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Towards the modelling of a spray flame process for nanoparticle synthesis
No full textDiese Arbeit befasst sich mit der numerischen Simulation von Nanopartikelsyntheseprozessen. Den Schwerpunkt der Untersuchungen bildet die Modellierung der Synthese von Titaniumdioxid-Nanopartikeln aus Titanium-Tetraisopropoxid (TTIP) in einem Sprayflammenreaktor.
Wichtige Schritte hin zu der komplexen Gesamtmodellierung des Spray-Syntheseprozesses waren Modellierungen simplerer Syntheseprozesse ohne Sprayverbrennung. Diese vorausgehenden Studien gaben Aufschluss über das Strömungsfeld in Gasphasenreaktoren und den Einfluss verschiedener Betriebsparameter auf die Synthese. Außerdem generierten sie wichtiges Verständnis und Kenntnisse im Bereich der Reaktormodellierung. Die vorherigen Untersuchungen umfassten die Modellierung eines Heißwandreaktors, eines Niederdruck-Mikrowellenplasmareaktors und eines Niederdruck-Flachflammenreaktors mittels numerischer Simulation.
Für die Analyse des Sprayflammensynthesreaktors werden in dieser Arbeit verschiedene Modellierungsansätze zur Simulation des Gesamtprozesses vorgestellt. Ein Hauptaspekt für alle Modellierungsansätze war, den Rechenaufwand möglichst gering zu halten. Die Prozesse im Sprayflammenreaktor können grob in drei Hauptprozesse aufgeteilt werden: a) der Zerfall des Flüssigkeitsstrahls aus der Spraydüse, b) die Verbrennung des Sprays und in der Pilotflamme und c) die Bildung und das Wachstum der Nanopartikel. Zusätzlich muss der Einfluss der Turbulenz auf die Prozesse berücksichtigt werden. Die Wechselwirkungen zwischen Turbulenz und Nanopartikelentwicklung sind daher Kernstück dieser Arbeit. Durch die unterschiedlichen simultan ablaufenden und wechselwirkenden physikalischen Prozesse war die Gesamtmodellierung des Reaktors sehr komplex. Als erster Schritt musste der Primärzerfall des Flüssigkeitsstrahls untersucht werden, um die Randbedingung für die Spraytropfen für die Gesamtmodellierung zu bestimmen. Der Primärzerfall wurde mithilfe einer Volume of Fluid (VOF) Methode modelliert und zusätzlich wurden Schattenbilder, welche von Jan Menser bereitgestellt wurden, herangezogen. Beide Methoden zusammen lieferten eine gute Abschätzung der Tropfeneigenschaften. Zur Modellierung der turbulenten Sprayverbrennung und der Berechnung der Nanopartikelentwicklung wurden unterschiedliche Methoden verwendet. Als erster Schritt wurde das Partially Stirred Reactor (PaSR) Konzept zur Berechnung der turbulenten Verbrennung verwendet. Die Populationsbilanzgleichungen (PBE: population balance equations) zur Bestimmung der Entwicklung der Nanopartikel wurden mit einem monodispersen Ansatz modelliert und gekoppelt zur Verbrennungssimulation mittels eines Euleransatzes gelöst. Mit dieser Methode wurde eine Sensitivitätsstudie durchgeführt, um den Einfluss kleiner Abweichungen in den Spraytropfeneigenschaften auf die Nanopartikeldurchmesser, -anzahlen und -morphologien zu untersuchen. Diese Sensitivitätsstudie diente dazu, Unsicherheiten in der Definition der Randbedingungen auszuschließen. Zusätzliche Simulationen wurden mit dem Eddy Break-Up (EBU) Model für turbulente Verbrennungen durchgeführt, bei denen die monodispersen vereinfachten PBE in einem Postprozessingschritt gelöst wurden. Schließlich wurde ein vereinfachter hybrider Lagrang’scher Monte Carlo Ansatz für eine komplexere und präzisere Modellierung der Turbulenz-PBE Interaktion verwendet. Monte Carlo Partikelstatistiken wurden hierbei zur Berechnung der diskreten Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen (PDF: probability density function) für die Nanopartikeleigenschaften herangezogen.
Die Modifizierung der Randbedingungen der Spraytropfen in den PaSR Simulationen zeigte keinen nennenswerten Einfluss sowohl auf die Verbrennung als auch auf die Nanopartikeleigenschaften, was auf einen stabilen Reaktorbetrieb schließen lässt. Die PaSR-Simulationen konnten einen ersten Einblick in den untersuchten Reaktor und in die Prozessabläufe während der Synthese geben. Das EBU-Modell lieferte eine etwas breitere nach oben verschobene Sprayflamme im Vergleich zum PaSR-Modell. Die Nanopartikeleigenschaften beider Methoden wiesen die gleichen Größenordnungen auf, jedoch waren die Durchmesser, die Oberflächen-, Volumen- und Anzahldichte beim EBU-Modell etwas kleiner als beim PaSR-Model, was auf eine spätere Umsetzung des Prekursors zurückzuführen ist. Durch die geringe Rechenzeit sind die Euler-Euler Simulationen, d.h. die PaSR- und die EBU-Simulation, zur Durchführung von Parameterstudien in Nanopartikelreaktoren gut geeignet. Bei den Euler-Euler Modellen wurde der Prekursor in der heißen Zone direkt umgesetzt und alle Nanopartikel entstanden zeitgleich. Die Monte Carlo Modellierung hat jedoch gezeigt, dass Nanopartikel mit unterschiedlichen Trajektorien zeitgleich an derselben Stelle existieren. Für jede individuelle Rechenzelle konnten Nanopartikelstatistiken abgeleitet werden. Die gemittelten Werte für die Nanopartikeleigenschaften waren in der gleichen Größenordnung wie die Ergebnisse der Euler-Euler Simulationen. Das Monte Carlo-Modell konnte eine bimodale Nanopartikel-größenverteilung im Reaktor vorhersagen, welche auf unterschiedliche Trajektorien der Partikel zurückzuführen ist. Diese bimodale Verteilung wurde für TiO2-Gasphasensynthese bereits in Experimenten, z.B. von Tsantilis et al. [1], beobachtet und als Grund wurden ähnliche Koagulations- und Nukleationsmode aufgeführt. In der vorliegenden Arbeit wird jedoch gezeigt, dass die bimodale Größenverteilung auch auf turbulente Effekte zurückgeführt werden kann.This work concerns the investigation of nanoparticle synthesis processes with focus on the synthesis of titanium dioxide nanoparticles from titanium tetraisopropoxide (TTIP) in a nanoparticle spray flame reactor.
As important steps towards the complex modelling of the spray process, simpler nanoparticle synthesis processes without spray were examined first. These preliminary studies helped to understand the flow field and the influence of different process parameters, and to generate experience in gas-phase synthesis reactor modelling. Therefore, the synthesis process within a hot-wall reactor, a low-pressure microwave plasma reactor and a low-pressure flat flame reactor was investigated by means of computational fluid dynamics (CFD).
For the analysis of the spray flame reactor, different modelling approaches for a complete reactor simulation are introduced, where one major aspect for all approaches was to keep the computational effort low while achieving sufficient accuracy. The several processes within the reactor can be divided in three main parts: a) the break-up of the liquid jet from the spray nozzle, b) the combustion of the spray and in the pilot flame, and c) the formation and growth of the nanoparticles. Additionally, the interaction between turbulence and nanoparticle dynamics had to be considered, which has been a key part of this thesis. Due to many simultaneous and interacting physical processes of such a spray flame synthesis, the modelling was quite challenging. First, the primary break-up had to be analysed to determine the spray droplet properties, which were required as boundary conditions for further simulations of the complete synthesis process. Therefore, Volume of Fluid (VOF) modelling was performed and shadowgraphs provided by Jan Menser were used, which both together delivered good estimations of the droplet characteristics. For the modelling of the turbulent spray combustion and the calculation of the nanoparticle dynamics, different modelling approaches were used. To break the first ground, the Partially Stirred Reactor (PaSR) concept was used to model the turbulent combustion. The simplified population balance equations (PBE) for the calculation of the nanoparticle dynamics were solved coupled to the combustion using a monodisperse model and an Eulerian approach. With this method a sensitivity study was performed applying modified droplet properties as boundary conditions to analyse their influence on the combustion and the nanoparticle characteristics and to quantify the effect of the uncertainties in the boundary conditions. Additional simulations were performed using the Eddy Break-Up (EBU) model for turbulent combustion, where the monodisperse PBE were solved in a post-processing step in the Eulerian frame. Finally, a simplified hybrid Lagrangian Monte Carlo approach was used for a more complex and precise modelling of the turbulence-PBE interactions, where the Monte Carlo particle statistics were used to calculate discrete probability density functions (PDF) of the nanoparticle characteristics.
The modifications of the spray boundary conditions for the PaSR simulation were found to have a negligible effect on the flame and the final nanoparticle size distribution, which indicates a stable reactor design. The PaSR simulation has given a first insight into the investigated reactor and particularly into the nanoparticle synthesis process. The EBU model predicted a slightly wider spray flame, which was shifted further downstream of the reactor nozzle in comparison to the PaSR model. The nanoparticle properties were in the same range, but due to the later precursor decomposition, the EBU model determined a slightly lower nanoparticle surface area, volume and primary nanoparticle diameter. Due to the short computational time, the Euler-Euler modelling approaches are well suited to conduct parameter studies in nanoparticle reactors. Whereas for the Euler-Euler simulations the precursor decomposed rapidly and all nanoparticles emerged at the same time at a low height above the nozzle, the Monte Carlo model has shown that newly formed and older nanoparticles coexist and feature different properties. Monte Carlo particles with different trajectories at the same time and location were sampled, where particle statistics could be derived for each individual computational cell. The mean of the nanoparticle properties determined by the Monte Carlo simulation were in the same range as predicted by the Euler-Euler approach for the multiphase flow. The Monte Carlo model could predict a bimodal nanoparticle size distribution in the population of the numerical particles due to different particle histories. This bimodal distribution was already observed for TiO2 formation in the gas-phase in different previous experiments, as for example by Tsantilis et al. [1], where it was ascribed to similar coagulation and nucleation modes. In this thesis, it is shown, that a bimodal size distribution can also be caused by turbulent phenomena
Time-resolved optical transport spectroscopy of single self-assembled quantum dots
No full textIn dieser Arbeit wurde die Ladungsträgerdynamik zwischen einem einzelnen selbstorganisierten Quantenpunkt und seiner Umgebung mittels zeitaufgelöster resonanter Fluoreszenz untersucht. Es wurden insbesondere vier verschiedenen Prozesse genauer studiert: (i) Das zeitaufgelöste Einzel-Elektronentunneln zwischen einem Quantenpunkt und einem Ladungsträgerreservoir, (ii) die strahlungslose Emission (Auger-Prozess), (iii) der optisch-generierte Einfang von Elektronen und (iv) das Tunneln von resonant angeregten Löchern.
Erstmals konnte das Einzel-Elektronentunneln zwischen einem einzelnen selbstorganisierten Quantenpunkt und einem Ladungsträgerreservoir beobachtet werden. Als Detektor für den Ladungszustand des Quantenpunkts diente die resonante Fluoreszenzspektroskopie mit einer hohen Zeit- und Ortsauflösung. Es zeigte sich eine starke Rückkopplung der optischen Anregung auf die Tunneldynamik; diese sogenannte "'optische Blockade"' verringert hierbei die Tunnelrate und eröffnet so die Möglichkeit die Tunneldynamik gezielt mit optischen Pulsen zu manipulieren. Darüber hinaus war es möglich, das Elektronentunneln in Echtzeit zu beobachten und somit die Quantensprünge des Systems in einer Messung des Telegraphenrauschens aufzulösen. Aus dem Telegraphenrauschen wurden mithilfe der vollen Zählstatistik Informationen über das Tunneln zwischen einem Quantenpunkt und einem Ladungsreservoir gewonnen, die in gemittelten Messungen nicht beobachtet werden konnten.
In zeitaufgelösten Messungen der resonanten Fluoreszenz wurde außerdem der Auger-Effekt am negativ geladenen Trion gemessen. Hierbei wird die Rekombinationsenergie des Exzitons strahlungslos auf das zusätzliche Elektron übertragen, welches aus dem Quantenpunkt emittiert wird. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass dieser bisher vernachlässigte Effekt im untersuchten System mit einer Rate von 2/µs stattfindet und einen großen Einfluss auf die Emissionseigenschaften des Quantenpunkts hat. Außerdem konnte gezeigt werden, dass durch die resonante, optische Anregung auch freie Elektronen aus dem Rückkontakt erzeugt werden. Diese photogenerierten Elektronen relaxieren in den Quantenpunkt und reduzieren die strahlende Emission des exzitonischen Übergangs.
Abschießend wurde der Einfluss des Lochtunnelns auf die resonante Fluoreszenz des Exzitons untersucht. Die Löcher sammeln sich an einer AlGaAs/GaAs-Grenzfläche, bilden ein Lochgas und verschieben die Resonanz aufgrund des Stark-Effekts. Dieser Tunnelprozess der Löcher führt zu einer Rückkopplungsschleife, die in einem Mitführen der Resonanz und einer Hysterese beobachtet wurde. Die Rückkopplungsschleife kann zur Stabilisierung der resonanten Fluoreszenz des Quantenpunkts benutzt werden, wobei erste zeitaufgelöste Messungen eine Zeitkonstante für den Stabilisierungsprozess in der Größenordnung von 100 ms demonstrieren.In this work the charge-carrier dynamics between a single self-assembled quantum dot and its environment was studied using time-resolved resonance fluorescence. Mainly four effects have been investigated: (i) The time-resolved single electron tunneling between a quantum dot and a charge reservoir, (ii) the non-radiative emission (Auger process), (iii) the optically generated capture of electrons and (iv) the tunneling of resonantly excited holes.
The tunneling of a single electron between a single self-assembled quantum dot and a charge reservoir has been observed for the first time. A resonant optical measurement, the resonance fluorescence spectroscopy, is used to detect the charge state of the quantum dot with high temporal and spatial resolution. A strong influence of the optical excitation on the tunneling dynamics has been measured; this "'optical blocking"' reduces the tunneling rates into the quantum dot and opens up the possibility for a controlled manipulation of the tunneling dynamics with optical pulses. Furthermore, single electron tunneling has been observed in a real-time measurement, hence, the quantum jumps for electron tunneling have been resolved in a random telegraph noise. The random telegraph noise is evaluated with full counting statistics and includes information about the tunneling process, which cannot be obtained from an averaged tunneling measurement.
An Auger-process of the negatively charged exciton has been observed in the time-resolved resonance fluorescence measurement; a process that has been neglected before. Here, the recombination energy of a electron-hole pair is transferred to the additional electron, which is emitted from the dot. A strong influence of the Auger-effect on the optical properties and an Auger-rate of 2/µs has been observed in the investigated system. Moreover, an optical generation of free electrons excited from the back contact has been measured in the resonant measurement. This photoelectrons relax into the quantum dot and reduce the radiative emission of the excitonic transitions.
Finally, the influence of resonant hole-tunneling on the fluorescence of a single dot embedded in a mesa structure has been investigated. The holes are trapped at an AlGaAs/GaAs-interface, build up a hole gas and shift the quantum dot resonance via the quantum confined Stark-effect. This tunneling-process and the resulting transient hole gas lead to a feedback-loop, which has been observed in a dragging of the resonance and a hysteresis. The feedback loop can be used for a stabilization of the resonance fluorescence signal, with a stabilization time in the order of 100 ms
Highly-resolved numerical simulation of turbulent premixed and stratified combustion under adiabatic and non-adiabatic conditions with tabulated chemistry
No full textIn this thesis, premixed and stratified turbulent combustion processes under adiabatic and non-adiabatic conditions are investigated with highly resolved large eddy simulation (LES) and direct numerical simulation (DNS). The flamelet generated manifolds (FGM) approach is used to model the combustion chemistry. The simulations are performed with the ‘PsiPhi’ CFD solver (originally developed by Kempf), which is improved, extended, accelerated and made suitable for efficient computations on ten thousands of processor cores.
The FGM model is extended to account for the effect of stratified mixture and heat losses. The models are validated by LES with the artificial thickened flame model (ATF) of a bluff-body burner investigated at Cambridge/Sandia and a model gas turbine combustor investigated at the DLR Stuttgart, respectively. Radial statistics of the velocity components, temperature and major species mass fractions obtained from simulation and measurement are compared and a good agreement is found. The combustion process is investigated closer with probability density functions (PDFs) and joint probability density functions (JPFs). For the Cambridge/Sandia burner, it is shown that the flame burns in a premixed regime near the burner exit and in a stratified regime further downstream and that the combustion process can be well described by an ensemble of premixed flamelets burning at the local equivalence ratio. For the DLR combustor, it is shown that the flame is exposed to massive heat loss throughout the whole combustor, a newly introduced model for the inclusion of heat loss in the one-dimensional FGM model flames yields comparable results to established models while allowing for a large range of heat losses in the FGM table generation. A further introduced model for a correction factor depending on the local strain rate improves the temperature and species predictions further downstream.
Afterwards, the Cambridge/Sandia burner is simulated with a grid resolution of 100 μm, which is fine enough to resolve all relevant scales directly. The computational domain consists of 1.6 billion cells, requiring 10 million core hours on 64,000 processor cores. The turbulent flame structure is analyzed with PDFs and JPFs, where a conditioning on the distance from the burner and the progress of the reaction is necessary, as the location of the local flame front in the combustion regime diagram depends on these quantities. The analysis is carried out with respect to previous findings from DNS of simpler flame configurations, it is demonstrated that most of the findings are comparable. The turbulent flame thickness is found to be mostly slightly smaller than the laminar one due to predominantly compressive flame normal strain rate. The displacement speed of the turbulent flame front is shown to be mainly determined by the curvature of the progress variable field on the unburned side of the flame and the progress variable gradient on the burned side, partially negative values also occur. The results are filtered at different filter widths and used for a-priori and, together with LES results with corresponding cell sizes, a-posteriori investigation of sub-filter closures for the ATF model. The established sub-filter model by Charlette is used with a static and a dynamic model parameter, together with a newly introduced dynamic power-law model. The static model over predicts the sub-filter wrinkling, whereas both dynamic models are able to predict the sub-filter wrinkling well except for a certain under prediction for the largest filter width. It is found that this under prediction is compensated in the LES by larger local gradients of the progress variable field. The LES results converge against the DNS results with grid refinement for the dynamic models.In dieser Arbeit werden vorgemischte und partiell vorgemischte Verbrennungsprozesse unter adiabaten und nicht-adiabaten Bedingungen mittels hochaufgelöster Large Eddy Simulation(LES) und direkter numerischer Simulation (DNS) untersucht. Die Verbrennungs-Chemie wird mit dem ‘flamelet generated manifolds’ (FGM) Ansatzes modelliert. Die Simulationen werden mit dem ‘PsiPhi’ CFD Löser (ursprüglich von Kempf entwickelten) durchgeführt, der verbessert, erweitert, beschleunigt und für effiziente Berechnungen auf zehntausenden Prozessorkernen anwendbar gemacht wird.
Das FGM Modell wird für partiell vorgemischte und nicht-adiabate Bedingungen erweitert. Die Modelle werden durch LES eines in Cambridge/Sandia untersuchten Staukörper-Brenners sowie eines bei der DLR Stuttgart untersuchten Gasturbinen-Brennkammer-Modells validiert, dabei wird das ‘artificial thickened flame’ (ATF) Modell verwendet. Radiale Statistiken von Geschwindigkeits-Komponenten, Temperatur und Massenbrüche der Haupt-Spezies aus Simulation und Experiment zeigen eine gute Ubereinstimmung. Der Verbrennungs-Prozess wird mittels Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen (PDFs) und Verbund-PDFs (JPDFs) genauer untersucht. Es wird gezeigt, dass die Flamme beim Cambridge/Sandia Brenner nahe des Brenneraustritts vorgemischt brennt und weiter stromabwärts partiell vorgemischt, was sich durch ein Ensemble kleiner vorgemischter Flammen mit dem lokalen Verbrennungsluftverhältnis gut beschreiben lässt. Beim DLR Brenner ist die Flamme starken Wärmeverlusten ausgesetzt, wobei ein neu eingeführtes Modell f ̈ur die Einbringung von Wärmeverlusten in die eindimensionalen FGM-Modellflammen vergleichbare Ergebnisse mit etablierten Modellen ergibt und dabei einen größeren maximalen Wärmeverlust bei der Tabellenerzeugung erlaubt. Ein ebenfalls neu eingeführter Korrekturfaktor abhängig von der lokalen Verformungsgeschwindigkeit führt zu einer Verbesserung der Temperatur- und Spezies-Vorhersagen weiter stromabwärts.
Im Anschluß wird der Cambridge/Sandia Brenner mit einer Netzauflösung von 100 μm simuliert, welche fein genug ist um alle relevanten Skalen direkt aufzulösen. Das Rechengebiet setzt sich aus 1,6 Milliarden Zellen zusammen, es werden 10 Millionen Rechenstunden auf 64.000 Prozessorkernen benötigt. Die Struktur der turbulenten Flamme wird mittels PDFs und JPDFs analysiert, wobei eine Konditionierung auf den Abstand vom Brenneraustritt sowie den Reaktionsfortschritt erforderlich ist, da die Positionierung der lokalen Flammenfront im Verbrennungs-Regime-Diagramm von diesen Faktoren abhängt. Die Resultate werden mit früheren DNS von einfacheren Flammen-Konfiguration verglichen, es wird gezeigt dass viele der Erkenntnisse vergleichbar sind. Die Dicke der turbulenten Flamme ist etwas geringer als die der laminaren Flamme, der Grund dafür ist eine überwiegende Druckverformung in Flammen-Normalenrichtung. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der turbulenten Flammenfront wird auf der unverbrannten Seite der Flamme durch die Hauptkrümmung des Fortschrittsvariablenfelds bestimmt, auf der verbrannten Seite hingegen durch den Gradienten des Fortschrittsvariablenfelds, dabei treten lokal auch negative Werte auf. Die Ergebnisse werden mit unterschiedlich
großen Filtern gefiltert und für a-priori sowie, in Verbindung mit entsprechenden LES Ergebnissen, a-posteriori Untersuchungen von Schließungsansätzen für das ATF-Modell verwendet. Dabei wird das etablierte Modell von Charlette et al. mit einem statischen und einem dynamischen Modellparameter sowie ein neu eingeführtes dynamische Potenzgesetz verwendet. Das statische Model überschätzt dabei die nicht-aufgelöste Flammenkrümmung, wohingegen beide dynamischen Modelle diese passend vorhersagen, mit Ausnahme einer leicht zu niedrigen Vorhersage für die grösste Filterweite. Es zeigt sich, dass diese zu niedrige Vorhersage in der LES durch größere lokale Gradienten des Fortschrittsvariablenfelds kompensiert wird. Die LES Ergebnisse nähern sich dabei mit feiner werdendem Netz an die DNS Ergebnisse an
Simulations of supramolecular systems
No full text1. Zusammenfassungen der Projekte
Die Zusammenfassung der einzelnen Projekte dieser Arbeit wird, wie auch bei der Darstellung der Ziele, in drei Unterkapiteln erfolgen.
1.1. SARS CoV Mpro – Design eines potentiellen Dimerisierungsinhibitoren
Ziel dieses Projektes war es, einen Weg zur Hemmung der SARS CoV Mpro aufzuzeigen, welcher über die Unterdrückung der für die Enzymaktivität essentiellen Dimerisierung der Protease wirkt. Die Analyse der Dimerisierungsfläche erfolgte optisch und mithilfe des Programms AutoLigand, wodurch ein klar abgegrenztes Volumen für das Ligandendesign definiert werden konnte. Für die rationale Entwicklung möglicher Liganden wurden Oberflächenmerkmale innerhalb der Dimerisierungsfläche identifiziert, welche durch einen geeigneten Binder adressiert werden können. Als zentraler Angriffspunkt eines potentiellen Dimerisierungsinhibitors wurde Arg 4 der Mpro herausgestellt, da es durch seine exponierte Position sowie die es umgebene Topographie, leicht zu erreichen scheint. Außerdem stellt Arg 4 eine für die Dimerisierung benötigte Aminosäure dar. Arginin kann an sich gut durch Guanidin-Rezeptoren adressiert werden, im Falle des Arg 4 liegt die Seitengruppe zudem exponiert, wodurch im Umfeld ausreichend Raum für eine Rezeptoreinheit besteht. Als Guanidin-Rezeptor wurde die von Schrader entwickelte Bisphosphonat-Pinzette (BP) ausgewählt, da sie relativ klein ist und sich ihre Ladung durch Methylveresterung der Phosphonat-Gruppen in einem Bereich von 0 bis 4 einstellen lässt. Neben der BP wurden weitere Fragmente gesucht, welche eine dem Arg 4 benachbarte aromatische Tasche besetzen können. Angestrebt wurde außerdem eine Art Oberflächenmimikry, welche die das Arg 4 umgebende unpolare, muldenförmige Topographie nachahmt, um so die Bindung und Lage des zu designenden Liganden stabilisieren zu können. Hierzu wurden in einem ersten kombinatorischen Schritt die aromatischen Aminosäuren His, Phe und Trp über Gly oder N-Ala als Linker an die unterschiedlich geladene BP angebracht und an der definierten Bindungsstelle durch Docking und Clusteranalyse untersucht. Hierbei stellte sich die Kombination BP(OMe)-Gly-Phe als günstig heraus, da sie den konzeptionellen Vorgaben des entwickelten Designs sehr gut entsprach. Sie zeigte, dass die BP-Gruppe das Arg 4 komplexiert, wobei gleichzeitig der Phenylring des Phe in der aromatischen Tasche bindet und der C-Terminus dieses kleinen Semipeptids dem Lösungsmittel zugewandt war, wodurch eine Weiterentwicklung des Liganden ohne Veränderung der Pose realisiert wurde. (Vgl. Abbildung 15, S. 37) Diese wurde dann, ausgehend von der im ersten Schritt des Designs gefundenen Struktur, durch Variation des Linkers und der Erweiterung der Struktur um eine GuaCbz- beziehungsweise OBn-Einheit als Oberflächenmimikry derivatisiert und die sich ergebene Gruppe von Konzeptliganden erneut durch Dockingtechniken untersucht. Der Ligand BP Phe GuaCbz stellte sich als günstigster Kandidat heraus, da er weiterhin Arg 4 über die BP-Einheit komplexiert, Phe in der aromatischen Tasche bindet und sich die GuaCbz-Gruppe dicht an die benachbarte, muldenförmige Oberfläche anschmiegt. Die so von dem Konzeptliganden eingenommene Konformation stabilisiert sich über zwei intramolekulare Wasserstoffbrücken und erreicht zudem in der virtuellen Studie sehr gute Dockingscores. Zur Einschätzung des gewünschten Einflusses auf die Dimerisierung der Mpro wurde der Dockingscore am Monomer der Protease (-9.13 kcal/mol, entspricht ΔGBind) rechnerisch mit ihrer Dimerisierungskonstante (100 μM, ergibt ein ΔGBind von 5.37 kcal/mol) verglichen. Aus diesem mathematischen Vergleich ergibt sich, dass der designte Ligand besser an der monomeren Mpro bindet als die Protease an sich selbst. Es kann davon ausgegangen werden, dass es möglich sein sollte, die Dimerisierung durch den Liganden BP-Phe-GuaCbz zu unterdrücken. (Vgl. Abbildung 48) Die in diesem Projekt angewandte Technik des de novo Designs eines neuen Liganden für eine ebenfalls neue Bindungsstelle ist vielseitig anwendbar. Die enzymatische Aktivität einer essentiellen Protease eines pathogenen Erregers mechanistisch, über die Hinderung der Aggregation des Enzyms, zu inhibieren, ist ein elegantes und erfolgsversprechendes Beispiel dieser Technik.
1.2. β-Tryptase – Evolution eines Bindungsmodells
Die Weiterentwicklung eines bestehenden Bindungsmodells für Inhibitoren der β-Tryptase zur Adaption neuer experimenteller Befunde war das Ziel des zweiten Projekts dieser Arbeit. Das bisherige Modell zeigte eine Möglichkeit des Hemmmechanismus für vierarmige Liganden, welche durch Bindung an Aminosäuren am Eingang der zentralen Pore der Protease diese verschlossen. Hierdurch wurde das Eintreten eines potentiellen Substrates verhindert, wodurch es nicht zu den aktiven Zentren des Enzyms vordringen konnte und somit dessen Katalyse inhibiert wurde. Dieses Modell konnte jedoch nicht die unterschiedliche Hemmung der β-Tryptase durch zwei sequenzisomere, dreiarmige Substanzen (82, Ki = 22,5 nM und 96, Ki =114 nM, siehe Abbildung 20, S. 47) erklären, da diese ebenfalls auf analoge Weise die zentrale Pore versperren könnten. Die Analyse der vorliegenden Daten zeigte auf, dass diese dreiarmigen Inhibitoren nicht-kompetitiv wirkten. Eine von Heider durchgeführte virtuelle Untersuchung des Inneren der Pore deckte weitere Bindungsstellen im Umfeld der aktiven Zentren und nahe der Oligomerisierungsflächen der tetrameren Protease auf. Diese Informationen sollten zusammen mit den Erkenntnissen über die Hemmwirkung der beiden Isomere in das neue Modell einfließen. (Siehe Abbildung 49) Da die beiden Strukturen 82 und 96 relativ groß und sehr flexibel waren, mussten sie vor der Anwendung der Software Glide in kleinere Systeme zerlegt werden. Zu diesem Zweck wurden die Liganden von zwei ihrer drei Arme befreit. Die so entstandenen einarmigen Modellverbindungen wurden dann sukzessive an der inneren Porenoberfläche gedockt. Hierzu wurden drei Enclosing Boxes so positioniert, dass sie zum einen die Aminosäuren am Eingang der Pore und zum anderen die von Heider identifizierten neuen Bindungsstellen im Inneren der Pore abdeckten. Jede der drei Boxen deckte mehr als ein Drittel des zu untersuchenden Bereichs ab, womit auch die Grenzflächen zwischen den Boxen ausreichend berücksichtigt wurden. Während der Analyse möglicher Posen der Modellverbindungen musste der nicht-kompetitive Hemm- mechanismus berücksichtigt werden. Hierzu wurden die Berechnungen der Maps innerhalb der Boxen so gesteuert, dass die Liganden nicht direkt an den aktiven Zentren binden konnten. Das Docking der Modellverbindungen erfolgte, indem der Phenylring der Verbindungen mittig in der Pore gehalten wurde. Auf diese Weise konnte der Arm während der Docking-Läufe die innere Porenoberfläche abtasten. Durch den mittig positionierten Phenylring wurde die spätere Kombination der einzelnen Modellsysteme zu den vollständigen Liganden erleichtert. Die mithilfe dieser Methode generierten Posen wurden zunächst nach ihren Dockingscores sortiert, worauf die besten Posen der Modellverbindungen eines Liganden auf ihre Kombinierbarkeit optisch geprüft wurden. Nach der Identifizierung günstiger und kombinierbarer Posen wurden diese unter Zuhilfenahme der Sculpting-Technik an ihren Phenylringen zur Deckung gebracht und zu den vollständigen Inhibitoren kombiniert. Durch diesen manuellen Eingriff ist es notwendig im Anschluss an diese Kombination der Modellverbindungen die entstandene Pose einer Konformationsanalyse zu unterwerfen, um die Stabilität der Pose und damit ihre Relevanz zu überprüfen. Auf diese Weise entstanden Posen von 82 und 96, welche anhand ihres gemittelten Dockingscores und des über die Konformationssuche eingeschätzten Unterschieds in ihrer Bindungsenergie verglichen wurden. Hierbei zeigten die Rechnungen für den Liganden 82 im Vergleich zu 96 einen um 1 kcal/mol besseren Score auf, jedoch eine um ca. 12 kcal/mol ungünstigere Bindungsenergie. Der rein energetische Vergleich der beiden Posen konnte demnach nicht als Rechtfertigung für die um einen Faktor von 5 bessere Hemmstärke von 82 dienen, woraufhin eine weitere optische Analyse der Lage und des Raumanspruchs der Liganden im Inneren der Pore erfolgte. Diese Betrachtung nahm die SASA als Maßstab für den Platzbedarf der Inhibitoren. Es zeigte sich, dass 82 durch seine die Pore durchspannende Konformation, selbige nahezu vollständig blockiert, wohingegen 96 nur einen Teil versperrt. (Vgl. unterschiedliche Ausdehnung der Liganden 82 und 96 in Abbildung 49, rechts) Diese Information über den sterischen Anspruch der Liganden im Inneren der β Tryptase und die daraus resultierende teilweise, beziehungsweise vollständige Besetzung der Pore konnte als Begründung des Unterschieds in der Hemmwirkung der Isomere herangezogen werden. Die Realisierung der Simulation der sehr flexiblen Liganden durch die selbst entwickelte Technik des sukzessiven Dockings, unter Berücksichtigung bestehender experimenteller Befunde, konnte somit erfolgreich ein neues, die Eigenschaften dieser beiden Liganden erklärendes Bindungsmodell generieren.
1.3. 14-3-3 – Ligandendesign durch virtuelle Retrosynthese
Das letzte in dieser Arbeit beschriebene Projekt fokussierte auf der Entwicklung eines Liganden für die Dimerisierungsfläche der 14-3-3ζ Adapterproteins. Da sich bislang in der Literatur keine Beispiele für Binder der Dimerisierungsfläche finden, wurde als Ausgangspunkt für die Generierung ein breit angelegtes UV/Vis-Screening genutzt, bei welchem 70 kationische Verbindungen gegen die ζ-Isoform getestet wurden. Eine der vielversprechendsten Verbindungen in dem Screening war 54. Von diesem initial gefundenen Liganden wurde durch retrosynthetische, dockingbasierte Analyse (vgl. Abbildung 36, S. 63) ein bindungsrelevantes Fragment identifiziert. Dieses Fragment wurde daraufhin durch Variation seiner Ladung derivatisiert. Das Derivat mit der günstigsten Pose und dem besten Score dieser Analyse war Verbindung 118. Die gefundene Pose an der Dimerisierungsfläche konnte durch ein Epitopsy nochmals bestätigt werden. Basierend auf diesen Simulationsergebnissen wurde der Ligand synthetisiert und seine Bindungseigenschaften über eine UV/Vis- und MST-Titration erhoben: KD = 530 nM, UV/Vis und KD = 662 nM, MST. Ein Job Plot ergab die Stöchiometrie von 1:1 des Komplexes zwischen 118 und dimerem 14-3-3ζ, wodurch sich das Ergebnis der zuvor durchgeführten Simulationen bestätigte. Die genaue Lage und Konformation des Liganden war von größtem Interesse, weshalb der Versuch der Kristallisation von 118 in seiner Bindung zum Protein durchgeführt wurde. Die Kristallisation verlief erfolgreich, jedoch bildete das Beugungsmuster der röntgenspektroskopischen Untersuchung des Kristalls den Liganden mit einer sehr geringen Auflösung ab. Deutlich zu erkennen war die Lage des Liganden inmitten der sich in der Dimerisierungsfläche bildenden Pore. Nicht abgebildet wurde seine genaue Konformation, sowie sein Protonierungsgrad. Zur Ermittlung des Protonierungsgrads des Liganden in gebundenem Zustand wurden die pKa-Werte der protonierbaren Gruppen von Grad mit dem Programm PROPKA ermittelt. Hieraus ergab sich für die GCP- und Lysin-Amino-Gruppe ein pKa-Wert von 6.4, wodurch anzunehmen ist, dass 118 im nicht-protonierten, also ungeladenen, Zustand bindet. Die Optimierung der Kristallstruktur erfolgte daraufhin durch QM/MM MD Simulationen, welche von Mittal durchgeführt wurden. Mithilfe dieser Optimierung und den Informationen über den Protonierungsgrad konnte ein sehr genaues Bild des Liganden zwischen den Monomeren des 14-3-3ζ Proteins erstellt werden. Den Studien zufolge bindet der Ligand an der Dimerisierungsoberfläche, die ermittelten Interaktionen des Liganden bilden sich hauptsächlich zwischen dessen Lysin und einem Monomer. Das andere Monomer wird derweil durch die GCP-Gruppe gebunden.
In diesem Projekt wurde durch virtuelle Retrosynthese erfolgreich ein Ligand für eine biologisch relevante Position an 14-3-3ζ entwickelt, welche zuvor noch keine Beschreibung in der Literatur fand. Die Illustration in Abbildung 50 zeigt zusammenfassend den Verlauf des Ligandendesigns von dem initialen Fund bis zur optimierten Kristallstruktur. Die denkbaren Entwicklungsmöglichkeiten dieses Systems sind vielfältig und werden in zukünftigen Studien dazu beitragen, die Funktion und Steuerung dieser Proteinfamilie besser zu verstehen. Einige der Entwicklungs- und Analysemöglichkeiten zur Erhöhung der Spezifität zwischen den humanen Isoformen oder zur Modulation von Heterodimerisierung verschiedener Isoformen wurden in Kapitel 7.4 (ab S. 72) vorgestellt. Die zur fortschreitenden Entwicklung von 118 berechneten Derivate (118.1 - 118.11, Abbildung 47, S. 78) konnten durch die Ergebnisse der QM/MM MD Simulationen und durch Verwendung der Core-Funktion von Glide innerhalb der Pore und nahe der Konformation von 118 an 14-3-3ζ berechnet werden. Innerhalb dieser Derivate schnitten 118.4 - 118.7, welche zur Steigerung der Affinität zur ζ-Isoform generiert wurden, im Docking tatsächlich besser ab. Im Rahmen der Simulationen dieser zweiten Generation an Bindern der Dimerisierungsfläche der 14-3-3 Proteine konnten Indizien für eine mögliche Isoformspezifität ausgearbeitet werden. Diese können in weiterführenden Arbeiten an diesem Projekt zur Entwicklung spezifischer Liganden zur Adressierung der verschiedenen Isoformen und Dimerisierungsvarianten von Nutzen sein.9. Summary of Projects
The summary of the single projects of this dissertation will be presented in three subsec-tions.
9.1. SARS CoV Mpro – Design of a Potential Inhibitor of Dimerization
This project aimed at the development of an inhibition mechanism which uses the suppression of the dimerization process of the protease SARS CoV Mpro, which is essential for its activity. The inspection of the relevant protein surface inside the dimerization interface was done optically and with the aid of the program AutoLigand. Hereby a volume within the protein cavity was defined for the design of a potential binder. Inside this volume, different surface characteristics which the potential binder might address were identified. As the central interaction point, Arg 4 was established. Because of its exposed position on the protein surface, as well as the surrounding topography, it seemed to be a good target for small molecule binders. A second point of interest is the fact that Arg 4 is vital for the dimerization of the protein. Due to its exposed position, the sidechain of Arg 4 has enough surrounding space to allow an artificial receptor unit to bind. The bisphosphonate tweezer (BP), developed by Schrader, was chosen as the Guanidine receptor. Besides a strong binding affinity for Guani-dine, the charge on the BP tweezer can be adjusted from 0 to -4 by methyl esterification. The BP was derivated virtually with different fragments which might bind to an aromatic pocket next to the Arg 4. Additionally, it was sought to design a moiety which could be used as somewhat of a surface mimicry of the surrounding topography in order to allow the potential ligand to gain more stability in its bound pose. To reach these goals, the BP has been derivatized by combinations of aromatic residues, like His, Phe and Trp, which were connected to the receptor unit using Gly or N-Ala as a linker. The resulting small library was tested with docking and cluster analysis. The best candidate obtained by this study was BP(OMe)-Gly-Phe; it outshone the rest of the investigated group because it showed relevant aspects of the design criteria. In its docked pose, BP was complexing the Arg 4 and the phenyl ring of Phe was inside the aromatic pocket, while the ligand’s C-terminal was exposed to solvent. (See figure 15, p. 37) Due to this, the further ligand development could be done without changing the position of this initial stance. In the second step of the design process, the con-ceptional ligand was elongated with a GuaCbz or O-Bn moiety as a potential surface mimicry, while the linker was modified. The resulting group of candidates has been investigated by docking techniques. The best binder in the docking study was the ligand BP-Phe-GuaCbz; it presented a pose which met all design criteria: BP was complexing Arg 4, Phe was positioned inside the aromatic pocket and the GuaCbz moiety huddled against the protein surface. This pose was additionally stabilized through two intramolecular hydrogen bonds and gave a promising docking score. To estimate if the ligand’s binding affinity can compete against the affinity of dimerization, their binding energies have been compared mathematically. The ΔGbind of the ligand to the protein was simulated to be -9.13 kcal/mol, while the dimerization constant of the protease (KD = 100 μM) gave a ΔGbind of -5.37 kcal/mol. From this rough comparison, it can be said that the ligand can bind to the protein more strongly than the protein to itself. In principle, the ligand BP-Phe-GuaCbz should be able to suppress the dimerization of the SARS CoV Mpro and hence its enzymatic activity. (See figure 51) The virtual de novo design of new ligands is a powerful tool for ligand development and it can be used to address a wide range of targets. The developed method of mechanistically suppressing the activity of an essential protease of a pathogen by the inhibition of the crucial dimerization process of the target enzyme is an elegant and promising strategy.
9.2. β-Tryptase – Evolution of a Binding Model
The advancement of an existing binding model for the adaptation of experimental data was the focus of this project. The existing model included a possible inhibition mechanism for four-armed ligands, which were blocking the pore of the tetrameric protease β-Tryptase by attaching themselves to residues at the entrance of that pore. Therefore, a potential substrate would not be able to enter the pore and reach the active sites, which leads to an inhibition of enzymatic catalysis. Unfortunately, this model was not able to explain the differing behaviour of two three-armed sequential isomers. (82, Ki = 22,5 nM and 96, Ki =114 nM, compare figurAbbildung 20, p. 47) The two isomers could, in principle, block the central pore in a similar way to the four-armed variants. The experiments showed that 82 and 96 were inhibiting the enzyme in a non-competitive way. Heider revealed additional binding spots for this kind of inhibitor inside the central pore of the tetrameric protease close to its active site or the oligomerization areas, respectively. This information, combined with the inhibitory strength of the two ligands, should be incorporated into the new binding model. (See figure 52) Because of the large size and flexibility of the ligands 82 and 96, the virtual analysis of pos-sible binding modes was done with truncated parts of the ligands, using the software Glide. These truncated model ligands had been reduced to their central scaffold featuring just one arm instead of three. The model ligand was docked to the protein surface inside the cavity of the protease. In order to do so, three enclosing boxes were positioned in a way that they covered the residues at the entrance of the pore and the binding spots discovered by Heider. Additionally, the boxes were engaged in an overlapping manner, to ensure that binding posi-tions at the border in between the boxes could be found by the docking algorithm as well. To respect the non-competitive mode of inhibition, the function Excluded Volumes, imple-mented in Glide, was used to deter the ligands from entering the active sides. During the docking process, the central scaffold of the model ligands was held in the middle of the protein’s pocket. The protein surface inside the cavity was then scanned with the single-armed ligand using the established settings. After the docking of the single-armed variants, the the best results of each variant were combined, overlapping at their central scaffold, in order to build up the real ligands 82 and 96 inside the protein’s pore. After this combination, the resulting poses were passed through a conformational search to prove their stability and to gain information about their binding energies. The mean score from the docking of the model ligands and the predicted binding energies were compared; they showed a score which was 1 kcal/mol better for ligand 82 than for 96, but a binding energy which was 12 kcal/mol worse compared to 96. This energetic evaluation did not answer the question about the inhi-bition strength, which differed by a factor of 5. To shed light onto this significant inhibitory difference, the SASA (solvent accessible surface area) of the two poses taken by the inhibi-tors inside the protein pore was investigated. While the pose of 82 is very bulky and blocks the pore nearly completely, the pose of 96 blocks only about half of the pore. (Compare the required space of the poses in figure 52, right) The information about the steric demands of the positions and the resulting partial or total blocking of the pore, respectively, can be used to explain the altered inhibitory strengths of the two isomers 82 and 96. The self-developed method of successive docking was used effectively to advance the binding model and explain the variances in inhibition of the two similar compounds.
9.3. 14-3-3 – Ligand Design by Virtual Retrosynthesis
The last project in this thesis was focusing on the development of a ligand for the dimerization interface of the 14-3-3 adapter protein. Until now, no examples of this kind of ligand are shown in literature, therefore a UV/Vis screening of 70 cationic compounds against 14 3-3ζ was used as the starting point for the design process. One of the most promising candidates revealed by this screening was comp
Funktionalisierung von Oberflächen durch Integration von Polyalkylcyanoacrylat-Nanokapseln
No full textUm Oberflächen zu funktionalisieren, werden funktionelle Reagenzien in Polymer-Nanokapseln mit Durchmessern um 300 nm eingeschlossen. Diese wiederum werden in Metall- oder Lackschichten eingebunden, um Funktionalitäten wie eine lokale Schmierung
oder Korrosionsschutz zu etablieren. Zwei Ansätze werden dafür angewandt:
Die Funktionalisierung metallischer Oberflächen erfolgt zum einen durch Integration von Nanokapseln durch eine modifizierte Ni-Watts-Galvanik und zum anderen durch eine Dispersion, die in einen Wasserlack eingearbeitet wird.
Wird die so behandelte Oberfläche beschädigt, werden die integrierten Nanokapseln zerstört. Die in die galvanische Schicht eingebrachten Kapseln setzten ihr Öl frei und erzeugen einen
Schmiereffekt. Nanokapseln, die im Lack integriert werden, enthalten Korrosionsinhibitoren und selbstheilende Harze, die die Kratzer teilweise verschließen und weitere Korrosion hemmen. Dieser Effekt wird mittels Elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS)
erfolgreich nachgewiesen.
Durch funktionalisierte Oberflächen werden diese vor Umwelteinflüssen geschützt. So können z.B. Wartungsintervalle verlängert und Reparaturkosten reduziert werden. Dies trägt
nachhaltig zur Langlebigkeit der verwendeten Materialien und somit zur Schonung von Ressourcen bei.In order to functionalize surfaces, functional reagents are enclosed into polymer nanocapsules with diameters around 300 nm. These in turn are incorporated into metallic or paint coatings to establish functionalities like local lubrication or corrosion protection. Two approaches are being applied:
The functionalization of metallic surfaces is done on the one hand via integration of the nanocapsules into metallic surfaces by a modified Ni-Watts galvanic process and on the other hand by a dispersion which is incorporated in a water-based paint.
If the treated surface is damaged, the integrated nanocapsules are destroyed. The capsules integrated in the galvanic layer release the oil and produce a lubricating effect. The nanocapsules which are integrated in the paint include corrosion inhibitors and selfhealing
resins, which seal the scratches and partially inhibit further corrosion. The anti-corrosive function of the layer is successfully proven by electrochemical impedance spectroscopy.
Functionalized surfaces can be protected against environmental conditions. It is possible e.g. to extend maintenance intervals and reduce repair costs. This makes a lasting contribution to the life time of material and saves resources
Urbane Identität als ergänzendes Instrument für das urbane Wohlbefinden
No full textDie Gesellschaft, in der wir leben, ist eine Gesellschaft im Wandel in der Ideen für Wachstum und Wohlbefinden gleichermaßen diskutiert werden. Der Aufruf Städte nachhaltig zu gestalten im Sinne der Sustainable Development Goals (SDG), speziell Ziel Nummer 11, und widerstandsfähig zu machen wurde durch die neue städtische Agenda (New Urban Agenda) Nachdruck verliehen. Der WBGU-Bericht betont die Notwendigkeit, Wohlbefinden und Eigenart (oder urbane Identität) zu verstehen und sie auf verschiedenen Ebenen in die Stadtplanung und Forschung einzubeziehen. Diese Doktorarbeit ist in diesen Kontext eingebunden und räumt der Thematik Wohlbefinden und Eigenart eine zentrale Rolle ein. Das gesteckte Ziel dieser Doktorarbeit ist es, Wohlbefinden und die dazugehörigen Attribute im städtischen Kontext zu verstehen, vor allem im Rahmen postindustrieller Urbanisierung in der westlichen Welt. Seit der Antike, in Zeiten von Aristoteles, wurde Wohlbefinden als Konzept von Denkern und Praktikern gleichermaßen betrachtet, anfänglich hauptsächlich in den Bereichen Philosophie, Psychologie und später in Disziplinen wie Ökonomie; aus Sicht der Stadtplanungsdisziplinen ist die Thematik jedoch noch relativ unerforscht, obwohl Module des Wohlbefindens wie Nachhaltigkeit und Lebensqualität oft diskutiert werden. Der Begriff des Wohlbefindens wird sehr ausführlich behandelt im Rahmen dieser Arbeit, besonders in Hinblick auf die existierenden Literaturressourcen. Dieser zentrale Begriff und Forschungsschwerpunkt wurde systematisch eingegrenzt auch in Hinblick auf die anknüpfenden und vielfachen Aspekte unter denen städtische Identität (ähnlich dem Eigenart Konzept des WBGU) erforscht wird.
Diese Forschung untersucht eingehend die verschiedenen theoretischen Aspekte der Stadtidentität und zeigt Wege zur Anpassung an die Bedürfnisse der Stadtplanung. Außerdem beschreibt diese Arbeit vier global best practices, die sich auf verschiedene theoretische Aspekte beziehen und liefern ein wertvolles Verständnis wie diese Konzepte in praktische Vorhaben und Projekte konvertiert werden können. Basierend auf dem theoretischen Rahmen dieser Forschung, wird die städtische Identität der drei verschiedenen Vierteln der Stadt Essen empirisch analysiert. Dies ermöglicht einen komparative Ansatz um die Rolle von Identität in den verschiedenen Nachbarschaften, innerhalb einer Stadt, und Aspekte wie Wohlbefinden und Nachhaltigkeit zu beleuchten und besser zu verstehen. Die Forschungsergebnisse wurden gewichtet, entsprechend der Befragungen im Rahmen von der OECD erstellten "Better Life Index" und gegenübergestellt. Der letzte Teil der Forschung zeigt Wege durch die urbane Identität als ergänzendes Instrument verwendet werden kann, um umfassendes Wohlbefinden im Städtischen Raum in die nachhaltige Stadtplanung und Strategieentwicklung zu integrieren.
Diese Forschung bietet einen starken theoretischen Rahmen für die Diskussion, Forschung und Planungsansätze im Bereich urbanes Wohlbefinden um einen Betrag zu leisten neue Wege zu finden die Gefahren der Urbanisierung im 21. Jahrhundert zu kontern. Darüberhinaus bietet diese Arbeit die Grundlage Urbanisierungsprozesse, die Thematiken wie Wohlbefinden nicht vernachlässigen können, durch wissenschaftliche Ansätze, holistisch zu betrachten und durch den Fortschritt in der Technologie (wie Big Data) Potenziale zu nutzen um partizipative und blühende Städte für alle zu schaffen.The society we live in, is a society in transition wherein ideas of growth and wellbeing are equally debated. The call to make cities sustainable and resilient of the Goal number 11 of the Sustainable Development Goals (SDG), was further strengthened by the New Urban Agenda (NUA). The WBGU report on the same highlights the need to understand wellbeing and Eigenart (or identity) and address them at various levels including policies. This PhD research assumes great significance in this context. The first objective of this research is to understand Wellbeing and its attributes in the urban context, especially from the perspective of post-industrial revolution urbanization in the western world. Wellbeing as concept has eluded thinkers and practitioners alike since the time of Aristotle and has been dealt primarily within the realm of philosophy, psychology and even economics but is relatively unexplored from the urban planning perspective. However, the applied modules of wellbeing such as sustainability and quality of life are often discussed. The notion of wellbeing is very exhaustive and to do justification to the resources, this notion was systematically narrowed down by establishing links between its various attributes among which Urban Identity (similar to the Eigenart concept of WBGU) is further researched.
This research thoroughly examines the various theoretical aspects of urban identity and highlights the ways to adapt them to the needs of urban planning. This research also discusses four global best practices that relate various theoretical aspects and provide a valuable understanding of how these concepts can be converted into actions and projects. Based on the theoretical framework of this research, the urban identity of three different neighborhoods of the city of Essen is empirically analyzed. This allowed for a comparative understanding of the role the identity of different neighborhoods within the same city plays in their overall wellbeing. These results were finally weighted w.r.t. the overall priorities expressed by the respondents from Germany on the ‘Better Life Index’ created by the OECD. The final part of research highlights avenues through which urban identity can be used as a complementary tool to enhance comprehensive wellbeing.
The urban identity of the case study areas thus obtained, supports the hypothesis of this research and indeed provides an alternative understanding of these areas than the prevalent notion about them. This research provides a strong theoretical framework for the wellbeing driven urbanization in the 21st century which with the support by the advancement in technology (such as big data), has the potential to create more participative and flourishing cities for all
Laser synthesis and functionality of heterogeneous catalysts
No full textDie Katalyse ist eine der wichtigsten Schlüsseldisziplinen für eine nachhaltige Zukunft. Trotz ihrer Bedeutung in der Chemie, Umwelttechnik und Mobilität gibt es noch zahlreiche offene Fragen zur Katalyse. Insbesondere ist eine gezielte Katalysatorsynthese entscheidend, um chemische Prozesse ressourcenschonend und nachhaltig kontrollieren zu können. In diesem Zusammenhang ist die Methode der gepulsten Laserablation in Flüssigkeiten (PLAL) und die anschließende kolloidale Partikelabscheidung auf Trägermaterialien ein neuartiger und vielversprechender Ansatz zur Synthese ligandenfreier Nanomaterialien, welche eine hohe Reinheit besitzen und somit für katalytische Anwendungen von Interesse sind. Um diese Synthese zu etablieren, sind jedoch tiefere Einblicke in die Partikeleigenschaften sowie deren definierte Einstellungen erforderlich.
In dieser Arbeit wird ein gesamter Forschungsprozess von der Grundlagenforschung bis hin zu anwendungsorientierten Untersuchungen integriert. Da heterogene Katalysereaktionen an der Grenzfläche von Katalysatoren und Reaktanten stattfindet, werden im ersten Teil dieser Arbeit die Oberflächeneigenschaften von lasergenerierten, katalytisch relevanten Nanopartikeln untersucht. Die Eigenschaften von lasergenerierten Platin- und Kupfer-Nanopartikeln wurden untersucht und die Auswirkungen dieser Ergebnisse auf die Bildung von Legierungs-Nanopartikeln damit begründet. Die Entwicklung von aktiven Legierungskatalysatoren ist von großer Bedeutung, da sie maßgebende Eigenschaften wie höhere katalytische Aktivitäten als ihre Mono-Metalle implementieren und die Verwendung einer geringeren Menge an teuren Edelmetallen ermöglichen.
Die Oberflächenuntersuchungen ermöglichen ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden Syntheseparameter und Prozesse, die die Herstellung von gut definierten katalytisch aktiven Materialien ermöglichen. Durch eine In- situ-Charakterisierung der Oberflächenstruktur mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie wurde nachgewiesen, dass lasergenerierte Platin-Nanopartikel in Flüssigkeiten teils oxidiert (und damit positiv geladen) sind. Während die Partikeloberflächeneigenschaften nach der Adsorption auf einem Träger erhalten bleiben, wurde eine veränderte Nanopartikel-Wechselwirkung mit dem Lösungsmittel auf der Basis der geänderten Anzahl von Bindungen analysiert. Neben den Untersuchungen an edlen Nanopartikeln werden Konzepte zur Kontrolle der Eigenschaften von unedlen Metallen (wie Cu, Ni, Mo) durch das Lösungsmittel vorgestellt. Nach diesen Untersuchungen werden weitere Schlussfolgerungen zur Herstellung von Legierungsnanopartikeln gezogen und beschrieben. Hierbei wird auf die Frage eingegangen, wie unedle katalytisch aktive Legierungsnanopartikel, welche mittels PLAL hergestellt werden, in ihren Eigenschaften modifiziert werden können. Es wird gezeigt, dass die Partikeloxidation, welche stark vom Lösungsmittel beeinflusst wird, einen entscheidenden Einfluss auf die Legierungsbildung und die Partikelstabilität hat.
Für eine Anwendung in der heterogenen Katalyse müssen die Metallnanopartikel auf Trägermaterialien adsorbiert werden. So wird im letzten Teil dieser Arbeit die Adsorption von ligandenfreien Nanopartikeln auf Oxid- und Kohlenstoffträger adressiert. Die einflussgebenden Parameter, die die Nanopartikeladsorption auf TiO2 kontrollieren, werden bestimmt. Es wird gezeigt, dass die Partikeladsorption durch den pH-Wert und die Ionenstärke gesteuert werden kann, wobei auch Nanopartikel, die volständig mit verschiedenen Liganden bedeckt sind, auf dem Träger durch elektrostatische Wechselwirkung adsorbiert werden können. Somit ermöglichten diese experimentellen Untersuchungen den Mechanismus der kolloidalen Partikelablagerung zu ermitteln. Darauf basierend kann die Herstellungsprozesskette der laserbasierten heterogenen Katalysatoren auf verschiedene Trägermaterialien übertragen werden. Zum Schluss wird gezeigt, dass die so hergestellten Katalysatoren bei geringen pH-Werten chemisch beständig sind und somit ein Anwendungspotential der Katalysatorsynthese besteht.
Die vorliegenden Studien basieren auf vier ausgewählten Publikationen (von insgesamt neun Peer-Review-Publikationen), die im Promotionsstudium erstellt wurden. Der Abschnitt "State of the art" besteht aus einem Auszug aus einem geplanten, nicht veröffentlichten Review. Diese Dissertation ist halbkumulativ geschrieben, in der der Text in verschiedene Kapitel mit den jeweiligen Einführungen zu den zusammenhängenden Forschungsthemen aufgeteilt wird. Am Ende werden die Ergebnisse zusammengefasst und ein Ausblick für zukünftige Untersuchungen gegeben.Catalysis is one of the most important key disciplines to achieve a sustainable future. Despite its significance in chemistry, environmental technology and mobility, there are still numerous open questions related to catalysis. In particular, a targeted catalyst synthesis is crucial in order to control chemical processes in a resource-conserving and sustainable manner. In this sense, the Pulsed Laser Ablation in Liquids (PLAL) technique and the subsequent colloidal particle adsorption to supports is a novel promising approach for the synthesis of ligand-free nanomaterials with high purity for catalytic applications. Yet, to establish this preparation method, deeper insights into the properties of particles as well as their defined settings are necessary.
In this thesis, an entire research process from fundamental analysis to application-related investigations is integrated. Since heterogeneous catalysis occurs at the interface of catalysts and reactants, the surface properties of laser-generated, catalytically relevant nanoparticles are investigated in the first part of this thesis. The characteristics of laser-generated platinum and copper nanoparticles were examined, and the results were related to their impact on the formation of alloy nanoparticles, which utilizes combinations of these transition metals. The development of active alloy catalysts is of great importance, since they implement superior properties such as higher catalytic activities as their mono-metals and enable the use of a decreased amount of noble expensive metals. The surface investigations allow a better understanding of underlying synthesis parameters and processes that enables the preparation of well-defined catalytically active materials. By in situ characterization of the surface structure, it was proven that laser-generated platinum nanoparticles are partially oxidized (in case of platinum positively charged) in liquids. While their surface properties are retained after particle deposition, an altered nanoparticle interaction with the solvent was analysed on the basis of the changed number of bonds. Apart from the investigations on noble nanoparticles, concepts to control the properties of ignoble metals (Cu, Ni, Mo) by the solvent will be given. Following these investigations, further conclusions on the preparation of alloy nanoparticles are presented. The question regarding how ignoble catalytically active alloy nanoparticles can be synthesized and modified in their properties by PLAL is addressed. It is shown that particle oxidation has a crucial effect on alloy formation and its stability, which is highly influenced by the solvent. In order to be applied in heterogeneous catalysis, the metal nanoparticles must be adsorbed on support materials. Thus, in the last part of this work, the adsorption of ligand-free nanoparticles on oxide and carbon supports is addressed. Parameters that control the nanoparticle adsorption on TiO2 are identified. It is demonstrated that particle adsorption can be controlled by the pH and ionic strength, whereby also nanoparticles fully covered by various ligands could be adsorbed on the support by attractive electrostatic interactions. These experimental studies reveal the mechanism of colloidal particle deposition. Following these results, a transferable processing route to a manifold of supports is established. Subsequently, a good chemical stability of the so-prepared catalysts is displayed. This thesis suggests the significance and application potential of the catalyst synthesis route for future use.
The present studies are based on four selected publications (of, overall, nine peer-reviewed publications), which were created within doctorate studies. The 'state of the art' section consists of an extract of a planned non-published review. The thesis is written in a halfcumulative manner, where the text is divided into different chapters with the respective introductions to the interrelated research topics. At the end, the results are summarized, and an outlook for future investigations is given
Elektochemische Speicherung von Wasserstoff in organischen Molekülen
No full textA method to store hydrogen in liquid form was presented. Fully and partly hydrogenated molecules were electrochemically oxidized on different metal catalysts. Furthermore CO2 was catched on N-heterocycles and the product was reduced electrochemically.In dieser Arbeit wurde eine Methode untersucht, die es erlaubt Wasserstoff in flüssiger Form zu speichern. Hierzu wurde der gasförmige Wasserstoff an zumeist N-Heterocyclen gebunden und elektrochemisch oxidiert um den Wasserstoff wieder zu gewinnen. Ausserdem wurde CO2 mit N-Heterocyclen gefangen und elektrochemisch reduziert
Chemische Synthese von niedermolekularen Wirkstoffen zur Untersuchung des Jasmonsäure-Signalweges und zur Etablierung einer neuen Inhibitorklasse für die ATPase p97
No full textIm Rahmen dieser Arbeit wurde durch chemische Synthese eine Optimierung der biologischen Aktivität sowohl von 5-Iodotubercidin-basierten Modulatoren des Jasmonsäuresignalweges in Pflanzen als auch einer neuen Inhibitorklasse der AAA-ATPasen p97 und Vps4 verfolgt.
17 Derivate von 5-Iodotubercidin wurden durch rationales Design entwickelt und synthetisiert, darunter auch zwei Sonden zum Photoaffinitätslabeling und in verschiedenen biologischen Assays evaluiert. Für eine Substanz wurde des Weiteren eine full proteome analysis durchgeführt, welche erste Hinweise auf eine mögliche Interaktion zwischen dem Jasmonsäure- und Zuckersignalweg in Pflanzen liefert.
Für den vor Beginn dieser Arbeiten durch ein Screening aufgefundenen p97 und Vps4-Inhibitor konnte durch systematische Synthese von Derivaten eine Struktur-Wirkungs-Beziehung aufgestellt werden. Hierzu wurden insgesamt 90 Derivate synthetisiert. Eine vergleichende Analyse der p97- und Vps4-Hemmwirkungen zeigte dabei, dass viele synthetisierte Verbindungen Vps4 im submikromolaren Bereich und damit um einen Faktor 5 bis 10 stärker als p97 hemmten. Außerdem gelang im Rahmen dieser Arbeit die Synthese eines ersten Satzes an p97- und Vps4-aktiven Photoaffinitätssonden, welche in späteren Studien zur Aufklärung der molekularen Funktionsweise dieser Enzyme eingesetzt werden können
Regularization in fractional order Sobolev spaces for a parameter identification problem
No full textIn this work we aim the identification of an unknown parameter function in the main part of an elliptic partial differential equation. It is a well known fact, that identification problems are in general ill-posed. Our idea is to apply a Tichonov-type regularization in fractional order Sobolev spaces. For such a problem, we derive existence of solutions and first order necessary conditions.
Under a size condition for the regularization parameters, corresponding to the fractional order of differentiation, we are able to derive a second order sufficient condition as well.
Fractional order Sobolev norm are challenging to implement. We therefore prove their equivalence to a multilevel based operator norm, for s ∈ [0,3/2), which we can implement.
This operator norm and the second order sufficient condition enable us to show superlinear convergence of an SQP-method. In the end we present a numerical example.In dieser Arbeit beabsichtigen wir unbekannte Parameterfunktionen im Hauptteil von elliptischen partiellen Differentialgleichungen zu identifizieren. Es ist eine allgemein bekannte Tatsache, dass solche Identifikationsprobleme im Allgemeinen schlecht gestellte Probleme darstellen. Daher ist unsere Idee, das Problem mit einem Tichonovterm in Sobolevräumen von reellwertiger Ordnung zu regularisieren. Für dieses Problem leiten wir Existenz von Lösungen und notwendige Optimalitätsbedingungen erster Ordnung her. Setzen wir eine Bedingung an den Regularisierungsparameter
s, der der Ordnung des Sobolevraums entspricht, voraus, können wir auch hinreichende Optimalitätsbedingungen zweiter Ordnung herleiten.
Normen zu Sobolevräumen reellwertiger Ordnung sind sehr schwierig zu implementieren. Daher führen wir eine Multilevel basierte Operatornorm ein, deren Äquivalenz zu Sobolevnormen wir für
s∈[0,3/2) beweisen. Diese sind einfacher zu implementieren.
Die Operatornorm und die hinreichende Optimalitätsbedingung sind Zutaten mit deren Hilfe wir superlineare Konvergenz eines SQP-Verfahrens zeigen. Am Ende stellen wir ein numerisches Beispiel vor