3383 research outputs found
Sort by
Konzept der Glückseligkeit in Summa Theologiae in Bezug auf zeitgenössische psychologische Studien
No full textThomas Aquinas (1224-1274)1 is one of the greatest thinkers in Western philosophy and theology. He is even called the angelic Doctor by the Roman Catholic Church. One of his marvelous works is Summa Theologiae which is the primary source of my research to understand the concept of happiness in Summa Theologiae with reference to contemporary psychological studies. Aquinas was a Dominican monk, philosopher, theologian, saint and contemplator, and continues to be important and significant in particular for students of philosophy and theology. Pope Paul VI says that `in order that the students may illumine the mysteries of salvation as completely as possible, they should learn to penetrate them more deeply with the help of speculation, under the guidance of Aquinas, and to perceive their interconnections´. It is also concern of the church regarding studies in schools and universities that by their very constitution individual subjects be pursued according to their own principles, method, and liberty of scientific inquiry, in a way that an ever deeper understanding in these fields may be obtained and that, as questions that are new and current are raised and investigations carefully made according to the example of the doctors of the Church and especially of Aquinas, so that there may be a deeper realization of the harmony of faith and reason.3 Aquinas constructs a vast system of integrating Greek philosophy with the Christian faith in his masterpiece Summa Theologiae.
The encounter with the philosophy of Aristotle opened up a new perspective for Aquinas´s synthesis and distinction between philosophy and theology. This was different from the way of the Fathers of the Church because they were confronted by different philosophies of a platonic type in order to get a complete vision of world and of human life including religion; they mainly used Platonism in the light of faith to respond to question of human being whereas Aquinas convincingly explained Aristotelian works. In one of the general audiences pope Benedict XVI explained the relevance of Aquinas who explored the relation of reason and faith in the philosophy of Aristotle and explained it convincingly.
A "philosophy" existed that was complete and convincing in itself, a rationality that preceded the faith, followed by "theology", a form of thinking with the faith and in the faith. The pressing question was this: are the world of rationality, philosophy conceived of without Christ, and the world of faith compatible? Or are they mutually exclusive? Elements that affirmed the incompatibility of these two worlds were not lacking, but St Thomas was firmly convinced of their compatibility indeed that philosophy worked out without the knowledge of Christ was awaiting, as it were, the light of Jesus to be complete. This was the great "surprise" of St Thomas that determined the path he took as a thinker. Showing this independence of philosophy and theology and, at the same time, their reciprocal relationality was the historic mission of the great teacher. And thus it can be understood that in the 19th century, when the incompatibility of modern reason and faith was strongly declared, Pope Leo XIII pointed to St Thomas as a guide in the dialogue between them. In his theological work, St Thomas supposes and concretizes this relationality. Faith consolidates, integrates and illumines the heritage of truth that human reason acquires. The trust with which St Thomas endows these two instruments of
knowledge faith and reason may be traced back to the conviction that both stem from the one source of all truth, the divine Logos, which is active in both contexts, that of creation and that of redemption.
According to Aquinas sacred doctrine is a science. However he says that there are two kinds of sciences. One proceeds from a principle known by the natural light of intelligence, such as arithmetic and geometry and the like. Second kind proceeds from principles known by the light of a higher science. Thus the science of perspective proceeds from principles established by geometry, and music from principles established by arithmetic. Sacred doctrine is a science because it proceeds from principles established by the light of a higher science, the science of God and the blessed.
According to Pope Benedict XVI Aquinas presents to us a broad and confident concept of human reason: broad because it is not limited to the spaces of the empirical-scientific reason but open to the whole human being, to the fundamental and inalienable questions of human life; and confident because human reason, especially if it accepts the inspirations of Christian faith, is a promoter of a civilization that recognizes the dignity of the person, the intangibility of rights and the cogency of duties. The most perfect in all nature to be found is a subsistent individual of a rational nature´.
Aquinas wrote commentaries on the works of Aristotle to make sense of Aristotle´s philosophy, and not to set out a philosophy of his own. The appreciation of his outstanding value as a philosopher depends on seeing his ostensibly theological works as also fundamentally philosophical and an extrapolation of Aristotle´s view in the light of catholic theology, and from his own contemplation of truth.
Under the guidance of his enlightening thoughts, and following his spirit I just try to recreate Aquinas in our times. My major concern is the theory of happiness, and I have restricted myself to explore and understand Aquinas´s view based on Summa Theologiae and psychological studies. Before he begins treatise on human being, he discusses the existence of God, substance of Angels and the work of creation; these three treatises consist of 74 questions, and lay a strong foundation for treatise of human being
Der Einfluss innerer und äußerer elektrischer Felder auf den Transport von angeregten Elektronen erzeugt durch Elektronenbeschuss in Metall-Isolator-Metall-Nanostrukturen
No full textThe motivation for this thesis was a series of experiments applying Metal-Insulator-Metal (MIM) thin film devices under ion, photon and electron irradiation while measuring currents from the irradiated towards the non-irradiated electrode. These MIM devices consist of a several 10 nm-thick silver top electrode and an aluminum bottom electrode of similar thickness insulated by a 2..3 nm-tick aluminum oxide layer. The previous interpretation of the currents arising from the irradiation of the top metal electrode was a transport of charge carriers excited as a consequence of the irradiation, overcoming the internal oxide barrier. However, it remained an open question in how far these transport effects are exclusively "internal" processes across the barrier, which was the question to be answered within this thesis.
The advantages of MIM devices are the possible analysis of excitation below the vacuum level (in form of the internal electron emission) on the one hand and on the other hand the possible modification of the internal barrier height and shape by the application of a bias voltage between the MIM’s top and bottom electrode.
To answer the question stated above, MIM devices were irradiated with a focused (diameter ≈ 0.75 mm) electron beam in the primary energy range from 75..1000 eV, while measuring the current either into the irradiated or into the non-irradiated electrode for various irradiation parameters (impact position, primary impact energy, impact angle) and also as function of an internal bias voltage applied between silver top and aluminum bottom electrode. The analysis of results from these experiments strongly indicate, that at least a part of the detected apparently "internal" currents measured in the non-irradiated electrode is actually caused by external processes.
Possible contributions may arise from re-absorption processes of electrons (externally) emitted into the vacuum and somehow guided back to the irradiated electrode and especially from the cross-absorption of externally emitted electrons into the non-irradiated electrode. The latter process may directly influence the "internal" current and is explained by the development of an electric field above the sample arising from the emitted electrons itself.
From these findings, a second series of experiments was triggered, where a bias-able external collector/re- peller electrode above the sample was introduced, allowing to control the electric field above the sample by choosing the voltage Ud applied to the collector/repeller electrode. Therefore, it was possible to identify and quantify the cross-absorption current contributing to apparently "internal" currents and to suppress this process to obtain true internally transported electron and hole currents from the irradiated towards the non-irradiated electrode. The internal and external emission yield (i.e. the number of electrons emit- ted as consequence of the primary electron impact either (externally) into the vacuum or (internally) from the irradiated towards the non-irradiated electrode) was determined as function of the impact point of the electron beam on the MIM’s surface, of the primary impact energy as well as of the the impact angle for static collector/repeller voltages. Additionally, experiments as function the collector/repeller voltage for different kinetic impact energies and different (internal) bias voltages have been performed.
In addition to these findings, the measurements allow to determine the total external emission yield ζ for irradiation of silver and oxide covered aluminum as function of the kinetic impact energy under electron irradiation, which is interesting due to the fact, that only few data are reported in the literature especially in the energy range below 1 keV [1].Die Motivation für die Anfertigung dieser Dissertation liegt in einer Serie von Experimenten begrün- det, in denen Metall-Isolator-Metall (MIM) Dünnschichtsysteme zur Messung von Strömen von der be- strahlten in die unbestrahlte Elektrode hervorgerufen durch Bestrahlung der oberen Elektrode mit Ionen, Photonen und Elektronen verwendet wurden. Diese MIM-Systeme bestehen aus einer mehrere 10 nm- dicken Silber-Deckelektrode und einer Aluminium-Bodenelektrode ähnlicher Dicke, welche mittels einer 2..3 nm dicken Aluminium-Oxidschicht voneinander isoliert sind. Die bisherige Interpretation der Ströme hervorgerufen durch die Bestrahlung der Deckelektrode war ein Transport von heißen Ladungsträgern, welche durch die Bestrahlung angeregt wurden und daher die Oxidbarriere überwinden konnten. Es blieb jedoch die Frage unbeantwortet, inwiefern diese Transportprozesse ausschließlich "interne" Prozesse durch die Barriere sind, was in dieser Dissertation beantwortet wird. Der Vorteil von MIM-Systemen liegt zum einen darin begründet, dass sich so Anregungsprozesse unterhalb der Vakuumenergie (in Form von "interner Elektronenemission") untersuchen lassen und auf der anderen Seite darin, dass die Barrieren- höhe und -form durch das Anlegen einer Biasspannung zwischen den Metallelektroden modifiziert werden kann. Um die oben aufgeworfene Frage zu beantworten, wurden MIM-Systeme mit einem fokussierten (∅ ≈ 0.75 mm) Elektronenstrahl mit einer Primärenergie von 75..1000 eV bestrahlt, wobei entweder die Ströme in die bestrahlte oder in die unbestrahlte Elektrode für verschiedene Beschussparameter (Auftr- effpunkt, Primärenergie, Einfallswinkel) und auch als Funktion einer internen Biasspannung angelegt zwischen den beiden Metallelektroden des MIMs gemessen wurden. Die Analyse dieser Ergebnisse weist sehr stark darauf hin, dass zumindest ein Teil der in der unbestrahlten Elektrodegemessenen "internen" Ströme in Wirklichkeit durch externe Prozesse hervorgerufen wird. Mögliche Strombeiträge können aus Re-Absorptionsprozessen von ins Vakuum emittierten Elektronen entstehen, welche wieder auf die be- strahlte Elektrode gelangen, und insbesondere durch Kreuz-Absorptionsprozesse hervorgerufen werden, bei denen von der bestrahlten Elektrode ins Vakuum emittierte Elektronen in die nichtbestrahlte Elektrode gelangen. Der letztgenannte Prozess kann direkt den "internen" Strom beeinflussen und lässt sich mittels des Auftretens eines elektrischen Feldes durch Raumladungseffekte durch die auftreffenden und emittierten Elektronen erklären. Diese Erkenntnisse motivierten eine weitere Serie von Experimenten, bei denen eine vorspannbare Kollektor/Repeller Elektrode verwendet wurde, durch die, mittels einer angelegten Span- nung Ud, das elektrische Feld oberhalb der Probe kontrolliert werden kann. Dadurch wurde es möglich, den Beitrag des Kreuz-absorptionsstrom zu den vermeintlich "internen" Strömen zu identifizieren und zu quantifizieren und schließlich auch zu unterbinden, wodurch echte interne Ströme von Elektronen und Löchen durch die Barriere bestimmt werden können. Die interne und externe Emissionsausbeute (also die Zahl der emittierten Elektronen, entweder intern durch die Barriere oder extern ins Vakuum pro einschla- gendem Primärelektron) wurde als Funktion des Beschusspunktes des Primärelektronenstrahls auf der MIM-Oberfläche, als Funktion der Primärenergie und auch als Funktion des Beschusswinkels für statische Werte von Ud gemessen. Zusätzlich erfolgten Messungen als Funktion der Spannung Ud für verschiedene Primärenergien und verschiedene interne Biasspannungen.
Zusätzlich zu den Ergebnissen kann aus den Messungen auch die totale externe Elektronenausbeute ζ für den Beschuss von Silberfilmen und oxidbeckten Aluminiumfilmen mit Elektronen als Funktion der Primärenergie bestimmt werden, was insofern interessant ist, weil nur wenige Messwerte für Energien unterhalb von 1 keV in der Literatur zu finden sind [1]
Untersuchung verschiedener Syntheseparameter bei der Polyolsynthese von Aluminium-dotierten Zinkoxid und Herstellung von Kompositbeschichtungen zur Anwendung in der textilen Architektur
No full textDie Motivation der Dissertation lag in der Entwicklung von Nanopartikel-beschichtungssystemen basierend auf der nasschemischen Synthese von Aluminium-dotierten Zinkoxid (AZO) Nanopartikeln mit dem Polyol Diethylenglykol. Die entwickelten Beschichtungen zielen auf die Anwendung im Bereich der textilen Architektur zur Verbesserung des Wärmemanagements ab. Zum einen sollen diese dabei für solare Strahlung im sichtbaren Spektralbereich möglichst transparent sein, so dass Innenräume hinter textilen Dachmembranen tagsüber durch das Sonnenlicht beleuchtet werden. Zum anderen sollen die Beschichtungen die Funktionen als solarer Hitzeschutz und gleichzeitig als Wärmeschutz besitzen, indem die Beschichtungen zum einen den Anteil der solaren Wärmestrahlung absorbieren, wodurch sich die Innenräume bei starker solarer Einstrahlung weniger aufheizen und zum anderen Wärmestrahlung im mittleren infraroten Spektralbereich reflektieren, wodurch ein übermäßiges Abkühlen der Innenräume in der Nacht, kalten Klimazonen oder im Winter vermindert wird.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag in der Untersuchung des Einflusses verschiedener Syntheseparameter auf die strukturellen, morphologischen und elektrischen Eigenschaften der AZO-Partikel und der Charakterisierung der optischen Eigenschaften von Beschichtungen aus diesen. Die strukturellen und morphologischen Eigenschaften der AZO-Partikel wurden mittels Kristallstrukturanalysen (XRD) und Rasterelektronen-mikroskopie (REM) analysiert und die elektrischen Eigenschaften wurden anhand von Widerstandsmessungen getrockneter Pulvern im gepressten Zustand bestimmt. Die optischen Eigenschaften wurden mittels UV-VIS-MIR Spektroskopie an hergestellten Partikelkompositbeschichtungen auf PET-Folien als Modellsubstrat über einen Spektralbereich von λ= 0,4 μm bis λ= 21 μm charakterisiert. Weiterhin wurden 27Al-MAS-NMR Analysen an AZO-Pulvern durchgeführt, um die Art der Besetzung von Aluminiumatomen im Zinkoxidkristallgitter, als auch die Verteilung innerhalb des Wirtgitters zu analysieren. Zum anderen wurden die NMR-Analysen genutzt, um Hinweise zur Änderung der Ladungsträgerdichte zu erhalten, was anhand der Charakterisierung des Knight-Shift Verhaltens durchgeführt wurde. Basierend auf der Synthese von AZO-Partikeln unter festgelegten „Standardparametern“ wurde der Einfluss des Aluminium Dotiergrades, der Synthesezeit und -temperatur, der Präkursorkonzentration und des
II
Hydratanteils auf die Änderungen der Eigenschaften der resultierenden AZO-Partikel untersucht.
Auf Basis der Erkenntnisse dieser Parameterstudie wurden die Syntheseparameter optimiert, um AZO-Partikel herzustellen, die als Beschichtung eine möglichst hohe Reflexion von Wärmestrahlung aufweisen. AZO-Partikel die unter Standardbedingungen synthetisiert wurden besitzen eine Kristallitgröße von 20 nm. Die unter optimierten Syntheseparametern synthetisierten Partikel besitzen eine Kristallitgröße im Bereich von 100 nm. Im Modellsystem (bestehend aus AZO-Partikeln und Silan-basierten Bindersystem), zeigten Beschichtungen mit AZO-Partikeln synthetisiert unter Standardbedingungen im sichtbaren Spektralbereich eine Transparenz von Tr550 nm= 92 %, was in etwa der Transparenz des unbeschichteten Substrates entspricht (PET-Folie, Tr550 nm= 93 %). Beschichtungen aus den optimierten Partikeln streuen sichtbares Licht, wodurch die Transparenz vermindert wird (Tr550 nm= 82 %). Im nahen infraroten Spektralbereich absorbieren Beschichtungen beider Partikelvarianten durch Plasmonenabsorption die Strahlung gleichermaßen. Der Wärmestrahlungsaustausch zwischen Personen und Gebäudekomponenten mit Temperaturen um T = 300 K liegt im Spektralbereich von 10 μm. In diesem Bereich reflektieren Beschichtungen mit AZO-Partikeln der Standard Synthese etwa 20 % der Strahlung. Durch die Optimierung der Syntheseparameter konnten AZO-Partikel hergestellt werden die beschichtet auf PET-Folie bei einer Wellenlänge von λ= 10 μm 36 % der Strahlung reflektieren.
Die Übertragung der Herstellung von Partikelbeschichtungen ausgehend vom Modellsystem basierend auf einem silanischen Bindersystem auf die Herstellung von Partikelbeschichtungen mit industriellen Acrylat-basierten Bindersystemen konnte nach Funktionalisierung der AZO-Partikel mit speziellen Additiven realisiert werden. Die so hergestellten Partikelkomposite konnten anschließend mittels industrieller Streichverfahren (hier: Rakeln) unter Erhalt der optischen Eigenschaften (hohe Transparenz im sichtbaren Spektralbereich und hohe Reflexion im infraroten Spektralbereich) auf transparenten Dachmembranen appliziert werden.
Abschließend wurden Funktionalitätsprüfungen zur Untersuchung der Änderung der thermischen Eigenschaften von transparenten Dachmembranen durch die entwickelten AZO-Beschichtungen an eigens erstellten Prüfständen durchgeführt. Verwendet wurden dabei AZO-Partikel der Standardsynthese und AZO-Partikel, die unter optimierten
III
Synthesebedingungen hergestellt wurden. Partikelbeschichtungen auf transparenten Dachmembranen mit AZO-Partikeln beider Varianten absorbieren nahe IR-Strahlung gleichermaßen. Die Funktionsprüfungen an eigens erstellten Prüfständen zeigten, dass sich ein Raum hinter den AZO beschichteten Dachmembranen um ΔT =3°C weniger stark aufheizte, als ein Raum hinter einer unbeschichteten Dachmembran. Die Untersuchungen zum Reflexionsverhalten von Wärmestrahlung an eigens erstellten Prüfständen zeigte, dass sich lediglich bei Verwendung einer Dachmembran beschichtet mit optimierten AZO-Partikeln, ein beheizter Raum unter einer Dachmembran stärker aufheizen lässt als bei Verwendung einer unbeschichteten Dachmembran (ΔT= 1°C), obgleich der Effekt im Vergleich zur Verwendung einer Aluminiumfolie als Benchmark, bei der ein Temperaturunterschied von ΔT= 3,5°C festgestellt werden konnte, nur als gering bezeichnet werden kann.
Zusammenfassend zeigen die erzielten Ergebnisse der vorliegenden Arbeit, dass die strukturellen, morphologischen, elektrischen und optischen Eigenschaften von nasschemisch synthetisierten AZO-Nanopartikeln signifikant von den jeweils verwendeten Syntheseparametern abhängen. Weiterhin zeigt diese Arbeit, dass es möglich ist, Beschichtungskomposite mit AZO-Partikeln als alternatives transparent leitfähiges Oxid herzustellen, die im Bereich der textilen Architektur auf polymeren Substraten mittels einfacher Streichverfahren appliziert werden können und zur Verbesserung der thermischen Eigenschaften dieser Substrate im Sinne einer erhöhten Absorption von solarer Wärmestrahlung und einer erhöhten Reflexion von Wärmestrahlung, wie sie von Heizkörpern in innenliegenden Räumen ausgestrahlt wird, beitragen
Innovative Methoden zur Früherkennung von HLA Verlust Rezidiven nach allogener Stammzelltransplantation
No full textRelapse of malignant disease is the most frequent cause of treatment failure in allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (allo-HSCT), often due to selective genomic loss of the mismatched human leukocyte antigens (“HLA loss”). The diagnosis of this condition is relevant for adopting appropriate treatment strategies and assessing its relevance in different transplant settings, but is precluded by technical challenges associated with the extreme polymorphism in HLA. The aim of the present thesis was to close this gap by 1) investigating the clinical utility of quantitative PCR (qPCR) for chimerism monitoring after HSCT; 2) developing HLA-specific qPCR assays to detect HLA loss relapse; and 3) establishing new next generation sequencing (NGS) protocols for the high throughput detection of HLA loss relapse.
In the first aim, published in Ahci et al., Biol Blood Marrow Transplant 2017, we retrospectively tested chimerism after 30 allo-HSCT at UK-Essen, in parallel by standard short tandem repeat (STR) and a new commercial qPCR method targeting insertion-deletion polymorphisms outside HLA. We demonstrated a 1-log higher sensitivity of qPCR, resulting in clinical utility for early relapse detection and other clinical endpoints including engraftment. These results led to a diagnostic shift from STR to qPCR for the follow-up of allo-HSCT at UK-Essen. In the second aim, published in Ahci & Toffalori et al., Blood 2017, we developed qPCR chimerism for single nucleotide polymorphisms within the HLA system, providing a user-friendly, robust and sensitive method for the detection of HLA loss relapse which combines chimerism outside and inside HLA in a single “HLA-KMR” system under industrial sponsorship and commercialization. In the third aim, we developed NGS-based HLA typing in collaboration with the DKMS Life Science Lab leader in the field, adapted this approach to the detection of HLA chimerism and applied it to 34 relapses after unrelated donor HSCT at UK-Essen. This allowed us to identify at least one HLA loss relapse occurring after partially HLA mismatched HSCT, further substantiating the clinical relevance of HLA loss as mechanism underlying relapse. Taken together, the data from my thesis set the stage for further analyses regarding the incidence and risk factors of HLA loss relapse in different transplant contexts through national and international collaborations, and the investigation of somatic neo-mutations in HLA as a new mechanism of immune escape after cancer immunotherapy.Die häufigste Ursache des Therapieversagens der allogenen hämatopoetischen Stammzelltransplantation (allo-HSZT) zur Behandlung bösartiger Bluterkrankungen sind Krankheitsrückfälle, welch häufig durch den genomischen Verlust der patienten-spezifischen HLA Gewebeantigene gekennzeichnet sind („HLA Verlust“). Die Diagnose dieses gezielten Immunevasionsmechanismus ist aufgrund der großen Variabilität des HLA Systems mit erheblichen technischen Schwierigkeiten verbunden, obwohl sie von großer klinischer und wissenschaftlicher Bedeutung wäre. Das Ziel der vorliegenden Doktorarbeit war es, diese Lücke zu schließen und durch 1) Untersuchung des klinischen Vorteils der Chimärismusbestimmung nach HSZT mittels quantitativer PCR (qPCR); 2) Entwicklung von HLA-spezifischen qPCR Reaktionen zur Erkennung des HLA Verlust Rückfalls; 3) Aufbau von next generation sequencing (NGS) zur Hochdurchsatzbestimmung von HLA Verlust Rezidiven.
Für das erste Ziel, veröffentlicht in Ahci et al., Biol Blood Marrow Transplant 2017, wurden 30 allo-HSZT vom UK-Essen vergleichend mit der Standardmethode short tandem repeat (STR) und einem neuen kommerziellen qPCR Ansatz auf Chimärismus getestet. Die höhere Sensitivität der qPCR war klinisch für die Beurteilung von Rezidiven und anderen klinischen Endpunkten von Vorteil und wird seither routinemäßig am UK-Essen eingesetzt. Für das zweite Ziel, veröffentlicht in Ahci & Toffalori et al., Blood 2017, wurden qPCR Reaktionen für eine Anzahl von HLA Allelen entwickelt um eine nutzerfreundliche, robuste und sensitive Methode zur Erkennung von HLA Verlust Rezidiven zu erstellen, welche als „HLA-KMR“ industrielle Verwertung gefunden hat. Für das dritte Ziel wurde eine NGS Plattform zur HLA Typisierung in Kooperation mit dem DKMS Life Science Lab entwickelt, auf den HLA Chimärismus adaptiert und anhand von 34 Rückfallproben von am UK-Essen transplantierten Patienten getestet. Selbst in dieser limitierten Kohorte wurde mindestens ein HLA Verlust Rezidiv nach partiell HLA differenter HSZT entdeckt, was die klinische Relevanz dieses Immunevasionsmechanismus unterstreicht. Die in dieser Doktorarbeit erzielten Resultate werden nun die Untersuchung der Inzidenz und Risikofaktoren von HLA Verlustrezidiven nach allo-HSZT in großen nationalen und internationalen Studien ermöglichen. Zudem wird die NGS Plattform zur Analyse von somatischen HLA Neomutationen als potentiellem neuen Immunevasions-mechanismus nach Tumorimmuntherapie genutzt werden
Analysis of defect structures in two dimensional materials after the interaction with highly charged ions
No full textDie Deposition der potentiellen Energie eines hochgeladenen Ions in einem kleinen Bereich des Materials führt zu enorm hohen Energiedichten am Einschlagspunkt des Projektils. Als Resultat dieser Energiedichten lassen sich Nanostrukturen in Oberflächen beobachten, die je nach Wahl des Materials unterschiedlicher Natur und Ausdehnung sein können. In dieser Arbeit wurden derartige Defekte in zweidimensionalen Materialien durch die Bestrahlung mit hochgeladenen Ionen induziert und untersucht. Ein Teil dieser Arbeit bestand darin, den bestehenden Aufbau der Ionenstrahlanlage an der Universität Duisburg-Essen durch eine dynamische Abbremseinheit zu erweitern. Mithilfe dieses sogenannten Ionenfahrstuhls lässt sich der einstellbare Bereich der kinetischen Energie der Ionen auf über eine Größenordnung erweitern. Im Rahmen dieser Arbeit wurden sowohl ausführliche Messungen zur Charakterisierung der Abbremseinheit, als auch erste Bestrahlungsreihen unter Verwendung dieses Ionenfahrstuhls durchgeführt und dargestellt. Der wesentliche Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Möglichkeit, durch den Beschuss mit hochgeladenen Ionen Defektstrukturen auf der Nanometerskala in 2D Materialien zu induzieren. So sind erstmals Defektstrukturen in einer Einzellage hBN beobachtet worden, deren Präsenz auf die Deposition der potentiellen Energie des Projektils zurückzuführen ist. Mittels Rasterkraftmikroskopiemessungen ließen sie sich einerseits als Reibungserhöhungen an den Einschlagspunkten der HCIs dentifizieren. Des Weiteren konnte ein Schwellenwert der potentiellen Energie zur Defekterzeugung detektiert werden, der sich durch Messungen zur Sekundärionenmassenspektroskopie bestätigen ließ. Weiterhin wurde gezeigt, dass sich die experimentellen Ergebnisse gut durch das Modell des thermal spikes beschreiben lassen, welches einen thermischen Prozess in der Defekterzeugung nahe legt.
Zudem konnten erstmals Defekte in freistehendem MoS2 auf atomarer Skala aufgelöst werden. Diese Defekte treten in Form von Poren auf, die in einem ansonsten intakten MoS2 Gitter eingebracht worden sind. Die Porengröße, als auch die Porenerzeugungseffizienz konnte klar mit der potentiellen Energie des Projektils in Verbindung gebracht werden, wobei sich im Falle dieses 2D Materials kein Schwellenwert zur Porenerzeugung ausmachen ließ. Ebenfalls wurde die Defekterzeugung in Graphen durch den Beschuss mit hochgeladenen Ionen genauer studiert, was zu einer Ergänzung und teilweise zu einer Korrektur des bisherigen Wissensstands führte. Mittels Ramanspektroskopie konnten zahlreiche Informationen über die Defektgröße, die Defektstruktur, sowie die jeweilige Abhängigkeit von der kinetischen als auch der potentiellen Energie untersucht werden. Die Ramanspektroskopie in Kombination mit der hochauflösenden Rastertransmissionselektronenmikroskopie konnten weiterhin nachweisen, dass es sich bei den induzierten Defekten um lokal hydriertes Graphen mit einzelnen Gitterfehlstellen handelt.The potential energy of a highly charged ion, deposited into a small volume of the material, leads to extreme high energy densities at the impact site of the projectile. As a result surface nanostructures are induced which appear in different shapes depending on the materials
properties. In this thesis such defects were induced in two dimensional materials by highly charged ion irradiation and investigated afterwards. As a part of this work, a dynamic deceleration system was implemented into the already existing ion beamline at the university of Duisburg-Essen. By using this so-called ion lift, the adjustable range of the kinetic energy of the ions was extended to an order of magnitude. Within this study, both detailed measurements to characterise the deceleration unit and irradiation experiments using this deceleration system were performed and presented.
The major part of this thesis deals with the possibility to induce defects on the nanometer scale in two dimensional materials by highly charged ion bombardment. For the first time, defect structures have been observed in single layer hexagonal boron nitride as a result of
the deposition of the potential energy of the projectile. By means of atomic force microscopy, the defects were identified as region of enhanced friction. Furthermore, a threshold of the potential energy was detected, which was further confirmed by means of secondary ion
mass spectrometry. Additionally, it was shown, that the experimental results can be well described by the thermal spike model suggesting a thermal process in the defect creation mechanism. Moreover, defects in freestanding molybdenum disulphide were resolved on an atomic scale for the first time. These defects appear as pores in the otherwise unaffected lattice of the molybdenum disulphide. The pore size, as well as the pore creation efficiency was clearly
associated with the potential energy of the projectile. This two dimensional material however shows no threshold for the pore creation. Furthermore, the defect creation in graphene after the irradiation with highly charged ions was investigated in more detail, leading to an enhancement and partially revision of the state of knowledge. By means of Raman spectroscopy, extensive information about the size and structure of defects, as well as their dependence on the kinetic and potential energy could be obtained. Raman spectroscopy in combination with high resolution scanning transmission electron microscopy further proved, that the defects are composed of hydrogenated graphene and individual lattice vacancies
Influence of hysteresis at magnetostructural transitions on the magnetocaloric properties of Heuslers, Antiperovskites, and Pnictides
No full textA large magnetocaloric effect can be observed in materials with first-order magnetostructural transition. Applying a magnetic field stabilizes the phase with higher magnetization and shifts the transition temperature to higher or lower temperatures. An adiabatically applied field induces a phase transformation and leads to an adiabatic temperature change. This temperature change is used in magnetocaloric refrigerators which is induced by applying a magnetic field cyclically. The material has to have a reversible adiabatic temperature change for each field-cycle to be an effective refrigeration
material. The reversibility of the adiabatic temperature change depends on the hysteresis properties of the transition. A minimization of the thermal and magnetic hysteresis is important to improve the efficiency of magnetocaloric refrigerators. The Mn3GaC antiperovskite is a magnetocaloric material with a narrow hysteresis which shows a fully reversible first-order isostructural transformation at about 164 K
from the antiferromagnetic state to the ferromagnetic state in an applied field of 2 T. The transformation is accompanied by a volume contraction of about 0.5 %. The small hysteresis can be explained by the low magnetocrystalline-anisotropy-energy which was determined using a Mn3GaC single crystal. The hysteresis properties of polycrystalline and single crystal Mn3GaC are equivalent. However, in pulsed magnetic fields with fast field-sweep rates, the structural response of the transformation cannot follow the field change, which leads to a reduced magnetocaloric effect. This is in contrast to adiabatic magnetization measurements in pulsed fields showing a full transformation. The different time-responses of the structural and magnetic transition can be explained by the large volume change (0.5 %) at the first-order transformation. Mn-Cr-Co-Sb pnictide has a first-order isostructural transition from an antiferromagnetic state to a ferrimagnetic state and has, like Mn3GaC, a narrow hysteresis. The transformation in Mn-Cr-Co-Sb can follow the fast field-sweep rates. This can be explained by the ten times smaller volume change during the transformation in Mn-Cr-Co-Sb compared to Mn3GaC.
Another class of magnetocaloric materials are off-stoichiometric Ni-Mn-In Heusler alloys. However, these alloys are not stable and decompose into stoichiometric Ni2MnIn and NiMn when annealed between 650 and 750 K. In Ni-Mn-In alloys with 5 % In, annealing in a magnetic field leads to the formation of shell-ferromagnetic nanoprecipitates. The ferromagnetic hard-shell remains pinned up to fields of 5 T while the rest of the precipitate shows a soft ferromagnetic behavior. A selective formation of precipitates can be a further opportunity to tune the hysteresis in Ni-Mn-In Heusler alloys
Development of a hermetically encapsulated microsystem pressure sensing system for use as a biosensor in aqueous media
No full textDie Entwicklung immer kleinerer MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems) - Sensoren mit funktionellen Oberflächen bietet die Möglichkeit, diagnostische und therapeutische Aufgaben im menschlichen Körper in Form von Implantaten zu übernehmen.
Damit elektronische Bauteile eines Implantates vor Feuchtigkeit und das umgebende biologische Gewebe vor schädlichen Einflüssen der Elektronik geschützt werden können, sind medizinisch zugelassene mikroelektronische Implantate wie Hirnstimulatoren oder Cochlea Implantate in der Regel mit einer Verkapselung aus dickwandigen Materialschichten wie Titan oder Keramik versehen. Diese dickwandigen Verkapselungen limitieren jedoch die Miniaturisierung des Sensorimplantats und verhindern, dass sensitive Bereiche der Chipoberfläche für die Messgröße frei zugänglich sind. Die direkte Interaktion einer sensitiven Komponente mit der zu erfassenden Umgebung ist somit nicht möglich, obwohl gerade diese Eigenschaft für Biosensoren eine Funktionsvoraussetzung ist.
Mikrosystemtechnische Drucksensor-ASICs (Application Specific Integrated Circuits) nutzen in der Regel unabhängig vom Messprinzip eine verformbare Membran um den vorliegenden Druck zu detektieren. Bei einer dickwandigen Einhausung muss somit gewährleistet werden, dass eine Druckänderung außerhalb des Gehäuses an den Sensor-ASIC im Inneren weitergegeben wird. In vielen industriellen Anwendungen wird hierfür eine dünne metallische Membran als Medientrennung und eine Ölfüllung des Gehäuses zur Druckübertragung genutzt. Speziell die Realisierung einer hinreichend großen Druckübertragungs¬membran ist für medizinische Implantate aufgrund der benötigten starken Miniaturisierung meist nicht zu realisieren.
Das für diese Arbeit genutzte kapazitive Drucksensorsystem bestand aus zwei ASICs, welche für den Betrieb elektrisch miteinander verbunden sein mussten. Ein ASIC war der Drucksensor und der zweite ASIC diente zur Kommunikation und besaß neben einem Speicher für Kalibrationsdaten auch einen Temperatursensor. Da das Drucksensorsystem kabelgebunden war, wurde außerdem eine Durchführung hergestellt, um den hermetischen Sensoraufbau und die Leitungs-verbindung zu trennen.
Ziel der Arbeit war ein Drucksensorsystem, welches durch eine sehr dünne Passivierungs-Schicht hermetisch dicht verkapselt ist. Es könnte somit direkt in einer korrosiven Umgebung, wie z.B. im menschlichen Körper arbeiten ohne dabei Schaden zu nehmen oder messtechnisch beeinflusst zu werden. Diese Passivierungsschicht musste dünn genug sein, damit die ursprünglichen Membraneigenschaften des ASICs nicht verändert wurden und trotzdem einen dauerhaften Schutz boten. Sie wurde außerdem nicht auf Einzel-Chips sondern auf Systemebene abgeschieden, da es aus zwei ASICs bestand. Bei der Auswahl eines geeigneten Verfahrens, um diese Schichten aufzubringen, war somit die Möglichkeit ein dreidimensionales Objekt zu passivieren elementar, da die gesamte Oberfläche des Sensorsystems geschützt werden musste.
In dieser Arbeit wurde das Drucksensorsystem durch einen Atomic Layer Deposition (ALD) Schichtstapel aus 50 nm Aluminiumoxid (Al2O3) und 50 nm Tantalpentoxid (Ta2O5) verkapselt um eine durchgehende Passivierungsschicht auf der Oberfläche zu erhalten.
Für die gewählte Abscheidung lag die Prozesstemperatur bei 275 °C. Die thermische Ausdehnung der genutzten Materialien musste daher aufeinander abgestimmt sein, um Risse in der Passivierung während des Abkühlprozesses zu verhindern. Für den Verguss und für die Montage der ASICs bzw. der Durchführung wurde ein Polyimid-Epoxy-Composite genutzt, welches die Prozesstemperaturen ohne Degradation überstand. Zur Vorbereitung der kritischen Bereiche der Bauelemente, wie Chipkanten bzw. Bonddrähte, wurden diese vor der ALD-Beschichtung ebenfalls mit dem Polyimid-Epoxy-Composite behandelt.
Der entwickelte medienstabile Drucksensor wurde im Rahmen dieser Dissertation messtechnisch vollständig charakterisiert. Die Messungen wurden in physiologischer Kochsalzlösung (NaCl 0,9%) durchgeführt. Neben den Druckmessungen wurden auch Alterungstests in einer feuchten Umgebung durchgeführt. Diese Tests halfen, eine Prognose über die Haltbarkeit der Passivierung aufzustellen.
Als eine erste Anwendung wurde das Sensorsystem genutzt, um den Quelldruck eines Hydrogels zu erfassen. Das Hydrogel diente als Messumformer (Transducer), welcher den äußeren Stimulus in einen Quelldruck umwandelt. Diese Quelldruckänderung wurde durch den medienstabilen Drucksensor detektiert.
Das von einem Forschungspartner bereitgestellte Hydrogel reagiert sowohl bei Ionenkonzentrationsänderungen als auch bei Temperaturänderungen sensitiv. Im Rahmen der Dissertation wurden erfolgreich erste Messungen des medienstabilen Drucksensors im Hydrogel durchgeführt und es konnten Quelldruckänderungen bei beiden Stimuli erfasst werden.
Als potentieller Bio- bzw. Chemosensor stand die Messung einer Ionenkonzentration im Fokus einer Machbarkeitsstudie, welche reproduzierbar durchgeführt werden konnte.The development of smaller MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems) sensors with functional surfaces offers the possibility to perform diagnostic and therapeutic tasks in the human body in the form of implants.
Medically approved microelectronic implants, e.g. brain stimulators or cochlear implants, usually use an encapsulation of thick layers of material, such as titanium or ceramic. The encapsulation protects electronic components of an implant from moisture, but it also protects the surrounding biological tissue from influences of the electronics. However, this thick-walled encapsulation limits the miniaturization of the sensor implant and prevents that sensitive areas of the chip surface are freely accessible to the measurand. But this property is a function prerequisite for biosensors.
Microsystem-based pressure sensor-ASICs (Application Specific Integrated Circuits) usually use a deformable membrane to detect the present pressure, independently of the measurement principle. In a thick-walled enclosure it must be ensured, that the pressure change outside the housing is transferred to the sensor ASIC inside. For this purpose a thin metal membrane is used in many industrial applications as a media separation and an oil filling of the housing for pressure transmission. It is usually impossible to achieve the realisation of a large pressure transfer membrane for medical implants due to the required high miniaturization.
The capacitive pressure sensor system used for this work consisted of two ASICs, which had to be connected electrically in order to operate. The second ASIC was used for communication and also includes a memory for calibration data and a temperature sensor. Since the pressure sensor system was also wired, a feed-through was developed to separate the hermetic structure and the sensor connection line.
The aim of the work was to develop a pressure sensor system which is encapsulated hermetically with a very thin passivation layer. It could work directly in a corrosive environment, such as the human body without any damage or measurement influences. This passivation layer had to be thin enough that the original membrane properties of the ASICs were not changed, while maintaining a permanent protection. It was not deposited on single chips either, but on the system level consisting of two ASICs. When choosing a suitable deposition method, the ability to apply these layers on three-dimensional objects was an essential factor. The whole surface of the sensor system must be protected.
In this work, the pressure sensor system was encapsulated by an atomic layer deposition (ALD) stack of 50 nm aluminium oxide (Al2O3) and 50 nm tantalum pentoxide (Ta2O5) to get a continuous passivation layer on the surface.
The process temperature for the selected deposition amounted to 275 °C. The thermal expansion of the used materials must be coordinated, in order to prevent cracks in the passivation during the cooling process. For the casting and assembling of the ASICs but also for the feed-through a polyimide-epoxy-composite was used which survived the process temperatures without degradation. The preparation of the critical areas of the components, such as edges or chip bonding wires, were pre-treated with the polyimide-epoxy-composite before the ALD deposition.
In this thesis, the developed media stable pressure sensor has been fully characterized by measurement. The measurements were carried out in physiological saline solution (NaCl 0.9%). In addition to the pressure measurements also aging tests were carried out in a humid environment. These tests are performed to predict the durability of the passivation set up.
In a first application, the sensor system was used to detect the swelling pressure of a hydrogel. The hydrogel was used as a transducer, which converts the external stimulus in a swelling pressure. This swelling pressure change has been detected by the media stable pressure sensor.
The hydrogel which was provided by a research partner and is sensitive to temperature and ionic concentration changes.
As part of the thesis first measurements of the media stable pressure sensor has been successfully carried out in the hydrogel and the swelling pressure changes are recorded for both stimuli.
For the use as a potential bio- respectively chemical-sensor, the measurement of ion concentration was in the focus of a feasibility study, which could be performed reproducibly
Expression and amplification of HER2 and molecular markers of signal activation in the advanced or metastatic lung carcinoma
Get PDFDie Arbeit beleuchtet die Bedeutung des Signalmoleküls HER2 im Rahmen der intrazellulären Signalweiterleitung sowie seine Bedeutung als prognostischer bzw. prädiktiver Marker im fortgeschrittenen bzw. metastasierten Adenokarzinom der Lunge.This study focusses on the relevance of HER2 as one component of the intracellular signal pathways as well as its significance as a predictive and prognostic marker in the advanced or metastatic adenocarcinoma of the lung
The role of CEACAM1 during bacterial-induced colitis
Get PDFCEACAM1 stellt auf Grund seiner diversen Expression in Epithelien, Endothelien und Zellen des Immunsystems ein interessantes Molekül in der CEA-Superfamilie dar. Phylogenetische Studien belegen, dass CEACAM1 auf Grund seiner konservierten Expression in über 27 unterschiedlichen Spezies ein zentrales Mitglied dieser Proteinfamilie sein könnte. Das wissenschaftliche Interesse resultiert aus Studien die für CEACAM1 eine Funktion bei immunregulatorischen Prozessen belegen konnten, wodurch weitere Analysen vor allem in Hinblick für die Entwicklung neuer therapeutischer Maßnahmen von besonderem Wert sein könnten. So belegen Untersuchungen für CEACAM1 bei der Tumorgenese, in Abhängigkeit von Art und Stadium des Tumors, ein heterogenes Expressionsprofil oder aber in Zusammenhang mit chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen, eine erhöhte Expression (Morales et al. 1999; Donda et al. 2000; Costello et al. 2005).
In dieser Arbeit erfolgte darauf aufbauend erstmals die funktionelle Analyse von CEACAM1 in dem Modell der bakteriell-induzierten Kolitis. Dabei konnte eine erhöhte Suszeptibilität für die bakteriell-induzierte Kolitis in Folge einer CEACAM1-Defizienz nachgewiesen werden, die sich in einer massiven Pathologie, sowohl auf makroskopischer, als auch histologischer Ebene äußerte. Dabei scheint neben dem hämatopoetischen auch das nicht-hämatopoetische Kompartiment involviert zu sein. In Einklang mit der beachtlichen Expression von CEACAM1 auf intestinalen Epithelzellen und der Funktion der intestinalen Barriere bei der Abwehr von exogenen Pathogenen, konnten Analysen im Rahmen der Arbeit eine erhöhte intestinale Permeabilität in Folge der genetischen CEACAM1-Defizienz nachweisen. Weitere Analysen lassen ferner auf einen möglichen Zusammenhang mit einer reduzierten α-Defensin 5 Expression schließen.
Die durchflusszytometrischen Analysen des hämatopoetischen Kompartimentes zeigten, sowohl in Ceacam1-/--Tieren, als auch WT-Tieren die charakteristische Th1- und Th17-vermittelte Immunreaktion nach Infektion mit C. rodentium. Entgegen der beschriebenen Funktionen von CEACAM1 auf intestinalen CD4+ T-Zellen ist seine Funktion auf intestinalen CD8+ T-Zellen nur wenig beschrieben. In der vorliegenden Arbeit konnte daher erstmals ein hyper-inflammatorischer Charakter von CD8+ T-Zellen anhand einer erhöhten Expression von CD69, vor allem aber reduzierter
Expression der inhibitorischen Moleküle PD-1 und CTLA-4 in Ceacam1-/--Mäusen, als Reaktion auf C. rodentium beschrieben werden.
Zusammenfassend weisen die Ergebnisse in dieser Arbeit darauf hin, dass die Defizienz von CEACAM1 einen modulatorischen Einfluss auf die intestinale Barriere, vermutlich über die Regulation von anti-mikrobiellen Proteinen, in Folge der Infektion mit C. rodentium besitzen könnte. Ferner kann der hyper-reaktive Phänotyp von CD8+ T-Zellen im Modell der C. rodentium induzierten Kolitis möglicherweise für die schwere Pathologie in Ceacam1-/--Tieren verantwortlich sein. Diese Hypothese wird durch die reduzierte Pathologie von Ceacam1-/--Tieren mit depletiertem CD8+ T-Zellkomparti-ment in Folge der Infektion, bestärkt.CEACAM1, an interesting molecule in the CEA-superfamily shows a diverse expression in epithelia, endothelial and immune cells. Phylogenetic studies have shown that CEACAM1 might be central in this diverse protein family due to its conserved expression in over 27 different species. Increasing scientific interest results from studies that showed beside its function as a cell adhesion molecule a central role in immunoregulatory processes. For example, studies confirmed an inverse expression profile of CEACAM1 during tumorigenesis, depending on the type and stage of the tumors. Furthermore, elevated levels of CEACAM1 during inflammatory bowel diseases (IBD) highlight CEACAM1 as a potential target for the development of new therapeutical interventions (Morales et al. 1999; Donda et al. 2000; Costello et al. 2005).
This thesis deals for the first time with the functional analysis of CEACAM1 in the model of bacterial-induced colitis. Consequence of the CEACAM1 deficiency was an increased susceptibility to C. rodentium induced colitis shown by a severe pathology, on both the macroscopic as well as the histological level. In addition to the hematopoietic compartment, the non-hematopoietic compartment appears to be involved. In agreement with the remarkable expression of CEACAM1 on intestinal epithelial cells and the function of the intestinal barrier in the defense of exogenous pathogens, analyzes identified an increased intestinal permeability due to the genetically deleted CEACAM1 expression. Further analyzes also suggest a possible association of CEACAM1 with the expression of antimicrobial peptides shown by the reduced α-defensin 5 expression resulting in its absence.
The flow cytometric analyzes of the CD4+ T cell compartment highlight the characteristic Th1 and Th17-mediated immune response in both Ceacam1-/- and WT-animals to the infection with C. rodentium. In contrast to the reported function of CEACAM1 on intestinal CD4+ T cells, obtained from different animal models, however, only a few studies are available concerning the function of CEACAM1 on intestinal CD8+ T cells. Interestingly in response to the infection of Ceacam1-/--mice with C. rodentium, CD8+ T cells showed in line with an increased CD69 expression, an over all reduced expression of the inhibitory molecules PD-1 and CTLA-4 indicating for a hyper-inflammatory phenotype.
In conclusion, the results of the present work indicate that infection with C. rodentium of CEACAM1-deficient mice may have modulatory effect on the intestinal barrier, presumably via regulatory effects on the expression of antimicrobial peptides. Furthermore, the appearance of hyper-reactive CD8+ T cells could be responsible for the severe pathology seen in Ceacam1-/- animals during the bacterial induced colitis without affecting the bacterial load. This hypothesis is strengthened by the overall reduced pathology occurring in Ceacam1-/- mice depleted of CD8+ T cells during the C. rodentium challenge
Large Eddy Simulation der Nanopartikel Synthese aus Spray-Flammen
Get PDFThe presented work focuses on the development of a multiscale and multiphysics simulation approach for the prediction of nanoparticle synthesis from turbulent flames and spray flames. The models proposed and applied for the description of the flow-, spray-, combustion- and particle dynamics are formulated for the large eddy simulation methodology. The presented global Simulation approach is independent of the material system and has been used to investigate the synthesis of silica (SiO2) and iron-oxide (Fe2O3) particles from spray flame pyrolysis processes with hexamethyldisiloxane and ironpenthacarbonyl as precursors. An Eulerian-Lagrangian-Eulerian approach has been used to model the gas-, spray- and particle phases respectively. To describe combustion, an existing flamelet generated manifold approach (FGM) combined with the artificially thickened flame method (ATF) was modified to account for (a) spray combustion and (b) to account for spray combustion of three feed Systems - due to the fact that most spray pyrolysis reactors feature such a set-up. Two mixture fractions and one joint reaction progress variable are used as control variables in the combustion model. In contrast to the standard FGM approach, which is based on one Bilger mixture fraction, two element mass fractions are used as control variables to describe the mixture composition. During the flamelet calculations, the chemistry of the precursor was considered in the determination of the thermo-chemical quantities, which were stored in multidimensional look-up tables as functions of the control variables. The general dynamics equation in continuous form, a population Balance equation that describes the evolution of particle from gas phase synthesis, is approximated by (a) a simple monodisperse model, (b) a more advanced bimodal model and (c) a detailed sectional model. While the sectional model considers the formation of particles by nucleation and their growth by coagulation, the monodisperse and bimodal models consider additionally the coalescence of particles. The formation of particles from the gas phase was determined during the flamelet calculations and stored as a nucleation source term in the look-up tables.
In the first part of the study, the suitability and validity of the flamelet generated manifold approach combined with the artificially thickened flame method was examined and demonstrated for a well investigated lab-scale spray flame burner operated with ethanol and air. Secondly, the well known monodisperse population balance equation model was applied to study the formation of silica particles from a spray flame pyrolysis reactor operated with ethanol, hexamethyldisiloxane, methane and oxygen. The findings of this study raised the question how well the monodisperse model is suited to describe simultaneously nucleation, coagulation, sintering and mixing as These processes occur simultaneously in turbulent flames. Therefore, the suitability, performance and validity of the three particle models has been demonstrated for a case with simultaneous nucleation, coagulation, coalescence and mixing of particle populations with different histories. Due to the lack of time resolved measurements of particle properties and particle size distributions, a generic test case was used and modified for the aforementioned studies. In the final part of this thesis, the global simulation approach has been used to investigate the formation of silica particles from spray flame pyrolysis in a lab-scale reactor and for the synthesis of iron-oxide particles from a pilot-scale reactor. The simulation results were (a) shown to be in reasonable agreement with the experiments, (b) to help to improve the understanding of the underlying processes and (c) to improve the processes in the investigated reactors.Die präsentierte Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Multiskalen und Multiphysik Simulationsansatzes zur Beschreibung der Nanopartikelsynthese aus turbulenten Flammen und
Spray Flammen. Die vorgeschlagenen und angewandten Modelle zur Beschreibung der Gasphasenprozesse, der Sprayprozesse, sowie der Verbrennung und der Partikeldynamik sind für das Large
Eddy Simulation Verfahren ausgedrückt. Der vorgestellte globale Simulationsansatz ist unabhängig vom Materialsystem und wurde genutzt, um die Siliziumoxid (SiO2) und Eisenoxid (Fe2O3) Synthese aus Spray Flammen mit Hexamethyldisiloxan und Eisenpentacarbonyl als Präkursoren zu Untersuchen.
Zur Modellierung der Gasphase, Sprayphase und der Partikelphase wurde ein Euler-Lagrange-Euler Ansatz gewählt. Zur Beschreibung der Gasphasenverbrennung wurde ein existierender "Flamelet Generated Manifold" Ansatz (FGM) kombiniert mit einem "Artificial Thickened Flame" Model (ATF) modifiziert um (a) Spray Flammen und (b) Systeme mit mehreren Strömen beschreiben zu können da die meisten Spraysynthese Reaktoren auf den zuvor genannten Mehrstromsystemen basieren. Zwei Mischungsbrüche und eine Verbrennungsvortschrittsvariable wurden in dem entwickelten Verbrennungsmodell als Kontrollparameter genutzt. Im Gegensatz zum Standard FGM Model, in dem der Mischungsbruch nach Bilger zum Einsatz kommt, wurden in dieser Arbeit zwei Elementarmassenbrüche zur Beschreibung der Gemischzusammensetzung eingesetzt. Der Einfluss der Präkursorchemie auf die thermochemischen Größen wurde während der Tabellengenerierung berücksichtigt. Die thermochemischen Größen wurden in einer mehrdimensionalen
Tabelle als Funktionen der Kontrollparameter gespeichert. Die "General Dynamics Equation" in kontinuierlicher Form, eine Populationsbilanzgleichung zur Beschreibung der Partikelsynthese
aus der Gasphase, wurde mit (a) einem simplen monodispersen Modell, (b) einem weiterentwickelten
bimodalen Modell und (c) einem detaillierten sektionalen Modell approximiert. Während das sektionale Modell die Partikelerzeugung durch Nukleation und das Partikelwachstum durch
Koagulation berücksichtigt, ist im monodispersen und bimodalen Modell zusätzlich Koaleszenz berücksichtigt. Die Partikelerzeugung aus der Gasphase wurde während den Flamelet Berechnungen
ermittelt und als Nukleationsquellterm in den Tabellen gespeichert.
Im ersten Teil der Arbeit wurde die Eignung und die Validität des Flamelet Generated Manifold Ansatz's gekoppelt mit dem Artificial Thickened Flame Modell anhand einer gut untersuchten
Ethanol-Luft Spray Flamme im Labormaßstab untersucht und nachgewiesen. Danach, wurde das namhafte monodisperse Populationsbilanzgleichung-Modell genutzt um die Siliziumoxid-Synthese aus einem Spraypyrolyse-Reaktor betrieben mit Ethanol, Hexamethyldisiloxan Methan und Sauerstoff zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Studie führten zu der Frage, wie gut das monodisperse Modell geeignet ist, die gleichzeitig stattfindenden Prozesse Nukleation, Koagulation, Koaleszenz und Mischen in turbulenten Flammen zu Beschreiben. Daher wurden die Tauglichkeit und Validität von drei Populationsbilanzmodellen für Fallstudien mit parallel ablaufender Nukleation,
Koagulation, Koaleszenz und Mischung von Partikelpopulationen mit unterschiedlichen Historien untersucht und demonstriert. Auf Grund fehlender zeitaufgelöster Messungen von Partikeleigenschaften und Partikelgrößenverteilungen wurde ein generischer Testfall basierend auf einem veröffentlichen Referenzfall erzeugt und genutzt, um die zuvor genannte Studie durchzuführen.
Im finalen Abschnitt der Arbeit wurde der globale Simulationsansatz zur Beschreibung und Untersuchung der Siliziumoxid-Synthese aus einem Reaktor im Labormaßstab sowie der Eisenoxid-Synthese aus einem Reaktor im Versuchsmaßstab angewandt