Lab-on-a-chip (LOC) technology has blossomed into a major new technology fundamentally influencing the sciences of life and nature. From a systemic point of view however, microfluidics is still in its infancy. Here, we present the concept of a microfluidic central processing unit (CPU) which shows remarkable similarities to early electronic Von Neumann microprocessors. It combines both control and execution units and, moreover, the complete power supply on a single chip and introduces the decision-making ability regarding chemical information into fluidic integrated circuits (ICs). As a consequence of this system concept, the ICs process chemical information completely in a self-controlled manner and energetically self-sustaining. The ICs are fabricated by layer-by-layer deposition of several overlapping layers based on different intrinsically active polymers. As examples we present two microchips carrying out long-term monitoring of critical parameters by around-the-clock sampling. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

In the present dissertation the formation of microstructure, the kinetics of densification and the formation of surface layers developing during liquid phase sintering of silicon carbide are studied. The focus is on the additive systems Al2O3 plus Y2O3 and AlN plus Y2O3. Phase and especially liquid phase formation in both of the systems SiC, Al2O3 , Y2O3 and AlN, Al2O3 , Y2O3 are investigated in detail examining 12 espectively 17 different compositions per system. Melting temperatures have been determined by TG/DTA, in both systems for the first time. Phase composition of samples was analysed by the combination of XRD, SEM and EDX. In the system SiC, Al2O3 , Y2O3 the formation of the phases expected from the quasibinary Al2O3 , Y2O3 could be observed thus silicon carbide has to be in equilibrium with the oxide additives. The low solubility of SiC in the oxide melt, which was suggested by Hoffmann and Nader, could be confirmed. In the system AlN, Al2O3 , Y2O3 the formation of phases as stated by Medraj was confirmed, except for the dimension of the stability region of the γ- spinel and YAG which is wider in the present work. For the first time diffusion coefficients of the species Y3+ and Al3+ in the oxide melt formed by Al2O3 and Y2O3 at temperatures above 1825 ◦ C were determined. The values are in the order of 2 · 10−6 cm2 /s which results in a diffusion length of 14.1 μm for a diffusion time of one second. This allows the fast equilibration of Y and Al deficiencies. Kinetics of densification was modeled by kinetic field, master curve and thermokinetic method, based on detailed experimental investigation of the shrinkage during liquid phase sintering of SiC. It could be proved that the first 30 − 40 % of densification are controlled by solid phase reactions which accelerate particle rearrangement without presence of a liquid phase. During the remaining 60 − 70 % of densification a liquid is present, resulting in the predominance of mechanisms of liquid phase sintering. The models deliver activation energies in the range from 608 KJ/mol to 1668 kJ/mol and allow, within the scope of validity of each method the prediction of densification during liquid phase sintering of silicon carbide. When sintering silicon carbide with Al2O3 plus Y2O3 the formation of several surface layers, depending on atmosphere, maximum temperature, dwelling time and amount and composition of additives was observed. In nitrogen atmosphere with low partial pressures a surface layer consisting of AlN is forming whilst at high partial pressures SiAlON- polytypes occur. After sintering in Argon or Ar-CO- atmosphere three main types of surface layers are present. One consists of alumina, one contains only YAG and one shows highly porous, additive depleted regions. An explanation for the formation of the several surface layers could be given by the combination of the determined diffusion coefficients with the results achieved in the thermodynamics part. The results achieved in this work can be a contribution to the knowledge based design of the production process of liquid phase sintering of silicon carbide.

Photosystem I (PSI) aus dem thermophilen Cyanobakterium Thermosynechococcus elongatus ist ein transmembraner Protein-Pigment-Superkomplex der photosynthetischen Elektronentransportkette. Er wandelt die Energie des Lichts in elektrische Energie mit einer Quanteneffizienz von nahezu 100 % um. Dazu uberträgt PSI Elektronen von Plastocyanin bzw. Cytochrom c6 (Cyt c6) auf Ferredoxin. Die Struktur des PSI wurde bereits 2001 mit einer Auflösung von 2,5 Å beschrieben (Jordan et al. 2001). Es lässt sich zur Generierung von Photoströmen auf Elektrodenoberflächen assemblieren und zur Produktion von Biokraftstoffen mit Enzymen koppeln. Die elektrische Kontaktierung des PSI mit Elektrodenoberflächen kann durch Komplexierung mit dem mitochondrialem Cytochrom c aus Pferdeherz (Cyt cHH) erhöht werden. Aufgrund der Nutzbarkeit dieses Proteinkomplexes sollte geklärt werden, wie PSI und Cyt cHH wechselwirken und wie sich die Interaktion von der des nativen PSI-Cyt c6-Komplexes unterscheidet. Deshalb lag der Fokus meiner Arbeit darauf, die Bindung des Cyt c6 und seines Analogons Cyt cHH an PSI mit kinetischen, kalorimetrischen, theoretischen und strukturellen Methoden zu untersuchen. Das Cyt c6 bindet im reduzierten Zustand an PSI und verringert nach erfolgtem Elektronentransfer seine Affinität. Das Cyt cHH bindet dagegen sowohl im reduzierten als auch im oxidierten Zustand an PSI. Mit Hilfe der kinetischen Messungen habe ich Bedingungen identifiziert, unter denen PSI mit dem jeweiligen Cytochrom c einen stabilen Komplex eingeht. Mit Hilfe eines rigid-body dockings wurden potenzielle Bindungsstellen der beiden Cytochrome berechnet. Fur Cyt c6 ergab sich eine spezifische Bindungsstelle, die eine gute Übereinstimmung mit den von mir gemessenen Kinetiken sowie mit weiteren Literaturdaten zeigt. Diese Bindungsstelle korreliert mit der veröffentlichten Kostruktur des bakteriellen Reaktionszentrums mit Cyt c2 aus Rhodobacter sphaeroides. Demgegenüber sind mehrere Cyt cHH-Bindungsstellen ... / Photosystem I (PSI) from the thermophilic cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus is a membrane-bound, multipigment protein supercomplex. It converts light to electrochemical energy with a quantum efficiency of almost 100 %. It reduces the luminal proteins plastocyanin and cytochrome c6 (Cyt c6) to oxidize the stromal protein Ferredoxin. The structure of PSI has been solved in 2001 at a resolution of 2,5 Å (Jordan et al. 2001). PSI can be assembled on an electrode surface to produce photocurrents and the generated electrons can be used for the production of biofuels. The mitochondrial cytochrome c from horse heart (Cyt cHH) binds strongly to both, PSI and the electrode surface, and can therefore be applied to improve the electrical coupling. Due to the practical use of the PSI-Cyt c complex, the aim of my thesis is to characterize the interaction of PSI with Cyt c6 and the analog Cyt cHH. To this end, the binding of both cytochromes to PSI was analyzed by kinetic, calorimetric, theory-based and structural methods. Cyt c6 binds to PSI while being reduced and decreases its affinity after transferring its electron. In contrast, Cyt cHH binds to PSI in both oxidation states, reduced and oxidized, with identical affinity. By means of kinetic measurements, I identified conditions in which PSI forms a stable complex with either of the two cytochromes. The positions of the cytochrome binding sites at PSI were calculated by a rigid-body docking. For the calculation with Cyt c6, the majority of the potential binding sites are located at the luminal side of PSI, close to P700. The theoretic properties of one of these binding sites are in good agreement with my own kinetic measurements and literature data. The position and orientation of Cyt c6 in this theoretic binding site is almost identical to the localization of Cyt c2 in cocrystals with the bacterial reaction center from Rhodobacter sphaeroides. The potential Cyt cHH binding sites are uniformly distributed over ...

Methods for reliability assessment and a deep understanding of degradation mechanisms are important for product and process development. In this work, reliability under electrical stress of a state-of-the-art integrated low-temperature PVD PZT Film stack is discussed. DC and AC lifetime under electric stress are investigated experimentally over wide ranges of temperature and applied electric field. Empirical Weibull analysis and comparison of the obtained Weibull slope is used to evaluate suitable acceleration ranges for empirical testing. Changes of the Weibull slope above a temperature of 150 °C and gradual change over voltage acceleration in the range of 100 kV/cm to 200 kV/cm were found. This indicates that accelerated lifetime testing in the temperature range below 150 °C is possible and caution is required for voltage acceleration. The results of this study are also published in Ref. (a). Closing the literature gap, time to breakdown data under unipolar AC electric stress is presented. Comparison with results obtained under DC electric stress reveals that the DC degradation mechanism still dominates under unipolar AC load. This observation was found to hold over tested AC frequency, DC offset, and temperature ranges. As consequence, AC lifetime can be predicted based on DC time to breakdown experiments (b). To enhance the physical understanding of degradation and breakdown, variation of the leakage current over time during electrical load is analyzed. An enhanced physical model for leakage current degradation is proposed and degradation kinetics are studied experimentally. For the first time, more than one defect species being active and manifesting in leakage current degradation of perovskite oxides are proposed and experimental evidence is presented to substantiate the hypotheses. Model predictions and experimental results are found to be in excellent agreement. The proposed characterization method allows for characterization of contributing defect types by associated charge and true activation energy (c). Based on experimental observations, a direct connection between leakage current degradation mechanism and time dependent dielectric breakdown (TDDB) mechanism is proposed and formulated in a physical model. For the first time, kinetics of leakage current degradation and TDDB are successfully linked, using new evaluation methods for the experimental data obtained under DC and AC electrical stress. This pioneering connection between leakage current and breakdown ultimately leads to the fundament of a comprehensive HALT model. Fundamental implications of the new findings on reliability testing of high-k dielectrics are discussed. / Methoden zur Zuverlässigkeitsbewertung und ein tiefes Verständnis der Degradationsmechanismen sind wichtig für die Produkt- und Prozessentwicklung. In dieser Arbeit wird die Zuverlässigkeit eines auf dem Stand der Technik befindlichen integrierten niedertemperatur PVD PZT Dünnschichtstapels unter elektrischer Last diskutiert. Lebenszeit unter Gleichstrom- (DC) und Wechselstromlast (AC) werden experimentell über weite Bereiche der Temperatur und angelegter Feldstärke untersucht. Empirische Weibull Analyse und Vergleich der erhaltenen Weibull-Module werden verwendet, um Beschleunigungsbereiche für empirische Testverfahren zu bewerten. Eine Veränderung der Weibull-Module oberhalb von 150 °C und eine graduelle Veränderung für Spannungsbeschleunigung im Bereich von 100 kV/cm bis 200 kV/cm wurden festgestellt. Dies weist darauf hin, dass beschleunigte Lebenszeittests im Temperaturbereich unterhalb von 150 °C möglich sind, Spannungsbeschleunigung jedoch mit hoher Vorsicht zu bewerten ist. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind ebenfalls in Ref. (a) veröffentlicht. Durch die Präsentation von Durchbruchzeiten unter unipolarer AC-Belastung wird eine Forschungslücke geschlossen. Ein Vergleich mit Ergebnissen, die unter Gleichstrombelastung erhoben wurden zeigt, dass Degradationsmechanismen, die unter DC aktiv sind unter unipolarer AC-Belastung das Durchbruchverhalten weiterhin dominieren. Diese Beobachtung hat Bestand über die untersuchten Bereiche von AC-Frequenz, DC-Versatz und Temperatur. Daraus folgt, dass Lebenszeit unter AC-Belastung durch Experimente unter DC vorhergesagt werden kann (b). Um das physikalische Verständins von Degradation und Durchbruch zu erweitern, wird die Veränderung des Leckstroms über elektrischer Belastungszeit analysiert. Ein erweitertes physikalisches Modell für die Leckstromdegradation wird vorgeschlagen und die Degradationskinetik wird experimentell untersucht. Zum ersten Mal, werden mehr als zwei aktive Defektarten, die sich in der Leckstromdegradation von Perowskit Oxiden abzeichnen eingebracht und durch experimentelle Befunde untermauert. Modellvorhersagen und experimentelle Ergebnisse zeigen eine exzellente Übereinstimmung. Die vorgeschlagene Charakterisierungsmethode erlaubt die Charakterisierung der beteiligten Defektarten über zugeordneter Ladung und wahrer Aktivierungsenergie (c). Basierend auf experimentellen Beobachtungen wird ein direkter Zusammenhang zwischen Leckstromdegradation und zeitabhängigem dielektrischen Durchbruchmechanismus (TDDB) vorgeschlagen und in einem physikalischen Modell abgebildet. Zum ersten Mal werden die Kinetik hinter Leckstromdegradation und TDDB über neue Auswerteverfahren der erhobenen experimentellen Daten unter DC- und AC-Belastung erfolgreich verknüpft. Dieser wegweisende Zusammenhang zwischen Leckstromdegradation und Durchbruch legt das Fundament zu einer verständnisbasierten stark beschleunigten Grenzlastprüfung. Grundlegende Auswirkungen der neuen Ergebnisse auf Zuverlässigkeitstestmethoden von high-k Dielektrika werden diskutiert.

Thermochemical heat storage (TCS) is a thermal energy storage (TES) technology used to store thermal energy for later use. TCS can provide heating or cooling services from intermittently available thermal energy, often low grade waste heat. The system studied here stores and releases the energy in the form of chemical energy by utilizing reversible chemical reactions. TCS has potential to reduce greenhouse gas emissions, increase infrastructure system efficiency, lower society-wide energy system costs and by that contribute to sustainable development. This thesis is part of a joint TCS research project named Neutrons for Heat Storage (NHS), involving three research institutes. The project is funded by Nordforsk and KTH Royal Institute of Technology. KTH´s objective in the NHS project is to design, build and operate a bench-scale TCS system using strontium chloride (SrCl2) and ammonia (NH3) as a solid-gas reaction system for low-temperature heat storage (40-80 ℃). Here, absorption of NH3 into SrCl2⋅NH3 (monoammine) to form SrCl2⋅8NH3 (octaammine) is used for heat release, and desorption (of NH3 from SrCl2⋅8NH3 to form SrCl2⋅NH3) for heat storage. Prior to this thesis project, this TCS system, as well as its reactor+heat exchanger (R-HEX) units, were numerically designed at KTH, and the R-HEX units were manufactured. This system is now being built at the laboratory of Applied Thermodynamics and Refrigeration division at the Department of Energy Technology, KTH. The initial system is comprised of a shared storage tank, expansion valve, ammonia meter and an R-HEX (absorption path); and an R-HEX, ammonia meter, gas cooler, compressor, condenser, and the storage tank (desorption path), to accommodate absorption, desorption, and NH3 storage. This thesis was originally planned to include commissioning, operation and experimental data acquisition, and performance evaluation of this system. However, due to various delays and shortcomings discovered at the beginning of the project, its objectives were then redefined to review the system and its components and propose necessary design adaptations of the initially designed (and partially built) system. This thesis project was partly a joint project, where Harish Seetharaman performed various tasks in the overarching NHS project as part of his own thesis project, performed alongside the work described in this report. For various information and results, referring to Harish´s report therefore will be necessary. A literature review of the research into SrCl2-NH3 systems was conducted, with emphasis on performance evaluation, kinetics, and reaction paths. TES performance evaluation is discussed concerning the TCS key performance indicators, with the 2018 IEA's Annex 30 as a guideline and 2013 IRENA´s E17 technology brief as a comparative reference. Much progress and refinement has been made in the 5-year span between the publications of these documents, but some adaptations and interpretations still need to be made to the Annex 30 approach for a good approach to a TCS system of similar nature as the one studied in this report. Review of the latest research on the kinetics and reaction path of the SrCl2-NH3 reaction pair revealed that the 100-year-old single-line-and-path reaction expression is an oversimplification of the actual chemistry. The reaction path seems to be dependent on the kinetics of the reaction, and varies with heating rate, temperature, and pressure. Various literature was found and compared, which show that the reaction enthalpies and entropies are not settled science. This demonstrates the necessity for further research into the SrCl2-NH3 reaction pair before application-scale product design and commercialization can take place. A comprehensive equipment and system review was conducted, whereby multiple issues were found and addressed, that if gone unnoticed, would have caused difficult setbacks for the project.  Consequently, the previous purchased ammonia flow meters and ammonia compressor, were exchanged for new and better suiting equipment. The original ammonia flow meters were undersized due to miscalculations of converting flow units of NLPH (Normal Liters Per Hour) to the project units of g/s, while wrongly using the density of compressed ammonia to convert to g/s, instead of it at the defined normal conditions. Furthermore, these flow meters were of the wrong type, as they had no digital output for data acquisition. The original compressor was also severely undersized, only capable of evacuating 7-14% of the expected maximum desorption flow. This was due to a similar miscalculation during conversion of NLMP (Normal Liters Per Minute) to g/s, as well as an unrequested compressor stroke reduction. New solutions and additional equipment were then required to accommodate the operational limitations discovered in the final chosen equipment and system configuration. These include limiting the compressor inlet pressure to a maximum of 1.1 bar(a); avoiding risk of NH3 condensation at them inlets of the new mass flow meters and compressor; and maintaining the flow meter and compressor inlet temperatures below 40 °C. The pressure limitations required considerable design adaptations. Firstly, an ammonia by-pass is introduced to keep feeding ammonia into the compressor during low desorption flows. The inlet pressure limitation necessitated active pressure management in the form of pressure reduction valves, which were thus introduced. Secondly, the condensation regulation and temperature management required a new approach, as the cooling and condensation temperatures in the original design were too low, causing risks of far too low temperature and pressure in the desorption path, as well as counter-acting simultaneous heating and cooling between the condenser and the storage tank heating sleeve. As a solution, a shunt pump is proposed, where constant cooling water temperature provides condensation on a tight temperature range using an infinite cold wall approach. Along with reviewing the equipment and the system design, new procedures concerning investigating and confirming homogeneous heat transfer properties of the reactors are proposed. Furthermore, improvements are suggested concerning the commissioning of the experimental rig, that include equipment testing with N2-gas and stepwise changes in temperature in sequential cycles to gain a good understanding of the likely behaviors of the system before it is run at the extremes of the operating range. In conclusion, a new and improved process flow diagram, showing all these adaptations, additions, and changes from the original diagram is presented herein as the final key contribution to the overarching NHS-project. This is complemented with an instruction manual, to allow the next researchers a smooth continuation, in terms of the system build, and later commissioning and operation. Finally, some suitable next steps in the project are suggested. These include a conceptualization of descriptive functions for the performance and behavior of the specific system and reactors. These functions are proposed with temperature and pressure as independent variables, as these are two main variables influencing the kinetics of the reaction in the given system. As no experimental data exists yet, the form of the proposed functions is generic. Furthermore, a suggestion is made for a future adaptation for achieving the phase change from NH3(g) to NH3(l) (which is the storage form of ammonia in the system) by deep cooling at the desorption pressure, resulting in only a liquid pump being required to raise the pressure of the NH3(l) in the storage tank. / Termokemisk energilagring (TCS) är en teknik inom termisk energilagring (TES) som används för att lagra termisk energi för senare bruk. TCS kan tillhandahålla värme och kyla från periodvis tillgänglig termisk energi, ofta lågtemperatur spillvärme. Systemet lagrar energin som kemisk energi genom att använda reversibla kemiska reaktioner och massaseparation av reaktions-produkterna. TCS har potential att minska utsläppet av växthusgaser, öka effektiviteten av system i vår infrastruktur, minska energikostnader i samhället och därmed bidra till hållbar utveckling. Detta exjobbsprojekt är en del av ett gemensamt TCS-forskningsprojekt som heter Neutrons for Heat Storage (NHS), där tre forskningsinstitut deltar. Projektet är finansierat av Nordforsk och Kungliga Tekniska Högskolan. KTH:s mål med NHS-projektet är att projektera, bygga, samt driva ett TCSsystem i bänkskala med strontiumklorid (SrCl2) och ammoniak (NH3) som ett fast-gasreaktionssystem för lågtemperaturvärmelagring (40-80 ℃). Här används absorption av NH3 till SrCl2⋅NH3 (monoammin) för att bilda SrCl2⋅8NH3 (oktaammin) för värmeurladdning och desorption (av NH3 från SrCl2⋅NH3 till SrCl2⋅NH3) för värmelagring. Innan detta exjobbsprojekt började hade detta TCS-system, samt systemets reaktor+värmeväxlare (R-HEX) enheter varit numeriskt projekterad vid KTH, och R-HEX-enheterna hade redan tillverkats. Detta system byggs nu på laboratoriet för Avdelningen för tillämpad termodynamik och kylning vid Institutionen för Energiteknik, KTH. Det initiala systemet består av en gemensam lagringstank, expansionsventil, ammoniakmätare, och en R-HEX (systemets absorptionssida) och en R-HEX, ammoniakmätare, gaskylare, kompressor, en kondensor, och en gemensamma lagringstanken (desorptionssidan), for att rymma absorption, desorption (samtidigt) och NH3-lagring. Exjobbsprojektet var ursprungligen planerat att inkludera driftsättning, drift och experimentdatainsamling samt utvärdering av systemet. På grund av olika förseningar och brister som upptäcktes i projektet, omdefinierades projektets mål och består nu av att granska systemet och, samt att föreslå nödvändiga designanpassningar av det ursprungligen konstruerade systemet och dess komponenter. Projektet var delvis ett gemensamt arbete, där Harish Seetharaman utförde olika uppgifter i det övergripande NHS projektet som en del av sitt eget exjobbssprojekt. För olika uppgifter och resultat kommer det därför att vara nödvändigt att hänvisa till Harishs rapport. Litteraturstudié av forskningen kring SrCl2-NH3 system genomfördes, med betoning på prestandautvärdering, kinetik och reaktionsvägar. Prestandautvärdering av TES system diskuteras angående TCS-nyckelindikatorer, med 2018 års IEA:s Annex 30 som riktlinje och IRENA:s E17 Teknologi-sammandrag från 2013 som en referens. Många framsteg och förbättringar har gjorts under femårsperioden mellan dessa publikationer, men vissa anpassningar och tolkningar måste fortfarande härledas till metoderna i Annex 30 för att få ett bra förhållningssätt till ett TCS-system av liknande karaktär som det som studeras i detta projekt. Granskning av den senaste forskningen avseende reaktionskinetik och reaktionsvägar för SrCl2-NH3 reaktionsparet visade att det hundraåriga enkellinje-och-reaktionsväg-formuleringen är en förenkling av den faktiska kemin. Reaktionsvägen verkar beroende av reaktionens kinetik och varierar med uppvärmnings-takten, temperaturen och även trycket. Olika litteratur jämfördes som visar att reaktionsentalpierna och entropierna inte är fastställd vetenskap. Detta visar behovet av ytterligare forskning avseende SrCl2-NH3 innan produktdesign och kommersialisering i applikations-skala kan utföras. En omfattande granskning av systemet och dess komponenter genomfördes, där flera problem hittades och åtgärdades. Om dessa problem hade gått obemärkt förbi skulle det ha orsakat svåra bakslag för projektet. Följaktligen byttes de tidigare köpta ammoniakflödesmätarna ut till nya och en ammoniakkompressor byttes ut mot en ny, för tillämpningen bättre anpassad. De ursprungliga ammoniak-flödesmätarna var underdimensionerade pga. felberäkningar i omvandling av flödesenheter för NLPH (normal liter per timme) till projektenheterna g/s. Samtidigt var densiteten av komprimerad ammoniak felaktigt använt för omvandling till g/s, istället för densiteten vid de definierade normala förhållandena; 1 bar (a) och 20 ° C. Dessutom var dessa flödesmätare av fel typ, eftersom de inte hade någon digital utgång för datainsamling. Den ursprungliga kompressorn var också kraftigt underdimensionerad, endast kapabel att evakuera 7-14% av det förväntade maximala desorptionsflödet. Detta berodde på en liknande felberäkning vid konvertering av NLPM (normal liter per minute) till g/s, samt en oönskad kompressorslagsminskning. Nya lösningar och ytterligare utrustning krävdes för att tillgodose de operativa begränsningar som upptäcktes i den slutgiltigt valda utrustningen och systemutformningen. Dessa inkluderar: begränsa kompressorns inloppstryck till maximalt 1,1 bar(a); undvika risk för NH3 kondens i de nya massflödesmätarna och kompressorn; samt bibehålla flödesmätarens och kompressorns inloppstemperaturer under 40 °C. Tryckbegränsningarna krävde omfattande projekteringsanpassningar. För det första införs en ammoniak-by-pass för att fortsätta mata ammoniak till kompressorn under låga desorptionsflöden. Inloppstrycksbegränsningen nödvändiggjorde aktiv tryckhantering i form av tryckreduceringsventiler. För det andra krävde kondensregleringen och temperaturhanteringen en ny strategi, eftersom kyl- och kondenseringstemperaturerna i den ursprungliga utformningen var för låga. Detta orsakade risker för alldeles för låg temperatur och tryck på desorptionssidan, samt samtidigt motverkande uppvärmning och kylning av kondensorn och förvaringstankens värmehylsa. Som en lösning föreslås en shunt där konstant kylvattentemperatur ger kondens i ett tätt temperaturintervall med en oändlig kallväggsinriktning. Tillsammans med granskning av utrustningen och systemutformningen föreslås nya tillvägagångssätt för undersökning och bekräftelse av reaktorers förmodade homogena värmeöverförings-egenskaper. Dessutom föreslås förbättringar av idrifttagningen av den experimentella riggen, som inkluderar utrustningstestning med N2-gas och stegvisa temperaturförändringar i sekventiella körningar för att få en god förståelse för systemets troliga beteenden innan det körs i ytterligheterna av systemts arbetsområde. Sammanfattningsvis presenteras ett nytt och förbättrat processflödesdiagram, som visar alla utförda anpassningar, tillägg och ändringar från det ursprungliga diagrammet, som är avhandlingsprojektets huvudbidrag till det övergripande NHS-projektet. Detta kompletteras med en bruksanvisning för att smidigt fasa in kommande forskare avseende systemets konstruktion, driftsättning, och drift. Slutligen föreslås några lämpliga kommande steg i projektet. Dessa inkluderar en konceptualisering av beskrivande funktioner för prestanda och beteende av det specifika systemet och reaktorer. Dessa funktioner föreslås med temperatur och tryck som oberoende variabler, eftersom dessa är två huvudvariabler som påverkar reaktionens kinetik. Eftersom inga experimentella data ännu finns, är formen för de föreslagna funktionerna generisk. Vidare ges förslag om framtida anpassning för att uppnå fasändringen från NH3(g) till NH3(v) (som är lagringsformen för NH3 i systemet) genom djup nedkylning vid desorptionstrycket, vilket resulterar i att endast en vätskepump krävs för att höja trycket för NH3(v) i lagringstanken.

Zwei Modellreaktionen wurden mit thermoresponsiven Nanoreaktoren untersucht. Die Reduktion von 4-Nitrophenol und von Kaliumhexacyanidoferrat(III) mit Natriumborhydrid. Die Nanoreaktoren bestehen aus einem Polystyrol Kern, umgeben von einer Hydrogel Schale aus Poly-(N-Isopropylacrylamid). Die Reaktionen werden auf der Oberfläche von Metall Nanopartikeln in der Hydrogel Schale katalysiert. In einer auf Gold- und Silberkatalysatoren fokussierten Literaturstudie zeigte sich, dass der geschwindigkeitsbestimmende Reaktionsschritt zwischen beiden Metallen variieren könnte. Kinetische Studien mit Silber haben gezeigt, dass ein erfolgreich auf Gold angewandtes Modell modifiziert werden muss um auf Silber anwendbar zu sein und haben gezeigt, dass sich die Kinetik der Reaktion auf beiden Metallen unterscheidet. Die weitere Analyse ergab die typische, nicht der Arrhenius Abhängigkeit folgende, Abhängigkeit der Reaktionsrate von der Temperatur und hat gezeigt, dass die Partitionierung der Reaktanden im Hydrogel für das kinetische Modell relevant ist. Die Reduktion von Kaliumhexacyanidoferrat(III) auf Gold hat gezeigt, dass elektrostatische Effekte hier eine maßgebliche Rolle spielen. Ein kinetisches Modell wurde erarbeitet, dass die relevanten Einflussfaktoren durch Hydrogel, Geometrie der Nanoreaktoren, diffusions- und elektrostatische Effekte miteinbezieht. Die gewonnenen Daten konnten mittels eines auf der Auswertung des stationären Zustands basierenden Modells erfolgreich gefittet werden. Hierbei wurde das komplexe Zusammenspiel von elektrostatischen Effekten, deren Abschirmung und Einfluss auf die Diffusion sowie die Reaktionsrate gezeigt. Mit wenigen physikalisch aussagekräftigen Fitparametern konnten alle beobachteten Effekte erfolgreich erklärt werden. Der Vergleich der Reduktion von 4-Nitrophenol und von Hexacyanidoferrat(III) zeigt hierbei die entscheidenden Faktoren sowohl für reaktions- als auch für diffusionskontrollierte Reaktionen in thermoresponsiven Hydrogelen. / Two model reactions were investigated with thermoresponsive core-shell nanoreactors, the reduction of 4-nitrophenol and of potassium hexacyanoferrate(III), both reduced with sodium borohydride. The nanoreactors comprise of a polystyrene core surrounded by a hydrogel shell of poly-N-isopropylacrylamide (PNIPAM) crosslinked with N,N’-methylenebisacrylamide. Metal nanoparticles are immobilized inside the hydrogel shell on the surface of which the model reactions are catalyzed. In the reduction of 4-nitrophenol, special emphasis is laid on the reduction on gold and silver catalysts. A literature review of mechanistic as well as kinetic studies reveals that the rate determining step may differ between the two catalyst metals. Kinetic investigations with a silver catalyst reveal that the kinetic model derived previously for gold catalysts needs to be modified for the kinetic analysis in this study, confirming a difference in the kinetics for both catalyst metals. The temperature dependent analysis reveals the typical non-Arrhenius dependency of the reaction rate and shows that the partition ratio of the reactants is relevant for the kinetics. The reduction of potassium hexacyanoferrate(III) on gold reveals that electrostatic effects play a major role in this reaction. A new kinetic model is derived, accounting the relevant influence factors of the hydrogel, the nanoreactor geometry, diffusional and electrostatic effects. With a stationary state approach the experimental data are fitted successfully, revealing the complex interplay of electrostatic effects, the screening thereof and the influence on diffusion and reaction rate. With only a few physically meaningful fit parameters all observed effects can be explained successfully. The comparison of the reduction of 4-nitrophenol and potassium hexacyanoferrate(III) highlights the decisive factors in both, reaction and diffusion controlled reactions inside thermoresponsive hydrogels.

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In dieser Arbeit wird die Synthese neuartiger 5-monosubstituierter Barbituratfarbstoffe mit elektronenziehenden Substituenten in 5-Position beschrieben. Durch diese Funktionalisierung entstehen schaltbare Farbstoffe mit einer farblosen Ketoform und einer farbigen Enolform. Die Einflüsse verschieden stark elektronenziehender Substituenten sowie unterschiedlich großer konjugierter π-Systeme auf die Keto-Enol-Tautomerie wurden untersucht. Dies erfolgt einerseits mittels Röntgeneinkristallstrukturanalysen der Festkörper und andererseits mit solvatochromen Untersuchungen in Lösung. Durch die Keto-Enol-Tautomerie der Barbituratfarbstoffe wird die Wasserstoffbrücken¬bindungssequenz beim Übergang zwischen Keto- und Enol-Form verändert. Es wurde gezeigt, dass durch Zugabe von Rezeptoren mit komplementärer Wasserstoffbrückenbindungssequenz zur Enol-Form das tautomere Gleichgewicht der Barbitursäuren hin zur Enol-Form verschoben werden kann. Um hierzu verlässliche Aussagen zu erhalten wurden vergleichende Experimente mit N,N´-dialkylierten Barbituratfarbstoffen durchgeführt. Aufgrund der Synthesestrategie der Barbituratfarbstoffe, welche ausgehend von Barbituratanionen über nukleophile aromatische Substitutionsreaktionen hergestellt wurden, war es zweckmäßig die Nukleophilieparameter der Barbituratanionen zu ermitteln. Dazu wurde der Ansatz von Mayr gewählt und die Nukleophilie von vier Barbituratanionen bestimmt. Weiterhin konnte in dieser Arbeit die Charakterisierung von ionischen Flüssigkeiten nach der 4-Parameter-Gleichung von Catalán umgesetzt werden. Dabei gelang es erstmal für eine vielzahl verschiedener ionischer Flüssigkeiten die Polarisierbarkeit und Dipolarität getrennt voneinander mit Hilfe zweier solvatochromer Farbstoffe zu ermitteln.

In dieser Arbeit wurden zwei katalytische Modellreaktionen studiert. Zunächst die katalytische Reduktion von p-Nitrophenol (Nip) mit Natriumborhydrid (BH_4^-). Diese verläuft entlang der direkten Route: Dabei wird Nip über p-Hydroxylaminophenol (Hx) zum Produkt p-Aminophenol (Amp) reduziert. Ein kinetisches Modell wird vorgestellt, dass die Reaktion auf Basis des Langmuir-Hinshelwood (LH) Mechanismus beschreibt. Die Lösung der Gleichungen gibt die Nip Konzentration als Funktion der Zeit, welche direkt mit den experimentellen Daten verglichen werden kann. Werden als Katalysator auf sphärischen Polyeletrolytbürsten stabilisierte Gold Nanopartikel (SPB-Au) verwendet, zeigt sich eine gute Übereinstimmung und unterstreicht die Allgemeingültigkeit der direkten Route. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der katalytischen Oxidation von 3,3’,5,5’-Tetramethylbenzidin (TMB) durch Wasserstoffperoxid (H_2O_2) an SPB-Pt Nanopartikeln. Dabei wurden die Katalyse mithilfe zweier Modelle analysiert: Michaelis-Menten (MM) und Langmuir-Hinshelwood (LH). Im MM Modell wird die Oxidation von TMB durch die Nanopartikel mit der Peroxidase katalysierten TMB Oxidation unter Annahme des Ping-Pong Mechanismus verglichen. Es wurde gezeigt, dass die häufig verwendete Analyse der initialen Reaktionsraten große Fehler verursacht und zu inkonsistenten Ergebnissen führt. Dies zeigt dass dieses Vorgehen zu Analyse der Oxidation von TMB nicht geeignet ist. Im LH Modell wird angenommen dass H_2O_2 und TMB im ersten Schritt auf der Oberfläche der Nanopartikel adsorbieren. Das LH Modell mit Produktinhibition ermöglicht hierbei eine zufriedenstellende Beschreibung der kinetischen Daten bis zu einem Umsatz von 40 %. Die gesamte Analyse zeigt, dass das Langmuir-Hinshelwood Modell die bessere Näherung zur Beschreibung der Kinetik der Nanopartikel katalysierten TMB Oxidation bietet / In this work, two catalytic model reactions were studied using different metallic nanoparticles in aqueous solution. One is the catalytic reduction of p-nitrophenol (Nip) by sodium borohydride (BH_4^-). The reaction proceeds in the following route: Nip is first reduced to p-hydroxylaminophenol (Hx) which is further reduced to the final product p-aminophenol (Amp). Here we present a full kinetic scheme according to Langmuir-Hinshelwood mechanism (LH). The solution of the kinetic equations gives the concentration of Nip as the function of time, which can be directly compared with the experimental data. Satisfactory agreement is found for reactions catalyzed by Au nanoparticles immobilized in spherical polyelectrolyte brushes (SPB-Au) verifying the validity of the reaction route. In the second part, we present a study on the catalytic oxidation of 3,3’,5,5’-tetramethylbenzidine (TMB) by hydrogen peroxide (H_2O_2) with SPB-Pt nanoparticles. The catalysis was analyzed by two different models: Michaelis-Menten (MM) and Langmuir-Hinshelwood (LH) model. In the MM model, the oxidation of TMB catalyzed by nanoparticles is inferred to the catalysis of peroxidase assuming the Ping-Pong mechanism. It is found that the frequently used analysis with the initial rates introduces large errors and leads to inconsistent results, which indicates that such approach is not suitable to analyze the oxidation of TMB catalyzed by nanoparticles. In the LH model, it is assumed that H_2O_2 and TMB adsorb on the surface of nanoparticles in the first step. The LH model with product inhibition gives satisfactory description of the kinetic data up to a conversion of 40%. The entire analysis demonstrates that the Langmuir-Hinshelwood model provides a superior approach to describe the kinetics of TMB oxidation catalyzed by nanoparticles.

Die vorliegende Dissertation behandelt Grundlagen und Anwendungen der nichtlinearen Terahertzspektrospie (THz). Diese Arbeit zeigt erstmalig, dass sich die Inversion des Quantenkaskadenlasers nach einer Störung schon innerhalb von hundert Femtosekunden wieder erholt. Außerdem wurde der exakte Generationsprozess von THz Impulsen in einem Laser-induzierten zwei-Farben Plasma untersucht. Durch Vergleich mit Simulationen wird eindeutig der Ionisationsstrom im Plasma als Quelle der THz Strahlung identifiziert. Neue Spektroskopiemethoden in ein und zwei Zeitdimensionen werden entwickelt und auf verschiedene Halbleiterstrukturen angewendet. So wird das elektrische Feld des THz-Impulses für Hochfeld-Transportexperimente genutzt. Im quanten-kinetischen Regime entkoppelt die Elektronbewegung von den Phononmoden des Kristalls, und quasi-ballistischer Transport wird möglich. Wir entwickeln ein dynamisches Polaronmodell, welches sowohl die experimentellen Ergebnisse auf kurzen Zeitskalen als auch Literaturwerte auf langen Zeitskalen zuverlässig reproduziert. Bei niedrigen Temperaturen von 80 K tritt zusätzlich THz-induziertes Interbandtunneln in GaAs auf. Die temperaturabhängige Tunnelrate hängt dabei wesentlich von der Dekohärenzrate des induzierten Prozesses ab. Desweiteren wird eine kollineare 2D THz Spektroskopiemethode entwickelt und erstmals an Quantentrogstrukturen angewendet. Eine komplizierte, nichtkollineare Strahlgeometrie ist prinzipiell nicht notwendig. Die eingeführten Frequenzvektoren erklären das zugrundeliegende N-Wellen Mischen analog zum Raum auch in der Zeit. So werden mit einer kollinearen Strahlgeometrie alle nichtlinearen Signale simultan gemessen werden. Mit diesem Konzept wurden Rabi-Oszillationen an Intersubbandübergängen in Signale verschiedener nichtlinearer Ordnung zerlegt. Die ersten 2D Korrelationsspektren im THz-Bereich demonstrieren die energetischen Kopplungen zwischen verschiedenen polaronischen Zuständen in einer Doppel-Quantentrogstruktur. / The presented thesis concerns fundamentals and applications of nonlinear terahertz (THz) spectroscopy. It is demonstrates that the a gain recovery time of a quantum cascade laser (QCL) amounts only to several hundred femtoseconds. We explored the generation process of THz pulses within a laser-induced two-color plasma and identified the ionisation current as the origin of the THz radiation. Novel methods of THz spectroscopy in one and in two dimensions are developed and applied to different semiconductor heterostructures. We use the electric field of THz pulses for high-field transport experiments. Within this quantum-kinetic regime, the electron velocity decouples from phonon modes of the crystal lattice and quasi-ballistic transport becomes feasible during the first hundreds of femtoseconds. We develop a dynamic polaron model, which reproduces the experimental results on short time scales as well as the published values on long time scales. At low temperatures of 80 K, we find additional THz-induced interband tunneling in GaAs. The temperature dependent tunneling rate depends essentially on the decoherence time of the induced process. Furthermore, a novel method of collinear 2D THz spectroscopy is developed and applied to quantum well structures. Frequency vectors are introduced to explain the underlying process of N-wave mixing not in space, but in time. This allows for a collinear beam geometry to measure all nonlinear signals simultaneously. We used this new method to decompose Rabi oscillations on intersubband transitions into nonlinear signals of different order. The first 2D correlation spectra in the THz frequency range demonstrate energetic couplings between polaronic states within an asymmetric double quantum well structure. Another experiment displays for the first time the 2D correlation spectrum of a 2pi Rabi flop on the intersubband transition of a multiple quantum well structure.