No / Transient liquid phase (TLP) brazing of Mg–AZ31 alloy and Ti–6Al–4V alloy was performed using double Ni and Cu sandwich foils. Two configurations were tested; first, Mg–AZ31/Cu–Ni/Ti–6Al–4V and second, Mg–AZ31/Ni–Cu/Ti–6Al–4V. The effect of set-up configuration of the foils on microstructural developments, mechanical properties and mechanism of joint formation was examined. The results showed that different reaction layers formed inside the joint region depending on the configuration chosen. The formation of e phase (Mg), r (CuMg2), d (Mg2Ni) and Mg3AlNi2 was observed in both configurations. Maximum shear strength obtained was 57 MPa for Mg–AZ31/Ni–Cu/Ti–6Al–4V configuration and in both configurations, the increase in bonding time resulted in a decrease in joint strength to 13 MPa. The mechanism of joint formation includes three stages; solid state diffusion, dissolution and widening of the joint, and isothermal solidification. / The authors would like to acknowledge The German Jordanian University (GJU), and NSERC Canada for the financial support for this research.

In dieser Arbeit werden Fortschritte in der Elektronenptychographie vorgestellt, die ihre Vielseitigkeit als Technik in der Elektronen-Phasenkontrastmikroskopie verbessern. Anstatt sich auf eine hochauflösende Elektronenoptik zu stützen, rekonstruiert die Ptychographie die Proben auf der Grundlage ihrer kohärenten Beugungssignale mit Hilfe von Berechnungsalgorithmen. Dieser Ansatz ermöglicht es, die Grenzen der konventionellen, auf Optik basierenden Elektronenmikroskopie zu überwinden und eine noch nie dagewesene sub-Angstrom Auflösung in den resultierenden Bildern zu erreichen. In dieser Arbeit werden zunächst die theoretischen, experimentellen und algorithmischen Grundlagen der Elektronenptychographie vorgestellt und in den Kontext der bestehenden rastergestützten Elektronenmikroskopietechniken gestellt. Darüber hinaus wird ein alternativer ptychographischer Phasengewinnungsalgorithmus entwickelt und seine Leistungsfähigkeit sowie die Qualität und räumliche Auflösung der Rekonstruktionen analysiert. Weiterhin befasst sich die Arbeit mit der Integration von Methoden des maschinellen Lernens in die Elektronenptychographie und schlägt einen spezifischen Ansatz zur Verbesserung der Rekonstruktionsqualität unter suboptimalen Versuchsbedingungen vor. Außerdem wird die Kombination von Ptychographie mit Defokusserienmessungen hervorgehoben, die eine verbesserte Tiefenauflösung bei ptychographischen Rekonstruktionen ermöglicht und uns somit dem ultimativen Ziel näher bringt, quantitative Rekonstruktionen von beliebig dicker Proben mit atomarer Auflösung in drei Dimensionen zu erzeugen. Der letzte Teil der Arbeit stellt einen Paradigmenwechsel bei den Scananforderungen für die Ptychographie vor und zeigt Anwendungen dieses neuen Ansatzes unter Bedingungen niedriger Dosis. / This thesis presents advancements in electron ptychography, enhancing its versatility as an electron phase-contrast microscopy technique. Rather than relying on high-resolution electron optics, ptychography reconstructs specimens based on their coherent diffraction signals using computational algorithms. This approach allows us to surpass the limitations of conventional optics-based electron microscopy, achieving an unprecedented sub-Angstrom resolution in the resulting images. The thesis initially introduces the theoretical, experimental, and algorithmic principles of electron ptychography, contextualizing them within the landscape of existing scanning-based electron microscopy techniques. Additionally, it develops an alternative ptychographic phase retrieval algorithm, analyzing its performance and also the quality and the spatial resolution of its reconstructions. Moreover, the thesis delves into the integration of machine learning methods into electron ptychography, proposing a specific approach to enhance reconstruction quality under suboptimal experimental conditions. Furthermore, it highlights the fusion of ptychography with defocus series measurements, offering improved depth resolution in ptychographic reconstructions, which therefore brings us closer to the ultimate goal of quantitative reconstructions of arbitrarily thick specimens at atomic resolution in three dimensions. The final part of the thesis introduces a paradigm shift in scanning requirements for ptychography and showcases applications of this novel approach under low-dose conditions.

Zusammenfassung Zur Freisetzung ihres Genoms in das Innere der Wirtszelle müssen Hüllviren ihre Membran mit der Membran der Wirtszelle verschmelzen. Diese Fusion wird durch eine Konformations- umwandlung der Ektodomäne viraler Glykoproteine ausgelöst. Die Kenntnis der drei- dimensionalen Struktur der vollständigen Ektodomäne in der fusionsaktiven Konformation ist Voraussetzung für das Verständnis des Fusionsmechanismus. Die Fusion von Influenza mit entsprechenden Targetmembranen wird durch eine durch sauren pH ausgelöste Konformationsänderung des als Trimer vorliegenden Glykoproteins Hämagglutinin (HA) vermittelt. Bis jetzt war die dreidimensionale (Röntgenkristall-) Struktur einer enzymatisch abgespaltenen HA-Ektodomäne nur eines Influenzastammes bei neutralem pH-Wert bzw. von einigen Fragmenten der HA2-Untereinheit bei saurem pH-Wert bekannt. In der vorliegenden Arbeit wurden ein geeigneter Influenzastamm sowie geeignete Untersuchungsbedingungen ermittelt, um die 3D-Struktur des kompletten, nicht enzymatisch vorbehandelten HA sowohl in seiner nativen (bei neutralem pH-Wert vorliegenden) als auch in seiner fusionskompetenten (keinesfalls aber bereits inaktivierten) Struktur mittels Kryo- Elektronenmikroskopie und Bildverarbeitung aufzuklären. Es wurde erstmals die 3D-Struktur des kompletten HA eines anderen Influenzastammes (A/Japan) bei neutralem pH-Wert aufgeklärt und mit der bekannten 3D-Struktur von Influenza X-31 verglichen. Außerdem konnte eine fusionskompetente Form rekonstruiert werden, die im Vergleich zur nativen Konformation deutliche Veränderungen in der 3D-Struktur zeigt, ohne daß sich jedoch die Assoziation der Monomere aufhob. Die Befunde werden unter anderem in Hinblick auf die Bedeutung der HA1-Untereinheit für die Fusion diskutiert. Die vorgestellte Methode scheint geeignet, auch andere Membranproteine bzw. Membranfusion-vermittelnde Proteine in verschiedenen konformeren Zuständen aufzuklären (insbesondere jene, die der Röntgenkristallstrukturanalyse nicht zugänglich sind) und so einen diesen Fusionsprozessen eventuell zugrundeliegenden konservierten Funktionsmechanismus aufzuhellen. / Abstract Envelope viruses enter a host cell via fusion between the viral and endosomal membrane, thereby releasing the nucleocapsid into the cytoplasm. The fusion has been accompanied with an conformational change in the ectodomain of viral glycoproteins. To understand the mechanism leading to fusion the three-dimensional (3D) structure of the complete viral glycoprotein in its fusion competent conformation has to be determined. The Fusion of influenza virus which is triggered at low pH has been associated with an irreversible conformational change in the trimeric glycoprotein hemagglutinin (HA). The three-dimensional (crystal) structure is already known of the enzymatic-cleaved ectodomain of one influenza strain (X-31) at neutral pH or of some fragments of the HA2-subunit at low pH, respectively. In this work a suitable influenza strain as well as suitable experimental conditions for investigations of the 3D-structure of the complete and not enzymatically treated HA at neutral and acidic pH conditions have been determined. An cryo-microscopy/angular reconstitution approach has been employed for the 3D- reconstruction of the intact HA of an different influenza strain (A/Japan). This structure is in excellent agreement with the known X-ray crystallographic structure of the bromelain- cleaved ectodomain of HA from influenza X-31. Moreover, for the very first time the 3D structure of the intact HA of Influenza A/Japan in its fusion competent state (at acidic pH) has been calculated. The differences between the two structures are large compared to the marginal differences between the neutral pH structures by EM and by X-ray crystallography, respectively, although the monomers remain tightly connected. These findings will be discussed especially with regard to the role of the HA1 subunit in the fusion process. The procedure is in general applicable to pursue the 3D-structure of (fusion mediating) proteins in various conformational states (especially of those proteins which are not directly accessible by X-ray crystallography). This approach should offer to elucidate the (eventually conserved) mechanism of membrane fusion.

Die Untersuchung von III-V-Heterostruktur-Grenzflächen spielt aufgrund des starken Einflusses der Grenzflächen auf die Eigenschaften von Halbleiterbauelementen eine elementare Rolle. Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) hat sich als eines der geeignetsten Methoden für die Analyse von Grenzflächen erwiesen. Jedoch stellt die Interpretation von zweidimensionalen Projektionen, insbesondere bei dreidimensionalen (3D) Strukturen, eine Herausforderung dar, da die Information über die Tiefe in der Projektion verloren geht. In dieser Arbeit wird diskutiert, dass Grenzflächen als 3D Objekte gesehen werden können, insbesondere bei großen Rauheiten oder chemischen Durchmischungen. Zur Charakterisierung von vergrabenen III-V-Halbleitergrenzflächen wurde eine neue analytische Methode auf Basis der Elektronentomographie entwickelt. Diese Methode wird anhand eines (Al,Ga)As/GaAs-Mehrschichtsystems als Fallstudie vorgestellt. Es wird gezeigt, dass die tomographische Rekonstruktion von Grenzflächen ausgenutzt werden kann, um sogenannte Iso-Konzentrationsflächen zu erhalten, welche die Lage einer festgelegten Konzentration an der Grenzfläche beschreiben. Sie erlauben die Erstellung topographischer Höhenkarten, die die Rauheit von Grenzflächen visualisieren und ermöglichen die Bestimmung wesentlicher Grenzflächenparameter wie die quadratische Rauheit oder die lateralen und vertikalen Korrelationslängen. Zusätzlich wurden Isoflächen an unterschiedlichen Konzentrationsniveaus verwendet, um topographische Karten der Grenzflächenbreite zu erzeugen. Die Stärke der Methodik liegt in der Möglichkeit, alle chemisch-strukturellen Parameter von vergrabenen Grenzflächen mit einer einzelnen Tomographiemessung zu bestimmen. Die Applikation dieser neuen Grenzflächentomographie-Technik wird an unterschiedlichen Halbleitermaterialien für optische Anwendungen demonstriert: An einer (Al,Ga)As/GaAs-Mikrokavität, einem (Al,Ga)N/GaN-Bragg-Reflektor und einem 3D (In,Ga)N/GaN-Nanodraht. / The investigation of III-V heterostructure interfaces plays a key role in developing novel semiconductor devices due to the strong influence of interfaces on device characteristics. Transmission electron microscopy (TEM) has proven to be one of the most suitable tools for an interface analysis. The interpretation of two-dimensional projections can be challenging, especially for three-dimensional (3D) structures, since the depth information is lost in the projection. It is discussed in this thesis that interfaces can be seen as 3D objects, particularly when interfaces are subject to large roughnesses or chemical intermixing. A new analytical method for the comprehensive characterization of buried III-V semiconductor interfaces based on electron tomography was developed. This method is applied to an (Al,Ga)As/GaAs multilayer system as a case study. It is shown that the tomographic reconstruction of a tomography needle of this material can be exploited to obtain so-called iso-concentration surfaces. These surfaces describe the positions of a chosen concentration value at the interfaces. They enable the creation of topographic height maps revealing the roughness of several interfaces. The height maps allow the determination of essential interface parameters as the quadratic mean roughness or the lateral and vertical correlation lengths using the height-height correlation function. In addition, height-difference maps based on isosurfaces corresponding to different concentration levels were used to generate topographic maps of the interface width. The methodology’s main strength is the ability to determine all chemical-structural parameters of buried interfaces with a single measurement. This thesis presents the application of this new interfacial tomography technique on semiconducting materials used for optical application purposes: An (Al,Ga)As/GaAs microcavity, an (Al,Ga)N/GaN Bragg reflector and a complex, 3D (In,Ga)N/GaN multi-shell nanowire.

Wir untersuchen die Phasenbildung von Festkörperlösungen von (InxGa1-x)2O3 experimentell mittels Transmissionselektronenmikroskopie und stützen uns bei der Modellierung auf die Clusterexpansion. Epitaktische (InxGa1-x)2O3 Schichten auf kristallinen Substrate sind durch ausgeprägte Ordnung auf den Kationenuntergittern gekennzeichnet, bei welchem In und Ga sich auf Gitterplätze einbauen auf denen sie die energetisch günstigste Koordination zum Sauerstoff einnehmen. Ausgehend von diesem Befund, modifizieren wir das Modells der idealen Mischung so dass wir die Konfigurationsentropie auf den kationischen Untergittern mit spezifischer Koordinations getrennt betrachten um diese realistisch zu berechnen. Das resultierende Phasendiagramm ist durch enge thermodynamisch Stabilitätsbereiche für die jeweiligen Phasen gekennzeichnet, weil sich gleichzeitig große metastabile Zusammensetzungsbereiche ergeben bei Temperaturen die typisch für epitaktisches Wachstum sind: so ist die monokline Phase im Zusammensetzungsbereich x<0.5 metastabil, die hexagonale Phase für 0.55<x<0.7 und die kubische Bixbyit-Phase für x>0.91. Wird amorphes (InxGa1-x)2O3 kristallisiert in-situ im TEM, bildet sich im Zusammensetzungbereich bis x<0.22 die Spinellphase, die als ungeordnete Variante der monoklinen Phase beschrieben wird. Oberhalb dieser Zusammensetzung ist die kubische Phase stabil. Ursache hierfür ist der Einfluss der maximale Menge an Konfiguartionsentropie auf die Bildungsenthalpie in Strukturen mit vielfältigem Koordinationsumgebungen der Kationen. Der letzte Teil der Arbeit befasst sich mit dem Einflusses der Gitterordnung auf den Materialkontrast bei der Abbildung mittels HAADF (High Angle Annular Dark Field) STEM. Hier wird gezeigt, dass die Anregung des 2s-Bloch-Wellen-Zustands zu langperiodsichen Kontrastoszillationen führt, die die quantitaive Bestimmung der Zusammensetzung mittels Z-Kontrast erschwert es aber erlaubt den Ordnungsparameter bei bekaannter Zusammensetzung zu messen. / We investigate the phase formation in (InxGa1-x)2O3 solid solutions experimentally by means of transmission electron microscopy (TEM) and with computational support using cluster expansion. In the case of epitaxial growth on crystalline substrates, we find strong ordering on the cation sublattices of (InxGa1-x)2O3, energetically driven by the tendency of In and Ga to each assume their preferred coordination environment. Based on this experimental finding, we modify the model of the ideal mixture by considering the configurational entropy on the respective cation sublattices with different coordination separately in order to calculate it realistically. The resulting phase diagram is characterized by narrow thermodynamically stable ranges for each phase, while wide composition ranges of metastable compounds are predicted, which can be achieved at temperatures typical for epitaxy: the monoclinic phase is metastable in the composition range x<0.5, the hexagonal phase for 0.55<x<0.7, and the cubic bixbyite phase for x>0.91. If amorphous (InxGa1-x)2O3 is crystallized in-situ in the TEM, the spinel phase, which is described as a disordered variant of the monoclinic phase, is formed in the composition range up to x<0.22, while above this composition, the bixbyite phase is stable. This shift in stability is explained by the maximum amount of configurational entropy present during crystallization, which strongly influences the formation enthalpy in structures with diverse coordination environments of the cations. The last part of the work deals with the influence of the lattice order on the material contrast when imaging by HAADF (High Angle Annular Dark Field) STEM. It is shown that the excitation of the 2s-Bloch wave state leads to long-period contrast oscillations, which complicate the quantitative determination of the composition by Z-contrast but allows to quantify the order parameter for a given composition.

Coals, from mines in the Highveld coalfield, as well as gasification ash samples were characterised, in order to understand the mineralogical and chemical properties of the individual components in the gasification feedstocks. X-ray diffraction of low temperature oxygen-plasma ash indicates that the coals contain significant proportions of kaolinite, quartz and a fluxing elements-bearing mineral (dolomite), plus minor concentrations of illite and other fluxing elements-bearing minerals namely calcite, pyrite and siderite. Of the feed coal, the -75+53 mm size fraction has a high pyrite, and to a lesser extent a high calcite and dolomite content. However, the small proportion of iron-bearing phases (from the reaction between kaolinite and pyrite) in samples taken from the gasifier implies that pyrite contributes minimally to sintering or slagging in this case. Calcite is mainly present in the >1.8 g/cm3 density fraction of the feed coal, whereas dolomite is mainly present in the 1.5-1.8 g/cm3 density fraction, as inclusions or fine cleats in the coal matrix. Electron microprobe analyses of coals from the six different South African mines confirmed that some Ca, Mg, Al, Si, Na, K, Ti and Fe are present in the organic matrix in the coal samples tested in this study, but the amounts of these are small compared with the fluxing elements in minerals. XRD and microprobe analyses indicate that the ash clinker samples taken from the gasifiers contain a number of crystalline high temperature phases, including anorthite, mullite, cristobalite, quartz and diopside. FactSage confirmed that anorthite and mullite are equilibrium phases at elevated temperatures in the ash clinkers and heated rock fragments. Limited reaction takes place between the included coal minerals and the extraneous rock fragments. / Thesis (PhD)--University of Pretoria, 2008. / Materials Science and Metallurgical Engineering / unrestricted

The thesis deals with modifying and biulding of scintilation detector of secondary electrons for environmental scanning electron microscopy. It describes dilemma of environmental scanning electron microscopy, types of detectors and secondary electrons detection. The experimental part of this thesis focuses on the design and construction of new scintillation detector on the basis of simulations secondary electrons trajectories. Identifying the parameters, pressure dependencies and optimizations of electrode system of the detector realized.

The aims of the study were to obtain a method with which it would be possible to produce standardized wounds in the gastric mucosa, and to follow the regeneration of the acid producing parietal cells in those lesions during different experimental conditions. Quantitative methods applied to light and electron microscopy were used. Wounds were cauterized in the corpus mucosa in Sprague-Dawley rats and in addition, pyloroplasty, truncal vagotomy with pyloroplasty or ant- rectoiriy were performed. Other groups of rats with wounds were given long-term treatment with pentagastrin or cimetidine. Stimulation tests were carried out in two groups of wound operated rats. After different periods of time the animals were perfusion fixed and specimens from the wounds and normal mucosa beside the wounds were pre­pared for light and electron microscopy. By means of stereological techniques, different mucosal and cellular structures were then measur­ed. Parietal cells were found in 90 days old wounds. At this stage they were immature with large nuclei and few specialized cell organelles. In spite of this appearance they were able to respond morphologically to stimulation and to secrete acid. With further healing the morphology of the parietal cells became normal, but their volume fraction in the mucosa remained subnormal. The fraction of mucosa occupied by epithel­ial cells also stayed lower than normal. Pyloroplasty resulted in decreased cell and nuclear size of both normal and regenerating parietal cells. In the latter, there was also a de­crease in the mitochondrial volume density. If a truncal vagotomy was added to the pyloroplasty these changes disappeared and, in addition, an increase in parietal cell volume density was noticed in the normal mucosa. Antrectorny produced smaller parietal cells, and their maturation was delayed. Furthermore, mucosal thickness decreased. If pentagastrin was given to rats with wounds an increase in the number of parietal cells was noted, but maturation and morphology remained unaffected. Cimetidine treatment did not affect the parietal cell volume density in wounds or normal mucosa. However, a large increase in the secretory surface density was noticed when the effect of the last dose had ceas­ed. / <p>S. 1-45: sammanfattning, s. 47-121 utgörs av 5 uppsatser</p> / digitalisering@umu

Eine Hauptanwendung der Einzelpartikel-Analyse in der Kryo-Elektronenmikroskopie ist die Charakterisierung der dreidimensionalen Struktur makromolekularer Komplexe. Dazu werden zehntausende Bilder verwendet, die verrauschte zweidimensionale Projektionen des Partikels zeigen. Im ersten Schritt werden ein niedrig aufgelöstetes Anfangsmodell rekonstruiert sowie die unbekannten Bildorientierungen geschätzt. Dies ist ein schwieriges inverses Problem mit vielen Unbekannten, einschließlich einer unbekannten Orientierung für jedes Projektionsbild. Ein gutes Anfangsmodell ist entscheidend für den Erfolg des anschließenden Verfeinerungsschrittes. Meine Dissertation stellt zwei neue Algorithmen zur Rekonstruktion eines Anfangsmodells in der Kryo-Elektronenmikroskopie vor, welche auf einer groben Darstellung der Elektronendichte basieren. Die beiden wesentlichen Beiträge meiner Arbeit sind zum einen das Modell, welches die Elektronendichte darstellt, und zum anderen die neuen Rekonstruktionsalgorithmen. Der erste Hauptbeitrag liegt in der Verwendung Gaußscher Mischverteilungen zur Darstellung von Elektrondichten im Rekonstruktionsschritt. Ich verwende kugelförmige Mischungskomponenten mit unbekannten Positionen, Ausdehnungen und Gewichtungen. Diese Darstellung hat viele Vorteile im Vergleich zu einer gitterbasierten Elektronendichte, die andere Rekonstruktionsalgorithmen üblicherweise verwenden. Zum Beispiel benötigt sie wesentlich weniger Parameter, was zu schnelleren und robusteren Algorithmen führt. Der zweite Hauptbeitrag ist die Entwicklung von Markovketten-Monte-Carlo-Verfahren im Rahmen eines Bayes'schen Ansatzes zur Schätzung der Modellparameter. Der erste Algorithmus kann aus dem Gibbs-Sampling, welches Gaußsche Mischverteilungen an Punktwolken anpasst, abgeleitet werden. Dieser Algorithmus wird hier so erweitert, dass er auch mit Bildern, Projektionen sowie unbekannten Drehungen und Verschiebungen funktioniert. Der zweite Algorithmus wählt einen anderen Zugang. Das Vorwärtsmodell nimmt nun Gaußsche Fehler an. Sampling-Algorithmen wie Hamiltonian Monte Carlo (HMC) erlauben es, die Positionen der Mischungskomponenten und die Bildorientierungen zu schätzen. Meine Dissertation zeigt umfassende numerische Experimente mit simulierten und echten Daten, die die vorgestellten Algorithmen in der Praxis testen und mit anderen Rekonstruktionsverfahren vergleichen.

Electron crystallography of two-dimensional crystals is a structure-determination method well suited to the study of membrane protein structure-function. Two-dimensional crystals consist of ordered arrays of protein within reconstituted lipid bilayers, an arrangement that mimics the natural membrane environment. In this work we describe our recent progress in the use of this method with three different proteins, each providing a window into a separate paradigm in the electron crystallographic pipeline. Specific crystallization conditions for human leukotriene C₄ synthase (LTC₄S) have previously been determined, but our continued refinement of purification and crystallization has identified a number of additional parameters that greatly affect crystal size and quality, and we have developed a protocol to rapidly and reproducibly grow large, non-mosaic crystals of LTC₄S. The human gamma-glutamyl carboxylase (GGCX) has also been crystallized, but is sensitive to cryo-EM sample preparation conditions and we present here the successful reproduction of crystallization and refinement of cryo-EM sample preparation conditions. Lastly, we describe our crystallization screens with the Vibrio cholerae sodium-pumping NADH:ubiquinone reductase complex (Na⁺-NQR), and identify the factors critical to membrane reconstitution of the complex, a necessary first step towards crystallization. We also describe a semi-quantitative crystal screening protocol we have developed that provides quick and accurate method to assess two- dimensional crystallization trials, and discuss some general observations in optimization of membrane protein purification and two-dimensional crystallization for electron crystallography.