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Improving Hyperspectral Monitoring of Ecosystem Functioning with Novel Latent Variable Transformations
No full textHyperspektrale optische Sensoren liefern hoch-dimensionale Reflexionsdaten, die die Erfassung von Vegetationsfunktionen ermöglichen. Ein Ansatz zur Isolierung von Funktionssignalen aus hoch-dimensionalen Daten ist die unüberwachte Transformation zu latenten Variablen. Solche Algorithmen zur Dimensionsreduktion (DR) können in Daten intrinsische Muster aufdecken. Ein geometrischer Blick auf hoch-dimensionale optische Erdbeobachtungsdaten ermöglichte die Entwicklung neuartiger, nichtlinearer DR-Methoden, bspw. Simplex Volume Maximisation (SiVM) oder Autoencoder, die potenzielle Vorteile für das Monitoring und die statistische Modellierung von Ökosystemfunktionen bieten. In den drei vorgestellten Fallstudien konnten die Vorteile nichtlinearer Dimensionsreduktion nachgewiesen werden. In Fallstudie 1 wurde die auf konvexer Geometrie basierende Methode SiVM anhand räumlich und spektral hoch aufgelöster Daten eines Graslandstandortes untersucht. Auf Basis von Aufnahmen des Ökosystems vor und nach der europäischen Dürre im Jahr 2018 wurde eine qualitative Dürrestress-Klassifikation entwickelt und mit geeigneten Vegetationsindizes validiert. In Fallstudie 2 wurden Hyperspektraldaten des PRISMA-Satelliten und CO2-Assimilationsdaten des Integrated Carbon Observation System (ICOS) aus den Jahren 2019 bis 2021 kombiniert, um verschiedene Konfigurationen für Modelle der CO2-Aufnahme zu vergleichen. Der Nutzen von modellierten Flux-Footprints war gering. Strukturelle Signale aus dem nahen Infrarot (NIR) hatten hohen Einfluss auf die vorhergesagte CO2-Aufnahme. In Fallstudie 3 wurden verbesserte Modelle der CO2-Assimilation, basierend auf linearen und nichtlinearen DR-Methoden, untersucht. Nichtlineare Transformationen zeigten großes Potenzial für die Ableitung biophysikalischer Variablen. Wichtige latente Variablen der verschiedenen DR-Methoden zeigten teils konvergente Eigenschaften, wie eine ausgeprägte Unterscheidung zwischen sichtbarem Licht und NIR-Reflektanz.Hyperspectral optical sensors produce high-dimensional reflectance data covering visible light and infrared spectra, which allow retrieval of vegetation functions. One approach to isolate function signals from high-dimensional data is an unsupervised latent variable (LV) transformation. Such methods are used to reduce the dimensionality of data, potentially uncovering intrinsic spectral patterns. A geometrical view of high-dimensional data facilitated the development of novel, non-linear dimension reduction methods such as simplex volume maximisation (SiVM) or autoencoders, which can be more suitable for monitoring and statistical modeling of ecosystem functions. The advantages of non-linear LV approaches could be verified in the three case studies compiled in this thesis. In study 1, the convex geometry-based LV model SiVM was employed for drought stress estimation using high spectral and spatial resolution imagery of a grassland site. Based on data collected before and after the 2018 European drought, a qualitative drought stress classification was developed and verified using suitable vegetation indices. In study 2, imagery from the medium-resolution PRISMA hyperspectral satellite and CO2 uptake data from the Integrated Carbon Observation System (ICOS) network of flux measurement sites from 2019 to 2021 were combined to compare statistical models of ecosystem carbon uptake. The benefit of using flux footprints for matching imagery with flux source areas was small. Structure-related near-infrared (NIR) signals had a strong effect on predicted carbon uptake. In study 3, the performance of improved productivity models based on linear and non-linear LV methods was evaluated. Non-linear transformations exhibited great potential for biophysical variable retrieval. The LVs of the unsupervised methods that were closely related to productivity were examined in detail, revealing differences as well as common features such as the repeated occurrence of NIR components
Strength from Within: Reversible Reinforcement of Paper through In-Sheet Formation of Thiol-Catechol Polymers
No full textMechanical integrity of paper materials is crucial for many applications, yet reinforcement strategies with polymer strengthening agents that interact strongly often result in inhomogeneous coatings. In-sheet polymerization and adhesion (InSPA) methodology enables the in situ generation of reinforcing polymers, facilitating their uniform deposition on the cellulose fibers despite high interaction capabilities, and significantly increasing the dry and wet strength of commercial filter papers. A set of polymers containing highly adhesive thiol-catechol-connectivities (TCC) is prepared from o / m / p -isomers of benzenedithiol and bisquinone A by the InSPA thiol-quinone Michael-type polyaddition route. During polymerization, the interaction capabilities of the TCC-polymers are built up gradually, enabling effective cellulose fiber penetration and homogeneous fiber coating. Polymer loadings of up to 48 wt.-% are reached, transferring rigidity and hydrophobicity to the paper fibers without jeopardizing paper porosity. The noncovalently modified papers show a doubling in tensile index in the dry and a 7-fold increase in the wet state, paving the way for effective oil/water separation membranes, where end-of-life recyclability by removal of the polymer coating in a water-based process is demonstrated.Deutsche Forschungsgemeinschaft 10.13039/501100001659Peer Reviewe
Reversible single crystal photochemistry and spin state switching in a metal-cyanide complex
No full textManipulating the physical properties of solid matter using only photons is a major challenge in materials science. However, achieving such control over a chemical reaction in the solid state is even more challenging. Here we demonstrate the reversible photochemistry occurring in a single crystal of a simple cyanide complex, K4[MoIII(CN)7]·2H2O. Upon exposure to visible light at different wavelengths, a reversible breaking and reformation of dative bonds is triggered, resulting in a photoswitching of the MoIII coordination geometry between 6- and 7-coordinate. This transformation, in turn, induces a spin state change. The observed solid-state photochemical reactivity is robust, quantitative and occurs at a record-high temperature. It paves the way for the development of new photo-switchable high-temperature magnets and nanomagnets.Horizon Europe Framework Programme, European Research Council, Consolidator Grant LUX-INVENTA no. 101045004Peer Reviewe
(3+2)-Cyclization reactions of unsaturated Phosphonites with Aldehydes and Imines
No full textIm Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass ungesättigte Phosphonite geeignete Edukte für (3+2)-Cyclisierungsreaktionen mit Aldehyden und Iminen als C(sp²)-Elektrophile darstellen und hierbei eine höhere Reaktivität als ungesättigte H-Phosphinate aufweisen. Der Reaktionsumfang ungesättigter Phosphonite wurde erweitert, und es konnten schnelle sowie milde Reaktionsbedingungen für die Umsetzungen mit Aldehyden und Iminen etabliert werden. Dadurch wurde ein verbesserter synthetischer Zugang zu 1,3-Oxaphosphol-3-oxiden und 1,3-Azaphosphol-3-oxiden als bislang wenig untersuchten Heterophosphole in moderaten bis exzellenten Ausbeuten ermöglicht (Schema 1B). Beide Reaktionen wurden mit breiten Substratspektren von fünfzehn bzw. siebzehn Beispielen durchgeführt. Hierbei konnten verschiedene ungesättigte Phosphonite, Aldehyde und Imine erfolgreich in diesen neuartigen (3+2)-Cyclisierungsreaktionen eingesetzt werden.
Die überlegene Reaktivität ungesättigter Phosphonite in (3+2)-Cyclisierungsreaktionen im Vergleich zu den bisher eingesetzten ungesättigten H-Phosphinaten konnte durch vergleichende Experimente nachgewiesen werden. Hierzu wurden ein ungesättigter Phosphonit und ein ungesättigter H-Phosphinat mit unterschiedlichen Aldehyden und Iminen umgesetzt. Durch die Bestimmung der Produktbildung mittels quantitativer 31P-NMR-Spektroskopie wurde festgestellt, dass die Reaktionen mit dem ungesättigten Phosphonit eine signifikant höhere Bildung zyklisierter Produkte aufwiesen, insbesondere in den Umsetzungen mit Iminen sowie weniger reaktiven Aldehyden.
Darüber hinaus konnten für die entwickelten Zyklisierungsreaktionen von ungesättigten Phosphoniten mit Aldehyden und Iminen mechanistische Einblicke gewonnen werden. LC-MS-Experimente mit 18O-markiertem Wasser zeigten, dass Wasser essenziell für beide Reaktionen ist und in die Bildung der P=O-Bindung involviert sein muss. Für 1,3-Oxaphosphol-3-oxide wurde nahezu ausschließlich das 18O-markierte Produkt (95:5) gebildet, was einen nukleophilen Angriff von Wasser am Phosphoratom bestätigt. Bei 1,3-Azaphosphol-3-oxiden ergab sich lediglich eine moderate Präferenz von 2:1.
Zudem wurde erstmals gezeigt, dass beide Heterophosphole unter basischen, wässrigen Bedingungen eine Phosphoester-Spaltung durchlaufen. Geeignete Hydrolysebedingungen konnten hierfür etabliert und optimiert werden.Within this thesis, it was possible to verify the hypotheses, that unsaturated phosphonites are good precursors for (3+2)-cyclization reactions with aldehydes and imines as C(sp2)-electrophiles and perform superior than unsaturated H-phosphinates. The reaction scope of unsaturated phosphonites was expanded and it was possible to establish fast and mild reaction conditions for the reactions with aldehydes and imines, which enable an improved synthetic access of 1,3-oxaphosphole-3-oxides and 1,3-azaphosphole-3-oxides as rather unexplored heterophospholes in moderate to excellent yields (Scheme 1A). Both reactions were established with broad subtrate scopes of fifteen and seventeen examples, respectively. Various unsaturated phosphonites, aldehydes and imines were successfully employed in these novel (3+2)-cyclization reactions.
The superior reactivity of unsaturated phosphonites for (3+2)-cyclization reactions compared to previously used unsaturated H-phosphinates could be demonstrated with comparative experiments. An unsaturated phosphonite and an unsaturated H-phosphinate were set in reactions with different aldehydes and imines and by measuring the product formation with quantitiative 31P-NMR, it was observed that the reactions with the unsaturated phosphonite showed significantly better cyclized product formation, especially with imines and less reactive aldehydes.
Furthermore, it was possible to gain mechanistic insight for both developed cyclization reactions with unsaturated phosphonites and aldehydes and imines. The mechanism was investigated with LC-MS experiments with 18O-labelled water, since it was observed that water was necessary for both cyclization reactions. Therefore, it was hypothesized that water must be involved in the reaction mechanism and that after ring closure the P=O-bond could be formed via two different pathways: either involving a nucleophilic attack of water on the phosphorus-atom or via an Arbuzov-like reaction with water attacking a carbon in α-position to the P-O-alkoxy substituent. For 1,3-oxaphosphole-3-oxides an almost exclusive formation of the O18-labelled compound with a ratio of 95:5 was observed, which means the product is predominantly formed with a nucleophilic attack of water on the phosphorus-atom. In contrast, for the formation of 1,3-azaphosphole-3-oxides only a moderate preference of a nucleophilic attack of water on the phosphorus-atom was seen, since the O18-labelled compound and the non-labelled were observed in a ratio of 2:1.
Additionally, within this thesis it was discovered that 1,3-oxaphosphole-3-oxides and 1,3-azaphosphole-3-oxides both undergo phosphoester-cleavage under basic aqueous conditions, which has not been mentioned in the literature yet for this heterocyclic motif. With testing various conditions, it was possible to establish and optimize hydrolysis conditions for both 1,3-oxaphosphole-3-oxides and 1,3-azaphosphole-3-oxides
Fachspezifische Studien- und Prüfungsordnung für das lehramtsbezogene Masterstudium im Fach Informatik (Ein-Fach) (für das Lehramt an Integrierten Sekundarschulen und Gymnasien)
No full textFachspezifische Studien- und Prüfungsordnung für das lehramtsbezogene Masterstudium im Fach Physik (Ein-Fach) (für das Lehramt an Integrierten Sekundarschulen und Gymnasien)
No full textLate Pleistocene temperature patterns in the Western Palearctic: insights from rodent associations compared with general circulation models
No full textSince rodent fossils are preserved in many low- and high-latitude archaeological and paleontological sites from a wide variety of environments, their associations are a commonly useful proxy for inferring past local climate and environmental conditions. Such a frequent and widespread geographic distribution can help us to better understand past climate evolution by providing access to high spatiotemporal resolution at large geographical scales. The aim of this paper is to develop an approach to generate continental-scale temperature maps based on rodent associations and to assess their reliability compared to state-of-the-art general circulation models (GCMs). We used the Bioclimatic Analysis, based on fossil and modern rodent associations, to infer climate zone distribution and local temperatures (mean annual temperature, mean temperature of the warmest month and mean temperature of the coldest month), at the Western Palearctic (Europe, Middle East and North Africa) for six different periods: the Last Glacial Maximum (LGM), Heinrich Stadial, Bølling, Allerød, Younger Dryas and present-day conditions. The Bioclimatic Analysis is combined with a spatial generalized linear mixed model to interpolate these surface temperatures across the Western Palearctic. We show that the spatial patterns in mean annual temperature and mean temperature of the warmest and coldest months are very similar between our interpolations and GCMs for both present-day and LGM conditions, but the rodent-based approach provides slightly cooler LGM estimations in western Europe and warmer ones in eastern Europe. Throughout the Late Glacial oscillations, the rodent-based model infers globally small variations in mean annual temperature and mean temperature of the warmest months and slightly larger changes in mean temperature of the coldest months. Nonetheless, some events show weak but significant regional variations depending of the events and the climate variable. For instance, the most important shifts in mean annual temperature between the Allerød and Younger Dryas are observed in northwestern regions. Northeastern regions, on the other hand, experienced relatively stable mean annual temperature, although they did experience considerable warming of the warmest month and cooling of the coldest month. Minor discrepancies appear between GCMs and the rodent-based model, the latter showing colder temperature in northwestern Europe and hence a differential west–east gradient in ice-sheet influence. Our results demonstrate that rodent associations are robust proxies for reconstructing and regionalizing past temperatures at broad scales, offering a readily reproducible approach to be reimplemented in future studies incorporating new rodent data.Peer Reviewe
Mel Y. Chen 2023: Intoxicated. Race, Disability, and Chemical Intimacy. Durham: Duke University Press (Anima: Critical Race Studies Otherwise) and Sunaura Taylor 2024: Disabled Ecologies: Lessons from a Wounded Desert. Berkeley: University of California Press
No full textMel Y. Chen 2023: Intoxicated. Race, Disability, and Chemical Intimacy. Durham: Duke University Press (Anima: Critical Race Studies Otherwise), brosch., 190 S., 22,99 €, ISBN: 978-1478025320.
Sunaura Taylor 2024: Disabled Ecologies: Lessons from a Wounded Desert. Berkeley: University of California Press, brosch., 368 S., 32 Abb., 22,95 US$, ISBN: 978-0520424692.Open Access funding enabled and organized by Projekt DEAL.Humboldt-Universität zu Berlin (1034)Peer Reviewe
Zur curricularen Verankerung der Lehre an Sammlungsobjekten am Institut für Materielle Kultur der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg
No full textHerstellung und Untersuchung von photonischen Nanostrukturen für die integrierte Quantentechnologie
No full textDie vorliegende Forschungsarbeit widmet sich der Entwicklung, Herstellung und Untersuchung von photonischen Nanostrukturen für die integrierte Quantentechnologie. Insbesondere ist die Intention die Entwicklung eines für informationstechnologische Anwendungen nutzbaren Wellenleiters innerhalb eines photonischen Dünnschichtkristalls aus Siliziumnitrid, da diese sich besonders für die Realisierung leicht skalierbarer quantenmechanischer Netzwerke eignet. Die Anforderungen an einen solchen Wellenleiter sind eine möglichst große Monomodenbandbreite sowie eine möglichst geringe Dispersion der Wellenleitermode. Zudem wird bewusst darauf verzichtet, eine Mode mit besonders langsamer Gruppengeschwindigkeit zu verwenden. Eine eigens entwickelte Simulationsmethode wurde verwendet, um Wellenleitermoden auch oberhalb der Lichtlinie optimieren zu können. Durch die Anpassung lokaler Lochgrößen und -positionen wurde eine achtfache Vergrößerung der mit diesen Anforderungen nutzbaren Bandbreite erreicht. Die optimierten Wellenleiter zeigen zudem eine mehr als 50% höhere Transmission. Zur Prüfung der Simulation wurden die optimierten Wellenleiterstrukturen in freischwebenden photonischen Dünnschichtkristallen aus Siliziumnitrid per Elektronenstrahllithographie und anschließendem reaktivem Ionenätzen hergestellt. Ihre experimentelle Untersuchung per Transmissionsspektroskopie bestätigt die mittels der Simulation gefundenen Ergebnisse. Sowohl die direkten Ergebnisse der Optimierung, als auch die entwickelte Simulationsmethode, eröffnen den Weg für die Verwendung photonischer Dünnschichtkristalle als skalierbare Basis für zukünftige Quantentechnologien. Diese können Implementationen von Quantennetzwerken für effizientere Berechnungen, sichere Kommunikation oder Messungen mit bisher nicht erreichten Genauigkeiten sein.The present research work is devoted to the development, fabrication and investigation of photonic nanostructures for the integrated quantum technology. In particular, the intention is to develop a waveguide usable for information technology applications within a photonic crystal slab made of silicon nitride, as these are particularly suitable for the realization of easily scalable quantum mechanical networks. The requirements for such a waveguide are an as wide as possible single mode bandwidth and an as low as possible dispersion of the waveguide mode. In addition, it is deliberately avoided to use a mode with a particularly slow group velocity. A specially developed simulation method was used to optimize waveguide modes even above the light line. By adjusting local hole sizes and positions, an eightfold increase in the usable bandwidth with these requirements was achieved. The optimized waveguides also show more than 50% higher transmission. To verify the simulation, the optimized waveguide structures were fabricated in free-floating photonic crystal slabs made of silicon nitride using electron beam lithography followed by reactive ion etching. Their experimental investigation using transmission spectroscopy confirms the results obtained from prior simulations. Both the direct optimization results and the developed simulation method pave the way for the use of photonic crystal slabs as a scalable basis for future quantum technologies. These may be implementations of quantum networks for more efficient computation, secure communication, or measurements with previously unattainable accuracies