I use an integrated approach of experiments, theory, and numerical evaluations to show that stiffening and softening/fluidization are natural consequences of the assumption that the cytoskeleton is mechanically essentially equivalent to a transiently crosslinked biopolymer network. I perform experiments on in vitro reconstituted actin/HMM networks and show that already these simple, inanimate systems display fludization and shake-down, but at the same time stress stiffening. Based on the well-established Wlc theory, I then develop a semi-phenomenological mean-field model of a transiently crosslinked biopolymer network, which I call the inelastic glassy wormlike chain (inelastic Gwlc). At the heart of the model is the nonlinear interplay between viscoelastic single-polymer stiffening and inelastic softening by bond breaking. The model predictions are in good agreement with the actin/HMM experiments. Despite of its simplicity, the inelastic Gwlc model displays a rich phenomenology. It reproduces the hallmarks of the mechanics of adherent cells such as power-law rheology, stress and strain stiffening, kinematic hardening, shake-down, fludization, and recovery. The model also may also be able to provide considerable theoretical insights into the underlying physics. For example, using the inelastic Gwlc model, I am able to resolve the apparent paradox between cell softening and stiffening in terms of a parameter-dependent competition of antagonistic nonlinear microscopic mechanisms. I further shed light on the mechanism responsible for fluidization. I identify pertinent parameters characterizing the microstructure and give criteria for the relevance of various effects, including the effect of catch-bonds on the network response. Finally, a way to incorporate irreversible plastic flow is proposed.

I use an integrated approach of experiments, theory, and numerical evaluations to show that stiffening and softening/fluidization are natural consequences of the assumption that the cytoskeleton is mechanically essentially equivalent to a transiently crosslinked biopolymer network. I perform experiments on in vitro reconstituted actin/HMM networks and show that already these simple, inanimate systems display fludization and shake-down, but at the same time stress stiffening. Based on the well-established Wlc theory, I then develop a semi-phenomenological mean-field model of a transiently crosslinked biopolymer network, which I call the inelastic glassy wormlike chain (inelastic Gwlc). At the heart of the model is the nonlinear interplay between viscoelastic single-polymer stiffening and inelastic softening by bond breaking. The model predictions are in good agreement with the actin/HMM experiments. Despite of its simplicity, the inelastic Gwlc model displays a rich phenomenology. It reproduces the hallmarks of the mechanics of adherent cells such as power-law rheology, stress and strain stiffening, kinematic hardening, shake-down, fludization, and recovery. The model also may also be able to provide considerable theoretical insights into the underlying physics. For example, using the inelastic Gwlc model, I am able to resolve the apparent paradox between cell softening and stiffening in terms of a parameter-dependent competition of antagonistic nonlinear microscopic mechanisms. I further shed light on the mechanism responsible for fluidization. I identify pertinent parameters characterizing the microstructure and give criteria for the relevance of various effects, including the effect of catch-bonds on the network response. Finally, a way to incorporate irreversible plastic flow is proposed.

Der inelastische Streuquerschnitt von Neutronen mit 7Li weist keine scharfen Resonanzen und eine relativ niedrige Schwelle von 546 keV auf. Bis zur Aufbruchschwelle von 5291 keV findet die inelastische Streuung ausschließlich durch Emission eines 𝛾 -Quants mit 𝐸𝛾 = 477,6 keV statt. Er ist daher als Referenzquerschnitt geeignet. Lithium ist als 3H-Produzent von technischer Bedeutung für die Entwicklung zukünftiger Fusionsreaktoren oder Salzschmelzenreaktoren. Neuere Messungen des inelastischen Streuquerschnitts weichen signifikant von den bisher evaluierten Daten ab. Daher wurden an der Neutronenflugzeitanlage nELBE am HZDR in einem 170 Stunden dauernden Experiment mittels Flugzeit-Methode an einer 4 mm dicken LiF-Scheibe der Streuquerschnitt von 7Li(n,n’𝛾)7Li bestimmt. Die Flugstrecke der Neutronen beträgt 8,3 m. Es wurden 2 Zoll und 3 Zoll-LaBr3-Szintillatoren sowie HPGe- Miniball-Detektoren zum Nachweis der Gammastrahlung in zwei verschiedenen Datenacquisitionen verwendet. Es wird die Abregung von 7Li★ (477,6 keV) gemessen. Das Experiment profitiert von einem hohen Neutronenfluss (ca. 80 n/s/keV @ 1 MeV) sowie einer genauen Spaltkammer der PTB (H19) zur Neutronenflussbestimmung. Die Energie der Neutronen wird mittels Flugzeit-Methode bestimmt. Eine Geant4-Simulation dient der Korrektur der Transmission der Neutronen zum Target, sowie der Mehrfachstreuung und Selbstabsorption. Die bestimmten Wechselwirkungsquerschnitte der LaBr3- und HPGe-Detektoren sind untereinander konsistent, können die Ergebnisse aus [NBI+16] aber nicht bestätigen, die Abweichungen betragen bis zu 20 %. Die Halbwertszeit der gleichzeitig durch Bremsstrahlung in Luft erzeugten Positroniums wurde auf 116(7) ns bestimmt.:1. Einleitung und Motivation 1 2. Theoretische Vorbetrachtungen 3 2.1. Inelastische Neutronenstreuung 3 2.2. Wechselwirkungsquerschnitt 4 2.3. Bisherige Messungen 5 3. Aufbau und Beschreibung des Experimentes 9 3.1. Photoneutronenquelle 10 3.2. Detektoren und Target 11 3.3. Parallelplattenionisationskammer H19 13 3.4. Datenaufnahme 14 3.5. Triggermechanismen 15 4. Auswertung 19 4.1. Kalibrierung 19 4.1.1. Energiekalibrierung 21 4.1.2. Summing-Korrekturen 21 4.1.3. Effizienz-Kalibrierung 22 4.1.4. Effizienzsimulation 27 4.2. Stabilität der Impulshöhen 33 4.3. Totzeitkorrektur 34 4.4. Neutronenflussbestimmung 35 4.4.1. Spaltereignisbestimmung 35 4.4.2. Transmissionskorrektur 38 4.4.3. Mehrfachstreuung 41 4.5. Energieauflösungskorrektur 43 4.6. Bestimmung der Anzahl der 478 keV γ-Quanten 45 4.7. Gammaproduktionswirkungsquerschnitt 7Li (𝑛,𝑛′𝛾) 49 4.8. Anisotropie der Gamma-Emission 53 4.9. Systematische Unsicherheiten 54 5. Ergebnisse und Ausblick 57 A. Anhang 59 A.1. Dopplereffekt 59 A.2. CFD vs. LED Effizienz 63 A.3. Elektronik 64 A.4. Mehrfachstreuung im LiF 66 A.5. Wechselwirkungsquerschnitte für 7Li(n,n’𝛾) 66 A.6. Addendum zur Bestimmung der 478 keV 𝛾-Quanten 68 Literaturverzeichnis 71 / The inelastic neutron cross section of 7Li has no sharp resonances and a fairly low threshold of 546keV.Below the breakup threshold at 5291keV only one 𝛾-ray is emitted at 𝐸𝛾 =477, 6keV. It is therefore suited as a reference cross section. Lithium has technical usage as a 3H-producer in future fusion reactors as well as in molten salt reactors. But there are recent measurements [NBI+16] disagreeing with already evaluated data. To resolve this dissonance, an 170 h Experiment was carried out at the nELBE facility of the HZDR. A 4 mm thick LiF-disk was used as a target, the neutron flux was determined with a 235U parallel plate fission chamber. The flight path for the 7Li(n,n’𝛾)7Li reaction was 8,3 m. As detectors four two-inch LaBr3-detectors as well as three three-inch LaBr3-detectors and two miniball-type HPGe detectors with three 60 % crystals each were used. The measurement of the cross section is solely a measurement of the de-excitation of the first exited 7Li-State at 477,6 keV. The second exited state at 4,63 MeV already decays via particle emission and thus does not contribute any 𝛾-radiation. The experiment benefits from the high neutron flux at nELBE (80 n/s/keV @ 1 MeV) as well as from the precise fission chamber of the PTB (H19) for the neutron flux calibration. A Geant4- Simulation is used to determine correction factors as the transmission from the H19 to the target as well as the multiple scattering correction and the self absorption of the 477,6 keV 𝛾-Rays. The deduced cross section from both detector types are consistent, but they can’t reproduce the data from Nyman et al. PRC93 (2016). The deviations are up to 20 %. The half life of the by means of bremsstrahlung in air produced positroniums in the experiment is 116(7) ns.:1. Einleitung und Motivation 1 2. Theoretische Vorbetrachtungen 3 2.1. Inelastische Neutronenstreuung 3 2.2. Wechselwirkungsquerschnitt 4 2.3. Bisherige Messungen 5 3. Aufbau und Beschreibung des Experimentes 9 3.1. Photoneutronenquelle 10 3.2. Detektoren und Target 11 3.3. Parallelplattenionisationskammer H19 13 3.4. Datenaufnahme 14 3.5. Triggermechanismen 15 4. Auswertung 19 4.1. Kalibrierung 19 4.1.1. Energiekalibrierung 21 4.1.2. Summing-Korrekturen 21 4.1.3. Effizienz-Kalibrierung 22 4.1.4. Effizienzsimulation 27 4.2. Stabilität der Impulshöhen 33 4.3. Totzeitkorrektur 34 4.4. Neutronenflussbestimmung 35 4.4.1. Spaltereignisbestimmung 35 4.4.2. Transmissionskorrektur 38 4.4.3. Mehrfachstreuung 41 4.5. Energieauflösungskorrektur 43 4.6. Bestimmung der Anzahl der 478 keV γ-Quanten 45 4.7. Gammaproduktionswirkungsquerschnitt 7Li (𝑛,𝑛′𝛾) 49 4.8. Anisotropie der Gamma-Emission 53 4.9. Systematische Unsicherheiten 54 5. Ergebnisse und Ausblick 57 A. Anhang 59 A.1. Dopplereffekt 59 A.2. CFD vs. LED Effizienz 63 A.3. Elektronik 64 A.4. Mehrfachstreuung im LiF 66 A.5. Wechselwirkungsquerschnitte für 7Li(n,n’𝛾) 66 A.6. Addendum zur Bestimmung der 478 keV 𝛾-Quanten 68 Literaturverzeichnis 71