Movement of NH3 through the human urea transporter B: a new gas channel

Aquaporins and Rh proteins can function as gas (CO2 and NH3) channels. The present study explores the urea, H2O, CO2, and NH3 permeability of the human urea transporter B (UT-B) (SLC14A1), expressed in Xenopus oocytes. We monitored urea uptake using [14C]urea and measured osmotic water permeability (Pf) using video microscopy. To obtain a semiquantitative measure of gas permeability, we used microelectrodes to record the maximum transient change in surface pH (∆pHS) caused by exposing oocytes to 5% CO2/33 mM HCO3- (pHS increase) or 0.5 mM NH3/NH4+ (pHS decrease). UT-B expression increased oocyte permeability to urea by >20-fold, and Pf by 8-fold vs. H2O-injected control oocytes. UT-B expression had no effect on the CO2-induced ∆pHS but doubled the NH3-induced ∆pHS. Phloretin reduced UT-B-dependent urea uptake (Jurea * ) by 45%, Pf * by 50%, and (- ∆pHS * )NH3 by 70%. p-Chloromercuribenzene sulfonate reduced Jurea * by 25%, Pf * by 30%, and (∆pHS * )NH3 by 100%. Molecular dynamics (MD) simulations of membrane-embedded models of UT-B identified the monomeric UT-B pores as the main conduction pathway for both H2O and NH3 and characterized the energetics associated with permeation of these species through the channel. Mutating each of two conserved threonines lining the monomeric urea pores reduced H2O and NH3 permeability. Our data confirm that UT-B has significant H2O permeability and for the first time demonstrate significant NH3 permeability. Thus the UTs become the third family of gas channels. Inhibitor and mutagenesis studies and results of MD simulations suggest that NH3 and H2O pass through the three monomeric urea channels in UT-B.

Variance Reduction in Analytical Chemistry : New Numerical Methods in Chemometrics and Molecular Simulation

This thesis is based on five papers addressing variance reduction in different ways. The papers have in common that they all present new numerical methods. Paper I investigates quantitative structure-retention relationships from an image processing perspective, using an artificial neural network to preprocess three-dimensional structural descriptions of the studied steroid molecules. Paper II presents a new method for computing free energies. Free energy is the quantity that determines chemical equilibria and partition coefficients. The proposed method may be used for estimating, e.g., chromatographic retention without performing experiments. Two papers (III and IV) deal with correcting deviations from bilinearity by so-called peak alignment. Bilinearity is a theoretical assumption about the distribution of instrumental data that is often violated by measured data. Deviations from bilinearity lead to increased variance, both in the data and in inferences from the data, unless invariance to the deviations is built into the model, e.g., by the use of the method proposed in paper III and extended in paper IV. Paper V addresses a generic problem in classification; namely, how to measure the goodness of different data representations, so that the best classifier may be constructed. Variance reduction is one of the pillars on which analytical chemistry rests. This thesis considers two aspects on variance reduction: before and after experiments are performed. Before experimenting, theoretical predictions of experimental outcomes may be used to direct which experiments to perform, and how to perform them (papers I and II). After experiments are performed, the variance of inferences from the measured data are affected by the method of data analysis (papers III-V).

Characterization and modeling of the barrier properties in nanostructured systems

The object of the present study is the process of gas transport in nano-sized materials, i.e. systems having structural elements of the order of nanometers. The aim of this work is to advance the understanding of the gas transport mechanism in such materials, for which traditional models are not often suitable, by providing a correct interpretation of the relationship between diffusive phenomena and structural features. This result would allow the development new materials with permeation properties tailored on the specific application, especially in packaging systems. The methods used to achieve this goal were a detailed experimental characterization and different simulation methods. The experimental campaign regarded the determination of oxygen permeability and diffusivity in different sets of organic-inorganic hybrid coatings prepared via sol-gel technique. The polymeric samples coated with these hybrid layers experienced a remarkable enhancement of the barrier properties, which was explained by the strong interconnection at the nano-scale between the organic moiety and silica domains. An analogous characterization was performed on microfibrillated cellulose films, which presented remarkable barrier effect toward oxygen when it is dry, while in the presence of water the performance significantly drops. The very low value of water diffusivity at low activities is also an interesting characteristic which deals with its structural properties. Two different approaches of simulation were then considered: the diffusion of oxygen through polymer-layered silicates was modeled on a continuum scale with a CFD software, while the properties of n-alkanthiolate self assembled monolayers on gold were analyzed from a molecular point of view by means of a molecular dynamics algorithm. Modeling transport properties in layered nanocomposites, resulting from the ordered dispersion of impermeable flakes in a 2-D matrix, allowed the calculation of the enhancement of barrier effect in relation with platelets structural parameters leading to derive a new expression. On this basis, randomly distributed systems were simulated and the results were analyzed to evaluate the different contributions to the overall effect. The study of more realistic three-dimensional geometries revealed a prefect correspondence with the 2-D approximation. A completely different approach was applied to simulate the effect of temperature on the oxygen transport through self assembled monolayers; the structural information obtained from equilibrium MD simulations showed that raising the temperature, makes the monolayer less ordered and consequently less crystalline. This disorder produces a decrease in the barrier free energy and it lowers the overall resistance to oxygen diffusion, making the monolayer more permeable to small molecules.

Molekulardynamik-Simulationen zu Oberflächeneigenschaften von Siliziumdioxid-Schmelzen

Molekulardynamik-Simulationen zu OberflächeneigenschaftenvonSiliziumdioxid-Schmelzen In der vorliegenden Arbeit werdenMolekulardynamik-Computersimulationenzur Untersuchung der statischen und dynamischenOberflächeneigenschafteneiner Siliziumdioxid (SiO$_2$)-Schmelze durchgeführt.Als Modellpotential verwenden wirein in der Literatur als BKS-Potential bezeichnetesPaarpotential.Wir betrachten in dieser Arbeit zwei Systemgeometrien: zumeinenSysteme aus 432, 1536 und 4608 Atomen ohne periodischeRandbedingungen(Tropfen), zum anderen ein System aus 1152 Atomen mitperiodischen Randbedingungen in zwei Richtungen (dünnerFilm).Für beide Geometrien finden wir im Inneren der Systemekonstante Dichten.Direktan der Oberfläche halten sich ausschließlich Sauerstoffatomeauf.Die Strukturan der Oberfläche erscheint weniger ausgeprägt mit mehrDefekten, als im Inneren des Systems.Es erweist sich,daß viele Eigenschaften statischer Größen, die wir an derOberfläche im Vergleich zum Inneren finden, aufdas Vorhandensein von Zweierringen zurückzuführen sind.Bei der Betrachtung der dynamischen Größen finden wir eineerhöhteBeweglichkeit der Atome an der Oberfläche gegenüber demSysteminneren.

Sistemi liquido cristallini complessi: simulazioni al calcolatore e studi ESR

The aim of this PhD thesis was to study at a microscopic level different liquid crystal (LC) systems, in order to determine their physical properties, resorting to two distinct methodologies, one involving computer simulations, and the other spectroscopic techniques, in particular electron spin resonance (ESR) spectroscopy. By means of the computer simulation approach we tried to demonstrate this tool effectiveness for calculating anisotropic static properties of a LC material, as well as for predicting its behaviour and features. This required the development and adoption of suitable molecular models based on a convenient intermolecular potentials reflecting the essential molecular features of the investigated system. In particular, concerning the simulation approach, we have set up models for discotic liquid crystal dimers and we have studied, by means of Monte Carlo simulations, their phase behaviour and self­-assembling properties, with respect to the simple monomer case. Each discotic dimer is described by two oblate Gay­Berne ellipsoids connected by a flexible spacer, modelled by a harmonic "spring" of three different lengths. In particular we investigated the effects of dimerization on the transition temperatures, as well as on the characteristics of molecular aggregation displayed and the relative orientational order. Moving to the experimental results, among the many experimental techniques that are typically employed to evaluate LC system distinctive features, ESR has proved to be a powerful tool in microscopic scale investigation of the properties, structure, order and dynamics of these materials. We have taken advantage of the high sensitivity of the ESR spin probe technique to investigate increasingly complex LC systems ranging from devices constituted by a polymer matrix in which LC molecules are confined in shape of nano- droplets, as well as biaxial liquid crystalline elastomers, and dimers whose monomeric units or lateral groups are constituted by rod-like mesogens (11BCB). Reflection-mode holographic-polymer dispersed liquid crystals (H-PDLCs) are devices in which LCs are confined into nanosized (50­-300 nm) droplets, arranged in layers which alternate with polymer layers, forming a diffraction grating. We have determined the configuration of the LC local director and we have derived a model of the nanodroplet organization inside the layers. Resorting also to additional information on the nanodroplet size and shape distribution provided by SEM images of the H-PDLC cross-section, the observed director configuration has been modeled as a bidimensional distribution of elongated nanodroplets whose long axis is, on the average, parallel to the layers and whose internal director configuration is a uniaxial quasi- monodomain aligned along the nanodroplet long axis. The results suggest that the molecular organization is dictated mainly by the confinement, explaining, at least in part, the need for switching voltages significantly higher and the observed faster turn-off times in H-PDLCs compared to standard PDLC devices. Liquid crystal elastomers consist in cross-linked polymers, in which mesogens represent the monomers constituting the main chain or the laterally attached side groups. They bring together three important aspects: orientational order in amorphous soft materials, responsive molecular shape and quenched topological constraints. In biaxial nematic liquid crystalline elastomers (BLCEs), two orthogonal directions, rather than the one of normal uniaxial nematic, can be controlled, greatly enhancing their potential value for applications as novel actuators. Two versions of a side-chain BLCEs were characterized: side­-on and end­-on. Many tests have been carried out on both types of LCE, the main features detected being the lack of a significant dynamical behaviour, together with a strong permanent alignment along the principal director, and the confirmation of the transition temperatures already determined by DSC measurements. The end­-on sample demonstrates a less hindered rotation of the side group mesogenic units and a greater freedom of alignment to the magnetic field, as already shown by previous NMR studies. Biaxial nematic ESR static spectra were also obtained on the basis of Molecular Dynamics generated biaxial configurations, to be compared to the experimentally determined ones, as a mean to establish a possible relation between biaxiality and the spectral features. This provides a concrete example of the advantages of combining the computer simulation and spectroscopic approaches. Finally, the dimer α,ω-bis(4'-cyanobiphenyl-4-yl)undecane (11BCB), synthesized in the "quest" for the biaxial nematic phase has been analysed. Its importance lies in the dimer significance as building blocks in the development of new materials to be employed in innovative technological applications, such as faster switching displays, resorting to the easier aligning ability of the secondary director in biaxial phases. A preliminary series of tests were performed revealing the population of mesogenic molecules as divided into two groups: one of elongated straightened conformers sharing a common director, and one of bent molecules, which display no order, being equally distributed in the three dimensions. Employing this model, the calculated values show a consistent trend, confirming at the same time the transition temperatures indicated by the DSC measurements, together with rotational diffusion tensor values that follow closely those of the constituting monomer 5CB.

2 H-NMR und Viskositätsuntersuchungen zum Studium der molekularen Dynamik unterkühlter Flüssigkeiten unter Hochdruck

In der vorliegenden Arbeit wurde die Druckabhängigkeit der molekularen Dynamik mittels 2H-NMR und Viskositätsmessungen untersucht. Für die Messungen wurde der niedermolekulare organische Glasbildner ortho-Terphenyl (OTP) ausgewählt, da dieser aufgrund einer Vielzahl vorliegender Arbeiten als Modellsubstanz angesehen werden kann. Daneben wurden auch Messungen an Salol durchgeführt.Die Untersuchungen erstreckten sich über einen weiten Druck- und Temperaturbereich ausgehend von der Schmelze bis weit in die unterkühlte Flüssigkeit. Dieser Bereich wurde aufgrund experimenteller Voraussetzungen immer durch eine Druckerhöhung erreicht.Beide Substanzen zeigten druckabhängig ein Verhalten, das dem der Temperaturvariation bei Normaldruck sehr ähnelt. Auf einer Zeitskala der molekularen Dynamik von 10E-9 s bis zu 10E+2 s wurde daher am Beispiel von OTP ein Druck-Temperatur-Zeit-Superpositionsprinzip diskutiert. Zudem konnte eine Temperatur-Dichte-Skalierung mit rho T-1/4 erfolgreich durchgeführt werden. Dies entspricht einem rein repulsiven Potentialverlauf mit rho -12±3 .Zur Entscheidung, ob die Verteilungsbreiten der mittleren Rotationskorrelationszeiten durch Druckvariation beeinflußt werden, wurden auch Ergebnisse anderer experimenteller Methoden herangezogen. Unter Hinzuziehung aller Meßergebnisse kann sowohl eine Temperatur- als auch Druckabhängigkeit der Verteilungsbreite bestätigt werden. Zur Auswertung von Viskositätsdaten wurde ein Verfahren vorgestellt, das eine quantitative Aussage über den Fragilitätsindex von unterkühlten Flüssigkeiten auch dann zuläßt, wenn die Messungen nicht bis zur Glasübergangstemperatur Tg durchgeführt werden. Die Auswertung der druckabhängigen Viskositätsdaten von OTP und Salol zeigt einen sehr differenzierten druckabhängigen Verlauf des Fragilitätsindexes für beide Glasbildner. OTP zeigt zunächst eine leichte Abnahme und danach wieder eine Zunahme des Fragilitätsindexes, dieses Ergebnis wird auch von Simulationsdaten, die der Literatur entnommen wurden, unterstützt. Salol hingegen zeigt zunächst eine deutliche Zunahme und danach eine Abnahme des Fragilitätsindexes. Das unterschiedliche Verhalten der beiden Glasbildner mit ähnlichem Fragilitätsindex bei Normaldruck wird auf die Wasserstoffbrückenbindungen innerhalb von Salol zurückgeführt.

Supramolecular order and dynamics of discotic materials studied by solid-state NMR recoupling methods

The topic of this thesis is the investigation of structure,order and dynamics in discotic mesogens by advancedsolid-state NMR spectroscopy. Most of the discotic mesogensunder investigation are hexa-peri-hexabenzocoronene (HBC)derivatives which are of particular interest for potentialdevice applications due to their high one-dimensional chargecarrier mobilities. The supramolecular stacking arrangement of the discoticcores was investigated by 2D 1H-1H double-quantum (DQ)methods, which were modified by incorporating the WATERGATEsuppression technique into the experiments in order toovercome severe phase problems arising from the strongsignal of the long alkyl sidechains. Molecular dynamics and sample orientation was probed throughthe generation of sideband patterns by reconversion rotorencoding in 2D recoupling experiments. These experimentswere extended by new recoupling schemes to enable thedistinction of motion and orientation effects. The solid-state NMR studies presented in this work aim tothe understanding of structure-property relationships in theinvestigated discotic materials, while the experimentsapplied to these materials include new recoupling schemeswhich make the desired information on molecular orientationand dynamics accessible without isotope labelling.

Novel simulation methods for Coulomb and hydrodynamic interactions

This thesis presents new methods to simulate systems with hydrodynamic and electrostatic interactions. Part 1 is devoted to computer simulations of Brownian particles with hydrodynamic interactions. The main influence of the solvent on the dynamics of Brownian particles is that it mediates hydrodynamic interactions. In the method, this is simulated by numerical solution of the Navier--Stokes equation on a lattice. To this end, the Lattice--Boltzmann method is used, namely its D3Q19 version. This model is capable to simulate compressible flow. It gives us the advantage to treat dense systems, in particular away from thermal equilibrium. The Lattice--Boltzmann equation is coupled to the particles via a friction force. In addition to this force, acting on {it point} particles, we construct another coupling force, which comes from the pressure tensor. The coupling is purely local, i.~e. the algorithm scales linearly with the total number of particles. In order to be able to map the physical properties of the Lattice--Boltzmann fluid onto a Molecular Dynamics (MD) fluid, the case of an almost incompressible flow is considered. The Fluctuation--Dissipation theorem for the hybrid coupling is analyzed, and a geometric interpretation of the friction coefficient in terms of a Stokes radius is given. Part 2 is devoted to the simulation of charged particles. We present a novel method for obtaining Coulomb interactions as the potential of mean force between charges which are dynamically coupled to a local electromagnetic field. This algorithm scales linearly, too. We focus on the Molecular Dynamics version of the method and show that it is intimately related to the Car--Parrinello approach, while being equivalent to solving Maxwell's equations with freely adjustable speed of light. The Lagrangian formulation of the coupled particles--fields system is derived. The quasi--Hamiltonian dynamics of the system is studied in great detail. For implementation on the computer, the equations of motion are discretized with respect to both space and time. The discretization of the electromagnetic fields on a lattice, as well as the interpolation of the particle charges on the lattice is given. The algorithm is as local as possible: Only nearest neighbors sites of the lattice are interacting with a charged particle. Unphysical self--energies arise as a result of the lattice interpolation of charges, and are corrected by a subtraction scheme based on the exact lattice Green's function. The method allows easy parallelization using standard domain decomposition. Some benchmarking results of the algorithm are presented and discussed.

Tail bridging vs. patchiness

The subject of this thesis are the interactions between nucleosome core particles (NCPs). NCPs are the primary storage units of DNA in eucaryotic cells. Each NCP consists of a core of eight histone proteins and a strand of DNA, which is wrapped around about two times. Each histone protein has a terminal tail passing over and between the superhelix of the wrapped DNA. Special emphasis was placed on the role of the histone tails, since experimental ndings suggest that the tails have a great in uence on the mutual attraction of the NCPs. In those experiments Mangenot et al. observe a dramatic change in the con guration of the tails, which is accompanied by evidence of mutual attraction between NCPs, when a certain salt concentration is reached. Existing models used in the theoretical approaches and in simulations focus on the description of the histone core and the wrapped DNA, but neglect the histone tails. We introduce the multi chain complex as a new simulation model. Here the histone core and the wrapping DNA are modelled via a charged sphere, while the histone tails are represented by oppositely charged chains grafted on the sphere surface. We start by investigating the parameter space describing a single NCP. The Debye-Huckel potential is used to model the electrostatic interactions and to determine the e ective charge of the NCP core. This value is subsequently used for a study of the pairinteraction of two NCPs via an extensive Molecular Dynamics study. The monomer distribution of the full chain model is investigated. The existence of tail bridges between the cores is demonstrated. Finally, by discriminating between bridging and non-bridging con gurations, we can show that the effect of tail bridging between the spheres does indeed account for the observed attraction. The full chain model can serve as a model to study the acetylation of the histone tails of the nucleosome. The reduction of the charge fraction of the tails, that corresponds to the process of acetylation, leads to a reduction or even the disappearance of the attraction. A recent MC study links this e ect to the unfolding of the chromatin ber in the case of acetylated histone tails. In this case the acetylation of the histone tails leads to the formation of heterochromatin, and one could understand how larger regions of the genetic information could be inactivated through this mechanism.

Molekulardynamik-Computersimulation einer amorph-kristallinen SiO 2 Grenzschicht

In dieser Arbeit werden Molekulardynamik-Computersimulationen zur Untersuchung der statischen und dynamischen Eigenschaften einer amorph/kristallinen Siliziumdioxid(SiO2)-Grenzschicht durchgefuehrt.Die Grenzflaeche wird von der [100]-Ebene des beta-Kristobalit-Kristalls und der fluessigen SiO2-Phase gebildet und in einem Temperaturbereich zwischen 2900K und 3100K im Zustand eines metastabilen Gleichgewichts untersucht. Als Modellpotential zur Beschreibung der mikroskopischen Wechselwirkungen zwischen den Teilchen wird ein einfaches Paarpotential aus der Literatur verwendet, das sowohl die Struktur der kristallinen Phase als auch die der fluessigen Phase gut reproduziert. Bezogen auf die Dichte und die potentielle Energie der Teilchen erstreckt sich der Uebergang von der fluessigen in die kristalline Phase ueber 3-5 Atomlagen. Ein Layering-Effekt der Dichte in der fluessigen Phase in der Naehe der Grenzschicht wird nicht beobachtet. Der Einfluss der Grenzschicht auf statische Groessen, welche das System auf einer mittelreichweitigen Laengenskala beschreiben (z. B. Koordinationszahlverteilung und Ringverteilung) reicht im Vergleich dazu weiter in die fluessige Phase hinein und manifestiert sich in Defektstrukturen, wie z. B. der Erhoehung der Wahrscheinlichkeit fuer das Auftreten von 5-fach koordiniertem Silizium und der vermehrten Bildung von 2er-Ringen in der Fluessigkeit. Dies beguenstigt das Aufbrechen und Umklappen von Si-O-Bindungen und fuehrt zu einer Beschleunigung der Dynamik und einer Erhoehung der Diffusionsgeschwindigkeit in der Fluessigkeit. Im weiteren wird die Hochfrequenzdynamik der reinen SiO2-Fluessigkeit untersucht. Dazu berechnen wir die vibratorische Zustandsdichte in harmonischer Naeherung aus der inhaerenten Struktur. Wir finden einen stark ausgepraegten Peak bei einer Frequenz von 0.6 THz. Dieser Peak kann der niederenergetischsten transversalen akustischen Mode zugeordnet werden, die auch als Scherschwingung des Systems direkt sichtbar ist.

Molekulardynamiksimulationen zur Untersuchung des Mischalkali-Effektes in silikatischen Gläsern

In der vorliegenden Arbeit wird mittels Molekulardynamik(MD)-Computersimulationen die Dynamik von verschiedenen Alkalisilikaten in der Schmelze und im Glas untersucht. Es ist bekannt, daß diese Systeme ionenleitend sind, was auf eine hohe Mobilität der Alkaliionen im Vergleich zu den glasbildenden Komponenten Si und O zurückzuführen ist. Im Mittelpunkt des Interesses steht der sog. Mischalkalieffekt (MAE), der in ternären Mischungen aus Siliziumdioxid mit zwei Alkalioxiden auftritt. Gegenüber Mischungen mit nur einer Alkaliionensorte weisen letztere Systeme eine signifikante Verlangsamung der Alkaliionendiffusion auf. Zunächst werden zwei binäre Alkalisilikate simuliert, nämlich Lithiumdisilikat (LS2) und Kaliumdisilikat (KS2). Die Simulationen zeigen, daß der Ursprung der hohen Mobilität der Alkaliionen in der Struktur begründet ist. KS2 und LS2 weisen auf intermediären Längenskalen Ordnung auf, die in partiellen statischen Strukturfaktoren durch Prepeaks reflektiert ist. Die den Prepeaks zugrundeliegende Struktur erklärt sich durch perkolierende Netzwerke aus alkalioxidreichen Kanälen, die als Diffusionskanäle für die mobilen Alkaliionen fungieren. In diesen Kanälen bewegen sich die Ionen mittels Sprüngen (Hopping) zwischen ausgezeichneten Plätzen. In der Simulation beobachtet man für die hohen Temperaturen (4000K>=1500K) eine ähnliche Aktivierungsenergie wie im Experiment. Im Experiment findet allerdings unterhalb von ca.1200K ein Crossover in ein Arrheniusverhalten mit höherer Aktivierungsenergie statt, welches von der Simulation nicht nachvollzogen wird. Das kann mit der in der Simulation nicht im Gleichgewicht befindlichen Si-O-Matrix erklärt werden, bei der Alterungseffekte beobachtet werden. Am stärksten ist der MAE für eine Alkalikomponente, wenn deren Konzentrationsanteil in einem ternären Mischalkalisystem gegen 0 geht. Daher wird ein LS2-System untersucht, in dem ein Li-Ion gegen ein K-Ion getauscht wird. Der Einfluß des K-Ions ist sowohl lokal in den charakteristischen Abständen zu den ersten nächsten Nachbarn (NN) zu sehen, als auch in der ortsaufgelösten Koordinationszahlverteilung bis zu Längenskalen von ca. 8,5 Angstrom. Die Untersuchung der Dynamik des eingesetzten K-Ions zeigt, daß die Sprungwahrscheinlichkeit nicht mit der Lokalisierung, einem Maß für die Bewegung eines Teilchens um seine Ruheposition, korreliert ist, aber daß eine chemische Umgebung mit wenig Li- und vielen O-NN oder vielen Li- und wenig O-NN ein Sprungereignis begünstigt. Zuletzt wird ein ternäres Alkalisilikat (LKS2) untersucht, dessen Struktur alle charakteristischen Längenskalen von LS2 und KS2 aufweist. Es stellt sich also eine komplexe Struktur mit zwei perkolierenden Subnetzwerken für Alkaliionen ein. Die Untersuchung der Dynamik zeigt eine geringe Wahrscheinlichkeit dafür auf, daß Ionen in ein Subnetzwerk andersnamiger Ionen springen. Auch kann gezeigt werden, daß das Modellpotential den MAE reproduzieren kann, daß also die Diffusionskonstanten in LKS2 bei bis zu einer Größenordnung langsamer sind als in KS2 bzw. LS2. Der beobachtete Effekt stellt sich zudem vom funktionalen Verlauf her so dar, wie er beim MAE erwartet wird. Es wurde auch festgestellt, daß trotz der zeitlichen Verzögerung in den dynamischen Größen die Anzahl der Sprünge pro Zeit nicht geringer ist und daß für niedrige Temperaturen (d.h.im Glas) Sprünge auf den Nachbarplatz mit anschließendem Rücksprung auf die vorherige Position deutlich wahrscheinlicher sind als bei hohen Temperaturen (also in der Schmelze). Die vorliegenden Resultate geben Aufschluß über die Details der Mechanismen mikroskopischer Ionenleitung in binären und ternären Alkalisilikaten sowie dem MAE.

Einfluß von Topologie und Verscherung auf Dynamik und mechanische Parameter bei Homopolymeren

Die FT-Rheologie wird zur Unterscheidung verschiedener Kamm-Topologien in Polystyrollösungen und –schmelzen angewendet. Die Polystyrole werden in Abhängigkeit der Deborahzahl De unter LAOS-Bedingungen vermessen. Die Meßergebnisse zeigen, daß der Schritt von wohldefinierten Systemen (lineare Ketten, Sterne) zu solchen mit statistischer Verteilung wie in Kämmen zu großen Veränderungen sowohl im linearen als auch im nichtlinearen Bereich der rheologischen Messungen führt. Sowohl die Masterkurven als auch die Intenstiäten I3/1 und Phasen Phi3 der Nichtlinearitäten der einzelnen Proben weisen jeweils deutliche Unterschiede untereinander auf. Diese sind durch die bisherigen Ergebnisse noch nicht vollständig mit topologischen Merkmalen in Verbindung zu bringen. Die Messungen wurden mit dem von McLeish eingeführten Pom-pom Modell und daraus weiterentwickelten double convected-Pom-pom Modell (DCPP) simuliert und lieferten gute Übereinstimmung sowie auch Vorhersagen über den experimentell nicht mehr zugänglichen Bereich. Zur Untersuchung des Einflusses von mechanischer Scherung auf die lokale, molekulare Dynamik wird das LAOS-Experiment in situ mit dielektrischer Spektroskopie kombiniert. Dazu wurde eine Apparatur entwickelt, die das hochsensitive ARES-Rheometer mit dem hochauflösenden dielektrischen ALPHA-Analyzer verbindet. Mit dieser Apparatur wurde das Typ-A Polymer 1,4-cis-Polyisopren, mit einem Dipolmoment entlang des Rückgrats, bei oszillatorischer Scherung unter gleichzeitiger Aufnahme eines dielektrischen Spektrums vermessen. Es konnte gezeigt werden, daß die oszillatorische Verscherung weder die charakteristische Relaxationszeit noch die Form des Normal Mode Peaks beeinflußt, wohl aber die dielektrische Stärke Delta epsilon. Diese entspricht der Fläche unter dem e“-Peak und kann mit einer Debye- und einer Cole/Davidson-Funktion angepasst werden. Die Abnahme der dielektrischen Stärke mit zunehmender Scheramplitude kann mit der Orientierungsverteilung der End-zu-End-Vektoren in der Probe erklärt werden.

Klassische und ab initio Molekulardynamik-Untersuchungen zu Germaniumdioxidschmelzen

Germaniumdioxid (GeO2) ist ein Glasbildner, der wie das homologe SiO2 ein ungeordnetes tetraedrisches Netzwerk ausbildet. In dieser Arbeit werden mit Hilfe von Molekulardynamik-Computersimulationen die Struktur und Dynamik von GeO2 in Abhängigkeit von der Temperatur untersucht. Dazu werden sowohl Simulationen mit einem klassischen Paarpotentialmodell von Oeffner und Elliott als auch ab initio-Simulationen gemäß der Car-Parrinello-Molekulardynamik (CPMD), bei der elektronische Freiheitsgrade mittels Dichtefunktionaltheorie beschrieben werden, durchgeführt. In der klassischen Simulation werden dazu ein Temperaturen zwischen 6100 K und 2530 K betrachtet. Darüberhinaus ermöglichen Abkühlläufe auf T=300 K das Studium der Struktur des Glases. Zum Vergleich werden CPMD-Simulationen für kleinere Systeme mit 60 bzw. 120 Teilchen bei den Temperaturen 3760 K und 3000 K durchgeführt. In den klassischen Simulationen kann die im Experiment bis 1700 K nachgewiesene, im Vergleich zu SiO2 starke, Temperaturabhängigkeit der Dichte auch bei höheren Temperaturen beobachtet werden. Gute Übereinstimmungen der Simulationen mit experimentellen Daten zeigen sich bei der Untersuchung verschiedener struktureller Größen, wie z.B. Paarkorrelationsfunktionen, Winkelverteilungen, Koordinationszahlen und Strukturfaktoren. Es können leichte strukturelle Abweichungen der CPMD-Simulationen von den klassischen Simulationen aufgezeigt werden: 1. Die Paarabstände in CPMD sind durchweg etwas kleiner. 2. Es zeigt sich, daß die Bindungen in den ab initio-Simulationen weicher sind, was sich auch in einer etwas stärkeren Temperaturabhängigkeit der strukturellen Größen im Vergleich zu den klassischen Simulationen niederschlägt. 3. Für CPMD kann ein vermehrtes Auftreten von Dreierringstrukturen gezeigt werden. 4. In der CPMD werden temperaturabhängige Defektstrukturen in Form von Sauerstoffpaaren beobachtet, die vor allem bei 3760 K, kaum jedoch bei 3000 K auftreten. Alle strukturellen Unterschiede zwischen klassischer und CPMD-Simulation sind eindeutig nicht auf Finite-Size-Effekte aufgrund der kleinen Systemgrößen in den CPMD-Simulationen zurückzuführen, d.h. sie sind tatsächlich methodisch bedingt. Bei der Dynamik von GeO2 wird in den klassischen Simulationen ebenfalls eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Daten beobachtet, was ein Vergleich der Diffusionskonstanten mit Viskositätsmessungen bei hohen Temperaturen belegt. Die Diffusionskonstanten zeigen teilweise ein verschiedenes Verhalten zum homologen SiO2. Sie folgen in GeO2 bei Temperaturen unter 3000 K einem Arrheniusgesetz mit einer deutlich niedrigeren Aktivierungsenergie. Darüberhinaus werden die Möglichkeiten der Parametrisierung eines neuen klassischen Paarpotentials mittels der Kräfte entlang der CPMD-Trajektorien untersucht. Es zeigt sich, daß derartige Parametrisierungen sehr stark von den gewählten Startparametern abhängen. Ferner führen sämtliche an die Schmelze parametrisierten Potentiale zu zu hohen Dichten im Vergleich zum Experiment. Zum einen liegt dies sehr wahrscheinlich daran,daß für das System GeO2 Kraftdaten allein nicht ausreichen, um grundlegende strukturelle Größen, wie z.B. Paarkorrelationen und Winkelverteilungen, der CPMD-Simulationen gut reproduzieren zu können. Zum anderen ist wohl die Beschreibung mittels Paarpotentialen nicht ausreichend und es ist erforderlich, Merkörperwechselwirkungen in Betracht zu ziehen.

Influence of spatial constraints in non-crystalline regions on the polymer dynamics in semi-crystalline polyethylene: a solid state NMR study

A broad variety of solid state NMR techniques were used to investigate the chain dynamics in several polyethylene (PE) samples, including ultrahigh molecular weight PEs (UHMW-PEs) and low molecular weight PEs (LMW-PEs). Via changing the processing history, i.e. melt/solution crystallization and drawing processes, these samples gain different morphologies, leading to different molecular dynamics. Due to the long chain nature, the molecular dynamics of polyethylene can be distinguished in local fluctuation and long range motion. With the help of NMR these different kinds of molecular dynamics can be monitored separately. In this work the local chain dynamics in non-crystalline regions of polyethylene samples was investigated via measuring 1H-13C heteronuclear dipolar coupling and 13C chemical shift anisotropy (CSA). By analyzing the motionally averaged 1H-13C heteronuclear dipolar coupling and 13C CSA, the information about the local anisotropy and geometry of motion was obtained. Taking advantage of the big difference of the 13C T1 relaxation time in crystalline and non-crystalline regions of PEs, the 1D 13C MAS exchange experiment was used to investigate the cooperative chain motion between these regions. The different chain organizations in non-crystalline regions were used to explain the relationship between the local fluctuation and the long range motion of the samples. In a simple manner the cooperative chain motion between crystalline and non-crystalline regions of PE results in the experimentally observed diffusive behavior of PE chain. The morphological influences on the diffusion motion have been discussed. The morphological factors include lamellar thickness, chain organization in non-crystalline regions and chain entanglements. Thermodynamics of the diffusion motion in melt and solution crystallized UHMW-PEs is discussed, revealing entropy-controlled features of the chain diffusion in PE. This thermodynamic consideration explains the counterintuitive relationship between the local fluctuation and the long range motion of the samples. Using the chain diffusion coefficient, the rates of jump motion in crystals of the melt crystallized PE have been calculated. A concept of "effective" jump motion has been proposed to explain the difference between the values derived from the chain diffusion coefficients and those in literatures. The observations of this thesis give a clear demonstration of the strong relationship between the sample morphology and chain dynamics. The sample morphologies governed by the processing history lead to different spatial constraints for the molecular chains, leading to different features of the local and long range chain dynamics. The knowledge of the morphological influence on the microscopic chain motion has many implications in our understanding of the alpha-relaxation process in PE and the related phenomena such as crystal thickening, drawability of PE, the easy creep of PE fiber, etc.

Development of empirical potentials for amorphous silica

Development of empirical potentials for amorphous silica Amorphous silica (SiO2) is of great importance in geoscience and mineralogy as well as a raw material in glass industry. Its structure is characterized as a disordered continuous network of SiO4 tetrahedra. Many efforts have been undertaken to understand the microscopic properties of silica by classical molecular dynamics (MD) simulations. In this method the interatomic interactions are modeled by an effective potential that does not take explicitely into account the electronic degrees of freedom. In this work, we propose a new methodology to parameterize such a potential for silica using ab initio simulations, namely Car-Parrinello (CP) method [Phys. Rev. Lett. 55, 2471 (1985)]. The new potential proposed is compared to the BKS potential [Phys. Rev. Lett. 64, 1955 (1990)] that is considered as the benchmark potential for silica. First, CP simulations have been performed on a liquid silica sample at 3600 K. The structural features so obtained have been compared to the ones predicted by the classical BKS potential. Regarding the bond lengths the BKS tends to underestimate the Si-O bond whereas the Si-Si bond is overestimated. The inter-tetrahedral angular distribution functions are also not well described by the BKS potential. The corresponding mean value of theSiOSi angle is found to be ≃ 147◦, while the CP yields to aSiOSi angle centered around 135◦. Our aim is to fit a classical Born-Mayer/Coulomb pair potential using ab initio calculations. To this end, we use the force-matching method proposed by Ercolessi and Adams [Europhys. Lett. 26, 583 (1994)]. The CP configurations and their corresponding interatomic forces have been considered for a least square fitting procedure. The classical MD simulations with the resulting potential have lead to a structure that is very different from the CP one. Therefore, a different fitting criterion based on the CP partial pair correlation functions was applied. Using this approach the resulting potential shows a better agreement with the CP data than the BKS ones: pair correlation functions, angular distribution functions, structure factors, density of states and pressure/density were improved. At low temperature, the diffusion coefficients appear to be three times higher than those predicted by the BKS model, however showing a similar temperature dependence. Calculations have also been carried out on crystalline samples in order to check the transferability of the potential. The equilibrium geometry as well as the elastic constants of α-quartz at 0 K are well described by our new potential although the crystalline phases have not been considered for the parameterization. We have developed a new potential for silica which represents an improvement over the pair potentials class proposed so far. Furthermore, the fitting methodology that has been developed in this work can be applied to other network forming systems such as germania as well as mixtures of SiO2 with other oxides (e.g. Al2O3, K2O, Na2O).