Präparation von Bismutsulfid-Absorberschichten für Dünnschichtsolarzellen mittels physikalischer Gasphasenabscheidung

Angesichts der sich abzeichnenden Erschöpfung fossiler Ressourcen ist die Erforschung alternativer Energiequellen derzeit eines der meistbeachteten Forschungsgebiete. Durch ihr enormes Potential ist die Photovoltaik besonders im Fokus der Wissenschaft. Um großflächige Beschichtungsverfahren nutzen zu können, wird seit einigen Jahren auf dem Gebiet der Dünnschichtphotovoltaik intensiv geforscht. Jedoch sind die gegenwärtigen Solarzellenkonzepte allesamt durch die Verwendung giftiger (Cd, As) oder seltener Elemente (In, Ga) oder durch eine komplexe Phasenbildung in ihrem Potential beschränkt. Die Entwicklung alternativer Konzepte erscheint daher naheliegend.rnAufgrund dessen wurde in einem BMBF-geförderten Verbundprojekt die Abscheidung von Dünnschichten des binären Halbleiters Bi2S3 mittels physikalischer Gasphasenabscheidung mit dem Ziel der Etablierung als quasi-intrinsischer Absorber in Solarzellenstrukturen mit p-i-n-Schichtfolge hin untersucht.rnDurch sein von einem hochgradig anisotropen Bindungscharakter geprägtes Kristallwachstum war die Abscheidung glatter, einphasiger und für die Integration in eine Multischichtstruktur geeigneter Schichten mit Schichtdicken von einigen 100 nm eine der wichtigsten Herausforderungen. Die Auswirkungen der beiden Parameter Abscheidungstemperatur und Stöchiometrie wurden hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die relevanten Kenngrößen (wie Morphologie, Dotierungsdichte und Photolumineszenz) untersucht. Es gelang, erfolgreich polykristalline Schichten mit geeigneter Rauigkeit und einer Dotierungsdichte von n ≈ 2 1015cm-3 auf anwendungsrelevanten Substraten abzuscheiden, wobei eine besonders starke Abhängigkeit von der Gasphasenzusammensetzung ermittelt werden. Es konnten weiterhin die ersten Messungen der elektronischen Zustandsdichte unter Verwendung von Hochenergie-Photoemissionsspektroskopie durchgeführt werden, die insbesondere den Einfluss variabler Materialzusammensetzungen offenbarten.rnZum Nachweis der Eignung des Materials als Absorberschicht standen innerhalb des Projektes mit SnS, Cu2O und PbS prinzipiell geeignete p-Kontaktmaterialien zur Verfügung. Es konnten trotz der Verwendung besonders sauberer Abscheidungsmethoden im Vakuum keine funktionstüchtigen Solarzellen mit Bi2S3 deponiert werden. Jedoch war es unter Verwendung von Photoemissionspektroskopie möglich, die relevanten Grenzflächen zu spektroskopieren und die Ursachen für die Beobachtungen zu identifizieren. Zudem konnte erfolgreich die Notwendigkeit von Puffermaterialien bei der Bi2S3-Abscheidung nachgewiesen werden, um Oberflächenreaktionen zu unterbinden und die Transporteigenschaften an der Grenzfläche zu verbessern.rn

Wet bioadhesion in tree frogs

Viele Tiere wie etwa Geckos oder Laubfrösche können mittels ihrer Haftscheiben an Oberflächen kleben. Diese Haftscheiben ermöglichen es den Tieren, sich während ihrerrnFortbewegung an Oberflächen anzuheften und wieder zu lösen unabhängig von denrnvorherrschenden Umweltbedingungen. Frösche besitzen mikro- und nanostrukturierternsowie charakteristisch geformte Haftscheiben an Finger- und Zehenenden. Ihre besonderernevolutionäre Errungenschaft, sich stark und zugleich reversibel in sowohl trockenen alsrnauch feuchten Umgebungen anzuhaften, hat die Wissenschaft zur Nachahmung und Untersuchungrndieser Strukturen inspiriert. Zum besseren Verständnis der Mechanismen vonrnAnhaftung und Loslösung bei Laubfröschen wurden weiche, elastische und mikrostrukturierternOberflächen hergestellt, indem PDMS (Polydimethylsiloxan) auf einer Siliziummaskernmit Hexagonstruktur aufgetragen und vernetzt wurde. Dadurch wurden Anordnungenrnvon hexagonalen Mikrosäulen mit spezifischen geometrischen Eigenschaften undrnunterschiedlichen Kontaktgeometrien (normale, flache Form, T-Form und konkave Formrnder Säulenenden) erhalten. Um den Einfluss der van-der-Waals, hydrodynamischen,rnKapillar-und Adhäsionskräfte zu verstehen, wurden verschiedene experimentelle Ansätzernverfolgt: Die auf eine einzelne Säule wirkenden Adhäsionskräfte wurden mittelsrnRasterkraftmikroskopie gemessen. Dazu wurden speziell hergestellte kolloidale Sensorenrnverwendet. Diese Experimente wurden sowohl mit als auch ohne Flüssigkeitsfilm auf derrnSäule durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten den Beitrag von Kapillarkraft und direktenrnKontaktkräften zur Adhäsionskraft bei Vorliegen eines Flüssigkeitsfilms. Die Adhäsionrnfiel umso größer aus, je weniger Flüssigkeit zwischen Sensor und Säule vorhanden war.rnIm Falle einer trockenen Adhäsion zeigte die Säule mit T-Form die höchste Adhäsion. Darndie Haftscheiben der Laubfrösche weich sind, können sie dynamisch ihre Form ändern,rnwas zu einer Änderung der hydrodynamischen Kraft zwischen Scheibe und Oberflächernführt. Der Einfluss der Oberflächenverformbarkeit auf die hydrodynamische Kraft wurderndaher am Modellsystem einer Kugel untersucht, welche sich einer weichen und ebenenrnOberfläche annähert. Dieses System wurde sowohl theoretisch über die Simulation finiterrnElemente als auch experimentell über die Messung mit kolloidalen Sonden untersucht.rnSowohl experimentelle Ergebnisse als auch die Simulationen ergaben eine Abnahme derrnhydrodynamischen Kraft bei Annäherung des kolloidalen Sensors an eine weiche undrnelastische Oberfläche. Beim Entfernen der Sensors von der Oberfläche verstärkte sichrndie hydrodynamische Anziehungskraft. Die Kraft, die zur Trennung eines Partikels von einer Oberfläche in Flüssigkeit notwendig ist, ist für weiche und elastischen Oberflächenrngrößer als für harte Oberflächen. In Bezug zur Bioadhäsion bei Laubfröschen konnternfestgestellt somit festgestellt werden, dass sich der hydrodynamische Anteil zur feuchtenrnBioadhäsion aufgrund der weichen Oberfläche erhöht. Weiterhin wurde der Einflussrndes Aspektverhältnisses der Säulen auf die Reibungskraft mittels eines kolloidalen Sensorsrnuntersucht. Gestreckte Säulen zeigten dabei eine höhere Reibung im Vergleich zu.rnSäulen mit einem gestreckten Hexagon als Querschnitt.

Sensing applications of biofunctionalised plasmonic gold nanoparticles

Plasmonische Metallnanopartikel bündeln, verstärken und beeinflussen Licht auf nanoskopischer Ebene. Diese grundlegende Eigenschaft kommt von koheränten, kollektiven Schwingungen der Leitungsbandelektronen, die von einfallendem Licht resonant angeregt und lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) oder ‚Partikelplasmonen‘ genannt werden. Plasmonen in Metallnanopartikeln wurden bisher z.B. zur Erkennen von pathogenen Biomolekülen, bei der photothermischen Therapie und zur Verbesserung der Effizienz von Solarzellen verwendet. In dieser Arbeit werde ich meinen Fokus auf die Synthese und Funktionalisierung von Goldnanopartikeln zur Anwendung als Sensoren legen.rnrnKürzliche Verbesserungen in der nasschemischen Synthese haben zur Herstellung von Goldnanopartikel mit unterschiedlichen Formen und Größen geführt, die sich in ihren Sensoreigenschaften unterscheiden. Unter den unterschiedlichen Sensorgeometrien sind Goldnanostäbchen die bevorzugte Form zur Biomolekül-Sensorik durch LSPR. Nanostäbchen werden durch eine positiv geladene CTAB-Schicht stabilisiert, die Proteine bei neutralem pH-Wert anziehen kann. Die Adsorption und Desorption von Proteinen an der Nanopartikeloberfläche und damit die Bindungskinetiken von Proteinen kann auf Einzelmolekülebene erforscht werden. Ich zeige hier eine Studie mit hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung um einzelne Bindungsereignisse von Fibronectin auf Goldnanostäbchen darzustellen.rnrnGoldnanostäbchen müssen mit spezifischen biologischen Erkennungselementen funktionalisiert werden um eine Analyterkennung oder Proteinwechselwirkung zu erreichen. Ich funktionalisiere Goldnanostäbchen mit kurzen DNA-Sequenzen (Aptamer-Sequenzen und NTA konjugierten Polihymidinen) und habe anhand diese unterschiedlich sensitiven Partikel eine Studie mit verschiedenen Analyten (oder Protein-Protein Wechselwirkungen) erfolgreich durchgeführt.rn rnPlasmonen von Nanopartikel-Clustern koppeln miteinander, was ihre Resonanzenergie ändert. Der kontrollierte Zusammenbau von Nanopartikeln zu Dimeren oder höher geordneten Strukturen wie ‚Core-Satellites‘ können dazu dienen ihre Sensitivität zu erhöhen. Diese Cluster bieten eine hohe Sensitivität auf Grund der Anwesenheit von plasmonischen Hotspots in der Lücke zwischen zwei Partikeln. Die Plasmonkopplung ist ein Phänomen, das abhängig vom Abstand zweier Partikel zueinander ist und bildet somit die Basis von sogenannten Plasmon-Linealen. Ich habe eine Strategie entwickelt um Dimere aus Hsp90 funktionalisierten Goldnanosphären zu bilden. Diese Technik wird nicht durch Ausbleichen oder das Blinken von Farbstoffen limitiert und ich zeige zum ersten Mal wie man dadurch dynamische Proteinkonformationen untersuchen kann.rn

The role of paved surfaces in the Urban Heat Island phenomenon: Assessment of fundamental thermal parameters and finite element analysis for UHI mitigation

Nowadays the environmental issues and the climatic change play fundamental roles in the design of urban spaces. Our cities are growing in size, many times only following immediate needs without a long-term vision. Consequently, the sustainable development has become not only an ethical but also a strategic need: we can no longer afford an uncontrolled urban expansion. One serious effect of the territory industrialisation process is the increase of urban air and surfaces temperatures compared to the outlying rural surroundings. This difference in temperature is what constitutes an urban heat island (UHI). The purpose of this study is to provide a clarification on the role of urban surfacing materials in the thermal dynamics of an urban space, resulting in useful indications and advices in mitigating UHI. With this aim, 4 coloured concrete bricks were tested, measuring their emissivity and building up their heat release curves using infrared thermography. Two emissivity evaluation procedures were carried out and subsequently put in comparison. Samples performances were assessed, and the influence of the colour on the thermal behaviour was investigated. In addition, some external pavements were analysed. Albedo and emissivity parameters were evaluated in order to understand their thermal behaviour in different conditions. Surfaces temperatures were recorded in a one-day measurements campaign. ENVI-met software was used to simulate how the tested materials would behave in two typical urban scenarios: a urban canyon and a urban heat basin. Improvements they can carry to the urban microclimate were investigated. Emissivities obtained for the bricks ranged between 0.92 and 0.97, suggesting a limited influence of the colour on this parameter. Nonetheless, white concrete brick showed the best thermal performance, whilst the black one the worst; red and yellow ones performed pretty identical intermediate trends. De facto, colours affected the overall thermal behaviour. Emissivity parameter was measured in the outdoor work, getting (as expected) high values for the asphalts. Albedo measurements, conducted with a sunshine pyranometer, proved the improving effect given by the yellow paint in terms of solar reflection, and the bad influence of haze on the measurement accuracy. ENVI-met simulations gave a demonstration on the effectiveness in thermal improving of some tested materials. In particular, results showed good performances for white bricks and granite in the heat basin scenario, and painted concrete and macadam in the urban canyon scenario. These materials can be considered valuable solutions in UHI mitigation.

Restoration of Akt activity by the bisperoxovanadium compound bpV(pic) attenuates hippocampal apoptosis in experimental neonatal pneumococcal meningitis

Pneumococcal meningitis causes apoptosis of developing neurons in the dentate gyrus of the hippocampus. The death of these cells is accompanied with long-term learning and memory deficits in meningitis survivors. Here, we studied the role of the PI3K/Akt (protein kinase B) survival pathway in hippocampal apoptosis in a well-characterized infant rat model of pneumococcal meningitis. Meningitis was accompanied by a significant decrease of the PI3K product phosphatidylinositol 3,4,5-trisphosphate (PIP(3)) and of phosphorylated (i.e., activated) Akt in the hippocampus. At the cellular level, phosphorylated Akt was decreased in both the granular layer and the subgranular zone of the dentate gyrus, the region where the developing neurons undergo apoptosis. Protein levels and activity of PTEN, the major antagonist of PI3K, were unaltered by infection, suggesting that the observed decrease in PIP(3) and Akt phosphorylation is a result of decreased PI3K signaling. Treatment with the PTEN inhibitor bpV(pic) restored Akt activity and significantly attenuated hippocampal apoptosis. Co-treatment with the specific PI3K inhibitor LY294002 reversed the restoration of Akt activity and attenuation of hippocampal apoptosis, while it had no significant effect on these parameters on its own. These results indicate that the inhibitory effect of bpV(pic) on apoptosis was mediated by PI3K-dependent activation of Akt, strongly suggesting that bpV(pic) acted on PTEN. Treatment with bpV(pic) also partially inhibited the concentration of bacteria and cytokines in the CSF, but this effect was not reversed by LY294002, indicating that the effect of bpV(pic) on apoptosis was independent of its effect on CSF bacterial burden and cytokine levels. These results indicate that the PI3K/Akt pathway plays an important role in the death and survival of developing hippocampal neurons during the acute phase of pneumococcal meningitis.

Thermal model for optimization of vascular laser tissue soldering

Laser tissue soldering (LTS) is a promising technique for tissue fusion based on a heat-denaturation process of proteins. Thermal damage of the fused tissue during the laser procedure has always been an important and challenging problem. Particularly in LTS of arterial blood vessels strong heating of the endothelium should be avoided to minimize the risk of thrombosis. A precise knowledge of the temperature distribution within the vessel wall during laser irradiation is inevitable. The authors developed a finite element model (FEM) to simulate the temperature distribution within blood vessels during LTS. Temperature measurements were used to verify and calibrate the model. Different parameters such as laser power, solder absorption coefficient, thickness of the solder layer, cooling of the vessel and continuous vs. pulsed energy deposition were tested to elucidate their impact on the temperature distribution within the soldering joint in order to reduce the amount of further animal experiments. A pulsed irradiation with high laser power and high absorbing solder yields the best results.

Fluoride in dental erosion

Dental erosion develops through chronic exposure to extrinsic/intrinsic acids with a low pH. Enamel erosion is characterized by a centripetal dissolution leaving a small demineralized zone behind. In contrast, erosive demineralization in dentin is more complex as the acid-induced mineral dissolution leads to the exposure of collagenous organic matrix, which hampers ion diffusion and, thus, reduces further progression of the lesion. Topical fluoridation inducing the formation of a protective layer on dental hard tissue, which is composed of CaF(2) (in case of conventional fluorides like amine fluoride or sodium fluoride) or of metal-rich surface precipitates (in case of titanium tetrafluoride or tin-containing fluoride products), appears to be most effective on enamel. In dentin, the preventive effect of fluorides is highly dependent on the presence of the organic matrix. In situ studies have shown a higher protective potential of fluoride in enamel compared to dentin, probably as the organic matrix is affected by enzymatical and chemical degradation as well as by abrasive influences in the clinical situation. There is convincing evidence that fluoride, in general, can strengthen teeth against erosive acid damage, and high-concentration fluoride agents and/or frequent applications are considered potentially effective approaches in preventing dental erosion. The use of tin-containing fluoride products might provide the best approach for effective prevention of dental erosion. Further properly designed in situ or clinical studies are recommended in order to better understand the relative differences in performance of the various fluoride agents and formulations.

Frequency-dependent social dominance in a color polymorphic cichlid fish

A mechanism commonly suggested to explain the persistence of color polymorphisms in animals is negative frequency-dependent selection. It could result from a social dominance advantage to rare morphs. We tested for this in males of red and blue color morphs of the Lake Victoria cichlid, Pundamilia. Earlier work has shown that males preferentially attack the males of their own morph, while red males are more likely to win dyadic contests with blue males. In order to study the potential contribution of both factors to the morph co-existence, we manipulated the proportion of red and blue males in experimental assemblages and studied its effect on social dominance. We then tried to disentangle the effects of the own-morph attack bias and social dominance of red using simulations. In the experiment, we found that red males were indeed socially dominant to the blue ones, but only when rare. However, blue males were not socially dominant when rare. The simulation results suggest that an own-morph attack bias reduces the social dominance of red males when they are more abundant. Thus, there is no evidence of symmetric negative frequency-dependent selection acting on social dominance, suggesting that additional fitness costs to the red morph must explain their co-existence.

Three-year follow-up of human transplanted kidneys by diffusion-weighted MRI and blood oxygenation level-dependent imaging

To prospectively determine the 3-year stability and potential changes of functional parameters in renal allograft recipients obtained from diffusion-weighted imaging (DWI) and blood oxygenation level-dependent (BOLD) MRI.

A differential concentration-dependent effect of IVIg on neutrophil functions: relevance for anti-microbial and anti-inflammatory mechanisms

Background Polymorphonuclear neutrophils (PMN) play a key role in host defences against invading microorganisms but can also potentiate detrimental inflammatory reactions in case of excessive or misdirected responses. Intravenous immunoglobulins (IVIg) are used to treat patients with immune deficiencies and, at higher doses, in autoimmune, allergic and systemic inflammatory disorders. Methodology/Principal Findings We used flow cytometry to examine the effects of IVIg on PMN functions and survival, using whole-blood conditions in order to avoid artifacts due to isolation procedures. IVIg at low concentrations induced PMN activation, as reflected by decreased L-selectin and increased CD11b expression at the PMN surface, oxidative burst enhancement, and prolonged cell survival. In contrast, IVIg at higher concentrations inhibited LPS-induced CD11b degranulation and oxidative burst priming, and counteracted LPS-induced PMN lifespan prolongation. Conclusions/Significance IVIg appears to have differential, concentration-dependent effects on PMN, possibly supporting the use of IVIg as either an anti-microbial or an anti-inflammatory agent.

Effect of pulsatility on the mathematical modeling of rotary blood pumps

In this study, the effect of time derivatives of flow rate and rotational speed was investigated on the mathematical modeling of a rotary blood pump (RBP). The basic model estimates the pressure head of the pump as a dependent variable using measured flow and speed as predictive variables. Performance of the model was evaluated by adding time derivative terms for flow and speed. First, to create a realistic working condition, the Levitronix CentriMag RBP was implanted in a sheep. All parameters from the model were physically measured and digitally acquired over a wide range of conditions, including pulsatile speed. Second, a statistical analysis of the different variables (flow, speed, and their time derivatives) based on multiple regression analysis was performed to determine the significant variables for pressure head estimation. Finally, different mathematical models were used to show the effect of time derivative terms on the performance of the models. In order to evaluate how well the estimated pressure head using different models fits the measured pressure head, root mean square error and correlation coefficient were used. The results indicate that inclusion of time derivatives of flow and speed can improve model accuracy, but only minimally.