Die Dissertation verfolgt das Ziel, das Sedimentationsverhalten kolloidaler Suspensionen in Abhängigkeit von der Partikelkonzentration und den Partikelwechselwirkungen zu untersuchen und die Grenzen einer Sedimentationsanalyse im Zentrifugalkraftfeld auszuarbeiten. Um Effekte der Partikelagglomeration von den anderen Einflussfaktoren unterscheiden zu können, wurde besonderes Augenmerk auf die Gewährleistung der Suspensionsstabilität und deren messtechnischen Nachweis gerichtet. Im Submikrometerbereich gewinnen die zwischen den einzelnen Partikeln wirkenden nicht-hydrodynamischen Kräfte gegenüber Trägheits- oder Feldkräften an Bedeutung und können diese sogar dominieren. Infolgedessen ist der Zustand einer kolloidalen Suspension nicht mehr allein über die Partikelgrößenverteilung und die Partikelkonzentration definiert, sondern gleichfalls abhängig von den bestehenden Grenzflächeneigenschaften, die wiederum von solchen Eigenschaften der kontinuierlichen Phase wie pH-Wert oder Elektrolytgehalt abhängen. Im Zentrum der experimentellen Arbeiten stand die Untersuchung des Einflusses der Partikelkonzentration auf das Sedimentationsverhalten feinster Partikelsysteme. In der Literatur existiert keine einheitliche Beschreibung des Konzentrationseinflusses. In der Dissertation wurde die Suspensionsstabilität von Siliziumdioxid-Suspensionen gezielt beeinflusst, um deren Einfluss auf das Sedimentationsverhalten zu bewerten. Es wurde gezeigt, dass nur für instabile Suspensionen die erwartete Sinkgeschwindigkeitsüberhöhung existiert. Es wurde aber auch gezeigt, dass die bei unterschiedlichen Drehzahlen erhaltenen Sinkgeschwindigkeiten nicht über das Beschleunigungsvielfache skaliert werden können. Weiterhin wurde demonstriert, dass in solchen Systemen eine komplexe Abhängigkeit vom Feststoffgehalt existiert, weil die Koagulationsgeschwindigkeit auch von der Partikelkonzentration abhängt. Als geeignetes Kriterium zur Bewertung des Agglomerationszustandes monodisperser Partikelsysteme konnte die Breite der Sinkgeschwindigkeitsverteilung nachgewiesen werden. In Ergänzung zu den im Zusammenhang mit der Partikelkoagulation instabiler Suspensionen führen insbesondere bei elektrostatisch stabilisierten Partikelsystemen die mit der elektrochemischen Doppelschicht verbundenen Wechselwirkungen zu einer Beeinflussung der Suspensionsstruktur und folglich zu einer Beeinflussung hydrodynamischer Phänomene. Das wird in den bekannten Modellen nicht berücksichtigt und in der vorgelegten Arbeit am Sedimentationsverhalten monodisperser Partikelsysteme bei verschiedenen Elektrolytgehalten der kontinuierlichen Phase untersucht. Zu diesem Zweck wurden aus einer konzentrierten Suspension von 200 nm Partikeln und dem ihr zugehörigen Zentrifugat Suspensionsproben unterschiedlichen Feststoffgehaltes zubereitet. Mit einem Potenzansatz, wie er bereits von Richardson und Zaki für die Sedimentation von Mikrometerpartikeln verwendet wurde, konnte der experimentell bestimmte Zusammenhang zwischen der Sinkgeschwindigkeit und der Suspensionsporosität beschrieben werden. Dabei ist die Sedimentationsbehinderung umso ausgeprägter, je kleiner der Elektrolytgehalt, d.h. je ausgedehnter die Doppelschichtdicke ist. Die stark mit dem Elektrolytgehalt korrelierenden Werte für den Exponenten dieses Ansatzes liegen zwischen 5 und 10 im Gegensatz zu Richardson und Zaki von 4,65. Untersuchungen zum Konzentrationseinfluss mit gröberen Partikeln in elektrolytarmen Lösungsmitteln bestätigten die gegenüber dem Mikrometerbereich stärkere Sedimentationsbehinderung elektrostatisch stabilisierter kolloidaler Suspensionen. Zusätzlich zu den wissenschaftlichen Untersuchungen erfolgte die Konstruktion einer einfachen und robusten Sedimentationszelle mit optischer Messwerterfassung. Es wurde die Funktionstüchtigkeit eines zuverlässigen, partikelgrößenselektiven Messgerät z.B. für Industrielabore zur Optimierung von Sedimentationsprozessen demonstriert. / The sedimentation of stabilized suspensions strongly depends on the particle concentration. Even for dilute systems the decrease of the settling velocity compared to that of isolated particles is quite significant. This is primarily due to hydrodynamic interactions (HI), which are long-range interaction, since disturbances in the flow field decline reciprocally with the distance from the surface. The sedimentation of colloidal particles is additionally affected by the electric double layer surrounding them. The double layer leads to electro-viscous effects as well as to electrostatic repulsion between neighboring particles. Both phenomena can amplify the hydrodynamic hindrance to considerable extent. In this dissertation thesis an experimental study on the influence of double layer thickness on the sedimentation of charged colloidal particles is presented. Investigations were carried out using an optical centrifuge, in which the sedimentation velocity of monosized sub-micrometer silica particles were studied at different particle concentration and varying ionic strength. The results are discussed with regard to the applicability of theoretical models and (semi-)empirical approximations. Richardson and Zaki had determined a power law exponent of 4.65 for hard sphere systems in the 100 micrometer range. In the experimental work for sub-micrometer particles the exponent was determined between 5 (low double layer thickness at high electrolyte concentration) and 10 (high double layer thickness at low electrolyte concentration). Additionally a simple and robust device for gravitational sedimentation analysis by optical signal sensing was designed. It enables industrial application for the optimization of sedimentation processes.

In the numerical simulation of fluid flow and solute transport in porous media, finite element method (FEM) has long been utilized and has been proven to be efficient. In this work, an alternative approach called random walk particle tracking (RWPT) method is proposed. In this method, a finite number of particles represent the distribution of a solute mass. Each particle carries a certain fraction of the total mass and moves in the porous media according to the velocity field. The proposed RWPT model is established on a scientific software platform OpenGeoSys (OGS), which is an open source initiative for numerical simulation of thermo-hydro-mechanical-chemical (THMC) processes in porous media. The flow equation is solved using finite element method in OGS. The obtained hydraulic heads are numerically differentiated to obtain the velocity field. The particle tracking method does not solve the transport equation directly but deals with it in a physically stochastic manner by using the velocity field. Parallel computing concept is included in the model implementation to promote computational efficiency. Several benchmarks are developed for the particle tracking method in OGS to simulate solute transport in porous media and pore space. The simulation results are compared to analytical solutions and other numerical methods to test the presented method. The particle tracking method can accommodate Darcy flow as it is the main consideration in groundwater flow. Furthermore, other flow processes such as Forchheimer flow or Richards flow can be combined with as well. Two applications indicate the capability of the method to handle theoretical real-world problems. This method can be applied as a tool to elicit and discern the detailed structure of evolving contaminant plumes. / Bei der numerischen Simulation von Strömung und Stofftransport in porösen Medien hat die Nutzung der Finite-Elemente-Methode (FEM) eine lange Tradition und wird sich als effizient erweisen. In dieser Arbeit wird ein alternativer Ansatz, die random walk particle tracking (RWPT) Methode vorgeschlagen. Bei diesem Verfahren stellt eine endliche Anzahl von Partikeln die Verteilung eines gelösten Stoffes dar. Jedes Teilchen trägt einen bestimmten Bruchteil der Gesamtmasse und bewegt sich in den porösen Medien gemäß des Geschwindigkeitsfeldes. Das vorgeschlagene RWPT Modell basiert auf der wissenschaftlichen Softwareplattform OpenGeoSys (OGS), die eine Open-Source-Initiative für die numerische Simulation thermo-hydro-mechanisch-chemischen (THMC) in porösen Medien darstellt. Die Strömungsgleichung wird in OGS mit der Finite-Elemente-Methode gelöst. Der Grundwasserstand wird numerisch berechnet, um das Geschwindigkeitsfeld zu erhalten. Die Partikel-Tracking-Methode löst die Transportgleichung nicht direkt, sondern befasst sich mit ihr in einer physikalisch stochastische Weise unter Nutzung des Geschwindigkeitsfeldes. Zur Berücksichtigung der Recheneffizienz ist ein Parallel Computing-Konzept in der Modell-Implementierung enthalten. Zur Simulation des Stofftransports in porösen Medien und im Porenraum wurden mehrere Benchmarks für die Partikel-Tracking-Methode in OGS entwickelt. Die Simulationsergebnisse werden mit analytischen Lösungen und andere numerische Methoden verglichen, um die Aussagefähigkeit des vorgestellten Verfahrens zu bestätigen. Mit der Partikel-Tracking-Methode kann die Darcy-Strömung gelöst werden, die das wichtigste Kriterium in der Grundwasserströmung ist. Außerdem bewältigt die Methode auch andere Strömungsprozesse, wie die Forchheimer-Strömung und die Richards-Strömung. Zwei Anwendungen zeigen die Leistungsfähigkeit der Methode bei der prinzipiellen Handhabung von Problemen der realen Welt. Die Methode kann als ein Instrument zur Aufdeckung Erkennung der detaillierte Struktur von sich entwickelnden Schadstofffahnenangewendet werden.

The design and optimization of entrained flow gasifiers is conducted more and more via computational fluid dynamics (CFD). A detailed resolution of single coal particles within such simulations is nowadays not possible due to computational limitations. Therefore the coal particle conversion is often represented by simple 0-D models. For an optimization of such 0-D models a precise understanding of the physical processes at the boundary layer and within the particle is necessary. In real gasifiers the particles experience Reynolds numbers up to 10000. However in the literature the conversion of coal particles is mainly regarded under quiescent conditions. Therefore an analysis of the conversion of single particles is needed. Thereto the computational fluid dynamics can be used. For the detailed analysis of single reacting particles under flow conditions a CFD model is presented. Practice-oriented parameters as well as features of the CFD model result from CFD simulations of a Siemens 200MWentrained flow gasifier. The CFD model is validated against an analytical model as well as two experimental data-sets taken from the literature. In all cases good agreement between the CFD and the analytics/experiments is shown. The numerical model is used to study single moving solid particles under combustion conditions. The analyzed parameters are namely the Reynolds number, the ambient temperature, the particle size, the operating pressure, the particle shape, the coal type and the composition of the gas. It is shown that for a wide range of the analyzed parameter range no complete flame exists around moving particles. This is in contrast to observations made by other authors for particles in quiescent atmospheres. For high operating pressures, low Reynolds numbers, large particle diameters and high ambient temperatures a flame exists in the wake of the particle. The impact of such a flame on the conversion of the particle is low. For high steam concentrations in the gas a flame appears, which interacts with the particle and influences its conversion. Furthermore the impact of the Stefan-flow on the boundary layer of the particle is studied. It is demonstrated that the Stefan-flow can reduce the drag coefficient and the Nusselt number for several orders of magnitude. On basis of the CFD results two new correlations are presented for the drag coefficient and the Nusselt number. The comparison between the correlations and the CFD shows a significant improvement of the new correlations in comparison to archived correlations. The CFD-model is further used to study moving single porous particles under gasifying conditions. Therefore a 2-D axis-symmetric system of non-touching tori as well as a complex 3-D geometry based on the an inverted settlement of monodisperse spheres is utilized. With these geometries the influence of the Reynolds number, the ambient temperature, the porosity, the intrinsic surface and the size of the radiating surface is analyzed. The studies show, that the influence of the flow on the particle conversion is moderate. In particular the impact of the flow on the intrinsic transport and conversion processes is mainly negligible. The size of the radiating surface has a similar impact on the conversion as the flow in the regarded parameter range. On basis of the CFD calculations two 0-D models for the combustion and gasification of moving particles are presented. These models can reproduce the results predicted by the CFD sufficiently for a wide parameter range.

The design and optimization of entrained flow gasifiers is conducted more and more via computational fluid dynamics (CFD). A detailed resolution of single coal particles within such simulations is nowadays not possible due to computational limitations. Therefore the coal particle conversion is often represented by simple 0-D models. For an optimization of such 0-D models a precise understanding of the physical processes at the boundary layer and within the particle is necessary. In real gasifiers the particles experience Reynolds numbers up to 10000. However in the literature the conversion of coal particles is mainly regarded under quiescent conditions. Therefore an analysis of the conversion of single particles is needed. Thereto the computational fluid dynamics can be used. For the detailed analysis of single reacting particles under flow conditions a CFD model is presented. Practice-oriented parameters as well as features of the CFD model result from CFD simulations of a Siemens 200MWentrained flow gasifier. The CFD model is validated against an analytical model as well as two experimental data-sets taken from the literature. In all cases good agreement between the CFD and the analytics/experiments is shown. The numerical model is used to study single moving solid particles under combustion conditions. The analyzed parameters are namely the Reynolds number, the ambient temperature, the particle size, the operating pressure, the particle shape, the coal type and the composition of the gas. It is shown that for a wide range of the analyzed parameter range no complete flame exists around moving particles. This is in contrast to observations made by other authors for particles in quiescent atmospheres. For high operating pressures, low Reynolds numbers, large particle diameters and high ambient temperatures a flame exists in the wake of the particle. The impact of such a flame on the conversion of the particle is low. For high steam concentrations in the gas a flame appears, which interacts with the particle and influences its conversion. Furthermore the impact of the Stefan-flow on the boundary layer of the particle is studied. It is demonstrated that the Stefan-flow can reduce the drag coefficient and the Nusselt number for several orders of magnitude. On basis of the CFD results two new correlations are presented for the drag coefficient and the Nusselt number. The comparison between the correlations and the CFD shows a significant improvement of the new correlations in comparison to archived correlations. The CFD-model is further used to study moving single porous particles under gasifying conditions. Therefore a 2-D axis-symmetric system of non-touching tori as well as a complex 3-D geometry based on the an inverted settlement of monodisperse spheres is utilized. With these geometries the influence of the Reynolds number, the ambient temperature, the porosity, the intrinsic surface and the size of the radiating surface is analyzed. The studies show, that the influence of the flow on the particle conversion is moderate. In particular the impact of the flow on the intrinsic transport and conversion processes is mainly negligible. The size of the radiating surface has a similar impact on the conversion as the flow in the regarded parameter range. On basis of the CFD calculations two 0-D models for the combustion and gasification of moving particles are presented. These models can reproduce the results predicted by the CFD sufficiently for a wide parameter range.:List of Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX List of Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .XIII Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XV Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIX 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1.1 State of the Art in Carbon Conversion Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.1 Combustion of Solid Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.2 Gasification of Porous Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2 Classification of the Present Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 1.3 Overview of the Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 2 Basic Theory and Model Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1 Geometry and Length Scales of Coal Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 2.2 Conditions in a Siemens Like 200 MW Entrained Flow Gasifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.1 Velocity Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12 2.2.2 Temperature Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.3 Particle Volume Fraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19 2.3 Time Scales of the Physical Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.4 Basic Assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21 2.5 Conservation Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.6 Gas Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26 2.7 Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.8 Numerics and Solution Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30 2.9 Mesh and Domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31 3 CFD-based Oxidation Modeling of a Non-Porous Carbon Particle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 3.1 Chemical Reaction System for Combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 3.1.1 Heterogeneous Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 3.1.2 Homogeneous Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40 3.1.3 Comparison of the Semi-Global vs. Reduced Reaction Mechanisms for the Gas Phase . .41 3.2 Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43 3.2.1 Validation Against an Analytical Solution of the Two-Film Model . . . . . . . . . . . . . . . . . .43 3.2.2 Validation Against Experiments I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.2.3 Validation Against Experiments II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49 3.3 Influence of Ambient Temperature and Reynolds Number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51 3.4 Influence of Heterogeneous Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.5 Influence of Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61 3.6 Influence of Operating Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66 3.7 Influence of Particle Diameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70 3.8 The influence of Particle Shape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.9 Impact of Stefan Flow on the Boundary Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.9.1 Impact of Stefan Flow on the Drag Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83 3.9.2 Impact of Stefan Flow on the Nusselt and Sherwood Number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85 3.10 Single-Film Sub-Model vs. CFD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 3.11 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4 CFD-based Numerical Modeling of Partial Oxidation of a Porous Carbon Particle . . . . . . . . . .99 4.1 Chemical Reaction System for Gasification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.1.1 Heterogeneous Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100 4.1.2 Homogeneous Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.2 Two-Dimensional Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.2.1 Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.2.2 Influence of Reynolds Number and Ambient Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109 4.2.3 Influence of Porosity and Internal Surface . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.3 Comparative Three-Dimensional Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 4.3.1 Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126 4.3.2 Results of the 3-D Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.4 Extended Sub-Model for Gasification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133 4.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138 5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .141 5.1 Summary of This Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141 5.2 Recommendations for Future Works . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145 6 Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 6.1 Appendix I: Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 6.2 Appendix II: Two-Film Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 6.3 Appendix III: Sub-Model for the Combustion of Solid Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 6.4 Appendix IV: Sub-Model for the Gasification of Porous Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

The research work in this thesis has been devoted to understand the formation mechanism of single-crystalline and textured polycrystalline nanoparticles and nanoflakes of SmCo5 and Nd2Fe14B prepared by surfactant-assisted (SA) ball milling and to study their microstructural and magnetic properties. The nanoparticles and nanoflakes are promising candidates to be used as hard magnetic phase for the fabrication of high-energy-density exchange-coupled nanocomposite magnets. The influence of a range of different surfactants, solvents and milling parameters on the characteristics of ball-milled powder has been systematically investigated. Small fraction (~10 wt.%) of SmCo5 nanoparticles of average diameter 15 nm along with textured polycrystalline nanoflakes of average diameter 1 µm and average thickness of 100 nm were obtained after SA – ball milling of SmCo5 powder. Isolated single-crystalline particles (200-500 nm) and textured polycrystalline flakes (0.2-1.0 µm) of Nd2Fe14B have been prepared in bulk amount (tens of grams), after SA – ball milling of dynamic-hydrogen-disproportionation-desorption-recombination (d-HDDR) processed Nd2Fe14B powder. These single-crystalline Nd2Fe14B particles are promising for their microstructure for the fabrication of exchange-coupled nanocomposite permanent magnets. The SmCo5 and Nd2Fe14B flakes and particles were well aligned in magnetic field: the former showed [001] out-of-plane orientation while the latter showed [001] in-plane orientation. A maximum degree of texture values of 93 % and 88 % have been obtained for the magnetically-oriented SmCo5 flakes and Nd2Fe14B single-crystalline particles, respectively. SA – ball milling resulted in an increase of coercivity of SmCo5 particles from 0.45 T for un-milled powder to a maximum value of 2.3 T after 1 h of milling, further milling resulted in a decrease of the coercivity. The coercivity of SA – ball-milled Nd2Fe14B particles decreased drastically from 1.4 T for un-milled d-HDDR powder to 0.44 T after 0.5 h of milling, isolated single-crystalline particles (200-500 nm size) obtained after 4 h of SA – ball milling showed a coercivity of 0.34 T. The drastic decrease in coercivity of ball-milled Nd2Fe14B particles is attributed to the morphological change because the demagnetization in Nd2Fe14B magnets is governed by nucleation mechanism. A remarkable enhancement in coercivity from 0.26 T to 0.70 T for ethanol-milled sample and from 0.51 T to 0.71 T for oleic-acid-milled samples has been obtained after an optimum heat-treatment at 400 0C. An increase of α-Fe and Nd2O3 phase contents and a sharp change of lattice parameter c of Nd2Fe14B was observed when heat-treating above 400 0C. The change in lattice parameter at higher temperature is thought to be due to partial substitution of carbon atoms present in the surfactant or solvent, for boron atoms. / Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Mechanismus der Herstellung von einkristallinen und texturierten polykristallinen Nanopartikeln und Nanoflakes aus SmCo5 und Nd2Fe14B durch Tensid-gestütztes Kugelmahlen zu verstehen. Des Weiteren soll deren Gefüge und magnetische Eigenschaften untersucht werden. Die Nanopartikel sind vielversprechende Kandidaten zur Verwendung als hartmagnetische Phase in hochentwickelten, austauschgekoppelten Nanokomposit-Magneten. Der Einfluß der Art der verwendeten Tensid, Lösungsmittel sowie Mahlparameter auf die Eigenschaften der kugelgemahlenen Pulver wurde systematisch untersucht. Ein kleiner Anteil (~10 m.%) von SmCo5 Nanopartikeln mit mittlerem Durchmesser von 15 nm zusammen mit texturierten polykristallinen Plättchen mit mittlerem Durchmesser von 1 µm und mittlerer Dicke von 100 nm wurden nach Tensid-gestütztes Kugelmahlen erzeugt. Alleinstehende einkristalline Partikel (200-500 nm) und texturierte polykristalline Plättchen (0,2-1,0 µm) aus Nd2Fe14B wurden in größeren Mengen (einige 10 g) hergestellt. Das verwendete Ausgangspulver wurde hierbei durch dynamisches-Hydrierung-Disproportionierung-Desorption-Rekombination (d-HDDR) hergestellt und anschließend Tensid-gestütztes Kugelmahlen. Die genannten einkristallinen Nd2Fe14B Partikel sind ebenfalls vielversprechend als hartmagnetischer Bestandteil von austauschgekoppelten Nanokomposit-Magneten. Die SmCo5- und Nd2Fe14B-Plättchen und -Partikel wurden alle in einem Magnetfeld ausgerichtet: erstere zeigten aus der Ebende herauszeigende und letztere in der Ebene liegende [001]-Orientierung. Ein maximaler Texturgrad von 93% wurde für im Magnetfeld ausgerichtete SmCo5 flakes bzw. 88% für einkristalline Nd2Fe14B Partikel erzielt. Tensid-gestütztes Kugelmahlen führte zu einem Anstieg der Koerzitivfeldstärke von SmCo5 Partikeln von 0,45 T für ungemahlenes Pulver auf 2,3 T nach einer Mahldauer von 1 h. Weiteres Mahlen führte zu einem Abfall der Koerzitivfeldstärke. Die Koerzitivfeldstärke von Tensid-gestütztes Kugelmahlen Nd2Fe14B Partikeln verringerte sich stark von 1,4 T von ungemahlenem d-HDDR Pulver auf 0,44 T nach 0,5 h Mahlen. Freistehende einkristalline Partikel (200-500 nm groß), welche nach 4 h Tensid-gestütztes Kugelmahlen erhalten wurden, zeigten eine Koerzitivfeldstärke von 0,34 T. Der starke Abfall der Koerzitivfeldstärke von gemahlenen Nd2Fe14B Partikeln wird die morphologischen Veränderungen zurückgeführt, da die Ummagnetisierung nukleationsgesteuert ist. Ein bemerkenswerter Anstieg der Koerzitivfeldstärke von 0,26 T auf 0,70 T wurde für eine in Ethanol gemahlene Probe verzeichnet, sowie ein Anstieg von 0,51 auf 0,71 T für eine Probe, welche mit einer Zugabe von Oleinsäure gemahlen wurde. Beide Proben wurden einer optimierten Wärmebehandlung bei 400°C unterzogen. Bei höheren Temperaturen wurde für Nd2Fe14B ein Anstieg der Menge an α-Fe und Nd2O3 gefunden und eine sprungartige Veränderung des Gitterparameters c der Nd2Fe14B Phase. Die Veränderung des Gitterparameters wird auf die partielle Substitution von Kohlenstoffatomen des Tensid oder Lösungsmittels gegen Boratome zurückgeführt.

A magnetic functionalization of microcrystalline MOF particles was realized using magnetic iron oxide particles. Such magnetic MOFs can be separated using a static magnetic field after use in catalytic processes and heated by an external alternating magnetic field to trigger desorption of encaged drug molecules. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Self-assembled microsphere monolayers (SMMs) hold significant promise for micro- and nanopatterning. Here we exploit, for the first time, SMMs as stamps for microcontact printing (μCP) and demonstrate this to fabricate patterned initiator templates that can subsequently be amplified into polymer brushes by surface initiated atom transfer radical polymerization (SI-ATRP). SMM stamps avoid the need for expensive and sophisticated instrumentation in pattern generation, and provide a broad range of accessible surface chemistries and pitch size control.

Durch die Funktionalisierung von Silica- und Gold-Nanopartikeln mit einem neu entwickelten photoschaltbaren Polymer wurden gezielt selbst¬organisierte Architekturen aus Polymer-Nanokompositen aufgebaut. Silica-Oberflächen wurden mit Transferagenzien für eine oberflächeninitiierte reversible Additions–Fragmentierungs-Ketten-transferpolymerisation (engl. reversible addition–fragmentation chain transfer (RAFT-) Polymerisation) modifiziert und systematisch untersucht. Dazu wurden Mono-, Di- und Trialkoxysilylether als Ankergruppen in die chemische Struktur der RAFT-Agenzien integriert. Die Analyse von funktionalisierten planaren Substraten durch Rasterkraftmikroskopie hat gezeigt, dass di- und trifunktionelle Ankergruppen als vernetzte Aggregate auf der Oberfläche gebunden werden, wenn die Immobilisierung in Toluol durchgeführt wird. Als Ursache dafür wurde durch dynamische Lichtstreuung (DLS) eine, im Vergleich zur Reaktion mit der Oberfläche, beschleunigte Aggregation der Ankergruppen identifiziert. Die Vernetzung konnte durch die Verwendung von 1,2-Dimethoxyethan als Lösungsmittel unterbunden werden, wodurch besser definierte Oberflächenstrukturen erhalten wurden. Diese wurden ebenfalls durch Monoalkoxysilylether erreicht, die unabhängig vom Lösungsmittel keine Möglichkeit zur Vernetzung bieten. Die Charakterisierung funktionalisierter sphärischer Silica-Nanopartikel mittels Transmissionselektronen¬mikroskopie (TEM) bestätigten diese Ergebnisse. Dadurch wurde gezeigt, dass vernetzte Ankergruppen zu der Aggregation von Silica-Nanopartikeln führen. An den funktionalisierten Partikeln wurden RAFT-Polymerisationen durchgeführt, deren Produkte durch Gel-permeations¬chromatographie und Thermogravimetrie analysiert wurden. Dabei wurde gezeigt, dass die Beladungsdichte des Polymers nicht ausschließlich mit der Konzentration der RAFT-Agenzien auf der Oberfläche steigt, sondern vor allem mit deren Erreichbarkeit für Makroradikale. Zudem wurde festgestellt, dass der Anteil niedermolekularer Nebenprodukte unabhängig vom Aggregationgrad der verwendeten Ankergruppen ist. Nach diesen Prinzipien maßgeschneiderte Silica- und Gold-Nanopartikel wurden in einer Blockcopolymermatrix dispergiert und mittels TEM analysiert. Durch Mikrophasenseparation der Matrix konnten erstmals RAFT-Polymer-funktionalisierte Nanopartikel gezielt und selektiv in eine Phase integriert werden. Zusätzlich wurde beobachtet, dass selektiv Silica-Partikel mit kleinen Durchmessern aus der eingesetzten Größenverteilung eingebaut wurden. Neben dem Design von Nanopartikeln wurde ein photoschaltbares Polymer (PAzoPMA) für die Anwendung in Polymer-Nanokompositen entwickelt. Durch die reversible Licht-induzierte transcis-Isomer¬isierung der schaltbaren Azobenzol-Einheiten des Polymers, nimmt sowohl die molekulare Größe ab als auch das Dipolmoment deutlich zu. Diese Änderungen konnten durch Wasser-Kontaktwinkel-Analysen, DLS und Ionenmobilitäts-Massenspektrometrie charakterisiert werden. Durch die Funktionalisierung von Silica- bzw. Gold-Partikeln mit diesem Polymer wurden photoschaltbare Nanokomposite synthetisiert, indem PAzoPMA über RAFT-Agenzien an die Oberfläche gebunden wurde. Die Bestrahlung einer Dispersion dieser Hybridpartikel mit ultraviolettem Licht induzierte die transcis-Isomerisierung, die eine Selbstorganisation der Primärpartikel zur Folge hatte. Insbesondere funktionalisierte Gold-Nanopartikel aggregierten zu definierten, sphärischen Überstrukturen, was durch DLS und optische Absorptions-spektroskopie belegt wurde. Durch letztere konnte außerdem gezeigt werden, dass der geschaltete Zustand länger stabil ist als bei bisher literaturbekannten Systemen mit Kleinmolekülen als Photoschalter. Eine weitere Stärke des entwickelten Systems wird mittels TEM-Analyse verdeutlicht. Die über die molare Masse des PAzoPMAs in der Partikelhülle einstellbaren Abstände der Primärpartikel, innerhalb dieser Überstrukturen, verdeutlichen das große Potential des Systems.

Zielsetzung dieser Arbeit war es, das Verhalten der in modernen Sonnenschutzmitteln eingesetzten Titandioxid-Mikropartikel mit quantitativen Methoden zu bestimmen, um Aussagen über ihre Eignung zu erhalten. Dabei stand die Frage nach der Verteilung der Substanz innerhalb des Stratum corneum im Mittelpunkt der Untersuchungen. Insbesondere war wegen der bekannten photokatalytischen Aktivität von Titandioxid zu klären, ob ein Kontakt mit den lebenden Bereichen der Haut ausgeschlossen werden kann. Für die Messungen wurden zwei kommerziell genutzte, unterschiedlich beschichtete Titandioxid-Mikropartikel eingesetzt. Eine wesentliche Voraussetzung für diese Untersuchungen war die Anwendung der Abrissmethode (Tape stripping) in Kombination mit der spektroskopischen Bestimmung der Extinktion im sichtbaren Bereich zur Berechnung des Hornschichtprofils. Die Konzentration der Titandioxid-Partikel wurde mit Hilfe von Röntgenfluoreszenz-Messungen bestimmt. So war es erstmals möglich, in vivo standardisierte und reproduzierbare Untersuchungen zum Penetrationsverhalten von beschichteten Titandioxid-Mikropartikeln in die Hornschicht der menschlichen Haut durchzuführen. Durch Langzeitapplikation der Substanzen und die Beobachtung der Titandioxid-konzentrationen in der Hornschicht über mehrere Tage konnten auch Aussagen zum Penetrationsverhalten der applizierten Mikropartikel gemacht werden. Es wurde eindeutig gezeigt, dass die untersuchten Substanzen unabhängig von ihrer Struktur, von ihrer Beschichtung und vom Probanden hauptsächlich in den obersten Schichten des Stratum corneum lokalisiert sind. Nach Klärung dieser grundsätzlichen Fragen war es notwendig, die Ursache für das Auftreten extrem geringer Titandioxid-Konzentrationen auf Abrissen zu bestimmen, die aus tieferen Schichten des Stratum corneum entnommen wurden. Durch die Kombination der Abrissmethode mit einem speziellen Färbeverfahren und der Laser-Scan-Mikroskopie ergaben sich deutliche Hinweise auf die Bedeutung der Follikelkanäle für das beobachtete Phänomen. Röntgenspektroskopische Untersuchungen an Biopsien zeigten, dass diese Mikropartikel in die Haarfollikel eindringen und damit Bereiche unterhalb des Stratum corneum erreichen. Hierbei wurden die Mikropartikel in dieser Region nur in Follikelkanälen, nicht aber im Bereich der lebenden Zellen nachgewiesen. Diese Ergebnisse belegen, dass Titandioxid nur in einzelne Follikelkanäle penetriert, eine Aussage, die im Rahmen der vorliegenden Untersuchungen erstmals beschrieben wurde. In Übereinstimmung mit der Zielsetzung der Arbeit konnte unter Einsatz unterschiedlicher Untersuchungsmethoden gezeigt werden, dass die beschichteten Titandioxid-Mikropartikel im oberen Bereich der Hornschicht lokalisiert sind und damit als hocheffiziente Lichtschutzfilter den Schutz der darunter liegenden lebenden Bereiche der Haut garantieren. Der sichere Nachweis der Titandioxid-Mikropartikel innerhalb einzelner Follikelkanäle besitzt grundsätzliche Bedeutung für das Verständnis von Penetrationswegen. / The objective of this work was to determine the behaviour of titanium dioxide microparticles, used in modern sunscreen agents, with quantitative methods in order to receive statements about their suitability. The focal point of the investigations was the question on the distribution of the substance within the stratum corneum. Because of the well-known photocatalytic activity of titanium dioxide, our aim was to clarify whether a contact with the living cells of the skin could be excluded. For these measurements, two commercial titanium dioxide micro particles were used, covered with different coating materials. The calculation of the stratum corneum profile was a substantial prerequisite for these investigations. This was done by application of the tape stripping method in combination with the spectroscopic determination of the absorption in the visible range. The concentration of the titanium dioxide particles on the tape strips was determined by X-ray fluorescence measurements. In this manner it was possible for the first time, to perform standardized and reproducible in vivo measurements to investigate the penetration behaviour of coated titanium dioxide micro particles into the horny layer of the human skin. Predications could be made about the penetration behaviour of the applied micro particles by observation of the titanium dioxide concentrations in the stratum corneum during several days after long-term application of the substances. It could be shown that the examined substances were localized mainly in the upper layers of the stratum corneum, independently of their structure, coating and the volunteers. After clarifying these basic questions, it was necessary to explain the occurrence of extremely small concentrations of titanium-dioxide on tape strips, which were taken from deeper layers of the stratum corneum. This observed phenomenon was investigated by combining tape stripping with a selective staining of the tapes and with laser scanning microscopy. Investigations of a biopsy with x ray fluorescence measurements showed that the micro particles penetrate into the hair follicles, and in this manner reached areas below the stratum corneum. In this region, the micro particles were found only in follicle channels, but not within the area of the living cells. These results prove that titanium dioxide micro particles only penetrate into single follicle channels, a statement, which has been described here for the first time. In agreement with the objective of this thesis, it was shown, that the coated titanium dioxide micro particles were localized within the upper area of the horny layer and as high efficient sunscreen filters consequently guarantee, the protection of the living areas of the skin below. The proof of the titanium dioxide micro particles within individual follicle channels has basic importance for the understanding of the penetration pathways.

Das Humane Immundefizienz-Virus 1 (HIV-1) rekrutiert Wirtszellproteine und -Signalwege für seinen eigenen Lebenszyklus und beeinträchtigt viele Funktionen von Immunzellen, darunter die Phagozytose von Pathogenen durch Makrophagen. Diese Schwächung der Immunabwehr verursacht das acquired immunodeficiency syndrome (AIDS).Der Zusammenbau von HIV-1 geschieht sowohl an der Plasmamembran als auch in endosomalen Kompartimenten und wird durch das Struktur-Polyprotein Gag kontrolliert, das auch für die Freisetzung virusähnlicher Partikel (VLPs) aus der Wirtszelle sorgt. Vorangegangene Studie haben gezeigt, dass durch hohe induzierte Calciumkonzentrationen im Zytoplasma die Anzahl an VLPs in endolysosomalen Kompartimenten steigt und die VLP-freisetzung drastisch zunimmt. Der verantwortliche Mechanismus ist jedoch bisher unbekannt. Die vorliegende Arbeit zeigt zunächst, dass Calciumausschüttung aus Lysosomen die Fusion von Endosomen und Lysosomen - und damit die Exozytose der in Lysosomen enthaltenen VLPs - auslöst. Dieser Prozess wird durch Synaptotagmin VII reguliert und verhindert den Abbau eines Teils der in späten Endosomen und Lysosomen eingschlossenen VLPs. Der zweite Teil dieser Arbeit beschreibt die Entwicklung eines nanobiotechnologischen Systems zur Eliminierung von Env/Gag-VLPs (HIV-VLPs) mit Hilfe von Makrophagen. Dieses basiert auf Immunoliposomen, die HIV-VLPs über anti-Env-Antikörper binden und von Makrophagen dank membranständigem Phosphatidylserin (PS), einem apoptotischen Signal, phagozytiert werden. Die Lipososmen imitieren apoptotische Zellen und induzieren ihre Internalisierung und die lysosomale Aufnahme von HIV-VLPs. Das System nutzt einen effizienten Internalisierungsweg, der während der HIV-1-Infektion nicht beeinträchtigt ist. Diese Ergebnisse bieten neue Einblicke in die intrazellulären Prozesse der HIV-1 Freisetzung und präsentieren PS-Immunoliposomen als neuen potentiellen nanomedizinischen Ansatz zur Virusbeseitigung und HIV-Antigenpräsentation. / Human immunodeficiency virus 1 (HIV-1) hijacks proteins and signaling pathways of the host cell for its own life cycle, thereby impairing many functions of immune cells, including pathogen-phagocytosis by macrophages. The overall weakening of immune functions eventually results in the development of acquired immunodeficiency syndrome (AIDS). HIV-1 assembly takes place at the plasma membrane as well as in endosomal compartments and is governed by the structural polyprotein Gag, which is also sufficient for the release of virus-like particles (VLPs) from the host cell. It was shown that an induced high cytoplasmic calcium concentration increases the amount of VLPs in endo-lysosomal compartments and results in a dramatic enhancement of VLP release [1,2]. However, the mechanism by which calcium can promote the release of VLPs remains to be determined. The first part of this work shows that release of calcium from lysosomes causes fusion between endosomes and lysosomes as well as exocytosis of lysosomeentrapped VLPs. This mechanism is regulated by Synaptotagmin VII and prevents degradation of a part of the late endosome- and lysosome-entrapped VLPs. The second part focuses on the development of a nanobiotechnological system for the clearance of Env/Gag-VLPs (HIV-VLPs) by macrophages. This system is based on immunoliposomes that (1) bind HIV-VLPs via anti-Env antibodies and (2) are phagocytosed by macrophages due to the presence of phosphatidylserine (PS), an apoptotic signal. Essentially, the PS-liposomes mimic apoptotic cells thereby inducing internalization and lysosomal delivery of bound HIV-VLPs. These immunoliposomes exploit an efficient internalization pathway not impaired upon HIV-1 infection. The results of this thesis provide new insights into the intracellular pathways controlling HIV-1 release and demonstrate that PS-immunoliposomes can represent a novel nanomedical approach for viral clearance and HIV antigen presentation.