Recently simulation groups have reported the lanthanide series elements as the dopants that have the strongest effect on the stabilization of the ferroelectric non-centrosymmetric orthorhombic phase in hafnium oxide. This finding confirms experimental results for lanthanum and gadolinium showing the highest remanent polarization values of all hafnia-based ferroelectric films until now. However, no comprehensive overview that links structural properties to the electrical performance of the films in detail is available for lanthanide-doped hafnia. La:HfO₂ appears to be a material with a broad window of process parameters, and accordingly, by optimization of the La content in the layer, it is possible to improve the performance of the material significantly. Variations of the La concentration leads to changes in the crystallographic structure in the bulk of the films and at the interfaces to the electrode materials, which impacts the spontaneous polarization, internal bias fields, and with this the field cycling behavior of the capacitor structure. Characterization results are compared to other dopants like Si, Al, and Gd to validate the advantages of the material in applications such as semiconductor memory devices.

In dieser Arbeit wird eine unrestricted Coupled-Cluster CC2 Response-Methode für die Berechnung von Eigenschaften erster und zweiter Ordnung, mit dem elektronischen g-Tensor als Schwerpunkt, präsentiert. Lokale Korrelations- und Dichtefittingnäherungen wurden verwendet. Die fundamentalen Konzepte notwendig für das Verständnis von Coupled-Cluster-Theorie, Dichtefitting, lokaler Korrelation, allgemeinen Coupled-Cluster Eigenschaften und dem elektronischen g-Tensor werden diskutiert. Die berechneten g-Tensoren werden mit denen durch Coupled-Cluster Singles and Doubles, Dichtefunktionaltheorie und Experiment erhaltenen verglichen. Effizienz und Genauigkeit der Näherung wird untersucht. Ein detailierter Anhang beschreibt die diagrammatische Coupled-Cluster-Theorie sowie ihre Anwendung zur Herleitung der verwendeten Arbeitsgleichungen. Die in dieser Arbeit entwickelte Methode ermöglicht es, den elektronischen g-Tensor von ausgedehnten Systemen mit einer Methode, die nicht auf Dichtefunktionaltheorie basiert, quantitativ vorherzusagen. Damit ist sie ein wichtiger Schritt hin zur Entwicklung von niedrig skalierenden Coupled-Cluster-Methoden höherer Ordnung für diese Art von Problem. / This work presents an unrestricted coupled-cluster CC2 response method using local correlation and density fitting approximations for the calculation of first and second order properties with particular focus on the electronic g-tensor. The fundamental concepts related to coupled-cluster theory, density fitting, local correlation, general coupled-cluster properties and the electronic g-tensor are discussed. The calculated g-tensors are benchmarked against those obtained from coupled-cluster singles and doubles, density functional theory and experiment. Efficiency and accuracy of the approximations is investigated. A detailed appendix covers the fundamentals of diagrammatic coupled-cluster and its application to the derivation of the working equations. The method presented in this thesis enables the quantitative prediction of the electronic g-tensor of extended systems with a method other than density functional theory. It represents an important step towards the development of low-scaling higher order coupled-cluster methods for this type of problem.

In dieser Arbeit wird eine unrestricted Coupled-Cluster CC2 Response-Methode für die Berechnung von Eigenschaften erster und zweiter Ordnung, mit dem elektronischen g-Tensor als Schwerpunkt, präsentiert. Lokale Korrelations- und Dichtefittingnäherungen wurden verwendet. Die fundamentalen Konzepte notwendig für das Verständnis von Coupled-Cluster-Theorie, Dichtefitting, lokaler Korrelation, allgemeinen Coupled-Cluster Eigenschaften und dem elektronischen g-Tensor werden diskutiert. Die berechneten g-Tensoren werden mit denen durch Coupled-Cluster Singles and Doubles, Dichtefunktionaltheorie und Experiment erhaltenen verglichen. Effizienz und Genauigkeit der Näherung wird untersucht. Ein detailierter Anhang beschreibt die diagrammatische Coupled-Cluster-Theorie sowie ihre Anwendung zur Herleitung der verwendeten Arbeitsgleichungen. Die in dieser Arbeit entwickelte Methode ermöglicht es, den elektronischen g-Tensor von ausgedehnten Systemen mit einer Methode, die nicht auf Dichtefunktionaltheorie basiert, quantitativ vorherzusagen. Damit ist sie ein wichtiger Schritt hin zur Entwicklung von niedrig skalierenden Coupled-Cluster-Methoden höherer Ordnung für diese Art von Problem. / This work presents an unrestricted coupled-cluster CC2 response method using local correlation and density fitting approximations for the calculation of first and second order properties with particular focus on the electronic g-tensor. The fundamental concepts related to coupled-cluster theory, density fitting, local correlation, general coupled-cluster properties and the electronic g-tensor are discussed. The calculated g-tensors are benchmarked against those obtained from coupled-cluster singles and doubles, density functional theory and experiment. Efficiency and accuracy of the approximations is investigated. A detailed appendix covers the fundamentals of diagrammatic coupled-cluster and its application to the derivation of the working equations. The method presented in this thesis enables the quantitative prediction of the electronic g-tensor of extended systems with a method other than density functional theory. It represents an important step towards the development of low-scaling higher order coupled-cluster methods for this type of problem.

Lysosomen spielen entscheidende Rolle bei der zellulären Homöostase. Die Überwachung von Lysosomen, die Lipide ansammeln, ist eine erhebliche Herausforderung. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung der oberflächenverstärkten Raman-Streuung (SERS) als Methode zur Überwachung intakter Lysosomen, insbesondere hinsichtlich des Einflusses von Arzneimitteln, die den Lipidstoffwechsel stören. Um das Potenzial von SERS zur Untersuchung von Lysosomen in lebenden Zellen zu bewerten, wurden die Wechselwirkungen zwischen trizyklischen Antidepressiva und saurer Sphingomyelinase untersucht. Zunächst wurden Modellsysteme untersucht. Die Wechselwirkungen zwischen den Antidepressiva und Goldnanopartikeln wurden durch SERS charakterisiert. Die Daten zeigten, dass Moleküle mit den Nanopartikeln interagieren. Als Modellsystem der lipidreichen Umgebung wurden Komposite aus Liposomen und Goldnanopartikeln von SERS und Cryo-EM untersucht. Die SERS-Spektren sind charakteristisch für die Lipidzusammensetzung der Vesikel. Die Wechselwirkungen zwischen den Antidepressiva und den Lysosomen wurden in der Fibroblastenzelllinie 3T3 durch SERS und komplementäre Methoden untersucht. In Übereinstimmung mit den SERS-Spektren von Modellsystemen zeigen die SERS-Spektren lebender Zellen Signaturen sowohl der Antidepressiva als auch der Lipide. Um die Unterschiede in den Lysosomen zwischen behandelten und nicht behandelten Zellen aufzudecken, wurde ein zufälliger Waldansatz verwendet. Darüber hinaus wurde SERS verwendet, um die Lipidverteilung in Leishmania-infizierten Makrophagen zu untersuchen, von denen bekannt ist, dass sie Lipide akkumulieren. Die Ergebnisse zeigen, dass SERS verwendet werden kann, um die Lipidzusammensetzung in lebenden Zellen verschiedener Zelltypen zu untersuchen. Als neue methodische Entwicklung zeigt die Random-Forest-Analyse von SERS-Daten, dass Ansätze des maschinellen Lernens für ein besseres Verständnis von Daten aus biologischen Systemen nützlich sein können. / Lysosomes play a crucial role in cellular homeostasis. Monitoring lysosomes that accumulate lipids represents a considerable challenge. This thesis focuses on the development of surface-enhanced Raman scattering (SERS) as a method to monitor intact lysosomes, in particular regarding the influence of drugs that interfere with lipid metabolism. To evaluate the potential of SERS for studying lysosomes in live cells, the interactions between tricyclic antidepressants and acid sphingomyelinase were studied. First, model systems were investigated. The interactions between the antidepressants and gold nanoparticles were characterized by SERS. The data showed that molecules interact with the nanoparticles. As a model system of the lipid-rich environment, composites of liposome and gold nanoparticles were studied by SERS and cryo-EM. The SERS spectra are characteristic of the vesicles’ lipid composition. The interactions between the antidepressants and the lysosomes were studied in the fibroblast cell line 3T3 by SERS and complementary methods. In agreement with the SERS spectra of model systems, the SERS spectra of live cells show signatures of both, the antidepressants and the lipids. To reveal the differences in the lysosomes between treated and non-treated cells, a random forest approach was used. Moreover, SERS was used to study the lipid distribution in Leishmania-infected macrophages known to accumulate lipids. The results show that SERS can be used to investigate lipid composition in live cells of different cell types. As a new methodological development, the random forest analysis of SERS data shows that machine learning approaches can be useful for a better understanding of data from biological systems.

Lumineszenzmessungen und Lumineszenz-Bildgebung spielen in den Biowissenschaften eine wichtige Rolle und ermöglichen den Nachweis und die Detektion von biomolekularen Wechselwirkungen und Analyten, die selbst keine intrinsische Farbe und / oder Lumineszenz aufweisen. Ein vielversprechender Ansatz ist die Verwendung von im Nahinfrarot (NIR) anregbaren, mehrfarbig emittierenden Aufkonversions-Nanokristallen (UCNPs) wie mit Yb3+ und Er3+ dotierten NaYF4-Nanopartikeln. Diese Nanopartikel können als Lumineszenzreporter oder Energiedonoren (Nanolampen) für die Anregung von Analyt-sensitiven Sonden benutzt werden. In dieser Arbeit, die den Aufbau eines selbstreferenzierten UCNP-basierten Sensors für die Ermittlung von pH-Werten als Ziel hatte, wurden beide Sensorkomponenten gezielt ausgewählt, synthetisiert und spektroskopisch charakterisiert. Dies beinhaltete i) UCNPs mit unterschiedlichen Größen, Partikelarchitekturen und Oberflächenfunktionalisierungen oder -beschichtungen und ii) Rosamin-Farbstoffe mit Absorptions- und Emissionseigenschaften, die für die gewünschte Kombination mit UCNPs geeignet sind. Des Weiteren wurde eine umfassende Untersuchung der chemischen Stabilität von unterschiedlich oberflächenfunktionalisierten und beschichteten UCNPs in biologisch relevanten Puffern durchgeführt. Für die schnelle Ermittlung der UCNP-Stabilität wurde eine einfache optische Überwachungsmethode zum Nachweis der Partikeldisintegationentwickelt, die die Abhängigkeit der UC-Lumineszenz und ihrer Lebensdauer von der Partikelgröße und Oberfläche ausnutzt. Im letzten Teil der Doktorarbeit wurden pH-Sensorfilme und Nanosensoren durch die Kombination der optimierten Yb3+, Er3+-co-dotierten UCNPs mit den pH-sensitiven Rosaminfarbstoffen als Energie-Akzeptoren unter Verwendung eines einfachen inneren Filters (Reabsorption) oder eines RET – Sensorkonzept konstruiert. / Luminescence sensing and imaging play an important role in the life sciences, enabling the detection and monitoring of biomolecular interactions and molecular targets that have no intrinsic colour and/or luminescence even in complex biological samples. A very promising approach presents the utilization of near-infrared (NIR) excitable multi-colour emissive upconversion nanocrystals (UCNPs) like NaYF4 nanoparticles doped with Yb3+ and Er3+ as luminescent reporters and as energy donors or “nanolamps” for the excitation of analyte-responsive probes. In this work, aiming at the design of self-referenced UCNP-based sensors for pH, both sensor components were rationally designed, synthesized, and spectroscopically characterized. This included i) UCNPs with different sizes, architectures, and surface chemistries or coatings and ii) rosamine dyes with absorption and emission properties adapted to the UC emission of the NaYF4: Yb3+, Er3+-doped UCNPs. Additionally, an extensive study of the chemical stability of differently surface functionalized and coated UCNPs in biologically relevant buffers was performed. To simplify stability monitoring, an optical monitoring method was developed for the detection of particle disintegration utilizing the size and environment dependence of the UC emission intensity and decay kinetics. Finally, pH sensor films and nanosensors were constructed by combining the initially optimized Yb3+, Er3+ co-doped UCNPs with pH-responsive rosamine dyes acting as energy acceptors utilizing a simple inner filter (reabsorption)- and a RET-based sensor concept.

Luminescent organic materials with high photostability are essential in optoelectronics, sensor, and photocatalysis applications. However, small organic molecules are generally sensitive to UV irradiation, giving rise to chemical decompositions. In this work, we demonstrate two novel CN-substituted two-dimensional sp²-carbon-linked conjugated polymers (2D CCPs) containing a chromophore triphenylene unit. The Knoevenagel polymerization between 2,3,6,7,10,11-hexakis(4-formylphenyl)triphenylene (HFPTP) and 1,4-phenylenediacetonitrile (PDAN) or 2,2’-(biphenyl-4,4’-diyl)diacetonitrile (BDAN), provides the crystalline 2D CCP-HFPTP-PDAN (2D CCP-1) and 2D CCP-HFPTP-BDAN (2D CCP-2) with dual pore structures, respectively. 2D CCP-1 and 2D CCP-2 exhibit the photoluminescence quantum yield (PLQY) up to 24.9% and 32.3%, which are the highest values among the reported 2D conjugated polymers and π-conjugated 2D covalent organic frameworks. Furthermore, compared with the well-known emissive small molecule tetrakis(carbazol-9-yl)-4,6-dicyanobenzene (4CzIPN), both 2D CCPs show superior photostability under UV irradiation for two hours, profiting from the twisted and rigid structures of the CN-substituted vinylene linkages. The present work will trigger the further explorations of novel organic emitters embedded in 2D CCPs with high PLQY and photostability, which can be useful for optoelectronic devices.

Diese Dissertation befasst sich mit der Modellierung von Spin- und Oxidationszuständen stark korrelierter Übergangsmetallkomplexe der ersten Reihe. Verschiedene ab initio-Methoden zur Modellierung der Elektronenkorrelation wurden verwendet, basierend auf einer oder mehreren Referenzwellenfunktionen, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf den spektroskopischen Eigenschaften von offenschaligen Molekülenliegt. Die Arbeit untersucht die Stärken und Grenzen theoretischer Parameter und Effekte, wie der Elektronenkorrelation, Multiplett-Effekte sowie Größe und Natur des aktiven Raumes. Darüber hinaus setzt sich die Studie mit entscheidenden physikalischen und chemischen Konzepten wie Kovalenz, thermodynamische Stabilität, Ligandenfeldeffekte, magnetische Austauschwechselwirkungen und der Bestimmung von Spin- und Oxidationszuständen molekularer Systeme. / This dissertation delves into the challenges and successes encountered while modeling spin and oxidation states of strongly correlated first-row transition metal complexes using various single- and multireference quantum chemical methods with a focus on X-ray spectroscopy. It thoroughly examines the strengths and limitations of theoretical approaches, addressing electron correlation, multiplet effects, active space size and nature, dynamic electron correlation corrections, truncated configuration interaction (CI) techniques, and Density Functional Theory (DFT). Furthermore, the study explores pivotal physical and chemical factors such as covalency, stability, ligand-field effects, magnetic exchange interactions, and the determination of spin and oxidation states within molecular systems.

Organisch-anorganische Perowskite sind attraktiv für Dünnschichtsolarzellen. Die Übertragung laborbasierter Herstellungsverfahren, typischerweise Rotationsbeschichtung, auf industrielle Prozesse erfordert ein tiefgehendes Verständnis der physikalisch-chemischen Auswirkungen auf die Schichtqualität. Diese Arbeit zeigt, dass die Effizienz-Reproduzierbarkeit von Perowskit-Solarzellen (PSCs) nicht primär durch Unterschiede zwischen Laboren, sondern durch interne Prozessschwankungen beeinflusst wird. Verglichen wurden PSCs mit PEDOT und PTAA als Lochleiter auf den beiden Perowskiten, MAPI und 3CAT. PEDOT-basierte PSCs zeigten neben geringerer Reproduzierbarkeit eine niedrigere Effizienz, bedingt durch Voc- und FF-Verluste, schlechtere energetische Angleichung und morphologische Grenzflächenprobleme. Im Vergleich zu 3CAT, war die Effizienz von MAPI-basierten Zellen schlechter reproduzierbar, was durch eine stärkere Abhängigkeit der MAPI-Schichten von Prozessschwankungen erklärt werden kann. Die Anwendung eines Anti-Lösungsmittel-Tropfens (AS-Tropfen) während des in dieser Rotationsbeschichtungsprozesses beeinflusst die Morphologie und Effizienz der Solarzellen erheblich. Das optimale Zeitfenster für den AS-Tropfen ist für MAPI (~10 s) kleiner als für 3CAT (~50 s). Ein falsches Timing führt zu morphologischen Hohlräumen und vermindert die Effizienz. Optische In-situ-Studien zeigten, dass der AS-Tropfen vor Beginn der natürlichen Perowskit-Kristallisation appliziert werden sollte. Für MAPI beginnt diese nach 20 Sekunden, für 3CAT nach 100 Sekunden. Ein zu später AS-Tropfen reduziert die Verfügbarkeit von Lösungsmittel für die Rekristallisation und verschlechtert die Morphologie der Perowskit-Phase. 3CAT toleriert zeitliche Variationen besser, da es während der natürlichen Kristallisation sowohl lösungsmittelhaltige Vorphasen als auch Perowskit-Phasen bildet, während MAPI hauptsächlich lösungsmittelhaltige Vorphasen bildet, was die Prozessanfälligkeit erhöht. / Organic-inorganic perovskites are promising materials for thin-film solar cells, with potential for industrial-scale production through scalable manufacturing. The transition from laboratory-based spin-coating to scalable processes requires understanding the factors affecting perovskite film quality. High-performance reproducibility is essential for commercializing perovskite solar cells (PSCs), currently challenging for certain perovskite combinations. Reproducibility issues are evident from performance variations in published PSC results fabricated from different laboratories. Even within a single laboratory, process fluctuations can lead to efficiency irreproducibility, as this study shows. Different PSC stack combinations were compared using two hole conductors, PEDOT and PTAA, with two perovskite compositions, MAPI and 3CAT. PEDOT solar cells showed low reproducibility and lower efficiency due to poor energetic alignment and morphological issues. MAPI and 3CAT with PTAA achieved higher efficiencies. However, MAPI is more sensitive to process variations, leading to lower reproducibility. This hypothesis is supported by in-situ measurements, which show that the timinng window for the addition of an anti-solvent drip (AS-drip) during spin-coating is narrower for MAPI (~10 s) than for 3CAT (~50 s). AS-drip outside this window causes morphological voids, reducing efficiency. The optical in-situ studies show that AS-drip timing is crucial: crystallization onset occurs earlier for MAPI (20s) than for 3CAT (100s). Late AS-drip results in solvate phase formation, reducing solvent availability and negatively impacting morphology. MAPI forms solvate exclusively during crystallization, while 3CAT forms both solvate and perovskite phases, increasing tolerance to timing variations.

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In dieser Arbeit wird anfangs dargestellt, wie kostenintensiv und problematisch die Kanalreinigung ausfällt. Durch die demographisch bedingt rückläufigen Schmutzwassermengen und gleichzeitig prognostizierten langen Trockenperioden in den Sommermonaten muss allerdings mit einer verstärkten Akkumulation von Ablagerungen in den Kanalsystemen gerechnet werden. Zudem erweist es sich in Voraussicht auf den Klimawandel als notwendig, den gesamten Kanalquerschnitt für Starkregenereignisse von Ablagerungen freizuhalten; ansonsten ist die häufigere Entlastung des Abwassernetzes in den Vorfluter nach Füllung der vorhandenen Regenrückhaltebecken vorprogrammiert. Die Kanalreinigung wird somit in den nächsten Jahren an Bedeutung gewinnen. Vor allem bei der Reinigung von Großprofilen ist jedoch der Stand der Technik noch nicht ausgereift und die jetzigen Reinigungsmethoden erweisen sich wegen des niedrigen Reinigungserfolges sowie der starken Umweltbelastung durch die genutzten Geräte als ungeeignet. Durch die in dieser Arbeit vorgestellte und auf den Stand der Technik gebrachte Reinigungsmethode wird jedoch eine leistungsstarke Alternative geboten. In Zukunft wird es möglich sein, große Kanaldurchmesser fast vollkommen umweltneutral zu reinigen und nur mit Hilfe der Wasserkraft das gesammelte Sediment bis zum nachgeschalteten Sandfang zu mobilisieren. Mit den durchgeführten und hier dargestellten numerischen Versuchen wird in erster Linie eine geometrische Optimierung zur Erreichung der größten Mobilisierungskräfte im Hinblick auf einen ausgewählten Abschnitt der Dresdner Kanalisation vollzogen. In der nachfolgenden physikalischen Modellierung wird der Schwerpunkt auf die optimale Reinigungsgeschwindigkeit gelegt, um ein möglichst großes Volumen an Ablagerungen zu bewegen. Es muss allerdings präzisiert werden, dass während der Modellierung kein Grenzzustand erreicht werden konnte. Dieser wird schließlich durch die folgende analytische Beschreibung des Transportvorganges theoretisch bestimmt. Für das genutzte physikalische Modell wird analytisch ein Grenztransportkörper aus Modellsediment errechnet. Bei einer Übertragung auf den dazugehörigen vorhandenen Abschnitt im Dresdner Kanalnetz durch Ansetzen des Ähnlichkeitsgesetzes wird ein mobilisierbares Grenzvolumen überschlagen. Die hier dargestellten Ergebnisse der theoretischen Untersuchungen bzw. der physikalischen Modellierung wurden mit den Betreibern und den Herstellern des neuen Stauwagens diskutiert und hinsichtlich konstruktiver Schwerpunkte optimiert. Unter besonderer Berücksichtigung der Kostenoptimierung und der konstruktiven Realisierung wurde von der Firma "WKS Technik GmbH" ein Forschungsmuster zur Untersuchung in einer Pilottestphase entwickelt und gebaut. In der nachfolgenden dargestellten Testphase wurde das Ergebnis als Pilotprojekt im Dresdner Kanalnetz in mehreren Testläufen erprobt und untersucht. Nach jedem Testlauf wurden die aufgetretenen Probleme analysiert und durch Umbauten oder Veränderungen behoben. Regelmäßige Reinigungsfahrten sollten wegen der geringeren Ablagerungsmengen ein gleichmäßiges Fahren gewährleisten bzw. die Ablagerungen vollständig mobilisieren und bis zum Sandfang transportieren, um sie dort zu entnehmen. Während der Testphase wurde eine viel höhere Sedimentmenge gesammelt und transportiert als die, welche sich aus der analytischen Berechnung ergab. Dies folgte aus dem beim Naturversuch zugelassenen höheren Aufstauniveau hinter dem Spülwagen, welches ausnahmsweise zugelassen wurde, um auf eine zwischenzeitliche Sedimentabsaugung zu verzichten. / The early pages of this research thesis demonstrate how costly and problematic sewer cleaning is. Due to changing demographics causing declining amounts of wastewater and, at the same time, to predicted long dry spells during the summer months, an increased accumulation of sediments in the sewer systems has to be expected. With respect to climate change it is necessary to keep the entire sewer cross section free of sediments in order to manage heavy rainfall events; otherwise a more frequent relief of the wastewater system into the receiving water is inevitable once the rain retention basins have been filled. Thus sewer cleaning will gain in importance within the next few years. Predominantly the cleaning of large-diameter profiles, however, has not reached a state-of-the-art technology, and the current cleaning methods prove themselves to be inapt due to their very limited success as well as to the environmental burden posed by the equipment they employ. The state-of-the-art cleaning method presented in this research paper constitutes a high-powered alternative. In the future, it will be possible to clean large sewer cross sections almost entirely in an environmentally neutral fashion and to mobilize the accumulated sediment all the way to the downstream sand trap by exclusively harnessing water power. The numerical experiments conducted for this paper primarily effected a geometric optimization to achieve the maximal mobilization forces in a selected section of Dresden's sewer system. In the subsequent physical modeling the emphasis is placed on the optimal cleaning speed in order to move a maximum volume of sediments. It has to be clarified, however, that no limit state could be reached during the modeling procedure. This limit state is determined theoretically only through the following analytical description of the transport process. For the physical model at hand, the maximum transportable sediment volume made of model sediment is calculated analytically. In an extrapolation for the associated existent section in the Dresden sewer system, a mobilizable limit volume is estimated applying the law of similarity. The results of the theoretical analysis and the physical modeling presented in this work were discussed with the operators and manufacturers of the new storage vehicle and were optimized with regard to constructional core aspects. In special consideration of the cost optimization and the constructional realization, the "WKS Technik GmbH" company developed and constructed a research prototype for a survey in a pilot test phase. During the subsequent test phase, the result was tried out and examined as a pilot project in several trial runs in Dresden's sewer system. After each trial run, the problems which had occurred were analyzed and then eliminated through constructional modifications or other alterations. Regular cleaning runs were intended to guarantee a steady movement of the cleaning vehicle due to a reduced amount of sediments, or to completely mobilize the sediments and transport them to the sand trap in order to remove them there. The sediment volume actually gathered and transported during the test phase was significantly larger than the one derived from the analytical calculation. This increase results from greater storage depths behind the flush car, which were permitted as an exception for the field test in order to go without any interim sediment extractions. / La prima parte della presente tesi di dottorato mette in evidenza le problematicità legate alla pulizia dei canali delle acque reflue, sottolineando in particolare gli enormi costi generati dall 'alta frequenza di depositi e dalla grandezza delle reti di raccolta presenti sui territori. A causa della riduzione demografica e delle condizioni meteorologiche che si stanno alterando, per il prossimo futuro si prevedono lunghi periodi di siccità, interrotti da acquazzoni intensi e brevi. Questo porterà ad un accumulo di depositi nelle reti di raccolta delle acque miste soprattutto nei mesi estivi, che implicherà a sua volta la necessità di tenere le sezioni dei canali presenti libere da depositi per consentire un appropriato deflusso e ritenzione in presenza delle suddette intense precipitazioni. Se in questi casi la ritenzione della rete fognaria non sarebbe data, infatti, si andrebbe a scaricare acque sporche sempre in maggiore quantità e con maggiore frequenza nei corsi d 'acqua di superficie, inquinando in secondo luogo anche le falde acquifere. Da questo quadro, si evince come la pulizia delle canalizzazioni acquisterà in futuro sempre una maggiore importanza. Attualmente, per la pulizia di canali di grandi dimensioni (maggiori di 1000 mm) non esistono metodi efficaci ed ecologici per movimentare i depositi presenti. Il presente lavoro espone una soluzione competitiva ai suddetti problemi. Grazie al lavoro di ricerca e sviluppo svolto, infatti, è stato elaborato un metodo con cui sarà possibile in futuro pulire canali di grosse dimensioni pressoché senza l\'impiego di energia esterna, ma solamente grazie all 'utilizzo dell 'energia dell 'acqua reflua presente nei canali, mobilizzando i depositi fino al prossimo punto presente dove sarà possibile estrarre dalla rete fognaria il materiale raccolto. L 'analisi numerica eseguita e qui rappresentata porta innanzitutto ad un 'ottimizzazione geometrica ed idraulica che consente il raggiungimento delle maggiori forze di mobilizzazione possibili per un segmento scelto della rete fognaria della città di Dresda (Sassonia). Nelle prove in laboratorio correlate si è cercato di ottimizzare la velocità con la quale deve avvenire la pulizia del fondo del canale in modo da poter trasportare il più elevato volume di sedimenti possibile. Si precisa a questo riguardo che in laboratorio non è stato possibile raggiungere il limite volumetrico correlato al modello fisico utilizzato, perché i soli 24 m di lunghezza del banco di prova non hanno consentito il raggiungimento di tale stato limite. Questo limite è stato determinato successivamente attraverso un modello analitico sviluppato appositamente, il quale descrive la mobilizzazione dei sedimenti attraverso la tecnologia di pulizia utilizzata. Attraverso i fattori di conversione che regolano le leggi fisiche presenti tra modello di laboratorio e natura è stato possibile in seguito rapportare il limite volumetrico al segmento reale utilizzato per le prove numeriche. Usando i risultati ottenuti sia dalle analisi numeriche che dalle prove di laboratorio è stato sviluppato e poi realizzato un prototipo assieme al partner commerciale "WKS Technik GmbH", prestando particolare attenzione all 'ottimizzazione costruttiva e dei costi di produzione. Questo prototipo è stato testato per diverse volte in un tratto di circa quattro chilometri della canalizzazione di Dresda. Dopo ogni corsa sono stati analizzati i punti deboli del metodo di pulizia nonché del prototipo stesso e si è provveduto ad eliminarli. Gli ultimi test hanno confermato il funzionamento di tale prototipo offrendo inoltre una buona validazione del modello analitico sviluppato in precedenza.