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.

Highly accurate quantum chemistry : spin-orbit splittings via multireference coupled-cluster methods and applications in heavy-atom main-group chemistry

Diese Dissertation demonstriert und verbessert die Vorhersagekraft der Coupled-Cluster-Theorie im Hinblick auf die hochgenaue Berechnung von Moleküleigenschaften. Die Demonstration erfolgt mittels Extrapolations- und Additivitätstechniken in der Single-Referenz-Coupled-Cluster-Theorie, mit deren Hilfe die Existenz und Struktur von bisher unbekannten Molekülen mit schweren Hauptgruppenelementen vorhergesagt wird. Vor allem am Beispiel von cyclischem SiS_2, einem dreiatomigen Molekül mit 16 Valenzelektronen, wird deutlich, dass die Vorhersagekraft der Theorie sich heutzutage auf Augenhöhe mit dem Experiment befindet: Theoretische Überlegungen initiierten eine experimentelle Suche nach diesem Molekül, was schließlich zu dessen Detektion und Charakterisierung mittels Rotationsspektroskopie führte. Die Vorhersagekraft der Coupled-Cluster-Theorie wird verbessert, indem eine Multireferenz-Coupled-Cluster-Methode für die Berechnung von Spin-Bahn-Aufspaltungen erster Ordnung in 2^Pi-Zuständen entwickelt wird. Der Fokus hierbei liegt auf Mukherjee's Variante der Multireferenz-Coupled-Cluster-Theorie, aber prinzipiell ist das vorgeschlagene Berechnungsschema auf alle Varianten anwendbar. Die erwünschte Genauigkeit beträgt 10 cm^-1. Sie wird mit der neuen Methode erreicht, wenn Ein- und Zweielektroneneffekte und bei schweren Elementen auch skalarrelativistische Effekte berücksichtigt werden. Die Methode eignet sich daher in Kombination mit Coupled-Cluster-basierten Extrapolations-und Additivitätsschemata dafür, hochgenaue thermochemische Daten zu berechnen.

Higher-order molecular properties and excitation energies in single-reference and multireference coupled-cluster theory

Coupled-cluster (CC) theory is one of the most successful approaches in high-accuracy quantum chemistry. The present thesis makes a number of contributions to the determination of molecular properties and excitation energies within the CC framework. The multireference CC (MRCC) method proposed by Mukherjee and coworkers (Mk-MRCC) has been benchmarked within the singles and doubles approximation (Mk-MRCCSD) for molecular equilibrium structures. It is demonstrated that Mk-MRCCSD yields reliable results for multireference cases where single-reference CC methods fail. At the same time, the present work also illustrates that Mk-MRCC still suffers from a number of theoretical problems and sometimes gives rise to results of unsatisfactory accuracy. To determine polarizability tensors and excitation spectra in the MRCC framework, the Mk-MRCC linear-response function has been derived together with the corresponding linear-response equations. Pilot applications show that Mk-MRCC linear-response theory suffers from a severe problem when applied to the calculation of dynamic properties and excitation energies: The Mk-MRCC sufficiency conditions give rise to a redundancy in the Mk-MRCC Jacobian matrix, which entails an artificial splitting of certain excited states. This finding has established a new paradigm in MRCC theory, namely that a convincing method should not only yield accurate energies, but ought to allow for the reliable calculation of dynamic properties as well. In the context of single-reference CC theory, an analytic expression for the dipole Hessian matrix, a third-order quantity relevant to infrared spectroscopy, has been derived and implemented within the CC singles and doubles approximation. The advantages of analytic derivatives over numerical differentiation schemes are demonstrated in some pilot applications.

Encyklopädisches Handbuch der technischen Chemie /

Added t.p.: Muspratts' Theoretische, praktische und analytische Chemie in Anwendung auf Künste und Gewerbe.

Kaiser Wilhelm-Institut fuer Physikalische Chemie und Elektrochemie Collection 1933

Correspondence (photocopies) concerning the dismissal of Jewish scientists and staff members at the Kaiser Wilhelm-Institut in 1933.

For the determination of iron (II) and total iron with 2,2'-dipyridyl in mineral waters. Reduction of iron (III) with ascorbic acid [Translation from: Zeitschrift fur Analytische Chemie 209 340-341, 1965]

The determination of bi- and trivalent iron in proximity, in mineral waters has gained in significance, on biological and technical grounds. This short paper describes the procedure of the determination of bivalent iron and total iron in a water sample.

A study of flow conditions near the substratum in an experimental channel [Translation from: Verhandlungen der Internationalen Vereinigung fur Theoretische und Angewandte Limnologie 18, 718-725, 1972]

In a slow flow, on a smooth uniform substratum, a limited bed allows the existence of currents slow enough for benthic invertebrates. These conditions rarely occur naturally. The investigations carried out in this work aimed, on an intermediary scale, to define the influence of irregularities in the substratum on flow near the bottom. The substrata used were made of glass marbles. The investigations were carried out in a transparent channel of 70 cm in length and a rectangular section 10 x 5 cm. The data was analysed to study the general evolution of flow in terms of average speeds and the appearance of the turbulence near the bottom.

Fish zoning of some watercourses in Normandy [Translation from: Verhandlungen der Internationalen Vereinigung fuer Theoretische und Angewandte Limnologie 18, 1135-1146, 1972]

The identification of fish zones in western and central Europe has been the objective some major studies. This paper concerns a stream in Normandy specially studied by the author in 1969 and 1970 in the framework of a study on the role of the mean temperature in fish zoning. The paper propounds the comparative study of the morphodynamic and occasionally physico-chemical characteristics, as well as the results of previous sampling by electric fishing of the fish populations of two other streams of the higher Cretaceous layer and supplied by ”chalky” water in Normandy and Picardy.

Unterstützungssysteme im Kontext von Regionalisierungsprozessen. Eine theoretische und empirische Annäherung

In Fragen der Schulentwicklung allgemein, aber auch im Zuge der aktuellen Regionalisierungstendenzen im Schul- und Bildungswesen, wird Unterstützungssystemen für die Einzelschule eine wachsende Bedeutung zugeschrieben. Dennoch finden sich bislang erst wenige Arbeiten im Diskurs, die Unterstützungssysteme im Zusammenhang mit Regionalisierungsprozessen beleuchten und robuste Analyseinstrumente vorstellen, mit deren Hilfe Unterstützung im Zusammenhang von Regionalisierung gefasst werden kann. Dieses Desiderat wird im vorliegenden Beitrag aufgegriffen, indem unter anderem auf Grundlage von governance- sowie motivationstheoretischen Überlegungen Kategorien für eine Heuristik erarbeitet werden, die es erlauben, Unterstützungssysteme allgemein und im Kontext von Schul- und Bildungslandschaften entlang verschiedener Dimensionen zu betrachten. Mittels Interviews, die im Rahmen des Projektes ,Schulen im Team – Übergänge gemeinsam gestalten‘ durchgeführt wurden, wird die Heuristik auf den Forschungskontext zu Regionalen Bildungsbüros inhaltsanalytisch angewendet. Erste Befunde weisen darauf hin, dass sich die Heuristik zur Untersuchung von Unterstützungssystemen für einen regionalen Kontext plausibilisieren lässt. (DIPF/Orig.)

Planen, Lehren und Lernen in der Krankenpflegeausbildung : Begründungsrahmen und Entwicklung eines offenen, fächerintegrativen Curriculums für die theoretische Ausbildung. Teil 2: Ein offenes, fächerintegratives Curriculum für die theoretische Ausbildung

In Teil I der Arbeit wird im ersten Kapitel eine Analyse der krankenpflegerischen Ausbildungssituation vorgenommen, der dann eine Konkretisierung der didaktisch-curriculumtheoretischen Standortbestimmung des Projekts folgt (zweites Kapitel. Im Begründungszusammenhang dieser Erörterungen werden im dritten Kapitel die grundlegenden Ziel- und Inhaltsentscheidungen, die in Zusammenarbeit mit den Praktikern entstanden sind, dargestellt. Das vierte Kapitel enthält einen Rückblick über den curricularen Entwicklungsprozeß und leitet daraus Schlußfolgerungen ab. Teil II besteht im wesentlichen aus dem "offenen, fächerintegrativen Curriculum für die theoretische Krankenpflegeausbildung", in dessen Anwendung vorher kurz eingeführt wird und dessen Umsetzung am Beispiel der Krankenpflegeschule, an der es entwickelt worden ist, im Anhang verdeutlicht wird.

Planen, Lehren und Lernen in der Krankenpflegeausbildung : Begründungsrahmen und Entwicklung eines offenen, fächerintegrativen Curriculums für die theoretische Ausbildung

In Teil I der Arbeit wird im ersten Kapitel eine Analyse der krankenpflegerischen Ausbildungssituation vorgenommen, der dann eine Konkretisierung der didaktisch-curriculumtheoretischen Standortbestimmung des Projekts folgt (zweites Kapitel. Im Begründungszusammenhang dieser Erörterungen werden im dritten Kapitel die grundlegenden Ziel- und Inhaltsentscheidungen, die in Zusammenarbeit mit den Praktikern entstanden sind, dargestellt. Das vierte Kapitel enthält einen Rückblick über den curricularen Entwicklungsprozeß und leitet daraus Schlußfolgerungen ab. Teil II besteht im wesentlichen aus dem "offenen, fächerintegrativen Curriculum für die theoretische Krankenpflegeausbildung", in dessen Anwendung vorher kurz eingeführt wird und dessen Umsetzung am Beispiel der Krankenpflegeschule, an der es entwickelt worden ist, im Anhang verdeutlicht wird.

Computer Integrated Business: Theoretische und empirische Analyse der bisherigen Ansätze und zukünftigen Perspektiven

Die Arbeit stellt einen strukturellen Rahmen zur Einordnung sowohl bisheriger als auch zukünftiger organisationstheoretischer und DV-technologischer Entwicklungen zur Umsetzung eines Computer Integrated Business (CIB) bereit. Dazu analysiert sie bisherige Ansätze und zukünftige Perspektiven eines CIB mittels theoretischer und empirischer Bearbeitungsverfahren. Die Notwendigkeit zur Unternehmensintegration ergibt sich aus dem betriebswirtschaftlichen Konzept der Arbeitsteilung, über die das Phänomen der Economies of Scale erschlossen wird. Die Arbeitsteilung wurde zum Gestaltungskonzept in den Fabriken der industriellen Revolution. Komplexe Arbeitsgänge wurden in spezialisierte Teilaufgaben zerlegt und nach Möglichkeit auf maschinelle bzw. technologische Potentiale übertragen. Die Zielsetzung lag zunächst in der Automatisierung des Materialflusses, während der Informationsfluss noch lange Zeit im Hintergrund stand. Mittlerweile ermöglichen leistungsfähige DV-Systeme auch die Automatisierung des Informationsflusses und damit die DV-gestützte Integration des Unternehmens, die den Kern des CIB-Konzeptes darstellt. Das CIB-Konzept wurde Ende der achtziger Jahre am Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation als Erweiterung des Computer Integrated Manufacturing (CIM) für Industrieunternehmen von Bullinger geprägt, jedoch in seiner Zielsetzung als Modell zur Totalintegration von Unternehmen danach nicht maßgeblich weiterentwickelt. Vielmehr wurden in der Folgezeit überwiegend Teilintegrationslösungen diskutiert, wie z. B. Konzepte zur Integration der Fertigung oder zur Unterstützung der Teamarbeit. Der Aspekt der umfassenden, unternehmensinternen Integration rückte Mitte der neunziger Jahre durch die an Popularität gewinnende Internet-Technologie an den Rand der wissenschaftlichen Diskussion. Erst nach dem Zusammenbruch der ersten Internet-Euphorie und der anschließenden wirtschaftlichen Rezession gewann das Integrationsthema am Anfang dieses Jahrzehnts mit Hinblick auf dadurch mögliche Kostenvorteile wieder an Bedeutung. Die Diskussion wurde jedoch mit starkem technologischem Fokus geführt (z. B. zum Thema Enterprise Application Integration) und Aspekte der Unternehmensorganisation wurden bestenfalls grob, jedoch nicht im Detail diskutiert. Die vorliegende Arbeit bearbeitet die CIB-Thematik umfassend sowohl aus unternehmensorganisatorischer als auch DV-technologischer Sicht und bewegt sich deshalb interdisziplinär zwischen den Wissenschaftsbereichen der Betriebswirtschaft und der Informatik. Die Untersuchung wird vor dem Hintergrund einer sozio-technologischen Unternehmensorganisation geführt, in der DV-technologische Potentiale neben humanen Potentialen zur Erreichung der Unternehmensziele eingesetzt werden. DV-technologische Potentiale übernehmen darin einerseits Integrationsaufgaben und werden andererseits aber selbst zum Integrationsziel. Die Herausforderung für die Unternehmensführung besteht in der Konfiguration des CIB und im Finden eines Gleichgewichts zwischen Arbeitsteilung und Integration auf der einen sowie humanen und technologischen Potentialen auf der anderen Seite, letztendlich aber auch in der Automatisierung der Integration. Die Automatisierung der Integration stellt mit Hinblick auf die durch Umweltveränderungen bedingte Konfigurationsanpassung ein bisher konzeptionell nur ansatzweise gelöstes Problem dar. Der technologischen Integrationsarchitektur sowie den verwendeten Methoden des Prozessdesigns und der Software-Entwicklung kommt bei der Lösung dieses Problems eine hohe Bedeutung zu. Über sie bestimmt sich die Anpassungsfähigkeit und geschwindigkeit des CIB. Es kann vermutet werden, dass eine Lösung jedoch erst erreicht wird, wenn sich die Unternehmensorganisation vom Konzept der zentralen Koordination abwendet und stattdessen an dezentralen Koordinationsmechanismen unter Verwendung ultrastabiler Anpassungsprogramme orientiert, wie sie z. B. in der Biologie bei Insektenkulturen untersucht wurden.

A semi-phenomenological approach to the structure and transport properties of macromolecules in solution

Motiviert durch die Lebenswissenschaften (Life sciences) haben sich Untersuchungen zur Dynamik von Makromolekülen in Lösungen in den vergangenen Jahren zu einem zukunftsweisenden Forschungsgebiet etabliert, dessen Anwendungen von der Biophysik über die physikalische Chemie bis hin zu den Materialwissenschaften reichen. Neben zahlreichen experimentellen Forschungsprogrammen zur räumlichen Struktur und den Transporteigenschaften grosser MolekÄule, wie sie heute praktisch an allen (Synchrotron-) Strahlungsquellen und den Laboren der Biophysik anzutreffen sind, werden gegenwärtig daher auch umfangreiche theoretische Anstrengungen unternommen, um das Diffusionsverhalten von Makromolekülen besser zu erklären. Um neue Wege für eine quantitative Vorhersagen des Translations- und Rotationsverhaltens grosser Moleküle zu erkunden, wurde in dieser Arbeit ein semiphänomenologischer Ansatz verfolgt. Dieser Ansatz erlaubte es, ausgehend von der Hamiltonschen Mechanik des Gesamtsystems 'Molekül + Lösung', eine Mastergleichung für die Phasenraumdichte der Makromoleküle herzuleiten, die den Einfluss der Lösung mittels effektiver Reibungstensoren erfasst. Im Rahmen dieses Ansatzes gelingt es z.B. (i) sowohl den Einfluss der Wechselwirkung zwischen den makromolekularen Gruppen (den sogenannten molekularen beads) und den Lösungsteilchen zu analysieren als auch (ii) die Diffusionseigen schaften für veschiedene thermodynamische Umgebungen zu untersuchen. Ferner gelang es auf der Basis dieser Näherung, die Rotationsbewegung von grossen Molekülen zu beschreiben, die einseitig auf einer Oberfläche festgeheftet sind. Im Vergleich zu den aufwendigen molekulardynamischen (MD) Simulationen grosser Moleküle zeichnet sich die hier dargestellte Methode vor allem durch ihren hohen `Effizienzgewinn' aus, der für komplexe Systeme leicht mehr als fünf Grössenordnungen betragen kann. Dieser Gewinn an Rechenzeit erlaubt bspw. Anwendungen, wie sie mit MD Simulationen wohl auch zukünftig nicht oder nur sehr zögerlich aufgegriffen werden können. Denkbare Anwendungsgebiete dieser Näherung betreffen dabei nicht nur dichte Lösungen, in denen auch die Wechselwirkungen der molekularen beads zu benachbarten Makromolekülen eine Rolle spielt, sondern auch Untersuchungen zu ionischen Flüssigkeiten oder zur Topologie grosser Moleküle.