Ziel der Arbeit ist es, die instationären zeitlichen und räumlichen Bewegungsabläufe stark deformierbarer eindimensionaler Kontinua durch ein allgemeines mechanisch-mathematisches Modell unter Berücksichtigung ihrer Biege- und Torsionssteifigkeit zu beschreiben und zu dessen Lösung geeignete numerische Verfahren zu testen und auszuwählen. Die entwickelten Algorithmen werden auf Aufgabenstellungen aus der Raumfahrt-, Meeres- und Textiltechnik angewendet. / It is the aim of this thesis to describe the instationary motion of flexible one-dimensional continua by a general mechanical-mathematical model, when bending and torsional stiffness is not negligible, and to test and select appropriate numerical solution methods. The developed algorithms are used to solve problems from space, marine and textil engineering.

Modern product development is a highly complex process characterized by a pronounced interdisciplinary cooperation. Interdisciplinary cooperation accompanied with firm strategic and integrating concep ts leads to innovation potentials in context of cooperative product engineering. The phrase "Mechatronics" represents exactly these novel methodological concepts in the developing process of innova tive products with highly innovative functionality and structure. The concept Mechatronics has been exemplary proven successfully in high-tech sectors. A glance at the automobile or high speed train technology gives an impressive and pursuing figure of the far reach ing Mechatronics philosophy. SME in general have not enough research and development resources to their disposal in order to comply with the ever increasing market demands. Ways out of this dilemma are strategic alliances on one hand and the education of young "Mechatronicans" at universities on the other hand. ISOM 2002 aims to contribute by inviting SME representatives and students from universities and supplementary instit utions in Saxony. The key words of Mechatronics are sensors and actuators, integrated control strategies, modeling and simulation, effective design, safety and reliability. The symposium focuses on state-of-the-art in Mechatronics, especially regarding to controlled high precision systems and particularly to novel electromechanical driving systems. It will point toward future research directions in these subjects. ISOM 2002 is intended as a forum for those engineers and researchers from universities and industry in and outside Europe who actively participate in the young field of Mechatronics and uphold the old spirit of exchanging theoretical and practical results within the scientific community. / Die moderne industrielle Produktentwicklung ist ein hochkomplexer Prozess, der gekennzeichnet ist durch eine stark ausgeprägte interdisziplinäre Arbeit. Diese Interdisziplinarität gepaart mit fundiert en Strategie- und Integrationskonzepten führt zu erheblichen Innovationspotentialen im kooperativen Produkt-Engineering. Das Kunstwort Mechatronik steht genau für dieses neuartige methodologische Konz ept im Entwicklungsprozess innovativer Produkte mit einem hohen Integrationsgrad von Funktionalität und Struktur. Die Industrie hat in vielen High-Tech-Bereichen das Konzept Mechatronik beispielhaft realisiert. Ein Blick auf die Automobil- und Hochgeschwindigkeitszugtechnik zeigt in eindrucksvoller Weise die Tr agfähigkeit der Mechatronik-Philosophie. KMU verfügen oft nicht über das erforderliche FuE-Personal und die entsprechenden materiellen Ressourcen, um das enorme Entwicklungstempo mitzugehen. Wege zur Überwindung dieser Defizite sind strategi sche Allianzen und eine gezielte Ausbildung von Mechatronikern an Hoch- und Fachschulen. Auch hierzu soll das Symposium einen Beitrag leisten, indem insbesondere Vertreter von KMU und Studenten der ga stgebenden Universität sowie anderer Hochschuleinrichtungen Sachsens eingeladen wurden. Zu den Schlüsselworten in der Mechatronik gehören Sensoren und Aktoren, integrierte Steuerstrategien, Modellierung und Simulation, effektiver Entwurf, Sicherheit und Zuverlässigkeit. Der derzeitige Sta nd der Mechatronikforschung, vor allem mit Blick auf hochgenaue, gesteuerte mechatronische Systeme und insbesondere neuartige integrierte elektromechanische Antriebssysteme, soll im Mittelpunkt dieses Symposiums stehen. Auch zukünftige Forschungsaufgaben für die Grundlagen- und anwendungsorientierte Forschung in den genannten Themenbereichen sollen aufgezeigt werden. Das Symposium versteht sich als Treffpunkt für diejenigen Forscher und Entwickler, die in Europa an Hochschulen ebenso wie in der Industrie auf diesem Gebiet aktiv sind und sich auf einen Austausch th eoretischer, experimenteller und anwendungsspezifischer Erfahrungen, die bei der wissenschaftlichen Arbeit auf dem noch jungen Gebiet der Mechatronik erlangt wurden, freuen.

Diese Arbeit befasst sich mit Hochleistungsdioden aus den Halbleitermaterialen Silizium und Siliziumkarbid. Analysiert werden die statischen und dynamischen Schalteigenschaften. Bei den SiC-Bauelementen handelt es sich um unipolare Schottky-Dioden und bei den Silizium-Dioden um bipolare pin-Dioden. Bei den SiC-Schottky-Dioden liegt der Schwerpunkt auf der Analyse des statischen Durchbruchverhaltens von Randstrukturen und auf der Untersuchung der Selbsterwärmung bei Einzel- und Mehrpulsbelastung. Bei den bipolaren Silizium-Dioden wird das Durchbruchverhalten bei niedrigen und hohen Stromdichten untersucht. Aus den Sperrcharakteristiken, die positiv und negativ differentielle Widerstandsäste aufweisen, lassen sich Schlussfolgerungen auf das dynamische Verhalten ziehen. Das Abschaltverhalten (reverse recovery) der mit Plasma überschwemmten Bauelemente wird zuerst im Hinblick auf den Einfluss von Strukturparametern untersucht, um die prinzipiellen Einflussgrößen zu erläutern. Dann folgen die Ergebnisse zur Filamentbildung, die bei den hohen Belastungen der Bauelemente während des Kommutierungsprozesses auftreten können. Die auftretenden Filamentstrukturen werden analysiert und - soweit möglich - Einflussgrößen herausgearbeitet. Schließlich wird noch auf den Einfluss von Randstrukturen auf das Filamentierungsverhalten, die als Inhomogenität in jedem Bauelement vorhanden sind, eingegangen.

Understanding the connection of the atomic structure and the physical properties of materials remains one of the elementary questions of condensed-matter physics. One research line in this quest started with the discovery of quasicrystals by Shechtman et al. in 1982. It soon became clear that these materials with their 5-, 8-, 10- or 12-fold rotational symmetries, which are forbidden according to classical crystallography, can be described in terms of mathematical models for nonperiodic tilings of a plane proposed by Penrose and Ammann in the 1970s. Due to the missing translational symmetry of quasicrystals, till today only finite, relatively small systems or periodic approximants have been investigated by means of numerical calculations and theoretical results have mainly been obtained for one-dimensional systems. In this thesis we study d-dimensional quasiperiodic models, so-called labyrinth tilings, with separable Hamiltonians in the tight-binding approach. This method paves the way to study higher-dimensional, quantum mechanical solutions, which can be directly derived from the one-dimensional results. This allows the investigation of very large systems in two and three dimensions with up to 10^10 sites. In particular, we contemplate the class of metallic-mean sequences. Based on this model we focus on the electronic properties of quasicrystals with a special interest on the connection of the spectral and dynamical properties of the Hamiltonian. Hence, we investigate the characteristics of the eigenstates and wave functions and compare these with the wave-packet dynamics in the labyrinth tilings by numerical calculations and by a renormalization group approach in connection with perturbation theory. It turns out that many properties show a qualitatively similar behavior in different dimensions or are even independent of the dimension as e.g. the scaling behavior of the participation numbers and the mean square displacement of a wave packet. Further, we show that the structure of the labyrinth tilings and their transport properties are connected and obtain that certain moments of the spectral dimensions are related to the wave-packet dynamics. Besides this also the photonic properties are studied for one-dimensional quasiperiodic multilayer systems for oblique incidence of light, and we show that the characteristics of the transmission bands are related to the quasiperiodic structure. / Eine der elementaren Fragen der Physik kondensierter Materie beschäftigt sich mit dem Zusammenhang zwischen der atomaren Struktur und den physikalischen Eigenschaften von Materialien. Eine Forschungslinie in diesem Kontext begann mit der Entdeckung der Quasikristalle durch Shechtman et al. 1982. Es stellte sich bald heraus, dass diese Materialien mit ihren laut der klassischen Kristallographie verbotenen 5-, 8-, 10- oder 12-zähligen Rotationssymmetrien durch mathematische Modelle für die aperiodische Pflasterung der Ebene beschrieben werden können, die durch Penrose und Ammann in den 1970er Jahren vorgeschlagen wurden. Aufgrund der fehlenden Translationssymmetrie in Quasikristallen sind bis heute nur endliche, relativ kleine Systeme oder periodische Approximanten durch numerische Berechnungen untersucht worden und theoretische Ergebnisse wurden hauptsächlich für eindimensionale Systeme gewonnen. In dieser Arbeit werden d-dimensionale quasiperiodische Modelle, sogenannte Labyrinth-Pflasterungen, mit separablem Hamilton-Operator im Modell starker Bindung betrachtet. Diese Methode erlaubt es, quantenmechanische Lösungen in höheren Dimensionen direkt aus den eindimensionalen Ergebnissen abzuleiten und ermöglicht somit die Untersuchung von sehr großen Systemen in zwei und drei Dimensionen mit bis zu 10^10 Gitterpunkten. Insbesondere betrachten wir dabei quasiperiodische Folgen mit metallischem Schnitt. Basierend auf diesem Modell befassen wir uns im Speziellen mit den elektronischen Eigenschaften der Quasikristalle im Hinblick auf die Verbindung der spektralen und dynamischen Eigenschaften des Hamilton-Operators. Hierfür untersuchen wir die Eigenschaften der Eigenzustände und Wellenfunktionen und vergleichen diese mit der Dynamik von Wellenpaketen in den Labyrinth-Pflasterungen basierend auf numerischen Berechnungen und einem Renormierungsgruppen-Ansatz in Verbindung mit Störungstheorie. Dabei stellt sich heraus, dass viele Eigenschaften wie etwa das Skalenverhalten der Partizipationszahlen und der mittleren quadratischen Abweichung eines Wellenpakets für verschiedene Dimensionen ein qualitativ gleiches Verhalten zeigen oder sogar unabhängig von der Dimension sind. Zudem zeigen wir, dass die Struktur der Labyrinth-Pflasterungen und deren Transporteigenschaften sowie bestimmte Momente der spektralen Dimensionen und die Dynamik der Wellenpakete in Beziehung zueinander stehen. Darüber hinaus werden auch die photonischen Eigenschaften für eindimensionale quasiperiodische Mehrschichtsysteme für beliebige Einfallswinkel untersucht und der Verlauf der Transmissionsbänder mit der quasiperiodischen Struktur in Zusammenhang gebracht.

Es wurden verschiedene NMR-spektrokopische Messungen an flexiblen und chiralen MOFs durchgeführt. Zur Untersuchung der Porensysteme kamen 129Xe-NMR und 13C-NMR an adsorbiertem CO2 zum Einsatz, während die MOF-Gitter und ihre Wechselwirkungen mit adsorbierten Gastmolekülen mittels 13C- und 1H-MAS-NMR-Spektroskopie studiert wurden. Während DUT-8(Ni) Flexibilität zeigt, weist DUT-8(Cu) ein starres Gitter auf. Die Flexibilität der sogenannten Solid-Solutions hängt in ausgeprägter Weise vom Verhältnis der funktionalisierten bdc-Linker 2,5-bme-bdc und db-bdc ab. Dieses Verhältnis hat zudem einen großen Einfluss auf die Orientierung der adsorbierten CO2-Moleküle. Es wurde erstmals eine Methode vorgestellt, die den Festkörper-NMR-spektroskopischen Nachweis chiraler Seitengruppen in chiralen MOFs erlaubt, wie anhand des chiral modifizierten UMCM-1 (ChirUMCM-1) demonstriert wurde. Die Chiralität kann einen NMR-spektroskopisch messbaren Einfluss auf die intrinsische Dynamik des MOF-Gitters ausüben, wie am chiral modifizierten DUT-32 deutlich wurde, dessen chirale Seitengruppe selektiv 15N- und 13C-isotopenmarkiert wurde.

The Western Mediterranean realm is considered as a region highly sensitive with regard to climate changes and landscape transformations. Within its semi arid and semi humid areas, even slight climatic changes but also human interventions may result in far-reaching consequences in respect of environment and ecological systems. Thus, research on landscape development has a high relevance in geosciences, especially in the light of current climate change research. It is a major concern to reveal regularities and patterns in past landscape evolution in order to provide a basis for the assessment of future developments. For the reconstruction of late Quaternary environmental conditions fluvial sediments play an important role as they almost uniquely reflect landscapes and landscape changes on a regional scale. This is due to the fact that fluvial dynamics and all enclosed processes are based on multi-causal relationships and a variety of factors like climatic conditions, vegetation development, human impact, or tectonic activity finds expression in fluvial dynamics. About 70 % of the Iberian Peninsula is influenced by moist Atlantic air masses, but in the whole area there is a considerable research gap concerning the exploration of fluvial archives. Taking this into account, this dissertation aims to systematically work out fluvial sediment successions of two river systems, namely the Jarama River in central Spain and the Guadalete River in southwestern Spain. For complementary considerations, first stratigraphic results from the middle to lower Guadalquivir River in southern Spain will be consulted. In a first step, the objective is to intensively study and document sediment profiles for the purpose of deriving a valuable composite profile for each river system. In a second step, the significance of these composite profiles regarding palaeoenvironmental conditions as well as changes will be examined. Beside the reaction of fluvial systems towards climatic changes, relationships with other influencing factors are a main issue. On the basis of a supra-regional comparison a possible coupling of fluvial geomorphic systems and large-scale climate fluctuations shall be analyzed. Furthermore, it is intended to address issues like system connectivity or varying response times and response durations. The bases for these considerations are abundant sedimentary profile records supported by electrical resistivity tomography and percussion drillings. Stratigraphic work includes the differentiation of sediment units, the identification of soil horizons, and the correlation of specific layers and horizons across different profile sections based on sedimentologic and pedogenetic characteristics. Subsequent soil-chemical and sedimentological laboratory analyses on certain key-profiles imply grain-size analyses, the measurement of organic carbon content, calcium carbonate content, pedogenic and total iron contents, as well as magnetic susceptibility. Laboratory analyses are used to strengthen results of field work and to differentiate between soils and soil sediments in ambiguous cases. The chronological resolution of the sediment successions will be provided by radiocarbon dating. The final aim is to work out a detailed fluvial sedimentation history for the late Quaternary. The precise characterization of the catchment areas, together with a comparison of the stratigraphic findings and secondary archive information from the literature, will enable the identification of relationships between fluvial dynamics and different influencing factors. In this dissertation, 36 profile sections have been worked out intensively. Furthermore, 13 percussion drillings were conducted in floodplain positions with insufficient exposure conditions. For the chronological frame 70 radiocarbon samples have been dated. The obtained results show a significant pattern of sedimentation periods and phases of stability associated with soil formation for each river system. The sedimentation history of the Guadalete and Guadalquivir Rivers could be reconstructed for the last 15 ka, while conclusions with regard to sedimentation dynamics of the Jarama River could be drawn for a period of 43 ka. Thanks to an abundance of available studies on other terrestrial archives with climatic or environmental relevance, it was possible to assess the influence of different parameters such as climate, vegetation, humankind, tectonics, and base-level changes on fluvial sedimentation dynamics. It emerged that, first and foremost, rapid climate changes had significant impact on the mobilization of sediments in the catchment area as well as their deposition in floodplain positions. On the other hand prolonged periods of climatic amelioration caused floodplain stability along with soil formation, as documented for the time spans between 13.3 and 12.7 ka, 7 and 5.1 ka, 2.8 and 2.3 ka, 1.4 and 1.2 ka, as well as 0.8 and 0.5 ka cal. BP in several river systems. Periods of increased sedimentation were initiated by phases of climatic aridification that affected fluvial systems through the weakening of the vegetation cover and the accentuation of the hydrological discharge regime. Corresponding patterns have been found for the time intervals between 8 and 7 ka, 5 and 3.8 ka, 2.2 and 1.5 ka, as well as around 1 ka and 0.4 ka cal. BP. The supra-regional effectiveness of the factor climate is contrasted by a strong regional individuality of the river catchments that is expressed by further, regionally limited phases of fluvial activity. Crucial to this development – apart from regional climate differences – are, inter alia, tectonic movements as evidenced for the Jarama River system in central Spain, or late Pleistocene and Holocene sea-level fluctuations that primarily affected fluvial dynamics along the lower course of the Guadalete River in southwestern Spain. Furthermore, it can be shown that variations in time and duration of fluvial system response are attributable to differing buffer capacities of river catchments towards external influences. The increase of human impact during the late Holocene apparently provoked a reinforcement of the effects of climatic impulses. There are clear evidences for the participation of humans in the mobilization of sediments; however, concerning the degree of influence it is hardly possible to differentiate between the factors humans and climate.:1 Introduction 1.1 Relevance of fluvial records in the context of climate change and landscape evolution in the Western Mediterranean 1.2 Environmental significance of fluvial deposits 1.3 Objectives and methodological approach 2 Late Quaternary fluvial dynamics of the Jarama River 2.1 Introduction 2.2 Study area 2.2.1 Geological and tectonic background 2.2.2 Geomorphological setting of the Jarama valley 2.3 Methods 2.4 Fluvial architecture and characteristics of the sedimentary units 2.4.1 Sequence 1 – Late Pleistocene 2.4.2 Sequence 2 – Early to Mid-Holocene 2.4.3 Sequence 3 – Mid-Holocene to Roman period 2.4.4 Sequence 4 – Little Ice Age 2.5 Interpretation - Stages of floodplain development 2.5.1 Extensive aggradations during Marine Isotope Stage (MIS) 3 2.5.2 Increased fluvial activity in the course of the Last Glacial Maximum (LGM) 2.5.3 Sand deposits (Unit 3) at the end of MIS 2 2.5.4 Younger Dryas and Early to Mid-Holocene sedimentation 2.5.5 Mid-Holocene warm period and climatic collapse 2.5.6 Highly dynamic floodplain aggradations and 3.0 ka-aridity crisis 2.5.7 Extensive sand deposition at 2.8 ka BP and following floodplain stability 2.5.8 Flood loam accumulation during the Roman epoch 2.5.9 Alternating flood loam accumulation and soil formation during the Medieval period 2.5.10 Accentuated fluvial dynamics during the Little Ice Age and recent flooding 2.6 Human influence versus climatic control factors 2.7 Significance of fluvial records in a spatial context 2.8 Conclusion 3 Late Pleistocene and Holocene fluvial dynamics of the lower Guadalete River 3.1 Introduction 3.2 Study area 3.3 Methods 3.4 Stratigraphic findings and sedimentation patterns within the Guadalete valley 3.4.1 Upper downstream section 3.4.1.1 Late Pleistocene sediments 3.4.1.2 Mid-Holocene sediments (5000 - 2000 cal. a BP) 3.4.1.3 Late Holocene sediments (<2000 cal. a BP) 3.4.1.4 Composite profile 3.4.2 Lower downstream section close to the estuary 3.4.2.1 Early Holocene sediments (~10000 - 8000 cal. a BP) 3.4.2.2 Mid- to late-Holocene sediments (<8000 cal. a BP) 3.5 Interpretation – Floodplain evolution and the influencing factors 3.5.1 Stages of floodplain evolution 3.5.1.1 Late Pleistocene dynamics (SU-1 to SU-3) 3.5.1.2 Early Holocene dynamics (SU-4 to SU-7) 3.5.1.3 Mid-Holocene dynamics (SU-8) 3.5.1.4 Mid-Holocene aridity collapse (SU-9a to SU-9c) 3.5.1.5 Late Holocene dynamics (SU-10 to SU-12) 3.5.1.6 Increased dynamics during the Little Ice Age (LIA) (SU-13a to SU-14) 3.6 Conclusion 4 Western Mediterranean environmental changes 4.1 Introduction 4.2 Study area 4.2.1 Jarama River 4.2.2 Guadalete River 4.2.3 Guadalquivir River 4.3 Methods 4.4 Results 4.4.1 Stratigraphic findings of the Jarama River 4.4.1.1 Fluvial architecture 4.4.1.2 Sedimentation patterns 4.4.1.3 Periods of soil formation 4.4.2 Stratigraphic findings of the Guadalete River 4.4.2.1 Fluvial architecture 4.4.2.2 Sedimentation patterns 4.4.2.3 Periods of soil formation 4.4.3 Stratigraphic findings of the Guadalquivir River 4.4.3.1 Fluvial architecture 4.4.3.2 Sedimentation patterns 4.4.3.3 Periods of soil formation 4.5 Discussion 4.5.1 General view of fluvial architectural patterns as basis for interpretations 4.5.2 Fluvial dynamic patterns and possible forcing mechanisms 4.5.3 The role of climate in triggering fluvial dynamics 4.5.4 Supra regional comparison of examined floodplain records 4.5.5 Variability of fluvial dynamics: A matter of sensitivity? 4.5.6 Large-scale consideration of Western Mediterranean fluvial records 4.5.7 Interrelations between North Atlantic sea surface temperature and landscape dynamics on the Iberian Peninsula 4.5.8 Landscape dynamics and corresponding atmospheric conditions 4.6 Conclusion Acknowledgements References 5 Synthesis 5.1 General architectural patterns of examined river floodplains in Spain 5.2 Assessment of influencing factors and their relevance for fluvial dynamics 5.3 Interpretations in terms of palaeo-environmental conditions 5.4 Comparative consideration of the various study areas 5.5 Climate change and implications for fluvial system behavior 5.6 Outlook References / Der westliche Mediterranraum gilt als landschaftlich und klimatisch hochsensible Region, für deren semiaride bis semihumide Gebiete bereits kleinere klimatische Änderungen, aber auch Eingriffe des Menschen, mit weitreichenden Folgen für Umwelt und ökologische Systeme verbunden sein können. Forschungen zum Landschaftswandel nehmen hier vor allem vor dem Hintergrund des derzeitigen Klimawandels einen hohen Stellenwert in den Geowissenschaften ein. Ein wichtiges Anliegen ist dabei, in früheren Landschaftswandeln Muster zu entdecken, welche als Grundlage für Bewertungen zukünftiger Veränderungen dienen können. Für die Rekonstruktion spätquartärer Umweltbedingungen kommt fluvialen Sedimenten eine besondere Rolle zu. Wie kein anderes Archiv spiegeln fluviale Sedimentabfolgen Landschaftszustände und -entwicklung auf regionaler Ebene wieder. Dies ist dem Umstand geschuldet, dass fluviale Dynamik mit allen inbegriffenen Prozessen auf polykausalen Zusammenhängen beruht und somit eine Vielzahl an Faktoren, wie klimatische Verhältnisse und Vegetationsentwicklung, menschliche Einflussnahme oder tektonische Aktivität Ausdruck in fluvialer Dynamik finden. Von feuchten atlantischen Luftmassen geprägte Gebiete nehmen etwa 70 % der Fläche der Iberischen Halbinsel ein, allerdings besteht hier eine erhebliche Forschungslücke im Bereich der Analyse fluvialer Archive. Diesem Umstand soll in vorliegender Dissertation in Form einer systematischen Aufarbeitung der fluvialen Sedimentabfolgen zweier Flusssysteme in Zentralspanien (Rio Jarama), sowie in SW-Spanien (Rio Guadalete) Rechnung getragen werden. Für ergänzende Betrachtungen werden dabei erste Befunde zur stratigraphischen Gliederung des Guadalquivir-Mittellaufes in S-Spanien herangezogen. Ziel der Arbeiten ist es zunächst über umfangreiche Aufnahmen und Dokumentationen von Sedimentprofilen ein belastbares Standardprofil für jedes Flusssystem zu erarbeiten und dieses hinsichtlich der Aussagekraft in Bezug auf Paläoumweltbedingungen und vor allem -wandeln zu prüfen. Neben der möglichen Reaktion fluvialer Systeme auf klimatische Änderungen, stehen dabei vor allem auch Beziehungsgeflechte zu anderen Einflussfaktoren im Vordergrund. Anhand eines überregionalen Vergleichs soll eine mögliche Kopplung fluvialmorphologischer Systeme an großräumige Klimafluktuationen untersucht werden, zudem soll weiteren Themenkomplexen, wie der Konnektivität verschiedener Systeme oder unterschiedlichen Reaktionszeiten und -geschwindigkeiten nachgegangen werden. Grundlage für diese Betrachtungen bilden dabei aus zahlreichen Geländeaufnahmen resultierende Profilaufnahmen, sowie Ergebnisse geoelektrischer Messungen und Bohrsondierungen. Stratigraphische Arbeiten belaufen sich zunächst auf die Untergliederung verschiedener Sedimenteinheiten, die Ausweisung von Bodenhorizonten, sowie die Korrelation einzelner Schichten und Horizonte über unterschiedliche Profile hinweg anhand charakteristischer sedimentologischer und pedogenetischer Merkmale. Nachfolgende bodenchemische und sedimentologische Laboruntersuchungen an ausgewählten Profilen sollen über die Bestimmung von Korngrößenverhältnissen, Gehalten an organischem Kohlenstoff, Kalk- und Eisengehalten, sowie der magnetischen Suszeptibilität die Geländebefunde stützen und in unklaren Fällen eine Unterscheidung von Böden und Bodensedimenten erleichtern. Die zeitliche Auflösung der Sedimentabfolgen soll über Radiokarbondatierungen realisiert werden, mit dem letztendlichen Ziel, eine detaillierte fluviale Sedimentationsgeschichte für das Spätquartär zu erarbeiten. In einem weiteren Schritt werden begleitend zu einer detaillierten Einzugsgebietscharakteristik die chronostratigraphischen Befunde einem intensiven Vergleich mit in der Literatur verfügbaren Studien an Sekundärarchiven zugeführt, um Beziehungsgeflechte zwischen fluvialer Dynamik und verschiedenen Einflussfaktoren aufzudecken. Im Rahmen dieser Dissertation konnten zunächst 36 Profilaufschlüsse detailliert bearbeitet und zudem 13 Rammkernsondierungen in Flussauenpositionen abgeteuft werden. Für den chronologischen Rahmen wurden 70 Radiokohlenstoffproben datiert. Die Ergebnisse zeigen ein deutliches Muster von Sedimentationsphasen und Zeiten der Stabilität mit einhergehender Bodenbildung für jedes Flusseinzugsgebiet. Dabei konnte die Sedimentationsgeschichte der Flusssysteme Rio Guadalete und Rio Guadalquivir für die letzten 15.000 Jahre und des Rio Jarama für die letzten 43 ka rekonstruiert werden. Dank der Fülle an verfügbaren Studien an terrestrischen Vergleichsarchiven mit klima- und umweltrelevantem Bezug war es möglich, den Einfluss der unterschiedlichen Parameter Klima, Vegetation, Mensch und Tektonik, bzw. Erosionsbasis auf die fluviale Sedimentationsdynamik zu prüfen. So zeigte sich, dass vor allem rasche Klimaänderungen in der Lage waren die Mobilisierung von Sedimenten im Einzugsgebiet und deren Ablagerung in den Flussauen zu initiieren. Dahingegen bewirkten anhaltende klimatische Gunstphasen eine Stabilisierung mit einhergehender Bodenbildung, wie für die Zeiträume zwischen 13.3 und 12.7 ka, 7 und 5.1 ka, 2.8 und 2.3 ka, 1.4 und 1.2 ka, sowie 0.8 und 0.5 ka cal. BP für sämtliche Flusssysteme zu verzeichnen ist. Perioden verstärkter Sedimentation folgten in der Regel Phasen klimatischer Aridifizierung, welche über eine Schwächung der Vegetationsbedeckung und Akzentuierung des hydrologischen Abflussregimes in der Lage waren auf das fluviale System Einfluss zu nehmen. Entsprechende Muster konnten für die Zeiträume zwischen 8 und 7 ka, 5 und 3.8 ka, 2.2 und 1.5 ka, sowie um 1 ka als auch 0.4 ka cal. BP dokumentiert werden. Dem überregional wirksamen Einfluss des Faktors Klima steht jedoch eine starke landschaftsgeschichtliche Individualität der verschiedenen Regionen gegenüber, welche in weiteren, regional begrenzten Phasen fluvialer Aktivität zum Ausdruck kommt. Ausschlaggebend sind hier neben der Ausbildung regionaler Klimaunterschiede unter Anderem tektonische Verstellungen, welche für das in Zentralspanien gelegene System des Rio Jarama belegt werden konnten, oder spätpleistozäne und holozäne Meeresspiegelschwankungen, welche sich vor allem auf die fluviale Dynamik im Unterlauf des in SW-Spanien gelegenen Rio Guadalete auswirkten. Desweiteren können Unterschiede in Reaktionsdauer und -geschwindigkeit fluvialer Systeme mit variierendem Puffervermögen der Flusseinzugsgebiete gegenüber äußeren Einflüssen erklärt werden. Das intensivierte Wirken des Menschen im Spätholozän führte allem Anschein nach zu einer Verstärkung der Wirkung klimatischer Impulse, wobei sich klare Evidenzen für eine Beteiligung des Menschen an der Sedimentmobilisierung erkennen lassen, der Umfang des Einflusses des Menschen aber in der Regel nicht klar von dem des Klimas zu trennen ist.:1 Introduction 1.1 Relevance of fluvial records in the context of climate change and landscape evolution in the Western Mediterranean 1.2 Environmental significance of fluvial deposits 1.3 Objectives and methodological approach 2 Late Quaternary fluvial dynamics of the Jarama River 2.1 Introduction 2.2 Study area 2.2.1 Geological and tectonic background 2.2.2 Geomorphological setting of the Jarama valley 2.3 Methods 2.4 Fluvial architecture and characteristics of the sedimentary units 2.4.1 Sequence 1 – Late Pleistocene 2.4.2 Sequence 2 – Early to Mid-Holocene 2.4.3 Sequence 3 – Mid-Holocene to Roman period 2.4.4 Sequence 4 – Little Ice Age 2.5 Interpretation - Stages of floodplain development 2.5.1 Extensive aggradations during Marine Isotope Stage (MIS) 3 2.5.2 Increased fluvial activity in the course of the Last Glacial Maximum (LGM) 2.5.3 Sand deposits (Unit 3) at the end of MIS 2 2.5.4 Younger Dryas and Early to Mid-Holocene sedimentation 2.5.5 Mid-Holocene warm period and climatic collapse 2.5.6 Highly dynamic floodplain aggradations and 3.0 ka-aridity crisis 2.5.7 Extensive sand deposition at 2.8 ka BP and following floodplain stability 2.5.8 Flood loam accumulation during the Roman epoch 2.5.9 Alternating flood loam accumulation and soil formation during the Medieval period 2.5.10 Accentuated fluvial dynamics during the Little Ice Age and recent flooding 2.6 Human influence versus climatic control factors 2.7 Significance of fluvial records in a spatial context 2.8 Conclusion 3 Late Pleistocene and Holocene fluvial dynamics of the lower Guadalete River 3.1 Introduction 3.2 Study area 3.3 Methods 3.4 Stratigraphic findings and sedimentation patterns within the Guadalete valley 3.4.1 Upper downstream section 3.4.1.1 Late Pleistocene sediments 3.4.1.2 Mid-Holocene sediments (5000 - 2000 cal. a BP) 3.4.1.3 Late Holocene sediments (<2000 cal. a BP) 3.4.1.4 Composite profile 3.4.2 Lower downstream section close to the estuary 3.4.2.1 Early Holocene sediments (~10000 - 8000 cal. a BP) 3.4.2.2 Mid- to late-Holocene sediments (<8000 cal. a BP) 3.5 Interpretation – Floodplain evolution and the influencing factors 3.5.1 Stages of floodplain evolution 3.5.1.1 Late Pleistocene dynamics (SU-1 to SU-3) 3.5.1.2 Early Holocene dynamics (SU-4 to SU-7) 3.5.1.3 Mid-Holocene dynamics (SU-8) 3.5.1.4 Mid-Holocene aridity collapse (SU-9a to SU-9c) 3.5.1.5 Late Holocene dynamics (SU-10 to SU-12) 3.5.1.6 Increased dynamics during the Little Ice Age (LIA) (SU-13a to SU-14) 3.6 Conclusion 4 Western Mediterranean environmental changes 4.1 Introduction 4.2 Study area 4.2.1 Jarama River 4.2.2 Guadalete River 4.2.3 Guadalquivir River 4.3 Methods 4.4 Results 4.4.1 Stratigraphic findings of the Jarama River 4.4.1.1 Fluvial architecture 4.4.1.2 Sedimentation patterns 4.4.1.3 Periods of soil formation 4.4.2 Stratigraphic findings of the Guadalete River 4.4.2.1 Fluvial architecture 4.4.2.2 Sedimentation patterns 4.4.2.3 Periods of soil formation 4.4.3 Stratigraphic findings of the Guadalquivir River 4.4.3.1 Fluvial architecture 4.4.3.2 Sedimentation patterns 4.4.3.3 Periods of soil formation 4.5 Discussion 4.5.1 General view of fluvial architectural patterns as basis for interpretations 4.5.2 Fluvial dynamic patterns and possible forcing mechanisms 4.5.3 The role of climate in triggering fluvial dynamics 4.5.4 Supra regional comparison of examined floodplain records 4.5.5 Variability of fluvial dynamics: A matter of sensitivity? 4.5.6 Large-scale consideration of Western Mediterranean fluvial records 4.5.7 Interrelations between North Atlantic sea surface temperature and landscape dynamics on the Iberian Peninsula 4.5.8 Landscape dynamics and corresponding atmospheric conditions 4.6 Conclusion Acknowledgements References 5 Synthesis 5.1 General architectural patterns of examined river floodplains in Spain 5.2 Assessment of influencing factors and their relevance for fluvial dynamics 5.3 Interpretations in terms of palaeo-environmental conditions 5.4 Comparative consideration of the various study areas 5.5 Climate change and implications for fluvial system behavior 5.6 Outlook References

In this work, atomic scale investigation of pressure-induced transformations in the solid state have been carried out. A series of compounds including GaN, ZnO, CaF2, and AgI, in addition to elemental phosphorus have been studied. The corresponding transition mechanisms have been elucidated with a clear description of atomic displacements and intermediate structures involved therein. In the first group of compounds, the long standing debate on the transition path of the wurtzite(WZ)-to-rocksalt(RS) transition in semiconductors, GaN and ZnO was resolved using geometrical modeling combined with molecular dynamics (MD) simulations conducted in the frame of transition path sampling (TPS) method. In GaN, a two-step mechanism through a metastable intermediate phase with a tetragonal structure iT has been revealed from simulations. In ZnO, the tetragonal intermediate structure was kinetically less stable, although still part of the real transition mechanism. It appeared at the interface between WZ and RS as consequence of a layers shearing. The transition regime in ZnO was characterized by a competition between iT structure and another hexagonal intermediate with hexagonal symmetry iH. Although possible, the latter is not functional for the transition. In both cases, GaN and ZnO, two points of agreement with experiments have been revealed. The tilting of structures after transition, and the phonon mode softening associated with atomic displacements leading to the tetragonal structure iT In the second group of compounds, the investigation of transitions in superionic conductors, CaF2 and AgI, demonstrated a different and particular behavior of atomic motion under pressure. The solid-solid reconstruction of CaF2 structure was shown to be initiated and precedented by high disorder of the anionic sublattice. The percolation of fluoride ions through voids in the fluorite structure created a thin interface of liquid like state. The sparce regions caused by the departure of anions facilitates the cation sublattice reconstruction. In AgI, ion diffusion during the wurtzite/zincnlende(ZB)$rocksalt transition was more pronounced due to the extended stacking disorder WZ/ZB. The Ag+ ions profited not only from the structure of the interface but used the combination of interstitial voids offered by both phases, WZ and ZB, to achieve long diffusion paths and cause the cation sublattice to melt. Clearly, a proper account for such phenomena cannot be provided by geometry-designed mechanisms based on symmetry arguments. In phosphorus, the question of how the stereochemically active lone pairs are reorganized during the orthorhombic (PI) to trigonal (PV) structural transition was answered by means of simulations. Computation was performed at different levels theory. First, the mechanism of the transition was obtained from TPS MD simulations. MD runs were performed within density functional tight binding method (DFTB). The analysis of atomic displacements along the real transformation path indicated a fast bond switching mechanism. In a second step, the nature of the interplay between orbitals of phosphorus during the bond switching was investigated. A simultaneous deformation of lone pair and P−P bond showed a mutual switching of roles during the transformation. This interplay caused a low dimensional polymerization of phosphorus under pressure. The corresponding structure formed as zigzag linear chain of fourfold coordinated phosphorus atoms (· · ·(P(P2))n · · ·) at the interface between PI and PV phases. A further result of this work was the development of a simulation strategy to incorporate defects and chemical doping to structural transformations. On top of the transition path sampling iterations, a Monte Carlo like procedure is added to stepwise substitute atoms in the transforming system. Introducing a chemically different dopant to a pure system represents a perturbation to the energy landscape where the walk between different phases is performed. Therefore, any change in the transition regime reflects the kinetic preference of a given structural motif at times of phase formation. This method was applied to the elucidation of WZ-RS transition mechanism in the series of semiconducting compounds AlN, GaN, and InN. Simulations showed that In atoms adopt the same transformation mechanism as in GaN and favor it, while Al atoms demonstrated a significant reluctance to the path going through tetragonal intermediate iT. The difference between transition regime in mixed systems InxGa1−xN and AlxGa1−xN is in agreement with experiments on high pressure behavior of AlN, GaN, and InN. While transitions in GaN and InN are reversible down to ambient conditions, AlN is stable. The work presented in this thesis constitutes the seed of new perspectives in the understanding of pressure-induced phase transformations in the solid state, where the physics and the chemistry are brought together by means of computer simulations.

Making decisions is a dynamic process. Especially when we face a decision between conflicting options, different forces seem to drag our mind from one option to the other one (James, 1890), again and again. This process may last for a long time, sometimes only coming to a decision when we are finally forced to choose, e.g. by an important deadline. Psychology and many other disciplines were interested in how humans make decisions from their beginnings on. Many different influences on decisions were discovered (e.g. Kahneman & Tversky, 1979; Todd & Gigerenzer, 2000). In the face of these advances, it seems odd, that knowledge about the ongoing process of reaching a decision is rare and much of the investigation has focused on the final outcome of choice situations (Townsend & Busemeyer, 1995). A very recent approach, called neuroeconomics, started out to investigate what happens behind the scenes of a final decision. Using modern neuroimaging methods, many neuroeconomists explain decision making in the brain in terms of a hierarchy of different neural modules that work together like a big corporation to finally make the best possible decision (Sanfey, Loewenstein, McClure, & Cohen, 2006). However, the focus on neural modules also limits this approach to a quite static view of decision making and many questions, related to the dynamic aspects of decision making, still remain open: How do we continuously control impulsive or habitual tendencies in our decisions when we pursue long-term goals? How do we shift attention back and forth between (goal) relevant properties of choice options? How do we adjust and readjust our focus of attention to relevant information in order to avoid distraction by irrelevant or misleading information? And how are we influenced by the environmental context when we make decisions? The present work aims to show how an approach based on the concepts of dynamic systems theory could complement the module oriented approach and enhance our knowledge of the processes of decision making. Chapter 2 elaborates the limits of the module oriented approach, with a special focus on decisions under conflict, when we are faced with conflicting information, and introduces the principles of a complementary dynamic approach. Chapter 3 deduces the dynamic hypothesis of this work: ongoing processes interactions at different time scales can explain specific cognitive functions without postulating specialized modules for this function. To approach this hypothesis, chapter 4 will develop a theoretical and empirical framework to study decision making dynamically. The empirical part, building on the empirical framework, starts with chapter 5 presenting an EEG experiment. Chapter 6 presents two mouse tracking experiments, and chapter 7 presents a modelling study, reproducing the empirical data of chapters 5 and 6. The general discussion in chapter 8 summarizes the theoretical and empirical results and discusses possible limitations. Finally, chapter 9 discusses the implications of the dynamic approach to decision making, presents an outlook on future research projects, and closes the work by offering a dynamic picture of the processes behind the stage of a final decision.:Statement I Brief Contents III Contents V Figures IX Chapter 1 Introduction 1 Chapter 2 Decision making under conflict 3 Chapter 3 Investigating decision making under conflict dynamically 14 Chapter 4 Making decisions with a continuous mind 17 Chapter 5 The dynamics of cognitive control: evidence for within trial conflict adaptation from frequency tagged EEG 56 Chapter 6 How decisions evolve: the temporal dynamics of action selection 77 Chapter 7 Dynamic goal states: adapting cognitive control at different time scales without conflict monitoring 97 Chapter 8 General discussion 115 Chapter 9 Conclusion and outlook 123 References 130 Deutsche Zusammenfassung 153 Appendix I Supplementary material for chapter 5 159 Appendix II Model formulas for chapter 7 163 / „Man kann nicht beides haben: Den Rahm und die Butter.“ - „Wer die Wahl hat, hat die Qual.“ Mit diesen Sprichwörtern beklagt der Volksmund, womit das Leben uns immer wieder konfrontiert: wir müssen entscheiden, und oftmals führt uns das in Entscheidungskonflikte. Im Dilemma solcher Konflikte mag es begründet sein, dass das Thema der vorliegenden Arbeit, die Entscheidungsforschung, nicht nur in der Psychologie schon immer eine wichtige Rolle spielte, sondern auch in anderen Disziplinen, wie der Ökonomie, der angewandten Mathematik und der Philosophie. Die langjährigen Bestrebungen, diese unterschiedlichen Fachbereiche zu integrieren (z.B. Kahneman & Tversky, 1979; von Neumann & Morgenstern, 1944; Savage, 1972), münden aktuell in das Forschungsgebiet der Neuroökonomie (Camerer, Loewenstein, & Prelec, 2005; Loewenstein, Rick, & Cohen, 2008; Sanfey, Loewenstein, McClure, & Cohen, 2006). Neuroökonomen nutzen vielfach die Methoden der bildgebenden Hirnforschung, um durch die Lokalisierung der neuronalen Basis hierarchisch gegliederter Module Entscheidungsprozesse zu erklären (z.B. Sanfey et al., 2006; Fellows, 2004). Während die Anwendung bildgebender Methoden Potential birgt (z.B. Harrison, 2008), ist es vor allem der modulorientierte Ansatz, der das Risiko einer zu eingeschränkten Sichtweise auf Entscheidungsprozesse trägt (z.B. Ortmann, 2008; Oullier & Kelso, 2006). Dies zeigt sich zum Beispiel im von der kognitiven Psychologie intensiv erforschten Bereich von Entscheidungen unter Konflikt. Eine zentrale Rolle bei dieser Art von Entscheidungen spielen kognitive Kontrollprozesse, die der Umsetzung zielorientierten Verhaltens (Norman & Shallice, 2000) durch Konfliktlösung und -anpassung dienen. Als Bindeglied dieser beiden Prozesse gilt die Detektion von Entscheidungskonflikten, welche die vorherrschende Conflict Monitoring Theory (Botvinick, Braver, Barch, Carter, & Cohen, 2001) entsprechend dem modulorientiertem Ansatz einem speziellen neuronalen Modul zuordnet, das im anterioren cingulären Cortex lokalisiert ist (Botvinick, Cohen, & Carter, 2004). Die Probleme eines einseitigen modulorientierten Ansatzes verdeutlichen hier unter anderem die widersprüchliche Befundlage (z.B. Mansouri, Tanaka, & Buckley, 2009) und die letztlich weiterhin ungeklärte Frage nach den zugrundeliegenden Prozessen. Die Arbeit hat deshalb zum Ziel, den modulorientierten Ansatz um einen komplementären Ansatz auf Basis der Theorie dynamischer Systeme (Dynamical Systems Theory, DST) zu ergänzen. Aus dem grundlegenden DST-Prinzip der kontinuierlichen (z.B. Spivey, 2007) Interaktion rückgekoppelter Komponenten (z.B. Kelso, 1995; Van Orden, Holden, & Turvey, 2003) wird zunächst die dynamische Hypothese abgeleitet, dass sich Effekte auf verschiedenen Zeitskalen gegenseitig bedingen und einander hervorbringen. Für Entscheidungen unter Konflikt bedeutet dies, dass sich die Prozesse der Konfliktlösung und anpassung durch ihre direkte Interaktion im kognitiven System gegenseitig erzeugen. Zur Überprüfung dieser Hypothese werden innerhalb der Arbeit generelle empirische Strategien entwickelt, welche die Untersuchung von Entscheidungsprozessen auf verschiedenen Zeitskalen ermöglichen. Im empirischen Teil der Arbeit werden sodann zwei dieser Strategien zur Anwendung gebracht, um den Erkenntnisgewinn des dynamischen Ansatzes zu illustrieren. Zunächst wird in einer EEG-Studie eine Frequency-Tagging-Methode (z.B. Müller & Hübner, 2002; Müller, Andersen, & Keil, 2007) auf die Untersuchung der kognitiven Kontrollprozesse in einer Flanker-Aufgabe (Eriksen & Eriksen, 1974) adaptiert. Die neue Kombination einer kontinuierlichen neurophysiologischen Methode und eines klassischen Konflikt-Paradigmas ermöglicht die gleichzeitige Untersuchung kontinuierlicher Veränderungen der Aufmerksamkeit auf relevante und irrelevante Information. Die Ergebnisse der Studie stützen die Hypothese einer direkten Interaktion von Prozessen der Konfliktlösung und -anpassung und stellen bereits einen Widerspruch zur Conflict Monitoring Theory dar. Als weitere empirische Strategie wird in zwei Experimenten die Methode des Maus-Tracking (z.B. Buetti & Kerzel, 2009; Song & Nakayama, 2009; Spivey, Grosjean, & Knoblich, 2005) im Rahmen einer Simon-Aufgabe (Simon, 1969) eingesetzt. Die erneute Kombination einer kontinuierlichen Methode, diesmal auf Reaktionsebene, mit einem klassischen Konflikt-Paradigma erlaubt die Messung von Verhaltenstendenzen im Verlauf des gesamten Entscheidungsprozesses. Mit Hilfe einer neu entwickelten regressionsbasierten Analysemethode werden die Subprozesse einzelner Entscheidungen separiert und Einblicke in die Dynamik von Konfliktlösung und -anpassung gewonnen. Die Ergebnisse zeigen ein komplexes Muster zeitlicher Interaktion zwischen den beiden kognitiven Kontrollprozessen, wobei die Konfliktanpassung zeitlich unabhängig von der Verarbeitung irrelevanter Information ist. Dies steht erneut im Widerspruch zu Annahmen der Conflict Monitoring Theory. Zusammenfassend stützen die empirischen Ergebnisse die dynamische Hypothese der kontinuierlichen Interaktion rückgekoppelter Komponenten und werden im nächsten Schritt in einem dynamisch-konnektionistischen Netzwerkmodell integriert. Als Alternative zum Modell der Conflict Monitoring Theory verzichtet es entsprechend dem dynamischen Ansatz auf ein Conflict Monitoring Modul (Botvinick et al., 2001). Es verfügt stattdessen über Verarbeitungs-Prozesse auf verschiedenen Zeitskalen (Kiebel, Daunizeau, & Friston, 2008) und eine Rückkopplung zwischen der Netzwerkschicht, die der Informationsverarbeitung dient, und jener, die der Zielrepräsentation dient (Gilbert & Shallice, 2002; Cohen & Huston, 1994). Die Ergebnisse der Simulation zeigen, dass das Modell sowohl die klassischen Befunde zur Konfliktlösung und anpassung (z.B. Gratton, Coles, & Donchin, 1992), als auch das in den empirischen Studien gefundene kontinuierliche Datenmuster von Entscheidungsprozessen reproduziert. Die empirischen Befunde und die Ergebnisse der Modellierung bestätigen somit die postulierte dynamische Hypothese, dass sich Effekte auf verschiedenen Zeitskalen gegenseitig bedingen und einander hervorbringen. Dies verdeutlicht den komplementären Wert des dynamischen Ansatzes zum modulorientierten Ansatz, welcher vielfach in der Neuroökonomie verfolgt wird. Der hier entwickelte DST-basierte Ansatz bietet somit sowohl ein komplementäres Denkmodell, welches wie der modulorientierte Ansatz eine Verbindung zwischen den Phänomenen auf neuronaler und Verhaltensebene herstellt, als auch neue empirische Methoden zur dynamischen Erforschung von Entscheidungen. Daraus wird abschließend eine Fokuserweiterung für die zukünftige Forschung abgeleitet: zum einen auf die kontinuierlichen Prozesse, welche zu einer Entscheidung führen, und zum anderen auf die Interaktionsdynamik dieser Prozesse. Die Arbeit schließt mit dem Bild eines Entscheidungsprozesses als einer selbstorganisierten, metastabilen Balance (z.B. Kelso, 1995) bei der Lösung verschiedener Entscheidungsdilemmata (Goschke, 2003).:Statement I Brief Contents III Contents V Figures IX Chapter 1 Introduction 1 Chapter 2 Decision making under conflict 3 Chapter 3 Investigating decision making under conflict dynamically 14 Chapter 4 Making decisions with a continuous mind 17 Chapter 5 The dynamics of cognitive control: evidence for within trial conflict adaptation from frequency tagged EEG 56 Chapter 6 How decisions evolve: the temporal dynamics of action selection 77 Chapter 7 Dynamic goal states: adapting cognitive control at different time scales without conflict monitoring 97 Chapter 8 General discussion 115 Chapter 9 Conclusion and outlook 123 References 130 Deutsche Zusammenfassung 153 Appendix I Supplementary material for chapter 5 159 Appendix II Model formulas for chapter 7 163

Analytical and semi-analytical physical models for MEMS are derived from nonlinear mechanics. By taking into account system characteristics and assumptions, system identification enables the derivation of a mathematical model that is tailored to the effect and the MEMS under analysis. Such an adapted model can successfully emulate and explain the nonlinear dynamics of individual MEMS, including resonant actuation of parasitic modes. The performed analyses also confirm that small deviations in the mode spectrum between devices influence the occurrence of nonlinear effects.:1 Introduction 2 MEMS: Design, Devices & Modelling 3 Nonlinear Mechanics of Dynamical Systems 4 Modelling Approach 5 System Identification & Characterization 6 Conclusion / Analytische und semi-analytische physikalische Modelle für MEMS werden aus der nichtlinearen Mechanik abgeleitet. Durch die Berücksichtigung systemspezifischer Merkmale und Annahmen, ermöglicht die Systemidentifikation das Ableiten eines mathematischen Modells, das auf den analysierten Effekt und das MEMS zugeschnitten ist. Ein solches Modell kann für die Erklärung der nichtlinearen Dynamik einzelner MEMS herangezogen werden und bildet erfolgreich nichtlineare Effekte nach, einschließlich des resonanten Aufschwingens von Parasitärmoden. Die durchgeführten Analysen bestätigen auch, dass geringe Abweichungen im Modenspektrum zwischen Bauteilen das Auftreten nichtlinearer Effekte beeinflussen.:1 Introduction 2 MEMS: Design, Devices & Modelling 3 Nonlinear Mechanics of Dynamical Systems 4 Modelling Approach 5 System Identification & Characterization 6 Conclusion

Neuronen sind bei der Informationsübertragung des zentralen Nervensystems von entscheidender Bedeutung. Ihre Aktivität liegt der Signalverarbeitung und höheren kognitiven Prozessen zugrunde. Neuronen sind in den extrazellulären Raum eingebettet, der mehrere Teilchen, darunter auch Ionen, enthält. Ionenkonzentrationen sind nicht statisch. Intensive neuronale Aktivität kann intrazelluläre und extrazelluläre Ionenkonzentrationen verändern. In dieser Arbeit untersuche ich das Wechselspiel zwischen neuronaler Aktivität und der Dynamik der Ionenkonzentrationen. Dabei konzentriere ich mich hauptsächlich auf extrazelluläre Kalium- und intrazelluläre Natriumkonzentrationen. Mit Hilfe der Theorie dynamischer Systeme zeige ich, wie moderate Änderungen dieser Ionenkonzentrationen die neuronale Aktivität qualitativ verändern können, wodurch sich möglicherweise die Signalverarbeitung verändert. Dann modelliere ich ein leitfähigkeitsbasiertes neuronales Netzwerk mit Spikes. Das Modell sagt voraus, dass eine moderate Änderung der Konzentrationen, die einen Mikroschaltkreis von Neuronen umgeben, die Leistungsspektraldichte der Populationsaktivität verändern könnte. Insgesamt unterstreicht diese Arbeit die Bedeutung der Dynamik der Ionenkonzentrationen für das Verständnis neuronaler Aktivität auf langen Zeitskalen und liefert technische Erkenntnisse darüber, wie das Zusammenspiel zwischen ihnen modelliert und analysiert werden kann. / Neurons are essential in the information transfer mechanisms of the central nervous system. Their activity underlies both basic signal processing, and higher cognitive processes. Neurons are embedded in the extracellular space, which contains multiple particles, including ions which are vital to their functioning. Ionic concentrations are not static, intense neuronal activity alters the intracellular and extracellular ionic concentrations which in turn affect neuronal functioning. In this thesis, I study the interplay between neuronal activity and ionic concentration dynamics. I focus specifically on the extracellular potassium and intracellular sodium concentrations. Using dynamical systems theory, I illustrate how moderate changes in these ionic concentrations can qualitatively change neuronal activity, potentially altering signal processing. I then model a conductance-based spiking neural network. The model predicts that a moderate change in the concentrations surrounding a microcircuit of neurons could modify the power spectral density of the population activity. Altogether, this work highlights the need to consider ionic concentration dynamics to understand neuronal activity on long time scales and provides technical insights on how to model and analyze the interplay between them.