The diploma thesis deals with the registration of images taken with the multimodal holographic microscope (MHM). The summary covers the fluorescent and holographic microscopy, and the multimodal holographic microscope combining both these microscopy types. Every pair of the images needs to be aligned in order to gain new information by combining both image types. The thesis contains an algorithm that registers images by phase correlation as well as a process created in MATLAB in accordance with the algorithm. The most important procedure parameters’ influence on the registration success is described and the results are annotated.

Improving the quality of metal castings for serial production of automotive industry, leading to improvements in the properties of casts and their lower costs. This publication analyzes the non-metallic inclusions contained in casts of heads of internal combustion engines, molded of Nemak Czech Republic, Ltd. Tackling includes analysis of size, shape, chemical composition and hardness of the specific non-metallic inclusions. The thesis describes the purity metal holding furnaces and proposals to eliminate inclusions from metal.

This thesis deals with the combined ultra-high vacuum (UHV) and electrochemical (EC) studies of selected iron oxide surfaces, namely Fe3O4(001) and -Fe2O3(012). The state-of- the-art knowledge regarding these surfaces is briefly reviewed, and importance of understanding these materials in the electrochemical environment is discussed. The design of the transfer system between UHV and EC environment is presented; individual features of the system are thoroughly discussed and the system is used for testing the stability of the Fe3O4(001) (2×2)R45° surface reconstruction in ambient conditions. The experimental results presented in this thesis show that the Fe3O4(001) (2×2)R45° reconstruction, utilized as an adatom array for single atom catalysis studies, survives both exposure to air and to liquid water, if the exposure is achieved in well-controlled fashion. Further, this thesis presents the first-ever atomic scale scanning tunneling microscopy (STM) study of the -Fe2O3(012) surface, which is important for photoelectrochemical water splitting. STM images of two surface reconstructions of the -Fe2O3(012) surface known to date are presented. A bulk terminated model of the (1×1) reconstruction is confirmed and a novel surface structure model for the (2×1) reconstructed surface is proposed. Adsorption studies of H2O and O2 on the (2×1) reconstructed surface are documented by timelapse STM.

This thesis deals with image analysis methods which can be exploited in exoscopic analysis of sedimentary grains, specifically for the purpose of distinguishing between geomorphologic geneses which influenced a form of sedimentary grains. The images of sedimentary grains were acquired by a scanning electron microscope. The main contribution is the proposal of multiple methods that can significantly automate the exoscopic analysis. These methods cover the automatic segmentation of grains in image, the automatic analysis of roundness of 2D grain projection and the classification of geomorphologic geneses according to the grain surface structure. In the section concerning the automatic segmentation, a segmentation method enabling an easy subsequent manual result correction was proposed. This method is based on the split-and-merge approach. The individual steps the procedure were designed to exploit specific properties of sedimentary grain images in order to obtain the best segmentation results. In the section concerning the automatic roundness analysis of 2D projection of sedimentary grains, an influence of pixel resolution on a result roundness value was evaluated. Further, a minimal number of grains, which is necessary to analyze in order to reliably compare a pair of geomorphological geneses, was investigated. For the determination of this number, a method was proposed and experimentally verified. In the section of automatic analysis of sedimentary grain surface structure, a method for classification of geomorphologic geneses was proposed. The method utilizes low-level texture features which describes individual images of sedimentary grains. A model of geomorphological genesis is constituted of a set of histograms representing occurrences of different configurations of low-level texture features. The methods proposed in the thesis were tested and evaluated based on a database, which consists of sedimentary grain samples from 4 different geomorphological geneses (eolic, glacial, slope and volcanic).

In this thesis, we assume a pan-European issue of the decline of interest in science and science education. In connection with this issue we conducted a literature search. We have also mapped the literature related to the issue of education research in the Czech Republic and the rest of the world. In an effort to increase pupils' interest, increase enthusiasm for science, we deal with activation teaching methods that compare with frontal teaching. As a motivational method we chose a research method of teaching. We prepared a lesson, which we tested among pupils of secondary school. In this work we watched 16 hours in 6 classes. Those lectures were inquiry and frontal way led. The results are presented in the practical part of this thesis. During lectures we wanted to stimulate students' interest in science and science research. Keywords academic instruction, frontal teaching, science education, cooperation, sensors Pasco, microscope, pupil, elementary school, Key Competencies

Die eingereichte Dissertation beschäftigt sich mit der messtechnischen Erfassung sowie der Modellierung von Haftkräften zwischen rauen Oberflächen. Dabei wurden durch Variation von Flüssigkeiten sowie dem Nutzen beschichteter Oberflächen verschiedene Benetzungseigenschaften eingestellt und untersucht. Zusätzlich wurden neben dem Kontaktwinkel der untersuchten Systeme die freien Ober- und Grenzflächenenergien bestimmt und mit den Kräften korreliert. Es zeigte sich, dass Haftkräfte auf rauen Oberflächen stets über mehrere Größenordnungen verteilt vorliegen. Die Beschreibung der ermittelten Verteilungen ist dabei entweder durch statistischer Funktionen oder zumindest teils auch durch eine im Rahmen der Arbeit entwickelten Modellierung möglich. Weiterhin zeigte sich, dass eine Unterteilung in verschiedene Haftmechanismen (durch Kapillarbrücken oder van der Waals- sowie polare Wechselwirkungen) vorgenommen werden kann. Kapillarbrücken bilden dabei die größten Kräfte aus. Sie entstehen auf Grund nanoskaliger Blasen (Nanobubbles), welche vor allem auf schlecht benetzenden Oberflächen existieren.

Biologiska processer hos olika organismer påverkas av ultraviolett-B-strålning (UV-B). Kunskapen om förändringar i UV-B-flödet som nått planetens yta under det geologiska tidsspann sedan flercelligt liv uppstod är dock begränsad. Följaktligen har olika biologiska proxies använts som ett sätt att försöka rekonstruera UV-B-flödet som når jordens yta. Växter reagerar på fluktuationen av UV-B genom att variera produktionen av fenolföreningar såsom parakumarsyra (pCA) och ferulinsyra, och därför kan dessa beståndsdelar användas som UV-B-proxys. UV-B-absorberande föreningar (UAC) finns i växternas yttersta skikt, den så kallade kutikulan men även i pollen och sporer, vilka oftaär välbevarade i det geologiska arkivet. Ändå är användningen av kutikula som UV-B-proxy inte lika undersökt. Därför syftar denna magisteruppsats till att analysera kemiska förändringar i fossila växters från trias – jura-gränsen (c. 200 miljoner år gamla)  och deras potential som UV-B-proxys. Eftersom de fossila löven behövde rengöras från sediment och från förkolnat mesofyll, gjordes också en analys av de kemiska förändringarna som orsakades av de olika rengöringsstegen. Icke-destruktiva tekniker, som mikro-FTIR och konfokalt Raman-mikroskop, användes för analysen. Försöken visade att analysen endast kunde utföras med mikro-FTIR på grund av den höga auto-fluorescensen hos de fossila bladen  vilketförhindrade analys med Raman. Signifikanta förändringar orsakades då Schulzes reagens användes för borttagning av mesofyllet, vilket ledde till nitrering av kutikulan. Ett mindre aggressivt och mer hållbart alternativ till denna process har visat sig vara väteperoxid, vilket orsakade mindre förändringar av den fossila kutikulans kemiska sammansättning. Dessutom upptäcktes indikation på förekomst av UAC endast i Ginkgoites regnellii, vilket indikerar att eventuell nedbrytning av dessa föreningar inträffade under diagenesen av de andra analyserade fossilerna. / Biological processes of different organisms are impacted by ultraviolet-B radiation (UV-B). However, knowledge about alterations in the UV-B flux reaching the planet’s surface during the geological past is limited. Consequently, different biological proxies have been used as an approach to attempt reconstructing the UV-B flux reaching Earth’s surface. Plants respond to the fluctuation of UV-B by varying the production of phenolic compounds such as p-coumaric acid (pCA) and ferulic acid, and therefore these constituents can be used as UV-B proxies. UV-B-absorbing compounds (UACs) can be found in the cuticle, pollen, and spores, which are all well-preserved in the geological record. Nevertheless, the use of cuticles as UV-B proxy is not as explored. Hence, this Master’s thesis aimed to analyse chemical changes in the plant cuticles from the Triassic–Jurassic boundary and their potential as UV-B proxies. Moreover, as the cuticles needed to be cleaned from rocks and isolated from coalified mesophyll, an analysis of the chemical changes caused by the cleaning steps was also done. Non-destructive techniques, as micro-FTIR and confocal Raman microscope, were used for the analysis.  Yet, the analysis could only be conducted with micro-FTIR due to auto-fluorescence of the leaves preventing success with Raman. Main changes during the cleaning steps were caused using Schulze’s reagent, which led to nitration of the cuticles. A less aggressive and more sustainable alternative to this process is shown to be hydrogen peroxide, which caused minor alteration of the fossil cuticle’s chemical composition.  Moreover, indication of the presence of UACs was detected only in Ginkgoites regnellii, indicating that possible degradation of these compounds occurred during diagenesis of the other fossils analysed.

In dieser Arbeit wurden die beiden Membranen Schweinekornea und Rindernasenmukosa hinsichtlich ihrer Permeabilität für den lipophilen Arzneistoff Androstendion (AD), der sowohl zur ophthalmologischen Anwendung als auch für die nasale Applikation mit systemischer Wirkung von Interesse ist, verglichen. Zusätzlich wurden identische Versuche mit der synthetischen Membran, Nephrophan(r), durchgeführt. Neben der gepufferten Arzneistofflösung, für die aufgrund des differenzierten Membranaufbaus Permeationskoeffizienten (Peff) für AD im Verhältnis von 3:1:4 (Mukosa : Kornea : Nephrophan(r)) resultierten, standen zwei entwickelte wasserkontinuierliche, nicht-ionische Mikroemulsionen (ME) und ihre Einzelkomponenten als Trägerformulierungen bei den Permeationsstudien im Vordergrund. Darüber hinaus wurde ein ME-System mit einem kationischen Kotensid entwickelt, charakterisiert und in die Untersuchungen einbezogen. Die getesteten Trägerformulierungen führten an den einzelnen Membranen zu unterschiedlichen Ergebnissen. Um auch den "hydrophilen Permeationsweg" einzuschließen, wurde parallel Fluorescein-Na (FSC) als hydrophile Modellsubstanz getestet. Als mögliche Ursache für diese differenzierten Ergebnisse wurde ein Einfluss der Additiva und Formulierungen auf das Verteilungsverhalten des lipophilen AD zwischen Donatorlösung und Membran in Betracht gezogen und daher in einem weiteren Versuchsblock die Penetrationsrate untersucht. Darüber hinaus wurde parallel dazu der metabolische Abbau, den AD während des Membrandurchtritts durch die vorhandenen Enzyme erfahren kann, berücksichtigt. Die Resultate zeigten Übereinstimmung mit den Permeationsergebnissen indem die Additiva und Formulierungen die Penetration in das Gewebe und den Metabolismus mehr oder weniger herabsetzten. Zur Charakterisierung der systemischen Verfügbarkeit von AD nach nasaler Applikation wurden im Anschluss an die Permeations- und Penetrationsversuche In-vivo-Studien an Kaninchen durchgeführt, die hier allerdings lediglich mit orientierendem Charakter einbezogen werden konnten. Um schließlich die Verhältnisse am Auge bzw. den mehrschichtigen Tränenfilm hinsichtlich einer Applikation der ME-Systeme modellhaft zu simulieren, wurden biophysikalische Untersuchungen in einem Langmuir-Trog mit Meibom''schen Drüsensekret als Oberflächenfilm durchgeführt, die über mögliche Interaktionen der Formulierungen bzw. ihrer Bestandteile mit der Tränenlipidschicht des Auges Auskunft geben sollten. Hier zeigten sich günstige Einflüsse der ME auf die Tränenlipidschicht, die vor allem bei einer Anwendung der ME bei Trockenem Auge von Vorteil sein können. / In these studies in vitro permeability of porcine cornea and bovine nasal mucosa was investigated and compared to each other using the lipophilic drug androstenedione (AD), which is of interest for ocular use as well as nasal, systemical administration. Additionally, the artificial membrane, Nephrophan(r), was used for identical investigations. Because of the differentiated membrane structure AD-permeation behaviour out of buffer solution resulted in a ratio of permeability coefficients (Peff) of 3:1:4 (nasal mucosa : cornea : Nephrophan(r)). Furthermore, two water-continuous, non-ionic microemulsions (ME) and their isolated components were investigated as carrier formulations. Additionally, a new ME containing a cationic co-surfactant was developed, characterized and included in the permeability studies as well. Permeation out of these carrier formulations also resulted in different Peff in case of all tissues. For including studies of the hydrophilic transport way flourescein-sodium (FSC) was investigated as well representing a hydrophilic model substance. Influence of the additives and formulations on the partition behaviour of AD between membrane and donor solution was considered to partially cause these results. Therefore, penetration of AD was investigated together with the metabolic conversion of AD caused by enzymes located in the biological membranes. The additives and formulations decreased penetration into the tissue as well as metabolism of the drug. These findings corresponded with and could therefore explain the results of the permeability studies to some extend. For characterizing systemical availability of AD after nasal administration and improving the results of the permeability and penetration investigations in vivo studies using rabbits were carried out. However, these studies could give but marginal information and therefore be incorporated for orientation only. Furthermore, biophysical investigations were carried out using a Langmuir trough with Meibomian gland secrete (MGS) as the surface layer in order to simulate the multiple layer tear film. These studies were supposed to give some information about interactions between the ME or their isolated components, respectively, and the lipid layer of the tear film, regarding ocular administration of these formulations. The results showed suitable influence of the ME on the MGS, which can especially be advantageous for a use in Dry eye syndrome.

Hard x rays come along with a variety of extraordinary properties which make them an excellent probe for investigation in science, technology and medicine. Their large attenuation length in matter opens up the possibility to use hard x-rays for non-destructive investigation of the inner structure of specimens. Medical radiography is one important example of exploiting this feature. Since their discovery by W. C. Röntgen in 1895, a large variety of x-ray analytical techniques have been developed and successfully applied, such as x-ray crystallography, reflectometry, fluorescence spectroscopy, x-ray absorption spectroscopy, small angle x-ray scattering, and many more. Each of those methods reveals information about certain physical properties, but usually, these properties are an average over the complete sample region illuminated by the x rays. In order to obtain the spatial distribution of those properties in inhomogeneous samples, scanning microscopy techniques have to be applied, screening the sample with a small x-ray beam. The spatial resolution is limited by the finite size of the beam. The availability of highly brilliant x-ray sources at third generation synchrotron radiation facilities together with the development of enhanced focusing x-ray optics made it possible to generate increasingly small high intense x-ray beams, pushing the spatial resolution down to the sub-100 nm range. During this thesis the prototype of a hard x-ray scanning microscope utilizing microstructured nanofocusing lenses was designed, built, and successfully tested. The nanofocusing x-ray lenses were developed by our research group of the Institute of Structural Physics at the Technische Universität Dresden. The prototype instrument was installed at the ESRF beamline ID 13. A wide range of experiments like fluorescence element mapping, fluorescence tomography, x-ray nano-diffraction, coherent x-ray diffraction imaging, and x-ray ptychography were performed as part of this thesis. The hard x-ray scanning microscope provides a stable x-ray beam with a full width at half maximum size of 50-100 nm near the focal plane. The nanoprobe was also used for characterization of nanofocusing lenses, crucial to further improve them. Based on the experiences with the prototype, an advanced version of a hard x-ray scanning microscope is under development and will be installed at the PETRA III beamline P06 dedicated as a user instrument for scanning microscopy. This document is organized as follows. A short introduction motivating the necessity for building a hard x-ray scanning microscope is followed by a brief review of the fundamentals of hard x-ray physics with an emphasis on free-space propagation and interaction with matter. After a discussion of the requirements on the x-ray source for the nanoprobe, the main features of synchrotron radiation from an undulator source are shown. The properties of the nanobeam generated by refractive x-ray lenses are treated as well as a two-stage focusing scheme for tailoring size, flux and the lateral coherence properties of the x-ray focus. The design and realization of the microscope setup is addressed, and a selection of experiments performed with the prototype version is presented, before this thesis is finished with a conclusion and an outlook on prospective plans for an improved microscope setup to be installed at PETRA III. / Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften kommt harte Röntgenstrahlung in vielfältiger Weise in der Wissenschaft, Industrie und Medizin zum Einsatz. Vor allem die Fähigkeit, makroskopische Gegenstände zu durchdringen, eröffnet die Möglichkeit, im Innern ausgedehnter Objekte verborgene Strukturen zum Vorschein zu bringen, ohne den Gegenstand zerstören zu müssen. Eine Vielzahl röntgenanalytischer Verfahren wie zum Beispiel Kristallographie, Reflektometrie, Fluoreszenzspektroskopie, Absorptionsspektroskopie oder Kleinwinkelstreuung sind entwickelt und erfolgreich angewendet worden. Jede dieser Methoden liefert gewisse strukturelle, chemische oder physikalische Eigenschaften der Probe zutage, allerdings gemittelt über den von der Röntgenstrahlung beleuchteten Bereich. Um eine ortsaufgelöste Verteilung der durch die Röntgenanalyse gewonnenen Information zu erhalten, bedarf es eines sogenannten Mikrostrahls, durch den die Probe lokal abgetastet werden kann. Die dadurch erreichbare räumliche Auflösung ist durch die Größe des Mikrostrahls begrenzt. Aufgrund der Verfügbarkeit hinreichend brillanter Röntgenquellen in Form von Undulatoren an Synchrotronstrahlungseinrichtungen und des Vorhandenseins verbesserter Röntgenoptiken ist es in den vergangen Jahren gelungen, immer kleinere intensive Röntgenfokusse zu erzeugen und somit das räumliche Auflösungsvermögen der Röntgenrastermikroskope auf unter 100 nm zu verbessern. Gegenstand dieser Arbeit ist der Prototyp eines Rastersondenmikroskops für harte Röntgenstrahlung unter Verwendung refraktiver nanofokussierender Röntgenlinsen, die von unserer Arbeitsgruppe am Institut für Strukturphysik entwickelt und hergestellt werden. Das Rastersondenmikroskop wurde im Rahmen dieser Promotion in Dresden konzipiert und gebaut sowie am Strahlrohr ID 13 des ESRF installiert und erfolgreich getestet. Das Gerät stellt einen hochintensiven Röntgenfokus der Größe 50-100 nm zur Verfügung, mit dem im Verlaufe dieser Doktorarbeit zahlreiche Experimente wie Fluoreszenztomographie, Röntgennanobeugung, Abbildung mittels kohärenter Röntgenbeugung sowie Röntgenptychographie erfolgreich durchgeführt wurden. Das Rastermikroskop dient unter anderem auch dem Charakterisieren der nanofokussierenden Linsen, wobei die dadurch gewonnenen Erkenntnisse in die Herstellung verbesserten Linsen einfließen. Diese Arbeit ist wie folgt strukturiert. Ein kurzes einleitendes Kapitel dient als Motivation für den Bau eines Rastersondenmikroskops für harte Röntgenstrahlung. Es folgt eine Einführung in die Grundlagen der Röntgenphysik mit Hauptaugenmerk auf die Ausbreitung von Röntgenstrahlung im Raum und die Wechselwirkungsmechanismen von Röntgenstrahlung mit Materie. Anschließend werden die Anforderungen an die Röntgenquelle besprochen und die Vorzüge eines Undulators herausgestellt. Wichtige Eigenschaften eines mittels refraktiver Röntgenlinsen erzeugten Röntgenfokus werden behandelt, und das Konzept einer Vorfokussierung zur gezielten Anpassung der transversalen Kohärenzeigenschaften an die Erfordernisse des Experiments wird besprochen. Das Design und die technische Realisierung des Rastermikroskops werden ebenso dargestellt wie eine Auswahl erfolgreicher Experimente, die am Gerät vollzogen wurden. Die Arbeit endet mit einem Ausblick, der mögliche Weiterentwicklungen in Aussicht stellt, unter anderem den Aufbau eines verbesserten Rastermikroskops am PETRA III-Strahlrohr P06.

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