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Self-consistent calculation of the starting pitch factor of TE modes in gyrotron cavities
No full textThe starting pitch factor of a transverse electric (TE) mode in a gyrotron cavity is defined as the minimum pitch factor (electron velocity ratio) that an electron beam of given current must have, in order for the mode to be excited by the beam. In high-power gyrotrons with dense spectra of competing modes, the knowledge of the starting pitch factor of several modes at different operating parameters would provide a valuable insight into the expected mode competition. Therefore, a numerical code is developed for the calculation of the starting pitch factor, based on the mathematical model of the beam-wave interaction in the gyrotron cavity. Self-consistency is achieved by solving simultaneously the equations for the electron motion and for the axial profile of the high-frequency field. Numerical results for the calculation of the starting pitch factor as well as the starting current of TE modes in various cavities are presented. The code validation, involving comparisons with the time-dependent large-signal code EURIDICE as well as with the small-signal spectral code TWANGlinspec, is also presented. Using an example of a challenging coaxial cavity design for second harmonic MW-class operation, it is shown that, in high-power gyrotrons, the calculation of the starting pitch factors of the competing modes is much more advantageous than that of their starting currents because it can immediately identify practical gyrotron start-up scenarios with a triode-type electron gun that mitigate mode competition
Synthesis and Application of Molecular Photoswitches in Photopharmacology and Drug Delivery Systems
No full textVirtual nasal cavity populations for flow prediction with distributed graph convolutional neural networks
No full textNasal air resistance is a key indicator of respiratory health and is essential for understanding nasal physiology and functions. Accurately measuring this quantity, however, remains challenging both experimentally and computationally. Data-driven methods, particularly deep learning models, offer a promising avenue for the rapid and reliable prediction of flow features, but they require large and diverse training datasets to generalize effectively to unseen cases. This study has two primary objectives: first, to develop machine learning models for respiratory flow simulations capable of accurately predicting the air resistance; and second, to introduce a data augmentation strategy for generating large virtual populations from a limited number of real patient geometries. Due to the complex and unstructured nature of nasal cavity geometries, training samples are represented as graphs, allowing direct use of computational fluid dynamic simulations as model inputs. The model is implemented as a distributed graph convolutional neural network to efficiently handle large-scale datasets, demonstrated here with 8000 graphs and scalable to even larger populations. Results show that the model achieves an R score of 0.999 in predicting the pressure drop, and that the prediction error on unseen cases decreases substantially as the virtual population is expanded from a limited set of real geometries
Validation of delay dispersion estimation for coherence imaging spectroscopy
No full textCoherence Imaging Spectroscopy (CIS) is a camera-based polarization interferometry technique that provides high-spatial-resolution 2D measurements of spectroscopic quantities. Its most common application is in the field of fusion plasma diagnostics. Like other systems based on birefringent crystals, the CIS diagnostic has a characteristic delay dispersion or group delay, i.e., how much the interferometer phase response varies with small changes in wavelength. This dispersion is one of the key system parameters that must be precisely characterized in order to derive physics-relevant quantities (such as ion flow velocity and temperature) from the raw diagnostic signal. This paper reports on the validation of delay dispersion estimation methods, based on extrapolations and interpolations, for wavelength ranges hard to access with conventional calibration sources, such as spectral lamps, diode lasers, or monochromators. The methods under investigation use either the simulation of the system response adopting simple models or power-law fits of the available delay dispersion measurements. The tests are performed using two continuous-wave tunable lasers that, together, cover the range 450–750 nm without any gaps. Moreover, the analysis is repeated for three different CIS systems featuring different crystals, imaging lenses, and cameras, revealing that the crystal alignment and lens quality can substantially influence the precision of the estimation. The smallest deviation (<2%) between the estimated and measured delay dispersion is obtained with the simplest CIS setup, less prone to hardware imperfections. The systems featuring a more complex setup show deviations that can reach 20%, including spatial structures difficult to capture with the tested estimation methods
Molekulare Analyse von Proteinen in Weizenmehlfraktionen und -extrakten zur Vorhersage von Backeigenschaften
No full textMit einer Prognose für das Jahr 2024 von 792,2 Mio. Tonnen für den Weizenanbau
weltweit zählt Weizen zu den wichtigsten Getreidesorten. Ca. 95 % des gesamten
angebauten Weizens ist Weichweizen, der wegen der einzigartigen funktionellen
Eigenschaften seiner Proteine bei der Weiterverarbeitung zu Brot genutzt wird.
Weizenproteine werden aufgrund ihrer Löslichkeit in Albumine, Globuline, Gliadine und
Glutenine unterschieden. Dabei bilden Gliadine und Glutenine das Speicherprotein
Gluten. Die Gliadine werden in die α-, γ-, ω1,2- und ω5-Gliadine unterteilt und die
Glutenine in die niedermolekularen und hochmolekularen Gluteninuntereinheiten
(LMW-GS und HMW-GS). Bei der Teigverarbeitung bildet das Gluten ein
viskoelastisches Netzwerk aus und es entstehen große Polymere wie das
Gluteninmakropolymer (GMP). Die in Natriumdodecylsulfat löslichen Proteine (SDSL)
stellen die übrigen Proteine neben dem GMP dar.
In dieser Arbeit wurden 77 kommerzielle Weichweizenproben (Weizenmuster)
unterschiedlicher Herkunft und Weizenmehlfraktionen aus Windsichtung und
Luftstrahlsiebung mit der modifizierten Osborne-Fraktionierung und SDSL/GMPBestimmung untersucht. Von den ermittelten Proteingehalten der Weizenmuster
zeigten der SDSL/GMP- und SDSL-Gehalt starke Korrelationen zum spezifischen
Brotvolumen. Gluten, Glutenine und HMW-GS zeigten eine mittlere Korrelation. Für
die Windsichtung wurde eine Proteinanreicherung in der Feinfraktion beobachtet,
während für die Glutenproteinanteile mit der Luftstrahlsiebung keine signifikante
Veränderung festgestellt wurde. Durch die gezielte Untersuchung der
Osborne-Fraktionierung mittels Fingerptinting war es möglich die Weizenmuster
miteinander zu vergleichen und spezifische Unterschiede und Gemeinsamkeiten in der
Proteinzusammensetzung hervorzuheben. Damit wurde das Probensortiment für
weitere Analysen repräsentativ zusammengestellt. Mittels eines vergleichenden
Ansatzes der zweidimensionalen Gelelektrophorese wurden 81 Proteinspots
beobachtet. Dabei wurden HMW-GS (22 Spots) und α-Gliadine (acht Spots)
identifiziert. Bei der Analyse des GMP-Extrakts mittels Tandemmassenspektrometrie
wurden HMW-GS (7), α-Gliadine (2) und LMW-GS (1) identifiziert. Die Untersuchung
der ausgewählten Weizenmuster mittels LC-MS/MS stellte einen neuen Ansatz zum
Verständnis der Proteinzusammensetzung des GMP dar
Design and Synthesis of Novel Chromophores for Application in Biology and Materials Sciences
No full textDie vorliegende Dissertation beschreibt das Design, die Synthese sowie die photophysikalische Charakterisierung neuartiger lichtemittierender Materialien, deren Emission den Bereich von Grün bis in den nahen Infrarotbereich (NIR) abdeckt und die sowohl für OLED-Technologien als auch für potenzielle biologische Anwendungen relevant sind.
Im ersten Teil werden neue Multi-Resonanz-TADF-Emitter auf Basis des DiKTa-Grundgerüstes untersucht, die zu grün emittierenden Materialien mit erhöhter Farbreinheit sowie Effizienzen von bis zu 22,5 % in OLEDs führen. Diese Ergebnisse zeigen, dass Modifikationen in der Donor-Konformation eine gezielte Anpassung der optoelektronischen Eigenschaften ermöglichen. In einem weiteren Projekt wurde der Multi-Resonanz-TADF-Emitter tBuInPzQ entworfen und synthetisiert, welcher ein kleines Molgewicht und in dotierten Filmen orange Emission bei 587 nm und eine Photolumineszenz-Quantenausbeute (PLQY) von 74 % aufweist. Darüber hinaus umfasst diese Arbeit die Entwicklung zweier neuartiger Donor-Akzeptor-Emitter mit NIR-Emission und erweitert damit den zugänglichen spektralen Bereich in Richtung biologisch relevanter Wellenlängen.
Zusätzlich wurde eine photoinduzierte Reaktion donorsubstituierter Cyclobutendione zu orange bis rot fluoreszierenden Maleimiden entdeckt und optimiert, wodurch ein schneller und unkomplizierter Syntheseweg zu dieser Chromophorklasse bereitgestellt wird. Abschließend wurde eine systematische Untersuchung halogenierter Isophthalonitrile (X-IPN; X = F, Cl, Br, I) hinsichtlich ihrer Raumtemperatur-Phosphoreszenz (RTP) durchgeführt. Pristine Materialien zeigen RTP-Lebensdauern von bis zu 380 ms, während dotierte Systeme Lebensdauern von bis zu 580 ms erreichen.
Insgesamt präsentiert diese Dissertation eine Reihe strukturell diverser Emitter und synthetischer Strategien, die die verfügbare Palette an Chromophoren für optoelektronische und biologisch relevante photophysikalische Anwendungen erweitern
Synthesis and Characterization of Novel Thiazole-based Chromophores and their Application in Silicon-Organic Hybrid Modulators
No full textCopper(I) complexes and cooperativity effects
No full textKoordinationskomplexe, basierend auf dem reichlich vorhandenen Metall Kupfer(I), haben sich als vielversprechende Alternativen zu den üblicherweise verwendeten Edelmetallen wie Ru(II), Ir(III) und Os(II) erwiesen. Obwohl sie bereits in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, gibt es noch viel zu erforschen.
Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer neuen Reihe heteroleptischer Kupferkomplexe vom Typ (PP)Cu(NN), wobei es sich bei (NN) um einen Diiminliganden handelt, der eine andere Struktur als der allgegenwärtige 1,10-Phenanthrolinligand aufweist, und (PP) ein sperriger Phosphinligand ist, der hauptsächlich zur Vermeidung der Jahn-Teller-Verzerrungen verwendet wird. Diese neuen Komplexe wurden photophysikalisch und elektrochemisch charakterisiert, um ihre Eigenschaften zu untersuchen und sie für Lichtsammel- und photokatalytische Anwendungen zu optimieren. Darüber hinaus ermöglichte die Synthese von zweikernigen Komplexen die Beobachtung und Untersuchung von angestrebten kooperativen Effekten.
Ausgehend von Kupferkomplexen auf Pyridinbasis, die bereits in unserer Gruppe publiziert wurden, wurden Kupferkomplexe auf Chinolinbasis untersucht. Der höhere Grad an π-Konjugation des Chinolingerüsts führte zu einer bathochromen Verschiebung der Absorption in den sichtbaren Bereich und ermöglichte die Erprobung dieser Komplexe in einem edelmetallfreien CO2-Photoreduktionssystem in Kombination mit dem Ni(cyclam)Cl2-Katalysator.
Durch Hinzufügen nur eines weiteren Stickstoffatoms zur Grundstruktur wurden Komplexe auf Chinoxalinbasis gebildet, die eine konsistentere bathochrome Verschiebung in Richtung des sichtbaren Teils des Lichts zur Folge hatten. Darüber hinaus ermöglichte das Vorhandensein eines zweiten Stickstoffatoms, dass sich zwei Kupferzentren dieselbe chromophore Einheit teilen konnten, mit nun verbesserter elektronischer Kommunikation, die durch theoretische Berechnungen bestätigt wurde. Unter Ausnutzung der Vielseitigkeit des Chinoxalin-Gerüsts wurde ein umfassendes Screening dieser Komplexklasse durchgeführt, bei dem die Auswirkungen der Substituenten und der relativen Position zwischen den Chinoxalin- und den Triazolringen auf die Eigenschaften der Kupferkomplexe überprüft wurden. Anschließend wurden die ansprechenden und vielfältigen Eigenschaften, die für diese Klasse beobachtet wurden, für verschiedene Zwecke, wie ATRA-Reaktionen und optoelektronische Geräte, eingesetzt.
Durch Ersetzen des Chinoxalin-Liganden mit dem höheren π-erweiterten Benzochinoxalin-Liganden wurde eine weitere Rotverschiebung in den sichtbaren Spektren erreicht. In der Tat wurde eine bemerkenswerte Absorption von rotem Licht für diese auf Benzochinoxalin basierenden Komplexe beobachtet, was selten für solche heteroleptische Diimindiphosphinkomplexe berichtet wurde. Dies macht sie weiterführend für Lichtsammelanwendungen äußerst interessant. Ein einkerniger Komplex auf Benzochinoxalinbasis wurde dann als Photokatalysator für die CO2-Reduktion getestet, was ihn zum Ersten dieser Art Cu(I)-Komplex, der für diese Anwendung eingesetzt wurde, macht
Quantifying the Impact of Climate Variability and Change on Groundwater
No full textDer Klimawandel wird sich voraussichtlich auf das Grundwasser auswirken, aber die Prognosen sind sehr unsicher. Die Quantifizierung der historischen Auswirkungen ermöglicht ein besseres Verständnis der Reaktion des Grundwassers, wurde aber aufgrund des komplexen Einflusses verschiedener Faktoren, wie Grundwasserentnahme für die landwirtschaftliche Bewässerung und Landnutzungsänderungen, nur selten untersucht. Diese Arbeit zielt darauf ab, zum Verständnis und zur Quantifizierung der historischen Auswirkungen von Klimawandel und -schwankungen auf das Grundwasser durch drei miteinander verbundene Forschungsfragen beizutragen:
Frage 1: Wie sensitiv reagieren der Grundwasserstand und die Grundwasserneubildung auf Klimaschwankungen in Australien?
Frage 2: Wie stark sind die Veränderungen des Grundwasserstands auf den anthropogenen Klimawandel in Australien zurückzuführen und wann haben sich diese Auswirkungen auf das Grundwasser bemerkbar gemacht?
Frage 3: Wie haben und werden sich die langfristigen Klimawandel und -schwankungen auf den Grundwasserabfluss (niedriger, mittlerer und hoher Abfluss) in einem großen Karsteinzugsgebiet (schneebeeinflusst, gemäßigtes Klima) in Mitteleuropa auswirken?
Die Frage 1 wurde durch Quantifizierung der Sensitivität des Grundwasserstands und der Grundwasserneubildung gegenüber Klimaschwankungen in Australien untersucht. Insgesamt 4350 Messstellen wurden zunächst mit der Zeitreihen-Grundwasser-Toolbox HydroSight modelliert, und 1143 (26%) davon wurden als klimadominierte Messstellen identifiziert. Zur Quantifizierung der Grundwassersensitivität wurde dann ein multipler linearer Regressionsansatz angewandt, der an Studien zur Elastizität von Wasserflüssen adaptiert wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass der Grundwasserstand und die Grundwasserneubildung etwa achtmal sensitiver auf Niederschläge reagieren als auf Veränderungen der potenziellen Evapotranspiration. Die inhärenten Eigenschaften der Gebiete, wie Klimatyp und Hydrogeologie, scheinen eine wichtige Rolle bei der Kontrolle der Grundwassersensitivität zu spielen.
Die Frage 2 wurde untersucht, indem historische Veränderungen des Grundwasserstands in Australien festgestellt und auf den anthropogenen Klimawandel zurückgeführt wurden. An den vom Klima dominierten Standorten wurde ein Modellierungsexperiment durchgeführt, um die Veränderungen des Grundwasserstands sowohl in der faktischen als auch in der kontrafaktischen (natürlichen) Welt mit und ohne menschlichen Einfluss zu simulieren. Die Ergebnisse zeigen, dass 90% der Standorte seit den 1950er Jahren eine signifikante Grundwasserabsenkung erfahren haben, die auf den anthropogenen Klimawandel zurückzuführen ist. Im Südwesten Australien ist die Abnahme am höchsten und liegt viermal so hoch wie der nationale Median (-74 gegenüber -19 mm pro Jahr). Diese Ergebnisse gehören zu den ersten, die zeigen, dass das Grundwasser bereits seit längerer Zeit den negativen Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels leidet.
Zur Beantwortung von Frage 3 wurde die Reaktion des Grundwasserabflusses auf Klimawandel und -schwankungen in einem schneebeeinflussten Karsteinzugsgebiet der gemäßigten Breiten (Blautopf) in Süddeutschland zwischen 1952 und 2100 quantifiziert. In dieser Studie wurden statistische Methoden und konzeptionelle Modellierungen eingesetzt, um die langfristigen Auswirkungen zu quantifizieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die Veränderungen des jährlichen mittleren und niedrigen Abflusses nicht signifikant waren, aber der jährliche Spitzenabfluss hat sich aufgrund der weniger intensiven Schneeschmelze auf einen niedrigen Wert (< 13,6 m3/s) verschoben. Trotz nicht signifikanter historischer Veränderungen werden alle hoch-, niedrig- und mittleren Abflüsse bis zum Jahr 2100 voraussichtlich abnehmen. Diese Ergebnisse können auf potenzielle Risiken der Wassermangelversorgung an ähnlichen klimatischen und geologischen Standorten hinweisen.
Die Quantifizierung der historischen Auswirkungen von Klimawandel und -schwankungen auf das Grundwasser trägt zu einem besseren Verständnis der Reaktion des Grundwassers bei und erhöht die Zuverlässigkeit der Vorhersagen. Nur wenn wir die Vergangenheit verstehen, können wir bessere Vorhersagen für die Zukunft machen
Molecular Engineering of Fluorinated Hybrid Gel Polymer Electrolytes Enables Ultra‐Wide‐Temperature Operation of High‐Voltage Lithium Metal Batteries
No full textThe development of wide-temperature gel polymer electrolytes (GPEs) represents a promising strategy for enhancing the extreme environment tolerance of lithium-metal batteries (LMBs), which requires simultaneously optimizing Li+ transport kinetics at low temperatures and maintaining the thermal and mechanical stability. This work addresses the intrinsic limitations of conventional GPEs by employing a molecular engineering strategy that achieves molecular-scale hybridization of organic and inorganic units. Specifically, a fluorinated hybrid gel polymer electrolyte (FHPE) is fabricated through the in situ crosslinking polymerization of trifluoroethyl acrylate (TFEA) and acryloxypropyl polyhedral oligomeric silsesquioxane (Acry-POSS) within 2,2-difluoroethyl acetate (DFEA). The FHPE displays high Li conductivity (3.54 × 10 S cm at −30°C), broad electrochemical stability window (>4.7 V), and remarkable mechanical strength (58.7 MPa). Moreover, the FHPE promotes the formation of LiF-rich interphases on the LiCoO cathode and lithium metal anode, thereby effectively mitigating dendrite growth and interfacial side reactions. Consequently, FHPE-based Li/Li coin cells stably cycle for 1500 h at 0.3 mA cm and −30°C, while Li/LiCoO coin cells exhibit 86.7% capacity retention after 200 cycles at −30°C and 77.9% after 400 cycles at 60°C. Furthermore, Li/FHPE/LiCoO pouch cells exhibit stable operation during nail penetration tests, thereby confirming their exceptional safety