurement of the total radiated power of an object with a diameter smaller than all absorption lengths in the thermal spectrum at the level of a single object of deterministic shape and material. The results show excellent agreement with an ab initio thermodynamic model that considers heat radiation as a volumetric effect and that takes the emitter shape and size relative to the emission wavelength into account. Modeling and investigating the thermalization of microscopic objects with arbitrary shape from first principles is of fundamental interest and has important applications, such as heat management in nano-devices or radiative forcing of aerosols in Earth's climate system. rnUsing a similar method, the effect of the TOF's mechanical modes on the polarization and phase of the fiber-guided light is studied. The measurement results show that in typical TOFs these quantities exhibit high-frequency thermal fluctuations. They originate from high-Q torsional oscillations that couple to the nanofiber-guided light via the strain-optic effect. An ab-initio opto-mechanical model of the TOF is developed that provides an accurate quantitative prediction for the mode spectrum and the mechanically induced polarization and phase fluctuations. These high-frequency fluctuations may limit the ultimate ideality of fiber-coupling into photonic structures. Furthermore, first estimations show that they may currently limit the storage time of nanofiber-based atom traps. The model, on the other hand, provides a method to design TOFs with tailored mechanical properties in order to meet experimental requirements. rn

Mikrobielle Synthese von Biopolymeren aus der nachwachsenden Rohstoffquelle Weizenstroh

Weizenstroh als erneuerbare Ressource zur Produktion von Biopolymeren und wichtigen Grundchemikalien stellt eine ökologisch sinnvolle Alternative dar. Durch die vom PFI durchgeführte Thermodruckhydrolyse konnte das Weizenstroh und die darin enthaltenen Zucker fast vollständig mobilisiert werden. Ein umfangreiches Screening nach Organismen, welche die Zucker des Weizenstrohs verwerten konnten, ergab, dass einige wenige Stämme zur PHB-Bildung aus Xylose befähigt waren (10 %). Zur PHB-Synthese aus Glucose waren indes ca. doppelt so viele Organismen in der Lage (20 %). Zwei der insgesamt 118 untersuchten Organismen zeigten besonders gute PHB-Bildung sowohl mit Xylose als auch mit Glucose als Substrat. Dabei handelte es sich um die hauseigenen Stämme Bacillus licheniformis KHC 3 und Bacillus megaterium KNaC 2. Nach Enttoxifizierung der hemicellulosischen Fraktion konnte diese als C-Quelle im Mineral Medium eingesetzt werden. Burkholderia sacchari DSM 17165 und Hydrogenophaga pseudoflava DSM 1034, sowie die hauseigenen Isolate Bacillus licheniformis KHC 3 und Bacillus megaterium KNaC 2 wurden für die Synthese von PHB aus der hemicellulosischen Fraktion verwendet. Die Zucker der hemicellulosischen Fraktion (Xylose, Glucose, Arabinose) konnten durch diese Organismen zur PHB-Synthese genutzt werden. Hierbei stellte sich heraus, dass die beiden Bacillus-Stämme besser zur Produktion von PHB aus dem hemicellulosischen Hydrolysat geeignet waren als die Stämme der DSMZ. Die alternative Umsetzung der im hemicellulosischem Hydrolysat enthaltenen Zucker (Xylose, Glucose und Arabinose) in die wichtigen Grundchemikalien Lactat und Acetat konnte durch die Verwendung von heterofermentativen Milchsäurebakterien verwirklicht werden. Die Bildung dieser wichtigen Grundchemikalien stellt eine interessante Alternative zur PHB-Synthese dar. Die Menge an teuren Zusätzen wie Tomatensaft, welcher für das Wachstum der MSB essentiell war, konnte reduziert werden. Die Glucose der zweiten Fraktion des Weizenstrohs, der cellulosischen Fraktion, konnte ebenfalls durch den Einsatz von Mikroorganismen in PHB umgewandelt werden. Kommerzielle Cellulasen der Firma Novozymes konnten große Mengen an Glucose (≥10 g/l) aus der cellulosischen Fraktion freisetzen. Diese freie Glucose wurde mit Hilfe von Cupriavidus necator DSM 545, Cupriavidus necator NCIMB 11599, Bacillus licheniformis KHC 3 und Bacillus megaterium KNaC 2 zu PHB fermentiert. Wie auch beim hemicellulosischen Hydrolysat konnten hier die beiden Bacillus-Stämme die besten Ergebnisse erzielen. Bei ihnen machte die PHB mehr als die Hälfte der Trockenmasse aus. Die Abtrennung des Zielprodukts ohne die Verwendung von umweltschädlichen Lösungsmitteln wurde durch die Lyse der Zielzellen durch eigens isolierte Enzyme aus Streptomyceten verwirklicht. Die Zelllyse durch die Enzyme aus Streptomyces globisporus subsp. caucasius DSM 40814 und Streptomyces albidoflavus DSM 40233 war erfolgreich und zeigte vor allem bei den Bacillen hohe Wirkung (83 % und 99 % Zelllyse). Bei dem Gram-negativen Organismus Cupriavidus necator DSM 428 konnte die anfangs niedrige Zelllyse von 38 % durch Ultraschallbehandlung auf ca. 75 % erhöht werden.

Synthese und Testung potentieller Elongin-C-Antagonisten als neuartige HIV-Therapeutika

Weltweit sind über 34 Millionen Menschen mit dem HI-Virus infiziert. Da die Behandlung mit der HAART-Therapie aufgrund der hohen Mutationsrate des Virus oft fehlschlägt, ist die stetige Forschung an neuen, verbesserten Wirkstoffen zwingend nötig. Mit einem neuartigen Therapieansatz, der die Aufrechterhaltung des menschlichen antiretroviralen Schutz-mechanismus durch Hemmung des APOBEC3G-Abbaus zum Ziel hat, existiert eine neue Möglichkeit zur Bekämpfung der Infektion. Im Gegensatz zu den HAART-Virustatika soll hier das menschliche Immunsystem aufrechterhalten werden, sodass es die Abwehr des Virus selbst übernehmen kann. Der durch das Virus induzierte Abbau von APOBEC3G ist gekoppelt an die Bildung eines Komplexes aus mehreren Proteinen, darunter das virale Protein vif (viral infectivity factor) und das humane Protein Elongin–C. Wird eine der Interaktionen dieser Komplexbildung gehemmt, so kann APOBEC3G nicht mehr abgebaut werden und der humane Schutzmechanismus bleibt aufrechterhalten.rnDie vorliegende Arbeit widmete sich in diesem Zusammenhang der Suche nach Inhibitoren der vif-Elongin–C-Interaktion. Nach Dockingstudien wurden potentielle Kandidaten synthetisiert und anschließend zunächst mit Hilfe der Mikrokalorimetrie (ITC) und der Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPR) auf ihre Affinität zu rekombinant exprimiertem Elongin–C getestet. Zusätzlich wurde ein auf der Mikroskalierten Thermo-phorese (MST) basierender Bindungsassay etabliert, und die Substanzen auch mit dieser Methode getestet. Während die Bindung in diesen Assays nicht eindeutig nachgewiesen werden konnte, zeigte sich eine Substanz in In-vitro-Tests auf Hemmung der APOBEC3G- und vif-abhängigen Virusreplikation als sehr vielversprechend. Auch wenn der genaue molekulare Wirkort in weiteren Tests erst noch ermittelt werden muss, stellt diese Molekülstruktur aufgrund der bisherigen Testergebnisse bereits eine vielversprechende Basis für weitere Derivatisierungen dar.rn

Valutazione del risparmio di gas serra e bilancio energetico della pirolisi termo catalitica di fanghi da depurazione

I rifiuti rappresentano un’opportunità di crescita sostenibile in termini di riduzione del consumo di risorse naturali e di sviluppo di tecnologie per il riciclo di materia ed il recupero energetico. Questo progetto di ricerca si occupa di valutare, attraverso l’approccio dello studio del ciclo di vita, la valorizzazione energetica di una particolare categoria di rifiuti: i fanghi derivanti dalla depurazione delle acque. Si è studiata la valorizzazione dei fanghi attraverso l’applicazione del Thermo Catalytic Re-forming (TCR)®, tecnologia che consente di trasformare i fanghi in un carburante per la produzione di energia elettrica (bioliquido). Le valutazioni sono effettuate per una linea di processo generale e due configurazioni progettuali declinate in due scenari. Il caso di studio è stato riferito al depuratore di S. Giustina (Rimini). Per la linea di processo, per ognuna delle configurazioni e i relativi scenari, è stato compilato il bilancio energetico e di massa e, conseguentemente, valutata l’efficienza energetica del processo. Le regole della Renewable Energy Directive (RED), applicate attraverso lo strumento ‘BioGrace I’, permettono di definire il risparmio di gas serra imputabile al bioliquido prodotto. I risultati mostrano che adottare la tecnologia TRC® risulta essere energeticamente conveniente. Infatti, è possibile ricavare dal 77 al 111% del fabbisogno energetico di una linea di processo generale (linea fanghi convenzionale e recupero energetico TCR®). Questo permette, quindi, di ricavare energia utile al processo di depurazione. La massima performance si realizza quando la tecnologia si trova a valle di una linea di trattamento fanghi priva di digestione anaerobica e se il biochar prodotto viene utilizzato come combustibile solido sostitutivo del carbone. La riduzione delle emissioni imputabile al bioliquido prodotto va dal 53 al 75%, valori che soddisfano il limite definito dalla RED del 50% di riduzione delle emissioni (2017) per ogni configurazione progettuale valutata.

Testing the TICT State Hypothesis: an Investigation into the Solvatochromic Behavior of 2-Naphthalenylmethylene Malononitrile

Towards the goal of investigating the possible Twisted Intramolecular Charge Transfer (TICT) state mechanism of fluorescence emission, two aromatic dicyanovinyl compounds, 2-(naphthalene-2-ylmethylene) malononitrile (DCN) and a rigidified analogue, 3,4-dihydrophenanthren-1(2H)-ylidene)malononitrile (RDCN) were synthesized and their absorption and steady-state fluorescence emission spectra characterized. The spectral characterization was divided into two studies: first, DCN and RDCN were characterized in liquid solvents of increasing polarity; second, DCN and RDCN were characterized in viscous solvents and rigid glass media. The absorption spectra for both DCN and RDCN in all solvents demonstrated little to no solvatochromism. Emission results for DCN and RDCN in liquid solvents of increasing polarity showed DCN possessing strong solvatochromism while RDCN showed much less solvatochromism. Using the Lippert-Mataga equation, the difference between the ground and excited state dipole moment for DCN was estimated to be 8.4 + 0.4 Debye and between ~3.0 to 5.0 Debye for RDCN. Quantum yield measurements for DCN and RDCN in hexane, diethyl ether and acetonitrile were less than 0.01 and independent of polarity for both both solvents, with DCN generally possessing a quantum yield 3-4 times greater than RDCN. Experiments in glass media for DCN and RDCN showed a lessening of their solvatochromic character in both polar and non-polar glasses. These data provide strong evidence for a link between molecular flexibility and solvatochromism. However, while these data are consistent with a TICT state hypothesis for the emission mechanism, an alternative mechanism proposed by Maroncelli et al.10 involving rotation about the dicyanovinyl double bond in the excited state remains a possibility as well.