Diese Arbeit charakterisiert die Solvatation des organischen Farbstoffes Coumarin 153 in Gemischen aus jeweils einem Alkan und einem Alkohol. Dabei werden Methoden der statischen und zeitaufgeloesten optischen Spektroskopie sowie klassische molekulardynamische Simulationen fuer die Untersuchungen angewendet. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass der Farbstoff im Gemisch selektiv durch den Alkohol solvatisiert ist. Die Staerke dieser Solvatation ist für den elektronischen Grund- und Anregungszustand des Farbstoffes unterschiedlich. Aus diesem Grund wird die Solvatationsdynamik in Alkohol/Alkan Gemischen durch einen Translationsdiffusionsprozess bestimmt. Die molekulardynamischen Simulationen veranschaulichen die selektive Solvatation des Coumarin 153 in einem Methanol/Hexan Gemisch. Die Solvathuelle enhaelt im Anregungszustand des Farbstoffes bis zu dreimal mehr Molekuele als im Grundzustand. Im Unterschied zur Solvatation in reinem Methanol spielen spezifische Bindungen wie Wasserstoffbrueckenbindungen in einem Methanol/Hexan Gemisch eine wesentliche Rolle.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines redundanten, mikromechanischen Beschleunigungssensorarrays. Die Redundanz wird genutzt, um Messabweichungen zu korrigieren. Die Einflussfaktoren auf die Genauigkeit der Sensoren werden analysiert und die erzielten Verbesserungen beim Einsatz von Sensorarrays aufgezeigt. Neben den stochastischen Einflüssen können mithilfe des Arrays auch deterministische Fehler bzw. Querempfindlichkeiten korrigiert werden. Die Fertigung des Sensorarrays erfolgt mittels einer MEMS-Technologie mit einem hohen Aspektverhältnis im einkristallinen, anisotropen Silizium. Das Design ist so gestaltet, dass für jedes Sensorelement dieses Arrays bei gleichbleibenden mechanischen und elektrischen Sensoreigenschaften beliebige Messrichtungen realisierbar sind. Die messtechnische Charakterisierung der Sensorarrays und die Signalauswertung werden ausführlich beschrieben. Für die Signalauswertung der kapazitiv arbeitenden Sensorelemente wird ein angepasstes Trägerfrequenzmessverfahren entwickelt. Die Sensorarrays arbeiten mittels eines digitalen Reglers in einem geschlossenen Regelkreis. Die Verbesserungen des Messsignals durch die redundante Anordnung werden aufgezeigt.

Ein Dünnschichtmodell zur Prognose optischer Eigenschaften oxidischer Beschichtungen wurde entwickelt. Dies dient zur Simulation von Beschichtungsprozessen unter Berücksichtigung prozesstypischer Abscheidefehler. In Betracht gezogen werden dabei Schwankungen in der Schichtdicke und den optischen Konstanten für jede virtuell abzuscheidende Schicht, wobei eine Stategie entwickelt wurde, die Eingangsdaten für die Simulation experimentell zu ermitteln. Der Vergleich mit durchgeführten Beschichtungsprozessen dient zur Verifikation der Simulation.

We introduce a novel dynamic model of stem cell and tissue organisation in murine intestinal crypts. Integrating the molecular, cellular and tissue level of description, this model links a broad spectrum of experimental observations encompassing spatially confined cell proliferation, directed cell migration, multiple cell lineage decisions and clonal competition. Using computational simulations we demonstrate that the model is capable of quantitatively describing and predicting the dynamic behaviour of the intestinal tissue during steady state as well as after cell damage and following selective gain or loss of gene function manipulations affecting Wnt- and Notch-signalling. Our simulation results suggest that reversibility and flexibility of cellular decisions are key elements of robust tissue organisation of the intestine. We predict that the tissue should be able to fully recover after complete elimination of cellular subpopulations including subpopulations deemed to be functional stem cells. This challenges current views of tissue stem cell organisation.

Embryonic development depends on the precise coordination of cell fate specification, patterning and morphogenesis. Although great strides have been made in the molecular understanding of each of these processes, how their interplay governs the formation of complex tissues remains poorly understood. New techniques for experimental manipulation and image quantification enable the study of development in unprecedented detail, resulting in new hypotheses on the interactions between known components. By expressing these hypotheses in terms of rules and equations, computational modeling and simulation allows one to test their consistency against experimental data. However, new computational methods are required to represent and integrate the network of interactions between gene regulation, signaling and biomechanics that extend over the molecular, cellular and tissue scales. In this thesis, I present a framework that facilitates computational modeling of multiscale multicellular systems and apply it to investigate pancreatic development and the formation of vascular networks. This framework is based on the integration of discrete cell-based models with continuous models for intracellular regulation and intercellular signaling. Specifically, gene regulatory networks are represented by differential equations to analyze cell fate regulation; interactions and distributions of signaling molecules are modeled by reaction-diffusion systems to study pattern formation; and cell-cell interactions are represented in cell-based models to investigate morphogenetic processes. A cell-centered approach is adopted that facilitates the integration of processes across the scales and simultaneously constrains model complexity. The computational methods that are required for this modeling framework have been implemented in the software platform Morpheus. This modeling and simulation environment enables the development, execution and analysis of multi-scale models of multicellular systems. These models are represented in a new domain-specific markup language that separates the biological model from the computational methods and facilitates model storage and exchange. Together with a user-friendly graphical interface, Morpheus enables computational modeling of complex developmental processes without programming and thereby widens its accessibility for biologists. To demonstrate the applicability of the framework to problems in developmental biology, two case studies are presented that address different aspects of the interplay between cell fate specification, patterning and morphogenesis. In the first, I focus on the interplay between cell fate stability and intercellular signaling. Specifically, two studies are presented that investigate how mechanisms of cell-cell communication affect cell fate regulation and spatial patterning in the pancreatic epithelium. Using bifurcation analysis and simulations of spatially coupled differential equations, it is shown that intercellular communication results in a multistability of gene expression states that can explain the scattered spatial distribution and low cell type ratio of nascent islet cells. Moreover, model analysis shows that disruption of intercellular communication induces a transition between gene expression states that can explain observations of in vitro transdifferentiation from adult acinar cells into new islet cells. These results emphasize the role of the multicellular context in cell fate regulation during development and may be used to optimize protocols for cellular reprogramming. The second case study focuses on the feedback between patterning and morphogenesis in the context of the formation of vascular networks. Integrating a cell-based model of endothelial chemotaxis with a reaction-diffusion model representing signaling molecules and extracellular matrix, it is shown that vascular network patterns with realistic morphometry can arise when signaling factors are retained by cell-modified matrix molecules. Through the validation of this model using in vitro assays, quantitative estimates are obtained for kinetic parameters that, when used in quantitative model simulations, confirm the formation of vascular networks under measured biophysical conditions. These results demonstrate the key role of the extracellular matrix in providing spatial guidance cues, a fact that may be exploited to enhance vascularization of engineered tissues. Together, the modeling framework, software platform and case studies presented in this thesis demonstrate how cell-centered computational modeling of multi-scale and multicellular systems provide powerful tools to help disentangle the complex interplay between cell fate specification, patterning and morphogenesis during embryonic development.

Zur Modellierung der Ausbreitung von Aktionspotentialen im menschlichen Vorhof wurde in der Vergangenheit eine Vielzahl von Modellen entwickelt, welche den Einfluss der zahlreichen Ionenströme, die durch die Zellmembran fließen, im Detail berücksichtigen. Mit dem Ziel einer vereinfachten Beschreibung ist kürzlich das Modell von Bueno-Orovio, Cherry und Fenton (BOCF-Modell) an die Elektrophysiologie des Vorhofs angepasst worden, welches ursprünglich für die elektrische Erregungsausbreitung in den Herzkammern entwickelt wurde. In dieser Arbeit wird dieses angepasste BOCF-Modell in Bezug auf seine Fähigkeit untersucht, raum-zeitliche Erregungsmuster zu erzeugen, die beim anatomischen und spiralförmigen Reentry gefunden werden. Hierzu werden die Ergebnisse des BOCF-Modells mit denen des detaillierten Modells von Courtemanche, Ramirez und Nattel (CRN-Modell) verglichen. Es zeigt sich, dass die charakteristischen Merkmale von Reentry-Mustern im CRN-Modell gut mit dem BOCF-Modell wiedergegeben werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, die Ursprünge des Vorhofflimmerns basierend auf einer vereinfachten, aber immer noch zuverlässigen Beschreibung der Elektrophysiologie zu untersuchen. Eine effektive Methode wird entwickelt, um empirische Aktionspotentiale von Patienten in den menschlichen Vorhöfen anhand des BOCF-Modells zu modellieren. Grundlage dieser Methode ist die Anpassung von drei relevanten Zeitkonstanten im BOCF-Modell mit Hilfe eines nicht-linearen Optimierungsverfahrens. Die Methode ermöglicht, spezifische Aktionspotentiale mit einer gegebenen Amplitude, Breite und Form zu reproduzieren. Sie kann als Prädiktor für pathologische Befunde verwendet werden.

The study of crystal nucleation represents a considerable challenge to both experiment and theory. Crystallisation from solutions is initiated by the association of only a few ions. The resulting aggregates are the embryonic precursors to crystals and exhibit diameters of less than a nanometre. While experimental studies offer a wide variety of insights at the macroscopic scale, the atomistic level of detail often remains elusive. On the other hand, computer simulation approaches may easily achieve microscopic resolution and hence appear particularly suited for analysis of the mechanisms of ion aggregation. On the basis of atomistic models, new insights are obtained into the early steps of ion association and the self-organisation of disordered aggregates into crystalline structures. / Das Studium der Nukleation von Kristallen stellt eine immense Herausforderung sowohl an die Experimentatoren als auch an die Theoretiker dar. Die Bildung eines Kristalls aus einer Lösung beginnt mit dem Zusammenschluss einzelner Ionen zu kleinen Aggregaten. Diese embryonalen Vorstufen von Kristallen umfassen nur einige Teilchen und weisen Durchmesser von weniger als einem Nanometer auf. Experimentelle Untersuchungen sind oftmals auf die makro- und mesoskopische Größenskala beschränkt und können vergleichsweise wenige Informationen über die atomaren Aggregationsprozesse liefern. Molekulare Simulationen verlaufen im Gegensatz dazu unmittelbar auf der atomaren Detailstufe und stellen so eine hervorragende Ergänzung zum Experiment dar. Im Computer werden dabei Modellszenarien entwickelt, die Aufschlüsse über die elementaren Schritte der Aggregation von Ionen geben können und aufzeigen, wie sich zunächst ungeordnete Agglomerate allmählich zu periodisch geordneten Strukturen organisieren.

Im Maschinen- und Fahrzeugbau wird die erfolgreiche Auslegung komplexer Antriebssysteme zunehmend durch leistungsfähige Simulationstechniken unterstützt. Das dynamische Zusammenspiel von verschiedenartig aufgebauten und miteinander vernetzten Teilsystemen aus unterschiedlichen physikalischen Domänen kann ausschließlich durch eine ganzheitliche Systembetrachtung untersucht und optimiert werden. Hierbei stehen besonders die Funktion, Effizienz und Prozesssicherheit in der Produktherstellung im Vordergrund. Dieser Beitrag beinhaltet die Entwicklung von Bibliothekselementen zur effektiven Simulation von Band- und Koppelgetrieben innerhalb einer Simulationsumgebung. Mit einem speziell für ebene Mechanismen erarbeiteten seriellen Schnittstellenkonzept lassen sich innerhalb kurzer Zeit beliebige Getriebestrukturen frei zu einem vollständigen Antriebssystem aufbauen. Mit den neu geschaffenen Elementen können neben den allgemein bekannten Getriebeaufbauten auch Bandgetriebe modelliert werden, bei denen ein Zugmittel über Unrundscheiben, lose und feste Rollen, durch eine Abzugsdüse oder sogar über Glieder von Koppelgetrieben geführt wird. Zudem wird ein praktikables Verfahren zur Maßsynthese von Ausgleichsmechanismen mit Feder-Bandgetrieben vorgestellt sowie ein vollständiges Bewertungskriterium, das eine sichere Aussage über die physikalische Existenz einer berechneten Bandkurvenscheibenkontur hinsichtlich Stetigkeit und Konvexität zulässt. Abschließend wird anhand von Beispielen die Leistungsfähigkeit der neuen Elemente im Kontext der Gesamtsimulation demonstriert. / This paper shows the development of library elements for effective simulation of planar band mechanism and linkage gears. A specially design concept for planar mechanisms interface is able to save modelling time to build up multiple transmission structures for a complete drive system. Only by a few steps band transmissions can be modeled in which a band winded on cam discs as well as loose and fixed pulleys, eyelets of textile machines or even guided by a couple point of a linkage gear.

Als elastische Koppelglieder üben Elastomere im Fahrwerk maßgeblichen Einfluss auf die Elastokinematik der Radaufhängung und damit auf die Radstellgrößen aus. Bereits einfache zylindrische Probekörper zeigten in der Vergangenheit Veränderlichkeit der Federsteifigkeiten bei mehrachsiger Belastung auf. Daraus ließ sich ableiten, dass das Bauteilverhalten von zylindrischen Elastomerkörpern, bzw. Fahrwerklagern, schwer vorhersagbar ist und dieser Effekt durch die Verwendung komplexer Geometrien zusätzlich beeinflusst wird. Eigens im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Prüfstände ermöglichten die Untersuchung von statischen, mehrachsigen Belastungen sowie zyklischen, einachsigen Belastungen zweier Fahrwerklager einer typischen Vorderradaufhängung, dem Mc-Pherson-Federbein. Für beide Lagertypen wurden derart signifikante Federsteifigkeitsänderungen unter mehrachsiger Belastung beobachtet, dass ein Einfluss auf die Elastokinematik sicher schien. Unter einachsiger, zyklischer Belastung bestätige sich, dass einfache rheologische Ersatzmodelle, wie der Ansatz nach Kelvin-Voigt für eine Modellierung des viskoelastischen Materialverhaltens weiterhin Gültigkeit besitzen. Ein in einem Mehrkörpersimulationsprogramm erstelltes Gesamtfahrzeugmodell zeigte zunächst für die Auslegung der Prüfstände relevante Beanspruchungen in den Fahrwerklagern auf und diente weiterhin als Grundlage für die Untersuchung des Einflusses von Wechselwirkungen auf die Radstellgrößen. Dazu behandelt die Arbeit die Modellierung eines neuen Fahrwerklagermodells innerhalb dieser MKS-Umgebung. Dieses Modell bietet dem Nutzer die Möglichkeit für eine Abbildung von Wechselwirkungen an zylindrischen, zyklisch beanspruchten Bauteilen. Ein spezielles Fahrmanöver zeigte den Einfluss der Wechselwirkungen auf die Radstellgrößen auf und zeigte, dass die Berücksichtigung von Wechselwirkungen für eine Fahrwerkauslegung relevant ist. Darüber hinaus wurde mit kommerziell verfügbaren Materialmodellen für die Beschreibung es Materialverhaltens von Elastomeren innerhalb der Finite-Elemente-Methode aufgezeigt, dass bei einachsiger Belastung die Federsteifigkeiten der Fahrwerklager auf Grundlage der in der Literatur üblichen Auslegungsgleichungen näherungsweise abgebildet werden können, jedoch für mehrachsige Spannungszustände keine hinreichende Aussage über das Bauteilverhalten getroffen werden kann. Hier wurde weiterer Forschung- bzw. Erweiterungsbedarf an den FE-Programmen aufgezeigt.

Im Physikunterricht wurde lange Zeit die Bedeutung quantitativer Zusammenhänge für das Physiklernen überbewertet, qualitative Zusammenhänge spielten dagegen eine eher untergeordnete Rolle. Dies führte dazu, dass das Wissen der Schüler zumeist ober­fläch­lich blieb und nicht auf neue Situationen angewendet werden konnte. TIMSS und Pisa offenbarten diese Schwierigkeiten. In den Abschlussberichten wurde kritisiert, dass die Schüler kaum in der Lage seien, Lernstoff zu transferieren oder pro­blem­lösend zu denken. Um physikalische Abläufe deuten und entsprechende Probleme lösen zu können, ist qua­litativ-konzeptuelles Wissen nötig. Dieses kann, wie Forschungs­ergebnisse belegen, am besten durch die konstruktivistisch motivierte Gestaltung von Lern­situationen sowie durch die Inte­gration externer Repräsentationen von Versuchs­aussagen in den Schul­unter­richt er­reicht werden. Eine konkrete Umsetzung dieser Bedingungen stellt der Ein­satz rechner­gestützter Experimente dar, der heutzutage ohne allzu großen technischen Aufwand rea­lisiert werden kann. Diese Experimente erleichtern es dem Lernenden, durch den direk­ten Umgang mit realen Abläufen, physikalische Konzepte zu erschließen und somit qua­litative Zusammenhänge zu verstehen. Während man lange Zeit von einer grundsätzlichen Lernwirksamkeit animierter Lern­um­gebungen ausging, zeigen dagegen neuere Untersuchungen eher Gegenteiliges auf. Schüler müssen offensichtlich erst lernen, wie mit multicodierten Re­prä­sentationen zu arbeiten ist. Die vorliegende Arbeit will einen Beitrag dazu leisten, he­raus­zufinden, wie lernwirksam sogenannte dynamisch-ikonische Repräsentationen (DIR) sind, die physikalische Größen vor dem Hintergrund konkreter Versuchsabläufe visuali­sieren. Dazu bearbeiteten im Rahmen einer DFG-Studie insgesamt 110 Schüler jeweils 16 Projekte, in denen mechanische Konzepte (Ort, Geschwindigkeit, Beschleu­nigung und Kraft) aufgegriffen wurden. Es zeigte sich, dass die Probanden mit den ein­ge­setzten DIR nicht erfolgreicher lernen konnten als ver­gleich­bare Schüler, die die gleichen Lerninhalte ohne die Unter­stützung der DIR erarbeiteten. Im Gegen­teil: Schüler mit einem geringen visuellen Vorstellungsvermögen schnitten aufgrund der Darbietung einer zusätzlichen Codierung schlechter ab als ihre Mit­schüler. Andererseits belegen Untersuchungen von Blaschke, dass solche Repräsen­ta­tionen in der Erarbeitungsphase einer neu entwickelten Unter­richts­kon­zep­tion auch und gerade von schwächeren Schülern konstruktiv zum Wissens­erwerb genutzt werden konnten. Es scheint also, dass die Lerner zunächst Hilfe beim Umgang mit neuartigen Re­prä­sen­ta­tions­formen benötigen, bevor sie diese für den weiteren Aufbau adäqua­ter physi­ka­lischer Modelle nutzen können. Eine experimentelle Unter­suchung mit Schü­lern der 10. Jahrgangsstufe bestätigte diese Vermutung. Hier lernten 24 Probanden in zwei Gruppen die mechanischen Konzepte zu Ort, Geschwin­dig­keit und Beschleunigung kennen, bevor sie im Unter­richt behandelt wurden. Während die Teil­nehmer der ersten Gruppe nur die Simulationen von Bewegungsabläufen und die zuge­hörigen Liniendiagramme sahen, wurden für die zweite Gruppe unterstützend DIR eingesetzt, die den Zusammenhang von Bewe­gungs­ablauf und Linien­diagramm veranschaulichen sollten. In beiden Gruppen war es den Probanden möglich, Fragen zu stellen und Hilfe von einem Tutor zu erhalten. Die Ergebnis­se zeigten auf, dass es den Schülern durch diese Maßnahme ermöglicht wurde, die DIR erfolgreich zum Wissens­er­werb einzusetzen und sig­nifikant besser abzuschneiden als die Teilnehmer in der Kon­troll­­gruppe. In einer weiteren Untersuchung wurde abschließend der Frage nachgegangen, ob DIR unter Anleitung eines Tutors eventuell bereits in der Unterstufe sinnvoll eingesetzt werden können. Ausgangspunkt dieser Überlegung war die Tatsache, dass mit der Einführung des neuen bayerischen G8-Lehrplans wesentliche Inhalte, die Bestand­teil der vorherigen Untersuchungen waren, aus dem Physik­unterricht der 11. Jgst. in die 7. Jahrgangsstufe verlegt wurden. So bot es sich an, mit den Inhalten auch die DIR in der Unterstufe ein­zusetzen. Die Un­tersuchungen einer quasiexperimentellen Feldstudie in zwei siebten Klassen belegten, dass die betrachte­ten Repräsentationen beim Aufbau entsprechender Kon­zepte keinesfalls hinderlich, sondern sogar förder­lich sein dürften. Denn die Schüler­gruppe, die mit Hilfe der DIR lernte, schnitt im direkten hypothesenprüfenden Vergleich mit der Kontrollklasse deutlich besser ab. Ein Kurztest, der die Nachhaltigkeit des Gelernten nach etwa einem Jahr überprüfen sollte, zeigte zudem auf, dass die Schüler der DIR-Gruppe die Konzepte, die unter Zuhilfenahme der DIR erarbeitet wurden, im Vergleich zu Schülern der Kontrollklasse und zu Schülern aus 11. Klassen insgesamt überraschend gut verstanden und behalten hatten. / For a long time the significance of quantitative interrelations for the acquisition of physics has been overestimated in physics education while qualitative interrelations have been considered of less importance. This has resulted in the students’ knowledge most often remaining superficial and not suited to be adapted to new situations. TIMSS and Pisa have revealed these difficulties, criticizing the conventional physics education for de­manding too little transfer achievements and not preparing students to solve physical problems on their own by thinking constructively. To be able to solve physical problems and interpret physical processes, qualitative-con­ceptual knowledge is vital. According to results of the latest research this can be achieved most efficiently by creating constructivist learning situations as well as inte­grating external representations of conclusions from experiments. A concrete way to reach these envisaged aims is the application of PC-assisted experiments, which can be put in practise without an exceeding technical effort. These experiments enable the stu­dents - by being directly confronted with a realistic process - to get insight into physical concepts and thus to understand qualitative interrelations. For a long time a basic learning efficiency of animated learning environments was as­sumed, more recent research, however, has rather pointed in the opposite direction. Ob­viously students must first learn how to work with multi-coded representations. This pa­per is intended to contribute to the exploration of the efficiency of the so-called dynamic-iconic representations (DIR), which visualize physical values against the background of concrete test procedures. For this purpose 110 students have covered 16 projects each within a DFG study, in which mechanical concepts (place, velocity, acceleration and force) are dealt with and developed further. As it turned out, students working with the dynamic-iconic represen­tations did not learn more efficiently than those working without the assistance of the dynamic-iconic representations. On the contrary: students with a less distinct visual-spa­tial ability did worse than their fellow-students, obviously due to the presentation of yet another encoding. On the other hand research by Blaschke has proven that such representations can be used constructively to gain knowledge especially by the inefficient students during the acquisition stages of a (newly-developed) teaching conception. Consequently, it seems that students must first receive some sort of assistance with handling novel forms of representation before being able to use them for getting to know about the further construction of physical models. An experimental study with partici­pants from tenth-grade high school classes has confirmed this assumption. Another study dealt with the question as to whether dynamic-iconic representations can already be applied expediently in the lower grade. It was performed because significant contents of the physics year 11 curriculum had been moved to year 7 with the introduc­tion of the new Bavarian G8 (eight-year high school) curriculum. Thus it seemed advis­able to apply the dynamic-iconic representations along with the contents in the lower grade. The research done in a quasi experimental field study has shown that the representations in question are by no means obstructive, but in parts conducive to the students’ ability to develop corresponding conceptions. This can be seen from the fact that the group of stu­dents learning with the assistance of dynamic-iconic representations did indeed con­siderably better than the ‘control group’. With its results this paper is supposed to contribute to a better understanding of the ap­plication of multimedia learning environments. The medium alone cannot induce mea­ningful learning processes – these processes must be well-structured and start as soon as possible, so that they can teach the students to deal with the different encodings sen­sibly. I am convinced that this is the only way the various possibilities our current IT age offers us with its multimedia worlds or multi-coded learning environments can be used efficiently.