Metallic glasses (MGs) are very attractive for structural applications due to their large elastic strain, high strength and hardness, resulting from their unique atomic structure. However, MGs are brittle. Preparing metallic glass–crystal composites (MGCCs) from parent glass through thermal treatment is a useful method to induce ductility and work hardening. Thus, besides the direct applications of as-prepared MGs, the glasses can be used as a starting material to be processed, for example, by thermoplastic forming or thermal treatment to design components with desired shape and/or properties. In this view, it is of high importance to know the phase- transformation mechanisms and kinetics upon heating MGs, especially for rapid heating, which has not been sufficiently studied yet. CuZrAl-based alloys, with near CuZr equimolar compositions, are suitable for producing MGCCs with improved plasticity owing to their good glass-forming ability and the formation of ductile B2 CuZr phase upon crystallization. However, the crystallization mechanism(s) and products have mainly been elucidated by extrapolating the available knowledge of the binary CuZr system. In the present work, a set of complementary techniques including resistive (Joule) heating, in situ high-energy synchrotron X-ray diffraction, conventional and ultrafast differential scanning calorimetry and containerless solidification during electromagnetic levitation is used to map the phase evolution ― crystallization and solid-state phase transformations ― in Cu₄₇.₅Zr₄₇.₅Al₅, Cu₄₇.₅Zr₄₈Al₄Co₀.₅ and Cu₄₆.₅Zr₄₈Al₄Nb₁.₅ MGs during isokinetic and isothermal annealing. The resistive heating devices, custom-built at the Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden – IFW Dresden, enable heating rates Φ to range from 10¹ up to 10⁵ K s⁻¹ in a vacuum. Using the obtained experimental data, continuous-heating-transformation (CHT) diagrams for a heating rate range exceeding six orders of magnitude, covering the entire supercooled liquid region, and time-temperature-transformation (TTT) diagrams are constructed. The transformation maps reveal the competition between the Cu₁₀Zr₇, B2 CuZr and τ4 (Cu₂ZrAl) phases during crystallization. The formation of the primary phase and transformation sequence depends on the MG composition as well as on the heating rate. The critical heating rate to bypass the crystallization increases from ~30 000 K s⁻¹ for Cu₄₇.₅Zr₄₇.₅Al₅ MG to ~40 000 K s⁻¹ for Cu₄₆.₅Zr₄₈Al₄Nb₁.₅ MG and to ~90 000 K s⁻¹ for Cu₄₇.₅Zr₄₈Al₄Co₀.₅ MG, reflecting their glass-forming ability. The optimum heating rate to obtain glass–crystal composites with the predominant and desired B2 CuZr phase is evaluated to be Φ > 1 000 K s⁻¹ for Cu₄₇.₅Zr₄₇.₅Al₅ MG, Φ > 1 500 K s⁻¹ for Cu₄₇.₅Zr₄₈Al₄Co₀.₅ MG, and Φ > 4 000 K s⁻¹ for Cu₄₆.₅Zr₄₈Al₄Nb₁.₅ MG. Cu₄₆.₅Zr₄₈Al₄Nb₁.₅ MG shows an increased propensity for the formation of brittle Cu₁₀Zr₇ intermetallic phase, compared to Cu₄₇.₅Zr₄₇.₅Al₅ and Cu₄₇.₅Zr₄₈Al₄Co₀.₅ MGs. The TTT diagram for the isothermal heating of Cu₄₆.₅Zr₄₈Al₄Nb₁.₅ shows an apparent double-nose shape which corresponds to the primary crystallization of Cu₁₀Zr₇ at lower temperatures and B2 CuZr at higher temperatures.

Optogenetics, a revolutionary technique that utilizes light-sensitive proteins called opsins to control neuronal activity, has transformed the field of neuroscience by providing unprecedented precision in the study of neural circuits and behavior. This thesis focuses on the application of optogenetics in Drosophila melanogaster research, aiming to advance our understanding of neural circuits and behavior through the development of adaptive light sources, and a set of homemade tools to simplify the design of optogenetic experiments, combining biology, engineering and computer science approaches. The first goal of this research was to find new, low-cost, and versatile ways to perform optogenetic experiments. This led us to the exploration and characterization of smartphone displays as light sources for optogenetic stimulation. By utilizing smartphone displays, the activation and inhibition of various cell types, including motoneurons, muscles, sensory neurons, and multidendritic neurons, were achieved in Drosophila larvae and flies. This approach expands the possibilities of optogenetic research, making it accessible for students and researchers to easily perform experiments with small animals, at high temporal and spatial resolution, or even the light and spectral requirements of novel light-sensitive proteins. To facilitate optogenetic experiments, software tools were developed to accurately quantify light spatial distribution and analyze larval behavior. Spatial light distribution simulations provided insights into the emitted light from displays aiding us in the planning and understanding of the experimental results, tailored for light emitted by displays, and based on physical measurements rather than on simple assumptions on light spreading. Furthermore, an automatic feature extraction tool enhanced the understanding of larval responses to light stimuli, capturing key behavioral events such as stops, sweeps, turns, and runs. This aids us in extracting a high number of behavioral characteristics, automatically, accurately and in less time compared to manual behavioral feature definition. The manipulation of complex light patterns using smartphone displays allowed us to design experiments for guiding larval movement. By integrating smartphone optogenetics, spatial light distribution simulations, and behavior feature extraction techniques, responses of larvae to different light profiles were elucidated, contributing to the understanding of larval behavior and its underlying mechanisms, particularly investigating the nociceptive adaptation of larvae in different gradients of light, showing similar adaptability in Drosophila larvae as in humans. Additionally, investigations into the control of larval feeding behavior using optogenetics shed light on the influence of non-neuronal cells, specifically the salivary glands, on feeding regulation. Manipulating these glands through optogenetic techniques resulted in significant changes in larval feeding behavior, emphasizing the need to consider the contribution of other organs alongside neural control when studying animal behavior, and demonstrating for the first time optogenetically driven cannibalism in larvae. Moreover, the integration of bicolored Organic LEDs (OLEDs) with bidirectional optogenetics opens new avenues for studying neural circuits and developing therapeutic interventions for neurological disorders. The precise control of larval motoneurons and locomotor systems using these AC/DC OLEDs holds promise for investigating the role of single neurons in complex behaviors and potentially restoring locomotion in patients with spinal cord injuries. This thesis contributes to the field of optogenetics by advancing the understanding of larval behavior and its modulation through light stimulation. The novel adaptive light sources, tools for analysis, and insights gained from the experiments provide a framework for further exploration of neural circuits and behavior in Drosophila melanogaster and other small animal models.

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung von Hochleistungsaktivkohlen mit definiert ausgeprägter Porenstruktur. Zunächst wurden Copolymere mit unterschiedlichem Vernetzungsgrad hinsichtlich ihrer Eignung zur Herstellung synthetischer Aktivkohlen im Labormaßstab untersucht. Die Rolle der Sulfonierungsparameter für die Aktivkohlequalität wird anhand ausgewählter Beispiele untersucht und dargestellt. Wichtig für die Realisierung der erforderlichen Prozessparameter ist die technische Umsetzung in einem geeigneten Reaktorsystem. Mit den im Pilotreaktor durchgeführten Sulfonierversuchen konnten die Gültigkeit des Scale-up bewiesen und die im Labormaßstab gefundenen Zusammenhänge übertragen werden.

Im Rahmen dieser Arbeit wird der Einfluss einer Gasdurchströmung auf die Fließeigenschaften von Schüttgutern beschrieben. Es wird ein dafür geeignetes Ringschergerät vorgestellt. Die Untersuchungen zeigten, dass eine Gasdurchströmung die Normalspannungen im Schüttgut beeinflussen. Dadurch verändern sich auch die Scherspannungen und damit die Fließkennwerte. Es wurde ein Modell entwickelt, das die Veränderung der Normalspannung beschreibt. Auf dieser Grundlage kann die Änderung der Fließkennwerte ermittelt werden. Das Modell kann auf verschiedene technische Apparaturen übertragen werden.

Es wurden neue unkonventionelle Wege zur Herstellung kostengünstiger Kohlenstoffkompositmembranen untersucht, welche in Spezialgebieten der Membrantechnik zur Filtration aggressiver Flüssigmedien hätten eingesetzt werden können. Als Ausgangsmaterialien kamen sowohl für den Trägerkörper und die Zwischenschicht als auch für die Trennschicht Cellulose bzw. cellulosehaltige Materialien zum Einsatz, deren Kohlenstoffausbeuten durch thermogravimetrische Analyse (TGA) bestimmt wurden. Zum Zwecke der Trennschichtpräparation wurden diese in geeigneten organischen Lösungsmitteln gelöst. Darüber hinaus wurden erstmals anorganische Salzhydratschmelzen sowie wäßrige Salz-Wasser-Systeme zum Aktivieren, Lösen oder Suspendieren der Cellulose eingesetzt. Das Aufbringen der Celluloselösungen auf dem Trägerkörper erfolgte durch Tauchen, Sprühen, Rakeln und Infiltration. Zur Charakterisierung der erhaltenen Membranen kamen vor allem die Raseterelektronenmikroskopie (REM) gekoppelt mit EDX und die Kapillarfluß-Porosimetrie (CFP) zum Einsatz.

In dieser Arbeit wird der Einfluss von höheren (bis 9 Ma.%) Eisenoxidgehalten auf die Struktur und Eigenschaften von zwei Typen der Silikatgläser untersucht. Die Aufklärung der Struktur erfolgte durch den Einsatz der Mössbauer- und der Lichtspektroskopie. Es konnte gezeigt werden, dass Eisen unabhängig von der Wertigkeit in Alkali- Erdalkali-Silikatgläsern bei oxidierenden Bedingungen in tetraedrischer Koordination vorliegt, während unter reduzierenden Bedingungen die oktaedrische Koordination bevorzugt wird. Bei Alumosilikatgläsern liegt Fe2+ stets 6 fach-koordiniert vor, während Fe3+ die Koordination von 4 zu 6 ändert. Auf Grund ihrer Bedeutung für die Schmelze und Verarbeitung der Gläser wurden die Viskosität in zwei Bereichen, der Transformations- und Einsinkpunkttemperatur, die Wärmedehnung, die Mikrohärte, die Dichte, die Kristallisation und die elektrische Leitfähigkeit der Schmelze näher untersucht. Mit Hilfe der Strukturuntersuchungen konnte die Änderung erklärt werden.

Die Kuchenfiltration wird in der Literatur oft als Oberflächenfiltration eingestuft, obwohl Tiefenfiltrationseffekte vorhanden sind. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Einflussfaktoren auf die Kieselgur-Kuchenfiltration von Bier im allgemeinen und auf den Tiefenfiltrationsanteil im speziellen untersucht. Zunächst wird festgestellt, dass man die schlechte Filtrierbarkeit von bestimmten Bieren auf das Vorhandensein erheblicher Mengen von Trubstoffen < 2 µm zurückführen kann. Deshalb wird die Abtrennung dieser Trubstoffe getrennt von jenen > 2 µm bewertet. Die Bierfiltration beruht zu großen Teilen auf mechanischen Vorgängen. Feine Trubstoffe werden bevorzugt in der Filterschichttiefe abgetrennt, gröbere Partikeln eher am Schichteintritt. Aufgrund der Versuchsergebnisse wird eine Modellvorstellung zum Abtrennungsverhalten und ein einfaches Rechenmodell zur Optimierung der eingesetzten Filterhilfsmittelkonzentration vorgestellt.

In kontinuierlichen Gärversuchen für unterschiedliche nachwachsende Rohstoffe in Mono- und Cofermentation wurden die Grenzen der Prozessstabilität ermittelt. Als Kennwert für die Optimierung und den direkten Vergleich der Gärversuche ist nur die Methangasproduktion in m3 Methan/(m3 Fermentervolumen* d) geeignet. In der Cofermentation der nachwachsenden Rohstoffe mit Rindergülle konnten Synergieeffekte nachgewiesen werden, die zu einem verbesserten anaeroben Abbau der Biomasse führten. Die Anwendung des zweistufigen Verfahrens auf die Vergärung von Gerstenkörnern führte zu keiner Verbesserung der Prozessstabilität und der Methangasproduktion. Die Vorausberechnung der Methangasausbeute mit Hilfe des Futterwertes führte nur zu einer qualitativen Vergleichbarkeit unterschiedlicher Substratklassen und gab nicht die tatsächliche Methangasausbeute im Vergärungsversuch wieder.

Ziel der Arbeit ist die Beschreibung des Membranverhaltens bzw. der Membraneigenschaften bei der Regeneration von Extraktionsmitteln der Metallextraktion durch Trennung von beladenen und unbeladenen Extraktionsmitteln mittels Ultrafiltration. Dazu wurden die Trennleistungen als Funktion von Druck, Temperatur und Solventzusammensetzung für verschiedene Membranmaterialien und -typen untersucht. Anhand von Sorptionsversuchen konnte die Löslichkeit der Komponenten der organischen Phase in den verschiedenen Polymermatrizen von Membranen aus regenerierter Cellulose bzw. Polyethersulfon und die adsorptive Gelschichtbildung als Funktion der Solventzusammensetzung, der Temperatur und des Membranmaterials aufgezeigt werden. Der Einfluss der Sorption, des Quellens und Kompaktierens auf das Materialverhalten konnte mittels einer Hochdruckmikrowaage und eines Laserscanner-Messstandes ermittelt werden. Die durch Veresterung und Wasserstoffbrückenbindung entstehende Gelschicht auf der Membranoberfläche, die letztendlich für die Rückgewinnung von unbeladenem Extraktionsmittel ausschlaggebend ist, kann mit Hilfe der Röntgenphotoelektronenspektroskopie, Rasterelektronen- und Rasterkraftmikroskopie nachgewiesen werden.

Kieserit ist neben Sylvin und Halit ein Hauptbestandteil des als Hartsalz bezeichneten Salzgesteines der deutschen Salzlagerstätten. In neuerer Zeit gewinnt der Kieserit (Magnesiumsulfat-monohydrat) zunehmende Bedeutung als schnell wirkender Magnesiumdünger zur Sulfat-Versorgung schwefelarmer Böden. Zur Überführung des Kieserits in hochwertiges Granulat ist die in der Kaliindustrie dominierende Kompaktier-Zerkleinerungs-Technologie nicht geeignet. Bei diesem Verfahren wird das Düngemittel durch Hochdruckverdichtung (p > 150 MPa) ohne Bindemittel verpresst. Es konnte durch umfangreiche Versuche nachgewiesen werden, dass 1. die Kompaktier-Zerkleinerungs-Technologie erst dann geeignet ist, wenn die Prozessbedingungen stark verändert werden. 2. besonders hochwertige Granulate dann entstehen, wenn der Kieserit mit Gleitmitteln in Flachmatrizen-Pelletpressen geformt und verdichtet sowie nachfolgend auf w ≤ 2 % getrocknet wird. Es wurde eine große Anzahl an Gleitmitteln erfolgreich getestet. Durch Reaktion zwischen Gleitmittel und Kieserit bei der Trocknung entstehen besonders hochwertige Granulate.