Zugl.: Bochum, Universiẗat, Diss., 2005.

This thesis considers a model of a scalar partial differential equation in the presence of a singular source term, modeling the interaction between an inviscid fluid represented by the Burgers equation and an arbitrary, finite amount of particles moving inside the fluid, each one acting as a point-wise drag force with a particle related friction constant. \begin{align*} \partial_t u + \partial_x (u^2/2) &= \sum_{i \in N(t)} \lambda_i \Big(h_i'(t)-u(t,h_i(t)\Big)\delta(x-h_i(t)) \end{align*} The model was introduced for the case of a single particle by Lagoutière, Seguin and Takahashi, is a first step towards a better understanding of interaction between fluids and solids on the level of partial differential equations and has the unique property of considering entropy admissible solutions and the interaction with shockwaves. The model is extended to an arbitrary, finite number of particles and interactions like merging, splitting and crossing of particle paths are considered. The theory of entropy admissibility is revisited for the cases of interfaces and discontinuous flux conservation laws, existing results are summarized and compared, and adapted for regions of particle interactions. To this goal, the theory of germs introduced by Andreianov, Karlsen and Risebro is extended to this case of non-conservative interface coupling. Exact solutions for the Riemann Problem of particles drifting apart are computed and analysis on the behavior of entropy solutions across the particle related interfaces is used to determine physically relevant and consistent behavior for merging and splitting of particles. Well-posedness of entropy solutions to the Cauchy problem is proven, using an explicit construction method, L-infinity bounds, an approximation of the particle paths and compactness arguments to obtain existence of entropy solutions. Uniqueness is shown in the class of weak entropy solutions using almost classical Kruzkov-type analysis and the notion of L1-dissipative germs. Necessary fundamentals of hyperbolic conservation laws, including weak solutions, shocks and rarefaction waves and the Rankine-Hugoniot condition are briefly recapitulated. / Diese Arbeit befasst sich mit dem Modell einer skalaren partiellen Differentialgleichung mit singulärem Quellterm, das die Interaktion zwischen einem reibungsfreiem Fluid, dargestellt durch die Burgers Gleichung, und einer gegebenen, endlichen Menge von sich in dem Fluid bewegenden Partikeln beschreibt, die eine punktweise Zugkraft auf das Fluid auswirken und durch eine entsprechende Reibungskonstante charakterisiert sind. \begin{align*} \partial_t u + \partial_x (u^2/2) &= \sum_{i \in N(t)} \lambda_i \Big(h_i'(t)-u(t,h_i(t)\Big)\delta(x-h_i(t)) \end{align*} Das Modell wurde für den Fall der Interaktion mit einem einzelnen Partikel durch Lagoutière, Seguin and Takahashi eingeführt, stellt einen ersten Schritt zu einem besseren Verständnis der Interaktion zwischen einem Fluid und Festkörpern auf dem Level der partiellen Differentialgleichungen dar und hat die einzigartige Eigenschaft, dass Entropielösungen und die Interaktion mit Schockwellen berücksichtigt werden. Das Modell wird zu einer beliebigen, endlichen Anzahl von Partikeln erweitert und Interaktionen wie das Verschmelzen und Spaltung von Partikeln werden behandelt. Existierende Theorie der Entropie-Zulässigkeit im Hinblick auf Interfaces und Erhaltungsgleichungen mit unstetiger Flussfunktion wird zusammengefasst, die Resultate werden verglichen und für die Regionen mit Partikelinteraktionen angepasst. Zu diesem Zweck wird die Theorie der Germs, eingeführt von Andreianov, Karlsen und Risebro, auf den vorliegenden Fall eines nicht-erhaltenden Interfaces erweitert. Für das Riemann Problem von auseinanderdriftenden Partikeln werden die exakten Lösungen berechnet und eine Analyse des Verhaltens von Entropielösungen über die von den Partikeln erzeugten Interface wird genutzt, um ein physikalisch sinnvolles und mit der Theorie eines einzelnen Partikels konsistentes Verhalten beim Verschmelzen und Spalten von Partikeln herzuleiten. Mit Hilfe einer expliziten Konstruktionsmethode, hergeleiteten L-infinity Beschränkungen, einer Approximation der Partikelpfade und Kompaktheitsargumenten wird gezeigt, dass das entsprechende Cauchy Problem wohlgestellt ist. Eindeutigkeit im Raum der schwachen Entropielösungen wird mit beinahe klassischen Argumenten der Theorie von Kruzkov sowie der Theorie von L1-dissipativen Germs gezeigt. Notwendige Grundlagen zu hyperbolischen Erhaltungsgleichungen, unter anderem die Theorie schwacher Lösungen, Schock- und Verdünnungswellen sowie die Rankine-Hugoniot Bedingung, werden in Grundzügen am Anfang der Arbeit wiederholt.

Transportphänomene treten in biologischen und künstlichen Systemen auf allen Längenskalen auf. In dieser Arbeit untersuchen wir sie für verschiedene Systeme aus einer mesoskopischen Perspektive, in der Fluktuationen physikalischer Größen um ihre Mittelwerte eine wichtige Rolle spielen. Im ersten Teil untersuchen wir die persistente Bewegung aktiver Brownscher Teilchen mit zusätzlichem Drehmoment, wie sie z.B. für Spermien oder Janus Teilchen auftritt. Wird ihre Bewegung auf einen Tunnel variierender Breite beschränkt, so setzt im thermischen Nichtgleichgewicht Transport ein; ungerichtete Fluktuationen des rauschhaften Antriebs werden gleichgerichtet. Hierdurch wird ein neuer Ratschentyp realisiert. Im zweiten Teil untersuchen wir den intrazellulären Cargotransport in den Axonen von Nervenzellen mithilfe molekularer Motoren. Sie werden als asymmetrischer Ausschlussprozess simuliert. Zusätzlich können die Cargos zwischen benachbarten Motoren ausgetauscht werden. Dadurch lassen sich charakteristische Eigenschaften des langsamen axonalen Transports mit einer einzigen Motorspezies reproduzieren. Bewerkstelligt wird dies durch die transiente Anbindung der Cargos an rückwärtslaufende Motorstaus. Im dritten Teil diskutieren wir resistive switching, die nicht volatile Widerstandsänderung eines Dielektrikums durch elektrische Impulse. Es wird für Anwendungen im Computerspeicher ausgenutzt, dem resistive RAM. Wir schlagen ein auf Sauerstoffvakanzen basierendes stochastisches Gitterhüpfmodell vor. Wir definieren binäre logische Zustände mit Hilfe der zugrunde liegenden Vakanzenverteilung und definieren Schreibe- und Leseoperationen durch Spannungsimpulse für ein solches Speicherelement. Überlegungen über die Unterscheidbarkeit dieser Operationen unter Fluktuationen zusammen mit der Deutlichkeit der unterschiedlichen Widerstandszustände selbst ermöglichen es uns, eine optimale Vakanzenzahl vorherzusagen. / Transport phenomena occur in biological and artificial systems at all length scales. In this thesis, we investigate them for various systems from a mesoscopic perspective, in which fluctuations around their average properties play an important role. In the first part, we investigate the persistent diffusive motion of active Brownian particles with an additional torque. It can appear in many real life systems, for example in sperm cells or Janus particles. If their motion is confined to a tunnel of varying width, transport arises out of thermal equilibrium; unbiased fluctuations of the noisy drive are rectified. This way, we have realized a novel kind of ratchet. In the second part, we study intracellular cargo transport in the axons of nerve cells by molecular motors. They are modeled by an asymmetric exclusion process. In a new approach, we add a cargo exchange interaction between the motors. This way, the characteristics of slow axonal transport can be accounted for with a single motor species. It is explained by the transient attachment of cargos to reverse walking motors jams. In the third part, we discuss resistive switching, the non-volatile change of resistance in a dielectric due to electric pulses. It is exploited for applications in computer memory, the resistive random access memory (ReRAM). We propose a stochastic lattice hopping model based on the on oxygen vacancies. We define binary logical states by means of the underlying vacancy distributions, and establish a framework of writing and reading such a memory element with voltage pulses. Considerations about the discriminability of these operations under fluctuations together with the markedness of the resistive switching effect itself enable us to predict an optimal vacancy number.