Aufgrund der stetig wachsenden Anforderungen hinsichtlich Gewichtsreduzierung und Funktionsintegration, besonders im Bereich des Automobilbaus, werden traditionell aus metallischen Werkstoffen gefertigte Komponenten immer häufiger durch Kunststoffbauteile substituiert. Dem entgegen steht derzeit die Tatsache, dass, trotz hohen Prozessverständnisses und des Wissens um die Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen beim Vibrationsschweißen, die theoretisch erzielbaren Schweißnahtfestigkeiten, von 90 % bis 100 % des unverstärkten Grundmaterials, in der industriellen Serienfertigung bei weitem nicht erreicht werden. Die Komplexität eines industriell gefertigten Bauteils wird an Plattenprüfkörpern simuliert. Die Ergebnisse der Schweißversuche zeigen, dass unterschiedliche Wandstärken im Schweißnahtbereich, Bauteilverzug und unterschiedliche Schwingrichungen innerhalb einer Schweißnaht zu ungleichmäßigen lokalen Prozessbedingungen währenden des linearen Vibrationsschweißprozesses führen. Diese hinterlassen lokale Schwachstellen, welche das Gesamtbauteilversagen bestimmen. Durch alternative Prozessführungsstrategien, wie das Hochdruckanfahren und die IR-Vorwärmung, können diese Schwachstellen reduziert und die Gesamtbauteilfestigkeit angehoben werden. Dies wird am Beispiel des Bauteilverzugs veranschaulicht. / Due to the increasing demands for weight reduction and integration of function, especially in the field of automotive, components made of metallic materials are increasingly being substituted by components made of thermoplastic materials. In contrast to this there is currently the fact that, despite the high process understanding of the vibration welding and the knowledge of the process-structure-property relationships, the theoretically achievable weld strengths of 90 % to 100 % of the unreinforced base material strength are far to be achieved in industrial series production. The complexity of an industrially manufactured component is simulated by using plate test specimens. The results of the welding experiments show that different wall thicknesses in the weld area, component warpage and different friction angle within the weld leads to nonuniform local process conditions during linear vibration welding process. This results in local weak spots, which reduce the total component strength. These local weak spots can be reduced by using alternative process strategies, such as in-process pressure variation and IR preheating. So not only the local strengths but also the total component strength will be increased. This is shown on the example of component warpage.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit dem elektrochemischen Verhalten verschiedener Ferrocenyl-substituierter Thiophene. Dabei wird sich zunächst mit dem elektrochemischen Verhalten der Serie der Ferrocenylthiophene beschäftigt, die Anzahl der Ferrocenyleinheiten variiert von n = 1 – 4. Die Abhängigkeit der elektronischen Eigenschaften von numerischen und konstitutionellen Veränderungen der redox-aktiven Gruppen wird evaluiert. Daraus resultierend wird sich einer eingehenderen Untersuchung und Modifikation des 2,5-Diferrocenylthiophen-Motivs zugewandt. Diese Modifikationen werden im Kontext möglicher Ladungstransferprozesse zwischen den Ferrocenyleinheiten in den verschiedenen Redoxzuständen und unter Beeinflussung durch den Thiophen-Brückenliganden diskutiert. Es folgen des Weiteren Ausführungen zu Substitutionen an den Ferrocenylen (Einführung elektronen-ziehender Funktionalitäten) sowie der Vergleich zwischen einer Thiophen- und der Ethylendioxythiophen-Brückeneinheit. Anschließend wird sich mit der elektronischen Variation des Brückenliganden durch die Einführung von N-haltigen Substituenten befasst. In den abschließenden Kapiteln wird der Einfluss zusätzlicher σ- (Fischercarben-Komplexe) oder π-gebundener ([Ru(η5-C5H5)]+/[Ru(η5-C5Me5)]+) Übergangsmetallkomplexfragmente auf Ladungstransferwechselwirkungen im 2,5-Diferrocenylthiophen in verschiedenen Redoxzuständen beleuchtet.

Early detection of unilateral muscle fatigue and muscular imbalances is important to prevent injury. This study aimed to evaluate the potential of near-infrared thermography (IRT) and raster-stereography (RS) in detecting asymmetries. After unilateral trunk muscle fatigue, IRT detected changes in the skin surface temperature only immediately after exercise, while RS data showed no statistically significant changes. / Die frühzeitige Erkennung von einseitiger Muskelermüdung und muskulären Ungleichgewichten ist wichtig, um Verletzungen vorzubeugen. Ziel dieser Studie war es, das Potenzial der Nahinfrarot-Thermografie (IRT) und der Rasterstereografie (RS) bei der Erkennung von Asymmetrien zu bewerten. Nach einseitiger Ermüdung der Rumpfmuskulatur wurden mit der IRT Veränderungen der Hautoberflächentemperatur nur unmittelbar nach der Belastung festgestellt, während die RS-Daten keine statistisch signifikanten Veränderungen zeigten.

Advanced polymeric materials, such as polyether ether ketones (PEEK), have been placed as direct substitutes for metals and ceramics in diverse applications, such as the machinery industry and biomedical engineering. Moreover, surface treatments allow the emergence of brand-new properties or the improvement of preexisting ones, such as friction, lubrication, wettability, cellular infiltration, or osseointegration. A paramount approach to achieving topographical modifications is by using laser micro/nanoprocessing techniques such as direct laser interference patterning (DLIP). Herein, PEEK foils are structured with DLIP method using ultrashort pulses. The influence of the pulse duration between 266 fs and 15 ps and the pulse-to-pulse overlap on the resulting surface topography and chemistry is assessed. As a result, well-defined line-like textures with a period of 5.8 μm and aspect ratios up to 0.88 are achieved. Furthermore, it is possible to explore and understand the behavior of surface phenomena such as swelling, increase/decrease of laser–material interaction onset, and laser-induced periodic surface structures formation. A comprehensive topographical and chemical characterization study demonstrates that these distinctive topographical features occur because of multiphoton absorption, incubation effects, and heat accumulation. These phenomena allow structuring polymeric substrates that are low-absorbing and challenging to pattern with conventional nanosecond infrared (IR) laser sources.

Surface texturization of Transparent Conductive Oxides (TCOs) is a well-known strategy to enhance the light-trapping capabilities of thin-film solar cells and thus, to increase their power conversion efficiency. Herein, the surface modification of fluorine-doped tin oxide (FTO) using picosecond infrared direct laser interference patterning (DLIP) is presented. The surface characterization exhibits periodic microchannels, which act as diffraction gratings yielding an increase in the average diffuse transmittance up to 870% in the spectral range of 400–1000 nm. Despite the one dimensionality of the microstructures, the films did not acquire a significant anisotropic electrical behavior, but a partial deterioration of their conductivity is observed as a result of the removal of conductive material. This work proposes the feasibility of trading off a portion of the electrical conductivity to obtain a substantial improvement in the optical performance.

Signalverarbeitung im Nervensystem hängt sowohl von der Netzwerkstruktur, als auch den zellulären Eigenschaften der Nervenzellen ab. In dieser Abhandlung werden zwei zelluläre Eigenschaften im Hinblick auf ihre funktionellen Anpassungsmöglichkeiten untersucht: Es wird gezeigt, dass neuronale Morphologie die Signalweiterleitung unter Berücksichtigung energetischer Beschränkungen verstärken kann, und dass selbst kleine Änderungen in biophysikalischen Parametern die Aktivierungsbifurkation in Nervenzellen, und damit deren Informationskodierung, wechseln können. Im ersten Teil dieser Abhandlung wird, unter Verwendung von mathematischen Modellen und Daten, die Hypothese aufgestellt, dass Energie-effiziente Signalweiterleitung als starker Evolutionsdruck für unterschiedliche Zellkörperlagen bei Nervenzellen wirkt. Um Energie zu sparen, kann die Signalweiterleitung vom Dendrit zum Axon verstärkt werden, indem relativ kleine Zellkörper zwischen Dendrit und Axon eingebaut werden, während relativ große Zellkörper besser ausgelagert werden. Im zweiten Teil wird gezeigt, dass biophysikalische Parameter, wie Temperatur, Membranwiderstand oder Kapazität, den Feuermechanismus des Neurons ändern, und damit gleichfalls Aktionspotential-basierte Informationsverarbeitung. Diese Arbeit identifiziert die sogenannte "saddle-node-loop" (Sattel-Knoten-Schlaufe) Bifurkation als den Übergang, der besonders drastische funktionale Auswirkungen hat. Neben der Änderung neuronaler Filtereigenschaften sowie der Ankopplung an Stimuli, führt die "saddle-node-loop" Bifurkation zu einer Erhöhung der Netzwerk-Synchronisation, was möglicherweise für das Auslösen von Anfällen durch Temperatur, wie bei Fieberkrämpfen, interessant sein könnte. / Signal processing in nervous systems is shaped by the connectome as well as the cellular properties of nerve cells. In this thesis, two cellular properties are investigated with respect to the functional adaptations they provide: It is shown that neuronal morphology can improve signal transmission under energetic constraints, and that even small changes in biophysical parameters can switch spike generation, and thus information encoding. In the first project of the thesis, mathematical modeling and data are deployed to suggest energy-efficient signaling as a major evolutionary pressure behind morphological adaptations of cell body location: In order to save energy, the electrical signal transmission from dendrite to axon can be enhanced if a relatively small cell body is located between dendrite and axon, while a relatively large cell body should be externalized. In the second project, it is shown that biophysical parameters, such as temperature, membrane leak or capacitance, can transform neuronal excitability (i.e., the spike onset bifurcation) and, with that, spike-based information processing. This thesis identifies the so-called saddle-node-loop bifurcation as the transition with particularly drastic functional implications. Besides altering neuronal filters and stimulus locking, the saddle-node-loop bifurcation leads to an increase in network synchronization, which may potentially be relevant for the initiation of seizures in response to increased temperature, such as during fever cramps.

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Mitt-Infrarot-Technologie (mid-IR) ist ein äußerst leistungsfähiges Werkzeug für die Anwendung in der Molekülspektroskopie, da die Schwingungsmoden vieler Moleküle in diesem Wellenlängenbereich liegen. Der Quantenkaskadenlaser mit externem Resonator (EC-QCL) kann alle Bereiche dieses Spektrums abdecken. Das Hauptanliegen dieser Arbeit ist die Verbesserung der Leistung des EC-QCL im Hinblick auf die Breite des Wellenlängen-Durchstimmbereichs und die Laserleistung. Theoretische Untersuchungen bestätigen zunächst, dass der QCL die Schlüsselrolle bei EC-Systemen einnimmt: Die Effizienz des EC wird bestimmt durch die Effizienz des QCL und die Güte der Antireflex-Schicht (ARC) der Laserfacette. Die Breite des Durchstimmbereichs wird bestimmt durch das Gain-Spektrum des QCL. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die QCL in unserer Gruppe hergestellt und vom QCL-Wachstum selbst bis hin zur Facettenbeschichtung optimiert. Eine der größten Herausforderungen in der Herstellung des EC-Systems ist die Reduktion des Reflexionsvermögens innerhalb der Facetten des Laserchips. Dafür haben wir ein neues ARC-Konzept entwickelt und auf dem beschichteten Substrat demonstriert, dass innerhalb des gesamten, sehr breiten Wellenlängenbereichs von 7–12 μm die Reflexion auf unter 1% reduziert wird. Das Beschichtungsmodell wurde außerdem auf „broad-gain“-QCL-Facetten angewendet, wodurch die Reflexion auf 0,75% über den gesamten Emissions-Wellenlängenbereich reduziert werden konnte. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Entwicklung und Konstruktion von EC-Lasersystemen. Es wurden zwei kompakte Laser vom Littrow-Typ entwickelt, die von 920 cm-1 bis 1190 cm-1 durchstimmbar sind und die eine Pulsleitung von 0.45 W erreichen. Außerdem wurde eine neue optische Konfiguration des EC-Systems vorgeschlagen um eine höhere Ausgangsleistung zu erzielen. Dieser „Intra-cavity Out-coupling Laser“ erreicht eine Pulsleistung von 1 W und den gleichen Emissionbereich wie die beiden Littrow-Laser. / Mid-infrared (mid-IR) technology is a very powerful tool for molecular spectroscopy since vibration modes of many molecules lie in this wavelength range. The External-Cavity Quantum Cascade Laser (EC-QCL) can cover any part of this spectral range. The main goal of this study is to improve EC-QCL performance in terms of wavelength tunability and laser power. The theoretical study about Quantum Cascade Laser (QCL) and EC systems has confirmed that the QCL plays the core role of EC-QCL systems; the power efficiency of an EC system is determined by the combination of the power efficiency of QCL and AR-coating of the laser facet. The width of the tuning range is determined by the gain spectrum of QCL. During this work, QCLs have been fabricated in our group and the optimization of these factors were carried out with various approaches, from QCL growth to facet coatings. One of the major challenges in making EC systems is to reduce the intra-facet reflectivity of the laser chip, and we first proposed a new anti-reflection (AR) coating concept and demonstrated its performance for the first time to the community, achieving good reduction of reflection of the AR-coated substrate over 7-12 μm range, keeping below R < 1% reflection over the entire spectrum. The coating model was applied on broad-gain QCL facets, and the reflection was reduced to 0.75% over the entire emission wavelength range. Furthermore, this work focused on the development and engineering of laser systems, and two compact Littrow-type lasers and an EC system with a new optical configuration have been developed, achieving good performances; tunable from 920 cm-1 to 1190 cm-1 and 0.45 W pulse power. The new type of laser, an Intra-cavity out-coupling EC laser, was also proposed to enhance the power output and achieved over 1 W pulse power with keeping the same tuning range as the Littrow-type. / 中赤外分光の技術は非常に有用である。これはとりわけ多くの分子振動モードがこの波長帯域に存在しているためである。可変長レーザーである外部共振器量子カスケードレーザー(External cavity quantum cascade laser, EC-QCL)は、これらスペクトル領域を網羅することが可能で、したがって、EC-QCLは産業スケールを含めた、標準的な光源として非常に潜在的である。商品化のフェーズをさらに推し進めるため、このレーザー性能におけるボトムアップの技術が求められてる。 多くの中赤外光のアプリケーションには広帯域の光源が求められている。この研究はおもにそうした性能を最大化することを背景としている。具体的な目的としては、波長の変調性および光源の強度の向上である。これらの目的に取り組むため、我々はいくつかの段階にステージ化して研究を進めてきた。まず初めに、QCLおよびEC-QCLの基本的な特性の追求から始めた。QCLおよびEC-QCLの物理機構の理論的な考察を行い、これらからEC-QCL形態における要素の最適条件もしくは要請を求めた。QCL素子が、その主要な部位であり、EC系におけるほとんどの性能特性である量子効率、変調領域幅、増幅器の光学損失を決定する。 さまざまなアプローチによりこれら緒特性の最適化が行われた。 この研究のなかで、我々グループ内でシステムの心臓となるQCL素子の全製造プロセス(結晶成長から素子コーティングに至るまで)をおこなった。これら製造手順および性能特性の詳細もまた本論文に記す。 ECレーザーにおける要請特性の中で特に困難な課題として、レーザー素子の内部断面(intra-facet)の反射率の低減があげられる。これに応じるものとして、我々は新たな反射防止膜のコンセプトで、特に中赤外光領域に有益なものを提案した。この実現のために、様々な誘電体物質の光学特性を調べ、中赤外光の応用に最適なものを選択し、実際のコーティングに応用した。ここで提案されたモデル``quasi-Lockhart'' (疑ロックハート)のコーティングは、実験によりその高い性能が実証された。波長7–12 μmの領域をカバーし、かつその全領域内で反射率を1%以下に抑えることができた。またこのコーティングは広帯域ゲインのチップにも施され、その反射率を全体域をカバーしながら、0.75%まで低減させた。この成果はEC-QCLだけでなく、一般の中赤外光の光学コーティングにおいても大いに有用であろう。 さらに、我々は本研究の中でレーザーシステムの構築にも取り組んだ。この研究のなかで、二台のLittrow型レーザーと、新たな光学系をもつECレーザーを構築し、その高性能性を実証した。Littrow型では920 cm-1-1190 cm-1の帯域とパルス強0.45 Wを達成。新たなレーザーシステムであるIntra-cavity out-coupling系は従来の系にくらべ高出力することを目的とされ、その帯域を維持しながら、パルス強1~Wの出力を達成した。またこれら新たなシステムを用いて、またプロジェクトバートナーとの食道癌の細胞イメージングも試験、およびグループにおいてアンモニアの吸光度測定を実施した。

Diffuse Phosphor (P)-Austräge aus der Landwirtschaft tragen zur Gewässereutrophierung bei. Der Phosphorsättigungsgrad (DPS) ist ein etablierter Parameter, um das P-Austragsrisiko aus Böden zu erfassen. Ein bodentypunabhängiger Ansatz, der die Abschätzung des DPS durch eine einfache Standardmethode wasserlöslichen P (WSP) ermöglicht (WSP-DPS-Ansatz), wurde an europäischen Böden entwickelt. In der Dissertation wurde dieser Ansatz erstmalig: i) an tropischen Böden getestet und ii) dazu verwendet P-Austragsrisiken von Boden-P-Monitoringdaten und von landwirtschaftlichen Institutionen empfohlenen P-Gehalten abzuleiten. Neben dem DPS wurde der Einfluss der in Brasilien gängigen anorganischen Oberflächendüngung auf das Austragsrisiko mittels Laboranalysen und Feldstudien erfasst. Die Bodentypunabhängigkeit des WSP-DPS-Ansatzes wurde für Böden Brasiliens bestätigt. Infrarotspektroskopische Analysen lieferten eine Erklärung für relativ niedrige gelöste P-Konzentrationen im Oberflächenabfluss von Oxisols. Pedotransferfunktionen zwischen WSP und Methoden, die in Brasilien und Deutschland zur Abschätzung pflanzenverfügbaren P verwendet werden, ermöglichten die Berechnung von DPS-Werten aus Monitoringdaten. Erste DPS-Karten zeigten relative geringe Austragsrisiken für das Untersuchungsgebiet in Brasilien und hohe Risiken für Deutschland, die teilweise durch unterschiedliche empfohlene Boden-P-Gehalte erklärbar waren. Um mit einer einfachen und kosteneffizienten Methode sowohl die landwirtschaftliche Produktion als auch den Gewässerschutz zu berücksichtigen, wurden die Wasser- und CaCl2-Methode zur Abschätzung von pflanzenverfügbarem P mit dem WSP-DPS-Ansatz kombiniert. Dieser Ansatz könnte helfen die Herausforderungen zu lösen mit denen die Menschheit in den nächsten Jahrzehnten bezüglich P in der Landwirtschaft konfrontiert sein wird: Einer effizienten Nutzung der limitierten Ressource P und dem Schutz der Gewässer vor diffusen P-Einträgen. / Diffuse phosphorus (P) losses from agriculture contribute to the eutrophication of surface waters. The degree of P saturation (DPS) is an established parameter for assessing the risk of P loss from agricultural soils. A soil type-independent approach for estimating the DPS by a simple standard method of water-soluble phosphorus (WSP; the WSP-DPS approach) was developed on European soils. In the thesis, the WSP-DPS approach was for the first time: i) tested on tropical soils and ii) used to derive P loss risks from soil P monitoring data and from recommended soil P levels by agricultural institutions. In addition to DPS, laboratory analyses and field studies were combined to assess the risk of P loss associated with the superficial application of inorganic fertilizer, which is commonly used in Brazil. The soil type-independency of the WSP-DPS approach was confirmed for soils of Brazil. Infrared spectroscopic analyses provided an explanation for the relatively low dissolved P concentrations in the surface runoff of Oxisols. Pedotransfer functions were determined between WSP and methods used to estimate plant-available P in Brazil and Germany and allowed for the transformation of soil P monitoring data into DPS values. The first DPS maps revealed relatively low P loss risks for the investigation area in Brazil and high risks for Germany. This difference was partly explainable by the recommended soil P levels in the two countries. To consider both agricultural production and the protection of surface waters in soil P management with a simple and cost-effective method, the soil test methods of using water and CaCl2 to estimate plant-available P and the WSP-DPS approach were combined. This approach could help to solve the challenges humanity faces regarding P in agriculture in the coming decades: An efficient use of the limited resource P and the protection of surface waters from diffuse P losses.