TU Dortmund University
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Strong and tough double network hydrogels based on poly(2-oxazoline) and polyacrylates
No full textDouble network hydrogels (DNHs) are known for their exceptional stiffness, toughness, and tunable characteristics, making them valuable for applications in membrane technology, energy storage, and, of significant importance, in biomedicine. These materials show great potential for replicating complex biomaterials such as cartilage. This work presents, for the first time, the development of DNHs based on poly(2-oxazoline) as the primary network and various polyacrylates as the secondary network, resulting in materials with remarkable toughness. The thesis is structured into three main parts, each addressing different features and challenges involved in developing these DNHs.
The first section focuses on the synthesis and optimization of DNHs using poly(2-oxazoline)s (POx) and poly(acrylic acid) (PAA), yielding materials with biomechanical properties comparable to cartilage, including high compressive strength and durability under physiological conditions. The second section further explores the potential of POx-based DNHs by incorporating various polyacrylates as secondary networks. This part emphasizes the investigation of interactions, functional groups, and the structural influence of the networks involved on the mechanical performance of the resulting hydrogels, achieving superior mechanical properties compared to conventional DNHs composed solely of polyacrylate networks.
Additionally, the thesis addresses the critical challenge of maintaining hydrogel functionality across a wide pH range, essential for implantable materials exposed to varying tissue environments and inflammatory responses. A novel DNH formulation, comprising poly(2-methyl-2-oxazoline) and poly(acrylic acid-co-acrylamide) P(AA-co-AAm), is developed, demonstrating remarkable stability and mechanical integrity across pH levels from 3.4 to 10.5.
Through extensive mechanical testing, this research highlights the robustness and versatility of these advanced DNHs, positioning them as strong candidates for use in tissue regeneration, implants, and other biomedical applications where durability and adaptability are crucial. This work contributes significantly to the understanding and application of DNHs in complex physiological environments
Computational methods for infrared spectroscopy of airless planetary bodies
No full textThis thesis presents three computational models to analyze the infrared spectra of airless planetary bodies like the Moon, Mercury, and the exoplanet LHS 3844b. These models aid in studying their mineral composition, hydration pattern, and thermophysical properties, ultimately helping to understand these remote worlds. First, the author developed a thermal model that simulates the radiance emerging from airless planetary bodies. Validation with lunar infrared measurements acquired by the Gaofen-4 weather satellite and the Diviner lunar radiometer showed excellent agreement. Reprocessing the model with different bolometric hemispherical emissivities yielded similar fitting results with slightly more realistic parameter estimates. The model allows analyzing Moon Mineralogy Mapper data for understanding the lunar hydration pattern, calibrating MERTIS (BepiColombo) data for mineralogical analysis of Mercury, and analyzing phase curves of the airless exoplanet LHS3844b measured with the James Webb Space Telescope. The model is also suited for data from future missions, such as the Lunar Trailblazer, and calibration of earth satellites, such as the Forest-2/3 satellite series of Ororatech. The second contribution is a model that simulates the spectral effects of space weathering, combining light scattering theory with the Hapke reflectance model. The model helps to analyze lunar hydration and mineralogy and photometric phenomena like lunar swirls. Inter-particle interactions show that closely packed iron particles cause spectral darkening, which was previously thought to be caused only by larger iron particles. Third, the author re-examined previous telescopic studies of planet Mercury that found a correlation between the spectral slope of Mercury and the emission angle. It was found that wavelength-dependent atmospheric distortions explain these alleged correlations, challenging earlier interpretations
Academic resilience and interrelationships to special education needs of students in fourth grade
No full textIn common understanding, resilience enables students to withstand adverse conditions. Resilient students achieve moderate to good educational outcomes in spite of high risks. To foster academic resilience,a deep understanding of risk and resources, their interplay and moderating effects is essential. We aim to achieve this goal by using hidden (latent) Markov modelling (HMM) to (1) identify risk and resilience in the Progress in International Reading Literacy Study (PIRLS) sample for Germany 2016 and (2) reflect on the interdependences between these factors. Furthermore, special educational needs (SEN) are introduced as a variable for post hoc analysis. A four-class solution was established and factors favoringresilience could be identified. Post hoc analyses of class allocations show that students with SEN are less likely being allocated to classes with high socio-economicresources and above average academic achievements than students without SEN
Essays on stability, functional form and poolability of nonlinear cointegrating regressions
No full textThis cumulative dissertation develops and examines cointegration regression techniques and their application to nonlinear cointegrating relationships between integrated time series, with a particular focus on the Environmental Kuznets Curve (EKC). The EKC hypothesis postulates an inverted U-shaped relationship between economic development and pollution.
Chapter 1 introduces residual-based monitoring procedures for cointegrating polynomial regressions (CPRs) to detect and date structural changes, i.e. whether a relationship may turn into a spurious relationship or whether the parameters of the relationship change. CPRs capture nonlinear dynamics by incorporating integer powers of integrated regressors. Chapter 2 evaluates estimators for nonparametric cointegrating regressions and specification tests for nonlinear cointegrating relationships, comparing their performance through a large scale simulation study. Chapter 3 extends estimators for seemingly unrelated cointegrating polynomial regressions to accommodate common integrated regressors across equations. It provides limiting distributions for these estimators, along with Wald-type hypothesis tests, RESET-type specification tests, and methods for group-wise pooled estimation, enhancing flexibility and precision in modeling complex systems
MR safety of implantable medical devices
No full textRF-induced heating is one of the safety hazards for patients with implants in MRI. Implants are classified as passive or active, with different test procedures measuring the resulting temperature rise. Heating depends on the E-field along the implant and the implant characteristics such as size and material. Implants are tested using a phantom container filled with a tissue simulating medium placed in an RF exposure system. Typically, a body coil from an MR scanner is used. Since these coils are designed to produce a homogeneous B-field, they are not ideal for E-field generation. Their disadvantages in terms of E-field homogeneity and direction are investigated in this thesis. An alternative exposure system (LES) is extensively validated and compared to a body coil system. Different sized passive objects are used, resulting in a higher temperature rise in the LES compared to the body coil for the same average E-field. Therefore, the possible temperature rise per E-field in the body coil is underestimated, while the E-field distribution in the LES leads to a worst-case temperature rise, increasing the reliability of the patient risk.
For active implants, a novel measurement approach with fixed object to E-field probe distance is validated and compared to the standard approach. The overall uncertainty is reduced by half by eliminating the uncertainty of probe position and coupling. In addition, the measurement time is reduced from several days to hours, measuring thousands of data points instead of about 25
Occupational success across the lifespan: on the differential importance of childhood intelligence, social background, and education across occupational development
No full textWhat shapes (occupational) success in later life? This study examines the differential importance of intelligence in late childhood, socioeconomic background, and education across later occupations. The quantity and quality of educational success are thought to mediate the other dimensions. We analyzed data from N = 4387 participants in a German longitudinal large-scale study in multiple regression and mediation models to examine how childhood intelligence and socioeconomic background predict income and occupational status at different career stages. Both childhood intelligence and socioeconomic background predict status and income in adulthood, with childhood intelligence being the stronger predictor. However, education is an even stronger predictor and—once included in the model—mediates virtually all effects of childhood intelligence and socioeconomic background. This pattern remains stable across career stages, and education has unique effects on income and occupational status in later work life, even when controlling for work experience. Our results emphasize the pivotal role of education in transitioning to the labor market and further development at work, even at later career stages. Given the stronger link between childhood intelligence and educational success in Germany than in other countries, we find that Germany is one of the more intelligence-driven systems
Time-resolved momentum microscopy with fs-XUV photons at high repetition rates with flexible energy and time resolution
No full textTime-resolved momentum microscopy is an emerging technique based on photoelectron spectroscopy for characterizing ultrafast electron dynamics and the out-of-equilibrium electronic structure of materials in the entire Brillouin zone with high efficiency. In this article, we introduce a setup for time-resolved momentum microscopy based on an energy-filtered momentum microscope coupled to a custom-made high-harmonic generation photon source driven by a multi-100 kHz commercial Yb-ultrafast laser that delivers fs pulses in the extreme ultraviolet range. The laser setup includes a nonlinear pulse compression stage employing spectral broadening in a Herriott-type bulk-based multi-pass cell. This element allows flexible tuning of the driving pulse duration, providing a versatile time-resolved momentum microscopy setup featuring two operational modes designed to enhance either the energy or time resolution. We show the capabilities of the system by tracing ultrafast electron dynamics in the conduction band valleys of a bulk crystal of the 2D semiconductor WS2. Using uncompressed driving laser pulses, we demonstrate an energy resolution better than (107 ± 2) meV, while compressed pulses lead to a time resolution better than (48.8 ± 17) fs
Elektromagnetische Teilentladungsdiagnose mit ausrichtungsunabhängigen Patch-Antennen und robusten Entstörungsmethoden
No full textDie Teilentladungsdiagnose ist ein wichtiger Bestandteil der Zustandsbewertung von Betriebsmitteln und dient der Gewährleistung der Übertragungssicherheit des Energieübertragungsnetzes. Teilentladungen (TE) sind Ionisierungsvorgänge aufgrund überhöhter Feldstärken und stellen ein lokales Versagen der Isolierung dar. Eine Möglichkeit der Erfassung von TE ist die elektromagnetische Erfassung. Die Erfassung von TE durch Antennen erfolgt kontaktlos während des Betriebs. In Umgebungen mit hohem Störpegel werden die TE-Signale allerdings von schmalbandigen und breitbandigen Störern sowie Rauschen vollständig überlagert. Neben klassischen Filterverfahren und Mittelung bietet hier das Wavelet-Denoising einen Ansatz zur Störreduktion. Im Rahmen des Wavelet-Denoisings wird eine skalierbare und verschiebbare Funktion, die sogenannte Wavelet-Funktion, über das Zeitsignal geschoben. Das Zeitsignal wird in Koeffizienten zerlegt, die dann nach bestimmten Schwellwertregeln zur Störunterdrückung manipuliert werden. Die Bestimmung des Schwellwerts erfolgt durch Verfahren zur Schätzung der Störumgebung. Es erfolgen Untersuchungen zur optimalen Wahl von Wavelet-Funktion, Schätzverfahren und Schwellwertregel. Zur Bewertung der Störreduktion, der Signalverzerrung durch den Entstörungsprozess und der Detektion der TE-Impulse wird ein Verfahren entwickelt, welches in einer Vorstudie mit einem synthetischen eindeutig bekannten Signal durchlaufen und im Anschluss auf die realen Messdaten angewendet wird. Ein spezieller Messaufbau ermöglicht die Validierung der erfolgreichen Isolation der TE-Signale von der Störumgebung durch gezielte Erzeugung von TE und eine parallele leitungsgebundene Referenzmessung. Klassische Antennenstrukturen wie die logarithmisch periodische Richtfunkantenne werden bereits zur Erfassung von TE genutzt. Aufgrund ihrer Richtcharakteristik ist Kenntnis über den Entstehungsort der TE erforderlich. Außerdem sind die Maße solcher breitbandigen Strukturen in der klassischen Bauform mit über 2 Metern in der Anwendung unhandlich. Im Rahmen dieser Arbeit werden Patch-Strukturen zur ausrichtungsunabhängigen Erfassung von TE designed und qualifiziert. Durch Aufbringen von Kupferstrukturen auf ein Dielektrikum sind die benötigten geometrischen Dimensionen für den gleichen Frequenzbereich geringer. Es werden eine logarithmisch periodische Patch-Struktur, eine Hilbert-Fraktal-Struktur sowie eine Flügel-Struktur realisiert. Das Design erfolgt zur Realisierung einer Rundstrahlcharakteristik antipodal. Zur Qualifizierung der Strukturen erfolgt eine Gegenüberstellung der Strukturen hinsichtlich relevanter Antennenparameter, sowie der Eignung zur ausrichtungsunabhängigen Erfassung von TE-Signalen unter Berücksichtigung der Sensitivität gegenüber Ausrichtung und Störumgebung. Zur Bestimmung der Ladungsmenge, die im Rahmen der TE-Diagnose eine relevante Kenngröße zur Zustandsbewertung des Betriebsmittel darstellt, wird ein Kalibrierungsverfahren für die Strukturen entwickelt. Dabei wird zunächst eine geeignete Signalgröße bestimmt und durch Messungen mit Kalibrierimpulsen eine Korrekturfunktion festgelegt. Zur Validierung wird das Verfahren auf TE-Signale angewendet, die mit dem genannten Messaufbau erzeugt und den entwickelten Patch-Strukturen erfasst werden. Zur Bewertung der Genauigkeit der Bestimmung der Ladungsmenge wird diese synchron über einen integrierten Teilentladungsmesskreis nach IEC 60270 gemessen
Effiziente modellbasierte Analyse der transienten Stabilität moderner Kfz-Energiebordnetze
No full textDurch zunehmend automatisierte Fahrfunktionen steigen die Anforderungen an die funktionale Sicherheit zukünftiger Fahrzeuge. Für sicherheitskritische Funktionen ist eine hochzuverlässige Energieversorgung notwendig, die auch im Falle eines Fehlers innerhalb des Systems aufrecht erhalten werden muss. Da bereits kurze Versorgungsunterbrechungen während des hochautomatisierten Fahrens kritische Auswirkungen haben können, muss die transiente Stabilität des Systems bereits während der Entwicklung analysiert und sichergestellt werden. Da hierzu simulative Untersuchungen notwendig sind, werden im Rahmen dieser Arbeit modellbasierte Methoden zur Analyse der transienten Stabilität von Kfz-Energiebordnetzen entwickelt.
Insbesondere Leitungsfehler und Schaltvorgänge, z. B. von Sicherungen, stellen relevante transiente Störquellen dar. Um diese simulieren zu können, werden geeignete Sicherungsmodelle entwickelt. Zur Quantifizierung der Bordnetzstabilität werden anschließend Bewertungskriterien definiert. Für umfassende Untersuchungen großer Systeme sind übliche transiente Simulationen jedoch aufgrund ihres Zeitaufwands nicht praktikabel.
In dieser Arbeit wird daher eine effiziente Vorselektionsmethode zur Identifikation potentiell kritischer Szenarien entwickelt. Durch Worst-Case-Abschätzungen und analytische Berechnungen im Zeit- und Frequenzbereich kann die Zahl der notwendigen transienten Simulationen stark reduziert werden. Werden auf diese Weise kritische Szenarien identifiziert, muss das System anschließend stabilisiert werden. Hierzu wird eine systematische Methode basierend auf Sensitivitäten im Frequenzbereich präsentiert. Die entwickelten Methoden werden in einem großen Beispielsystem validiert und erzielen eine Rechenzeitreduktion von etwa 99 % im Vergleich zu den üblichen transienten Simulationen.
Mit den entwickelten Methoden werden im Anschluss beispielhafte Fragestellungen untersucht. Insbesondere werden die Auswirkungen moderner elektronischer Sicherungen auf die transiente Stabilität diskutiert und mit konventionellen Schmelzsicherungen verglichen