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.

Quantification of deformation processes in the Torlesse accretionary wedge, New Zealand

Zusammenfassung:In dieser Studie werden Deformationsprozesse im mesozoischen Torlesse Akkretionskeil (Neuseeland) quantifiziert, um Aufschluß über die Dynamik in Akkretionskeilen zu erhalten. Absolute und relative Verformungsmessungen zeigen sowohl im lokalen als auch regionalen Maßstab eine stark heterogene Deformation des Torlesse Keils. Die regionale Deformation wurde mit Hilfe einer Tensordurchschnittsberechnung, unter Benutzung einzelner lokaler Verformungsdaten, als uniaxiale Verkürzung entlang einer subvertikalen, maximalen Verkürzungsachse charakterisiert. Absolute Verformungsmessungen an niedriggradigen Metasandsteinen belegen darüber hinaus durchschnittliche Volumenverluste von ca. 20% SiO2. Volumenveränderungen in tieferkrustalen Aufschlüssen wurden mittels einer geochemischen Massenbilanzanalyse abgeschätzt. Chemische Zusammensetzungen höhergradiger Zonen weichen je nach Grad der Volumenverformung von der Protolitzusammensetzung ab und zeigen somit Verluste von 15% SiO2 an. Da Speicherorte für das gelöste Material nicht bekannt sind, muss angenommen werden, dass das Material aus dem Keil abtransportiert wurde. Die Verformungsergebnisse geben weiterhin Aufschluß über den Grad der Kopplung zwischen Akkretionskeil und subduzierter Platte. Die ermittelten Scherwerte in den Gesteinen liegen deutlich unter den zu erwartenden Scherwerten, die mittels eines einfachen Modells berechnet wurden, das sowohl verschiedene Konvergenzgeschwindigkeiten als auch Exhumierungsraten berücksichtigt. Dies belegt, dass der Torlesse Keil stark von der subduzierten pazifischen Platte entkoppelt war und die Deformation hauptsächlich durch den Fluß der Sedimente in und aus dem Keil bestimmt wurde.

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.

Cosmological perturbations in generalized theories of gravity

The first part of the thesis concerns the study of inflation in the context of a theory of gravity called "Induced Gravity" in which the gravitational coupling varies in time according to the dynamics of the very same scalar field (the "inflaton") driving inflation, while taking on the value measured today since the end of inflation. Through the analytical and numerical analysis of scalar and tensor cosmological perturbations we show that the model leads to consistent predictions for a broad variety of symmetry-breaking inflaton's potentials, once that a dimensionless parameter entering into the action is properly constrained. We also discuss the average expansion of the Universe after inflation (when the inflaton undergoes coherent oscillations about the minimum of its potential) and determine the effective equation of state. Finally, we analyze the resonant and perturbative decay of the inflaton during (p)reheating. The second part is devoted to the study of a proposal for a quantum theory of gravity dubbed "Horava-Lifshitz (HL) Gravity" which relies on power-counting renormalizability while explicitly breaking Lorentz invariance. We test a pair of variants of the theory ("projectable" and "non-projectable") on a cosmological background and with the inclusion of scalar field matter. By inspecting the quadratic action for the linear scalar cosmological perturbations we determine the actual number of propagating degrees of freedom and realize that the theory, being endowed with less symmetries than General Relativity, does admit an extra gravitational degree of freedom which is potentially unstable. More specifically, we conclude that in the case of projectable HL Gravity the extra mode is either a ghost or a tachyon, whereas in the case of non-projectable HL Gravity the extra mode can be made well-behaved for suitable choices of a pair of free dimensionless parameters and, moreover, turns out to decouple from the low-energy Physics.

Study of electromagnetic reactions on light nuclei with the Lorentz Integral Transform method

In dieser Arbeit aus dem Bereich der Wenig-Nukleonen-Physik wird die neu entwickelte Methode der Lorentz Integral Transformation (LIT) auf die Untersuchung von Kernphotoabsorption und Elektronenstreuung an leichten Kernen angewendet. Die LIT-Methode ermoeglicht exakte Rechnungen durchzufuehren, ohne explizite Bestimmung der Endzustaende im Kontinuum. Das Problem wird auf die Loesung einer bindungzustandsaehnlichen Gleichung reduziert, bei der die Endzustandswechselwirkung vollstaendig beruecksichtigt wird. Die Loesung der LIT-Gleichung wird mit Hilfe einer Entwicklung nach hypersphaerischen harmonischen Funktionen durchgefuehrt, deren Konvergenz durch Anwendung einer effektiven Wechselwirkung im Rahmem des hypersphaerischen Formalismus (EIHH) beschleunigt wird. In dieser Arbeit wird die erste mikroskopische Berechnung des totalen Wirkungsquerschnittes fuer Photoabsorption unterhalb der Pionproduktionsschwelle an 6Li, 6He und 7Li vorgestellt. Die Rechnungen werden mit zentralen semirealistischen NN-Wechselwirkungen durchgefuehrt, die die Tensor Kraft teilweise simulieren, da die Bindungsenergien von Deuteron und von Drei-Teilchen-Kernen richtig reproduziert werden. Der Wirkungsquerschnitt fur Photoabsorption an 6Li zeigt nur eine Dipol-Riesenresonanz, waehrend 6He zwei unterschiedliche Piks aufweist, die dem Aufbruch vom Halo und vom Alpha-Core entsprechen. Der Vergleich mit experimentellen Daten zeigt, dass die Addition einer P-Wellen-Wechselwirkung die Uebereinstimmung wesentlich verbessert. Bei 7Li wird nur eine Dipol-Riesenresonanz gefunden, die gut mit den verfuegbaren experimentellen Daten uebereinstimmt. Bezueglich der Elektronenstreuung wird die Berechnung der longitudinalen und transversalen Antwortfunktionen von 4He im quasi-elastischen Bereich fuer mittlere Werte des Impulsuebertrages dargestellt. Fuer die Ladungs- und Stromoperatoren wird ein nichtrelativistisches Modell verwendet. Die Rechnungen sind mit semirealistischen Wechselwirkungen durchgefuert und ein eichinvarianter Strom wird durch die Einfuehrung eines Mesonaustauschstroms gewonnen. Die Wirkung des Zweiteilchenstroms auf die transversalen Antwortfunktionen wird untersucht. Vorlaeufige Ergebnisse werden gezeigt und mit den verfuegbaren experimentellen Daten verglichen.

Zweischleifenkorrekturen zum leptonischen Zerfall des Z-Bosons

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde, basierend auf der Parallel-/Orthogonalraum-Methode, eine neue Methode zur Berechnung von allgemeinen massiven Zweischleifen-Dreipunkt-Tensorintegralen mit planarer und gedrehter reduzierter planarer Topologie entwickelt. Die Ausarbeitung und Implementation einer Tensorreduktion fuer Integrale, welche eine allgemeine Tensorstruktur im Minkowski-Raum besitzen koennen, wurde durchgefuehrt. Die Entwicklung und Implementation eines Algorithmus zur semi-analytischen Berechnung der schwierigsten Integrale, die nach der Tensorreduktion verbleiben, konnte vollendet werden. (Fuer die anderen Basisintegrale koennen wohlbekannte Methoden verwendet werden.) Die Implementation ist bezueglich der UV-endlichen Anteile der Masterintegrale, die auch nach Tensorreduktion noch die zuvor erwaehnten Topologien besitzen, abgeschlossen. Die numerischen Integrationen haben sich als stabil erwiesen. Fuer die verbleibenden Teile des Projektes koennen wohlbekannte Methoden verwendet werden. In weiten Teilen muessen lediglich noch Links zu existierenden Programmen geschrieben werden. Fuer diejenigen wenigen verbleibenden speziellen Topologien, welche noch zu implementieren sind, sind (wohlbekannte) Methoden zu implementieren. Die Computerprogramme, die im Rahmen dieses Projektes entstanden, werden auch fuer allgemeinere Prozesse in das xloops-Projekt einfliessen. Deswegen wurde sie soweit moeglich fuer allgemeine Prozesse entwickelt und implementiert. Der oben erwaehnte Algorithmus wurde insbesondere fuer die Evaluation der fermionischen NNLO-Korrekturen zum leptonischen schwachen Mischungswinkel sowie zu aehnlichen Prozessen entwickelt. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde ein Grossteil der fuer die fermionischen NNLO-Korrekturen zu den effektiven Kopplungskonstanten des Z-Zerfalls (und damit fuer den schachen Mischungswinkel) notwendigen Arbeit durchgefuehrt.

Automatisierte Berechnung von Feynman-Graphen

Die Berechnung von experimentell überprüfbaren Vorhersagen aus dem Standardmodell mit Hilfe störungstheoretischer Methoden ist schwierig. Die Herausforderungen liegen in der Berechnung immer komplizierterer Feynman-Integrale und dem zunehmenden Umfang der Rechnungen für Streuprozesse mit vielen Teilchen. Neue mathematische Methoden müssen daher entwickelt und die zunehmende Komplexität durch eine Automatisierung der Berechnungen gezähmt werden. In Kapitel 2 wird eine kurze Einführung in diese Thematik gegeben. Die nachfolgenden Kapitel sind dann einzelnen Beiträgen zur Lösung dieser Probleme gewidmet. In Kapitel 3 stellen wir ein Projekt vor, das für die Analysen der LHC-Daten wichtig sein wird. Ziel des Projekts ist die Berechnung von Einschleifen-Korrekturen zu Prozessen mit vielen Teilchen im Endzustand. Das numerische Verfahren wird dargestellt und erklärt. Es verwendet Helizitätsspinoren und darauf aufbauend eine neue Tensorreduktionsmethode, die Probleme mit inversen Gram-Determinanten weitgehend vermeidet. Es wurde ein Computerprogramm entwickelt, das die Berechnungen automatisiert ausführen kann. Die Implementierung wird beschrieben und Details über die Optimierung und Verifizierung präsentiert. Mit analytischen Methoden beschäftigt sich das vierte Kapitel. Darin wird das xloopsnosp-Projekt vorgestellt, das verschiedene Feynman-Integrale mit beliebigen Massen und Impulskonfigurationen analytisch berechnen kann. Die wesentlichen mathematischen Methoden, die xloops zur Lösung der Integrale verwendet, werden erklärt. Zwei Ideen für neue Berechnungsverfahren werden präsentiert, die sich mit diesen Methoden realisieren lassen. Das ist zum einen die einheitliche Berechnung von Einschleifen-N-Punkt-Integralen, und zum anderen die automatisierte Reihenentwicklung von Integrallösungen in höhere Potenzen des dimensionalen Regularisierungsparameters $epsilon$. Zum letzteren Verfahren werden erste Ergebnisse vorgestellt. Die Nützlichkeit der automatisierten Reihenentwicklung aus Kapitel 4 hängt von der numerischen Auswertbarkeit der Entwicklungskoeffizienten ab. Die Koeffizienten sind im allgemeinen Multiple Polylogarithmen. In Kapitel 5 wird ein Verfahren für deren numerische Auswertung vorgestellt. Dieses neue Verfahren für Multiple Polylogarithmen wurde zusammen mit bekannten Verfahren für andere Polylogarithmus-Funktionen als Bestandteil der CC-Bibliothek ginac implementiert.

Struktur- und Reaktionsaufklärung durch Kombination von Theorie und Experiment

Die vorliegende Dissertation beinhaltet Anwendungen der Quantenchemie und methodische Entwicklungen im Bereich der "Coupled-Cluster"-Theorie zu den folgenden Themen: 1.) Die Bestimmung von Geometrieparametern in wasserstoffverbrückten Komplexen mit Pikometer-Genauigkeit durch Kopplung von NMR-Experimenten und quantenchemischen Rechnungen wird an zwei Beispielen dargelegt. 2.) Die hierin auftretenden Unterschiede in Theorie und Experiment werden diskutiert. Hierzu wurde die Schwingungsmittelung des Dipolkopplungstensors implementiert, um Nullpunkt-Effekte betrachten zu können. 3.) Ein weiterer Aspekt der Arbeit behandelt die Strukturaufklärung an diskotischen Flüssigkristallen. Die quantenchemische Modellbildung und das Zusammenspiel mit experimentellen Methoden, vor allem der Festkörper-NMR, wird vorgestellt. 4.) Innerhalb dieser Arbeit wurde mit der Parallelisierung des Quantenchemiepaketes ACESII begonnen. Die grundlegende Strategie und erste Ergebnisse werden vorgestellt. 5.) Zur Skalenreduktion des CCCSD(T)-Verfahrens durch Faktorisierung wurden verschiedene Zerlegungen des Energienenners getestet. Ein sich hieraus ergebendes Verfahren zur Berechnung der CCSD(T)-Energie wurde implementiert. 6.) Die Reaktionsaufklärung der Bildung von HSOH aus di-tert-Butyl-Sulfoxid wird vorgestellt. Dazu wurde die Thermodynamik der Reaktionsschritte mit Methoden der Quantenchemie berechnet.

Diffusionsgewichtete Helium-3 Magnetresonanztomographie zur Untersuchung der Lunge

Die diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie (MRT) mit dem hyperpolarisierten Edelgas-Isotop 3He ist ein neues Verfahren zur Untersuchung von Erkrankungen der Atem-wege und der Lunge. Die Diffusionsbewegung der 3He-Atome in den Luftwegen der Lunge wird durch deren Wände begrenzt, wobei diese Einschränkung sowohl von den Dimensionen der Atemwege als auch von den Messparametern abhängt. Man misst daher einen scheinbaren Diffusionskoeffizienten (Apparent Diffusion Coefficient, ADC) der kleiner ist als der Diffusionskoeffizient bei freier Diffusion. Der ADC gestattet somit eine qualitative Abschät-zung der Größe der Luftwege und deren krankhafte Veränderung, ohne eine direkte Abbil-dung der Luftwege selbst. Eine dreidimensionale Abbildung der räumlichen Verteilung von Lungenschädigungen wird dadurch möglich. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein tieferes physikalisch fundiertes Verständnis der 3He-Diffusionsmessung zu ermöglichen und die Methode der diffusionsgewichteten 3He-MRT hin zur Erfassung des kompletten 3He-Diffusionstensors weiterzuentwickeln. Dazu wurde systematisch im Rahmen von Phantom- und tierexperimentellen Studien sowie Patientenmes-sungen untersucht, inwieweit unterschiedliche Einflussfaktoren das Ergebnis der ADC-Messung beeinflussen. So konnte beispielsweise nachgewiesen werden, dass residuale Luftströmungen am Ende der Einatmung keinen Einfluss auf den ADC-Wert haben. Durch Simulationsrechnungen konnte gezeigt werden, in welchem Maße sich die durch den Anregungspuls hervorgerufene Abnah-me der Polarisation des 3He-Gases auf den gemessenen ADC-Wert auswirkt. In einer Studie an lungengesunden Probanden und Patienten konnte die Wiederholbarkeit der ADC-Messung untersucht werden, aber auch der Einfluss von Gravitationseffekten. Diese Ergebnisse ermöglichen genauere Angaben über systematische und statistische Messfehler, sowie über Grenzwerte zwischen normalem und krankhaft verändertem Lungengewebe. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die bestehende diffusionsgewichtete Bildgebung methodisch zur Erfassung des kompletten Diffusionstensors von 3He in der Lunge weiterentwickelt. Dies war wichtig, da entlang der Luftwege weitestgehend freie Diffusion vorherrscht, während senkrecht zu den Luftwegen die Diffusion eingeschränkt ist. Mit Hilfe von Simulationsrech-nungen wurde der kritische Einfluss von Rauschen in den MRT-Bildern auf die Qualität der Messergebnisse untersucht. Diese neue Methodik wurde zunächst an einem Phantom beste-hend aus einem Bündel aus Glaskapillaren, deren innerer Durchmesser mit dem des mensch-lichen Azinus übereinstimmt, validiert. Es ergab sich eine gute Übereinstimmung zwischen theoretischen Berechnungen und experimentellen Ergebnissen. In ersten Messungen am Menschen konnten so unterschiedliche Anisotropiewerte zwischen lungengesunden Proban-den und Patienten gefunden werden. Es zeigte sich eine Tendenz zu isotroper Diffusion bei Patienten mit einem Lungenemphysem. Zusammenfassend tragen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zu einem besseren Ver-ständnis der ADC-Messmethode bei und helfen zukünftige Studien aufgrund des tieferen Verständnisses der die 3He Messung beeinflussenden Faktoren besser zu planen.

Fault delineation and stress orientations from the analysis of background, low magnitude seismicity in Southern Apennines (Italy)

The aim of this work was to show that refined analyses of background, low magnitude seismicity allow to delineate the main active faults and to accurately estimate the directions of the regional tectonic stress that characterize the Southern Apennines (Italy), a structurally complex area with high seismic potential. Thanks the presence in the area of an integrated dense and wide dynamic network, was possible to analyzed an high quality microearthquake data-set consisting of 1312 events that occurred from August 2005 to April 2011 by integrating the data recorded at 42 seismic stations of various networks. The refined seismicity location and focal mechanisms well delineate a system of NW-SE striking normal faults along the Apenninic chain and an approximately E-W oriented, strike-slip fault, transversely cutting the belt. The seismicity along the chain does not occur on a single fault but in a volume, delimited by the faults activated during the 1980 Irpinia M 6.9 earthquake, on sub-parallel predominant normal faults. Results show that the recent low magnitude earthquakes belongs to the background seismicity and they are likely generated along the major fault segments activated during the most recent earthquakes, suggesting that they are still active today thirty years after the mainshock occurrences. In this sense, this study gives a new perspective to the application of the high quality records of low magnitude background seismicity for the identification and characterization of active fault systems. The analysis of the stress tensor inversion provides two equivalent models to explain the microearthquake generation along both the NW-SE striking normal faults and the E- W oriented fault with a dominant dextral strike-slip motion, but having different geological interpretations. We suggest that the NW-SE-striking Africa-Eurasia convergence acts in the background of all these structures, playing a primary and unifying role in the seismotectonics of the whole region.

Quantum effects and dynamics in hydrogen-bonded systems: a first-principles approach to spectroscopic experiments

Computer simulations have become an important tool in physics. Especially systems in the solid state have been investigated extensively with the help of modern computational methods. This thesis focuses on the simulation of hydrogen-bonded systems, using quantum chemical methods combined with molecular dynamics (MD) simulations. MD simulations are carried out for investigating the energetics and structure of a system under conditions that include physical parameters such as temperature and pressure. Ab initio quantum chemical methods have proven to be capable of predicting spectroscopic quantities. The combination of these two features still represents a methodological challenge. Furthermore, conventional MD simulations consider the nuclei as classical particles. Not only motional effects, but also the quantum nature of the nuclei are expected to influence the properties of a molecular system. This work aims at a more realistic description of properties that are accessible via NMR experiments. With the help of the path integral formalism the quantum nature of the nuclei has been incorporated and its influence on the NMR parameters explored. The effect on both the NMR chemical shift and the Nuclear Quadrupole Coupling Constants (NQCC) is presented for intra- and intermolecular hydrogen bonds. The second part of this thesis presents the computation of electric field gradients within the Gaussian and Augmented Plane Waves (GAPW) framework, that allows for all-electron calculations in periodic systems. This recent development improves the accuracy of many calculations compared to the pseudopotential approximation, which treats the core electrons as part of an effective potential. In combination with MD simulations of water, the NMR longitudinal relaxation times for 17O and 2H have been obtained. The results show a considerable agreement with the experiment. Finally, an implementation of the calculation of the stress tensor into the quantum chemical program suite CP2K is presented. This enables MD simulations under constant pressure conditions, which is demonstrated with a series of liquid water simulations, that sheds light on the influence of the exchange-correlation functional used on the density of the simulated liquid.

Structural and strain analysis in the Late Paleozoic coastal accretionary wedge of central Chile

Abstract In this study structural and finite strain data are used to explore the tectonic evolution and the exhumation history of the Chilean accretionary wedge. The Chilean accretionary wedge is part of a Late Paleozoic subduction complex that developed during subduction of the Pacific plate underneath South America. The wedge is commonly subdivided into a structurally lower Western Series and an upper Eastern Series. This study shows the progressive development of structures and finite strain from the least deformed rocks in the eastern part of the Eastern Series of the accretionary wedge to higher grade schist of the Western Series at the Pacific coast. Furthermore, this study reports finite-strain data to quantify the contribution of vertical ductile shortening to exhumation. Vertical ductile shortening is, together with erosion and normal faulting, a process that can aid the exhumation of high-pressure rocks. In the east, structures are characterized by upright chevron folds of sedimentary layering which are associated with a penetrative axial-plane foliation, S1. As the F1 folds became slightly overturned to the west, S1 was folded about recumbent open F2 folds and an S2 axial-plane foliation developed. Near the contact between the Western and Eastern Series S2 represents a prominent subhorizontal transposition foliation. Towards the structural deepest units in the west the transposition foliation became progressively flat lying. Finite-strain data as obtained by Rf/Phi and PDS analysis in metagreywacke and X-ray texture goniometry in phyllosilicate-rich rocks show a smooth and gradual increase in strain magnitude from east to west. There are no evidences for normal faulting or significant structural breaks across the contact of Eastern and Western Series. The progressive structural and strain evolution between both series can be interpreted to reflect a continuous change in the mode of accretion in the subduction wedge. Before ~320-290 Ma the rocks of the Eastern Series were frontally accreted to the Andean margin. Frontal accretion caused horizontal shortening and upright folds and axial-plane foliations developed. At ~320-290 Ma the mode of accretion changed and the rocks of the Western Series were underplated below the Andean margin. This basal accretion caused a major change in the flow field within the wedge and gave rise to vertical shortening and the development of the penetrative subhorizontal transposition foliation. To estimate the amount that vertical ductile shortening contributed to the exhumation of both units finite strain is measured. The tensor average of absolute finite strain yield Sx=1.24, Sy=0.82 and Sz=0.57 implying an average vertical shortening of ca. 43%, which was compensated by volume loss. The finite strain data of the PDS measurements allow to calculate an average volume loss of 41%. A mass balance approximates that most of the solved material stays in the wedge and is precipitated in quartz veins. The average of relative finite strain is Sx=1.65, Sy=0.89 and Sz=0.59 indicating greater vertical shortening in the structurally deeper units. A simple model which integrates velocity gradients along a vertical flow path with a steady-state wedge is used to estimate the contribution of deformation to ductile thinning of the overburden during exhumation. The results show that vertical ductile shortening contributed 15-20% to exhumation. As no large-scale normal faults have been mapped the remaining 80-85% of exhumation must be due to erosion.

Theoretical studies of fluid membrane mechanics

Biologische Membranen sind Fettmolekül-Doppelschichten, die sich wie zweidimensionale Flüssigkeiten verhalten. Die Energie einer solchen fluiden Oberfläche kann häufig mit Hilfe eines Hamiltonians beschrieben werden, der invariant unter Reparametrisierungen der Oberfläche ist und nur von ihrer Geometrie abhängt. Beiträge innerer Freiheitsgrade und der Umgebung können in den Formalismus mit einbezogen werden. Dieser Ansatz wird in der vorliegenden Arbeit dazu verwendet, die Mechanik fluider Membranen und ähnlicher Oberflächen zu untersuchen. Spannungen und Drehmomente in der Oberfläche lassen sich durch kovariante Tensoren ausdrücken. Diese können dann z. B. dazu verwendet werden, die Gleichgewichtsposition der Kontaktlinie zu bestimmen, an der sich zwei aneinander haftende Oberflächen voneinander trennen. Mit Ausnahme von Kapillarphänomenen ist die Oberflächenenergie nicht nur abhängig von Translationen der Kontaktlinie, sondern auch von Änderungen in der Steigung oder sogar Krümmung. Die sich ergebenden Randbedingungen entsprechen den Gleichgewichtsbedingungen an Kräfte und Drehmomente, falls sich die Kontaktlinie frei bewegen kann. Wenn eine der Oberflächen starr ist, muss die Variation lokal dieser Fläche folgen. Spannungen und Drehmomente tragen dann zu einer einzigen Gleichgewichtsbedingung bei; ihre Beiträge können nicht mehr einzeln identifiziert werden. Um quantitative Aussagen über das Verhalten einer fluiden Oberfläche zu machen, müssen ihre elastischen Eigenschaften bekannt sein. Der "Nanotrommel"-Versuchsaufbau ermöglicht es, Membraneigenschaften lokal zu untersuchen: Er besteht aus einer porenüberspannenden Membran, die während des Experiments durch die Spitze eines Rasterkraftmikroskops in die Pore gedrückt wird. Der lineare Verlauf der resultierenden Kraft-Abstands-Kurven kann mit Hilfe der in dieser Arbeit entwickelten Theorie reproduziert werden, wenn der Einfluss von Adhäsion zwischen Spitze und Membran vernachlässigt wird. Bezieht man diesen Effekt in die Rechnungen mit ein, ändert sich das Resultat erheblich: Kraft-Abstands-Kurven sind nicht länger linear, Hysterese und nichtverschwindende Trennkräfte treten auf. Die Voraussagen der Rechnungen könnten in zukünftigen Experimenten dazu verwendet werden, Parameter wie die Biegesteifigkeit der Membran mit einer Auflösung im Nanometerbereich zu bestimmen. Wenn die Materialeigenschaften bekannt sind, können Probleme der Membranmechanik genauer betrachtet werden. Oberflächenvermittelte Wechselwirkungen sind in diesem Zusammenhang ein interessantes Beispiel. Mit Hilfe des oben erwähnten Spannungstensors können analytische Ausdrücke für die krümmungsvermittelte Kraft zwischen zwei Teilchen, die z. B. Proteine repräsentieren, hergeleitet werden. Zusätzlich wird das Gleichgewicht der Kräfte und Drehmomente genutzt, um mehrere Bedingungen an die Geometrie der Membran abzuleiten. Für den Fall zweier unendlich langer Zylinder auf der Membran werden diese Bedingungen zusammen mit Profilberechnungen kombiniert, um quantitative Aussagen über die Wechselwirkung zu treffen. Theorie und Experiment stoßen an ihre Grenzen, wenn es darum geht, die Relevanz von krümmungsvermittelten Wechselwirkungen in der biologischen Zelle korrekt zu beurteilen. In einem solchen Fall bieten Computersimulationen einen alternativen Ansatz: Die hier präsentierten Simulationen sagen voraus, dass Proteine zusammenfinden und Membranbläschen (Vesikel) bilden können, sobald jedes der Proteine eine Mindestkrümmung in der Membran induziert. Der Radius der Vesikel hängt dabei stark von der lokal aufgeprägten Krümmung ab. Das Resultat der Simulationen wird in dieser Arbeit durch ein approximatives theoretisches Modell qualitativ bestätigt.

Hydrodynamical simulations of galaxy clusters in dark energy cosmologies

In this work we investigate the influence of dark energy on structure formation, within five different cosmological models, namely a concordance $\Lambda$CDM model, two models with dynamical dark energy, viewed as a quintessence scalar field (using a RP and a SUGRA potential form) and two extended quintessence models (EQp and EQn) where the quintessence scalar field interacts non-minimally with gravity (scalar-tensor theories). We adopted for all models the normalization of the matter power spectrum $\sigma_{8}$ to match the CMB data. For each model, we perform hydrodynamical simulations in a cosmological box of $(300 \ {\rm{Mpc}} \ h^{-1})^{3}$ including baryons and allowing for cooling and star formation. We find that, in models with dynamical dark energy, the evolving cosmological background leads to different star formation rates and different formation histories of galaxy clusters, but the baryon physics is not affected in a relevant way. We investigate several proxies for the cluster mass function based on X-ray observables like temperature, luminosity, $M_{gas}$, and $Y_{X}$. We confirm that the overall baryon fraction is almost independent of the dark energy models within few percentage points. The same is true for the gas fraction. This evidence reinforces the use of galaxy clusters as cosmological probe of the matter and energy content of the Universe. We also study the $c-M$ relation in the different cosmological scenarios, using both dark matter only and hydrodynamical simulations. We find that the normalization of the $c-M$ relation is directly linked to $\sigma_{8}$ and the evolution of the density perturbations for $\Lambda$CDM, RP and SUGRA, while for EQp and EQn it depends also on the evolution of the linear density contrast. These differences in the $c-M$ relation provide another way to use galaxy clusters to constrain the underlying cosmology.

Quantum gravity effects in rotating black hole spacetimes

The aim of this work is to explore, within the framework of the presumably asymptotically safe Quantum Einstein Gravity, quantum corrections to black hole spacetimes, in particular in the case of rotating black holes. We have analysed this problem by exploiting the scale dependent Newton s constant implied by the renormalization group equation for the effective average action, and introducing an appropriate "cutoff identification" which relates the renormalization scale to the geometry of the spacetime manifold. We used these two ingredients in order to "renormalization group improve" the classical Kerr metric that describes the spacetime generated by a rotating black hole. We have focused our investigation on four basic subjects of black hole physics. The main results related to these topics can be summarized as follows. Concerning the critical surfaces, i.e. horizons and static limit surfaces, the improvement leads to a smooth deformation of the classical critical surfaces. Their number remains unchanged. In relation to the Penrose process for energy extraction from black holes, we have found that there exists a non-trivial correlation between regions of negative energy states in the phase space of rotating test particles and configurations of critical surfaces of the black hole. As for the vacuum energy-momentum tensor and the energy conditions we have shown that no model with "normal" matter, in the sense of matter fulfilling the usual energy conditions, can simulate the quantum fluctuations described by the improved Kerr spacetime that we have derived. Finally, in the context of black hole thermodynamics, we have performed calculations of the mass and angular momentum of the improved Kerr black hole, applying the standard Komar integrals. The results reflect the antiscreening character of the quantum fluctuations of the gravitational field. Furthermore we calculated approximations to the entropy and the temperature of the improved Kerr black hole to leading order in the angular momentum. More generally we have proven that the temperature can no longer be proportional to the surface gravity if an entropy-like state function is to exist.