University of Kaiserslautern
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Analyse und Modellierung tribologischer Drei-Körper-Systeme mit losen, harten Partikeln
Get PDFTribologische Systeme mit losen, harten Partikeln besitzen sowohl wirtschaftliche als auch technische Relevanz.
Diese Klasse tribologischer Systeme umfasst oft eine Vielzahl verschiedenartiger, sich gegenseitig beeinflussender Prozesse.
Deshalb ist diesen tribologischen Systemen eine gewisse Komplexität innewohnend und bereits geringfügige Parameteränderungen können sich fundamental auswirken.
Bis heute bestehen Herausforderungen bei der Reproduzierbarkeit und Übertragbarkeit quantitativer experimenteller Untersuchungsergebnisse.
Herausforderungen bestehen folglich auch bei der Modellierung solcher tribologischen Systeme, obwohl der Bedarf an prognosefähigen Modellen zweifellos besteht.
In dieser Arbeit werden analytische, experimentelle und numerische Methoden eingesetzt.
Die analytische Untersuchung grundlegender Zusammenhänge ermöglicht die Identifikation relevanter Systemeigenschaften.
Das unterstützt einerseits die Umsetzung geeigneter Experimente und die Auswahl zu untersuchender Einflussfaktoren.
Andererseits fördern analytische Untersuchungen den Entwurf des numerischen Modells basierend auf anerkannten physikalischen Gesetzmäßigkeiten.
Simulationen weisen weitreichende Übereinstimmungen mit den Experimenten auf und belegen somit das Potenzial des numerischen Modells, reale tribologische Systeme abzubilden.
Durch Anpassung, Erweiterung und Verfeinerung des Modells lässt sich dessen Abbildungsgüte und Übertragbarkeit auf ähnliche tribologische Systeme weiter verbessern, um in Zukunft die modellbasierte Erforschung bisher unbekannter Zusammenhänge und Optimierungspotenziale des Gesamtsystems zu ermöglichen.Tribological systems with loose, hard particles are both economically and technologically relevant.
This class of tribological systems often comprises a large number of different, interdependent processes.
Therefore, these tribological systems are inherently complex.
For this reason, even minor parameter changes can have a fundamental effect and there are still challenges in the reproducibility and transferability of quantitative experimental results.
Consequently, there are also challenges in modeling such tribological systems, although there is definitely a need for predictive models.
Analytical, experimental and numerical methods are used in this work.
The analytical investigation of fundamental relationships enables the identification of relevant system properties.
On the one hand, this supports the implementation of suitable experiments and the selection of influencing factors to be investigated.
On the other hand, analytical investigations support the design of the numerical model based on established physical principles.
Simulations demonstrate a high degree of consistency with the experiments and thus prove the potential of the numerical model to represent real tribological systems.
By adapting, extending and refining the model, its accuracy and transferability to similar tribological systems can be further improved to enable model-based exploration of previously unknown relationships and optimization potentials of the overall system in the future
Charakterisierung und Modellierung des Materialverhaltens von kohlenstofffaserverstärkten Sheet Molding Compounds während des Fließpressens
Get PDFVor dem Hintergrund der angestrebten Reduzierung der CO2-Emissionen finden Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) immer größere Bedeutung in allen Industriezweigen. In der Regel ermöglichen FKV gegenüber Metallwerkstoffen eine Gewichtsverringerung und die Entwicklung von ressourcen- und energieeffizienten Fertigungsprozessen. Gerade bei flächigen Bauteilen im Transportwesen und der Elektronik, wie z. B. Dachhimmel, Kraftstoffbehälter und Scheinwerfersysteme, liegt hohes Potenzial für Gewichtsreduktionen und Funktionsintegrität. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Sheet-Molding-Compounds (SMC), duroplastischen Fließpressmassen, die sich aufgrund ihrer Material- und Fertigungseigenschaften besonders für flächige Bauteile mit komplexen Versteifungsstrukturen und integrierten Funktionselementen, wie z. B. Heckklappen, Schaltschränken und Batteriegehäusen, eignen. Neben den konventionellen glasfaserverstärkten SMC (G-SMC) werden in den letzten Jahren auch vermehrt kohlenstofffaserverstärkte SMC (C-SMC) eingesetzt. Aufgrund der vorteilhaften mechanischen Eigenschaften der Kohlenstofffasern und des höheren Fasergehalts eignen sich C-SMC auch für Strukturbauteile, wie z. B. der Ver-stärkung der A-, B- und C-Säule im Automobil, sowie anderen Hochleistungsanfor-derungen. Für den breiten industriellen Einsatz ist heutzutage in vielen Branchen eine durchgängige Simulationsfähigkeit Voraussetzung für den Einsatz eines Werkstoffs. Für C-SMC ist diese Simulationsfähigkeit noch nicht gegeben, da das Materialverhalten aufgrund der großen Faserlängen und dem hohen Fasergehalt ein Mischverhalten zwischen einem fluiden Werkstoff und einem Festkörper während des Fließpressens zeigt. Dieses Mischverhalten wurde bislang nicht ausgiebig untersucht. Ziel dieser Arbeit ist es ein tiefergehendes Verständnis für das Material- und Prozessverhalten von C-SMC während des Verarbeitungsprozesses zu erlangen. Die Simulationsfähigkeit des Werkstoffes wird in Form eines neu entwickelten Materialmodells hergestellt, welches das Materialverhalten approximiert und im universellen Multi-Physics-Solver LS-DYNA® implementiert wird. Die grundlegenden Materialeigenschaften, die auch als Eingangsinformationen für das Materialmodell dienen, werden in Charakterisierungsversuchen mit einem den Fließpressprozess abstrahierenden Verfahren im Pressrheometer identifiziert und untersucht. Da die mechanischen Eigenschaften eines FKVs überwiegend über die Ausrichtung der Faserverstärkung definiert werden, wird zu deren Erfassung ein zerstörungsfreies optisches Messverfahren in Form der Polarisationsbildgebung angewendet. Die Polarisationsbildgebung ermöglicht eine Untersuchung der oberflächigen Faserverteilung an fertigen Bauteilen, aber auch des Aufbaus der Textilstruktur des grundle-genden C-SMC-Halbzeugs in Echtzeit während der Produktion. Auf diese Weise entsteht eine realistische Digitalisierung eines C-SMC-Halbzeugs von der Produktion bis zum Abschluss des Fließprozesses und die Grundlage zur digitalen Unterstützung zukünftiger Produkt-, Material- und Prozessentwicklung im Bereich der C-SMC-Anwendung wird gelegt.With the background of the increasing need for the reduction in CO2 emissions, fiber-reinforced plastic (FRP) composites are becoming increasingly important in all branches of industry. As a rule, FRPs enables a reduction in weight and the development of resource- and energy-efficient production processes in comparison to metal materials. There is great potential for weight reduction, especially for flat components in transportation and electronics, such as roof liners, fuel tanks and head-light systems. This work focuses on sheet molding compound (SMC) materials, which allows for the production of thin-walled components with complex reinforcement structures and integrated functional elements, such as tailgates, electric control cabinets and battery houses, due to their material and manufacturing properties. In addition to conventional glass-fiber reinforced SMC (G-SMC), carbon-fiber reinforced SMC (C-SMC) have also been increasingly used in recent years. Due to their higher mechanical properties based on the fiber type and the higher fiber content, C-SMCs are also suitable for structural components, such as the reinforcement of the A, B and C pillars in automobiles, and other high-performance requirements. In this work, the goal is to gain a better understanding of the material and process behavior of C-SMC during the manufacturing process of compression molding. A consistent simulation capability is a requirement for the use of a material in many industrial applications today. For C-SMC, this simulation capability is not yet given, since the material behavior shows a mixing behavior between a fluid material and a solid during compression molding due to the high fiber lengths and the high fiber content. This mixing behavior has not yet been extensively investigated. The aim of this work is to gain a deeper understanding of the material and process behavior of C-SMC during the manufacturing process. The simulation capability of the material is established in the form of a newly developed material model, which approximates the material behaviour and is implemented in the universal multi-physics solver LS-DYNA®. The basic material properties, which also serve as input information for the material model, are identified and investigated in characterization tests using a method that abstracts the compression molding process in the press rheometer. Since the mechanical properties of FRPs are mainly defined by the orientation of the fiber reinforcement, a non-destructive optical measurement technique in the form of polarization imaging has been used. Polarization imaging allows the examination of the surface fiber orientation distribution of finished components, but also the in-situ build-up of the reinforcement structure of the C-SMC semi-finished product during production. This approach generates an accurate representation and digitalization of a C-SMC semi-finished product from its initial production to the end of the compression molding process and lays the foundation for digital support of future products, materials and process development in the field of C-SMC applications
Physik nicht-trivialer Kopplungen in dielektrischen Wellenleiterstrukturen
Get PDFViele der optischen und elektrischen Eigenschaften eines Festkörpers lassen sich einfach im Einteilchenbild durch die Bewegung der Elektronen erklären.
Die Propagation eines einzelnen Elektrons im Festkörper ist jedoch quasi unmöglich nachzuverfolgen.
Daher werden oft die Systeme mit interessanten Phänomenen in einem äquivalenten Modellsystem repliziert und untersucht.
Dadurch lässt sich beispielsweise auch der Einfluss einzelner Modellelemente oder von Grenzflächen und Defekten oder Störungen auf die Phänomene getrennt voneinander betrachten.
In dieser Arbeit werden Strukturen aus gekoppelten dielektrischen Wellenleitern als Modellsystem betrachtet.
Das Licht in einem Wellenleiter wird hauptsächlich im hochbrechenden Medium geführt, aber da das evaneszente Feld nur exponentiell mit dem Abstand abfällt, gibt es auch außerhalb vom Kern des Wellenleiters eine nicht verschwindende Feldstärke.
Wie bei der frustrierten Totalreflexion kann das Licht durch das evaneszente Feld von einem Wellenleiter in einen nahegelegenen überkoppeln bzw. optisch tunneln.
Je näher die Wellenleiter zusammen sind, desto schneller koppelt das Licht vom einen zum andern über.
Damit koppelt das Licht in einem Gitter aus Wellenleitern analog zu beispielsweise einem Elektron, welches in einem Gitter aus Atomen – einem Festkörper – von einem Atom zum nächsten tunnelt.
Diese Analogie ist auch mathematisch durch die Äquivalenz der paraxialen Helmholtz-Gleichung und der zweidimensionalen Schrödingergleichung gegeben, wie in Kapitel 4 genauer erläutert wird.
Der Fokus in dieser Arbeit liegt auf Strukturen mit nicht-trivialen Kopplungen,
also Kopplungen, die sich nicht durch eine positive Zahl angeben lassen, sondern die negative oder auch komplexe Werte annehmen.
Der Betrag einer Kopplung gibt an, wie schnell die Dynamik stattfindet, also wie schnell von einem zu einem anderen Gitterpunkt übergekoppelt wird.
Die Phase oder das Vorzeichen der Kopplung bestimmen hingegen, ob die Eigenzustände des Systems wegen dieser Kopplung energetisch angehoben oder abgesenkt werden.
In dieser Arbeit wird gezeigt, dass diese nicht-trivialen Kopplungen teilweise “natürlich” auftreten, wie sie für die Realisierung eines topologischen Systems explizit implementiert wurden und wie sie für eine mögliche Anwendung genutzt werden können.
Um die Dynamik des Lichts in den Wellenleiterstrukturen zu beschreiben, wird zu Beginn von Kapitel 4 das System so weit vereinfacht, dass es durch endlich viele gekoppelte Differenzialgleichungen beschrieben werden kann.
Zudem werden in diesem Kapitel die numerischen Methoden erläutert, die verwendet wurden, um mit den Parametern des Experiments die Eigenmoden zu bestimmen und die Propagation des Lichts vorherzusagen.
Das direkte Laserschreiben sowie die Schreibstrategien für die Herstellung der Wellenleiterstrukturen und der verwendete Messaufbau werden anschließend im Kapitel 5 beschrieben.
In Kapitel 6 werden die Kopplungen zu weiter entfernten Wellenleitern in einer einfachen eindimensionalen Kette untersucht.
Dabei zeigt sich, dass bei einer geraden Anordnung die Kopplung zum übernächsten Wellenleiter negativ ist.
Durch eine angewinkelte Anordnung kann der Abstand zum übernächsten Nachbarn verringert und damit die Kopplung auf Null und darüber hinaus in den positiven Bereich erhöht werden.
Dass diese Kopplung in diesen Anordnungen sowohl positiv als auch negativ bzw. auch Null sein kann, wird einerseits experimentell demonstriert, aber auch theoretisch vorhergesagt und intuitiv begründet.
In Kapitel 7 wird ein zweidimensionales topologisch nicht-triviales Gitter betrachtet.
Nach einer Einführung in topologische Systeme in der Physik zu Beginn des Kapitels wird der Quadrupol topologische Isolator und dessen topologische Invariante erläutert.
Die Symmetrien des Quadrupol topologischen Isolators verlangen, dass das Gitter von einem magnetischen π-Fluss durchströmt wird.
Da magnetische Felder das Licht in den Wellenleiterstrukturen nicht beeinflussen, wird im Experiment der Effekt durch ein künstliches Magnetfeld mithilfe negativer Kopplungen realisiert.
Diese negativen Kopplungen werden durch die Anordnung von Wellenleitern realisiert, die die Kopplung zwischen verschiedenen Moden ermöglichen.
In Kapitel 8 wird eine ringförmige Kette von Wellenleitern verwendet, die ebenfalls von einem künstlichen Magnetfeld durchflossen wird.
In diesem Fall äußert sich das künstliche Magnetfeld in komplexen Kopplungen und darin, dass die Eigenzustände je nach Ausrichtung ihres Drehimpulses energetisch angehoben oder abgesenkt werden.
Die Tatsache, dass die Drehimpulszustände energetisch getrennt werden können, wird genutzt, um über eine adiabatische Entwicklung die räumlich getrennten Moden von einzelnen Wellenleitern effizient in konzentrische Moden mit definiertem Drehimpuls zu überführen.
Die Struktur kann auch umgekehrt verwendet werden, um Drehimpuls-Moden wieder zu separieren.
Damit stellt die Struktur eine Alternative zur Erzeugung oder Dekomposition dieser Drehimpulsstrahlen dar und könnte z.B. zur Erhöhung der Datenübertragungsrate von Glasfasern verwendet werden.
Zum Schluss wird ein kurzes Fazit gezogen.
Im anschließenden Ausblick wird begründet, warum für zukünftigen Arbeiten insbesondere Gitter aus Wellenleitern, die höhere Moden führen, interessant sein könnten, und warum das direkte Laserschreiben eine dafür gut geeignete Plattform darstellt.
Zudem werden Anstöße gegeben, welche komplexeren Systeme mit diesen Moden realisiert werden könnten.Many of the optical and electrical properties of a solid can be explained simply with the single-particle description by the movement of the electrons.
However, the propagation of a single electron in a solid is almost impossible to trace.
Therefore, systems with interesting phenomena are often replicated and investigated in an equivalent model system.
This allows, for example, to investigate the influence of individual model parameters or of interfaces and defects or disorder on the phenomena separately.
In this work, structures of coupled dielectric waveguides are considered as a model system.
The light in a waveguide is mainly guided in the highly refractive medium, but since the evanescent field only decreases exponentially with distance, there is also a non-vanishing field strength outside the core of the waveguide.
As with frustrated total internal reflection, the evanescent field allows light to couple from one waveguide to a nearby one.
The closer the waveguides are together, the faster the light couples from one to another.
This means that the light in a lattice of waveguides couples analogously to, for example, an electron tunneling in a lattice of atoms – a solid – from one atom to the next.
This analogy is also given mathematically by the equivalence of the paraxial Helmholtz equation and the two-dimensional Schrödinger equation, as explained in more detail in chapter 4.
This thesis focuses on structures with non-trivial couplings.
In other words, couplings that cannot be specified by purely positive real numbers, but which take on negative or even complex values.
The magnitude of a coupling indicates how quickly the dynamics take place, i.e. how quickly the light is coupled from one site to another.
The phase or the sign of the coupling, on the other hand, determines whether the eigenstates of the system are raised or lowered in energy due to this coupling.
In this thesis, it is shown that these non-trivial couplings occur sometimes “naturally”, how they were explicitly implemented for the realization of a topological system and how they can be used for a possible application.
In order to describe the dynamics of light in the waveguide structures, the system is simplified such that it can be described by a finite number of coupled differential equations in chapter 4.
In addition, this chapter explains the numerical methods used to determine the eigenmodes and predict the propagation of the light for the structures with the parameters of the experiment.
The direct laser writing as well as the writing strategies for the fabrication of the waveguide structures and the measurement setup used are then described in the chapter 5.
In chapter 6 the couplings to more distant waveguides are investigated in a simple one-dimensional chain.
This shows that with a straight arrangement, the coupling to the next nearest waveguide is negative.
An angled arrangement can reduce the distance to the next nearest neighbor and thus increase the coupling to zero and beyond.
The fact that this coupling in these arrangements can be both positive and negative or even zero is demonstrated experimentally but also predicted theoretically and justified intuitively.
In chapter 7 a two-dimensional topological non-trivial lattice is considered.
After an introduction to topological systems in physics at the beginning of the chapter the quadrupole topological insulator and its topological invariant are explained.
The symmetries of the quadrupole topological insulator require that a magnetic π flux flows through the lattice.
Since magnetic fields do not influence the light in the waveguide structures, the effect is realized in the experiment by an artificial magnetic field using negative couplings.
These negative couplings are implemented by arrangement of waveguides that allow the coupling between different modes.
In chapter 8, a ring-shaped chain of waveguides is used, through which an artificial magnetic field flows.
In this case, the artificial magnetic field manifests itself in complex couplings and in the fact that the eigenstates are raised or lowered in energy depending on the orientation of their angular momentum.
The fact that the angular momentum states can be energetically separated is used to efficiently transform the spatially separated modes of individual waveguides into concentric modes with defined angular momentum via an adiabatic evolution.
The structure can also be used in reverse to separate angular momentum modes again.
The structure thus represents an alternative to the generation or decomposition of these angular momentum beams and could be used, for example, to increase the data transmission rate of optical fibers.
Finally, a brief conclusion is drawn.
In the following outlook is explained why lattices made of waveguides carrying higher modes could be of particularly interest for future work and why direct laser writing is a particular suitable platform for thise experiments.
In addition, impulses are given as to which more complex systems could be realized with these modes
Dynamics and kinetics of ion-molecule gas phase reactions
Get PDFThe present thesis deals with investigations on ion-molecule reactions in the gas phase.
Dynamics and kinetics of model systems for catalysis should be studied. Two different
experimental setups were used: A modified electrospray ionization mass spectrometer
and a 3D velocity map imaging spectrometer. The mass spectrometer was used
to investigate transition metal complexes of the type [M(dgpy)2](X)n (M = V - Ni) as
model systems for (catalytic) gas phase reactions. Structural characterization of the
ionic species were performed, including electron transfer dissociation, collision induced
dissociation, ultraviolet photodissociation and infrared multiphoton dissociation experiments.
In that way, several different ionic species could be assigned, and evidence
for reduction of ligand moieties was found. Finally ion-molecule reactions were measured
using a self-built gas mixing and inlet system. These were proof-of-principalexperiments
for the modification built in this work, and more important first steps for
further kinetic investigations. It was shown that MnIII, MnIV and FeIII react readily towards
NEt3 in the gas phase. By combining the gas phase ion molecule reactions and
the UV/Vis laser setup, reactions of the electronically excited CoIII complex could be
observed as well.
In imaging experiments, the dynamics of the oxygen atom transfer reaction of transition
metal cations and CO2 was investigated. In this work, the focus is on the reaction
of the niobium cation Nb+. Results are compared to earlier studies with the tantalum
cation. Angle and energy differential cross sections were measured at two collision
energies. An isotropic scattering around the center of mass with a slight trend towards
the forwards hemisphere, which is interpreted as a sign for an indirect mechanism,
was observed even at higher collision energies. More energy in the system does not
result in much more translational energy of the products. Therefore, it must be partitioned
into internal degrees of freedom of the products. Prior to this work it was already
known, that a two state reactivity is the main pathway for this reaction. The intersystem
crossing along the energy surfaces was found to be the bottle neck. The reaction is
trapped in the pre-reaction well, which acts as the rate limiting step.
Both methods show how reactions of model systems can be investigated from different
perspectives, providing information about kinetics and dynamics, respectively.Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchungen von Ion-Molekül Reaktionen
in der Gasphase. Dynamik und Kinetik von Modellsystemen für die Katalyse sollen
erforscht werden. Zwei unterschiedliche experimentelle Aufbauten wurden genutzt:
Ein modifiziertes Elektrosprayionisationsmassenspektrometer und ein 3D velocity map
imaging Spektrometer. Mit dem Massenspektrometer wurden Übergangsmetallkomplexe
des Typs [M(dgpy)2](X)n (M = V - Ni) als Modellsysteme für (katalytische) Gasphasenreaktionen
untersucht. Strukturelle Charakterisierung der ionischen Spezies
wurden mit Elektronentransferdissoziation, stoßinduzierter Dissoziation, ultraviolet Photodissoziation
und infrarot Multiphotonendissoziation durchgeführt. Mehrere ionische
Spezies konnten zugeordnet und Hinweise auf reduzierte Ligandenspezies beobachtet
werden. Schließlich wurden Ion-Molekül Reaktionen mit Hilfe eines selbstgebauten
Gasmisch- und -einlasssystems gemessen. Dies war ein konzeptioneller Funktionsnachweis
der Modifizierung, welche in dieser Arbeit gebaut wurde und, noch wichtiger,
es waren die ersten Schritte hin zu weiteren kinetischen Untersuchungen. Es konnte
gezeigt werden, dass MnIII, MnIV und FeIII bereits mit NEt3 reagieren. Durch Kombination
der gasphasen Ion-Molekül Reaktionen und des UV/Vis Laseraufbaus, konnten
zudem Reaktionen des elektronisch angeregten CoIII Komplexes beobachtet werden.
Mit den Imaging Experimenten sollte die Dynamik der Sauerstoff Transfer Reaktion
von Übergangsmetallkationen und CO2 untersucht werden. In dieser Arbeit liegt
der Fokus auf der Reaktion des Niobkations Nb+. Die Ergebnisse wurden mit denen
des Tantalkations aus früheren Studien verglichen. Winkel- und Energiedifferentielle
Querschnitte wurden bei zwei Stoßenergien aufgenommen. Eine isotrope Verteilung
um den Massenschwerpunkt, mit einem leichten Trend hin zur Vorwärtshemisphere,
was als Zeichen für eine indirekte Reaktion interpretiert wurde, wurde sogar für die
höhere Stoßenergie beobachtet. Mehr Energie im System resultiert nicht in wesentlich
mehr Bewegungsenergie der Produkte. Daher muss diese Energie auf interne Freiheitsgrade
der Produkte umverteilt werden. Schon vor dieser Arbeit war bekannt, dass
eine two state reactivity als wichtigster Pfad für diese Reaktion vorliegt. Das intersystem
crossing zwischen den Energiehyperflächen wurde als bottle neck identifiziert.
Die Reaktion ist im Minimum vor der Reaktion gefangen, was als Rate bestimmender
Schritt fungiert.
Beide Methoden zeigen, dass die Untersuchung von Reaktionen von Modellsystemen
von verschiedenen Perspektiven aus möglich ist und dabei Informationen zur
Kinetik oder zur Dynamik erhalten werden können
Characterization of the vacuole-cytoskeleton relationship in Arabidopsis thaliana
Get PDFCellular elongation contributes to fast and efficient plant growth. In root cells of Arabidopsis thaliana, elongation is inhibited by the plant hormone auxin. Auxin-induced restrictions in cell size are accompanied by morphological alterations of the plants largest organelle, the vacuole. Changes of vacuolar morphology and decrease of vacuolar size upon auxin application have been shown to be dependent on the actin cytoskeleton. However, the connection between actin filaments and the vacuole remained elusive.
In this thesis, putative candidates for actin-tonoplast linkage, the NET4 family members NET4A and NET4B from the plant-specific actin-binding and membrane-associated Networked (NET) superfamily, were functionally characterized by combining genetic, biochemical and cell biological approaches. Examination of knockout and overexpression lines by confocal laser-scanning microscopy revealed that NET4 proteins are able to alter vacuolar morphology as well as actin organization. Using 3D surface rendering of cells and vacuoles, elevated NET4 levels were demonstrated to result in more compact and smaller vacuoles. Similar to auxin-induced smaller vacuoles, this reduction of vacuole size was accompanied by restricted cellular and organ growth. However, NET4-mediated morphological changes of the vacuole were found not to be directly facilitated by auxin, suggesting that NET4 proteins act in another mechanism for regulating vacuole morphology. Thus, limiting vacuole size was further hypothesized to be a general method to restrict cell expansion.
Experiments to investigate the impact of NET4 upon impairments of the actin cytoskeleton or the vacuole fusion machinery indicated that NET4 participates in homotypic vacuole fusion. This was further substantiated by interaction and gene deletion studies. Surprisingly, both NET4 proteins but also NET3A and NET3C were found to interact with tonoplast-residing RAB GTPases (RABG3s), thereby recruiting actin filaments to vacuolar fusion sites. Moreover, an additional interaction was demonstrated for NET4 and the ER-resident contact site protein VAP27-1, which is known to interact with NET3C for establishing ER-PM contact sites. When analyzing CRISPR-based net3c net4a net4b triple mutants, misshaped and sometimes partially fragmented and smaller vacuoles could be observed, which was correlated with restricted root growth. This supports a role of NET3/NET4 in homotypic vacuole fusion and demonstrates the importance of vacuole integrity for plant growth. Based on these results, it could be concluded that NET4 and NET3 proteins redundantly function to recruit actin filaments to tonoplast-localized RABG3s, altering vacuolar morphology and size by enabling homotypic vacuole fusion. In addition, NET3s and NET4s were hypothesized to redundantly interact with VAP27-1, RABG3 and actin filaments to establish a yet unknown plant membrane contact sites between the vacuole and the ER.Die zelluläre Streckung ist wichtig für ein schnelles und effizientes Pflanzenwachstum. In Wurzelzellen von Arabidopsis thaliana wird dieser Streckungsprozess durch das Phytohormon Auxin inhibiert. Auxin-induzierte Limitierungen der Zellgröße werden von morphologischen Veränderungen des größten Pflanzenorganells, der Vakuole, begleitet. Es ist gezeigt worden, dass diese Änderungen der Vakuolenmorphologie sowie die damit einhergehende Vakuolenverkleinerung vom Aktin-Zytoskelett abhängen. Die Verbindung zwischen Aktinfilamenten und der Vakuole verblieb bislang jedoch weitgehend unklar.
In dieser Arbeit wurden mittels genetischer, biochemischer und zellbiologischer Methoden die NET4 Familienmitglieder NET4A und NET4B von der pflanzenspezifischen Aktin-bindenden und Membran-assoziierten „Networked“ (NET)-Überfamilie als vermeintliche Kandidaten für eine Aktin-Tonoplast Verbindung funktionell charakterisiert. Mittels konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie untersuchte Knockout- und Überexpressions-Linien zeigten, dass NET4-Proteine in der Lage sind die Vakuolenmorphologie sowie die Organisation von Aktinfilamenten zu verändern. Durch 3D-Oberflächenmodellierung von Zellen und Vakuolen konnte nachgewiesen werden, dass erhöhte Mengen an NET4 zu kompakteren und kleineren Vakuolen führen. Diese Verringerung der Vakuolengröße war, ebenso wie bei der Auxin-induzierten Vakuolenverkleinerung, von einem reduzierten Zell- und Organwachstum begleitet. Eine direkte Vermittlung der NET4-bedingten Veränderungen der Vakuolenmorphologie über Auxin konnte jedoch ausgeschlossen werden, was darauf hindeutet, dass NET4-Proteine die Vakuolenmorphologie über einen anderen Mechanismus beeinflussen. Es wurde daher die Hypothese aufgestellt, dass die Limitierung der Vakuolengröße eine generelle Methode zur Inhibierung der Zellexpansion darstellt.
Untersuchungen zum NET4-Einfuss bei Beschädigung des Aktin-Zytoskeletts oder der vakuolären Fusionsmachinerie legten nahe, dass NET4 an der homotypischen Vakuolenfusion beteiligt ist. Dies konnte durch zusätzliche Interaktions- und Gendeletionsstudien untermauert werden. Für beide NET4-Proteine, aber auch für NET3A und NET3C, konnten überraschenderweise Interaktionen mit Tonoplast-ansässigen RAB GTPases (RABG3s) nachgewiesen werden, wodurch sie Aktinfilamente an vakuoläre Fusionsstellen rekrutieren können. Weiterhin wurden zusätzliche Interaktionen zwischen NET4 und dem im ER ansässigen Membrankontaktstellenprotein VAP27-1 gezeigt, welches für eine Interaktion mit NET3C zum Aufbau von ER-PM Kontaktstellen bekannt ist. Bei der Analyse von CRISPR-generierten net3c net4a net4b Dreifachmutanten konnten deformierte und manchmal teilweise fragmentierte sowie kleinere Vakuolen beobachtet werden, was mit einem eingeschränkten Wurzelwachstum korrelierte. Dies untermauert eine Rolle von NET3/NET4 bei der homotypischen Vakuolenfusion und demonstriert die Relevanz der vakuolären Integrität für das Pflanzenwachstum. Aus diesen Ergebnissen konnte geschlussfolgert werden, dass NET4 und NET3 Proteine in redundanter Weise Aktin-Filamente an Tonoplast-lokalisierte RABG3s rekrutieren und damit die Morphologie sowie Größe der Vakuole durch Regulierung der homotypischen Vakuolenfusion verändern. Zudem wurde die Hypothese aufgestellt, dass NET3s und NET4s gleichermaßen mit VAP27-1, RABG3 sowie Aktin-Filamenten interagieren, um bislang unbekannte Membrankontaktstellen zwischen der Vakuole und dem ER zu etablieren
Antisemitismus - gestern, heute - und morgen immer noch?
Get PDFWährend des WS 2024/25 fand an der RPTU in Landau an zehn Abenden die öffentliche Vorlesung „Antisemitismus: Gestern, heute — und morgen immer noch?“ statt. Der vorliegende Band enthält alle Beiträge dieser Reihe sowie einen Beitrag zur international breit anerkannten IHRA-Arbeitsdefinition von Antisemitismus. Nach dieser umfasst Antisemitismus alle Ausdruckswei-sen von Judenfeindschaft. Dieser Definition sieht sich der Organisationskreis der Vorlesung, der gleichzeitig der Herausgeberkreis dieses Bandes ist, ver-pflichtet. Denn es ist gerade die IHRA-Arbeitsdefinition, die hilfreich ist, die lange Geschichte des Antisemitismus zu erläutern und so zu erklären, wie von der Antike bis heute Judenfeindschaft am Leben gehalten wird. Die Vorlesungsreihe und damit auch der Band hat den Anspruch, allen an der Thematik Interessierten die Dimensionen von Antisemitismus aufzuzei-gen und ihnen schwerpunktmäßig in verschiedenen Bereichen (Geschichte, Literatur, Religion, Internet, Schulalltag) entsprechende Informationen über das Vorkommen von Antisemitismus zu geben. Der Band trägt zu einem vertieften Verständnis des Phänomens Antisemitis-mus bei und ist dem Ziel verpflichtet, dem „Morgen immer noch“ des Anti-semitismus entgegenzuwirken
Design optimierter Adsorbentien für Trennverfahren
Get PDFIm Fokus des ersten Teils der vorliegenden Dissertation stand die Isolierung von antimikrobiell wirksamen Substanzen mit unbekannter Struktur aus Cyanobakterien-Fermentationsbrühen. Zu diesem Zweck wurde ein Adsorbersystem konzepiert, dessen mit dem Wirkstoff wechselwirkende Einheiten kovalent auf Kieselgeloberflächen gebunden sind. Als Adsorbermoleküle wurden neben unpolaren Alkylketten Phenothiazinderivate gewählt. Es wurden vier verschiedene alkoxysilanfunktionalisierte Phenothiazinderivate synthetisiert und für die Herstellung von zwei unterschiedlichen Arten von Organokieselgelen verwendet. Zum einen wurden diese Phenothiazinalkoxysilanvorstufen durch Post-Synthetic Grafting auf mesoporösen SBA-15-Trägermaterialien mit streng geordneten, hexagonalen Poren und hohen, spezifischen Oberflächen immobilisiert. Außerdem konnten nach einer in der Arbeitsgruppe Thiel etablierten Methode zur Synthese in situ phenothiazinhaltige, bifunktionale Janus-Kieselgelträgermaterialien mit hohlen, sphärischen Partikeln erhalten werden. Das Adsorberverhalten der so erhaltenen Organokieselgele wurden mit dem kommerziell erhältlichen Adsorber XAD-16 verglichen. Hierzu wurden die Adsorbermaterialien in Überständen von Cyanobakterien gerührt und adsorbierte Stoffe im Anschluss durch Extraktion isoliert und aufkonzentriert. Die antimikrobielle Wirksamkeit von Bestandteilen des Extrakts wurde bezüglich des Wachstums von Escherischia coli K12 untersucht. Die Inhibitionswirkung wurde anhand von Resazurin-Assays des Typs AlamarBlue bestimmt und mit der wachstumsinhibierenden Wirkung des Referenzantibiotikums Tetracyclin über einen definierten Zeitraum verglichen. Extrakte, die durch Adsorbtion an unfunktionalisierten SBA-15-Oberflächen gewonnen wurden, zeigten im Vergleich zu XAD-16 lediglich eine geringe Inhibitionswirkung. Zu XAD-16 vergleichbare Inhibitionswirkungen konnten durch Modifikation der SBA-15-Adsorberoberflächen mit organischen Gruppen erhalten werden. Janus-basierte Adsorbersysteme mit harnstoffverbrückten Phenothiazineinheiten und Octyl- oder Octadecylgruppen auf ihrer Oberfläche lieferten hingegen vielversprechende Extrakte, deren Inhibitionswirkungen deutlich über der Wirkung von XAD-16-Extrakten lagen. Extrakte gewannen an Inhibitionswirkung in Abhängigkeit zur Länge der immobilisierten Alkylketten, was auf eine attraktive Wechselwirkung zwischen unpolaren Gruppen und Oberfläche des unbekannten Zielsubstrats hindeutete. Diese Vermutung wurde durch einen drastischen Abfall der inhibierenden Wirkung weiter bekräftigt, sobald die unpolaren Alkylketten der Adsorberoberfläche durch stark polare Gruppen in Form einer imidazoliniumbasierten ionischen Flüssigkeit ausgetauscht wurden.
Der zweite Teil dieser Arbeit befasste sich mit der Synthese und Immobilisierung radikalischer Phenothiazinspezies und ihrer Anwendbarkeit im Gebiet der NMR-Prozessüberwachung. Benchtop-NMR-Spektrometer eignen sich aufgrund ihrer kompakten Bauweise und geringen Platzbedarf äußerst gut für die online-Prozessüberwachung fließender Proben. Kurze Verweilzeiten der fließenden Proben erschweren jedoch meist die Anwendung aufgrund des ineffizienten, nicht ausreichenden Polarisationsaufbaus und der resultierenden geringen Signalintensitäten. In dieser Arbeit, konnte die Overhauser dynamic nuclear polarization (ODNP) erfolgreich verwendet werden, um eine schnelle Polarisierung von Kernspins organischer Lösungsmittel durch einen Polarisationsübertrag von ungepaarten Elektronen der Phenothiazinspezies zu erreichen. Durch Untersuchungen an gelösten Phenothiazinradikalen konnte ein Einfluss ihrer Anionen auf die ODNP festgestellt werden. Betrachtet wurden fluorierte Anionen wie Tetrafluoroborat, Hexafluorophosphat und Tetrakis-[3,5-bis(trifluoromethyl)-phenyl]borate (BARF). Da die Anwesenheit von Radikalen in der Probe das rapide Abklingen des hyperpolarisierten Kernspinzustands befördert, wurden die Phenothiazinylradikale des Weiteren über eine glycidylbasierte Verbrückung auf CPG-Trägermaterialien (controlled porous glasses) immobilisiert. Dies ermöglichte das Abtrennen der Radikalspezies durch Filtration
Gesundheitsbezogenes Positives Selbstmanagement - Konzeption und Evaluation einer Intervention für die stationäre Langzeitentwöhnung alkoholabhängiger Menschen
Get PDFund wird in Europa immer noch als selbstverständlich erachtet. Der Konsum ist nicht nur für die Wirtschaft gewinnbringend, jedem Einzelnen sind zunächst Vorteile sicher. Dabei birgt dies vor allem in Permissivkulturen die große Gefahr, eine Abhängigkeit zu entwickeln. Alkoholabhängigkeit ist eine schwerwiegende, chronische Erkrankung, deren Bewältigung eine Herausforderung für Betroffene, Behandelnde und das Gesundheitssystem darstellt, da sie mit zahlreichen und vielschichtigen Konsequenzen einhergeht. Um einen langfristigen eigenverantwortlichen Umgang, ein zufriedenes autonomes Leben, weitgehend ohne diese psychoaktive Substanz zu gestalten, ist es wichtig, Ressourcen zu stärken, die dies ermöglichen. Ressourcenbasierte Ansätze und Empowerment Betroffener haben daher in jüngerer Vergangenheit deutlichen Aufschwung erfahren. Die Prävalenzraten Alkoholabhängiger und die dazugehörig weitreichenden Auswirkungen fordern trotzdem, die Entwicklung von Behandlung und Prävention voranzutreiben.
Trainingsinterventionen, die Selbstmanagementkompetenzen fördern, dabei zu mentaler Stärke führen und Wohlbefinden im Sinne des Aufblühens und Gedeihens generieren, wurden bereits evaluiert und haben sich als effektiv gezeigt. Die Idee, Positives Selbstmanagement in den klinisch-psychologischen Kontext zu integrieren, wurde bisher nur bedingt umgesetzt.
Auf Basis von Theorie und vorhandenen Forschungsergebnissen wurde vor dem Hintergrund der Positiven Psychologie und des Selbstmanagements ein Trainingskonzept für eine Intervention in der stationären Entwöhnungsbehandlung alkoholabhängiger Patienten konzipiert, mit dem Ziel, Ressourcen und Recovery-Kapital aufzubauen, um Betroffene in der Bewältigung ihrer Erkrankung zu unterstützen. Die Maßnahme „GPS – Gesundheitsbezogenes Positives Selbstmanagement“ umfasst über den Zeitraum von sechs Wochen wöchentliche Plenumseinheiten, vertiefende Diskussionsrunden und Transferaufgaben, um Selbstmanagementkompetenzen in Theorie und Praxis zu erlernen.
Das vorliegende wissenschaftliche Projekt umfasst drei aufeinander aufbauende Studien. Studie I und Studie II beinhalteten qualitative und quantitative Daten und dienten der formativen Evaluierung, um das Trainingskonzept adaptieren zu können. In Studie I lieferten semi-strukturierte Interviews mit behandelnden Experten (N = 8) und betroffenen Patienten (N = 12) Informationen zum Entwicklungsbedarf positiv-psychologischer Interventionen zur Förderung von Selbstmanagementkompetenzen, zu Anforderungen an entsprechende Interventionen und zu einer Einschätzung des theoretisch abgeleiteten Trainingskonzepts. Studie II überprüfte in einem Probelauf (N = 14) die Akzeptanz, Durchführbarkeit und erste Wirksamkeit im realen Klinik-Setting und generierte detailliertes Feedback zur weiteren Optimierung des Konzepts und der Durchführung. Aufgrund dieser Ergebnisse wurde die Trainingsintervention sowohl zeitlich als auch methodisch und inhaltlich angepasst. Die aufwändige Logistik der Datenerhebung innerhalb der Klinikstruktur und bei der spezifischen Zielgruppe wurde ebenfalls optimiert.
In Studie III wurde die Trainingsintervention sowohl qualitativ als auch quantitativ evaluiert. Am Ende der sechswöchigen Intervention wurde die unmittelbare Reaktion der Teilnehmenden auf das Treatment erfasst, wobei das Feedback überdurchschnittlich positiv ausfiel. Die Wirksamkeit der Intervention wurde anhand von Selbsteinschätzungsdaten überprüft, die dazu vor und nach der Maßnahme erhoben wurden. Über die Selbstbeschreibungsmaße wurde zudem ein Transfer des Erlernten auf das Verhalten angenommen. Es hat sich gezeigt, dass die Treatmentgruppe (N = 52) im Unterschied zur Vergleichsgruppe (N = 52) Selbstmanagementkompetenzen (Anwendung der Techniken der Positiven Psychologie, Achtsamkeit), mentale Stärke (Selbstwirksamkeitserwartung, Resilienz, Emotionsregulation, Hoffnung, Selbstvertrauen) und die Positiven Outcomes (Wohlbefinden, Lebenszufriedenheit und Vitalität) signifikant verbessern konnte. Für die Variablen Positives Gesundheitsverhalten, Optimismus, Psychische Belastung (inklusive Depressivität und Ängstlichkeit) und die Reduktion dysfunktionale Kognitionen zeigten sich tendenziell ähnliche Entwicklungen; jedoch erreichten die Gruppen am Ende des Beobachtungszeitraums vergleichbare Ergebnisse. Dies gilt auch für die alkoholbezogenen Aspekte Trinkverlangen und Abstinenzzuversicht. Längere Beobachtungszeiträume und ein größerer Stichprobenumfang wären erforderlich um ein deutlicheres Bild zu generieren. Zusätzlich wurde untersucht, ob verschiedene Patientengruppen unterschiedlich von dem Training profitieren. Es konnten lediglich deskriptiv Tendenzen abgebildet, jedoch keine signifikanten Unterschiede dokumentiert werden. In die Untersuchung wurde zu der sechs-wöchigen Intervention explorativ der gesamte Zeitraum der 90-tägigen stationären Entwöhnungsbehandlung inkludiert. Die Daten zeigen, dass sich die Parameter unter Abstinenz und stationärem Aufenthalt insgesamt positiv entwickeln, jedoch nach anfänglicher Steigerung nur durch die GPS-Intervention signifikante Verbesserungen erzielt werden.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die „GPS – Gesundheitsbezogenes Positives Selbstmanagement“ -Intervention effektiv und erfolgreich ist und die Patienten dabei unterstützt Ressourcen aufzubauen und damit Patienten mit Alkoholabhängigkeit in der Krankheitsbewältigung unterstützt.
Die empirischen Untersuchungen werden theoretisch, methodisch und hinsichtlich ihrer Implikationen für zukünftige Forschung und Anwendung in der Praxis diskutiert.The consumption of alcoholic beverages is deeply embedded in the history and culture of humani-ty and is still considered commonplace in Europe. The use of alcohol not only provides economic benefits; there are also immediate advantages for individuals. However, particularly in permissive cultures, there is a significant risk of developing a dependency. Alcohol dependence is a serious illness, and managing this chronic condition presents challenges for those affected, their treatment providers, and the healthcare system, as it is associated with numerous and multifaceted conse-quences. To facilitate a long-term, self-responsible approach to living a satisfying and autonomous life largely free from this psychoactive substance, it is essential to strengthen the resources that enable such a lifestyle. Resource-based approaches and the empowerment of affected individuals have gained momentum in recent years. Nevertheless, the prevalence rates of alcohol depend-ence and its far-reaching effects demand the advancement of treatment and prevention strate-gies.
Intervention programs that promote self-management skills, lead to mental resilience, and foster well-being in the sense of flourishing and thriving have already been evaluated and shown to be effective. However, the idea of integrating Positive Self-Management into the clinical psychological context has not yet been explored.
Based on theories and existing research findings, a training concept was developed for an inter-vention in inpatient detoxification treatment for alcohol-dependent patients against the backdrop of Positive Psychology and Self-Management, aimed at building recovery capital to support indi-viduals in managing their condition. The program "GPS – Gesundheitsbezogenes Positives Selbstmanagement" includes weekly plenary sessions, in-depth discussion rounds, and transfer tasks over a six-week period to learn self-management competencies in theory and practice.
This scientific project comprises three successive studies. Study I and Study II primarily involved qualitative data and served as formative evaluations to adapt the training concept. In Study I, semi-structured interviews with treating experts (N = 8) and affected patients (N = 12) provided insights into the development needs for positive psychological interventions to promote self-management skills, requirements for appropriate interventions, and an assessment of the theoretically derived training concept. Study II tested the acceptance, feasibility, and initial effectiveness in a pilot run (N = 14) within a real clinical setting, generating detailed qualitative feedback for further optimizing the concept and implementation. Based on these results, the training intervention was adjusted in terms of timing, methodology and content. The complex logistics of data collection within the clini-cal structure and among the target group were also optimized.
In Study III, the training intervention was evaluated both qualitatively and quantitatively. At the end of the six-week intervention, participants’ immediate reactions to the treatment were rec-orded, with feedback being overwhelmingly positive. The effectiveness of the intervention was assessed through self-report data collected before and after the program. Furthermore, self-report measures suggested a transfer of learned skills into actual behavior. Findings showed that the treatment group (N = 52) significantly improved in self-management skills (application of Posi-tive Psychology techniques, mindfulness), mental resilience (self-efficacy, resilience, emotion reg-ulation, hope, self-confidence), and positive outcomes (well-being, life satisfaction, and vitality) compared to the control group (N = 52). For variables such as positive health behavior, optimism, psychological distress (including depression and anxiety), and the reduction of dysfunctional cogni-tions, similar trends were observed, but the groups achieved comparable results by the end of the observation period. This was also true for alcohol-related aspects such as craving and abstinence confidence. Longer observation periods and a larger sample size would be required to obtain a clearer picture. Additionally, it was examined whether different patient groups benefited differ-ently from the training. While descriptive trends were observed, no significant differences could be documented. The study also explored the entire 90-day inpatient rehabilitation period beyond the six-week intervention. The data indicate that, under conditions of abstinence and inpatient care, the measured parameters improved overall; however, only the GPS intervention led to sig-nificant long-term improvements after an initial increase.
In summary, the "GPS – Gesundheitsbezogenes Positives Selbstmanagement " intervention can be stated to be effective and successful and supports patients in building recovery capital. The empirical investigations are discussed in terms of their theoretical, methodological, and practical implications for future research and applicatio
Sustainable Portfolio Optimization
Get PDFThis thesis explores the integration of sustainability into continuous-time portfolio optimization from both theoretical and practical perspectives. Motivated by increasing regulatory and societal pressure to align investments with environmental goals, we examine how sustainability can be systematically embedded in portfolio decision-making through utility-based optimization frameworks.
We begin by formulating a foundational model the so-called sustainable portfolio optimization, introducing a novel approach in which investors maximize expected utility subject to a sustainability constraint based on scaled ESG scores. Sustainability constraint means the sustainability of the portfolio rating has to be at least as high as the predefined sustainability demand.
Building on this, we develop an equilibrium perspective in which sustainability goals are met not through explicit constraints but by modifying market dynamics, mimicking real-world taxation/subsidy mechanisms that steer investment flows toward sustainable assets. Thus, we name this sustainable taxation.
In response to challenges arising from the use of ESG scores, we propose a refined scoring framework that better distinguishes between environmentally beneficial (``green'') and harmful investments (``brown''). To align sustainability scoring with real environmental goals, we introduce a penalty on brown assets, i.e., a no-short-selling constraint on brown assets. We develop a dedicated algorithm capable of efficiently handling the resulting constrained optimization problem that we call green portfolio optimization.
We then apply our framework to the insurance sector where we develop the so-called rebuilding of actuarial reserve funds (ARFs) to increase the sustainability of the ARF to be able to meet the increased sustainability demand. A simulation-based method is proposed to generate future declaration paths, which can then be used for application in the proposed rebuilding framework.
Finally, we present a dynamic optimization setting in which investors' demand directly influences asset returns via a bounded, mean-reverting process. This framework captures a feedback loop between market interest and asset performance, and allows us to reinterpret demand as a sustainability requirement. Thereby, it provides further insight into how sustainable preferences shape optimal investment behavior.
In total, the thesis contributes a set of coherent models and computational tools for integrating sustainability into long-term portfolio decisions, offering novel insights for institutional investors, insurers, and regulators
Kreislauf der Innovation: Cradle to Cradle als Konzept nachhaltiger Entwicklung
Get PDFThis thesis examines how circular economy and Cradle to Cradle principles can contribute to the UN Sustainable Development Goals. It explores inclusive strategies that empower communities and foster social and ecological transformation