Simulationssystem für granulare Aufschüttungen aus Teilchen variabler Form

Granular matter, simulation, molecular dynamics, stress tensor, preasure, silo, elasticity

Wechselwirkung von im NANOJET erzeugten Teilchen mit Polymeren und biologischen Objekten

Am Institut für Mikrostrukturtechnologie und Analytik wurde eine neue Technik entwickelt, die neue Anwendungen und Methoden der Mikro- und Nanostrukturierung auf Basis eines neuen Verfahrens erschlossen hat. NANOJET führt über die passive Rastersondenmikroskopie hinaus zu einem vielseitigen, aktiven Bearbeitungswerkzeug auf der Mikro- und Nanometerskala. NANOJET (NANOstructuring Downstream PlasmaJET) ist eine aktive Rasterkraft-Mikroskopie-Sonde. Radikale (chemisch aktive Teilchen, die ein ungepaartes Valenzelektron besitzen) strömen aus dem Ende einer ultradünnen, hohlen Rasterkraftmikroskop-Spitze. Dadurch wird es möglich, über die übliche passive Abtastung einer Probenoberfläche hinausgehend, diese simultan und in-situ durch chemische Reaktionen zu verändern. Die Abtragung von Material wird durch eine chemische Ätzreaktion erreicht. In dieser Arbeit wurde zum größten Teil Photoresist als Substrat für die Ätzexperimente verwendet. Für das Ätzen des Resists wurden die Atome des Fluors und des Sauerstoffs im Grundzustand als verantwortlich identifiziert. Durch Experimente und durch Ergänzung von Literaturdaten wurde die Annahme bestätigt, dass Sauerstoffradikale mit Unterstützung von Fluorradikalen für die hohen erzielten Ätzraten verantwortlich sind. Die Beimischung von Fluor in einem Sauerstoffplasma führt zu einer Verringerung der Aktivierungsenergie für die Ätzreaktion gegenüber Verwendung reinen Sauerstoffs. In weiterer Folge wurde ein Strukturierungsverfahren dargestellt. Hierbei wurden "geformte Kapillaren" (mikrostrukturierte Aperturen) eingesetzt. Die Herstellung der Aperturen erfolgte durch einen elektrochemischen Ätzstop-Prozess. Die typische Größe der unter Verwendung der "geformten Kapillaren" geätzten Strukturen entsprach den Kapillarenöffnungen. Es wurde ein Monte-Carlo Simulationsprogramm entwickelt, welches den Transport der reaktiven Teilchen in der langen Transportröhre simulierte. Es wurde sowohl die Transmission der Teilchen in der Transportröhre und der Kapillare als auch ihre Winkelverteilung nach dem Verlassen der Kapillare berechnet. Das Aspektverhältnis der Röhren hat dabei einen sehr starken Einfluss. Mit einem steigenden Aspektverhältnis nahm die Transmission exponentiell ab. Die geschaffene experimentelle Infrastruktur wurde genutzt, um auch biologische Objekte zu behandeln und zu untersuchen. Hierfür wurde eine neue Methodik entwickelt, die eine dreidimensionale Darstellung des Zellinneren erlaubt. Dies wurde durch die kontrollierte Abtragung von Material aus der Zellmembran durchgeführt. Die Abtragung der Zellmembran erfolgte mittels Sauerstoffradikalen, die durch eine hohle Spitze lokalisiert zum Ort der Reaktion transportiert wurden. Ein piezoresistiver Cantilever diente als Sensor in dem zur Bildgebung eingesetzten RKM. Das entwickelte Verfahren ermöglicht es nun erstmals, schonend Zellen zu öffnen und die innen liegenden Organellen weiter zu untersuchen. Als Nachweis für weitere Verwendungsmöglichkeiten des NANOJET-Verfahrens wurde auch Knochenmaterial behandelt. Die Ergebnisse dieser Experimente zeigen klar, dass das Verfahren für vielfältige biologische Materialien verwendbar ist und somit nun ein weiter Anwendungskreis in der Biologie und Medizin offen steht.

Ueber den Einfluss suspendierter Teilchen auf den Auftrieb einer Flüssigkeit /

Thesis (doctoral)--Universität Greifswald, 1901.

Wann und auf welche Weise beeinflussen suspendierte Teilchen Gewicht und Auftrieb einer Flussigkeit?

Thesis (doctoral)--Universitat Marburg.

Vergleich von Transportmodellen für Feldlinien und Teilchen in stochastischen Magnetfeldern mittels symplektischer Abbildungen

The thesis investigates transport properties in high temperature plasmas with symplectic mappings. A formalism is developed to derive such maps from symplectic integrators. Concrete maps are given and analyzed.

Abriebsverhalten von Feststoffpartikeln in Wirbelschichten

Fluidized bed, attrition behaivior, solid particles, particle surface, bed mass, attrition coefficient, modeling, bubble fluidized bed

Assessment of the occurrence of nanoparticles in Swiss industry and evaluation of the appropriatenesss of the measurement devices to determine the workforce exposure

Abstract : The occupational health risk involved with handling nanoparticles is the probability that a worker will experience an adverse health effect: this is calculated as a function of the worker's exposure relative to the potential biological hazard of the material. Addressing the risks of nanoparticles requires therefore knowledge on occupational exposure and the release of nanoparticles into the environment as well as toxicological data. However, information on exposure is currently not systematically collected; therefore this risk assessment lacks quantitative data. This thesis aimed at, first creating the fundamental data necessary for a quantitative assessment and, second, evaluating methods to measure the occupational nanoparticle exposure. The first goal was to determine what is being used where in Swiss industries. This was followed by an evaluation of the adequacy of existing measurement methods to assess workplace nanopaiticle exposure to complex size distributions and concentration gradients. The study was conceived as a series of methodological evaluations aimed at better understanding nanoparticle measurement devices and methods. lt focused on inhalation exposure to airborne particles, as respiration is considered to be the most important entrance pathway for nanoparticles in the body in terms of risk. The targeted survey (pilot study) was conducted as a feasibility study for a later nationwide survey on the handling of nanoparticles and the applications of specific protection means in industry. The study consisted of targeted phone interviews with health and safety officers of Swiss companies that were believed to use or produce nanoparticles. This was followed by a representative survey on the level of nanoparticle usage in Switzerland. lt was designed based on the results of the pilot study. The study was conducted among a representative selection of clients of the Swiss National Accident Insurance Fund (SUVA), covering about 85% of Swiss production companies. The third part of this thesis focused on the methods to measure nanoparticles. Several pre- studies were conducted studying the limits of commonly used measurement devices in the presence of nanoparticle agglomerates, This focus was chosen, because several discussions with users and producers of the measurement devices raised questions about their accuracy measuring nanoparticle agglomerates and because, at the same time, the two survey studies revealed that such powders are frequently used in industry. The first preparatory experiment focused on the accuracy of the scanning mobility particle sizer (SMPS), which showed an improbable size distribution when measuring powders of nanoparticle agglomerates. Furthermore, the thesis includes a series of smaller experiments that took a closer look at problems encountered with other measurement devices in the presence of nanoparticle agglomerates: condensation particle counters (CPC), portable aerosol spectrometer (PAS) a device to estimate the aerodynamic diameter, as well as diffusion size classifiers. Some initial feasibility tests for the efficiency of filter based sampling and subsequent counting of carbon nanotubes (CNT) were conducted last. The pilot study provided a detailed picture of the types and amounts of nanoparticles used and the knowledge of the health and safety experts in the companies. Considerable maximal quantities (> l'000 kg/year per company) of Ag, Al-Ox, Fe-Ox, SiO2, TiO2, and ZnO (mainly first generation particles) were declared by the contacted Swiss companies, The median quantity of handled nanoparticles, however, was 100 kg/year. The representative survey was conducted by contacting by post mail a representative selection of l '626 SUVA-clients (Swiss Accident Insurance Fund). It allowed estimation of the number of companies and workers dealing with nanoparticles in Switzerland. The extrapolation from the surveyed companies to all companies of the Swiss production sector suggested that l'309 workers (95%-confidence interval l'073 to l'545) of the Swiss production sector are potentially exposed to nanoparticles in 586 companies (145 to l'027). These numbers correspond to 0.08% (0.06% to 0.09%) of all workers and to 0.6% (0.2% to 1.1%) of companies in the Swiss production sector. To measure airborne concentrations of sub micrometre-sized particles, a few well known methods exist. However, it was unclear how well the different instruments perform in the presence of the often quite large agglomerates of nanostructured materials. The evaluation of devices and methods focused on nanoparticle agglomerate powders. lt allowed the identification of the following potential sources of inaccurate measurements at workplaces with considerable high concentrations of airborne agglomerates: - A standard SMPS showed bi-modal particle size distributions when measuring large nanoparticle agglomerates. - Differences in the range of a factor of a thousand were shown between diffusion size classifiers and CPC/SMPS. - The comparison between CPC/SMPS and portable aerosol Spectrometer (PAS) was much better, but depending on the concentration, size or type of the powders measured, the differences were still of a high order of magnitude - Specific difficulties and uncertainties in the assessment of workplaces were identified: the background particles can interact with particles created by a process, which make the handling of background concentration difficult. - Electric motors produce high numbers of nanoparticles and confound the measurement of the process-related exposure. Conclusion: The surveys showed that nanoparticles applications exist in many industrial sectors in Switzerland and that some companies already use high quantities of them. The representative survey demonstrated a low prevalence of nanoparticle usage in most branches of the Swiss industry and led to the conclusion that the introduction of applications using nanoparticles (especially outside industrial chemistry) is only beginning. Even though the number of potentially exposed workers was reportedly rather small, it nevertheless underscores the need for exposure assessments. Understanding exposure and how to measure it correctly is very important because the potential health effects of nanornaterials are not yet fully understood. The evaluation showed that many devices and methods of measuring nanoparticles need to be validated for nanoparticles agglomerates before large exposure assessment studies can begin. Zusammenfassung : Das Gesundheitsrisiko von Nanopartikel am Arbeitsplatz ist die Wahrscheinlichkeit dass ein Arbeitnehmer einen möglichen Gesundheitsschaden erleidet wenn er diesem Stoff ausgesetzt ist: sie wird gewöhnlich als Produkt von Schaden mal Exposition gerechnet. Für eine gründliche Abklärung möglicher Risiken von Nanomaterialien müssen also auf der einen Seite Informationen über die Freisetzung von solchen Materialien in die Umwelt vorhanden sein und auf der anderen Seite solche über die Exposition von Arbeitnehmenden. Viele dieser Informationen werden heute noch nicht systematisch gesarnmelt und felilen daher für Risikoanalysen, Die Doktorarbeit hatte als Ziel, die Grundlagen zu schaffen für eine quantitative Schatzung der Exposition gegenüber Nanopartikel am Arbeitsplatz und die Methoden zu evaluieren die zur Messung einer solchen Exposition nötig sind. Die Studie sollte untersuchen, in welchem Ausmass Nanopartikel bereits in der Schweizer Industrie eingesetzt werden, wie viele Arbeitnehrner damit potentiel] in Kontakt komrrien ob die Messtechnologie für die nötigen Arbeitsplatzbelastungsmessungen bereits genügt, Die Studie folcussierte dabei auf Exposition gegenüber luftgetragenen Partikel, weil die Atmung als Haupteintrittspforte iïlr Partikel in den Körper angesehen wird. Die Doktorarbeit besteht baut auf drei Phasen auf eine qualitative Umfrage (Pilotstudie), eine repräsentative, schweizerische Umfrage und mehrere technische Stndien welche dem spezitischen Verständnis der Mëglichkeiten und Grenzen einzelner Messgeräte und - teclmikeri dienen. Die qualitative Telephonumfrage wurde durchgeführt als Vorstudie zu einer nationalen und repräsentativen Umfrage in der Schweizer Industrie. Sie zielte auf Informationen ab zum Vorkommen von Nanopartikeln, und den angewendeten Schutzmassnahmen. Die Studie bestand aus gezielten Telefoninterviews mit Arbeit- und Gesundheitsfachpersonen von Schweizer Unternehmen. Die Untemehmen wurden aufgrund von offentlich zugànglichen lnformationen ausgewählt die darauf hinwiesen, dass sie mit Nanopartikeln umgehen. Der zweite Teil der Dolctorarbeit war die repräsentative Studie zur Evalniernng der Verbreitnng von Nanopaitikelanwendungen in der Schweizer lndustrie. Die Studie baute auf lnformationen der Pilotstudie auf und wurde mit einer repräsentativen Selektion von Firmen der Schweizerischen Unfall Versicherungsanstalt (SUVA) durchgeüihxt. Die Mehrheit der Schweizerischen Unternehmen im lndustrieselctor wurde damit abgedeckt. Der dritte Teil der Doktorarbeit fokussierte auf die Methodik zur Messung von Nanopartikeln. Mehrere Vorstudien wurden dnrchgefîihrt, um die Grenzen von oft eingesetzten Nanopartikelmessgeräten auszuloten, wenn sie grösseren Mengen von Nanopartikel Agglomeraten ausgesetzt messen sollen. Dieser F okns wurde ans zwei Gründen gewählt: weil mehrere Dislcussionen rnit Anwendem und auch dem Produzent der Messgeràte dort eine Schwachstelle vermuten liessen, welche Zweifel an der Genauigkeit der Messgeräte aufkommen liessen und weil in den zwei Umfragestudien ein häufiges Vorkommen von solchen Nanopartikel-Agglomeraten aufgezeigt wurde. i Als erstes widmete sich eine Vorstndie der Genauigkeit des Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS). Dieses Messgerät zeigte in Präsenz von Nanopartikel Agglorneraten unsinnige bimodale Partikelgrössenverteilung an. Eine Serie von kurzen Experimenten folgte, welche sich auf andere Messgeräte und deren Probleme beim Messen von Nanopartikel-Agglomeraten konzentrierten. Der Condensation Particle Counter (CPC), der portable aerosol spectrometer (PAS), ein Gerät zur Schàtzung des aerodynamischen Durchniessers von Teilchen, sowie der Diffusion Size Classifier wurden getestet. Einige erste Machbarkeitstests zur Ermittlnng der Effizienz von tilterbasierter Messung von luftgetragenen Carbon Nanotubes (CNT) wnrden als letztes durchgeiührt. Die Pilotstudie hat ein detailliiertes Bild der Typen und Mengen von genutzten Nanopartikel in Schweizer Unternehmen geliefert, und hat den Stand des Wissens der interviewten Gesundheitsschntz und Sicherheitsfachleute aufgezeigt. Folgende Typen von Nanopaitikeln wurden von den kontaktierten Firmen als Maximalmengen angegeben (> 1'000 kg pro Jahr / Unternehrnen): Ag, Al-Ox, Fe-Ox, SiO2, TiO2, und ZnO (hauptsächlich Nanopartikel der ersten Generation). Die Quantitäten von eingesetzten Nanopartikeln waren stark verschieden mit einem ein Median von 100 kg pro Jahr. ln der quantitativen Fragebogenstudie wurden l'626 Unternehmen brieflich kontaktiert; allesamt Klienten der Schweizerischen Unfallversicherringsanstalt (SUVA). Die Resultate der Umfrage erlaubten eine Abschätzung der Anzahl von Unternehmen und Arbeiter, welche Nanopartikel in der Schweiz anwenden. Die Hochrechnung auf den Schweizer lndnstriesektor hat folgendes Bild ergeben: ln 586 Unternehmen (95% Vertrauensintervallz 145 bis 1'027 Unternehmen) sind 1'309 Arbeiter potentiell gegenüber Nanopartikel exponiert (95%-Vl: l'073 bis l'545). Diese Zahlen stehen für 0.6% der Schweizer Unternehmen (95%-Vl: 0.2% bis 1.1%) und 0.08% der Arbeiternehmerschaft (95%-V1: 0.06% bis 0.09%). Es gibt einige gut etablierte Technologien um die Luftkonzentration von Submikrometerpartikel zu messen. Es besteht jedoch Zweifel daran, inwiefern sich diese Technologien auch für die Messurrg von künstlich hergestellten Nanopartikeln verwenden lassen. Aus diesem Grund folcussierten die vorbereitenden Studien für die Arbeitsplatzbeurteilnngen auf die Messung von Pulverri, welche Nan0partike1-Agg10merate enthalten. Sie erlaubten die ldentifikation folgender rnöglicher Quellen von fehlerhaften Messungen an Arbeitsplätzen mit erhöhter Luft-K0nzentrati0n von Nanopartikel Agglomeratenz - Ein Standard SMPS zeigte eine unglaubwürdige bimodale Partikelgrössenverteilung wenn er grössere Nan0par'til<e1Agg10merate gemessen hat. - Grosse Unterschiede im Bereich von Faktor tausend wurden festgestellt zwischen einem Diffusion Size Classiîier und einigen CPC (beziehungsweise dem SMPS). - Die Unterschiede zwischen CPC/SMPS und dem PAS waren geringer, aber abhängig von Grosse oder Typ des gemessenen Pulvers waren sie dennoch in der Grössenordnung von einer guten Grössenordnung. - Spezifische Schwierigkeiten und Unsicherheiten im Bereich von Arbeitsplatzmessungen wurden identitiziert: Hintergrundpartikel können mit Partikeln interagieren die während einem Arbeitsprozess freigesetzt werden. Solche Interaktionen erschweren eine korrekte Einbettung der Hintergrunds-Partikel-Konzentration in die Messdaten. - Elektromotoren produzieren grosse Mengen von Nanopartikeln und können so die Messung der prozessbezogenen Exposition stören. Fazit: Die Umfragen zeigten, dass Nanopartikel bereits Realitàt sind in der Schweizer Industrie und dass einige Unternehmen bereits grosse Mengen davon einsetzen. Die repräsentative Umfrage hat diese explosive Nachricht jedoch etwas moderiert, indem sie aufgezeigt hat, dass die Zahl der Unternehmen in der gesamtschweizerischen Industrie relativ gering ist. In den meisten Branchen (vor allem ausserhalb der Chemischen Industrie) wurden wenig oder keine Anwendungen gefunden, was schliessen last, dass die Einführung dieser neuen Technologie erst am Anfang einer Entwicklung steht. Auch wenn die Zahl der potentiell exponierten Arbeiter immer noch relativ gering ist, so unterstreicht die Studie dennoch die Notwendigkeit von Expositionsmessungen an diesen Arbeitsplätzen. Kenntnisse um die Exposition und das Wissen, wie solche Exposition korrekt zu messen, sind sehr wichtig, vor allem weil die möglichen Auswirkungen auf die Gesundheit noch nicht völlig verstanden sind. Die Evaluation einiger Geräte und Methoden zeigte jedoch, dass hier noch Nachholbedarf herrscht. Bevor grössere Mess-Studien durgefîihrt werden können, müssen die Geräte und Methodem für den Einsatz mit Nanopartikel-Agglomeraten validiert werden.

Silbernanoteilchen auf Magnesiumoxid - Über den Vergleich von optischer Spektroskopie, Rasterkraftmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie

In der vorliegenden Arbeit wurde das Wachstum von Silbernanoteilchen auf Magnesiumoxid und dabei insbesondere deren Größen- und Formrelation untersucht. Hierzu wurden Silbernanoteilchen auf ausgedehnten Magnesiumoxidsubstraten sowie auf Magnesiumoxid-Nanowürfeln präpariert. Zur Charakterisierung wurde die optische Spektroskopie, die Rasterkraftmikroskopie und die Transmissionselektronenmikroskopie eingesetzt. Während die Elektronenmikroskopie direkt sehr exakte Daten bezüglich der Größe und Form der Nanoteilchen liefert, kann mit den beiden anderen in dieser Arbeit verwendeten Charakterisierungsmethoden jeweils nur ein Parameter bestimmt werden. So kann man die Größe der Nanoteilchen indirekt mit Hilfe des AFM, durch Messung der Teilchananzahldichte, bestimmen. Bei der Bestimmung der Form mittels optischer Spektroskopie nutzt man aus, dass die spektralen Positionen der Plasmonresonanzen in dem hier verwendeten Größenbereich von etwa 2 - 10~nm nur von der Form aber nicht von der Größe der Teilchen abhängen. Ein wesentliches Ziel dieser Arbeit war es, die Ergebnisse bezüglich der Form und Größe der Nanoteilchen, die mit den unterschiedlichen Messmethoden erhalten worden sind zu vergleichen. Dabei hat sich gezeigt, dass die mit dem AFM und dem TEM bestimmten Größen signifikant voneinander Abweichen. Zur Aufklärung dieser Diskrepanz wurde ein geometrisches Modell aufgestellt und AFM-Bilder von Nanoteilchen simuliert. Bei dem Vergleich von optischer Spektroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie wurde eine recht gute Übereinstimmung zwischen den ermittelten Teilchenformen gefunden. Hierfür wurden die gemessenen optischen Spektren mit Modellrechnungen verglichen, woraus man die Relation zwischen Teilchengröße und -form erhielt. Eine Übereinstimmung zwischen den erhaltenen Daten ergibt sich nur, wenn bei der Modellierung der Spektren die Form- und Größenverteilung der Nanoteilchen berücksichtigt wird. Insgesamt hat diese Arbeit gezeigt, dass die Kombination von Rasterkraftmikroskopie und optischer Spektroskopie ein vielseitiges Charakterisierungsverfahren für Nanoteilchen. Die daraus gewonnenen Ergebnisse sind innerhalb gewisser Fehlergrenzen gut mit der Transmissionselektronenmikroskopie vergleichbar.

Polarization and correlation phenomena in the radiative electron capture by bare highly-charged ions

In dieser Arbeit wird die Wechselwirkung zwischen einem Photon und einem Elektron im starken Coulombfeld eines Atomkerns am Beispiel des radiativen Elektroneneinfangs beim Stoß hochgeladener Teilchen untersucht. In den letzten Jahren wurde dieser Ladungsaustauschprozess insbesondere für relativistische Ion–Atom–Stöße sowohl experimentell als auch theoretisch ausführlich erforscht. In Zentrum standen dabei haupsächlich die totalen und differentiellen Wirkungsquerschnitte. In neuerer Zeit werden vermehrt Spin– und Polarisationseffekte sowie Korrelationseffekte bei diesen Stoßprozessen diskutiert. Man erwartet, dass diese sehr empfindlich auf relativistische Effekte im Stoß reagieren und man deshalb eine hervorragende Methode zu deren Bestimmung erhält. Darüber hinaus könnten diese Messungen auch indirekt dazu führen, dass man die Polarisation des Ionenstrahls bestimmen kann. Damit würden sich neue experimentelle Möglichkeiten sowohl in der Atom– als auch der Kernphysik ergeben. In dieser Dissertation werden zunächst diese ersten Untersuchungen zu den Spin–, Polarisations– und Korrelationseffekten systematisch zusammengefasst. Die Dichtematrixtheorie liefert hierzu die geeignete Methode. Mit dieser Methode werden dann die allgemeinen Gleichungen für die Zweistufen–Rekombination hergeleitet. In diesem Prozess wird ein Elektron zunächst radiativ in einen angeregten Zustand eingefangen, der dann im zweiten Schritt unter Emission des zweiten (charakteristischen) Photons in den Grundzustand übergeht. Diese Gleichungen können natürlich auf beliebige Mehrstufen– sowie Einstufen–Prozesse erweitert werden. Im direkten Elektroneneinfang in den Grundzustand wurde die ”lineare” Polarisation der Rekombinationsphotonen untersucht. Es wurde gezeigt, dass man damit eine Möglichkeit zur Bestimmung der Polarisation der Teilchen im Eingangskanal des Schwerionenstoßes hat. Rechnungen zur Rekombination bei nackten U92+ Projektilen zeigen z. B., dass die Spinpolarisation der einfallenden Elektronen zu einer Drehung der linearen Polarisation der emittierten Photonen aus der Streuebene heraus führt. Diese Polarisationdrehung kann mit neu entwickelten orts– und polarisationsempfindlichen Festkörperdetektoren gemessen werden. Damit erhält man eine Methode zur Messung der Polarisation der einfallenden Elektronen und des Ionenstrahls. Die K–Schalen–Rekombination ist ein einfaches Beispiel eines Ein–Stufen–Prozesses. Das am besten bekannte Beispiel der Zwei–Stufen–Rekombination ist der Elektroneneinfang in den 2p3/2–Zustand des nackten Ions und anschließendem Lyman–1–Zerfall (2p3/2 ! 1s1/2). Im Rahmen der Dichte–Matrix–Theorie wurden sowohl die Winkelverteilung als auch die lineare Polarisation der charakteristischen Photonen untersucht. Beide (messbaren) Größen werden beträchtlich durch die Interferenz des E1–Kanals (elektrischer Dipol) mit dem viel schwächeren M2–Kanal (magnetischer Quadrupol) beeinflusst. Für die Winkelverteilung des Lyman–1 Zerfalls im Wasserstoff–ähnlichen Uran führt diese E1–M2–Mischung zu einem 30%–Effekt. Die Berücksichtigung dieser Interferenz behebt die bisher vorhandene Diskrepanz von Theorie und Experiment beim Alignment des 2p3/2–Zustands. Neben diesen Ein–Teichen–Querschnitten (Messung des Einfangphotons oder des charakteristischen Photons) wurde auch die Korrelation zwischen den beiden berechnet. Diese Korrelationen sollten in X–X–Koinzidenz–Messungen beobbachtbar sein. Der Schwerpunkt dieser Untersuchungen lag bei der Photon–Photon–Winkelkorrelation, die experimentell am einfachsten zu messen ist. In dieser Arbeit wurden ausführliche Berechnungen der koinzidenten X–X–Winkelverteilungen beim Elektroneneinfang in den 2p3/2–Zustand des nackten Uranions und beim anschließenden Lyman–1–Übergang durchgeführt. Wie bereits erwähnt, hängt die Winkelverteilung des charakteristischen Photons nicht nur vom Winkel des Rekombinationsphotons, sondern auch stark von der Spin–Polarisation der einfallenden Teilchen ab. Damit eröffnet sich eine zweite Möglichkeit zur Messung der Polaristion des einfallenden Ionenstrahls bzw. der einfallenden Elektronen.

Goldnanoteilchen auf Titandioxid

In dieser Arbeit wurde das Wachstum sowie die ultraschnelle Elektronendynamik des Oberflächenplasmon Polaritons von Goldnanoteilchen auf Titandioxid untersucht. Die Messung der Dephasierungszeit des Oberflächenplasmons von Nanoteilchen mit definierter Form und Größe erfolgte dabei mit der Methode des spektralen Lochbrennens. Die Nanoteilchen wurden durch Deposition von Goldatomen aus einem thermischen Atomstrahl mit anschließender Diffussion und Nukleation, d.h. Volmer-Weber-Wachstum, auf Titandioxidsubstraten hergestellt und mittels einer Kombination aus optischer Spektroskopie und Rasterkraftmikroskopie systematisch untersucht. Dabei lässt sich das Nanoteilchenensemble durch das mittlere Achsverhältnis und den mittleren Äquivalentradius charakterisieren. Die Messungen zeigen, dass die Proben große Größen- und Formverteilungen aufweisen und ein definierter Zusammenhang zwischen Größe und Form der Teilchen existiert. Während kleine Goldnanoteilchen nahezu kugelförmig sind, flachen die Teilchen mit zunehmender Größe immer mehr ab. Des Weiteren wurde in dieser Arbeit die Methode des lasergestützten Wachstums auf das System Gold auf Titandioxid angewendet. Systematische Untersuchungen zeigten, dass sich das Achsverhältnis der Teilchen durch geeignete Wahl von Photonenenergie und Fluenz des eingestrahlten Laserlichts definiert und gezielt vorgeben lässt. Die Methode des lasergestützten Wachstums erschließt damit den Bereich außerhalb der Zugänglichkeit des natürlichen Wachstums. Aufgrund der Formabhängigkeit der spektrale Lage der Plasmonresonanz ist man somit in der Lage, die optischen Eigenschaften der Nanoteilchen gezielt einzustellen und z.B. für technische Anwendungen zu optimieren. Die Untersuchung der ultraschnellen Elektronendynamik von Goldnanoteilchen auf Titandioxid mit äquivalenten Radien zwischen 8 bis 15 nm erfolgte in dieser Arbeit mit der Methode des spektralen Lochbrennes. Hierzu wurde die Dephasierungszeit des Oberflächenplasmons systematisch als Funktion der Photonenenergie in einem Bereich von 1,45 bis 1,85 eV gemessen. Es zeigte sich, dass die gemessenen Dephasierungszeiten von 8,5 bis 16,2 fs deutlich unter den in der dielektrischen Funktion von Gold enthaltenen Werten lagen, was den erwarteten Einfluss der reduzierten Dimension der Teilchen demonstriert. Um die Messwerte trotz verschiedener Teilchengrößen untereinander vergleichen und den Einfluss der intrinsischen Dämpfung quantifizieren zu können, wurde zusätzlich der Dämpfungsparameter A bestimmt. Die ermittelten A-Faktoren zeigten dabei eine starke Abhängigkeit von der Plasmonenergie. Für Teilchen mit Plasmonenergien von 1,45 bis 1,55 eV wurde ein Dämpfungsfaktor von A ~ 0,2 nm/fs ermittelt, der lediglich Oberflächenstreuung als dominierenden Dämpfungsmechanismus widerspiegelt. Hingegen wurde für Teilchen mit Plasmonenergien oberhalb von 1,55 eV ein drastischer Anstieg der Dämpfung auf A ~ 0,4 nm/fs beobachtet. Die erhöhte Dämpfung wurde dabei dem zusätzlichen Vorliegen einer chemischen Dämpfung durch das Titandioxidsubstrat zugeschrieben. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse somit, dass eine starke Abhängigkeit der chemischen Dämpfung von der Photonenenergie vorliegt. Es konnte erstmals nachgewiesen werden, dass die chemische Dämpfung erst ab einer bestimmten unteren Schwelle der Photonenenergie einsetzt, die für Goldnanoteilchen auf Titandioxid bei etwa 1,6 eV liegt.

Development and applications of density matrix functional theory of generalized Hubbard Models

In dieser Doktorarbeit wird eine akkurate Methode zur Bestimmung von Grundzustandseigenschaften stark korrelierter Elektronen im Rahmen von Gittermodellen entwickelt und angewandt. In der Dichtematrix-Funktional-Theorie (LDFT, vom englischen lattice density functional theory) ist die Ein-Teilchen-Dichtematrix γ die fundamentale Variable. Auf der Basis eines verallgemeinerten Hohenberg-Kohn-Theorems ergibt sich die Grundzustandsenergie Egs[γgs] = min° E[γ] durch die Minimierung des Energiefunktionals E[γ] bezüglich aller physikalischer bzw. repräsentativer γ. Das Energiefunktional kann in zwei Beiträge aufgeteilt werden: Das Funktional der kinetischen Energie T[γ], dessen lineare Abhängigkeit von γ genau bekannt ist, und das Funktional der Korrelationsenergie W[γ], dessen Abhängigkeit von γ nicht explizit bekannt ist. Das Auffinden präziser Näherungen für W[γ] stellt die tatsächliche Herausforderung dieser These dar. Einem Teil dieser Arbeit liegen vorausgegangene Studien zu Grunde, in denen eine Näherung des Funktionals W[γ] für das Hubbardmodell, basierend auf Skalierungshypothesen und exakten analytischen Ergebnissen für das Dimer, hergeleitet wird. Jedoch ist dieser Ansatz begrenzt auf spin-unabhängige und homogene Systeme. Um den Anwendungsbereich von LDFT zu erweitern, entwickeln wir drei verschiedene Ansätze zur Herleitung von W[γ], die das Studium von Systemen mit gebrochener Symmetrie ermöglichen. Zuerst wird das bisherige Skalierungsfunktional erweitert auf Systeme mit Ladungstransfer. Eine systematische Untersuchung der Abhängigkeit des Funktionals W[γ] von der Ladungsverteilung ergibt ähnliche Skalierungseigenschaften wie für den homogenen Fall. Daraufhin wird eine Erweiterung auf das Hubbardmodell auf bipartiten Gittern hergeleitet und an sowohl endlichen als auch unendlichen Systemen mit repulsiver und attraktiver Wechselwirkung angewandt. Die hohe Genauigkeit dieses Funktionals wird aufgezeigt. Es erweist sich jedoch als schwierig, diesen Ansatz auf komplexere Systeme zu übertragen, da bei der Berechnung von W[γ] das System als ganzes betrachtet wird. Um dieses Problem zu bewältigen, leiten wir eine weitere Näherung basierend auf lokalen Skalierungseigenschaften her. Dieses Funktional ist lokal bezüglich der Gitterplätze formuliert und ist daher anwendbar auf jede Art von geordneten oder ungeordneten Hamiltonoperatoren mit lokalen Wechselwirkungen. Als Anwendungen untersuchen wir den Metall-Isolator-Übergang sowohl im ionischen Hubbardmodell in einer und zwei Dimensionen als auch in eindimensionalen Hubbardketten mit nächsten und übernächsten Nachbarn. Schließlich entwickeln wir ein numerisches Verfahren zur Berechnung von W[γ], basierend auf exakten Diagonalisierungen eines effektiven Vielteilchen-Hamilton-Operators, welcher einen von einem effektiven Medium umgebenen Cluster beschreibt. Dieser effektive Hamiltonoperator hängt von der Dichtematrix γ ab und erlaubt die Herleitung von Näherungen an W[γ], dessen Qualität sich systematisch mit steigender Clustergröße verbessert. Die Formulierung ist spinabhängig und ermöglicht eine direkte Verallgemeinerung auf korrelierte Systeme mit mehreren Orbitalen, wie zum Beispiel auf den spd-Hamilton-Operator. Darüber hinaus berücksichtigt sie die Effekte kurzreichweitiger Ladungs- und Spinfluktuationen in dem Funktional. Für das Hubbardmodell wird die Genauigkeit der Methode durch Vergleich mit Bethe-Ansatz-Resultaten (1D) und Quanten-Monte-Carlo-Simulationen (2D) veranschaulicht. Zum Abschluss wird ein Ausblick auf relevante zukünftige Entwicklungen dieser Theorie gegeben.

Transport magnetischer Partikel durch maßgeschneiderte magnetische Feldlandschaften zur Anwendung in mikrofluidischen Mischprozessen

Die Miniaturisierung von konventioneller Labor- und Analysetechnik nimmt eine zentrale Rolle im Bereich der allgemeinen Lebenswissenschaften und medizinischen Diagnostik ein. Neuartige und preiswerte Technologieplattformen wie Lab-on-a-Chip (LOC) oder Mikrototalanalysesysteme (µTAS) versprechen insbesondere im Bereich der Individualmedizin einen hohen gesellschaftlichen Nutzen zur frühzeitigen und nichtinvasiven Diagnose krankheitsspezifischer Indikatoren. Durch den patientennahen Einsatz preiswerter und verlässlicher Mikrochips auf Basis hoher Qualitätsstandards entfallen kostspielige und zeitintensive Zentrallaboranalysen, was gleichzeitig Chancen für den globalen Einsatz - speziell in Schwellen- und Entwicklungsländern - bietet. Die technischen Herausforderungen bei der Realisierung moderner LOC-Systeme sind in der kontrollierten und verlässlichen Handhabung kleinster Flüssigkeitsmengen sowie deren diagnostischem Nachweis begründet. In diesem Kontext wird der erfolgreichen Integration eines fernsteuerbaren Transports von biokompatiblen, magnetischen Mikro- und Nanopartikeln eine Schlüsselrolle zugesprochen. Die Ursache hierfür liegt in der vielfältigen Einsetzbarkeit, die durch die einzigartigen Materialeigenschaften begründet sind. Diese reichen von der beschleunigten, aktiven Durchmischung mikrofluidischer Substanzvolumina über die Steigerung der molekularen Interaktionsrate in Biosensoren bis hin zur Isolation und Aufreinigung von krankheitsspezifischen Indikatoren. In der Literatur beschriebene Ansätze basieren auf der dynamischen Transformation eines makroskopischen, zeitabhängigen externen Magnetfelds in eine mikroskopisch veränderliche potentielle Energielandschaft oberhalb magnetisch strukturierter Substrate, woraus eine gerichtete und fernsteuerbare Partikelbewegung resultiert. Zentrale Kriterien, wie die theoretische Modellierung und experimentelle Charakterisierung der magnetischen Feldlandschaft in räumlicher Nähe zur Oberfläche der strukturierten Substrate sowie die theoretische Beschreibung der Durchmischungseffekte, wurden jedoch bislang nicht näher beleuchtet, obwohl diese essentiell für ein detailliertes Verständnis der zu Grunde liegenden Mechanismen und folglich für einen Markteintritt zukünftiger Geräte sind. Im Rahmen der vorgestellten Arbeit wurde daher ein neuartiger Ansatz zur erfolgreichen Integration eines Konzepts zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel zur Anwendung in modernen LOC-Systemen unter Verwendung von magnetisch strukturierten Exchange-Bias (EB) Dünnschichtsystemen verfolgt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Verfahren der ionenbe-schussinduzierten magnetischen Strukturierung (IBMP) von EB-Systemen zur Herstellung von maßgeschneiderten magnetischen Feldlandschaften (MFL) oberhalb der Substratoberfläche, deren Stärke und räumlicher Verlauf auf Nano- und Mikrometerlängenskalen gezielt über die Veränderung der Materialparameter des EB-Systems via IBMP eingestellt werden kann, eignet. Im Zuge dessen wurden erstmals moderne, experimentelle Verfahrenstechniken (Raster-Hall-Sonden-Mikroskopie und rastermagnetoresistive Mikroskopie) in Kombination mit einem eigens entwickelten theoretischen Modell eingesetzt, um eine Abbildung der MFL in unterschiedlichen Abstandsbereichen zur Substratoberfläche zu realisieren. Basierend auf der quantitativen Kenntnis der MFL wurde ein neuartiges Konzept zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel entwickelt, bei dem Partikelgeschwindigkeiten im Bereich von 100 µm/s unter Verwendung von externen Magnetfeldstärken im Bereich weniger Millitesla erzielt werden können, ohne den magnetischen Zustand des Substrats zu modifizieren. Wie aus den Untersuchungen hervorgeht, können zudem die Stärke des externen Magnetfelds, die Stärke und der Gradient der MFL, das magnetfeldinduzierte magnetische Moment der Partikel sowie die Größe und der künstlich veränderliche Abstand der Partikel zur Substratoberfläche als zentrale Einflussgrößen zur quantitativen Modifikation der Partikelgeschwindigkeit genutzt werden. Abschließend wurde erfolgreich ein numerisches Simulationsmodell entwickelt, das die quantitative Studie der aktiven Durchmischung auf Basis des vorgestellten Partikeltransportkonzepts von theoretischer Seite ermöglicht, um so gezielt die geometrischen Gegebenheiten der mikrofluidischen Kanalstrukturen auf einem LOC-System für spezifische Anwendungen anzupassen.

Computersimulation von Positronium-Annihilation in Polymeren

In dieser Arbeit wird eine neue Methode zur Berechnung derLebensdauern von Ortho-Positronium in Polymerenbeschrieben. Zur Auswertung vonPositronium-Annihilations-Experimenten wurde bislang eineinfaches Modell verwendet, dessen Gültigkeit im Falle vonPolymeren fragwürdig ist. Durch ein verbessertes Modell wirdeine realistischere Beschreibung der Lebensdauernmöglich. Mit verschiedenen quantenmechanischen Methoden wirdeine Näherung für das Wechselwirkungspotential desPositroniums mit der Polymermatrix bestimmt. DieElektronendichte im Polymer wird mit quantenchemischenRechnungen ermittelt, während die Polymerstruktur selbst mitMolekulardynamik-Simulationen auf atomistis cher Ebeneberechnet wird. Die Pfad-integral-Monte-Carlo-Methodegestattet es dann, die Aufenthaltswahrscheinlichkeit unddaraus die Lebensdauer von Ortho-Positronium in den zumfreien Volumen gehörenden Löchern im Polymer zuberechnen. Diese werden mit Ergebnissen ausPositroniu-Annihilations-Experimenten verglichen. Wenn sieübereinstimmen, läßt sich schließen, daß diezugrundeliegenden simulierten Polymerkonfigurationen inBezug auf das freie Volumen ein realistisches Abbild desrealen Polymers sind. Da die Positionen der Atome in der Simulation bekannt sind,wird das freie Volumen mit der Gittermethode bestimmt undmit einem Clusteralgorithmus zu Löchern zusammengefaßt, diedann geometrisch analysiert werden. So können Informationenüber Gestalt, Größe und Verteilung der Löcher gewonnenwerden, die weit über das bislang verwendete Standardmodellhinausgehen. Es zeigt sich, daß einige der Annahmen desStandardmodells nicht erfüllt sind. Die Möglichkeiten des neuen Verfahrens werden an Polystyrolund Bisphenol-A-Polycarbonat demonstriert. ExperimentelleLebensdauerspektren können gut reproduziert werden. Eswurden umfangreiche Analysen des freien Volumensdurchgeführt. Im Falle des Polystyrols wurde auch seineTemperaturabhängigkeit untersucht. Des weiteren werden Simulationen zur Diffusion vonKohlendioxid in Polystyrol bei verschiedenen Temperaturenund Drücken präsentiert. Die Berechnung vonDiffusionskoeffizienten in NpT-Simulationen wird diskutiert;es wird eine Methode dargestellt, die die Berechnung derVerschiebung der Teilchen in ungefalteten Koordinatenerlaubt, auch wenn die Größe der Simulationszellefluktuiert, weil eine automatische Druckkontrolle verwendetwird. Damit werden Diffusionskoeffizientenermittelt. Außerdem wird der Frage nachgegangen, welcheLöcher die Kohlendioxidmoleküle besetzen. Dies ist von derexperimentellen Seite interessant, weil häufig gasbeladenePolymere durch Positronium untersucht werden, um dieAnzahldichte der Löcher zu bestimmen; diese wird wiederumbenötigt, um aus dem mittleren Volumen eines Loches dasgesamte freie Volumen zu berechnen.

Amphiphile Kern-Schale-my-Netzwerke auf der Basis von Polyorganosiloxanen

Die Synthese funktionalisierter Polyorganosiloxan-µ-Netzwerke (Rh = 5 – 30 nm) gelingt durch Polycokondensation von Alkoxysilanen. Die entstehenden sphärischen Teilchen sind in unpolaren organischen Lösungsmitteln partikulär dispergierbar. Durch die sequentielle Zugabe der Silanmonomere können Kern-Schale-Partikel mit unterschiedlichen Teilchenarchitekturen realisiert werden. In der vorliegenden Arbeit wird p-Chlormethylphenyltrimethoxysilan als funktionalisiertes Monomer verwendet, um den µ-Netzwerken durch eine anschließende Quaternisierung der Chlorbenzylgruppen mit Dimethylaminoethanol amphiphile Eigenschaften zu verleihen. Durch den Kern-Schale-Aufbau der Partikel sind die hydrophilen Bereiche im Kugelinneren von der hydrophoben äußeren Schale separiert, was unerläßlich für die Verwendung der Partikel zur Verkapselung wasserlöslicher Substanzen ist.So können in den amphiphilen µ-Netzwerken beispielsweise wasserlösliche Farbstoffe verkapselt werden. Diese diffundieren sowohl aus Lösung als auch aus dem Festkörper in das geladene Partikelinnere und werden dort angereichert. Es wird eine Abhängigkeit der Farbstoffbeladung vom Quaternisierungsgrad gefunden, wobei die Anzahl an verkapselten Farbstoffmolekülen mit dem Quaternisierungsgrad zunimmt.Weiterhin können amphiphile µ-Gelpartikel auch als molekulare Nanoreaktoren zur Synthese von Edelmetallkolloiden verwendet werden, die in den Netzwerken topologisch gefangen sind. Hierzu werden zuerst Metallionen im Kugelinneren verkapselt und anschließend reduziert, wobei das Kolloidwachstum durch den wohldefinierten Reaktionsraum gesteuert wird. Neben Gold- und Palladiumkolloiden können auf diese Weise beispielsweise auch Silberkolloide in den Kernen von µ-Netzwerken hergestellt werden.