Thesis (M. S.)--Chemistry and Biochemistry, Georgia Institute of Technology, 2009. / Committee Chair: Sherrill, C. David; Committee Member: Bredas, Jean-Luc; Committee Member: El-Sayed, Mostafa A.; Committee Member: Harvey, Stephen C; Committee Member: Hernandez, Rigoberto.

The mammalian brain is, with its numerous neural elements and structured complex connectivity, one of the most complex systems in nature. Recently, large-scale corticocortical connectivities, both structural and functional, have received a great deal of research attention, especially using the approach of complex networks. Here, we try to shed some light on the relationship between structural and functional connectivities by studying synchronization dynamics in a realistic anatomical network of cat cortical connectivity. We model the cortical areas by a subnetwork of interacting excitable neurons (multilevel model) and by a neural mass model (population model). With weak couplings, the multilevel model displays biologically plausible dynamics and the synchronization patterns reveal a hierarchical cluster organization in the network structure. We can identify a group of brain areas involved in multifunctional tasks by comparing the dynamical clusters to the topological communities of the network. With strong couplings of multilevel model and by using neural mass model, the dynamics are characterized by well-defined oscillations. The synchronization patterns are mainly determined by the node intensity (total input strengths of a node); the detailed network topology is of secondary importance. The biologically improved multilevel model exhibits similar dynamical patterns in the two regimes. Thus, the study of synchronization in a multilevel complex network model of cortex can provide insights into the relationship between network topology and functional organization of complex brain networks. / Das Gehirn von Säugetieren stellt mit seinen zahlreichen, hochgradig vernetzten Neuronen ein natürliches Netzwerk von immenser Komplexität dar. In der jüngsten Vergangenheit sind die großflächige kortikale Konnektivitäten, sowohl unter strukturellen wie auch funktionalen Gesichtspunkten, in den Fokus der Forschung getreten. Die Verwendung von komplexe Netzwerke spielt hierbei eine entscheidende Rolle. In der vorliegenden Dissertation versuchen wir, das Verhältnis von struktureller und funktionaler Konnektivität durch Untersuchung der Synchronisationsdynamik anhand eines realistischen Modells der Konnektivität im Kortex einer Katze näher zu beleuchten. Wir modellieren die Kortexareale durch ein Subnetzwerk interagierender, erregbarer Neuronen (multilevel model) und durch ein Modell von Neuronenensembles (population model). Bei schwacher Kopplung zeigt das multilevel model eine biologisch plausible Dynamik und die Synchronisationsmuster lassen eine hierarchische Organisation der Netzwerkstruktur erkennen. Indem wir die dynamischen Cluster mit den topologischen Einheiten des Netzwerks vergleichen, sind wir in der Lage die Hirnareale, die an der Bewältigung komplexer Aufgaben beteiligt sind, zu identifizieren. Bei starker Kopplung im multilevel model und unter Verwendung des Ensemblemodells weist die Dynamik klare Oszillationen auf. Die Synchronisationsmuster werden hauptsächlich durch die Eingangsstärke an den einzelnen Knoten bestimmt, während die genaue Netzwerktopologie zweitrangig ist. Eine Erweiterung des Modells auf andere biologisch relevante Faktoren bestätigt die vorherigen Ergebnisse. Die Untersuchung der Synchronisation in einem multilevel model des Kortex ermöglicht daher tiefere Einblicke in die Zusammenhänge zwischen Netzwerktopologie und funktionaler Organisation in komplexen Hirn-Netzwerken.

Die Mechanochemie wird als Alternative zu konventionellen Syntheserouten mittlerweile vielfältig eingesetzt. In dieser Arbeit wurden verschiedene Ansätze genutzt, um die mechanochemischen Mechanismen systematisch aufzuklären. Anhand von Modellsystemen (Cokristalle) wurden die mechanochemischen Synthesewege durch in situ-Verfolgung aufgeklärt, die kinetischen sowie thermodynamischen Stabilitäten der Edukte und Produkte ermittelt sowie die Aktivierungsenergie quantitativ abgeschätzt. Die Ergebnisse führten zur Hypothese, dass die mechanochemische Cokristallisation über einen nicht-kristallinen – wahrscheinlich amorphen – Übergangszustand abläuft und ähnlich der Kristallisation aus Lösung ist. / Mechanochemistry is a widely used alternative for conventional synthesis methods. In this work, different approaches were considered to evaluate the mechanochemical formation pathways. Based on model systems (cocrystals) the synthesis pathways were elucidated using in situ monitoring techniques and thermodynamic and kinetic aspects were investigated. The activation energy of a mechanochemical reaction was quantitavely estimated. The results lead to the assumption that the mechanochemical cocrystallisation proceeds via a non-crystalline phase and that it is similar to the crystallisation from solution.

Les matériaux céramiques à base de bore dans le système quaternaire Si-B-C-N présentent des propriétés de grand intérêt grâce aux liaisons covalentes et à la faible mobilité des éléments bore et silicium dans leurs phases nitrure et carbure, ce qui amène une grande fiabilité mécanique et une bonne stabilité thermique. Ces dernières années, la voie « polymères précéramiques » est devenue la plus intéressante pour la préparation des ce type de céramiques avancées. En utilisant la thermolyse de polymères, une large variété de céramiques dérivées de polymères précéramiques peut être produite à partir de précurseurs moléculaires, en contrôlant la structure de l'unité monomérique, la polymérisation et la procédure de thermolyse. Notamment la thermolyse directe des polymères est une voie compatible avec plusieurs types de techniques de mise en forme, entre autres l'infiltration ou le filage, qui offrent la possibilité de réaliser structures et objets avec des formes complexes avec une approche simple et à faible coût. La première génération de fibres SiBCN a été obtenue à partir du polymère de type [B(C2H4SiCH3NCH3)3]n. Celle-ci présentait de bonnes propriétés mécaniques et une bonne stabilité thermique. Ce manuscrit présente une étude sur le développement de ce type de polymères, en particulier l'optimisation du filage et de la qualité de fibres à travers la modification des voies de synthèse et des traitements de thermolyse. De plus, une élaboration de nouveaux précurseurs moléculaires est développée afin de produire une nouvelle génération de fibres SiBCN / Boron-based ceramic materials in the quaternary Si-B-C-N system are of great interest because of their covalent bonding and the poor mobility of boron and silicon elements in their respective nitride and carbide which both provide mechanical reliability and high temperature stability. In recent years, the PDCs route became of increasing interest for the preparation of such advanced ceramics. Using the general polymer thermolysis route, a large variety of net-shaped polymerderived ceramics can be built up from molecular units and shaped by controlling the structure of the molecular units as well as the polymerization and thermolysis procedures. Interestingly, the direct polymer thermolysis route makes polymers compatible with many shaping techniques such as infiltration or melt-spinning offering the opportunity to realize complex shapes/structures in a simple and cost-efficient way.The first generation of such fibers obtained from a polymer type [B(C2H4SiCH3NCH3)3]n showed good mechanical properties and thermal stability. This document is about the development of such a polymer in order to optimize spinnability and fibers quality throught synthesis modification and thermolysis treatments. Moreover, design of new preceramic polymers is investigate to produce a new generation of SiBCN fibers

The way in which macroscopic transport results from microscopic dynamics is one of the important questions in statistical physics. Dynamical systems theory play a key role in a resent advance in this direction. Offering relatively simple models which are easy to study, dynamical systems theory became a standard branch of modern nonequilibrium statistical physics. In the present work the deterministic diffusion generated by simple dynamical systems is considered. The deterministic nature of these systems is more clearly expressed through the dependencies of the transport quantities as functions of systems parameters. For fully hyperbolic dynamical systems these dependencies were found to be highly irregular and, in fact, fractal. The main focus in this work is on nonhyperbolic and on intermittent dynamical systems. First, the climbing sine map is considered which is a nonhyperbolic system with many physical applications. Then we treat anomalous dynamics generated by a paradigmatic subdiffusive map. In both cases these systems display deterministic transport which, under variation of control parameters, is fractal. For both systems we give an explanation of the observed phenomena. The third part of the thesis is devoted to the relation between chaotic and transport properties of dynamical systems. This question lies at the heart of dynamical systems theory. For closed hyperbolic dynamical systems the Pesin theorem links the sum of positive Lyapunov exponents to the Kolmogorov-Sinai entropy. For open hyperbolic systems the escape rate formula is valid. In this work we have formulated generalizations of these formulas for a class of intermittent dynamical systems where the chaotic properties are weaker.

The way in which macroscopic transport results from microscopic dynamics is one of the important questions in statistical physics. Dynamical systems theory play a key role in a resent advance in this direction. Offering relatively simple models which are easy to study, dynamical systems theory became a standard branch of modern nonequilibrium statistical physics. In the present work the deterministic diffusion generated by simple dynamical systems is considered. The deterministic nature of these systems is more clearly expressed through the dependencies of the transport quantities as functions of systems parameters. For fully hyperbolic dynamical systems these dependencies were found to be highly irregular and, in fact, fractal. The main focus in this work is on nonhyperbolic and on intermittent dynamical systems. First, the climbing sine map is considered which is a nonhyperbolic system with many physical applications. Then we treat anomalous dynamics generated by a paradigmatic subdiffusive map. In both cases these systems display deterministic transport which, under variation of control parameters, is fractal. For both systems we give an explanation of the observed phenomena. The third part of the thesis is devoted to the relation between chaotic and transport properties of dynamical systems. This question lies at the heart of dynamical systems theory. For closed hyperbolic dynamical systems the Pesin theorem links the sum of positive Lyapunov exponents to the Kolmogorov-Sinai entropy. For open hyperbolic systems the escape rate formula is valid. In this work we have formulated generalizations of these formulas for a class of intermittent dynamical systems where the chaotic properties are weaker.

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Im Mittelpunkt der 3. Tagung des Sonderforschungsbereichs Transregio 96 am 29. und 30.Oktober 2013 am Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen standen die verschiedenen Lösungsansätze der einzelnen Teilprojekte bei der Durchführung der experimentellen Untersuchungen zur Verifizierung von Simulationsergebnissen bzw. zur Ableitung von Modellparametern. Es wurden vier Themenblöcke behandelt: • Ermittlung von thermisch relevanten Prozessparametern • Experimentelle Methodik zur Analyse von Teilsystemen in Werkzeugmaschinen • Methodische Rahmenbedingungen bei der Ermittlung von thermisch relevanten Parametern • Verfahren zur Verformungs- und Verlagerungsmessung

Dans le cadre de la mission spatiale SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity), nous présentons dans cette thèse une nouvelle approche numérique de modélisation du calcul de l’émissivité et du coefficient bi-statique de systèmes forestiers sol-litière en Bande L. Le système sol-litière est représenté par deux couches diélectriques 3D comportant des interfaces rugueuses, une démarche qui n’apparait pas actuellement dans la littérature. Nous validons notre approche pour une seule couche en comparant les simulations de l'émissivité avec celles produites par la méthode des moments et des données expérimentales. A partir de ce nouveau modèle, nous évaluons la sensibilité de l’émissivité du système sol-litière en fonction de l’humidité et de la rugosité de la litière. Ce nouveau modèle permettra de créer une base de données synthétiques d’émissivités calculées en fonction de nombreux paramètres qui contribuera à améliorer la prise en compte de la litière dans l'algorithme d’inversion des données de la mission spatiale SMOS. / In the context of the SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) mission, we present a new numerical modelling approach for calculating the emissivity and bistatic scattering coefficient of the soil-litter system found in forests, at L-band. The soil-litter system is modelled as two 3-dimensional dielectric layers, each with a randomly rough surface, which to our knowledge has not previously been achieved. We investigate the validity of the approach for a single layer by comparing emissivity simulations with results of Method of Moments simulations, and experimental data. We then use the approach to evaluate the sensitivity of the soil-litter system as a function of moisture content and the roughness of the litter layer. The numerical modelling approach which has been developed will allow us in the future to create a synthetic database of the emissivity of the soil-litter system as a function of numerous parameters, which will contribute to validating and improving the inversion algorithm used by the SMOS mission to retrieve soil moisture over forests.

Im Mittelpunkt der 3. Tagung des Sonderforschungsbereichs Transregio 96 am 29. und 30.Oktober 2013 am Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen standen die verschiedenen Lösungsansätze der einzelnen Teilprojekte bei der Durchführung der experimentellen Untersuchungen zur Verifizierung von Simulationsergebnissen bzw. zur Ableitung von Modellparametern. Es wurden vier Themenblöcke behandelt: • Ermittlung von thermisch relevanten Prozessparametern • Experimentelle Methodik zur Analyse von Teilsystemen in Werkzeugmaschinen • Methodische Rahmenbedingungen bei der Ermittlung von thermisch relevanten Parametern • Verfahren zur Verformungs- und Verlagerungsmessung