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Thermoplastische Faser-Kunststoff-Verbunde (TP-FKV) rücken aufgrund ihrer guten Verarbeit- und Rezyklierbarkeit immer weiter in den Fokus der Automobilindustrie. Sie können effizient in serientauglichen Fließpress- oder Umformprozessen zu Bauteilen verarbeitet werden und bringen gute chemische, mechanische und thermische Eigenschaften mit. Die resultierenden Bauteile werden anschließend in Baugruppen eingesetzt, deren Strukturbauteile nach wie vor hauptsächlich aus Metallen bestehen. An der Schnittstelle zwischen TP-FKV und Metall entsteht ein Verbindungsproblem, das bisher meist durch Schrauben, Nieten oder Kleben gelöst wird. Allerdings werden diese Verfahren den speziellen Anforderungen der TP-FKV nicht gerecht und bringen zusätzliches Material in das Bauteil ein. TP-FKV eignen sich aufgrund der Schmelzbarkeit der thermoplastischen Matrix für thermische Fügeverfahren. Da die thermoplastische Matrix selbst als Klebstoff genutzt werden kann, entsteht eine flächige Verbindung, ohne dass Bohrungen oder zusätzliches Material notwendig sind. Außerdem kann durch eine geeignete Vorbehandlung der Metalloberfläche ein Formschluss erzielt und so die Festigkeit signifikant gesteigert werden.
In der vorliegenden Arbeit wurden ein diskontinuierlicher und ein kontinuierlicher, induktiver Schweißprozess entwickelt und optimiert. Dazu wurde ein Prüfstand ent-worfen und aufgebaut, der auf beide Prozesse angepasst werden kann. Beim konti-nuierlichen Induktionsschweißen konnte die Prozessgeschwindigkeit durch den Einsatz einer Bauteilkühlung ohne Beeinträchtigung der Fügefestigkeit auf mehr als 1m/min gesteigert werden. Beim diskontinuierlichen Schweißen wurde die bisher verwendete, sehr fehleranfällige temperaturbasierte Prozessregelung durch eine Wegregelung ersetzt. So konnte ein stabiler, voll automatisierter Schweißprozess entwickelt werden. Zum Abschluss wurde die Eignung des Induktionsschweißens für die industrielle Anwendung am Beispiel eines Unterbodenblechs eines Nutzfahrzeuges gezeigt. Hier konnte durch diskontinuierliches Induktionsschweißen in Kombination mit der Vorbehandlung des metallischen Fügepartners durch Laserstrukturierung die gleiche Performance wie bei dem ursprünglichen, genieteten Ansatz erzielt werden. Es steht mit dem Induktionsschweißen also ein Fügeprozess zur Verfügung, der sowohl hinsichtlich Effizienz als auch Festigkeit für die industrielle Anwendung geeignet ist.
Optical Character Recognition (OCR) system plays an important role in digitization of data acquired as images from a variety of sources. Although the area is very well explored for Latin languages, some of the languages based on Arabic cursive script are not yet explored. It is due to many factors: Most importantly are the unavailability of proper data sets and complexities posed by cursive scripts. The Pashto language is one of such languages which needs considerable exploration towards OCR. In order to develop such an OCR system, this thesis provides a pioneering study that explores deep learning for the Pashto language in the field of OCR.
The Pashto language is spoken by more than $50$ million people across the world, and it is an active medium both for oral as well as written communication. It is associated with rich literary heritage and contains huge written collection. These written materials present contents of simple to complex nature, and layouts from hand-scribed to printed text. The Pashto language presents mainly two types of complexities (i) generic w.r.t. cursive script, (ii) specific w.r.t. Pashto language. Generic complexities are cursiveness, context dependency, and breaker character anomalies, as well as space anomalies. Pashto specific complexities are variations in shape for a single character and shape similarity for some of the additional Pashto characters. Existing research in the area of Arabic OCR did not lead to an end-to-end solution for the mentioned complexities and therefore could not be generalized to build a sophisticated OCR system for Pashto.
The contribution of this thesis spans in three levels, conceptual level, data level, and practical level. In the conceptual level, we have deeply explored the Pashto language and identified those characters, which are responsible for the challenges mentioned above. In the data level, a comprehensive dataset is introduced containing real images of hand-scribed contents. The dataset is manually transcribed and has the most frequent layout patterns associated with the Pashto language. The practical level contribution provides a bridge, in the form of a complete Pashto OCR system, and connects the outcomes of the conceptual and data levels contributions. The practical contribution comprises of skew detection, text-line segmentation, feature extraction, classification, and post-processing. The OCR module is more strengthened by using deep learning paradigm to recognize Pashto cursive script by the framework of Recursive Neural Networks (RNN). Proposed Pashto text recognition is based on Long Short-Term Memory Network (LSTM) and realizes a character recognition rate of $90.78\%$ on Pashto real hand-scribed images. All these contributions are integrated into an application to provide a flexible and generic End-to-End Pashto OCR system.
The impact of this thesis is not only specific to the Pashto language, but it is also beneficial to other cursive languages like Arabic, Urdu, and Persian e.t.c. The main reason is the Pashto character set, which is a superset of Arabic, Persian, and Urdu languages. Therefore, the conceptual contribution of this thesis provides insight and proposes solutions to almost all generic complexities associated with Arabic, Persian, and Urdu languages. For example, an anomaly caused by breaker characters is deeply analyzed, which is shared among 70 languages, mainly use Arabic script. This thesis presents a solution to this issue and is equally beneficial to almost all Arabic like languages.
The scope of this thesis has two important aspects. First, a social impact, i.e., how a society may benefit from it. The main advantages are to bring the historical and almost vanished document to life and to ensure the opportunities to explore, analyze, translate, share, and understand the contents of Pashto language globally. Second, the advancement and exploration of the technical aspects. Because, this thesis empirically explores the recognition and challenges which are solely related to the Pashto language, both regarding character-set and the materials which present such complexities. Furthermore, the conceptual and practical background of this thesis regarding complexities of Pashto language is very beneficial regarding OCR for other cursive languages.
The N-containing heterocycles have received strong attention from the organic synthesis field because of their importance for pharmaceutical and material sciences. Nitrogen element plays an important role between inorganic salts and biomolecules, to search convenient methods combine C-N bond together become a hot topic in recent decades.
Since the early beginning of 20th century, transition-metal-catalyzed coupling reactions had been well-known and world widely spread in organic researchs, achieved abundant significant progress. In the other side, the less toxic and more challenging transition metal free coupling method remained further potential value.
With the evolution of amination reactions and oxidants, more and more effective, simplified, and atom economic organic synthesis methods will come soon. And these stories also drove me to think about investigating the novel cross-dehydrogenative-coupling amination methods development as the topics of my PhD research.
Thus, we selected the phenothiazine derivatives as the N-nucleophile reagents and the phenols as the C-nucleophile reagents. To achieve the transition metal-free CDC aminations of phenols with phenothiazines, we scanned the chemical toolbox and tested a series of both common and uncommon oxidants.
Firstly, we start the condition in the presence of cumene and O2. The proposed mechanism initiated by a Hock process, which would form in situ peroxo-species as initiator of the reaction. And the initial infra-red analysis predicted there is a strong O-H..N interaction.
In the second method, a series of iodines with different valance have been tested to achieve the C-N bond formation of phenols with phenothiazines. This time, a simplified and more efficient method had been developed, which also provides a wider scope of phenols. Several controlling experiments had been conducted for the plausible pathway research. Large-scale synthesis of target molecular was also successfully performed.
And then, we focus the research on the cross-coupling reaction of pre-oxidized(iminated) phenothiazine with ubiquitous phenols and indoles. In this task, we first regio-selectively synthesized the novel iminated phenothiazine derivatives with the traditional biocide and mild disinfectant, Chloramine T. Then the phenothiazinimine performed an ultra-simple condensation technique with phenol or indole coupling partners in a simplified condition. Parallel reactions were also performed to investigate the plausible pathway.
Nowadays, the increasing demand for ever more customizable products has emphasized the need for more flexible and fast-changing manufacturing systems. In this environment, simulation has become a strategic tool for the design, development, and implementation of such systems. Simulation represents a relatively low-cost and risk-free alternative for testing the impact and effectiveness of changes in different aspects of manufacturing systems.
Systems that deal with this kind of data for its use in decision making processes are known as Simulation-Based Decision Support Systems (SB-DSS). Although most SB-DSS provide a powerful variety of tools for the automatic and semi-automatic analysis of simulations, visual and interactive alternatives for the manual exploration of the results are still open to further development.
The work in this dissertation is focused on enhancing decision makers’ analysis capabilities by making simulation data more accessible through the incorporation of visualization and analysis techniques. To demonstrate how this goal can be achieved, two systems were developed. The first system, viPhos – standing for visualization of Phos: Greek for light –, is a system that supports lighting design in factory layout planning. viPhos combines simulation, analysis, and visualization tools and techniques to facilitate the global and local (overall factory or single workstations, respectively) interactive exploration and comparison of lighting design alternatives.
The second system, STRAD - standing for Spatio-Temporal Radar -, is a web-based systems that considers the spatio/attribute-temporal analysis of event data. Since decision making processes in manufacturing also involve the monitoring of the systems over time, STRAD enables the multilevel exploration of event data (e.g., simulated or historical registers of the status of machines or results of quality control processes).
A set of four case studies and one proof of concept prepared for both systems demonstrate the suitability of the visualization and analysis strategies adopted for supporting decision making processes in diverse application domains. The results of these case studies indicate that both, the systems as well as the techniques included in the systems can be generalized and extended to support the analysis of different tasks and scenarios.
Das 2,2′-Bipyrimidinradikalanion als Brückenligand für Komplexe mit L-N\(_\text{4}\)Me\(_\text{2}\)
(2018)
Im Rahmen dieser Dissertationsschrift gelang es erstmals 3d-Metallionen über ein 2,2′-Bipyrimidinradikalanion zu verbrücken und zu isolieren. Der für sich betrachtet instabile Radikalbrückenligand wurde hierbei in situ durch Reduktion mit Cobaltocen generiert und durch Koordination stabilisiert. Es konnte neben verschiedenen Referenzverbindungen eine Reihe von vier unter Luftausschluss stabilen homodimetallischen Verbindungen mit dem [{M\(^\text{II}\)(L-N\(_\text{4}\)Me\(_\text{2}\))}\(_\text{2}\)(μ-bpym\(^\text{●}\))]\(^\text{3+}\)-Komplexkation (mit M = Zn (\(\textbf{2}\)), Ni (\(\textbf{6}\)), Co (\(\textbf{8}\)) und Fe (\(\textbf{12}\)) synthetisiert, vollständig charakterisiert und miteinander verglichen werden. Durch Gegenüberstellung der strukturellen Parameter des verbrückend koordinierten 2,2′-Bipyrimidinradikalanions in den zweikernigen Verbindungen wurden für dieses charakteristische Bindungslängenbereiche festgestellt. Weiterhin wurden IR- und UV/Vis-spektroskopisch typische Banden des verbrückend koordinierten 2,2′-Bipyrimidinradikalanions gefunden. Durch cyclovoltammetrische und NMR-spektroskopische Untersuchungen wurde der Reaktionspfad zu den dinuklearen Verbindungen aufgeklärt. An \(\textbf{2}\) wurden die intrinsischen ESR-spektroskopischen Eigenschaften der 2,2′-Bipyrimidinradikalanion-Brücke untersucht. Die Elektronendichte des Radikals in \(\textbf{2}\) ist hauptsächlich auf dem Brückenliganden verortet und es liegt ein S = 1/2 System vor. SQUID-magnetometrische Messungen an \(\textbf{6}\) zeigen eine starke ferromagnetische Kopplung zwischen den Nickelionen und der Radikalbrücke, welche zu einem S = 5/2 Spingrundzustand führt. Der S = 5/2 Zustand wurde mittels X-Band-ESR-Spektroskopie bestätigt. Durch Hochfeld-ESR-Spektroskopie wurde ebenfalls die ferromagnetische Kopplung bestätigt und die Nullfeldaufspaltung der Nickelionen in \(\textbf{6}\) eindeutig als schwach negativ bestimmt. Röntgenkristallographische Untersuchungen an \(\textbf{8}\) zeigen bei D\(_\text{2h}\)-Symmetrie einen über einen weiten Temperaturbereich stabilen low-spin/high-spin Zustand der beiden Cobaltionen. Dies alleine ist für Cobaltionen nach bisherigem Kenntnisstand einzigartig. \(\textbf{8}\) ist zudem die erste Verbindung, in welcher diese Begebenheiten mit einem direkt an die Metallzentren koordinierten Radikalbrückenliganden kombiniert vorliegen. Der low-spin/high-spin Zustand wurde weiterhin durch EXAFS- und XANES-Messungen verifiziert. Mit der Verbindung [{Co(L-N\(_\text{4}\)Me\(_\text{2}\))}\(_\text{2}\)(μ-Ph\(_\text{2}\)bpym\(^\text{●}\))](ClO\(_\text{4}\))\(_\text{3}\) (\(\textbf{10}\)) wurde eine weitere radikalverbrückte Verbindung synthetisiert, in der beide Cobaltionen bei identischer Koordinationsumgebung über einen weiten Temperaturbereich in unterschiedlichem Spinzustand vorliegen. SQUID-magnetometrische Untersuchungen an \(\textbf{8}\) und \(\textbf{10}\) zeigen, dass in beiden Verbindungen die low-spin Cobaltionen moderat ferro-, die high-spin Cobaltionen stark antiferromagnetisch mit der jeweiligen Radikalbrücke koppeln, was in beiden Fällen zu einem S = 3/2 Grundzustand führt. Der S = 3/2 Grundzustand wurde ebenfalls durch X-Band-ESR-Spektroskopie bestätigt. In \(\textbf{8}\) und \(\textbf{10}\) konnte jeweils ein Spincrossover des low-spin Cobaltions zum high-spin Zustand festgestellt werden. Dieser wurde mittels XRD-Analytik und SQUID-Magnetometrie für beide Verbindungen und für \(\textbf{8}\) zusätzlich durch EXAFS-Messungen, XANES-Messungen und temperaturabhängige IR-Spektroskopie nachgewiesen. Die Spincrossovereigenschaften sind zusammen mit den anderen vorgenannten Eigenschaften dieser neuen zweikernigen Cobaltverbindungsklasse ein weiteres Alleinstellungsmerkmal. Die einkernigen Referenzverbindungen [Co(L-N\(_\text{4}\)Me\(_\text{2}\))(bpym)](ClO\(_\text{4}\))\(_\text{2}\) (\(\textbf{9a}\)) und [Co(L-N\(_\text{4}\)Me\(_\text{2}\))(Ph\(_\text{2}\)bpym)](ClO\(_\text{4}\))\(_\text{2}\) ∙ MeCN (\(\textbf{11}\)) zeigen jeweils ebenfalls Spincrossovereigenschaften, was mittels SQUID-Magnetometrie und im Fall von \(\textbf{11}\) zusätzlich durch XRD-Analytik und temperaturabhängige IR-Spektroskopie nachgewiesen wurde. In \(\textbf{12}\) liegen beide Eisenionen im low-spin Zustand vor. Dies wurde röntgenkristallographisch und mittels Mößbauer-Spektroskopie bestätigt. X-Band-ESR-spektroskopisch wird ein Signal einer S = 1/2 Spezies gefunden, welches durch das brückenligandzentrierte Radikal hervorgerufen wird.
The scientific and industrial interest devoted to polymer/layered silicate
nanocomposites due to their outstanding properties and novel applications resulted
in numerous studies in the last decade. They cover mostly thermoplastic- and
thermoset-based systems. Recently, studies in rubber/layered silicate
nanocomposites were started, as well. It was presented how complex maybe the
nanocomposite formation for the related systems. Therefore the rules governing their
structure-property relationships have to be clarified. In this Thesis, the related
aspects were addressed.
For the investigations several ethylene propylene diene rubbers (EPDM) of polar and
non-polar origin were selected, as well as, the more polar hydrogenated acrylonitrile
butadiene rubber (HNBR). The polarity was found to be beneficial on the
nanocomposite formation as it assisted to the intercalation of the polymer chains
within the clay galleries. This favored the development of exfoliated structures.
Finding an appropriate processing procedure, i.e. compounding in a kneader instead
of on an open mill, the mechanical performance of the nanocomposites was
significantly improved. The complexity of the nanocomposite formation in
rubber/organoclay system was demonstrated. The deintercalation of the organoclay
observed, was traced to the vulcanization system used. It was evidenced by an
indirect way that during sulfur curing, the primary amine clay intercalant leaves the
silicate surface and migrates in the rubber matrix. This was explained by its
participation in the sulfur-rich Zn-complexes created. Thus, by using quaternary
amine clay intercalants (as it was presented for EPDM or HNBR compounds) the
deintercalation was eliminated. The organoclay intercalation/deintercalation detected
for the primary amine clay intercalants, were controlled by means of peroxide curing
(as it was presented for HNBR compounds), where the vulcanization mechanism
differs from that of the sulfur curing.
The current analysis showed that by selecting the appropriate organoclay type the
properties of the nanocomposites can be tailored. This occurs via generating different
nanostructures (i.e. exfoliated, intercalated or deintercalated). In all cases, the
rubber/organoclay nanocomposites exhibited better performance than vulcanizates
with traditional fillers, like silica or unmodified (pristine) layered silicates.The mechanical and gas permeation behavior of the respective nanocomposites
were modelled. It was shown that models (e.g. Guth’s or Nielsen’s equations)
developed for “traditional” vulcanizates can be used when specific aspects are taken
into consideration. These involve characteristics related to the platy structure of the
silicates, i.e. their aspect ratio after compounding (appearance of platelet stacks), or
their orientation in the rubber matrix (order parameter).
Benzene is a natural constituent of crude oil and a product of incomplete combustion of petrol
and has been classified as “carcinogenic to humans” by IARC in 1982 (IARC 1982). (E,E)-
Muconaldehyde has been postulated to be a microsomal metabolite of benzene in vitro
(Latriano et al. 1986). (E,E)-Muconaldehyde is hematotoxic in vivo and its role in the
hematotoxicity of benzene is unclear (Witz et al. 1985).
We intended to ascertain the presence of (E,E)-muconaldehyde in vivo by detection of a
protein conjugate deriving from (E,E)-muconaldehyde.
Therefore we improved the current synthetic access to (E,E)-muconaldehyde. (E,E)-
muconaldehyde was synthesized in three steps starting from with (E,E)-muconic acid in an
overall yield of 60 %.
Reaction of (E,E)-muconaldehyde with bovine serum albumin resulted in formation of a
conjugate which was converted upon addition of NaBH4 to a new species whose HPLC-
retention time, UV spectra, Q1 mass and MS2 spectra matched those of the crude reaction
product from one pot conversion of Ac-Lys-OMe with (E,E)-muconaldehyde in the presence
of NaBH4 and subsequent cleavage of protection groups.
Synthetic access to the presumed structure (S)-2-ammonio-6-(((E,E)-6-oxohexa-2,4-dien-1-
yl)amino)hexanoate (Lys(MUC-CHO)) was provided in eleven steps starting from (E,E)-
muconic acid and Lys(Z)-OtBu*HCl in 2 % overall yield. Additionally synthetic access to
(S)-2-ammonio-6-(((E,E)-6-hydroxyhexa-2,4-dien-1-yl)amino)hexanoate (Lys(MUC-OH))
and (S)-2-ammonio-6-((6-hydroxyhexyl)amino)hexanoate (IS) was provided.
With synthetic reference material at hand, the presumed structure Lys(MUC-OH) could be
identified from incubations of (E,E)-muconaldehyde with bovine serum albumin via HPLC-ESI+-
MS/MS.
Cytotoxicity analysis of (E,E)-muconaldehyde and Lys(MUC-CHO) in human promyelocytic
NB4 cells resulted in EC50 ≈ 1 μM for (E,E)-muconaldehyde. Lys(MUC-CHO) did not show
any additional cytotoxicity up to 10 μM.
B6C3F1 mice were exposed to 0, 400 and 800 mg/kg b.w. benzene to examine the formation
of Lys(MUC-OH) in vivo. After 24 h mice were sacrificed and serum albumin was isolated.
Analysis for Lys(MUC-OH) has not been performed in this work.
Collaboration aims to increase the efficiency of problem solving and decision making by bringing diverse areas of expertise together, i.e., teams of experts from various disciplines, all necessary to come up with acceptable concepts. This dissertation is concerned with the design of highly efficient computer-supported collaborative work involving active participation of user groups with diverse expertise. Three main contributions can be highlighted: (1) the definition and design of a framework facilitating collaborative decision making; (2) the deployment and evaluation of more natural and intuitive interaction and visualization techniques in order to support multiple decision makers in virtual reality environments; and (3) the integration of novel techniques into a single proof-of-concept system.
Decision making processes are time-consuming, typically involving several iterations of different options before a generally acceptable solution is obtained. Although, collaboration is an often-applied method, the execution of collaborative sessions is often inefficient, does not involve all participants, and decisions are often finalized with- out the agreement of all participants. An increasing number of computer-supported cooperative work systems (CSCW) facilitate collaborative work by providing shared viewpoints and tools to solve joint tasks. However, most of these software systems are designed from a feature-oriented perspective, rather than a human-centered perspective and without the consideration of user groups with diverse experience and joint goals instead of joint tasks. The aim of this dissertation is to bring insights to the following research question: How can computer-supported cooperative work be designed to be more efficient? This question opens up more specific questions like: How can collaborative work be designed to be more efficient? How can all participants be involved in the collaboration process? And how can interaction interfaces that support collaborative work be designed to be more efficient? As such, this dissertation makes contributions in:
1. Definition and design of a framework facilitating decision making and collaborative work. Based on examinations of collaborative work and decision making processes requirements of a collaboration framework are assorted and formulated. Following, an approach to define and rate software/frameworks is introduced. This approach is used to translate the assorted requirements into a software’s architecture design. Next, an approach to evaluate alternatives based on Multi Criteria Decision Making (MCDM) and Multi Attribute Utility Theory (MAUT) is presented. Two case studies demonstrate the usability of this approach for (1) benchmarking between systems and evaluates the value of the desired collaboration framework, and (2) ranking a set of alternatives resulting from a decision-making process incorporating the points of view of multiple stake- holders.
2. Deployment and evaluation of natural and intuitive interaction and visualization techniques in order to support multiple diverse decision makers. A user taxonomy of industrial corporations serves to create a petri network of users in order to identify dependencies and information flows between each other. An explicit characterization and design of task models was developed to define interfaces and further components of the collaboration framework. In order to involve and support user groups with diverse experiences, smart de- vices and virtual reality are used within the presented collaboration framework. Natural and intuitive interaction techniques as well as advanced visualizations of user centered views of the collaboratively processed data are developed in order to support and increase the efficiency of decision making processes. The smartwatch as one of the latest technologies of smart devices, offers new possibilities of interaction techniques. A multi-modal interaction interface is provided, realized with smartwatch and smartphone in full immersive environments, including touch-input, in-air gestures, and speech.
3. Integration of novel techniques into a single proof-of-concept system. Finally, all findings and designed components are combined into the new collaboration framework called IN2CO, for distributed or co-located participants to efficiently collaborate using diverse mobile devices. In a prototypical implementation, all described components are integrated and evaluated. Examples where next-generation network-enabled collaborative environments, connected by visual and mobile interaction devices, can have significant impact are: design and simulation of automobiles and aircrafts; urban planning and simulation of urban infrastructure; or the design of complex and large buildings, including efficiency- and cost-optimized manufacturing buildings as task in factory planning. To demonstrate the functionality and usability of the framework, case studies referring to factory planning are demonstrated. Considering that factory planning is a process that involves the interaction of multiple aspects as well as the participation of experts from different domains (i.e., mechanical engineering, electrical engineering, computer engineering, ergonomics, material science, and even more), this application is suitable to demonstrate the utilization and usability of the collaboration framework. The various software modules and the integrated system resulting from the research will all be subjected to evaluations. Thus, collaborative decision making for co-located and distributed participants is enhanced by the use of natural and intuitive multi-modal interaction interfaces and techniques.
Due to their superior weight-specific mechanical properties, carbon fibre epoxy composites (CFRP) are commonly used in aviation industry. However, their brittle failure behaviour limits the structural integrity and damage tolerance in case of impact (e.g. tool drop, bird strike, hail strike, ramp collision) or crash events. To ensure sufficient robustness, a minimum skin thickness is therefore prescribed for the fuselage, partially exceeding typical service load requirements from ground or flight manoeuvre load cases. A minimum skin thickness is also required for lightning strike protection purposes and to enable state-of-the-art bolted repair technology. Furthermore, the electrical conductivity of CFRP aircraft structures is insufficient for certain applications; additional metal components are necessary to provide electrical functionality (e.g. metal meshes on the outer skin for lightning strike protection, wires for electrical bonding and grounding, overbraiding of cables to provide electromagnetic shielding). The corresponding penalty weights compromise the lightweight potential that is actually given by the structural performance of CFRP over aluminium alloys.
Former research attempts tried to overcome these deficits by modifying the resin system (e.g. by addition of conductive particles or toughening agents) but could not prove sufficient enhancements. A novel holistic approach is the incorporation of highly conductive and ductile continuous metal fibres into CFRP. The basic idea of this hybrid material concept is to take advantage of both the electrical and mechanical capabilities of the integrated metal fibres in order to simultaneously improve the electrical conductivity and the damage tolerance of the composite. The increased density of the hybrid material is over-compensated by omitting the need for additional electrical system installation items and by the enhanced structural performance, enabling a reduction of the prescribed minimum skin thickness. Advantages over state-of-the-art fibre metal laminates mainly arise from design and processing technology aspects.
In this context, the present work focuses on analysing and optimising the structural and electrical performance of such hybrid composites with shares of metal fibres up to 20 vol.%. Bundles of soft-annealed austenitic steel or copper cladded low carbon steel fibres with filament diameters of 60 or 63 µm are considered. The fibre bundles are distinguished by high elongation at break (32 %) and ultimate tensile strength (900 MPa) or high electrical conductivity (2.4 × 10^7 S/m). Comprehensive researches are carried out on the fibre bundles as well as on unidirectional and multiaxial laminates. Both hybrid composites with homogeneous and accumulated steel fibre arrangement are taken into account. Electrical in-plane conductivity, plain tensile behaviour, suitability for bolted joints as well as impact and perforation performance of the composite are analysed. Additionally, a novel non-destructive testing method based on measurement of deformation-induced phase transformation of the metastable austenitic steel fibres is discussed.
The outcome of the conductivity measurements verifies a correlation of the volume conductivity of the composite with the volume share and the specific electrical resistance of the incorporated metal fibres. Compared to conventional CFRP, the electrical conductivity in parallel to the fibre orientation can be increased by one to two orders of magnitude even for minor percentages of steel fibres. The analysis, however, also discloses the challenge of establishing a sufficient connection to the hybrid composite in order to entirely exploit its electrical conductivity.
In case of plain tensile load, the performance of the hybrid composite is essentially affected by the steel fibre-resin-adhesion as well as the laminate structure. Uniaxial hybrid laminates show brittle, singular failure behaviour. Exhaustive yielding of the embedded steel fibres is confined to the arising fracture gap. The high transverse stiffness of the isotropic metal fibres additionally intensifies strain magnification within the resin under transverse tensile load. This promotes (intralaminar) inter-fibre-failure at minor composite deformation. By contrast, multiaxial hybrid laminates exhibit distinctive damage evolution. After failure initiation, the steel fibres extensively yield and sustain the load-carrying capacity of angularly (e.g. ±45°) aligned CFRP plies. The overall material response is thus not only a simple superimposition but a complex interaction of the mechanical behaviour of the composite’s constituents. As a result of this post-damage performance, an ultimate elongation of over 11 % can be proven for the hybrid laminates analysed in this work. In this context, the influence of the steel fibre-resin adhesion on the failure behaviour of the hybrid composite is explicated by means of an analytical model. Long term exposure to corrosive media has no detrimental effect on the mechanical performance of stainless steel fibre reinforced composites. By trend, water uptake increases the maximum elongation at break of the hybrid laminate.
Moreover, the suitability of CFRP for bolted joints can partially be improved by the integration of steel fibres. While the bearing strength basically remains nearly unaffected, the bypass failure behaviour (ε_{max}: +363 %) as well as the head pull-through resistance (E_{a,BPT}: +81 %) can be enhanced. The improvements primarily concern the load-carrying capacity after failure initiation. Additionally, the integrated ductile steel fibres significantly increase the energy absorption capacity of the laminate in case of progressive bearing failure by up to 63 %.
However, the hybrid composite exhibits a sensitive low velocity/low mass impact behaviour. Compared to conventional CFRP, the damage threshold load of very thin hybrid laminates is lower, making them prone for delamination at minor, non-critical impact energies. At higher energy levels, however, the impact-induced delamination spreads less since most of the impact energy is absorbed by yielding of the ductile metal fibres instead of crack propagation. This structural advantage compared to CFRP gains in importance with increasing impact energy. The plastic deformation of the metastable austenitic steel fibres is accompanied by a phase transformation from paramagnetic γ-austenite to ferromagnetic α’-martensite. This change of the magnetic behaviour can be used to detect and evaluate impacts on the surface of the hybrid composite, which provides a simple non-destructive testing method. In case of low velocity/high mass impact, integration of ductile metal fibres into CFRP enables to address spacious areas of the laminate for energy absorption purposes. As a consequence, the perforation resistance of the hybrid composite is significantly enhanced; by addition of approximately 20 vol.% of stainless steel fibres, the perforation strength can be increased by 61 %, while the maximum energy absorption capacity rises by 194 %.
Due to the steadily growing flood of data, the appropriate use of visualizations for efficient data analysis is as important today as it has never been before. In many application domains, the data flood is based on processes that can be represented by node-link diagrams. Within such a diagram, nodes may represent intermediate results (or products), system states (or snapshots), milestones or real (and possibly georeferenced) objects, while links (edges) can embody transition conditions, transformation processes or real physical connections. Inspired by the engineering sciences application domain and the research project “SinOptiKom: Cross-sectoral optimization of transformation processes in municipal infrastructures in rural areas”, a platform for the analysis of transformation processes has been researched and developed based on a geographic information system (GIS). Caused by the increased amount of available and interesting data, a particular challenge is the simultaneous visualization of several visible attributes within one single diagram instead of using multiple ones. Therefore, two approaches have been developed, which utilize the available space between nodes in a diagram to display additional information.
Motivated by the necessity of appropriate result communication with various stakeholders, a concept for a universal, dashboard-based analysis platform has been developed. This web-based approach is conceptually capable of displaying data from various data sources and has been supplemented by collaboration possibilities such as sharing, annotating and presenting features.
In order to demonstrate the applicability and usability of newly developed applications, visualizations or user interfaces, extensive evaluations with human users are often inevitable. To reduce the complexity and the effort for conducting an evaluation, the browser-based evaluation framework (BREF) has been designed and implemented. Through its universal and flexible character, virtually any visualization or interaction running in the browser can be evaluated with BREF without any additional application (except for a modern web browser) on the target device. BREF has already proved itself in a wide range of application areas during the development and has since grown into a comprehensive evaluation tool.
A fast numerical method for an advanced electro-chemo-mechanical model is developed which is able to capture phase separation processes in porous materials. This method is applied to simulate lithium-ion battery cells, where the complex microstructure of the electrodes is fully resolved. The intercalation of ions into the popular cathode material LFP leads to a separation into lithium-rich and lithium-poor phases. The large concentration gradients result in high mechanical stresses. A phase-field method applying the Cahn-Hilliard equation is used to describe the diffusion. For the sake of simplicity, the linear elastic case is considered. Numerical tests for fully resolved three-dimensional granular microstructures are discussed in detail.
In this thesis we integrate discrete dividends into the stock model, estimate
future outstanding dividend payments and solve different portfolio optimization
problems. Therefore, we discuss three well-known stock models, including
discrete dividend payments and evolve a model, which also takes early
announcement into account.
In order to estimate the future outstanding dividend payments, we develop a
general estimation framework. First, we investigate a model-free, no-arbitrage
methodology, which is based on the put-call parity for European options. Our
approach integrates all available option market data and simultaneously calculates
the market-implied discount curve. We illustrate our method using stocks
of European blue-chip companies and show within a statistical assessment that
the estimate performs well in practice.
As American options are more common, we additionally develop a methodology,
which is based on market prices of American at-the-money options.
This method relies on a linear combination of no-arbitrage bounds of the dividends,
where the corresponding optimal weight is determined via a historical
least squares estimation using realized dividends. We demonstrate our method
using all Dow Jones Industrial Average constituents and provide a robustness
check with respect to the used discount factor. Furthermore, we backtest our
results against the method using European options and against a so called
simple estimate.
In the last part of the thesis we solve the terminal wealth portfolio optimization
problem for a dividend paying stock. In the case of the logarithmic utility
function, we show that the optimal strategy is not a constant anymore but
connected to the Merton strategy. Additionally, we solve a special optimal
consumption problem, where the investor is only allowed to consume dividends.
We show that this problem can be reduced to the before solved terminal wealth
problem.
Sandwichelemente aus Stahlbeton genügen zahlreichen Ansprüchen hinsichtlich
energetischer, wirtschaftlicher, architektonischer und gestalterischer Gesichtspunkte
sowie tragfähiger Konstruktionen. Neben Sandwichwänden können Sandwichelemente auch als biegebeanspruchte Bauteile wie Sandwichdecken oder Sandwichdächer eingesetzt werden. Das große Potential solcher Elemente kann jedoch aufgrund
fehlender Kenntnisse bezüglich des Last-Verformungs-Verhaltens bisher nicht ausgeschöpft werden.
Das Tragverhalten von Stahlbetonsandwichelementen wird maßgeblich durch die
Rissbildung in den Betonschichten beeinflusst. Während die Berücksichtigung der
Rissbildung beispielsweise bei der Verformungsberechnung von biegebeanspruchten
Stahlbetonbauteilen schon intensiv erforscht wurde und realitätsnah beschrieben werden kann, steht die Entwicklung einer abschnittsweisen Berücksichtigung der reduzierten Dehn- und Biegesteifigkeiten infolge der Rissbildung für biegebeanspruchte Sandwichelemente aufgrund der höheren Komplexität noch am Anfang. Bisher existieren
nur Modelle, die die Rissbildung im Beton von Sandwichelementen für die Berechnung
der Teilschnittgrößen und der Verformung näherungsweise berücksichtigen. Die Anwendung dieser Rissmodelle ist aber aufgrund verschiedener Annahmen und Vereinfachungen, die diesen Modellen zugrunde liegen, für die in dieser Arbeit untersuchten
Sandwichelemente mit Stahlbetontragschichten nicht geeignet.
Mithilfe eines realitätsnahen Ansatzes zur Bestimmung des Schubmoduls eines
Dämmstoffes, der Auswahl eines geeigneten Verfahrens zur Berechnung des Last-
Verformungs-Verhaltens eines Stahlbetonbauteils einschließlich der Berücksichtigung
der Rissbildung sowie eines Modellvorschlags zur Nachrechnung der Schubversuche
an Sandwichelementen wird ein eigenes Ingenieurmodell zur Nachrechnung des Last-
Verformungs-Verhaltens von biegebeanspruchten Sandwichelementen entwickelt.
Aufbauend auf diesem Ingenieurmodell erfolgt die Erstellung eines Berechnungswerkzeuges. Anhand der Nachrechnung zahlreicher Versuchsergebnisse kann gezeigt
werden, dass mit diesem Berechnungswerkzeug eine sehr gute Übereinstimmung der
rechnerisch ermittelten mit den im Versuch bestimmten Last-Verformungs-Kurven erzielt werden kann. Das neue Ingenieurmodell berücksichtigt sowohl die reduzierten
Dehn- und Biegesteifigkeiten infolge der Rissbildung als auch abschnittsweise unterschiedlich große Schubsteifigkeiten der Kernschicht, die sich aus der Anordnung von
stiftförmigen Verbundmitteln ergeben.
Basierend auf dem Ingenieurmodell sowie den umfangreichen experimentellen Untersuchungen zum Last-Verformungs-Verhalten von Sandwichelementen wird ein Berechnungswerkzeug sowie ein Bemessungskonzept für Stahlbetonsandwichelemente
mit stiftförmigen Verbundmitteln vorgestellt. Damit konnte ein Fortschritt erzielt und die
Grundlage für den Einsatz von Sandwichelementen mit Stahlbetontragschichten sowie
einer Kernschicht aus Dämmstoffplatten und stiftförmigen Verbundmitteln gelegt werden.
In this thesis, we deal with the finite group of Lie type \(F_4(2^n)\). The aim is to find information on the \(l\)-decomposition numbers of \(F_4(2^n)\) on unipotent blocks for \(l\neq2\) and \(n\in \mathbb{N}\) arbitrary and on the irreducible characters of the Sylow \(2\)-subgroup of \(F_4(2^n)\).
S. M. Goodwin, T. Le, K. Magaard and A. Paolini have found a parametrization of the irreducible characters of the unipotent subgroup \(U\) of \(F_4(q)\), a Sylow \(2\)-subgroup of \(F_4(q)\), of \(F_4(p^n)\), \(p\) a prime, for the case \(p\neq2\).
We managed to adapt their methods for the parametrization of the irreducible characters of the Sylow \(2\)-subgroup for the case \(p=2\) for the group \(F_4(q)\), \(q=p^n\). This gives a nearly complete parametrization of the irreducible characters of the unipotent subgroup \(U\) of \(F_4(q)\), namely of all irreducible characters of \(U\) arising from so-called abelian cores.
The general strategy we have applied to obtain information about the \(l\)-decomposition numbers on unipotent blocks is to induce characters of the unipotent subgroup \(U\) of \(F_4(q)\) and Harish-Chandra induce projective characters of proper Levi subgroups of \(F_4(q)\) to obtain projective characters of \(F_4(q)\). Via Brauer reciprocity, the multiplicities of the ordinary irreducible unipotent characters in these projective characters give us information on the \(l\)-decomposition numbers of the unipotent characters of \(F_4(q)\).
Sadly, the projective characters of \(F_4(q)\) we obtained were not sufficient to give the shape of the entire decomposition matrix.
Wird Rotwein im Holzfass gelagert, kommt es meist zu einer Intensivierung und Stabilisierung der Weinfarbe. Ursache ist der durch die Fassdauben diffundierende Sauerstoff, der Ethanol zu Acetaldehyd oxidiert. Dieses bildet Ethylidenbrücken zwischen Anthocyanen und Flavanolen, wodurch intensiv violett gefärbte Pigmente entstehen. Bisher wurden nur die dimeren ethyliden-verbrückten Anthocyan-Flavanol Addukte umfassend erforscht, die jedoch im Wein nicht stabil sind und zu Folgeprodukten reagieren. Deren Struktur ist bisher wenig erforscht. Ein Ziel dieser Arbeit bestand daher darin, die Reaktionsprodukte der ethyliden-verbrückten Anthocyan-Flavanol Dimere im Rotwein zu untersuchen. Dabei wurden erstmals Polyphenoladdukte mit bis zu drei Ethylidenbrücken massenspektrometrisch nachgewiesen. Dies zeigt, dass Weinpigmente durch die Bildung mehrerer Ethylidenbrücken polymerisieren können. Es wurden außerdem mehrere Pigmente gefunden, bei denen ein Anthocyan über zwei Ethylidenbrücken mit anderen Polyphenolen verbunden war. Dies widerlegt die bisherige Annahme, dass sich Anthocyane nur in terminalen Positionen eines polymeren Pigments befinden können. Durch die Quantifizierung ethyliden-verbrückter Di- und Trimere mittels Massenspektrometer wurde deutlich, dass diese Pigmente in höheren Konzentrationen im Rotwein vorliegen als bisher publiziert. Es zeigte sich außerdem, dass bis zu 50 % der durch den Sauerstoff bewirkten Abnahme von Anthocyanen und Flavanolen auf die Bildung ethyliden-verbrückter Di- und Trimere, sowie Vitisin B zurückführen lassen.
Heute werden in der Weinbereitung häufig Edelstahltanks eingesetzt, bei denen es, anders als in Holzfässern, kaum zu Sauerstoffeinträgen kommt. Eine Farbstabilisierung kann somit nicht stattfinden. Dem Rotwein können stattdessen durch das Verfahren der Mikrooxygenierung geringe Mengen Sauerstoff kontrolliert zugesetzt werden. Bei manchen Weinen führt dies jedoch zu einer verringerten Farbintensität statt zu einer Farbvertiefung. Anhand der insgesamt 21 im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Weine zeigte sich, dass Sauerstoff nur dann zu einer intensiveren Weinfarbe führt, wenn das Verhältnis von Tanninen zu Anthocyanen (TAV) unter einem Wert von 3 lag. Die Zunahme der Farbintensität war außerdem negativ mit den spektralphotometrisch zu bestimmenden kleinen (SPP) und großen polymeren Pigmenten (LPP) korreliert, sodass Sauerstoff nur bei geringen Konzentrationen dieser Pigmente zu höheren Farbintensitäten führte. Zudem wurde während der Mikrooxygenierung keine weitere Intensivierung der Weinfarbe erzielt, wenn der Gehalt der LPP den der SPP überstieg. Da LPP aufgrund ihrer Molekülgröße auch eine geringere Löslichkeit aufweisen, sollte ihre übermäßige Bildung vermieden werden. Die Bestimmung von TAV, SPP und LPP erlaubt es somit, die Wirkung von Sauerstoff auf die Weinfarbe vor der Anwendung der Mikrooxygenierung einschätzen und den Sauerstoffzusatz zu beenden, wenn aufgrund der analytischen Daten eine weitere Steigerung der Farbintensität nicht zu erwarten ist.
In einem weiteren Teil der Arbeit wurde untersucht, wie sich die Mikrooxygenierung auf die Lagerfähigkeit der Rotweine auswirkt, da Sauerstoff zu einer beschleunigten Reifung führen kann. Dabei zeigte sich, dass die Farbe des mikrooxygenierten Weines auch nach einer 12-monatigen Flaschenlagerung noch stabiler war als in der entsprechenden Kontrollvariante und der Effekt damit nachhaltig. In Geruch und Geschmack unterschied sich der mikrooxygenierte Wein hingegen nicht von der Kontrolle. Mikrooxygenierte Weine sind damit ebenso lagerfähig, wie ohne Sauerstoffzugabe erzeugte Weine.
European economic, social and territorial cohesion is one of the fundamental aims of the European Union (EU). It seeks to both reduce the effects of internal borders and enhance European integration. In order to facilitate territorial cohesion, the linkage of member states by means of efficient cross-border transport infrastructures and services is an important factor. Many cross-border transport challenges have historically existed in everyday life. They have hampered smooth passenger and freight flows within the EU.
Two EU policies, namely European Territorial Cooperation (ETC) and the Trans-European Transport Networks (TEN-T), promote enhancing cross-border transport through cooperation in soft spaces. This dissertation seeks to explore the influence of these two EU policies on cross-border transport and further European integration.
Based on an analysis of European, national and cross-border policy and planning documents, surveys with TEN-T Corridor Coordinators and INTERREG Secretariats and a high number of elite interviews, the dissertation will investigate how the objectives of the two EU policies were formally implemented in both soft spaces and the EU member states as well as which practical implementations have taken place. Thereby, the initiated Europeanisation and European integration processes will be evaluated. The analysis is conducted in nine preliminary case studies and two in-depth case studies. The cases comprise cross-border regions funded by the ETC policy that are crossed by a TEN-T corridor. The in-depth analysis explores the Greater Region Saar-Lor-Lux+ and the Brandenburg-Lubuskie region. The cases are characterised by different initial situations.
The research determined that the two EU policies support cross-border transport on different levels and, further, that they need to be better intertwined in order to make effective use of their complementarities. Moreover, it became clear that the EU policies have a distinct influence on domestic policy and planning documents of different administrative levels and countries as well as on the practical implementation. The final implementation of the EU objectives and the cross-border transport initiatives was strongly influenced by the member states’ initial situations – particularly, the regional and local transport needs. This dissertation concludes that the two EU policies cannot remove the entirety of the cross-border transport-related challenges. However, in addition to their financial investments in concrete projects, they promote the importance of cross-border transport and facilitate cooperation, learning and exchange processes. These are all of high relevance to cross-border transport development, driven by member states, as well as to further European integration.
The dissertation recommends that the transport planning competences of the EU in addition to the TEN-T network should not be enlarged in the future, but rather further transnational transport development tasks should be decentralised to transnational transport planning committees that are aware of regional needs and can coordinate a joint transport development strategy. The latter should be implemented with the support of additional EU funds for secondary and tertiary cross-border connections. Moreover, the potential complementarities of the transnational regions and transport corridors as well as the two EU policy fields should be made better use of by improving communication. This means that soft spaces, the TEN-T and ETC Policy as well as the domestic transport ministries and the domestic administrations that are responsible for the two EU policies need to intensify their cooperation. Furthermore, a focus of future ETC projects on topics that are of added value for the whole cross-border region or else that can be applied in different territorial contexts is recommended rather than investing in small-scale scattered expensive infrastructures and services that are only of benefit for a small part of the region. Additionally, the dissemination of project results should be enhanced so that the developed tools can be accessed by potential users and benefits become more visible to a wider society, despite the fact that they might not be measurable in numbers. In addition, the research points at another success factor for more concrete outputs: the frequent involvement of transport and spatial planners in transnational projects could increase the relation to planning practice. Besides that, advanced training regarding planning culture could reduce cooperation barriers.
Untersuchungen zur Acrylamid- und Acrolein-Exposition mittels Lebensmittel- und Humanbiomonitoring
(2018)
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den hitzeinduzierten Lebensmittelkontaminanten Acrylamid und Acrolein. Acrylamid entsteht vorwiegend im Rahmen der Maillard-Reaktion beim Erhitzen von Lebensmitteln aus reduzierenden Zuckern und Aminosäuren (Mottram et al., 2002), wohingegen eine thermisch induzierte Acrolein-Bildung bisher vor allem in Fetten und Ölen beschrieben wurde (Ewert et al., 2014). Sowohl für Acrylamid als auch für Acrolein sind toxische Wirkungen nachgewiesen, sodass eine Expositionsabschätzung nötig ist, um eine Risikobewertung vornehmen zu können. Zur Abschätzung der Acrylamid-Exposition empfahl die European Food Safety Authority (EFSA) die Durchführung von Duplikatstudien, bei denen eine Bestimmung der Acrylamid-Gehalte in den verzehrfertigen Mahlzeiten (Duplikaten) erfolgen sollte, um genauere Informationen zu den Acrylamid-Gehalten von im Haushalt zubereiteten Lebensmitteln zu erhalten. Eine Analyse von Acrylamid-Metaboliten im Urin der Probanden der Duplikatstudien sollte zur Validierung der Biomarker erfolgen (EFSA, 2015). Eine entsprechend konzipierte neuntägige Humanstudie (I) wurde mit 14 Probanden unter Vorgabe eines Ernährungsplans in einer kontrollierten Umgebung durchgeführt. Die Auswertung dieser Studie erfolgte im Rahmen dieser Arbeit und ermöglichte es die Acrylamid-assoziierten Mercaptursäuren N-Acetyl-S-(2-carbamoylethyl)-L-cystein (AAMA) und N-Acetyl-S-(2-carbamoyl-2-hydroxyethyl)-L-cystein (GAMA) als Biomarker der alimentären Acrylamid-Exposition zu validieren. Zusätzlich gab die Humanstudie Hinweise auf das Vorliegen eines Basislevels der AAMA- und GAMA-Ausscheidung, welches möglicherweise auf einer endogenen Acrylamid-Bildung beruhte. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit stellte die Bestimmung der Acrolein-assoziierten Mercaptursäuren N-Acetyl-S-(3-hydroxypropyl)-L-cystein (HPMA) und N-Acetyl-S-(2-carboxyethyl)-L-cystein (CEMA) im Urin der Probanden der Humanstudie I sowie im Urin der Probanden einer weiteren Humanstudie (II) dar. Die Ausscheidung dieser Biomarker der Acrolein-Exposition wurde im Zusammenhang mit der Aufnahme von hocherhitzten Lebensmitteln betrachtet. Bei Humanstudie II handelte es sich um eine Studie, die mit Gemischtköstlern (n = 10) und Veganern (n = 10) über einen Zeitraum von zehn Tagen durchgeführt wurde. Anders als in Humanstudie I behielten die Probanden während des Studienzeitraums ihre Lebens- und Ernährungsgewohnheiten bei. Es zeigte sich bei Humanstudie I sowie Humanstudie II kein Zusammenhang zwischen der Ausscheidung der Acrolein-assoziierten Mercaptursäuren HPMA und CEMA und der Aufnahme von hocherhitzten Lebensmitteln. Unter kontrollierten Bedingungen (Humanstudie I) wurde eine konstante HPMA- und CEMA-Ausscheidung (Basislevel) beobachtet, wohingegen unter free living Bedingungen (Humanstudie II) zum Teil eine deutlich höhere HPMA- und CEMA-Ausscheidung nachgewiesen wurde. Dies legte den Einfluss einer nicht-alimentären exogenen Acrolein-Exposition auf die HPMA- und CEMA-Ausscheidung nahe.
Field-effect transistor (FET) sensors and in particular their nanoscale variant of silicon nanowire transistors are very promising technology platforms for label-free biosensor applications. These devices directly detect the intrinsic electrical charge of biomolecules at the sensor’s liquid-solid interface. The maturity of micro fabrication techniques enables very large FET sensor arrays for massive multiplex detection. However, the direct detection of charged molecules in liquids faces a significant limitation due to a charge screening effect in physiological solutions, which inhibits the realization of point-of-care applications. As an alternative, impedance spectroscopy with FET devices has the potential to enable measurements in physiological samples. Even though promising studies were published in the field, impedimetric detection with silicon FET devices is not well understood.
The first goal of this thesis was to understand the device performances and to relate the effects seen in biosensing experiments to device and biomolecule types. A model approach should help to understand the capability and limitations of the impedimetric measurement method with FET biosensors. In addition, to obtain experimental results, a high precision readout device was needed. Consequently, the second goal was to build up multi-channel, highly accurate amplifier systems that would also enable future multi-parameter handheld devices.
A PSPICE FET model for potentiometric and impedimetric detection was adapted to the experiments and further expanded to investigate the sensing mechanism, the working principle, and effects of side parameters for the biosensor experiments. For potentiometric experiments, the pH sensitivity of the sensors was also included in this modelling approach. For impedimetric experiments, solutions of different conductivity were used to validate the suggested theories and assumptions. The impedance spectra showed two pronounced frequency domains: a low-pass characteristic at lower frequencies and a resonance effect at higher frequencies. The former can be interpreted as a contribution of the source and double layer capacitances. The latter can be interpreted as a combined effect of the drain capacitance with the operational amplifier in the transimpedance circuit.
Two readout systems, one as a laboratory system and one as a point-of-care demonstrator, were developed and used for several chemical and biosensing experiments. The PSPICE model applied to the sensors and circuits were utilized to optimize the systems and to explain the sensor responses. The systems as well as the developed modelling approach were a significant step towards portable instruments with combined transducer principles in future healthcare applications.
Durch das Vernähen trockener Faservorformlinge vor der Harzinjektion werden vielfältige
Möglichkeiten eröffnet, um Faser-Kunststoff-Verbund-Strukturen gewichtsoptimiert
und gleichzeitig kostengünstig herzustellen. Durch die im Vergleich zur
Prepreg-Technik innovativere Prozesskette sind auch komplexe Geometrien, wie sie
beispielsweise in Lasteinleitungsbereichen vorliegen, automatisiert fertigbar. Die Einbringung
von strukturellen Vernähungen in Laminatdickenrichtung kann insbesondere
in Strukturbereichen mit dreidimensionalen Spannungszuständen die Delaminationsgefahr
durch eine Steigerung der interlaminaren Eigenschaften abmindern
und die Schadenstoleranz steigern. Allerdings erfordert eine vermehrte Anwendung
der Nähtechnik in der industriellen Praxis auch die Bereitstellung dreidimensionaler
mechanischer Werkstoffkennwerte, die im Konstruktions- und Auslegungsprozess
benötigt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden kohlenstofffaserverstärkte Multiaxialgelege-Laminate,
die im Flugzeugbau angewandt werden, strukturell vernäht und die durch den
Nähprozess entstehenden Reinharzgebiete sowie die Veränderung des relativen Faservolumengehaltes
erfasst. Bei der Bestimmung von intralaminaren Zug- und
Druckkennwerten wurden die Auswirkungen der Vernähung auch auf die Kerbdruckeigenschaften
untersucht. Zur Bestimmung von Elastizitäts- und Festigkeitskenngrößen
bei einer Zugbelastung senkrecht zur Laminatebene wurde ein Versuchskonzept
erarbeitet und die Potentiale der eingebrachten strukturellen Vernähung
ermittelt. Darüber hinaus wurden die Auswirkungen der strukturellen Vernähung auf
die interlaminaren Schubfestigkeiten charakterisiert. Auch der Einfluss des Nähprozesses
auf die mechanischen Eigenschaften der verwendeten E-Glas-Garne
wurde experimentell erfasst.
Die Versuchsergebnisse zeigten Reduktionen der intralaminaren Kennwerte um bis
zu 12 %, bei den Kerbdruckversuchen wurden teilweise Steigerungen des Kerbfaktors
festgestellt, die bis zu 9 % betrugen. Der Zug-Elastizitätsmodul senkrecht zur
Laminatebene wurde generell gesteigert, im Maximum um 8 %. Für die Zugfestigkeit
wurden leichte Steigerungen um 4 %, aber auch Abnahmen um bis zu 12 % beobachtet.
Bei der interlaminaren Schubfestigkeit waren durchgehend Steigerungen
festzustellen, die maximal 11 % betrugen. Der Elastizitätsmodul und die Festigkeit
des Nähgarns wurden infolge des Nähprozess um bis 22 % bzw. 42 % verringert.
Der praxisgerechte Einsatz der strukturellen Nähtechnik erfordert neben fundierten
Werkstoffkennwerten auch Simulationswerkzeuge, die die Auswirkungen der 3DVerstärkung
abschätzen können. Somit könnte durch eine Vorauswahl geeigneter
Nähmuster der Aufwand für eine kosten- und zeitintensive Materialcharakterisierung
reduziert werden. Hierzu wurde auf ein parametrisch gesteuertes Finite-Elemente-
Einheitszellenmodell zur Vorhersage von intralaminaren Elastizitäts- und –Festigkeitskenngrößen
zurückgegriffen und dieses um die Vorhersage von Elastizitäts- und
Zugfestigkeitskenngrößen senkrecht zur Laminatebene erweitert. Im Rahmen der
Modellvalidierung und -kalibrierung wurden intensive Untersuchungen hinsichtlich
geeigneter Randbedingungen und mikromechanischer Ansätze zur Beschreibung der
unidirektionalen Einzelschicht des Laminats durchgeführt. Die mit dem weiterentwickelten
Einheitszellenmodell abgeschätzten mechanischen Kennwerte zeigten gute
Übereinstimmungen mit experimentellen Ergebnissen.
Teilsignalisierung von Knotenpunkten - Untersuchungen zu Verkehrsablauf und Einsatzmöglichkeiten -
(2018)
Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit Verkehrsablauf und Einsatzmöglichkeiten teilsignalisierter Knotenpunkte. An diesen sind nicht sämtliche, sondern nur bestimmte Verkehrsströme signaltechnisch geregelt. Erste Ansätze, sich dieses Verfahren zu Nutze zu machen, existieren seit den 1950er Jahren. Sie wurden ständig weiterentwickelt und schließlich nach Abschluss eines Forschungsprojektes der Bundesanstalt für Straßenwesen zu Nutzen, Kosten und Sicherheit Bestandteil der Richtlinien für Lichtsignalanlagen der FGSV (Neuauflage 2010).
Der Stand in Wissenschaft und Umsetzung im In- und Ausland weist dennoch bis heute Lücken auf. Für eine flächendeckende, praktische Realisierung fehlt es weiterhin an gesicherten Kenntnissen. Hier setzt diese Arbeit mit ihrem mehrstufigen Ansatz aus Literaturrecherche, Empirie, Mikrosimulation und konkreten Umsetzungsempfehlungen an.
Auf Basis der Literatur über signalisierte und unsignalisierte Knoten wurden Überlegungen zum Verkehrsablauf an teilsignalisierten Lösungen angestellt. Die Vermutung, dass sich dieser aus Elementen beider Grundverfahren zusammensetzt, die jedoch anderen Randbedingungen unterliegen, konnte verifiziert werden.
In einem ersten Schritt wurden teilsignalisierte Knotenpunkte hinsichtlich der Anzahl und Lage der Signalgeber bzw. der signaltechnisch gesicherten Verkehrsbeziehungen typisiert. Es konnten an Einmündungen und Kreuzungen drei empfehlenswerte Fälle der Teilsignalisierung identifiziert werden:
- Teilsignalisierung ohne Fußgängerfurten
- Teilsignalisierung mit Fußgängerfurt in der linken Zufahrt
- Teilsignalisierung mit Fußgängerfurt in der rechten Zufahrt
Diese bilden mit zuvor definierten Ausbaustandards, die Fahrstreifenaufteilungen – insbesondere das Vorhandensein von Linksabbiegestreifen in den Zufahrten – am Knotenpunkt berücksichtigen, die Grundlage für die Erstellung von Modellknoten, die in der weiteren Arbeit relevant sind.
Da keine empirischen Untersuchungen über den Verkehrsablauf derartiger Knoten vorlagen, wurden in zwei Feldversuchen hierzu wichtige Kenngrößen an Einmündungen ermittelt. Es zeigte sich dabei, dass lange Wartezeiten vor allem für Linkseinbieger reduziert werden konnten. In der Gesamtbilanz wiegen diese Zeit- und Sicherheitsgewinne die leicht gestiegenen Wartezeiten in der Hauptrichtung auf. Der Fahrzeugabfluss in der Nebenrichtung konnte signifikant gesteigert werden, auch wenn die Zeitbedarfswerte einer Vollsignalisierung nicht erreicht wurden. Dies lag an einem Zögern der Verkehrsteilnehmer an der Haltlinie. Die Zeitlückenverteilung im Hauptstrom entspricht nicht mehr der sonst angenommenen negativen Exponentialverteilung, da durch die Signalisierung eine starke Pulkbildung entsteht. Es kommt zu so genannten Überzufälligkeiten mit vermehrt kleineren Lücken.
Während der Mikrosimulation wurde nach dem „ceteris paribus“ Prinzip pro Ablauf immer nur eine Variable verändert. Somit konnten detailliert die Effekte der gewählten Einflussgrößen abgebildet werden. Es erfolgte eine Untersuchung der definierten Modellknotenpunkte mit der Software VISSIM bezüglich der Einflussfaktoren:
- Ausbaustandard (Linksabbiegestreifen)
- Fälle der Teilsignalisierung
- Signalprogramme
- Verkehrsstärken
Es wurden Diagramme zur Bestimmung der mittleren Verlustzeiten in Abhängigkeit der Verkehrsstärken in Haupt- und Nebenrichtung sowie Matrizen zur Bestimmung der Einsatzgrenzen entwickelt. Für Kreuzungen konnten im Gegensatz zu Einmündungen nur geringe positive Effekte ermittelt werden. Die Einsatzmöglichkeiten sind maßgeblich abhängig vom Ausbaustandard, Teilsignalisierungsfall und Signalprogramm. Die Teilsignalisierung deckt wie vermutet den Übergangsbereich zwischen konventioneller Vorfahrtregelung und Vollsignalisierung ab. Hierfür wurde der wissenschaftliche Beweis erbracht.
Ergänzt werden die Betrachtungen durch die Möglichkeiten zur Integration des Fußverkehrs. In der Hauptrichtung ist eine gesicherte Fußgängerführung in Abhängigkeit vom gewählten Teilsignalisierungsfall nur in jeweils einem Ast realisierbar. Die Nebenrichtung lässt allerdings keine gesicherte Querung zu. Diese Problematik verstärkt sich an Kreuzungen durch das Vorhandensein von zwei Nebenrichtungen, so dass in diesen Fällen eine Teilsignalisierung aus Sicherheitsüberlegungen ebenfalls nicht empfohlen werden kann. Es wurden prinzipielle Führungsmöglichkeiten aufgezeigt und mittels eines Entscheidungsbaumes visualisiert, der die Auswahl geeigneter Teilsignalisierungsformen am Knotenpunkt unterstützt.
An Kreisverkehren kann eine Teilsignalisierung unter bestimmten Konstellationen sinnvoll sein, um einerseits die Kapazität einzelner Zufahrten zu erhöhen oder andererseits eine gesicherte Fußgängerführung zu realisieren. Als problematisch haben sich nahezu ungehinderte Zuflüsse erwiesen. Diese treten auf, wenn der Zustrom nur selten durch andere Fahrzeuge auf der Kreisfahrbahn unterbrochen wird. Sie führen zu starker Kolonnenbildung. Die Installation einer LSA kann hier die mangelnden Unterbrechungen künstlich schaffen.
Abgerundet wird die Arbeit durch weitere Einsatzmöglichkeiten von Teilsignalisierungen zur Priorisierung von Einzelfahrzeugen oder bestimmter Fahrzeuggruppen im ÖV und Rettungswesen oder zur Räumung von Bahnübergängen.
The research problem is that the land-use (re-)planning process in the existing Egyptian cities
does not attain sustainability. This is because of the unfulfillment of essential principles within
their land-use structures, lack of harmony between the added and old parts in the cities, and
other reasons. This leads to the need for developing an assessment system, which is a
computational spatial planning support system-SPSS. This SPSS is used for identifying the
degree of sustainability attainment in land-uses plans, predicting probable problems, and
suggesting modifications in the evaluated plans.
The main goal is to design the SPSS for supporting sustainability in the Egyptian cities. The
secondary goals are: studying the Egyptian planning and administrative systems for designing
the technical and administrative frameworks for the SPSS, the development of an assessment
model from the SPSS for assessing sustainability in land-use structures of urban areas, as well
as the identification of the improvements required in the model and the recommendations for
developing the SPSS.
The theoretical part aims to design each of the administrative and technical frameworks of the
SPSS. This requires studying each of the main planning approaches, the sustainability in urban
land-use planning, and the significance of using efficient assessment tools for evaluating the
sustainability in this process. The added value of the planning support systems-PSSs for
planning and their role in supporting sustainability attainment in urban land-use planning are
discussed. Then, a group of previous examples in the sustainability assessment from various
countries (developed and developing countries) are selected, which have used various
assessment tools. This is to extract some learned lessons to be guides for the SPSS. And so,
the comprehensive technical framework for the SPSS is designed, which includes the suggested
methods and techniques that perform various stages of the assessment process.
The Egyptian context is studied regarding the planning and administration systems within the
Egyptian cities, as well as the spatial and administrative problems facing the sustainable
development. And so, the administrative framework for the SPSS is identified, which includes
the entities that should be involved in the assessment process.
The empirical part focuses on the design of a selected assessment model from the
comprehensive technical framework of the SPSS to be established as a minimized version from
it. This model is programmed in the form of a new toolbox within the ArcGIS™ software through
geoscripting using Python programming language to be applied for assessing the sustainability
attainment in the land-use structure of urban areas. The required assessing criteria for the model
specialized for the Egyptian and German cities are identified, for applying it on German and
Egyptian study areas.
The conclusions regarding each of PSSs, the Egyptian local administration and planning
systems, sustainability attainment in the land-use planning process in Egyptian Cities, as well as
the proposed SPSS and the developed toolbox are drawn. The recommendations are regarding
each of challenges facing the development and application of PSSs, the Egyptian local
administration and planning systems, the spatial problems in Egyptian cities, the establishment
of the SPSS, and the application of the toolbox. The future agenda is in the fields of sustainable urban land-use planning, planning support science, and the development process in the
Egyptian cities.
In Zeiten rasant ansteigender Energiepreise wird die Energieeinsparung durch Gewichtsreduzierung
bewegter Massen, z. B. im Automobilbau, zunehmend wichtiger. In immer mehr Bereichen des
Automobilbaues werden Faser-Kunststoff- Verbunde (FKV) aufgrund ihrer geringen Dichte eingesetzt.
Positive Aspekte einer Faserverstärkung von Kunststoffen sind Verbesserungen der Steifigkeit und
der Festigkeit. Negativ wirkt sich die Faserverstärkung hingegen auf die Bruchdehnung aus. Je nach
eingesetztem FKV kann durch die geringe Bruchdehnung bei einem Crash nur wenig Energie absorbiert
werden und es kommt zum strukturellen Versagen. Wegen der günstigen Material- und
Verarbeitungskosten werden im Auto- mobilbau häufig langglasfaserverstärkte Thermoplaste (LFT)
verwendet. Diese können allerdings aufgrund ihrer suboptimalen Crasheigenschaften in vielen
Bereichen des Fahrzeugbaues nicht eingesetzt werden. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit
der Verbesserung der Crasheigenschaften von LFT durch eine Verstärkung mit Metalltextilien. Ziel
ist es, den Anwendungsbereich von LFT im Auto- mobilbau zu erweitern. Aufgrund der Erfahrungen in
vorangegangenen Arbeiten liegt der Fokus der vorliegenden Arbeit auf den Eigenschaften eines mit
Edelstahl- schweißgitter (ESG) verstärkten LFT. Das Material wurde mit einer Vielzahl an Versuchen
einer eingehenden mechanischen Charakterisierung unterzogen. Vor der Probenentnahme wurde die
herstellungsbedingte Faserorientierung in Plattenebene untersucht. Dies geschah durch die
Auswertung von Röntgen- und Durchlicht- aufnahmen. Es wurde eine hochgradige Faserausrichtung in
Fließrichtung fest- gestellt. Mit Hilfe der Computertomographie war eine qualitative Untersuchung
der lokalen Faserorientierung möglich. Weiterhin konnte die Beeinflussung der Faser- orientierung
durch die Metalltextilverstärkung beobachtet werden. Aufgrund der Be- deutung der
Interfaceeigenschaften zwischen Stahl und LFT für den ESG-LFT- Verbund wurden die Scher- und
Normalfestigkeit mit Hilfe von Drahtauszug- und Stirnabzugversuchen bestimmt. Die
Interfaceeigenschaften wurden für verschiedene Vorbehandlungsmethoden der metallischen Oberfläche
untersucht. Eine Vorbehand- lung durch Druckluftstrahlen der Oberfläche führte zu den besten
Haftungs- eigenschaften. Als Strahlmittel wurden Korundpartikel eingesetzt. Neben metall-
textilverstärkten LFT-Proben wurden auch unverstärkte LFT-Proben als Referenzuntersucht. Es wurden quasistatische Versuche unter Zug- und Schubbelastung
durchgeführt. Wegen der Crashanwendung wurden die Zugversuche auch unter
kurzzeitdynamischer Belastung durchgeführt. Zusätzlich wurden Durchstoßversuche
durchgeführt, um den Einfluss auf die Energieabsorption beobachten zu können. Um
die Verbesserung der strukturellen Integrität zu demonstrieren, wurden einfache
Demonstratorbauteile unter Zugbelastung getestet. Dabei konnte neben einer
Bestimmung wichtiger Materialparameter eine erhöhte Energieaufnahme und eine
verbesserte strukturelle Integrität nachgewiesen werden. Zur Erweiterung der
experimentellen Erkenntnisse wurde ein parametrisiertes Simulationsmodell auf
Mikroebene entwickelt. Anhand des Mikromodells gelang es, einen detaillierten
Einblick in den Spannungszustand und das Versagensverhalten von ESG-LFT zu
erhalten. Des Weiteren war es damit möglich, den Einfluss verschiedener Geometrieund
Haftungsparameter auf die Verbundeigenschaften zu untersuchen. Die
vorliegenden Erkenntnisse wurden zur Programmierung eines makromechanischen
Simulationsmodells genutzt. Dieses zeigte, trotz der vorgenommenen
Vereinfachungen, bereits gute Übereinstimmungen von Simulation und Experiment
und konnte Hinweise für weiterführende Arbeiten liefern. Das entwickelte makromechanische
Modell kann damit als Basis für die Weiterentwicklung dieses Materialmodells genutzt werden.
Durch die Einarbeitung von Nanopartikeln in eine Polymermatrix lässt sich eine signifikante Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe erzielen. Dazu ist allerdings eine Separierung und homogene Verteilung der Verstärkungsstoffe in der Matrix notwendig, um die spezifische Oberfläche der Nanopartikel ausnutzen zu können, die dann als Grenzfläche mit der Matrix in Wechselwirkung treten kann.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Dispergierung von anorganischen Nanopartikeln am Beispiel von Titandioxid und Bariumsulfat in Epoxidharz mithilfe von Ultraschallwellen systematisch untersucht. Dazu wurden die Prozessparameter, wie z.B. die Amplitude und das beschallte Volumen, variiert, um die optimalen Dispergierparameter zu ermitteln, die zu einer guten Dispergierung der Nanopartikel führen, ohne dabei jedoch die Molekülstruktur des Epoxidharzes zu verändern. Eine Veränderung der Molekülstruktur der Matrix kann die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs negativ beeinflussen. Deshalb wurden für das unbehandelte und das beschallte Harz Morphologieuntersuchungen mittels FourierTransform-Infrarotspektroskopie und Gel-Permeations-Chromatographie durchgeführt. Dabei stellte sich heraus, dass die Nanopartikel im Harz mit der maximalen Amplitude von 100% und einer Beschallungszeit von 15 Minuten optimal dispergiert werden können, ohne die Morphologie des Harzes merklich zu verändern.
Für den Ultraschalldispergierprozess wurde ein Dispergiermodell erarbeitet, das die Entwicklung der Partikelgröße in Abhängigkeit von den Prozessparametern beschreibt. Dieses Modell ist auf andere Partikelsysteme übertragbar und soll Vorhersagen für zukünftige Dispergierexperimente ermöglichen.
Das Ziel der Fertigung der Nanoverbundwerkstoffe ist die Steigerung der mechanischen Eigenschaften im Zug-, Bruchzähigkeits-, Kerbschlagzähigkeits- und Biegeversuch. Hierbei wurde sowohl die Wirkung der Dispergierung als auch der Einfluss des Verstärkungsstoffgehaltes auf das Eigenschaftsprofil untersucht. Des Weiteren wurde die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf ein weiteres Epoxidharz überprüft.
Um die Verstärkungsmechanismen der Nanopartikel in der Polymermatrix, die zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften führen, zu verstehen, wurden Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen der Bruchflächen ausgeführt. Diese zeigten,dass Nanoverbundwerkstoffe eine rauere Bruchoberfläche als reines Epoxidharz besitzen, was auf eine Änderung der Bruchmechanismen hindeutet.
Insgesamt konnten mithilfe der Ultraschalldispergierung Nanoverbundwerkstoffe mit verbesserten mechanischen Eigenschaften hergestellt werden und ihre Dispergierung durch ein Modell beschrieben werden, das auch Vorhersagen für weitere Partikel-Harz-Systeme erlaubt.
A popular model for the locations of fibres or grains in composite materials
is the inhomogeneous Poisson process in dimension 3. Its local intensity function
may be estimated non-parametrically by local smoothing, e.g. by kernel
estimates. They crucially depend on the choice of bandwidths as tuning parameters
controlling the smoothness of the resulting function estimate. In this
thesis, we propose a fast algorithm for learning suitable global and local bandwidths
from the data. It is well-known, that intensity estimation is closely
related to probability density estimation. As a by-product of our study, we
show that the difference is asymptotically negligible regarding the choice of
good bandwidths, and, hence, we focus on density estimation.
There are quite a number of data-driven bandwidth selection methods for
kernel density estimates. cross-validation is a popular one and frequently proposed
to estimate the optimal bandwidth. However, if the sample size is very
large, it becomes computational expensive. In material science, in particular,
it is very common to have several thousand up to several million points.
Another type of bandwidth selection is a solve-the-equation plug-in approach
which involves replacing the unknown quantities in the asymptotically optimal
bandwidth formula by their estimates.
In this thesis, we develop such an iterative fast plug-in algorithm for estimating
the optimal global and local bandwidth for density and intensity estimation with a focus on 2- and 3-dimensional data. It is based on a detailed
asymptotics of the estimators of the intensity function and of its second
derivatives and integrals of second derivatives which appear in the formulae
for asymptotically optimal bandwidths. These asymptotics are utilised to determine
the exact number of iteration steps and some tuning parameters. For
both global and local case, fewer than 10 iterations suffice. Simulation studies
show that the estimated intensity by local bandwidth can better indicate
the variation of local intensity than that by global bandwidth. Finally, the
algorithm is applied to two real data sets from test bodies of fibre-reinforced
high-performance concrete, clearly showing some inhomogeneity of the fibre
intensity.
In der Bevölkerung steigt mit zunehmendem Alter die Inzidenz chronischer Erkrankungen. Eine häufig diskutierte Ursache chronischer Erkrankungen ist oxidativer Stress. Dieser entsteht im Körper, wenn es zu einem Ungleichgewicht zwischen der Bildung und Inaktivierung von sogenannten reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) kommt. Diesem Ungleichgewicht können endogene Faktoren (z.B. körpereigenes Glutathion (GSH)) und exogene Antioxidantien (z.B. Flavonoide) entgegenwirken. Epidemiologische Daten zeigen, dass eine Ernährung mit einem hohen Anteil an Flavonoiden präventive Eigenschaften zeigt und mit einem inversen Effekt bezüglich des Risikos chronischer Krankheiten korreliert. Beerenfrüchte (vor allem Wildheidelbeeren) stellen eine wichtige Quelle an diesen Flavonoiden dar. Für die Wildheidelbeere werden neben anderen Polyphenolen hauptsächlich die Anthocyane für deren Wirkung verantwortlich gemacht. Vor allem antioxidative und antiinflammatorische Eigenschaften von Anthocyanen werden derzeit diskutiert. Der Nachteil von Anthocyanen im Vergleich zu anderen Polyphenolen resultiert allerdings aus deren geringen Bioverfügbarkeit. In vielen Studien lag die Bioverfügbarkeit von verzehrten Anthocyanen im Urin meist unter 1%. Ein Grund für die geringe Aufnahme von Anthocyanen ist deren limitierende Stabilität. Im Darm, welcher als Hauptresorptionsort für Anthocyane gilt, liegt ein Milieu von pH 6-8 vor. Unter diesen pH-Bedingungen sind die Strukturen der Anthocyane nur begrenzt stabil. Daraus begründete sich in der Vergangenheit unter anderem das Forschungsziel, Anthocyane aus Heidelbeerextrakt (HBE) mit Hilfe verschiedener Verkapselungstechniken während der Darmpassage zu stabilisieren und gezielt am Wirkort freizusetzten (DFG/AiF-Cluster 1, 2008-2011). Die effektivsten Verkapselungstechniken basierten dabei auf Molkenprotein- und Pektinbasis. In vitro konnten durch die Verkapselung im Vergleich zum unverkapselten Extrakt höhere Anthocyankonzentrationen im (simulierten) Dünndarmmilieu erreicht werden. Außerdem zeigte sich in vitro keine Verringerung der biologischen Aktivität (ROS, DNA-Strangbrüche, GSH) durch die Verkapselung.
Ziel war es, die bisherigen in vitro Ergebnisse zur biologischen Aktivität des HBE (unverkapselt und verkapselt) und der Bioverfügbarkeit der Anthocyane aus dem HBE bzw. Kapselmaterial auf die in vivo Situation zu übertragen und zu verifizieren. Die zentralen Fragen waren, in welchem Ausmaß Anthocyane aus HBE, die Bioaktivität beeinflussen können, unverändert in den Dickdarm gelangen, welche Rolle Prozesse der Dickdarmmikrobiota spielen und inwieweit dies durch Stabilisierungs-(Verkapselungs-)Techniken moduliert werden kann. Der Lösungsweg für diese Fragestellungen wurde durch eine humane Pilotstudie an Probanden realisiert. Welchen Einfluss der Darm bezüglich der Bioaktivität und Bioverfügbarkeit von HBE besitzt, kann anhand von Probanden mit intaktem
Gastrointestinaltrakt (GIT) nur limitierend erfasst werden. Aus diesem Grund wurde die Studie zum einen mit Probanden, die ein Stoma am terminalen Ileum besitzen und zum anderen analog mit Kontrollprobanden mit intaktem Kolon durchgeführt. Die Pilotstudie wurde 2011 am Universitätsklinikum Würzburg durchgeführt und unterteilte sich in zwei Abschnitte. Dabei erfolgte während Teil I die Verabreichung von Heidelbeerextrakt (HBE) und während Teil II die Verabreichung von HBE-beladenen Molkeproteinkapseln (hergestellt durch U. Kulozik, TU München) und HBE-beladenen Citruspektinkapseln (hergestellt durch K. Schwarz, Univ. Kiel), jeweils mit äquimolaren Anthocyankonzentrationen. Durchgeführt wurde die Pilotstudie mit Probanden mit intaktem Gastrointestinaltrakt (mit Kolon) und Ileostomaprobanden (ohne Kolon). Während der Studie wurden von allen Probanden Blut- und Urinproben und von den Ileostomieprobanden zusätzlich Ileostomabeutel gesammelt. Durch den Vergleich der beiden Probandengruppen konnte somit erfasst werden, welchen Einfluss der Dickdarm auf die Bioverfügbarkeit und biologische Aktivität besitzt und inwieweit im Dickdarm gebildete Metabolite für biologische Wirkungen verantwortlich sind.
Nach Heidelbeerextraktverzehr ergaben sich bei Probanden mit intaktem GIT im Vergleich zu Ileostomaprobanden höhere Gehalte an Anthocyanen (Urin 44% und Plasma 79%) und Abbauprodukten (Urin 75% und Plasma 100%). Durch Molkeproteinverkapselung (MPK) und Citruspektinverkapselung (CPK) wurden im Vergleich zum HBE die Gehalte in Dünndarmflüssigkeiten, Urin und Plasma der Probanden moduliert. Die Ausscheidungsmengen über den Urin zeigen, dass die Molkeproteinverkapselung die systemische Konzentration und die Kurzzeitbioverfügbarkeit der Anthocyane erhöhen kann. Nach Citruspektinverkapselung erfolgte eine Modulation und Stabilisierung der intestinalen Anthocyankonzentrationen lokalisiert am Ende des Dünndarms. Die Erfassung der DNA-Schäden zeigte eine tendenzielle Abnahme der DNA-Strangbrüche in den Blutzellen beider Probandengruppen während der Studie nach unverkapseltem HBE-Verzehr. Die stärksten Effekte der Reduzierung oxidativer DNA-Schäden (mit FPG-Behandlung) wurden nach Verzehr des citruspektinverkapselten Extraktes (CPK) in beiden Probandengruppen detektiert. Nach MPK-Verzehr konnten hingegen nur geringe Effekte beobachtet werden. Der GSH-Status der Probanden wurde innerhalb der Studie nicht beeinflusst.
Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die Verkapselung von Anthocyanen deren Bioverfügbarkeit im Vergleich zu nichtverkapselten Anthocyanen modulieren kann, wobei die Bioverfügbarkeit der Anthocyane im Allgemeinen während dieser Studie sehr gering war. Weiterhin wurden Effekte zur antioxidativen Wirksamkeit der verwendeten Extraktsysteme beobachtet. Der Dünndarmmetabolit Phloroglucinolaldehyd wurde als potentielle Wirkkomponente identifiziert (Forschungsstelle II, Wien). Die vorliegenden Ergebnisse werden anhand der Betrachtung der DNA-Schädigung und der ermittelten Plasmakonzentrationen
aber nicht vollständig erklärt. Weitere Anthocyanmetabolite, die im Rahmen dieser Arbeit nicht untersucht wurden, können für die Wirkung des Extraktes verantwortlich sein.
In this thesis, we focus on the application of the Heath-Platen (HP) estimator in option
pricing. In particular, we extend the approach of the HP estimator for pricing path dependent
options under the Heston model. The theoretical background of the estimator
was first introduced by Heath and Platen [32]. The HP estimator was originally interpreted
as a control variate technique and an application for European vanilla options was
presented in [32]. For European vanilla options, the HP estimator provided a considerable
amount of variance reduction. Thus, applying the technique for path dependent options
under the Heston model is the main contribution of this thesis.
The first part of the thesis deals with the implementation of the HP estimator for pricing
one-sided knockout barrier options. The main difficulty for the implementation of the HP
estimator is located in the determination of the first hitting time of the barrier. To test the
efficiency of the HP estimator we conduct numerical tests with regard to various aspects.
We provide a comparison among the crude Monte Carlo estimation, the crude control
variate technique and the HP estimator for all types of barrier options. Furthermore, we
present the numerical results for at the money, in the money and out of the money barrier
options. As numerical results imply, the HP estimator performs superior among others
for pricing one-sided knockout barrier options under the Heston model.
Another contribution of this thesis is the application of the HP estimator in pricing bond
options under the Cox-Ingersoll-Ross (CIR) model and the Fong-Vasicek (FV) model. As
suggested in the original paper of Heath and Platen [32], the HP estimator has a wide
range of applicability for derivative pricing. Therefore, transferring the structure of the
HP estimator for pricing bond options is a promising contribution. As the approximating
Vasicek process does not seem to be as good as the deterministic volatility process in the
Heston setting, the performance of the HP estimator in the CIR model is only relatively
good. However, for the FV model the variance reduction provided by the HP estimator is
again considerable.
Finally, the numerical result concerning the weak convergence rate of the HP estimator
for pricing European vanilla options in the Heston model is presented. As supported by
numerical analysis, the HP estimator has weak convergence of order almost 1.
The screening of metagenomic datasets led to the identification of new phage-derived members of the heme oxygenase and the ferredoxin-dependent bilin reductase enzyme families.
The novel bilin biosynthesis genes were shown to form mini-cassettes on metagenomic scaffolds and further form distinct clusters in phylogenetic analyses (Ledermann et al., 2016). In this project, it was demonstrated that the discovered sequences actually encode for active enzymes. The biochemical characterization of a member of the heme oxygenases (ΦHemO) revealed that it possesses a regiospecificity for the α-methine bridge in the cleavage of the heme macrocycle. The reaction product biliverdin IXα was shown to function as the substrate for the novel ferredoxin-dependent bilin reductases (PcyX reductases), which catalyze its reduction to PEB via the intermediate 15,16-DHBV. While it was demonstrated that ΦPcyX, a phage-derived member of the PcyX reductases, is an active enzyme, it also became clear that the rate of the reaction is highly dependent on the employed redox partner. It turned out that the ferredoxin from the cyanophage P-SSM2 is to date the most suitable redox partner for the reductases of the PcyX group. Furthermore, the solution of the ΦPcyX crystal structure revealed that it adopts an α/β/α-sandwich fold, typical for the FDBR-family. Activity assays and subsequent HPLC analyses with different variants of the ΦPcyX protein demonstrated that, despite their similarity, PcyX and PcyA reductases must act via different reaction mechanisms.
Another part of this project focused on the biochemical characterization of the FDBR KflaHY2 from the streptophyte alga Klebsormidium flaccidum. Experiments with recombinant KflaHY2 showed that it is an active FDBR which produces 3(Z)-PCB as the main reaction product, like it can be found in reductases of the PcyA group. Moreover, it was shown that under the employed assay conditions the reaction of BV to PCB proceeds in two different ways: Both 3(Z)-PΦB and 18¹,18²-DHBV occur as intermediates. Activity assays with the purified intermediates yielded PCB. Hence, both compounds are suitable substrates for KflaHY2.
The results of this work highlight the importance of the biochemical experiments, as catalytic activity cannot solely be predicted by sequence analysis.
Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden neue katalytische Methoden zur Aktivierung von Kohlenstoffdioxid und dessen Derivate entwickelt, die eine abfallfreie Nutzung von CO2 als C1-Baustein in C-C-Bindungsknüpfungen erlauben.
Die Entwicklung einer abfallfreien Hydroxymethylierung terminaler Alkine demonstriert ein innovatives Konzept zur nachhaltigen Nutzung von CO2 als C1-Baustein, ohne die damit einhergehende Salzabfallbildung konventioneller Verfahren. Hierbei wurden terminale Alkine in einem ersten Schritt in Gegenwart der milden Aminbase 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin katalytisch C-H-carboxyliert. Durch eine anschließende katalytische Hydrierung der Ammoniumpropiolate zu den korrespondierenden Alkoholen unter Freisetzung der eingesetzten Aminbase stellt Wasser das einzige Abfallprodukt dieser Umsetzung dar. Die industrielle Anwendbarkeit dieses neuen Konzepts wurde in einem Kooperationsprojekt mit der BASF SE durch die Entwicklung eines neuen, nachhaltigen Verfahrens zur Darstellung von 1,4-Butandiol aus Acetylen und CO2 gezeigt. Essentieller Schritt bei diesem Verfahren ist die Veresterung des Dikaliumsuccinats unter CO2-Druck mit Methanol, wobei je zwei Äquivalente KHCO3 und HK2PO4 anfallen. Durch thermische Behandlung lässt sich aus diesem Gemisch die ursprüngliche Base K3PO4 regenerieren, sodass wiederum kein Salzabfall anfällt.
Darüber hinaus wurde durch die Entwicklung einer hocheffizienten Methode zur stereoselektiven Darstellung biologisch aktiver (E)-beta-Alkoxyacrylate ausgehend von terminalen Alkinen und Dialkylcarbonaten die nachhaltige Nutzung eines Kohlensäurederivats demonstriert. Diese Alkoxid-katalysierte Transformation zeichnet sich durch eine vollständige Atomeffizienz und einen hervorragenden E-Faktor von 5.2 aus.
Des Weiteren konnte ein Protokoll zur Darstellung langkettiger unsymmetrischer Alkylether mittels einer reduktiven Veretherung aus nachwachsenden Rohstoffen ausgearbeitet werden. Die entwickelte Methode erlaubt auch Umsetzungen von Fettsäure-/ester-Gemischen wie Rapsölmethylester (RME) oder Tallöl. Hierdurch lassen sich komplexe Stoffgemische aus nachwachsenden Rohstoffen in einheitliche Produkte überführen.
Im letzten Teilprojekt dieser Arbeit wurde eine effiziente und minutenschnelle Methode zur Spaltung von 8-Aminochinolinamiden (Daugulis-Amide) unter Mikrowellen-Bedingungen entwickelt. In Kombination mit der vorab von Herrn Katayev und Herrn Pfister entwickelten Methode zur ortho-C-H-Nitrierung aromatischer 8-Aminochinolinamide erlaubt diese den Einsatz von 8-Aminochinolin (Q-NH2) als temporäre dirigierende Schutzgruppe.
1,3-Diynes are frequently found as an important structural motif in natural products, pharmaceuticals and bioactive compounds, electronic and optical materials and supramolecular molecules. Copper and palladium complexes are widely used to prepare 1,3-diynes by homocoupling of terminal alkynes; albeit the potential of nickel complexes towards the same is essentially unexplored. Although a detailed study on the reported nickel-acetylene chemistry has not been carried out, a generalized mechanism featuring a nickel(II)/nickel(0) catalytic cycle has been proposed. In the present work, a detailed mechanistic aspect of the nickel-mediated homocoupling reaction of terminal alkynes is investigated through the isolation and/or characterization of key intermediates from both the stoichiometric and the catalytic reactions. A nickel(II) complex [Ni(L-N4Me2)(MeCN)2](ClO4)2 (1) containing a tetradentate N,N′-dimethyl-2,11-diaza[3.3](2,6)pyridinophane (L-N4Me2) as ligand was used as catalyst for homocoupling of terminal alkynes by employing oxygen as oxidant at room temperature. A series of dinuclear nickel(I) complexes bridged by a 1,3-diyne ligand have been isolated from stoichiometric reaction between [Ni(L-N4Me2)(MeCN)2](ClO4)2 (1) and lithium acetylides. The dinuclear nickel(I)-diyne complexes [{Ni(L-N4Me2)}2(RC4R)](ClO4)2 (2) were well characterized by X-ray crystal structures, various spectroscopic methods, SQUID and DFT calculation. The complexes not only represent as a key intermediate in aforesaid catalytic reaction, but also describe the first structurally characterized dinuclear nickel(I)-diyne complexes. In addition, radical trapping and low temperature UV-Vis-NIR experiments in the formation of the dinuclear nickel(I)-diyne confirm that the reactions occurring during the reduction of nickel(II) to nickel(I) and C-C bond formation of 1,3-diyne follow non-radical concerted mechanism. Furthermore, spectroscopic investigation on the reactivity of the dinuclear nickel(I)-diyne complex towards molecular oxygen confirmed the formation of a mononuclear nickel(I)-diyne species [Ni(L-N4Me2)(RC4R)]+ (4) and a mononuclear nickel(III)-peroxo species [Ni(L-N4Me2)(O2)]+ (5) which were converted to free 1,3-diyne and an unstable dinuclear nickel(II) species [{Ni(L-N4Me2)}2(O2)]2+ (6). A mononuclear nickel(I)-alkyne complex [Ni(L-N4Me2)(PhC2Ph)](ClO4).MeOH (3) and the mononuclear nickel(III)-peroxo species [Ni(L-N4Me2)(O2)]+ (5) were isolated/generated and characterized to confirm the formulation of aforementioned mononuclear nickel(I)-diyne and mononuclear nickel(III)-peroxo species. Spectroscopic experiments on the catalytic reaction mixture also confirm the presence of aforesaid intermediates. Results of both stoichiometric and catalytic reactions suggested an intriguing mechanism involving nickel(II)/nickel(I)/nickel(III) oxidation states in contrast to the reported nickel(II)/nickel(0) catalytic cycle. These findings are expected to open a new paradigm towards nickel-catalyzed organic transformations.
Ziel im ersten Teil dieser Arbeit ist die Untersuchung der offenen und geschlossenen
Konformation des Maltose bindende Proteins (MBP) im nativen und Molten-Globule-(MG)-Zustand mit Hilfe der ESR-Spektroskopie.
Die komplexen Mechanismen der Proteinfaltung und Proteindynamik bilden schon seit Langem ein wichtiges Forschungsziel in der Untersuchung biochemischer Prozesse und der Enzymkinetik.
MBP bietet sich in diesem Zusammenhang als geeignetes Forschungsobjekt an, da die Konformationsunterschiede
des MBP gut erkennbar sind und sich der MG-Zustand genügend
lang für Untersuchungen stabilisieren lässt. Die Fähigkeit zur reversiblen Faltung ist für ein Protein dieser Größe ebenso wie die Ausbildung eines hoch geordneten MG-Zustands
mit hoher Affinität zu seinem Zielsubstrat ungewöhnlich.
Der besondere Vorteil der ESR-Spektroskopie ist die geringe Störung der Messung durch
das Messsystem, was die Möglichkeit liefert, das Protein unter nativen Bedingungen, selbst innerhalb von Membranen oder biologischen Systemen, zu untersuchen.
Die in dieser Arbeit verwendete site-directed spin-labeling (SDSL)-Methode, bei der eine kovalente Bindung von Nitroxid-Spinlabel (NSL) an das Protein eingesetzt wird, löst kaum Störungen im System aus und schränkt die Flexibilität der Proteine kaum ein.
Als Grundlage der ESR-spektroskopischen Untersuchungen dienen im Haus durchgeführte cw-ESR-Messungen und DQC-Messungen, welche bei unserem Kooperationspartner Prof. J. Freed im ACERT Institut, Ithaca, New York, durchgeführt wurden.
Die double quantum coherence (DQC)-ESR beschreibt eine spezifische Messmethode zur
Analyse der dipolaren Elektron-Elektron-Wechselwirkungen durch Isolierung des Elektron-
Spin-Echos und somit der Abstandsbestimmung zweier NSL unter Verwendung einer
spezifischen Pulsabfolge. Der größte Vorteil dieser Methode ist die Minimierung störender
Hintergrundsignale, ein geringes Signal-Rausch-Verhältnis und die mögliche Bestimmung von Abständen zwischen 10 und 80 °A.
Über Molekulare-Dynamik-(MD)-Simulation lässt sich ein guter Einblick in die Struktur
von Proteinen gewinnen und ein Model der gelabelten Proteine entwickeln.
Die These, dass MBP bereits ohne seinen Liganden beide Konformationen einnimmt, kann
durch die DQC-Messungen und die Korrelation mit der MD-Simulation bestätigt werden.
Weiterhin kann nachgewiesen werden dass eine Grundstruktur von MBP und ein funktionell
ausgebildetes aktives Zentrum bereits im MG-Zustand vorliegt.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Möglichkeit untersucht freie Radikale in verschiedenen Systemen, auch innerhalb von Zellen, mittels ESR-Spektroskopie zu detektieren und zu analysieren. Die Zielsetzung dabei ist es, die Radikalbildung bei verschiedenen medizinischen
Behandlungen zu untersuchen.
Die Lebensdauer einer Zelle wird durch das Zusammenspiel von freien Radikalen mit
Antioxidantien, Proteinen, Cofaktoren und sonstigen Zellbestandteilen bestimmt.
Durch bessere Kenntnis dieses Zusammenspiels können große Fortschritte in Medizin und
Gesundheitsvorsorge erreicht werden.
Sollte die Bildung der Sauerstoffradikale das natürliche antioxidative Potential der Zelle
überschreiten, spricht man von dem “oxidativem Stress” der Zelle.
Zu den möglichen Folgen des oxidativen Stresses gehört die Schädigung aller zellulären
und extrazellulären Makromoleküle bis hin zur Apoptose, also dem Absterben der Zelle.
Die primären Folgen sind vor allem die Lipidperoxidation, die Proteinoxidation und die
Schädigung der DNA.
Durch die Verwendung von ESR-spektroskopischen Methoden ist es möglich Untersuchungen
innerhalb lebender Zellen durchzuführen.
Zur Detektion der Radikale wird dabei ein Radikalfänger (Spin trap) eingesetzt, welcher a priori kein ESR-Signal liefert, sondern erst durch den Kontakt mit dem freien Radikal ein ungepaartes Elektron und somit ein ESR-Signal aufweist.
Die Verbindung 2-Ethoxycarbonyl-2-methyl-3,4-dihydro-2H-pyrrol-1-oxid (EMPO) ist ein
Derivat des DMPO, in welchem die Nitroxidgruppe zusätzlich stabilisiert wird.
Hierdurch kommt es zu einer deutlich längeren Lebensdauer der Spin-Addukte und einer
besseren Auflösung der ESR-Messung.
Die entstehenden Signale der einzelnen EMPO-Addukte lassen sich mit geeigneten Methoden
simulieren. Dies ermöglicht die Analyse der entstandenen Radikale.
Während unter der Strahlenbelastung von CT- und MRT-Untersuchungen keine Radikalbildung in den Proben festgestellt werden kann, liefert die Strahlentherapie mittels Linearbeschleuniger ein breites Spektrum gebildeter Radikale.
Die Ausbildung dieser Radikale zeigt sich dabei von verschiedenen Faktoren abhängig.
So zeigt sich die Ausbildung von H-, OH- und OOH-Addukten durch Luftsauerstoff
begünstigt, die Zugabe von NaCl fördert die Ausbildung von Wasserstoffradikalen und
organische Pufferbestandteile, wie z.B. Tris oder HEPES, führen zur erhöhten C-Addukt-
Bildung.
Crowd condition monitoring concerns the crowd safety and concerns business performance metrics. The research problem to be solved is a crowd condition estimation approach to enable and support the supervision of mass events by first-responders and marketing experts, but is also targeted towards supporting social scientists, journalists, historians, public relations experts, community leaders, and political researchers. Real-time insights of the crowd condition is desired for quick reactions and historic crowd conditions measurements are desired for profound post-event crowd condition analysis.
This thesis aims to provide a systematic understanding of different approaches for crowd condition estimation by relying on 2.4 GHz signals and its variation in crowds of people, proposes and categorizes possible sensing approaches, applies supervised machine learning algorithms, and demonstrates experimental evaluation results. I categorize four sensing approaches. Firstly, stationary sensors which are sensing crowd centric signals sources. Secondly, stationary sensors which are sensing other stationary signals sources (either opportunistic or special purpose signal sources). Thirdly, a few volunteers within the crowd equipped with sensors which are sensing other surrounding crowd centric device signals (either individually, in a single group or collaboratively) within a small region. Fourthly, a small subset of participants within the crowd equipped with sensors and roaming throughout a whole city to sense wireless crowd centric signals.
I present and evaluate an approach with meshed stationary sensors which were sensing crowd centric devices. This was demonstrated and empirically evaluated within an industrial project during three of the world-wide largest automotive exhibitions. With over 30 meshed stationary sensors in an optimized setup across 6400m2 I achieved a mean absolute error of the crowd density of just 0.0115
people per square meter which equals to an average of below 6% mean relative error from the ground truth. I validate the contextual crowd condition anomaly detection method during the visit of chancellor Mrs. Merkel and during a large press conference during the exhibition. I present the approach of opportunistically sensing stationary based wireless signal variations and validate this during the Hannover CeBIT exhibition with 80 opportunistic sources with a crowd condition estimation relative error of below 12% relying only on surrounding signals in influenced by humans. Pursuing this approach I present an approach with dedicated signal sources and sensors to estimate the condition of shared office environments. I demonstrate methods being viable to even detect low density static crowds, such as people sitting at their desks, and evaluate this on an eight person office scenario. I present the approach of mobile crowd density estimation by a group of sensors detecting other crowd centric devices in the proximity with a classification accuracy of the crowd density of 66 % (improvement of over 22% over a individual sensor) during the crowded Oktoberfest event. I propose a collaborative mobile sensing approach which makes the system more robust against variations that may result from the background of the people rather than the crowd condition with differential features taking information about the link structure between actively scanning devices, the ratio between values observed by different devices, ratio of discovered crowd devices over time, team-wise diversity of discovered devices, number of semi- continuous device visibility periods, and device visibility durations into account. I validate the approach on multiple experiments including the Kaiserslautern European soccer championship public viewing event and evaluated the collaborative mobile sensing approach with a crowd condition estimation accuracy of 77 % while outperforming previous methods by 21%. I present the feasibility of deploying the wireless crowd condition sensing approach to a citywide scale during an event in Zurich with 971 actively sensing participants and outperformed the reference method by 24% in average.
Following the ideas presented in Dahlhaus (2000) and Dahlhaus and Sahm (2000) for time series, we build a Whittle-type approximation of the Gaussian likelihood for locally stationary random fields. To achieve this goal, we extend a Szegö-type formula, for the multidimensional and local stationary case and secondly we derived a set of matrix approximations using elements of the spectral theory of stochastic processes. The minimization of the Whittle likelihood leads to the so-called Whittle estimator \(\widehat{\theta}_{T}\). For the sake of simplicity we assume known mean (without loss of generality zero mean), and hence \(\widehat{\theta}_{T}\) estimates the parameter vector of the covariance matrix \(\Sigma_{\theta}\).
We investigate the asymptotic properties of the Whittle estimate, in particular uniform convergence of the likelihoods, and consistency and Gaussianity of the estimator. A main point is a detailed analysis of the asymptotic bias which is considerably more difficult for random fields than for time series. Furthemore, we prove in case of model misspecification that the minimum of our Whittle likelihood still converges, where the limit is the minimum of the Kullback-Leibler information divergence.
Finally, we evaluate the performance of the Whittle estimator through computational simulations and estimation of conditional autoregressive models, and a real data application.
Botrytis cinerea, der Erreger der Graufäule, infiziert hunderte verschiedene Pflanzenspezies und verursacht weltweit enorme landwirtschaftliche Verluste. Dabei tötet er das Wirtsgewebe sehr schnell mithilfe lytischer Enzyme und Nekrose-induzierender Metaboliten und Proteine ab. Das Signal-Mucin Msb2 ist in B. cinerea, wie in anderen pathogenen Pilzen, wichtig für die Oberflächenerkennung, Differenzierung von Appressorien und die Penetration des Pflanzengewebes. Msb2 agiert oberhalb der BMP1 Pathogenitäts-MAPK-Kaskade. In dieser Studie konnte eine direkte Interaktion zwischen Msb2 und BMP1, sowie zwischen den beiden Sensorproteinen Msb2 und Sho1 nachgewiesen werden. Dennoch führte die Deletion von sho1 lediglich zu geringfügigen Defekten im Wachstum, der Hyphendifferenzierung und der Bildung von Infektionsstrukturen. Sho1 zeigte nur einen geringen Einfluss auf die Aktivierung von BMP1. Das Fehlen von Sho1 verursachte keine Virulenzdefekte, während der Doppel-KO von msb2 und sho1 zu einer stärkeren Reduzierung der Läsionsausbreitung im Vergleich zu msb2 Mutanten führte. Es wurden mehrere keimungsregulierte, BMP1 abhängige Gene deletiert und die Mutanten phänotypisch charakterisiert. Keines der Gene für lytische Enzyme oder putative Effektorproteine beeinflusste die Virulenz. Mutanten, denen das für ein Ankyrin-repeat Protein codierende arp1 Gen fehlt, zeigten eine gestörte Oberflächenerkennung, gravierende Wachstumsdefekte und reduzierte Virulenz.
B. cinerea VELVET-Mutanten sind in der lichtabhängigen Differenzierung und der Ausbreitung nekrotischer Läsionen beeinträchtigt. In dieser Arbeit ermöglichte die Charakterisierung mehrerer Mutanten ein besseres Verständnis der molekularen Vorgänge, aufgrund derer der VELVET-Komplex die Entwicklung und Pathogenese in B. cinerea reguliert. Quantitative Vergleiche der in planta Transkriptome und Sekretome führten zur Identifizierung eines für drei VELVET-Mutanten gemeinsamen Sets an herunterregulierten Genen, welche für CAZymes, Proteasen und Virulenz-assoziierte Proteine codieren. Die meisten dieser Gene wurden zusätzlich im Wildtyp während der Infektion verstärkt exprimiert, was zusätzliche Hinweise auf deren Relevanz im Infektionsprozess lieferte. Die drastisch verringerte Expression von Genen für Proteasen konnte mit niedrigerer Proteaseaktivität und der unvollständigen Mazeration des Gewebes an der Infektionsstelle in Verbindung gebracht werden. Der neu etablierte quantitative Sekretom-Vergleich des Wildtyps und der VELVET-Mutanten mithilfe 15N-markierter Proteine korrelierte eindeutig mit den Transkriptomdaten sekretierter Proteine. Damit wurde gezeigt, dass die Abundanz der Proteine maßgeblich von deren mRNA-Level abhängt. Die Unfähigkeit zur Ansäuerung des Wirtsgewebes ist einer der interessantesten phänotypischen Aspekte der VELVET-Mutanten. Während Citrat die dominierende von B. cinerea ausgeschiedene Säure ist, sekretierten VELVET-Mutanten deutlich weniger Citrat. Weder für Oxalat noch für Gluconat konnte eine wichtige Rolle während der Infektion bestätigt werden. Die Läsionsausbreitung der Mutanten wurde sowohl durch Zugabe von Vollmedium, als auch durch künstlich konstant niedrig eingestellte pH-Werte an den Infektionsstellen gefördert, während die Einstellung auf neutrale pH-Werte die Expansion beim B. cinerea Wildtyp stark beeinträchtigte. Damit ist die Ansäuerung in Tomatenblättern ein wichtiger Virulenzmechanismus, der möglicherweise essentiell für die Aktivität der sekretierten Proteine ist.
Überraschenderweise scheint eine Ansäuerung des Gewebes für die erfolgreiche Infektion der Ackerbohne Vicia faba nicht notwendig zu sein. Weder B. cinerea noch der am nächsten verwandte Botrytis fabae, welcher sich als Spezialist auf V. faba aggressiver verhält, zeigten während der erfolgreichen Infektion eine Ansäuerung des Ackerbohnenblattgewebes. B. fabae ist auf wenige Wirtspflanzen der Fabaceae begrenzt. Die Grundlagen der Wirtsspezifität sind bisher unklar. Vergleichende Transkriptom- und Sekretom-Analysen ergaben Hinweise für die molekularen Ursachen der unterschiedlichen Wirtsspektren von B. cinerea und B. fabae. In dieser Arbeit konnte die schlechte Infektion durch B. fabae auf Tomatenblättern mit einer deutlich niedrigeren Proteaseaktivität in Verbindung gebracht werden, während artifiziell konstant niedrige pH-Werte die Läsionsausbreitung kaum förderten. Im Gegensatz zur Infektion von Tomatenblättern wurden jedoch auf V. faba insgesamt deutlich niedrigere Proteaseaktivitäten in den Sekretomen beider Spezies gemessen. Diese Daten weisen darauf hin, dass die beiden Spezies nicht nur generell unterschiedliche Infektionsstrategien anwenden, sondern dass die Virulenzmechanismen zusätzlich vom infizierten Pflanzengewebe abhängig sind.
Embedded reactive systems underpin various safety-critical applications wherein they interact with other systems and the environment with limited or even no human supervision. Therefore, design errors that violate essential system specifications can lead to severe unacceptable damages. For this reason, formal verification of such systems in their physical environment is of high interest. Synchronous programs are typically used to represent embedded reactive systems while hybrid systems serve to model discrete reactive system in a continuous environment. As such, both synchronous programs and hybrid systems play important roles in the model-based design of embedded reactive systems. This thesis develops induction-based techniques for safety property verification of synchronous and hybrid programs. The imperative synchronous language Quartz and its hybrid systems’ extensions are used to sustain the findings.
Deductive techniques for software verification typically use Hoare calculus. In this context, Verification Condition Generation (VCG) is used to apply Hoare calculus rules to a program whose statements are annotated with pre- and postconditions so that the validity of an obtained Verification Condition (VC) implies correctness of a given proof goal. Due to the abstraction of macro steps, Hoare calculus cannot directly generate VCs of synchronous programs unless it handles additional label variables or goto statements. As a first contribution, Floyd’s induction-based approach is employed to generate VCs for synchronous and hybrid programs. Five VCG methods are introduced that use inductive assertions to decompose the overall proof goal. Given the right assertions, the procedure can automatically generate a set of VCs that can then be checked by SMT solvers or automated theorem provers. The methods are proved sound and relatively complete, provided that the underlying assertion language is expressive enough. They can be applied to any program with a state-based semantics.
Property Directed Reachability (PDR) is an efficient method for synchronous hardware circuit verification based on induction rather than fixpoint computation. Crucial steps of the PDR method consist of deciding about the reachability of Counterexamples to Induction (CTIs) and generalizing them to clauses that cover as many unreachable states as possible. The thesis demonstrates that PDR becomes more efficient for imperative synchronous programs when using the distinction between the control- and dataflow. Before calling the PDR method, it is possible to derive additional program control-flow information that can be added to the transition relation such that less CTIs will be generated. Two methods to compute additional control-flow information are presented that differ in how precisely they approximate the reachable control-flow states and, consequently, in their required runtime. After calling the PDR method, the CTI identification work is reduced to its control-flow part and to checking whether the obtained control-flow states are unreachable in the corresponding extended finite state machine of the program. If so, all states of the transition system that refer to the same program locations can be excluded, which significantly increases the performance of PDR.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde zunächst ein modulares, breit anwendbares Syntheseprotokoll zur Darstellung gemischter NHC-Phosphanliganden etabliert, das Zugang für zahlreiche PC- und PCP-Imidazoliumsalze gewährte. Modifikationen der Ligandstruktur, beispielsweise durch Salzmetathese oder Oxidation der Phosphanfunktion, konnten erfolgreich umgesetzt werden.
In der Folge wurde der Versuch unternommen, mehrere Metalle der Gruppen IX – XI an die entsprechenden PC- und PCP-Systeme unter Bildung multimetallischer Komplexe zu koordinieren. Dafür kamen verschiedene Methoden zur Generierung von NHC-Komplexen zum Einsatz: Neben der eingängig bekannten Reaktion von mit externer Base deprotonierten Carbenen mit den jeweiligen Metallvorstufen auch Umsetzungen von Ag(I)- und Cu(I)-NHC-Komplexen als Transmetallierungsagentien oder Nickelocen als Precursor mit Cp- als interner Base. Hierbei wurden zahlreiche monometallische Verbindungen erhalten, bei denen der NHC-Phosphanligand chelatisierend an das jeweilige Zentralmetall bindet.
Die Resultate dieser Experimente führten zu der Idee, neben der P,C-Bindungseinheit des Liganden eine weitere Donorstelle in die Struktur der Imidazoliumsalze zu integrieren. Diese sollte insbesondere härtere, polarisierte Übergangsmetallionen koordinieren können. Zur Umsetzung dieses Vorhabens wurden ausgehend von einem Pyridinyl-, Phenanthrolin- und Amino-N,N-diacetat-Substitutionsmuster drei neuartige gemischte NHC-Phosphanliganden entwickelt.
Abschließend wurde die Reaktion von alkyl- und arylfunktionalisierten PC-Imida-zoliumsalzen mit dem trimeren Metallcarbonylen der Elemente Eisen und Ruthenium untersucht. Während bei der Eisen(0)-Verbindung die Bildung eines Chelatkomplexes mit dem Eisenzentrum in der Oxidationsstufe 0 beobachtbar war, konnte bei dem korrespondierenden Ru(0)-Precursor ausschließlich oxidative Addition des Liganden an das Ruthenium festgestellt werden. In Gegenwart einer Base ist es möglich, auch im Fall von Ru3(CO)12 einen Ru(0)-Komplex darzustellen, der nachfolgend durch Umsetzung mit Methyliodid zu einer Ruthenium(II)-Verbindung oxidiert werden konnte.
Die Zusammenarbeit von Menschen in Projekten ist geprägt von ihren persönlichen Erfahrungen und
Interessen im jeweiligen Umfeld. Dieses Umfeld − nennen wir es hier „System“ − hat wiederum eigene
Interessen und befindet sich in einem erweiterten Umfeld. Dieses Systemumfeld kann bis zum Erreichen
des Universums ausgedehnt werden. Die Notwendigkeit in großen Bauvorhaben, mit der Komplexität
umgehen zu können, setzt die Kenntnisse der Zusammenhänge und den Willen zum systemorientierten
Handeln voraus.
In einem Bauprojekt ist eine endliche Menge von handelnden Personen mit ihren jeweiligen Rollen,
Aufgaben und Abhängigkeiten in den sie umgebenden Systemen (Organisationen) vorhanden. Im
Wesentlichen werden die Hauptfunktionen in Projekten durch Bauherr, Planer und der ausführenden
Firma dargestellt. Eine besondere Rolle kommt hier dem Bauherrn bzw. seinen Erfüllungsgehilfen im
Projektmanagement zu. Projektmanager haben als einzige die Chance, von Anfang bis Ende den gesamten
Projektlebenszyklus zu erleben. Als Teil ihrer Aufgaben kümmern sie sich um die Zieldefinitionen
für Organisation, Qualitäten und Quantitäten, Termine, Kosten und rechtliche Rahmenbedingungen
und steuern die durch die Bauherren beauftragten Planer und ausführenden Firmen.
Die heute bei großen Bauvorhaben vorkommenden „fungierenden Bauherren“ und die „öffentlichen
Bauherren“ bestehen aus Bauherrenorganisationen mit einer Vielzahl von Akteuren. Hieraus erwächst
die Notwendigkeit, die zahlreichen Beteiligten mit ihren verschiedenen Organisationen in Bezug auf die
verschieden gelagerte Interessenlage zu koordinieren und zielorientiert zu führen. Durch die notwendige
Integration der weiteren Systemkreise von Planern und ausführenden Firmen entstehen neue,
zusätzliche Steuerungsaufgaben, und die Komplexität des Projektes steigt in Dimensionen, die ohne
systemorientierten Ansatz nur schwer zu durchschauen und somit kaum noch zu bewältigen ist.
Zur Klärung der Fragen, welche Gestalt die Komplexität in großen Bauvorhaben annehmen und wie
ein Projektmanager mit diesen Herausforderungen umgehen kann, zielte die Arbeit auf die Erforschung
der Grundlagen von Komplexität und die Analyse ihrer Auswirkungen auf das Bauprojektmanagement.
Das entstandene Modell basiert auf zwölf charakterisierenden Eigenschaften komplexer adaptiver Systeme
und bildet hieraus fünf Merkmale für den systemischen Aufbau und Ablauf von Bauvorhaben.
Berücksichtigt wird, wie die Elemente und Teilsysteme zueinander stehen, und obwohl sie unterschiedliche
Charakteristika bzw. Zustände aufweisen können, dennoch ein gemeinsames Verhalten erzeugen
und eine Identität zum Umfeld herausbilden können. Hierzu sind neben Struktur und Veränderungen
in einem komplexen System auch die Wahrnehmungen und das Verhalten der Beteiligten sowie die
Umwelt eines Projektes maßgebend.
Im Rahmen einer Expertenbefragung mit vierzig standardisierten Interviews, die mit Vertretern der
drei Systemkreise Bauherr, Planer und ausführende Firma geführt wurden, konnte im ersten Schritt
das Wissen über Komplexität und die Zusammenhänge zum Baumanagement herausgearbeitet werden.
Diese Erkenntnisse wurden ergänzt um die Analyse verschiedener Bewertungsschemata und auf
dieser Basis zehn Indikatoren herausgebildet, die sich in fünf Subsystemen eines Bauvorhabens darstellen.
Jeder Indikator wurde in Bezug auf die fünf Merkmale der Komplexität in Bauvorhaben untersucht,
und Teilaspekte wurden zur Bewertung herangezogen. Es erfolgt eine relative Bewertung mit einer
Einstufung von 1 bis 5 (sehr geringe bis sehr hohe Komplexität). Das Modell liefert im Ergebnis Komplexitätsgrade
der einzelnen Indikatoren, der Merkmale und letztlich des gesamten Bauvorhabens.
Eine anwendungsorientierte Fallstudie mit anschließenden Optimierungsansätzen und darauf aufbauenden
Präventionsvorschlägen verifizieren den Modellansatz.
In der vorliegenden Arbeit konnte dargestellt werden, wie die unzureichende Wahrnehmung von Komplexität
im Bereich des Projektmanagements, gerade zu Beginn eines Projektes, die Steuerung eines
Projektes erschweren und Störungen im Projekt zur Folge haben. Das Ergebnis kann das Projektmanagement
bei der Erfüllung seiner komplexen Aufgaben unterstützen und Entscheidungshilfen zur
Prävention leisten. Die Modellierung erfolgt unter dem Bewusstsein, dass die getroffene Auswahl den
Stand der Forschung darstellt, ohne jedoch einen Anspruch auf Vollständigkeit oder Unveränderlichkeit
zu erheben.
Weiteren Forschungsvorhaben im Aufgabenfeld des Projektmanagements können die beschriebenen
Ansätze dienlich sein, um ergänzende Ansätze zu einem besseren Umgang mit Baumaßnahmen zu
finden.
Grape powdery mildew, Erysiphe necator, is one of the most significant plant pathogens, which affects grape growing regions world-wide. Because of its short generation time and the production of large amounts of conidia throughout the season, E. necator is classified as a moderate to high risk pathogen with respect to the development of fungicide resistance. The number of fungicidal mode of actions available to control powdery mildew is limited and for some of them resistances are already known. Aryl-phenyl-ketones (APKs), represented by metrafenone and pyriofenone, and succinate-dehydrogenase inhibitors (SDHIs), composed of numerous active ingredients, are two important fungicide classes used for the control of E. necator. Over the period 2014 to 2016, the emergence and development of metrafenone and SDHI resistant E. necator isolates in Europe was followed and evaluated. The distribution of resistant isolates was thereby strongly dependent on the European region. Whereas the north-western part is still predominantly sensitive, samples from east European countries showed higher resistance frequencies.
Classical sensitivity tests with obligate biotrophs can be challenging regarding sampling, transport and especially the maintenance of the living strains. Whenever possible, molecular genetic methods are preferred for a more efficient monitoring. Such methods require the knowledge of the resistance mechanisms. The exact molecular target and the resistance mechanism of metrafenone is still unknown. Whole genome sequencing of metrafenone sensitive and resistant wheat powdery mildew isolates, as well as adapted laboratory mutants of Aspergillus nidulans, where performed with the aim to identify proteins potentially linked to the mode of action or which contribute to metrafenone resistance. Based on comparative SNP analysis, four proteins potentially associated with metrafenone resistance were identified, but validation studies could not confirm their role in metrafenone resistance. In contrast to APKs, the mode of action of SDHIs is well understood. Sequencing of the sdh-genes of less sensitive E. necator isolates identified four different target-site mutations, the B-H242R, B-I244V, C-G169D and C-G169S, in sdhB and sdhC, respectively. Based on this information it was possible to develop molecular genetic monitoring methods for the mutations B-H242R and C-G169D. In 2016, the B-H242R was thereby identified as by far the most frequent mutation. Depending on the analysed SDH compound and the sdh-genotype, different sensitivities were observed and revealed a complex cross-resistance pattern.
Growth competition assays without selection pressure, with mixtures of sensitive and resistant E. necator isolates, were performed to determine potential fitness costs associated with fungicide resistance. With the experimental setups used, a clear fitness disadvantage associated with metrafenone resistance was not identified, although a strong variability of fitness was observed among the tested resistant E. necator isolates. For isolates with a reduced sensitivity towards SDHIs, associated fitness costs were dependent on the sdh-genotype analysed. Competition tests with the B-H242R genotypes gave evidence that there are no fitness costs associated with this mutation. In contrast, the C-G169D genotypes were less competitive, indicating a restricted fitness compared to the tested sensitive partners. Competition assays of field isolates, which exhibited several resistances towards different fungicide classes, indicated that there are no fitness costs associated with a multiple resistant phenotype in E. necator. Overall, these results clearly indicate the importance to analyse a representative number of isolates with sensitive and resistant phenotypes.
Epoxy belongs to a category of high-performance thermosetting polymers which have been used extensively in industrial and consumer applications. Highly cross-linked epoxy polymers offer excellent mechanical properties, adhesion, and chemical resistance. However, unmodified epoxies are prone to brittle fracture and crack propagation due to their highly crosslinked structure. As a result, epoxies are normally toughened to ensure the usability of these materials in practical applications.
This research work focuses on the development of novel modified epoxy matrices, with enhanced mechanical, fracture mechanical and thermal properties, suitable to be processed by filament winding technology, to manufacture composite based calender roller covers with improved performance in comparison to commercially available products.
In the first stage, a neat epoxy resin (EP) was modified using three different high functionality epoxy resins with two type of hardeners i.e. amine-based (H1) and anhydride-based (H2). Series of hybrid epoxy resins were obtained by systematic variation of high functionality epoxy resin contents with reference epoxy system. The resulting matrices were characterized by their tensile properties and the best system was chosen from each hardener system i.e. amine and anhydride. For tailored amine based system (MEP_H1) 14 % improvement was measured for bulk samples similarly, for tailored anhydride system (MEP_H2) 11 % improvement was measured when tested at 23 °C.
Further, tailored epoxy systems (MEP_H1 and MEP_H2) were modified using specially designed block copolymer (BCP), and core-shell rubber nanoparticles (CSR). Series of nanocomposites were obtained by systematic variation of filler contents. The resulting matrices were extensively characterized qualitatively and quantitatively to reveal the effect of each filler on the polymer properties. It was shown that the BCP confer better fracture properties to the epoxy resin at low filler loading without losing the other mechanical properties. These characteristics were accompanied by ductility and temperature stability. All composites were tested at 23 °C and at 80 °C to understand the effect of temperature on the mechanical and fracture properties.
Examinations on fractured specimen surfaces provided information about the mechanisms responsible for reinforcement. Nanoparticles generate several energy dissipating mechanisms in the epoxy, e.g. plastic deformation of the matrix, cavitation, void growth, debonding and crack pinning. These were closely related to the microstructure of the materials. The characteristic of the microstructure was verified by microscopy methods (SEM and AFM). The microstructure of neat epoxy hardener system was strongly influenced by the nanoparticles and the resulting interfacial interactions. The interaction of nanoparticles with a different hardener system will result in different morphology which will ultimately influence the mechanical and fracture mechanical properties of the nanocomposites. Hybrid toughening using a combination of the block-copolymer / core-shell rubber nanoparticles and block copolymer / TiO2 nanoparticles has been investigated in the epoxy systems. It was found out that addition of rigid phase with a soft phase recovers the loss of strength in the nanocomposites caused by a softer phase.
In order to clarify the relevant relationships, the microstructural and mechanical properties were correlated. The Counto’s, Halpin-Tsai, and Lewis-Nielsen equations were used to calculate the modulus of the composites and predicted modulus fit well with the measured values. Modeling was done to predict the toughening contribution from block copolymers and core-shell rubber nanoparticles. There was good agreement between the predicted values and the experimental values for the fracture energy.
Computational simulations run on large supercomputers balance their outputs with the need of the scientist and the capability of the machine. Persistent storage is typically expensive and slow, its peformance grows at a slower rate than the processing power of the machine. This forces scientists to be practical about the size and frequency of the simulation outputs that can be later analyzed to understand the simulation states. Flexibility in the trade-offs of flexibilty and accessibility of the outputs of the simulations are critical the success of scientists using the supercomputers to understand their science. In situ transformations of the simulation state to be persistently stored is the focus of this dissertation.
The extreme size and parallelism of simulations can cause challenges for visualization and data analysis. This is coupled with the need to accept pre partitioned data into the analysis algorithms, which is not always well oriented toward existing software infrastructures. The work in this dissertation is focused on improving current work flows and software to accept data as it is, and efficiently produce smaller, more information rich data, for persistent storage that is easily consumed by end-user scientists. I attack this problem from both a theoretical and practical basis, by managing completely raw data to quantities of information dense visualizations and study methods for managing both the creation and persistence of data products from large scale simulations.
In this thesis we address two instances of duality in commutative algebra.
In the first part, we consider value semigroups of non irreducible singular algebraic curves
and their fractional ideals. These are submonoids of Z^n closed under minima, with a conductor and which fulfill special compatibility properties on their elements. Subsets of Z^n
fulfilling these three conditions are known in the literature as good semigroups and their ideals, and their class strictly contains the class of value semigroup ideals. We examine
good semigroups both independently and in relation with their algebraic counterpart. In the combinatoric setting, we define the concept of good system of generators, and we
show that minimal good systems of generators are unique. In relation with the algebra side, we give an intrinsic definition of canonical semigroup ideals, which yields a duality
on good semigroup ideals. We prove that this semigroup duality is compatible with the Cohen-Macaulay duality under taking values. Finally, using the duality on good semigroup ideals, we show a symmetry of the Poincaré series of good semigroups with special properties.
In the second part, we treat Macaulay’s inverse system, a one-to-one correspondence
which is a particular case of Matlis duality and an effective method to construct Artinian k-algebras with chosen socle type. Recently, Elias and Rossi gave the structure of the inverse system of positive dimensional Gorenstein k-algebras. We extend their result by establishing a one-to-one correspondence between positive dimensional level k-algebras and certain submodules of the divided power ring. We give several examples to illustrate
our result.
The present situation of control engineering in the context of automated production can be described as a tension field between its desired outcome and its actual consideration. On the one hand, the share of control engineering compared to the other engineering domains has significantly increased within the last decades due to rising automation degrees of production processes and equipment. On the other hand, the control engineering domain is still underrepresented within the production engineering process. Another limiting factor constitutes a lack of methods and tools to decrease the amount of software engineering efforts and to permit the development of innovative automation applications that ideally support the business requirements.
This thesis addresses this challenging situation by means of the development of a new control engineering methodology. The foundation is built by concepts from computer science to promote structuring and abstraction mechanisms for the software development. In this context, the key sources for this thesis are the paradigm of Service-oriented Architecture and concepts from Model-driven Engineering. To mold these concepts into an integrated engineering procedure, ideas from Systems Engineering are applied. The overall objective is to develop an engineering methodology to improve the efficiency of control engineering by a higher adaptability of control software and decreased programming efforts by reuse.
Eine nachfrageorientierte und bedarfsgerechte Stadtplanung muss im Sinne
der Ordnung und Leitung der baulichen und sonstigen Nutzung des Bodens
unterschiedliche Flächenansprüche von Zielgruppen berücksichtigen, um
eine wechselseitige und verträgliche Zuordnung von Nutzungen zu erreichen.
Eine bedarfsgerechte Ausweisung von Wohnbauland erfordert es im
Sinne einer nachhaltigen Planung zu wissen, wo und wie die Menschen
wohnen wollen, wie ihre Präferenzen hinsichtlich Investitionsentscheidungen
(Miete oder Kauf) sowie deren quantitativen und qualitativen Anforderungen
an Wohnstandorte (Wohnung und Wohnumfeld) zu beurteilen sind.
Aus planungswissenschaftlicher Sicht sind im Rahmen der Wohnbaulandentwicklung
quantitative, qualitative und prozessuale Defizite von planungspraktischer
Relevanz identifizierbar, die sich – ausgehend von den Phasen
der Bedarfsermittlung über die Standortfindung und Bauleitplanung bis hin
zur baulichen Realisierung (Erschließung und Hochbau) – prozessübergreifend
erstrecken. So werden insbesondere qualitative Aspekte in diesen Prozessschritten
nicht gänzlich und zusammenhängend berücksichtigt, obwohl
qualitative Indikatoren bei der Wohnstandortentscheidung – im Sinne einer
sozialverträglichen, bestands- als auch nachfrageorientierten Stadtplanung
– eine immer stärkere Bedeutung erfahren.
Die Erkenntnisse aus der mikrogeographischen Milieu-Forschung – betrachtet
wird in der vorliegenden Arbeit primär das Sinus-Milieu-Modell® –
liefern Indizien für die zu erwartende quantitative und qualitative raumbezogene
Nachfrage einer heterogenen Stadtgesellschaft. Daher wird ein wissenschaftlicher
und planungspraktischer Mehrwert untersucht, der die Erkenntnisse
der Sinus-Milieu®-Forschung verwendet und im Sinne eines strategischen
Gesamtansatzes für Planungsprozesse nutzbar macht.
Anhand des Modellansatzes wird aufgezeigt, wie ganzheitlich
Planungs-, Realisierungs-, Vermarktungs- und Betriebsprozesse in Wohnquartieren
zielgruppenspezifisch und nachfrageorientiert gestaltet werden
können. Hierbei wird eine quantitative und qualitative Untersuchung durchgeführt,
die theoretische und anwendungsorientierte Erkenntnisse der Sinus-
Milieu®-Forschung im Kontext der Wohnbaulandentwicklung aus wissenschaftlichen
Erkenntnissen und Praxisprojekten adaptiert und in einem Optimierungsleitfaden
zur zielgruppenspezifischen Wohnbaulandausweisung
vereint. Darüber hinaus werden wohnstandort-, baugrundstücks-, wohngebäude-,
wohnungs- und planungsprozessual-bezogene Wohnqualitätskriterien
definiert, die als Orientierungsrahmen für zielgruppenspezifische
Wohnbaulandstrategien zu Grunde gelegt werden können.
Diese Erkenntnisse sind aus planungswissenschaftlicher Sicht mit einem planungspraktischen
Nutzen im Kontext der Wohnbaulandentwicklung anzusehen.
Das Vorgehen basiert auf der breiten Datenbasis der microm
GmbH, milieuspezifische und räumlicher Parameter werden für den Untersuchungsraum
in einem Sozialraumdiagramm eingeordnet. Das Instrument
der Sozialraumanalyse liegt dem Modellansatz zu Grunde und wird anhand
der Demonstrator-Kommune Stadt Kaiserslautern erforscht.
The proliferation of sensors in everyday devices – especially in smartphones – has led to crowd sensing becoming an important technique in many urban applications ranging from noise pollution mapping or road condition monitoring to tracking the spreading of diseases. However, in order to establish integrated crowd sensing environments on a large scale, some open issues need to be tackled first. On a high level, this thesis concentrates on dealing with two of those key issues: (1) efficiently collecting and processing large amounts of sensor data from smartphones in a scalable manner and (2) extracting abstract data models from those collected data sets thereby enabling the development of complex smart city services based on the extracted knowledge.
Going more into detail, the first main contribution of this thesis is the development of methods and architectures to facilitate simple and efficient deployments, scalability and adaptability of crowd sensing applications in a broad range of scenarios while at the same time enabling the integration of incentivation mechanisms for the participating general public. During an evaluation within a complex, large-scale environment it is shown that real-world deployments of the proposed data recording architecture are in fact feasible. The second major contribution of this thesis is the development of a novel methodology for using the recorded data to extract abstract data models which are representing the inherent core characteristics of the source data correctly. Finally – and in order to bring together the results of the thesis – it is demonstrated how the proposed architecture and the modeling method can be used to implement a complex smart city service by employing a data driven development approach.
The cytosolic Fe65 adaptor protein family, consisting of Fe65, Fe65L1 and Fe65L2 is involved in many intracellular signaling pathways linking via its three interaction domains a continuously growing list of proteins by facilitating functional interactions. One of the most important binding partners of Fe65 family proteins is the amyloid precursor protein (APP), which plays an important role in Alzheimer Disease.
To gain deeper insights in the function of the ubiquitously expressed Fe65 and the brain enriched Fe65L1, the goal of my study was I) to analyze their putative synaptic function in vivo, II) to examine structural analysis focusing on a putative dimeric complex of Fe65, III) to consider the involvement of Fe65 in mediating LRP1 and APP intracellular trafficking in murine hippocampal neurons. By utilizing several behavioral analyses of Fe65 KO, Fe65L1 KO and Fe65/Fe65L1 DKO mice I could demonstrate that the Fe65 protein family is essential for learning and memory as well as grip strength and locomotor activity. Furthermore, immunohistological as well as protein biochemical analysis revealed that the Fe65 protein family is important for neuromuscular junction formation in the peripheral nervous system, which involves binding of APP and acting downstream of the APP signaling pathway. Via Co-immunoprecipitation analysis I could verify that Fe65 is capable to form dimers ex vivo, which exclusively occur in the cytosol and upon APP expression are shifted to membrane compartments forming trimeric complexes. The influence of the loss of Fe65 and/or Fe65L1 on APP and/or LRP1 transport characteristics in axons could not be verified, possibly conditioned by the compensatory effect of Fe65L2. However, I could demonstrate that LRP1 affects the APP transport independently of Fe65 by shifting APP into slower types of vesicles leading to changed processing and endocytosis of APP.
The outcome of my thesis advanced our understanding of the Fe65 protein family, especially its interplay with APP physiological function in synapse formation and synaptic plasticity.
Die evangelischen Landeskirchen mit ihrem tradierten institutionellen Selbstverständnis verlieren im Zuge der Mitgliedschaftserosion immer mehr den Anschluss an eine sich rasant wandelnde Gesellschaft. Die fortschreitende Pluralisierung, Individualisierung und Mobilität der Gesellschaft sowie die Zunahme von sozialen Organisationsformen alternativ zur klassischen Kleinfamilie stellen die regional agierende und massenkommunizierende evangelische Volkskirche heute vor Herausforderungen, die sie mit ihren bisherigen institutionellen Strukturen offensichtlich nicht mehr in jeder Hinsicht bewältigen kann. Als Körperschaft des öffentlichen Rechts sieht sich die evangelische Kirche selbst auf Augenhöhe zu den staatlichen Gewalten. Auf diese Weise steht sie im Spannungsfeld zwischen dem selbst auferlegten öffentlichen, mitgliederdistanzierten Auftrag einerseits und der Erwartung zur religiösen Bedürfnisbefriedigung andererseits.
Ausgehend von dem letzten Reformimpuls, den die EKD unter dem Titel Kirche der Freiheit im Jahr 2006 an ihre Gliedkirchen aussandte, wird ein differenzierterer Ansatz vorgeschlagen, bei dem die evangelische Kirche eine ihrer wichtigsten Dimensionen, nämlich die der mitgliederbasierten Freiwilligkeitsorganisation in den Fokus rückt. Ein vornehmlich organisationales Selbstverständnis würde der evangelischen Kirche mit der Anwendung von Nonprofit-Governance-Methoden, beispielsweise mit der organisationsweiten Einführung effektiverer Leitungs- und Steuerungsmechanismen, neue und flexiblere Handlungsspielräume eröffnen. Zudem erlaubte ein auf das kirchliche Wesen zugeschnittenes Nonprofit-Marketing das Organisationsziel in Relation zum Marktgeschehen und damit zu den Bedürfnissen der Individuen zu formulieren und zu verfolgen.
In der konsequenten Weiterentwicklung der im Impulspapier der EKD genannten Funktionsgemeinden wird eine funktionale Organisationsmatrix vorgeschlagen, die sich an den vier christlichen Grundvollzügen Koinonia, Diakonia, Leiturgia und Martyria orientiert. Dies impliziert die Substitution des traditionellen Parochialsystems durch eine rein funktionale Organisationsstruktur in Form von strategischen Kerngeschäftsfeldern, unter denen die diversen kirchlichen Dienste programmatisch zusammengefasst werden.
Für die bessere Wiedererkennbarkeit im Außenverhältnis und notwendige Komplexitätsreduzierung im Binnenverhältnis wird die Konzeptionierung einer einheitlichen evangelischen Corporate Identity angeraten, die organisationsweite einheitliche Vorgaben für das Verhalten, die Außendarstellung und Kommunikation im Rahmen einer einheitlichen evangelischen Dachmarke vorsieht. Ziel ist es hier, mit einer stimmigen Corporate Identity eine kirchliche Persönlichkeit zu erschaffen, die ihre religiöse Identitätsbotschaft mit ihrer eigenen Wahrhaftigkeit vermittelt.
Das Methodenrepertoire der Stadt- und Umweltplanung befindet sich insbesondere durch den zunehmenden Einsatz von Geoweb-Methoden insgesamt in einem Umbruch hin zu einer „Smart urban Crowdsourcing“-Wissensgesellschaft [STREICH 2011: 236 F]. Kontinuierlich nimmt die An-zahl zur Verfügung stehenden Geoweb-Techniken zu, die auf ihren Einsatz in der Stadt- und Umweltplanung warten, sich in planerische Methoden integrieren oder zu solchen weiterentwickeln lassen. Am Beispiel des Verhältnisses von Planern gegenüber Bürgern werden die Veränderungen des planerischen Aufgabengebietes besonders dadurch deutlich, dass es sich hierbei nicht mehr um den reinen Transport von Informationen und gegebenenfalls eine Hilfestellung bei der Übersetzung dieser in einem klassischen Sender-Empfänger-Prinzip handelt. In einer, durch soziale Netzwerke und mobile Endgeräte, zunehmend digitalisierten Welt, ist es theoretisch möglich, dass jedem Bürger zu jeder Zeit an jedem Ort jede beliebige In-formation zum Abruf bereit steht. Auf diese Weise kann sich der Bürger informieren, seine eigene Meinung bilden und diese teilen. Da die ange-sprochenen mobilen Endgeräte zusätzlich mit Verortungstechnik ausgestat-tet sind und die geteilten Informationen um Angaben eines räumlichen Bezuges in Form von Geo-Koordinaten ergänzt werden können, bekommen die auf diesem Wege erstellten Datensätze auch zunehmend Aufmerksamkeit von Seiten der Raumplanung.
Durch die neu verfügbaren Techniken des Geowebs verändert sich auch das Aufgabengebiet von Stadt- und Umweltplanern: Um den jeweiligen „Stand der Technik“ hinsichtlich einer „smarten Planung“ [EXNER 2013] einsetzen zu können, werden sich Planer heute und auch zukünftig kontinuierlich über neue Techniken informieren müssen, diese auf ihre Einsatzpotentiale untersuchen, bestehende Planungsmethoden ergänzen und zum Einsatz bringen. Die Herausforderungen liegen dabei in der Prüfung der Geoweb-Techniken, deren Fortentwicklung sowie Integration in planerische Methoden. Beim Einsatz dieser neuen Methoden steht Generierung eines Mehrwertes für die von einer Planung betroffenen Menschen und die Planer selbst im Mittelpunkt. Mit dem Smartphone steht ein Werkzeug zur Verfügung, welches die Grundlage eines jeden, aktuell in Wissenschaft und Wirtschaft formulierten, „Smart-City“-Ansatzes bilden kann und zu dessen Umsetzung benötigt wird.
Nach einer theoretischen Behandlung des Aufgabengebietes der Stadt- und Umweltplanung und des Planungssystems in Deutschland, geht die vorliegende Arbeit zunächst auf die Genealogie des Internets und dessen Veränderungen der letzten Jahre ein. Neben der Entwicklung des Compu-tereinsatzes in der räumlichen Planung werden die neuen Möglichkeiten durch die Verbreitung von Smartphones behandelt. Außer den Potentialen wie der Erstellung raumbezogener Informationen durch den Einsatz der mobilen Endgeräte werden auch die dadurch verstärkt aufkommenden Themen des Datenschutzes und des Datenbewusstseins betrachtet.
Die Techniken und Methoden lassen sich den klassischen Aufgabenbereichen von Stadt- und Umweltplanern zuordnen. In der vorliegenden Arbeit erfolgt dieser Ansatz anhand der vier Bereiche der Strukturplanung, der Raumsensorik, der Gestaltungsplanung und den Kommunikationsplattformen entsprechend.
Das Kapitel zum Aufgabengebiet der Strukturplanung wird bei der zugehörigen Analyse nach den geometrischen Struktureinheiten punktueller, linien- und flächenhafter Informationen unterteilt. Der Bereich der Raumsensorik behandelt neben punktuell im Raum installierten Sensoren (wie z.B. Klimasensoren), die Ansätze der Humansensorik bzw. des „Menschen als Sensor im Raum“ [GOODCHILD 2007, RESCH ET AL. 2011, EXNER ET AL. 2012] und die Möglichkeiten optischer Sensortechniken, die mit unbemannten Luftfahrtgeräten nun auch als „fliegendes Auge“ zum Monitoring des Stadt- und Umweltraumes zum Einsatz gebracht werden können. Im klassischen Themengebiet der Gestaltungsplanung werden die Potentiale von virtuellen 3D-Welten in den Bereichen 3D-(Stadt-)Modelle, 360-Grad-Videos, Augmented Reality und Virtual Reality behandelt. Das den Hauptteil abschließende Kapitel rückt dagegen die Aspekte Information und Kommunikation noch einmal explizit in den Vordergrund. Hierbei wird unter anderem der Gedanke eines City-Dashboards hinsichtlich des damit zu erzielenden Mehrwertes fokussiert.
Neben der Erweiterungen hinsichtlich des Aufgabengebietes von Planern ändert sich auch dessen Rollenverständnis: In der Wissensgesellschaft befindet sich die Rolle des Planers zunehmend im Wandel und dieser nimmt eher die Rolle eines „Anwaltes in raumbezogenen Fragen“ der Bürger ein, berät diese, hilft bei der Formulierung deren Anliegen (beispielsweise auch durch die Zurverfügungstellung geeigneter Plattformen und Werkzeuge) und bringt deren Belange im Planungsprozess ein [STREICH 2014:167].
Die Auswirkungen auf das Selbstverständnis des Berufsbildes des Planers werden in einem abschließenden Fazit noch einmal aufgegriffen und zukünftige Themen im Ausblick und weiteren Forschungsbedarf thematisiert und skizziert.
Kurzusammenfassung
Molke gilt als Rohstoff, der ein in großen Mengen anfallendes Nebenprodukt der Käseindustrie ist. In den vergangenen Jahrzehnten wurde die wirtschaftliche Nutzung durch Wertschöpfung dieses kostengünstigen aber wertvollen Produktes intensiviert. Zu den drei wichtigsten Bestanteilen von Molke gehören Mineralien, Eiweiß und Lactose. Gerade der hohe physiologische Nährwert von Molke bei fast vollständiger Abwesenheit von Fett legt eine Anwendung in der Lebensmittelindustrie nahe. So werden inzwischen Bestandteile von Molke in Süßigkeiten, Diätetika, Tablettenfüll-stoffen, Verdickungsmitteln und Säuglingsernährung verwendet.
Vor der Verwendung von mikrobiellem Lab, welcher keine Spätblähung mehr verursacht, gab es ein Problem mit Nitratbelastung in der Molke durch Zugabe von Kalium- bzw. Natriumnitrat während der Käseherstellung zur Inhibition von Fehlgärungen. Bei Kleinkindern droht Lebensgefahr durch innere Erstickung, da das aus Nitrat gebildete Nitrit (durch Bakterien der Darmflora) Hämoglobin oxidiert. Daher wurden die Molkereien gezwungen sich mit dem Thema zu beschäftigen, um dieses Problem zu lösen. Für Erwachsene ist dies aber ungefährlich.
In dieser Arbeit wurde die Denitrifikation von Molkekonzentrat mit nativen Zellen und mit immobilisierten Zellen von Paracoccus denitrificans durchgeführt. Die indirekte Anwendung von dem Bakterium zur Nitratentfernung aus Molkekonzentrat befasst sich mit der Integration der Regeneration des Eluenten in den Prozess nach dem chromatographischen Verfahren. Das im Eluenten enthaltene Nitrat wird auch in Gegenwart von Natriumchlorid über mehrere Zwischenstufen zu elementarem Stickstoff reduziert. Somit wird der Eluent für eine weitere Regeneration wiederverwendbar und das Abwasseraufkommen des Gesamtprozesses stark reduziert. Eine kontinuierliche Denitrifikation des Eluenten mit einer Natriumchlorid-konzentration von 35 g/L wurde durch native Zellen realisiert. Als geeignete Denitrifikationsbedingungen wurden eine Temperatur von 37 °C, ein pH-Wert von 7,5 und die Zugabe von Acetat als Elektronendonor ermittelt.
Kontinuierliche Denitrifikationen mit nativen Zellen wurden in einer Laboratoriums- und Pilotanlage in Bioreaktoren mit einem Volumen von 5 L bzw. 25 L durchgeführt. Die Abtrennung der nativen Zellen zur Rückführung des Eluenten in die chroma-tographische Stufe erfolgte durch Cross-Flow-Filtration. Die vollständige Entfernung von Nitrat in Molkekonzentrat ist bis zu 450 Liter pro Tag im Pilotmaßstab möglich.
Im Falle immobilisierter Zellen wird die Zellabtrennung vereinfacht, da die Immobilisate 1,5-5 mm groß sind. Die Immobilisate konnten somit durch ein einfaches grobmaschiges Sieb zurückgehalten werden. Die Immobilisierung der Mikroorganis-men Paracoccus denitrificans wurde mit Hilfe des LentiKats® der Fa. genialLab GmbH hergestellt. Mit dem immobilisierten Verfahren wurde Nitrat im Eluent bzw. direkt in Molkekonzentrat denitrifiziert. Die Entfernung von Nitrat im Eluent ist bei gleichen Bedingungen wie mit nativen Zellen möglich. Allerdings zeichnen sich immobilisierte Mikroorganismen durch eine geringere Aktivität im Vergleich zu nativen Zellen aufgrund der Diffusionslimitierung, aus. So wurde durch immobilisierte Zellen eine Abbaugeschwindigkeit von v = 22,2 mgNitrat h-1∙g-1BTM im kontinuierlichen Betrieb erreicht, während durch Verwendung nativer Zellen Abbauraten von bis zu 32,4 mgNitrat h-1∙g-1BTM realisiert werden konnten. Der direkte Nitratabbau im Molkekonzentrat wurde bei Temperaturen von 10 °C bis zu 30 °C durchgeführt. Nach 1 h bei 30 °C konnte 90 mg/L Nitratkonzentrat vom Molkekonzentrat entfernt werden. Eine Akkumulierung von Nitrit ist nicht aufgetreten. Bei niedrigeren Temperaturen wurde der Nitratabbau geringer. Bei einer Temperatur von 10 °C ist es nicht mehr möglich Nitrat abzubauen. Die Untersuchung der wichtigen Inhaltstoffe, wie Protein, Mineralstoffe, Lactose, Glucose und Galactose im Molkekonzentrat wurde nach der Denitrifikation durchgeführt. Eine Änderung der Konzentration konnte nicht nachgewiesen werden.
Schlagworte: Molke, Molkeproteine, Denitrifikation, Nitrat, Immobilisierung, Paracoccus denitrificans
For many years, most distributed real-time systems employed data communication systems specially tailored to address the specific requirements of individual domains: for instance, Controlled Area Network (CAN) and Flexray in the automotive domain, ARINC 429 [FW10] and TTP [Kop95] in the aerospace domain. Some of these solutions were expensive, and eventually not well understood.
Mostly driven by the ever decreasing costs, the application of such distributed real-time system have drastically increased in the last years in different domains. Consequently, cross-domain communication systems are advantageous. Not only the number of distributed real-time systems have been increasing but also the number of nodes per system, have drastically increased, which in turn increases their network bandwidth requirements. Further, the system architectures have been changing, allowing for applications to spread computations among different computer nodes. For example, modern avionics systems moved from federated to integrated modular architecture, also increasing the network bandwidth requirements.
Ethernet (IEEE 802.3) [iee12] is a well established network standard. Further, it is fast, easy to install, and the interface ICs are cheap [Dec05]. However, Ethernet does not offer any temporal guarantee. Research groups from academia and industry have presented a number of protocols merging the benefits of Ethernet and the temporal guarantees required by distributed real-time systems. Two of these protocols are: Avionics Full-Duplex Switched Ethernet (AFDX) [AFD09] and Time-Triggered Ethernet (TTEthernet) [tim16]. In this dissertation, we propose solutions for two problems faced during the design of AFDX and TTEthernet networks: avoiding data loss due to buffer overflow in AFDX networks with multiple priority traffic, and scheduling of TTEthernet networks.
AFDX guarantees bandwidth separation and bounded transmission latency for each communication channel. Communication channels in AFDX networks are not synchronized, and therefore frames might compete for the same output port, requiring buffering to avoid data loss. To avoid buffer overflow and the resulting data loss, the network designer must reserve a safe, but not too pessimistic amount of memory of each buffer. The current AFDX standard allows for the classification of the network traffic with two priorities. Nevertheless, some commercial solutions provide multiple priorities, increasing the complexity of the buffer backlog analysis. The state-of-the-art AFDX buffer backlog analysis does not provide a method to compute deterministic upper bounds
iiifor buffer backlog of AFDX networks with multiple priority traffic. Therefore, in this dissertation we propose a method to address this open problem. Our method is based on the analysis of the largest busy period encountered by frames stored in a buffer. We identify the ingress (and respective egress) order of frames in the largest busy period that leads to the largest buffer backlog, and then compute the respective buffer backlog upper bound. We present experiments to measure the computational costs of our method.
In TTEthernet, nodes are synchronized, allowing for message transmission at well defined points in time, computed off-line and stored in a conflict-free scheduling table. The computation of such scheduling tables is a NP-complete problem [Kor92], which should be solved in reasonable time for industrial size networks. We propose an approach to efficiently compute a schedule for the TT communication channels in TTEthernet networks, in which we model the scheduling problem as a search tree. As the scheduler traverses the search tree, it schedules the communication channels on a physical link. We presented two approaches to traverse the search tree while progressively creating the vertices of the search tree. A valid schedule is found once the scheduler reaches a valid leaf. If on the contrary, it reaches an invalid leaf, the scheduler backtracks searching for a path to a valid leaf. We present a set of experiments to demonstrate the impact of the input parameters on the time taken to compute a feasible schedule or to deem the set of virtual links infeasible.
In den vergangenen Jahren hat sich der Bereich der Nanotechnologie zu einem fachübergreifenden Gebiet entwickelt. Nanopartikel besitzen aufgrund ihrer Größe und einem hohen Oberfläche zu Volumen Verhältnis besondere chemische und physikalische Eigenschaften, die sich von denen größerer Partikel unterscheiden. Das Forschungsinteresse der letzten Zeit liegt insbesondere auf deren magnetischem Charakter. Damit verbunden sind auch vielseitige industrielle Einsatzmöglichkeiten. Magnetische, nanostrukturierte Materialien werden in Bereichen wie der Chemie, der Physik sowie der Biomedizin untersucht und angewendet.
In der Chemie werden die Herstellung und die Untersuchung der katalytischen Eigenschaften von Nanopartikeln intensiv erforscht. Zu den zahlreichen Synthesemethoden von nanoskaligen Partikeln zählen zum Beispiel die thermische Zersetzung, die Mitfällung oder die Hydrothermalsynthese. Die katalytische Aktivität und die Selektivität dieser Materialien werden von der Partikelgröße, der Morphologie und der Anzahl an aktiven Oberflächenzentren beeinflusst. Die Entwicklung von stabilen Katalysatoren ist entscheidend für viele Anwendungen. Zur Stabilisierung und zum Schutz gegen Oxidation und Erosion werden oberflächenaktive Substanzen (z. B. Polymere, Tenside), anorganische oder poröse Trägermaterialien (Siliciumdioxid, Zeolithe) eingesetzt. Ein wichtiges Ziel für nachhaltige Prozesse sind leicht abtrennbare und wiederzuverwendende Nanopartikel. Dies ermöglichen zum Beispiel Kern-Schale-Katalysatoren, die eine katalytisch aktive Schale (Rh, Pt, Au) und einen magnetischen Kern aus Fe, Co, Ni besitzen. Verschiedene magnetische Nanopartikel wurden in zahlreichen Reaktionen (z. B. C-C-Kupplungen, Hydrierung von Olefinen, Hydroformylierung) getestet und zeichneten sich als katalytisch aktive und stabile Katalysatoren aus.
Im Bereich der Physik werden die magnetischen und die elektronischen Eigenschaften der Nanopartikel untersucht. Die magnetischen Einheiten werden im Forschungsgebiet der Informationstechnologie als Nanobauteile in Speichermedien eingesetzt. Die Verwendung basiert auf der Nutzung des ferromagnetischen Verhaltens einzelner Nanomaterialien in Speichereinheiten. Bei der Herstellung werden die elektrischen, optischen und magnetischen Eigenschaften der Nanopartikel beeinflusst. So tritt mit abnehmender Partikelgröße ein Übergang vom Ferromagnetismus zum Paramagnetismus auf. Außerdem beginnt die Magnetisierungsrichtung zeitlich und räumlich zu fluktuieren und die magnetisch
gespeicherten Informationen gehen verloren. Die Miniaturisierung der Komponenten (z. B. Computerchips) bei gleichzeitiger Vergrößerung der Datenspeicherdichte ist sehr wichtig. Einer der vielversprechenden Zusammensetzungen dafür sind FePt-Partikel, die auch nach Entfernen des externen elektrischen Feldes ihre Magnetisierungsrichtung nicht sofort verlieren.
Im biomedizinischen Bereich eröffnen magnetische Nanopartikel ebenfalls neue Möglichkeiten. Sie werden als spezielle Kontrastmittel für die bildgebenden Verfahren der Magnetresonanztomografie genutzt. Außerdem können funktionalisierte Partikel als Transportmittel für Wirkstoffe bei einer Krebstherapie eingesetzt werden. Eine gezielte Positionierung des mit Wirkstoff modifizierten magnetischen Nanopartikels im Körper ist dabei möglich. Die Bioverträglichkeit der Materialien wird durch eine Verkapselung der Nanopartikel mit biologisch nicht belastenden, nicht toxischen Substanzen (z. B. Polyvinylalkohol, Polyethylenglykol, Stärke oder Dextran) erreicht.
Eine Materialklasse, die Wissenschaft und Technologie vereinigt und die in den letzten Jahren immer mehr an Interesse gewonnen hat, stellen die Heusler-Verbindungen dar. Dies sind ternäre intermetallische Zusammensetzungen der Form X2YZ, die im Jahr 1903 von Fritz Heusler entdeckt und beschrieben wurden. X und Y stehen meistens für Übergangmetalle, wohingegen Z häufig ein Element der III. – V. Hauptgruppe darstellt. Eine Kombination der unterschiedlichen charakteristischen Merkmale (halbmetallischer Charakter, hohes magnetisches Moment, hohe Curie-Temperatur) in einer Verbindung ermöglicht vielseitige Anwendungen dieser Materialien. Die Eigenschaften der Heusler-Verbindungen können durch die Veränderung der Zusammensetzung (Elementenaustausch) oder durch die Variation der Stöchiometrie der kombinierten Elemente beeinflusst werden. Unter den Heusler-Materialien sind halbmetallische Ferromagneten, ferrimagnetische Zusammensetzungen, Halbleiter und Supraleiter vertreten. Die X2YZ-Kompositionen werden industriell als magneto-optische Materialien, als Formgedächtnislegierungen, in thermoelektrischen Elementen oder als topologische Isolatoren verwendet. Das
Augenmerk der Spintronik liegt bei der hohen Spinpolarisation der Heusler-Verbindungen. Effiziente Bauelemente mit einem hohen Riesenmagnetwiderstand oder einem hohen Tunnelmagnetwiderstand werden in Festplattenleseköpfen von Computern und in magnetischen Sensoren eingebaut. Mit den ersten katalytischen Experimenten an ternären intermetallischen Materialien von Hedvall und Hedin im Jahr 1935 wurde auf ein weiteres Forschungs- und Einsatzbereich für Heusler-Verbindungen hingewiesen.