Les effets de revêtements de surface sur la dissolution et la bioaccumulation de nanoparticules d'oxyde de zinc par l'algue unicellulaire, C. reinhardtii

Au cours de la dernière décennie, les nanoparticules ont connu un essor sans précédent dans plusieurs domaines. On peut retrouver ces nanoparticules dans des secteurs aussi variés tels que la médecine, l’électronique, les écrans solaires, les cosmétiques et les plastiques, pour ne nommer que ceux-là. Cette utilisation massive a eu un effet pervers sur l’environnement, sachant qu’une grande partie de ces produits se sont retrouvés inévitablement dans les milieux naturels. Plusieurs études révèlent qu’autant la présence des nanoparticules que leurs produits de dissolution sont à prendre en considération lorsque des travaux toxicologiques ou le devenir de ces matériaux sont étudiés. Il est désormais clair que les propriétés de surface de ces nanoparticules jouent un rôle central sur leur comportement dans les solutions aqueuses; que ce soit les interactions avec des organismes ou entre les particules elles-mêmes. Afin d’évaluer le devenir de nZnO, une étude sur la dissolution ainsi que la bioaccumulation a été réalisée avec l’algue modèle Chlamydomonas reinhardtii en présence de nanoparticules ayant différents enrobages. Les nanoparticules d’oxyde de zinc suivantes ont été étudiées : (i) nZnO sans enrobage (nZnO); (ii) nZnO avec enrobage d’acide polyacrylique (nZnO-PAA) et (iii) nZnO avec enrobage d’hexamétaphosphate de sodium (nZnO-HMP). La dissolution était mesurée à l’aide de trois techniques : ultrafiltration par centrifugation (CU); technique potentiométrique (scanned stripping chronopotentiometry, SSCP) et spectrométrie de masse – plasma à couplage inductif couplé à une résine échangeuse d’ions (resin-based inductively coupled plasma-mass spectrometry, resin-based ICP-MS). Les résultats obtenus démontrent une grande tendance à la dissolution pour le nZnO (presque totale) tandis que pour le nZnO-PAA et le nZnO-HMP, la dissolution est dépendante de la nature de l’enrobage le composant. Pour la bioaccumulation sur l’algue testée, les données montrent une grande dépendance au zinc libre issu de la dissolution pour nZnO et nZnO-PAA. À l’inverse, le nZnO-HMP démontre une bioaccumulation plus élevée par comparaison aux mêmes concentrations d’expositions du zinc libre, expliquée par la stimulation de l’internalisation du zinc provoqué par la présence de phosphate constituant l’enrobage de nZnO-HMP.

Visible-light-mediated synthesis of helicenes in batch and continuous flow systems

Le présent mémoire décrit le développement d’une méthode de synthèse des hélicènes catalysée par la lumière visible. Les conditions pour la formation de [5]hélicène ont été établies par une optimisation du photocatalyseur, du solvant, du système d’oxydation et du temps réactionnel. Suite aux études mécanistiques préliminaires, un mécanisme oxydatif est proposé. Les conditions optimisées ont été appliquées à la synthèse de [6]hélicènes pour laquelle la régiosélectivité a été améliorée en ajoutant des substituants sur la colonne hélicale. La synthèse de thiohélicènes a aussi été testée en utilisant les mêmes conditions sous irradiation par la lumière visible. La méthode a été inefficace pour la formation de benzodithiophènes et de naphtothiophènes, par contre elle permet la formation du phenanthro[3,4-b]thiophène avec un rendement acceptable. En prolongeant la surface-π de la colonne hélicale, le pyrène a été fusionné aux motifs de [4]- et [5]hélicène. Trois dérivés de pyrène-hélicène ont été synthétisés en utilisant les conditions optimisées pour la photocyclisation et leurs caractéristiques physiques ont été étudiées. La méthode de cyclisation sous l’action de la lumière visible a aussi été étudiée en flux continu. Une optimisation du montage expérimental ainsi que de la source lumineuse a été effectuée et les meilleures conditions ont été appliquées à la formation de [5]hélicène et des trois dérivés du pyrène-hélicène. Une amélioration ou conservation des rendements a été observée pour la plupart des produits formés en flux continu comparativement à la synthèse en batch. La concentration de la réaction a aussi été conservée et le temps réactionnel a été réduit par un facteur de dix toujours en comparaison avec la synthèse en batch.

A Coupled 2 × 2D Babcock–Leighton Solar Dynamo Model. I. Surface Magnetic Flux Evolution

The need for reliable predictions of the solar activity cycle motivates the development of dynamo models incorporating a representation of surface processes sufficiently detailed to allow assimilation of magnetographic data. In this series of papers we present one such dynamo model, and document its behavior and properties. This first paper focuses on one of the model's key components, namely surface magnetic flux evolution. Using a genetic algorithm, we obtain best-fit parameters of the transport model by least-squares minimization of the differences between the associated synthetic synoptic magnetogram and real magnetographic data for activity cycle 21. Our fitting procedure also returns Monte Carlo-like error estimates. We show that the range of acceptable surface meridional flow profiles is in good agreement with Doppler measurements, even though the latter are not used in the fitting process. Using a synthetic database of bipolar magnetic region (BMR) emergences reproducing the statistical properties of observed emergences, we also ascertain the sensitivity of global cycle properties, such as the strength of the dipole moment and timing of polarity reversal, to distinct realizations of BMR emergence, and on this basis argue that this stochasticity represents a primary source of uncertainty for predicting solar cycle characteristics.

Photorealistic Surface Rendering with Microfacet Theory

La synthèse d'images dites photoréalistes nécessite d'évaluer numériquement la manière dont la lumière et la matière interagissent physiquement, ce qui, malgré la puissance de calcul impressionnante dont nous bénéficions aujourd'hui et qui ne cesse d'augmenter, est encore bien loin de devenir une tâche triviale pour nos ordinateurs. Ceci est dû en majeure partie à la manière dont nous représentons les objets: afin de reproduire les interactions subtiles qui mènent à la perception du détail, il est nécessaire de modéliser des quantités phénoménales de géométries. Au moment du rendu, cette complexité conduit inexorablement à de lourdes requêtes d'entrées-sorties, qui, couplées à des évaluations d'opérateurs de filtrage complexes, rendent les temps de calcul nécessaires à produire des images sans défaut totalement déraisonnables. Afin de pallier ces limitations sous les contraintes actuelles, il est nécessaire de dériver une représentation multiéchelle de la matière. Dans cette thèse, nous construisons une telle représentation pour la matière dont l'interface correspond à une surface perturbée, une configuration qui se construit généralement via des cartes d'élévations en infographie. Nous dérivons notre représentation dans le contexte de la théorie des microfacettes (conçue à l'origine pour modéliser la réflectance de surfaces rugueuses), que nous présentons d'abord, puis augmentons en deux temps. Dans un premier temps, nous rendons la théorie applicable à travers plusieurs échelles d'observation en la généralisant aux statistiques de microfacettes décentrées. Dans l'autre, nous dérivons une procédure d'inversion capable de reconstruire les statistiques de microfacettes à partir de réponses de réflexion d'un matériau arbitraire dans les configurations de rétroréflexion. Nous montrons comment cette théorie augmentée peut être exploitée afin de dériver un opérateur général et efficace de rééchantillonnage approximatif de cartes d'élévations qui (a) préserve l'anisotropie du transport de la lumière pour n'importe quelle résolution, (b) peut être appliqué en amont du rendu et stocké dans des MIP maps afin de diminuer drastiquement le nombre de requêtes d'entrées-sorties, et (c) simplifie de manière considérable les opérations de filtrage par pixel, le tout conduisant à des temps de rendu plus courts. Afin de valider et démontrer l'efficacité de notre opérateur, nous synthétisons des images photoréalistes anticrenelées et les comparons à des images de référence. De plus, nous fournissons une implantation C++ complète tout au long de la dissertation afin de faciliter la reproduction des résultats obtenus. Nous concluons avec une discussion portant sur les limitations de notre approche, ainsi que sur les verrous restant à lever afin de dériver une représentation multiéchelle de la matière encore plus générale.

Glucoamylase immobilized on montmorillonite: influence of nature of binding on surface properties of clay-support and activity of enzyme

Glucoamylase was immobilized on acid activated montmorillonite clay via two different procedures namely adsorption and covalent binding. The immobilized enzymes were characterized by XRD, NMR and N2 adsorption measurements and the activity of immobilized glucoamylase for starch hydrolysis was determined in a batch reactor. XRD shows intercalation of enzyme into the clay matrix during both immobilization procedures. Intercalation occurs via the side chains of the amino acid residues, the entire polypeptide backbone being situated at the periphery of the clay matrix. 27Al NMR studies revealed the different nature of interaction of enzyme with the support for both immobilization techniques. N2 adsorption measurements indicated a sharp drop in surface area and pore volume for the covalently bound glucoamylase that suggested severe pore blockage. Activity studies were performed in a batch reactor. The adsorbed and covalently bound glucoamylase retained 49% and 66% activity of the free enzyme respectively. They showed enhanced pH and thermal stabilities. The immobilized enzymes also followed Michaelis–Menten kinetics. Km was greater than the free enzyme that was attributed to an effect of immobilization. The immobilized preparations demonstrated increased reusability as well as storage stability.

High power N2 laser with a modified gas flow system and discharge geometry

A high power Nz laser of the double-Blumlein type having a modified gas flow system, electrode configuration, and discharge geometry with minimum inductance is described. By incorporating a triggere’d-pressurized spark gap switch, arc-free operation was achieved for a wide E/P range. The device gives a peak power in excess of 700 kW with a FWHM of 3 ns and an efficiency of 0.51%, which is remarkably high for a pulsed nitrogen laser system. The dependence of output power on parameters such as operating pressure, voltage, and repetition rate are discussed.

Topological Invariants in Hydrodynamics and Hydromagnetics

In this thesis we are studying possible invariants in hydrodynamics and hydromagnetics. The concept of flux preservation and line preservation of vector fields, especially vorticity vector fields, have been studied from the very beginning of the study of fluid mechanics by Helmholtz and others. In ideal magnetohydrodynamic flows the magnetic fields satisfy the same conservation laws as that of vorticity field in ideal hydrodynamic flows. Apart from these there are many other fields also in ideal hydrodynamic and magnetohydrodynamic flows which preserves flux across a surface or whose vector lines are preserved. A general study using this analogy had not been made for a long time. Moreover there are other physical quantities which are also invariant under the flow, such as Ertel invariant. Using the calculus of differential forms Tur and Yanovsky classified the possible invariants in hydrodynamics. This mathematical abstraction of physical quantities to topological objects is needed for an elegant and complete analysis of invariants.Many authors used a four dimensional space-time manifold for analysing fluid flows. We have also used such a space-time manifold in obtaining invariants in the usual three dimensional flows.In chapter one we have discussed the invariants related to vorticity field using vorticity field two form w2 in E4. Corresponding to the invariance of four form w2 ^ w2 we have got the invariance of the quantity E. w. We have shown that in an isentropic flow this quantity is an invariant over an arbitrary volume.In chapter three we have extended this method to any divergence-free frozen-in field. In a four dimensional space-time manifold we have defined a closed differential two form and its potential one from corresponding to such a frozen-in field. Using this potential one form w1 , it is possible to define the forms dw1 , w1 ^ dw1 and dw1 ^ dw1 . Corresponding to the invariance of the four form we have got an additional invariant in the usual hydrodynamic flows, which can not be obtained by considering three dimensional space.In chapter four we have classified the possible integral invariants associated with the physical quantities which can be expressed using one form or two form in a three dimensional flow. After deriving some general results which hold for an arbitrary dimensional manifold we have illustrated them in the context of flows in three dimensional Euclidean space JR3. If the Lie derivative of a differential p-form w is not vanishing,then the surface integral of w over all p-surfaces need not be constant of flow. Even then there exist some special p-surfaces over which the integral is a constant of motion, if the Lie derivative of w satisfies certain conditions. Such surfaces can be utilised for investigating the qualitative properties of a flow in the absence of invariance over all p-surfaces. We have also discussed the conditions for line preservation and surface preservation of vector fields. We see that the surface preservation need not imply the line preservation. We have given some examples which illustrate the above results. The study given in this thesis is a continuation of that started by Vedan et.el. As mentioned earlier, they have used a four dimensional space-time manifold to obtain invariants of flow from variational formulation and application of Noether's theorem. This was from the point of view of hydrodynamic stability studies using Arnold's method. The use of a four dimensional manifold has great significance in the study of knots and links. In the context of hydrodynamics, helicity is a measure of knottedness of vortex lines. We are interested in the use of differential forms in E4 in the study of vortex knots and links. The knowledge of surface invariants given in chapter 4 may also be utilised for the analysis of vortex and magnetic reconnections.

Design and study of self-assembled functional organic and hybrid systems for biological applications

The focus of self-assembly as a strategy for the synthesis has been confined largely to molecules, because of the importance of manipulating the structure of matter at the molecular scale. We have investigated the influence of temperature and pH, in addition to the concentration of the capping agent used for the formation of the nano-bio conjugates. For example, the formation of the narrower size distribution of the nanoparticles was observed with the increase in the concentration of the protein, which supports the fact that γ-globulin acts both as a controller of nucleation as well as stabiliser. As analyzed through various photophysical, biophysical and microscopic techniques such as TEM, AFM, C-AFM, SEM, DLS, OPM, CD and FTIR, we observed that the initial photoactivation of γ-globulin at pH 12 for 3 h resulted in small protein fibres of ca. Further irradiation for 24 h, led to the formation of selfassembled long fibres of the protein of ca. 5-6 nm and observation of surface plasmon resonance band at around 520 nm with the concomitant quenching of luminescence intensity at 680 nm. The observation of light triggered self-assembly of the protein and its effect on controlling the fate of the anchored nanoparticles can be compared with the naturally occurring process such as photomorphogenesis.Furthermore,our approach offers a way to understand the role played by the self-assembly of the protein in ordering and knock out of the metal nanoparticles and also in the design of nano-biohybrid materials for medicinal and optoelectronic applications. Investigation of the potential applications of NIR absorbing and water soluble squaraine dyes 1-3 for protein labeling and anti-amyloid agents forms the subject matter of the third chapter of the thesis. The study of their interactions with various proteins revealed that 1-3 showed unique interactions towards serum albumins as well as lysozyme. 69%, 71% and 49% in the absorption spectra as well as significant quenching in the fluorescence intensity of the dyes 1-3, respectively. Half-reciprocal analysis of the absorption data and isothermal titration calorimetric (ITC) analysis of the titration experiments gave a 1:1 stoichiometry for the complexes formed between the lysozyme and squaraine dyes with association constants (Kass) in the range 104-105 M-1. We have determined the changes in the free energy (ΔG) for the complex formation and the values are found to be -30.78, -32.31 and -28.58 kJmol-1, respectively for the dyes 1, 2 and 3. Furthermore, we have observed a strong induced CD (ICD) signal corresponding to the squaraine chromophore in the case of the halogenated squaraine dyes 2 and 3 at 636 and 637 nm confirming the complex formation in these cases. To understand the nature of interaction of the squaraine dyes 1-3 with lysozyme, we have investigated the interaction of dyes 1-3 with different amino acids. These results indicated that the dyes 1-3 showed significant interactions with cysteine and glutamic acid which are present in the side chains of lysozyme. In addition the temperature dependent studies have revealed that the interaction of the dye and the lysozyme are irreversible. Furthermore, we have investigated the interactions of these NIR dyes 1-3 with β- amyloid fibres derived from lysozyme to evaluate their potential as inhibitors of this biologically important protein aggregation. These β-amyloid fibrils were insoluble protein aggregates that have been associated with a range of neurodegenerative diseases, including Huntington, Alzheimer’s, Parkinson’s, and Creutzfeldt-Jakob diseases. We have synthesized amyloid fibres from lysozyme through its incubation in acidic solution below pH 4 and by allowing to form amyloid fibres at elevated temperature. To quantify the binding affinities of the squaraine dyes 1-3 with β-amyloids, we have carried out the isothermal titration calorimetric (ITC) measurements. The association constants were determined and are found to be 1.2 × 105, 3.6× 105 and 3.2 × 105 M-1 for the dyes, 1-3, respectively. To gain more insights into the amyloid inhibiting nature of the squaraine dyes under investigations, we have carried out thioflavin assay, CD, isothermal titration calorimetry and microscopic analysis. The addition of the dyes 1-3 (5μM) led to the complete quenching in the apparent thioflavin fluorescence, thereby indicating the destabilization of β-amyloid fibres in the presence of the squaraine dyes. Further, the inhibition of the amyloid fibres by the squaraine dyes 1-3, has been evidenced though the DLS, TEM AFM and SAED, wherein we observed the complete destabilization of the amyloid fibre and transformation of the fibre into spherical particles of ca. These results demonstrate the fact that the squaraine dyes 1-3 can act as protein labeling agents as well as the inhibitors of the protein amyloidogenesis. The last chapter of the thesis describes the synthesis and investigation of selfassembly as well as bio-imaging aspects of a few novel tetraphenylethene conjugates 4-6.Expectedly, these conjugates showed significant solvatochromism and exhibited a hypsochromic shift (negative solvatochromism) as the solvent polarity increased, and these observations were justified though theoretical studies employing the B3LYP/6-31g method. We have investigated the self-assembly properties of these D-A conjugates though variation in the percentage of water in acetonitrile solution due to the formation of nanoaggregates. Further the contour map of the observed fluorescence intensity as a function of the fluorescence excitation and emission wavelength confirmed the formation of J-type aggregates in these cases. To have a better understanding of the type of self-assemblies formed from the TPE conjugates 4-6, we have carried out the morphological analysis through various microscopic techniques such as DLS, SEM and TEM. 70%, we observed rod shape architectures having ~ 780 nm in diameter and ~ 12 μM in length as evidenced through TEM and SEM analysis. We have made similar observations with the dodecyl conjugate 5 at ca. 70% and 50% water/acetonitrile mixtures, the aggregates formed from 4 and 5 were found to be highly crystalline and such structures were transformed to amorphous nature as the water fraction was increased to 99%. To evaluate the potential of the conjugate as bio-imaging agents, we have carried out their in vitro cytotoxicity and cellular uptake studies though MTT assay, flow cytometric and confocal laser scanning microscopic techniques. Thus nanoparticle of these conjugates which exhibited efficient emission, large stoke shift, good stability, biocompatibility and excellent cellular imaging properties can have potential applications for tracking cells as well as in cell-based therapies. In summary we have synthesized novel functional organic chromophores and have studied systematic investigation of self-assembly of these synthetic and biological building blocks under a variety of conditions. The investigation of interaction of water soluble NIR squaraine dyes with lysozyme indicates that these dyes can act as the protein labeling agents and the efficiency of inhibition of β-amyloid indicate, thereby their potential as anti-amyloid agents.

Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

Lithography-free micro- and nanostructuring based on conventional plasma etching

In now-a-days semiconductor and MEMS technologies the photolithography is the working horse for fabrication of functional devices. The conventional way (so called Top-Down approach) of microstructuring starts with photolithography, followed by patterning the structures using etching, especially dry etching. The requirements for smaller and hence faster devices lead to decrease of the feature size to the range of several nanometers. However, the production of devices in this scale range needs photolithography equipment, which must overcome the diffraction limit. Therefore, new photolithography techniques have been recently developed, but they are rather expensive and restricted to plane surfaces. Recently a new route has been presented - so-called Bottom-Up approach - where from a single atom or a molecule it is possible to obtain functional devices. This creates new field - Nanotechnology - where one speaks about structures with dimensions 1 - 100 nm, and which has the possibility to replace the conventional photolithography concerning its integral part - the self-assembly. However, this technique requires additional and special equipment and therefore is not yet widely applicable. This work presents a general scheme for the fabrication of silicon and silicon dioxide structures with lateral dimensions of less than 100 nm that avoids high-resolution photolithography processes. For the self-aligned formation of extremely small openings in silicon dioxide layers at in depth sharpened surface structures, the angle dependent etching rate distribution of silicon dioxide against plasma etching with a fluorocarbon gas (CHF3) was exploited. Subsequent anisotropic plasma etching of the silicon substrate material through the perforated silicon dioxide masking layer results in high aspect ratio trenches of approximately the same lateral dimensions. The latter can be reduced and precisely adjusted between 0 and 200 nm by thermal oxidation of the silicon structures owing to the volume expansion of silicon during the oxidation. On the basis of this a technology for the fabrication of SNOM calibration standards is presented. Additionally so-formed trenches were used as a template for CVD deposition of diamond resulting in high aspect ratio diamond knife. A lithography-free method for production of periodic and nonperiodic surface structures using the angular dependence of the etching rate is also presented. It combines the self-assembly of masking particles with the conventional plasma etching techniques known from microelectromechanical system technology. The method is generally applicable to bulk as well as layered materials. In this work, layers of glass spheres of different diameters were assembled on the sample surface forming a mask against plasma etching. Silicon surface structures with periodicity of 500 nm and feature dimensions of 20 nm were produced in this way. Thermal oxidation of the so structured silicon substrate offers the capability to vary the fill factor of the periodic structure owing to the volume expansion during oxidation but also to define silicon dioxide surface structures by selective plasma etching. Similar structures can be simply obtained by structuring silicon dioxide layers on silicon. The method offers a simple route for bridging the Nano- and Microtechnology and moreover, an uncomplicated way for photonic crystal fabrication.

Ein Beitrag zur realitätsnahen Modellierung und Analyse von stahlfaserverstärkten Stahlbeton- und Stahlbetonflächentragwerken

Das Werkstoffverhalten von stahlfaserfreiem bzw. stahlfaserverstärktem Stahlbeton unter biaxialle Druck- Zugbeanspruchung wurde experimentell und theoretisch untersucht. Die Basis der experimentellen Untersuchungen waren zahlreiche Versuche, die in der Vergangenheit an faserfreiem Stahlbetonscheiben zur Bestimmung des Werkstoffverhaltens von gerissenem Stahlbeton im ebenen Spannungszustand durchgeführt wurden. Bei diesen Untersuchungen wurde festgestellt, dass infolge einer Querzugbeanspruchung eine Abminderung der biaxialen Druckfestigkeit entsteht. Unter Berücksichtigung dieser Erkenntnisse sind zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften des Betons, Stahlbetonscheiben aus stahlfaserverstärktem Beton hergestellt worden. Die aus der Literatur bekannten Werkstoffmodelle für Beton sowie Stahlbeton, im ungerissenen und gerissenen Zustand wurden hinsichtlich der in der Vergangenheit ermittelten Materialeigenschaften des Betons bzw. Stahlbetons unter proportionalen sowie nichtproportionalen äußeren Belastungen erklärt und kritisch untersucht. In den frischen Beton wurden Stahlfasern hinzugegeben. Dadurch konnte die Festigkeits- und die Materialsteifigkeitsabminderung infolge Rissbildung, die zur Schädigung des Verbundwerkstoffs Beton führt, reduziert werden. Man konnte sehen, dass der Druckfestigkeitsabminderungsfaktor und insbesondere die zur maximal aufnehmbaren Zylinderdruckfestigkeit gehörende Stauchung, durch Zugabe von Stahlfasern besser begrenzt wird. Die experimentelle Untersuchungen wurden an sechs faserfreien und sieben stahlfaserverstärkten Stahlbetonscheiben unter Druck-Zugbelastung zur Bestimmung des Verhaltens des gerissenen faserfreien und stahlfaserverstärkten Stahlbetons durchgeführt. Die aus eigenen Versuchen ermittelten Materialeigenschaften des Betons, des stahlfaserverstärkten Betons und Stahlbetons im gerissenen Zustand wurden dargelegt und diskutiert. Bei der Rissbildung des quasi- spröden Werkstoffs Beton und dem stahlfaserverstärkten Beton wurde neben dem plastischen Fließen, auch die Abnahme des Elastizitätsmoduls festgestellt. Die Abminderung der aufnehmbaren Festigkeit und der zugehörigen Verzerrung lässt sich nicht mit der klassischen Fließtheorie der Plastizität ohne Modifizierung des Verfestigungsgesetzes erfassen. Es wurden auf elasto-plastischen Werkstoffmodellen basierende konstitutive Beziehungen für den faserfreien sowie den stahlfaserverstärkten Beton vorgeschlagen. Darüber hinaus wurde in der vorliegenden Arbeit eine auf dem elasto-plastischen Werkstoffmodell basierende konstitutive Beziehung für Beton und den stahlfaser-verstärkten Beton im gerissenen Zustand formuliert. Die formulierten Werkstoffmodelle wurden mittels dem in einer modularen Form aufgebauten nichtlinearen Finite Elemente Programm DIANA zu numerischen Untersuchungen an ausgewählten experimentell untersuchten Flächentragwerken, wie scheibenartigen-, plattenartigen- und Schalentragwerken aus faserfreiem sowie stahlfaserverstärktem Beton verwendet. Das entwickelte elasto-plastische Modell ermöglichte durch eine modifizierte effektive Spannungs-Verzerrungs-Beziehung für das Verfestigungsmodell, nicht nur die Erfassung des plastischen Fließens sondern auch die Berücksichtigung der Schädigung der Elastizitätsmodule infolge Mikrorissen sowie Makrorissen im Hauptzugspannungs-Hauptdruckspannungs-Bereich. Es wurde bei den numerischen Untersuchungen zur Ermittlung des Last-Verformungsverhaltens von scheibenartigen, plattenartigen- und Schalentragwerken aus faserfreiem und stahlfaserverstärktem Stahlbeton, im Vergleich mit den aus Versuchen ermittelten Ergebnissen, eine gute Übereinstimmung festgestellt.

Numerical Simulation of Electroosmotic Flow with Step Change in Zeta Potential

Electroosmotic flow is a convenient mechanism for transporting polar fluid in a microfluidic device. The flow is generated through the application of an external electric field that acts on the free charges that exists in a thin Debye layer at the channel walls. The charge on the wall is due to the chemistry of the solid-fluid interface, and it can vary along the channel, e.g. due to modification of the wall. This investigation focuses on the simulation of the electroosmotic flow (EOF) profile in a cylindrical microchannel with step change in zeta potential. The modified Navier-Stoke equation governing the velocity field and a non-linear two-dimensional Poisson-Boltzmann equation governing the electrical double-layer (EDL) field distribution are solved numerically using finite control-volume method. Continuities of flow rate and electric current are enforced resulting in a non-uniform electrical field and pressure gradient distribution along the channel. The resulting parabolic velocity distribution at the junction of the step change in zeta potential, which is more typical of a pressure-driven velocity flow profile, is obtained.

Numerical simulation of baroclinic waves with a parameterized boundary layer

A dry three-dimensional baroclinic life cycle model is used to investigate the role of turbulent fluxes of heat and momentum within the boundary layer on mid-latitude cyclones. Simulations are performed of life cycles for two basic states, both with and without turbulent fluxes. The different basic states produce cyclones with contrasting frontal and mesoscale-flow structures. The analysis focuses on the generation of potential-vorticity (PV) in the boundary layer and its subsequent transport into the free troposphere. The dynamic mechanism through which friction mitigates a barotropic vortex is that of Ekman pumping. This has often been assumed to be also the dominant mechanism for baroclinic developments. The PV framework highlights an additional, baroclinic mechanism. Positive PV is generated baroclinically due to friction to the north-east of a surface low and is transported out of the boundary layer by a cyclonic conveyor belt flow. The result is an anomaly of increased static stability in the lower troposphere which restricts the growth of the baroclinic wave. The reduced coupling between lower and upper levels can be sufficient to change the character of the upper-level evolution of the mature wave. The basic features of the baroclinic damping mechanism are robust for different frontal structures, with and without turbulent heat fluxes, and for the range of surface roughness found over the oceans.

Impact of Tibetan Orography and Heating on the Summer Flow over Asia

The influence on the summer flow over Asia of both the orographic and thermal forcing of the Tibetan Plateau is investigated using a sequence of idealised experiments with a global primitive equation model. The zonally averaged flow is prescribed and both realistic and idealised orography and heating are used. There is some similarity between the responses to the two forcings when applied separately. The upper tropospheric Tibetan anticyclone is predominantly forced by the heating but also weakly by the orography. Below this, both forcings tend to give air descending in an equatorward anticyclonic circulation down the isentropes to the west and rising in a similar poleward circulation to the east. However the heating-only response has a strong ascending southwesterly flow that is guided around the south and south-east of the orography when it is included. On the northern side, the westerly flow over the orography gives ascent on the upslope and descent on the downslope. It is found that heating over the Plateau leads to a potential vorticity (PV) minimum and that if it is sufficiently strong the flow is unstable, producing a quasi-biweekly oscillation. During this oscillation the Tibetan anticyclone changes between a single centre over the southwestern side of the Plateau and a split/double structure with centres over China and the Middle East. These characteristics are similar to observed variability in the region. Associated with this quasi-biweekly oscillation are significant variations in the strength of the ascent over the Plateau and the Rossby wave pattern over the North Pacific. The origin of the variability is instability associated with the zonally extended potential vorticity PV minimum on a θ-surface, as proposed by Hsu and Plumb (2000). This minimum is due to the tendency to reduce the PV above the heating over the Plateau and to advection by the consequent anticyclone of high PV around from the east and low PV to the west. The deep convection to the south and southeast of the Plateau tends to suppress the quasi-biweekly oscillation because the low PV produced above it acts to reduce the meridional PV gradient reversal. The occurrence of the oscillation depends on the relative magnitude of the heating in the two regions.

Structure of turbulent flow over arrays of cubical roughness

The structure of turbulent flow over large roughness consisting of regular arrays of cubical obstacles is investigated numerically under constant pressure gradient conditions. Results are analysed in terms of first- and second-order statistics, by visualization of instantaneous flow fields and by conditional averaging. The accuracy of the simulations is established by detailed comparisons of first- and second-order statistics with wind-tunnel measurements. Coherent structures in the log region are investigated. Structure angles are computed from two-point correlations, and quadrant analysis is performed to determine the relative importance of Q2 and Q4 events (ejections and sweeps) as a function of height above the roughness. Flow visualization shows the existence of low-momentum regions (LMRs) as well as vortical structures throughout the log layer. Filtering techniques are used to reveal instantaneous examples of the association of the vortices with the LMRs, and linear stochastic estimation and conditional averaging are employed to deduce their statistical properties. The conditional averaging results reveal the presence of LMRs and regions of Q2 and Q4 events that appear to be associated with hairpin-like vortices, but a quantitative correspondence between the sizes of the vortices and those of the LMRs is difficult to establish; a simple estimate of the ratio of the vortex width to the LMR width gives a value that is several times larger than the corresponding ratio over smooth walls. The shape and inclination of the vortices and their spatial organization are compared to recent findings over smooth walls. Characteristic length scales are shown to scale linearly with height in the log region. Whilst there are striking qualitative similarities with smooth walls, there are also important differences in detail regarding: (i) structure angles and sizes and their dependence on distance from the rough surface; (ii) the flow structure close to the roughness; (iii) the roles of inflows into and outflows from cavities within the roughness; (iv) larger vortices on the rough wall compared to the smooth wall; (v) the effect of the different generation mechanism at the wall in setting the scales of structures.