Two-dimensional conjugated metal-organic frameworks (2D c-MOFs) have recently emerged for potential applications in (opto-)electronics, chemiresistive sensing, and energy storage and conversion, due to their excellent electrical conductivity, abundant active sites, and intrinsic porous structures. However, developing ultrathin 2D c-MOF nanosheets (NSs) for facile solution-processing and integration into devices remains a great challenge, mostly due to unscalable synthesis, low yield, limited lateral size and low crystallinity. Here, we report a surfactant-assisted solution synthesis toward ultrathin 2D c-MOF NSs, including HHB-Cu (HHB=hexahydroxybenzene), HHB-Ni and HHTP-Cu (HHTP=2,3,6,7,10,11-hexahydroxytriphenylene). For the first time, we achieve single-crystalline HHB-Cu(Ni) NSs featured with a thickness of 4-5 nm (~8-10 layers) and a lateral size of 0.25-0.65 μm², as well as single-crystalline HHTP-Cu NSs with a thickness of ~5.1±2.6 nm (~10 layers) and a lateral size of 0.002-0.02 μm². Benefiting from the ultrathin feature, the synthetic NSs allow fast ion diffusion and high utilization of active sites. As a proof of concept, when serving as a cathode material for Li-ion storage, HHB-Cu NSs deliver a remarkable rate capability (charge within 3 min) and long-term cycling stability (90% capacity retention after 1000 cycles), superior to the corresponding bulk materials and other reported MOF cathodes.

Temporary streams and their dynamics have often been largely overseen in hydrological research and there is relatively little knowledge about how the occurrence of flow in these streams varies temporally and spatially. Temporary streams are important from a hydro- logical perspective because they affect water quantity and quality in downstream peren- nial reaches, and from an ecological perspective because they provide habitat to unique species. In order to gain knowledge about these important streams, this maser thesis was conducted, within the Msc program in Water and Environmental Engineering at Uppsala University and the Swedish University of Agricultural Sciences, in collaboration with the Hydrology and Climate group at the University of Zurich. In this study, the temporal and spatial variation of the temporary streams in a small pre-Alpine catchment in Switzerland were investigated, both in terms of the presence of flowing water and stream chemistry. The 20 ha Studibach catchment is typical for the pre-Alpine area, with frequent precipi- tation. The streams in the lower part of the Studibach catchment were mapped in the field during September 2020. The temporal and spatial variations of the presence of flow and stream chemistry within the stream network was investigated in September and October 2020 during varying weather conditions. During ten field campaigns the flow state of the streams was classified and the Electrical Conductivity (EC) of the streams was mea- sured approximately every 20 meter. The findings from the field campaigns were related to topographic indices, in particular the Topographic Wetness Index (TWI) and Upslope Accumulated Area (A), in order to see how topography influenced the presence of stream- flow and stream EC. The results show a high temporal and spatial variation in both stream chemistry and streamflow. The active network length expanded by a factor of two in re- sponse to precipitation events. The stream EC also had a large spatial variation, and the streams in the southeast part of the catchment had a higher EC than the other streams. This spatial variation is expected to reflect the large variability in groundwater EC within the catchment. The spatial variation of the streamflow demonstrated a difference between the north-middle and the south part of the catchment, where the south part responded quicker to events and drained and retracted faster after the event. The findings also indicate that topographic indices can predict the occurrence of flow in the stream network, with sites with higher topographic index values having a higher probability of flowing water in the stream. Topography also influences the stream chemistry. The variation in stream chem- istry was smaller for sites with higher values for the topographic indices, something that can be explained by the Representative Elementary Area (REA) concept, because sites with higher topographic index values are located further downstream and water at these locations is a mixture of the smaller streams that feed these streams. / Temporära bäckar och dess dynamik har länge varit förbisedda inom hydrologisk forskn- ing, och en djupgående kunskap rörande temporära och rumsliga variationer saknas. Tem- porära bäckar är viktiga utifrån ett hydrologisk perspektiv eftersom de påverkar både kvantitet och kvalitet på vattnet nedströms, och från ett ekologiskt perspektiv eftersom de bidrar med habitat till unika arter. Detta examensarbete har genomförts för att öka kunskapen kring dynamiken i dessa temporära nätverk. Examensarbetet genomfördes inom Civilingenjörsprogrammet i Miljö och Vattenteknik vid Uppsala Universitet och Sveriges Lantbruksuniversitet, i ett samarbete med Hydrologi- och Klimatgruppen vid University of Zurich. Studien har undersökt temporära och rumsliga variationer i ett tem- porärt bäcknätverk med avseende på flöden och kemin i vattnet, i ett mindre pre-alpint avrinningsområde i centrala Schweiz. Bäckarna i den nedre delen av avrinningsområdet Studibach karterades i fält för hand med karta och kompass under september 2020. Avrin- ningsområdet är på 20 ha och räknas som typiskt för ett pre-Alpint område, med frekvent nederbörd. Tio fältkampanjer genomfördes där temporära och rumsliga variationer un- dersöktes genom klassificering av flöden och mätningar av Elektrisk Konduktivitet (EC) i bäckarna ungefär var 20e meter, under september och oktober 2020 i varierande väder- förhållanden. Resultaten från fältkampanjerna relaterades till de topografiska indexen Topographic Wetness Index (TWI) och Upslope Accumulated Area (A) för att undersöka hur topografin påverkar flöden och bäckkemin. Studien kom fram till att bäckarna i den nedre delen av Studibach visar både en temporär och en rumslig variation för både flöde och bäckkemi. De aktiva bäckarna i nätverket visade på en expansion med en faktor två som svar på nederbörd. En rumslig variation för flödet påträffades även mellan den södra och nord-centrala delen av nätverket där den södra svarade snabbare mot event och även drogs ihop snabbare. Kemin i bäckvattnet visade på en stor rumslig variation, med högt EC i den sydöstra delen av avrinningsområdet, vilket förmodas bero på den stora rumsliga variationen av EC i grundvattnet. Resultaten visar även på att topografiska index kan till viss del förutspå flöden i bäckarna, där platser med högre topografiska index har högre sannolikhet att det flödar i bäcken. Topografin påverkar även bäckkemin. Variationen i bäckkemin var mindre för platser med högre topografiska index, vilket kan förklaras med Representative Elementary Area (REA) konceptet, eftersom platser med högre to- pogragiska index värden återfinns längre nedströms och vattnet på dessa platser är en blandning av de mindre bäckarna som tillför vattnet till de större.

Thin layers are widely used in many fields of technology and today we can say that they are found in all modern technologies. Thin layers can be created in two ways, namely by chemical or physical means. This work focuses on the latter method, more particularly a technology of thermal evaporation of thin layers in a vacuum. The work focuses on the process principles during and after the evaporation. Much of the work focuses on the development and design of experiments. These experiments illustrate some of the phenomena that take place on thin films produced by the aforementioned technology. Work helps to better understand processes during formation of thin layers and properties that influence the quality and stability of thin films. In conclusion we describe results of experiments and new developments in the field of thin films deposition using evaporation under vakuum are summarized.

Die vorliegende Arbeit zeigt einen Weg, Kupfer und einphasige Kupferlegierungen mit stark verzwillingten Gefügen durch ein technisch relevantes Umformverfahren herzustellen. Der Drahtzug bildet dabei aufgrund seines Spannungszustands und der entsprechenden Texturentwicklung in kubischflächenzentrierten Metallen ein ideales Umformverfahren, um einen Großteil des Gefüges durch mechanische Zwillingsbildung zu verfeinern. Für die Aktivierung der Zwillingsbildung in reinem Kupfer unter den untersuchten Werkstoffvarianten sind Temperaturen nahe der Temperatur des flüssigen Stickstoffs notwendig. Um den Drahtzug in flüssigem Stickstoff umzusetzen, wurden verschiedene Feststoffschmiermittel auf ihre Eignung hin getestet. Die Textur der mit Stickstoffkühlung hergestellten Halbzeuge ist durch eine dreifache Fasertextur bestehend aus <111>-, <001>- und <115>-Fasertexturkomponente charakterisiert. Anhand der strengen Orientierungsverhältnisse konnte der Volumenanteil von verzwillingtem Material bestehend aus Matrixkörnern und Verformungszwillingen auf 71 vol% durch röntgenografische Globaltexturmessungen abgeschätzt werden, wobei das Volumenverhältnis von Zwillingen zu Matrix bei knapp 0,7:1 liegt. Die Zwillinge zeigen eine breite Zwillingslamellenweitenverteilung von wenigen Nanometern bis einige 100 nm im höchstverformten Stadium. Durch die Absenkung der Umformtemperatur und die daraus resultierende Aktivierung der Zwillingsbildung kann die Zugfestigkeit von reinem Kupfer um 140 MPa im Vergleich zu einem ohne Kühlung hergestellten Draht auf 582 MPa erhöht werden. Dabei reduziert sich die elektrische Leitfähigkeit um 6,5% gegenüber einem grobkorngeglühten Kupfer. Eine Absenkung der Stapelfehlerenergie auf 30 mJ/m² in CuAl2 führt zur Aktivierung der mechanischen Zwillingsbildung beim Drahtzug ohne Kühlung. Durch diese Aktivierung der Zwillingsbildung kann bei fortschreitender Verringerung der Stapelfehlerenergie wie in CuAl7 die Zugfestigkeit des umgeformten Drahtes auf weit über 1 GPa erhöht werden. Das entsprechende Gefüge ist dabei ultrafeinkörnig.

Mikroemulsionen sind thermodynamisch stabile, makroskopisch einphasige Mischungen aus Wasser, Öl und einem Tensid – sowie ggf. einem Cotensid –, die in drei verschiedenen Strukturen existieren: als Wasser-in-Öl- (W/O), Öl-in-Wasser- (O/W) und bikontinuierliche Mikroemulsionen mit schwammartiger Struktur. Die zwei zuletzt genannten Mikroemulsionstypen sind elektrisch leitfähig, wenn sie Ionen enthalten, wohingegen W/O-Mikroemulsionen fast nicht leitfähig sind. Demnach steigt die elektrische Leitfähigkeit stark an, wenn die Mikroemulsion von der W/O- in die bikontinuierliche Struktur übergeht. Diese Umwandlung wird als Perkolation bezeichnet und kann ausgelöst werden, indem die Zusammensetzung oder, in Systemen nahe der Perkolationsschwelle, die Temperatur verändert wird. Die entsprechende Umwandlungstemperatur im zweiten Fall wird als Perkolationstemperatur bezeichnet. Mikroemulsionen aus AOT, Isooctan und Wasser im Massenverhältnis 1 : 2,5 : 2 perkolieren bei Temperaturerhöhung. Kleine Mengen bestimmter Substanzen, die in der Mikroemulsion solubilisiert werden, beeinflussen die Perkolationstemperatur. Untersucht wurden die Solubilisate Azobenzen und Azobenzen-15-Krone-5, die photochemisch trans-cis-isomerisieren. Je höher der Gehalt an solubilisiertem Azobenzen in der Mikroemulsion ist, desto weiter steigt die Perkolationstemperatur, im untersuchten Konzentrationsbereich um fast 20 K. Azobenzen-15-Krone-5 dagegen senkt die Perkolationstemperatur mit zunehmendem Gehalt, erreicht wurden Perkolationstemperaturverschiebungen von nahezu −7 K. Unter Bestrahlung, d. h., nachdem ein Teil des Solubilisates photochemisch von der trans- in die cis-Form isomerisiert ist, perkoliert die Mikroemulsion bei niedrigeren Temperaturen als im Dunkeln. Dies gilt für beide Solubilisate, der Effekt von Azobenzen ist dabei jedoch größer als der von Azobenzen-15-Krone-5. Die größte beobachtete Perkolationstemperaturverschiebung unter Bestrahlung beträgt etwa −5 K. Wird eine Mikroemulsion mit solubilisiertem Azobenzen unterhalb ihrer Perkolationstemperatur mit langwelligem UV-Licht bestrahlt, isomerisiert das enthaltene Azobenzen. Die Perkolationstemperatur sinkt und unterschreitet die Reaktionstemperatur. Die Struktur der Mikroemulsion ändert sich von Wasser-in-Öl zu bikontinuierlich, ihre elektrische Leitfähigkeit steigt während der Bestrahlung von fast null auf etwa 1000 μS/cm. Nach dem Ausschalten des Bestrahlungslichtes läuft der beschriebene Vorgang in die umgekehrte Richtung ab und die Mikroemulsion wird wieder nichtleitend. Auf diese Weise kann der Zustand der Mikroemulsion geschaltet werden: unter Bestrahlung von fast nichtleitend auf elektrisch leitend und anschließend im Dunkeln von elektrisch leitfähig auf nahezu nicht leitfähig. Der Schaltvorgang kann bis zu zehnmal hintereinander durchgeführt werden, ohne dass die Schaltfähigkeit der Mikroemulsion nachlässt.

Innerhalb des Forschungsprojekts “InduRex” sollen u.a. dünnwandige Graphit-Polymer Bipolarplatten (BPP) für Brennstoffzellen (BZ) entwickelt werden. Der Fokus liegt dabei auf hochgefüllten Compoundmaterialien und Prozesstechniken zur kontinuierlichen Herstellung dünnwandiger Folien. Dabei wird die gesamte Prozesskette, beginnend von der Auswahl der verwendeten Rohstoffe, über die Folienherstellung bis hin zur Einbringung der erforderlichen Strukturen betrachtet. Die vom „Department of Energy“ festgelegten physikalischen und chemischen Zielwerte werden auch für die Folien als Zielvorgabe gesetzt. Der Schwerpunkt der wissenschaftlichen Arbeit liegt auf einem grundlegenden Verständnis der Materialzusammensetzung und deren Zusammenhang mit den endgültigen Eigenschaften der strukturierten Bipolarplatten, sowie deren Leistung in einem Brennstoffzellenstapel. Die hergestellten Bipolarplattenfolien wurden vor einem Zelltest umfassend hinsichtlich elektrischer Widerstände, H2-Permeation, Warmformbeständigkeit u.a. charakterisiert, um den Einfluss des Produktionsprozesses auf ihre Qualität zu bewerten. / Within the research project 'InduRex', thin-walled graphite-polymer bipolar plates (BPP) for fuel cells (FC) are to be developed, among other things. The focus is on highly filled compound materials and process technologies for the continuous production of thin-walled foils. The entire process chain, starting with the selection of the raw materials used, through film production, to the insertion of the required structures, will be considered. The physical and chemical target values defined by the 'Department of Energy' are also set as targets for the films. The focus of the scientific work is on a fundamental understanding of the material composition and its relationship to the final properties of the patterned bipolar plates, as well as their performance in a fuel cell stack. The fabricated bipolar plate films were extensively characterized in terms of electrical resistances, H2 permeation, heat deflection temperature, and others prior to a cell test to evaluate the impact of the production process on their quality.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Bedeutung des Einflusses von Laktationsnummer, Laktationsstadium, Körperkondition und Absetzverfahren auf Merkmale der Milchleistung und Eutergesundheit einer Herde Ostfriesischer Milchschafe untersucht. Die Tiere wurden nach dem Ablammen zufällig einer Früh- bzw. Spätabsetzergruppe zugeordnet (Absetzen der Lämmer 3 bzw. 42 Tage post partum). An insgesamt 40 Terminen wurden über eine vollständige Laktation Vorgemelks-, Hälftenanfangsgemelks- und Einzeltiergemelksproben gewonnen. Das Spektrum der untersuchten Merkmale umfasste die Milchmenge, die Milchinhaltsstoffe (Fett, Eiweiß, Laktose), die klinische Untersuchung des Euters, die somatische Zellzahl, die elektrische Leitfähigkeit und bakteriologische Untersuchungen. Zusätzlich wurden das Körpergewicht und die Körperkondition der Mutterschafe erfasst. Das durchschnittliche Leistungsniveau der Herde betrug 301±101,3 kg Milch, bei mittleren Milchfett-, Milcheiweiß-, und Laktosegehalten von 5,00, 5,14 bzw. 5,00 % (150-Tageleistung). Die Laktationsnummer hatte keinen signifikanten Effekt auf die Milchleistung. Schafe der Spätabsetzer-Gruppe produzierten im Anschluss an die Säugephase eine um 300 g signifikant höhere Testtagsmilchmenge als Tiere der Frühabsetzer-Gruppe. Das Absetzverfahren hatte keinen nachweisbaren Effekt auf die Milchinhaltsstoffe. Die Herde wies eine gute Eutergesundheit auf. Der Anteil bakteriologisch positiver Schafmilchproben betrug 28,5 %. Als dominante Erreger wurden in 96,6 % der bakteriologisch positiven Schafmilchproben Koagulasenegative Staphylokokken nachgewiesen. Der Anteil bakteriologisch positiver Euterhälftenbefunde stieg signifikant mit dem Fortschreiten der Laktation und zunehmender Laktationsnummer. Eine Euterinfektion mit Koagulasenegativen Staphylokokken sowie das Verfahren des Spätabsetzens beeinflussten alle drei untersuchten Eutergesundheitsparameter (logarithmierte Zellzahl, elektrische Leitfähigkeit und Laktosegehalt) negativ (p < 0,001).

High-performance yarns such as aramid fibers are nowadays used to reinforce composite materials due to their advantageous physico-chemical properties and their low weight. They are also resistant to heat and fire. Para-aramid filament yarns (p-AFs) wound on a cylindrical dyeing package have been silvered successfully by means of a newly developed wetchemical filament yarn metallization process on a laboratory scale. The surface morphology of untreated and silvered p-AF was determined by means of scanning electron microscopy. The chemical structure of the surfaces (contents of carbon, oxygen, nitrogen and silver) was determined by means of energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX). The eliminated and newly formed groups of p-AF before and after silvering were detected by infrared spectroscopy (Fourier transform—attenuated total reflectance). After metallization, the silver layer thickness, the mass-related silver content and washing and rubbing fastness were assessed. Furthermore, textile-physical examinations concerning Young’s modulus, elongation at break and electrical conductivity were performed. Subsequently, the electrically conductive p-AFs were integrated in thermoset composite materials reinforced by glass fibers and para-aramid.

Es werden metallische Kurzfasern, die durch ein Schnellerstarrungsverfahren direkt aus der Schmelze hergestellt werden, bezüglich ihrer Verwendung als hochporöser Absorber und als elektrisch leitfähige Strukturen in Verbundwerkstoffen vorgestellt. Auf der Basis einer schalldämpfenden hochporösen gesinterten Metallfaserstruktur und einer schalldämmenden Elastomerplatte wird ein neuartiges Schallschutzmaterial beschrieben. Die Theorie des homogenen Mediums ist für Absorber mit schichtartigen Aufbau erweitert und mit den gemessenen Absorberkennwerten verglichen worden. Weiterhin wird gezeigt, dass schmelzextrahierte metallische Kurzfasern in Polymerwerkstoffe eingelagert werden können, um einen elektrisch leitfähigen Faserverbundwerkstoff zu erhalten, der eine höhere Leitfähigkeit als rußgefüllte Polymere aufweist und eine preiswerte Alternative zu intrinsich leitenden Polymeren darstellt. Es werden die Herstellung und mechanische Eigenschaften des Metallfaserverbundwerkstoffes beschrieben. Das elektrische Verhalten des Faserverbundwerkstoffes wird anhand der Perkolationstheorie erläutert. Ausgehend von einem umfangreichen Überblick zu Möglichkeiten der Modellierung mechanischer und elektrischer Eigenschaften wird anhand geeigneter Modelle das reale Werkstoffverhalten beschrieben.

The assembly of nanostructures into “multi”-dimensional materials is one of the main topics occurring in nanoscience today. It is now possible to produce high quality nanostructures reproducibly but for their further application larger structures that are easier to handle are required. Nevertheless during their assembly their nanometer size and accompanying properties must be maintained. This challenge was addressed in this work. Lead chalcogenides have been chosen as an example system because they are expected to offer great opportunities as thermoelectric materials. Three different ways to achieve assemblies of lead chalcogenide nanostructures were used and the resulting structures characterized with respect to their potential application as thermoelectric material. The first means by which a “multi”-dimensional assembly of lead chalcogenide quantum dots can be produced is the formation of porous structures such as aerogels and xerogels. A procedure, where the addition of an initiator such as oxidizers or incident radiation is unnecessary, is introduced and the formation process studied by absorption spectroscopy. The time-consuming aggregation step could be significantly reduced by employing a slightly elevated temperature during gelation that does not lead to any observable differences within the resulting gel structures. After either supercritical or subcritical drying, highly porous monolithic gel structures can be achieved. During the gel formation the size and the shape of the particles changed and they were directly linked together. Nevertheless the resulting porous structures remain crystalline and size dependent effects of the optical properties could be shown. Gels produced from a mixture of PbS and PbSe QDs show a homogenous distribution of both materials but it is not clear to what extent they form an alloy. Although the particles are directly linked together the resulting porous structures possess a very high resistivity and so it was not possible to characterize the semiconductor aerogels with regard to their thermoelectric properties. To achieve an enhanced conductivity porous structures containing PbS and Au nanoparticles have been produced. As has been seen for the pure semiconductor gels the size of the PbS quantum dots has increased and elongated particles were formed. In contrast to the PbS QDs the Au nanoparticles did not change their size and shape and are unevenly distributed within the PbS network. Through the use of the gold nanoparticles the conductivity could be increased and although the conductivity is still quite small, it was possible to determine Seebeck coefficients near room temperature for a mixed semiconductor-metal gel. The second means by which QD solids could be formed was by the compaction of the QD building blocks into a material that is still nanostructured. Therefore the synthesis of PbS was optimized to achieve sufficient amounts of PbS quantum dots. The ligands used in the synthesis of the QDs unfortunately act as an insulating layer resulting in QD solids with resistivities as high as 2 Gigaohm. For this reason different surface modification strategies were introduced to minimize the interparticle distance and to increase the coupling between the QDs so as to increase the conductivity of the resulting quantum dot solids. One very promising method was the exchange of the initial ligands by shorter ones that can be destroyed at lower temperatures. By such heat treatments the resistivity could be decreased by up to six orders of magnitude. For the pressing of the quantum dots two different compaction methods (SPS and hydraulic pressing) were compared. While the grain growth within the SPS pressed samples is significantly higher the same densification can be achieved by a cold hydraulic pressing as well as by SPS. The densification could be further increased through the use of preheated PbS QDs due to the destruction of the ligands. Samples which had been surface modified with MPA and subsequently thermally treated show the best results with respect to their thermopower and resistivities. Nevertheless the conductivity of the QD solids is still too high for them to be used as efficient thermoelectric materials. The final assembly method does not involve QDs but instead with one dimensional nanowires. Therefore a synthesis was developed that enables the formation of PbS nanowires of different diameters and one that is easy up-scalable. By the use of a less reactive sulfur precursor and an additional surfactant the formation of nuclei is significantly retarded and within an annealing time of two hours nanowires can be formed presumably by an oriented attachment mechanism. Single crystalline nanowires with a diameter of 65-105 nm could be achieved with the longest axes of the nanowires being parallel to [100]. The resulting nanowires were used as building blocks for film formation on glass substrates by an easily implemented method that requires no special equipment. To characterize the films with a view to their possible application as a thermoelectric material, surface modifications of the films were performed to improve the charge transfer in the films and the Seebeck coefficients of the resulting films measured. Therefore the previous approach of using MPA was applied and a subsequent thermal treatment demonstrated very promising results. In addition an crosslinking ligand was used for surface treatment that leads to similar results as was observed for the thermally treated MPA approach. Both approaches lead to an order of magnitude decrease in the resistivity and due to the fewer grain boundaries present in the films composed of nanowires as compared to the QD assemblies the conductivity is significantly higher. The Seebeck coefficient measurements show that the thermal treatment only slightly affects the Seebeck coefficients. Therefore a significantly higher power factor could be achieved for the nanowire films than for the QD solids.