Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Strukturbildung in amorphen Al-ÜM-Legierungen, Quasikristallen und amorphen Halbleitern, sowie die Temperatur- und Konzentrationsabhängigkeit der elektrischen Transportgrößen Widerstand und Thermokraft untersucht. Die Legierungen wurden in Form dünner Schichten durch abschreckende Kondensation aus der Dampfphase hergestellt. Die atomare Struktur wurde durch Elektronenbeugung analysiert. Für die Beschreibung der atomaren Struktur werden der Durchmesser der Fermikugel (im k-Raum) und die Friedel-Wellenlänge (im r-Raum) als interne Skalen benutzt. Nach der Skalierung der atomaren Struktur mit diesen Größen zeigen sich große Ähnlichkeiten zwischen ganz verschiedenen Systemen. Durch Kombination der Strukturdaten mit elektronischen Transportgrößen ist es möglich, ein bereits bekanntes Szenarium der Strukturbildung, das auf Resonanzen zwischen dem Elektronensystem als Ganzem und der sich bildenten statischen Struktur der Ionen aufgebaut ist, zu erweitern. Bei der Strukturbildung und ihrem Einfluß auf die elektronischen Transporteigenschaften und die Stabilität der amorphen Phase wird bei den Al-ÜM-Legierungen der Einfluss eines Hybridisierungsmechanismus zwischen den Alp- und den TMd-Elektronen diskutiert. Für die Beschreibung der atomaren Struktur der Al-ÜM-Legierungen wird außer der schon bekannten sphärisch-periodischen Ordnung ein neuer Typ von Ordnung beobachtet, welcher eine lokale Winkelordnung verursacht. Die sphärisch-periodische und die Winkelordnung lassen sich bei der Untersuchung mit verschiedenen Anlasstemperaturen, insbesondere bei den Proben, die einen kontinuierlichen Übergang von amorpher zu quasikristalliner Phase ausführen, beobachten. Die sphärisch-periodische Ordnung führt zu einem breiten Pseudogap in der elektronischen Zustandsdichte bei EF , die Winkelkorrelation bei Quasikristallen, durch die relativ weit reichende Ordnung, zu einem scharfen Pseudogap. Die Änderung der elektronischen Eigenschaften in der amorphen und quasikristallinen Phase als Funktion der Übergangsmetalle aber auch als Funktion der Temperatur kann quantitativ mit dem Konzept der Spektralleitfähigkeit beschrieben werden, das auf zwei Pseudo-Energerielücken an der Fermikante beruht. Die Resonanz, die zu Winkelkorrelationen führt, wird bei amorphen Halbleitern weiter getestet. Es werden dazu sowohl reine Elemente als auch binäre Legierungen untersucht.

Chemnitz, Techn. Univ., Diplomarb., 2004.

Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2003.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit experimentellen Untersuchungen zur physikalisch-chemischen und strukturellen Charakterisierung von neuartigen supramolekularen Kristalleinschlussverbindungen am Beispiel der Clathrate der Wirtverbindung 2,2’-bis(9-hydroxy-9-fluorenyl)biphenyl mit Aceton (polar) sowie Chloroform (unpolar). Durch die Kombination von Röntgenstrukturanalysen mit systematischen Messungen thermodynamischer Größen wie Löslichkeit, Einschluss-, Zersetzungs-, Lösungs- und Kristallisationsenthalpien konnten neue Erkenntnisse bezüglich der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen sowie zur Rolle der Wirt-Gast Wechselwirkungen in den existierenden Einschlussverbindungen abgeleitet werden. Die Einschlussbildung bzw. Kristallisation verläuft für alle untersuchten Clathratphasen exotherm. Dies bedeutet, dass die Einschlussverbindungen gegenüber dem reinem Wirt energetisch stark begünstigt sind. Der bestimmende Beitrag hierfür resultiert aus der Bildung eines optimal gepackten Kristallgitters, während spezifische Wirt-Gast Wechselwirkungen nur eine untergeordnete Rolle spielen. Das Zersetzungsverhalten der verschiedenen Clathratphasen kann widerspruchsfrei aus der Packungsstruktur der Kristalle erklärt werden.

Bei der Verwendung von Hartkugelpackungen als Modelle für verschiedene Systeme in Physik, Chemie und den Ingenieurwissenschaften kommen einige Fragen auf, z.B. nach dem Zusammenhang zwischen der Packungsdichte und der Radienverteilung der Kugeln bzw. der Packungsstruktur. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem Problem der optimalen Packungsdichte von zufällig dichten Packungen. Es wird ein Optimierungsalgorithmus vorgestellt, der aus einer vorgegebenen Klasse von Radienverteilungen diejenige bestimmt, für die die Packungsdichte maximal wird. Die Packungsstruktur kann man durch verschiedene statistische Größen charakterisieren, die im zweiten Teil dieser Arbeit beschrieben werden. Dabei wird die Abhängigkeit dieser Größen von der Packungsdichte und der Radienverteilung untersucht und gezeigt, dass in monodispersen Packungen mit zunehmender Dichte erhebliche strukturelle Veränderungen auftreten: Im Dichteintervall zwischen 0,64 und 0,66 erfolgt offenbar ein Übergang von ungeordneten zu kristallinen Packungen, bei weiterer Verdichtung entwickelt sich schließlich eine FCC-Struktur.

In our experiments, the icing temperature of small water volumes placed on different pyroelectric single crystals (SrxBa1−xNb2O6, LiNbO3, and LiTaO3) was determined using two measurement setups: (1) the sessile droplet and (2) ring system method. In the first method, a free-standing water droplet was exposed to several external factors in the air environment. This was found to lead to higher icing temperatures compared to the second method where the water was more isolated from external factors such as evaporation. In the second method, the material of the ring system was found to be an important factor determining the freezing temperature of the enclosed water. A recommendation for the application of both methods is given, their advantages and disadvantages depending on the purpose of measurement, and their reproducibility for practical applications. In addition to this, the correlation between pyroelectricity and icing temperature, with regard to several types of internal and external factors affecting water freezing, is also discussed in the paper.

Den pågående elektrifieringen av transport och samhälle kräver utveckling av nya metoder för återvinning av batterier. Hydrometallurgi som fokuserar på selektiv kristallisation av metaller är ett intressant alternativ för dessa ändamål. Dessa system kan studeras genom modellering och simulering. Många matematiska modeller finns tillgängliga för att beskriva de olika involverade processerna i kristallisationen av metaller. Dessa processer inkluderar övermättnad, nukleation, kristalltillväxt och aggregation. Denna rapport sammanställer ett antal av de tillgängliga matematiska modellerna och presenterar ett numeriskt tillvägagångssätt för modellering av den tidsberoende nummerdensiteten av partiklar genom en populationsbalansekvation. Populationsbalansen kan lösas med olika metoder såsom momentmetoden och metoden av viktade residualer. Här löses ekvationen genom diskretisering. Diskretisering av den inre koordinaten i ett flertal längdintervall möjliggör simulering av partikel-storleksfördelningen som en funktion av tid. Det numeriska tillvägagångssättet applicerades på bariumsulfatutfällning i en perfekt blandad satsreaktor och två- och tre-dimensionella T-mixer-system, såväl som en perfekt blandad satsreaktor för förträngningskristallisation av nickelsulfat med groddning. Den simulerade storleksfördelningens placering visade sig ha bra överenstämmelse med experimentell data vid låga Reynolds-tal. Här undersöktes även påverkan av en mängd parametrar såsom diskretisering, aggregation och magnituden av diffusion. Aggregation hade en märkbar inverkan på välblandade system. Inverkan av aggregation i diffusions-kontrollerade system med kort retentionstid var låg. Diffusionsmagnituden hade liten påverkan på den normaliserade distributionen men större på det totala antalet partiklar. / The currently ongoing electrification of society and transport necessitates the development of novel methods for battery recycling. Hydrometallurgy with a focus on selective metal crystallisation is an interesting prospect to these ends. The resource recovery systems of interest can be studied through simulation where many mathematical models are available to describe the varying processes involved. These processes include supersaturation generation, nucleation, growth and aggregation. This work compiles some of these mathematical models and presents a numerical approach for the modelling of the time-dependent particle number density with a population balance equation. The population balance equation can be solved using a variety of different methods such as method of moments and method of weighted residuals. Here, the balance equation was solved by discretisation. Discretising the inner coordinate (crystal length) into a number of length intervals allows for the particle size distribution to be modelled as a function of time for various crystallisation systems. The framework was successfully applied to barium sulphate precipitation in a perfectly mixed batch reactor and two- and three-dimensional T-mixer systems, as well as a seeded perfectly mixed nickel sulphate anti-solvent crystallisation system. The simulated size distribution showed promising similarity to experimental data at low Reynolds number. The influence of a variety of parameters such as aggregation and magnitude of diffusion was investigated. Aggregation had a significant impact on well-mixed systems increasing with retention time. The impact of aggregation on diffusion-controlled systems with low retention time was low. The magnitude of diffusion had little impact on the particle size distribution of the crystal population but a large impact on the total number of crystals.

Hydrothermal synthesis of ZSM-5 is an often applied but incompletely understood procedure. In comparison to current research efforts that aim to produce complex micro-mesoporous catalysts for the conversion of biogenic and bulky hydrocarbons, this work focuses on the dependency between Si/Al ratio and zeolite morphology of microporous ZSM-5 to understand and to control the synthesis process. In two series of time dependent crystallization, kinetics were analyzed at Si/Al ratio 20 and 100 to optimize the crystallization time. Subsequently, zeolites with different Si/Al ratio were obtained and characterized. The results show a transition from a slow dissolutionrecrystallization process to a fast solid-state-transformation with increasing Si/Al ratio. This is followed by a switching morphology from clusters of small agglomerates to bigger spherical particles. Respective acid site density and zeolite morphology determine local residence time, hydride transfer behavior and finally selectivity towards aromatics and higher hydrocarbons during methanol conversion. This background should provide control of even more complex syntheses of porous catalysts.

Die Acetyl-CoA Synthase (ACS) beinhaltet ein einzigartiges Metallcluster (Cluster A) in seinem aktiven Zentrum, welches wichtig für ein autotrophes Wachstum von Bakterien und Archaeen ist, die den reduktiven Acetyl-CoA-Weg nutzen. Der letzte Schritt dieses Syntheseweges wird von der ACS am proximal zum [4Fe-4S] Cluster liegenden Ni ion katalysiert (Nip). In meiner Arbeit wurde die ACS von Carboxydothermus hydrogenoformans (ACSCh) auf seine Ligandenbindung untersucht und in verschiedenen Konformationen kristallisiert. Zuerst wurde die ACSCh in einer neuen Konformation (ACSCh-closed) kristallisiert und deren Struktur mit einer Auflösung von 2.1 Å bestimmt. Diese wies einen geringeren Kontakt zur Solventumgebung auf als die vorher bekannte Struktur der ACSCh (ACSCh-open, PDB-ID: 1RU3). Das Cluster A der ACSCh-closed unterscheidet sich von der ACSCh-open in der Koordination des Nip, welches verzerrt tetraedrisch koordiniert in ACSCh-closed vorliegt und quadratisch planar in ACSCh-open. Eine Analyse des Modells wies einen molekularen Tunnel auf, der nur in ACSCh-closed vorhanden ist, welcher als CO-Kanal zur Substratversorgung dienen könnte. Zweitens wurde die Kristallstruktur einer CO gebunden ACSCh-closed mit einer Auflösung von 2.0 Å gelöst. Darin wurde eine Elektronendichte am Nip identifiziert, die als CO überzeugend modelliert werden konnte. CO bindet am ebenfalls verzerrt tetraedrisch koordinierten Nip. Die Konformationsänderung von ACSCh-open zu ACSCh-closed scheint der entscheidende Schritt zu sein, um CO zur Bindungsstelle zu leiten. Die dritte Struktur zeigt eine CoA gebundene ACSCh Struktur mit einer Auflösung von 2.3 Å. CoA bindet am Nip, wobei Nip quadratisch planar koordiniert wird. Die Gegenwart von CoA wurde mit Berechnungen verschiedener Elektronendichte-Karten für CoA validiert. Die Bindung von CO und CoA an ACSCh wurde zudem mittels isothermaler Titrationskalorimetrie weiter charakterisiert. Dabei bindet CoA enthalpisch getrieben mit einem KD von 3.1 µM und CO entropisch getrieben mit einem KD von 9.4 µM an ACSCh. / The acetyl-CoA synthase (ACS) harbors a unique metal cluster (cluster A) in its active site, which is important for bacteria and archaea to survive in autotrophic growth using the reductive acetyl-CoA. The last step of this pathway is catalyzed by ACS at the Nip, the Ni ion proximal to the [4Fe-4S] cluster. In my study, the monomeric ACS of Carboxydothermus hydrogenoformans (ACSCh) was studied in its ligand binding and crystallized in different forms. At first, an ACSCh structure was solved in a new conformation at dmin of 2.1 Å and less solvent exposed (called ACSCh-closed) than the known structure of ACSCh (called ACSCh-open, PDB-ID:1RU3). The cluster A of ACSCh-closed differs to that of ACSCh-open in the coordination of the proximal Ni, which is distorted tetrahedrally coordinated in ACSCh-closed and square planar coordinated in ACSCh-open. Analysis of the model revealed a molecular tunnel that is only present in ACSCh-closed, which might act as CO channel for substrate delivery. Secondly, a CO-bound ACSCh-closed crystal was obtained and solved at a resolution of 2.0 Å. An electron density fitting with a diatomic ligand at the Nip site was clearly identified and modeled as a CO molecule. CO binds at the Nip site completing the tetrahedral coordination geometry of Nip. The conformational switch between open and closed is responsible for CO migration and binding to the catalytic site. A third crystal structure depicts a CoA bound ACSCh structure at 2.3 Å resolution. CoA binds at the Nip which shows a square planar geometry. This was further supported by calculating different electron density maps for CoA. The binding of CO and CoA to ACSCh has been characterized by isothermal calorimetry experiments. While CoA binding is enthalpically driven with a KD of 3.1 µM, CO binds to ACSCh by entropic contribution with a KD of 9.4 µM.

Isotactic polypropylene (iPP), as one of the most versatile commodity thermoplastic polymers, is a polymorphic material having several crystal modifications, among which the β-form exhibits higher performance including excellent impact strength and improved elongation at break.Up to now, the effective and convenient way to prepare the iPP with high content of β-phase has been successfully achieved by addition of certain β-nucleating agent. Since the coexistence of β-nucleating agent and flow (shear flow, extensional flow or mixed), which usually exists in common industrial processing, makes the crystallization process more complex, their combined effect on the structure evolution of polymers, especially in the early stage of crystallization is still not well understood. The mechanical properties of iPP depend strongly on its crystallinity, crystal orientation and morphology determined by the conditions during preparation. On the other hand, the mechanical properties of polymers can also be modulated by deformation processing, which is directly related to the deformation-induced structure transition. However, the transition mechanism of different crystal forms and structure-property correlation still remain unclear. In this thesis, time-resolved synchrotron X-ray scattering was firstly used for the in-situ study of the structural and morphological developments of β-nucleated iPP during shear-induced crystallization. It was found that the crystallization process was strongly influenced by the concentration of β-nucleating agent, shear rate and shear temperature. Then extension-induced crystallization was investigated by a novel melt draw experiment, where a different crystallization mechanism compared to the shear-induced crystallization was found. Subsequently, β-nucleated iPP samples with different thermomechanical histories were scanned by synchrotron X-ray microbeam to construct their overall morphological distributions, including distributions of crystallinity, lamellar thickness, orientation, etc. Finally, these morphology-identified samples were investigated by in-situ synchrotron X-ray measurements coupled with mechanical testing to follow the structure evolution during deformation at elevated temperature. It was found that the deformation behaviour of β-nucleated iPP was closely associated with its initial morphology, its subsequent variation during stretching as well as the stretching conditions including the stretching rate and stretching temperature. The current study would not only contribute to the development of crystallization and deformation theory but also be beneficial for the material design.