Den technologischen Hintergrund für diese Arbeit liefert die bei der Erschließung tiefer Lagerstätten (Erdgas, Erdöl, Erdwärme) eingesetzte Stimulationstechnik des Hydraulic Fracturing. Bei dieser Technik werden mittels hydraulischem Druck Risse im Lagerstättengestein erzeugt, die durch Einspülen von Feststoffkörnern (Proppants) offengehalten werden sollen. Der inhaltliche Schwerpunkt liegt auf der theoretischen und experimentellen Untersuchung der Einbettung von Proppants in das Lagerstättengestein unter besonderer Berücksichtigung des Einflusses auf die hydraulische Leitfähigkeit eines durch Proppants gestützten Risses. Thematisch teilt sich die Arbeit in die beiden Schwerpunkte: (1) Berechnung der Proppant-Einbettung auf der Grundlage kontaktmechanischer Ansätze und (2) experimentelle Untersuchungen an realen Proppant-Schüttungen. Zur mathematischen Formulierung der Proppant-Einbettung wurde die in der Werkstofftechnik entwickelte Theorie des mechanischen Verhaltens rauer Oberflächen unter Lasteintrag (Kontaktmechanik) mit der ebenfalls aus der Werkstofftechnik bekannten Messung und Interpretation der Oberflächenhärte nach Meyer gekoppelt. Diese neuartige Formulierung ermöglicht es, die Einbettung von Proppants in Abhängigkeit der Materialeigenschaften der Formation, des Spannungszustandes, der Korngrößenverteilung und der Proppants-Konzentration zu berechnen. Zur Prognose des Erfolges einer Stimulation wurde ein 2D-numerischer Algorithmus (MATLAB®) entwickelt, der den Gesamtprozess der Einbettung, der Durchlässigkeitsentwicklung und deren Folgen für die Produktivität der Sonden widerspiegelt. Zur Verifizierung des Berechnungsalgorithmus wurde die Einbettung realer Proppant-Schüttungen in Lagerstättengesteinen (Tonschiefer, Shale) untersucht. Hierfür wurde in einer dafür konzipierten Flutzelle ein durch Proppants gestützter Riss nachgebildet, belastet und durchströmt. Ziel der Versuche war dabei zu messen, welchen Einfluss ein Spannungsanstieg auf die Einbettung und damit auf die hydraulische Leitfähigkeit hat. Diese Versuche wurden an zwei verschiedenen Shale-Gesteinen mit zwei verschiedenen Proppant-Konzentrationen durchgeführt. Zusätzlich zu den hydraulischen Experimenten wurden mechanische Untersuchungen (Härtemessungen) ausgeführt und nach der Meyer-Analyse der Werkstofftechnik interpretiert. Ein besonderer Vorteil dieser Auswertungsmethode liegt in ihrer durch Dimensionsanalyse erzielten Übertragbarkeit der Ergebnisse von Werkstoffen auf Gesteine. Der Vergleich von gemessenen und berechneten Einbettungen und hydraulischen Leitfähigkeiten ergab eine zufriedenstellende Übereinstimmung und erlaubt es festzustellen, dass mit der neuen Formulierung die planerische Voraussage von Frac-Stimulation möglich ist, wobei alleine die relativ einfachen laborativen Messverfahren zur Härtemessung (Gestein) und zur Korngrößenanalyse (Proppant) erforderlich sind.

Ziel dieser Arbeit ist es die Fick-Jacobs Näherung, welche eine genaue Beschreibung zahlreiche Transporteigenschaften von Brownschen Teilchen in räumlich beschränkten Geometrien liefern kann, auf experimentell vorherrschende Gegebenheiten, z.B., sich stark ändernde Geometrien, komplizierte Kraftfelder, Teilchenausdehnung und endliche viskose Reibung, zu erweitern. Dazu wird zuerst die exakte Lösung für die stationäre Wahrscheinlichkeitsdichte mittels Entwicklung in einem geometrischen Parameter, der die Kanalmodulation misst, berechnet. Die höheren Entwicklungsterme ermöglichen die Berechnung von Korrekturen zu den Transportkoeffizienten für sich stark ändernde Geometrien. Ferner kann die Fick-Jacobs Näherung mittels der Entwicklungsmethode auf beliebige Kraftfelder verallgemeinert werden. Am Beispiel des mikrofluidischen Kanals zeigen wir, dass das Zusammenspiel von externen Kräften (skalare Potentiale) und Strömungen (Vektorpotentiale) zur effizienten Trennung von Objekten, mittels des Effektes des hydrodynamisch induzierten entropischen Einsperrens, genutzt werden kann. Da das effiziente Sortieren nach Größe eine der wichtigsten Ziele in der Grundlagenforschung ist, zeigen wir wie die Teilchenausdehnung in die Fick-Jacobs Näherung integriert werden kann. Abschließend wird der Einfluss der Mediumsviskosität auf den Teilchentransport untersucht. Wenn die Zeitskalen separieren, führt adiabatische Eliminierung auch für endliche Reibung zu einer Fick-Jacobs ähnlichen Beschreibung. Diese ist unweigerlich mit Energiegleichverteilung und mit verschwindender Geschwindigkeitskorrelation verbunden. Numerische Simulationen zeigen, dass diese Beschreibung für moderate bis starke Dämpfung und schwache externe Kräfte akkurat ist. Für starke Kräfte wird die angenommene Energiegleichverteilung infolge von Teilchen-Wand Kollisionen verletzt. Dies führt zu einer nichtlinearen Abhängigkeit der Teilchengeschwindigkeit und des effektiven Diffusionskoeffizienten von der Kraftstärke. / This work intends to show how experimentally relevant issues such as strong channel corrugation, sophisticated external force fields, particle size, and the solvent''s viscosity can be incorporated into the commonly used Fick-Jacobs approach which provides a powerful tool to capture many properties of Brownian particles'' transport in confined geometries. First, we derive exact solutions of the stationary probability distribution in terms of an expansion parameter specifying the channel corrugation. Thereby, the leading order is equivalent to the Fick-Jacobs approach. By means of higher expansion orders, which become significant for strong channel corrugation, we obtain corrections to the key particle transport quantities. Going one step further, we generalize the Fick-Jacobs approach to the most general forces. As an exemplary application, we consider microfluidic devices in which the interplay of conservative forces and pressure-driven flows (vector potentials) offers a unique opportunity to efficiently separate Brownian particles of the same size using the newly discovered effect of hydrodynamically enforced entropic trapping. Since separation and sorting by size is a main challenge in basic research, we demonstrate that within certain limits the analytic expressions for the key transport quantities, derived for point-like particles, can be applied to extended objects, too. Lastly, we study the impact of the solvent''s viscosity on particle transport. If the time scales separate, adiabatic elimination results in an effective description even for finite damping. The possibility of such description is intimately connected with equipartition and vanishing velocity correlation. Numerical simulations show that this approach is accurate for moderate to strong damping and for weak forces. For strong external forces, equipartition may break down due to reflections at the boundaries. This leads to a non-monotonic dependence of the particle mobility on the force strength.

Die Querstrom-Mikrofiltration mit Kapillarmembranen kommt zunehmend in den Bereichen Lebensmittel-, Pharma-, Chemieindustrie sowie in der Umwelttechnik zum Einsatz. Eine vollständige Beschreibung der Deckschichtbildung innerhalb der Membrananlage ist jedoch noch nicht gelungen. Der erste Teil dieser Arbeit widmet sich der Kuchenbildung in einer Kapillarmembran. Dabei werden sowohl Änderungen der Strömungsverhältnisse entlang der Kapillarlänge als auch Klassiereffekte bei der Querstrom-Mikrofiltration von polydispersen Stoffsystemen berücksichtigt. Die Modellberechnungen wurden mit Experimenten validiert. Weiterhin erfolgte die Untersuchung des Einflusses von polymeren Flockungsmitteln (PFM) auf die Mikrofiltration und der Möglichkeiten einer Filtratstromerhöhung durch Flockung mittels PFM. Es wird gezeigt, dass eine optimale Zudosierung von PFM existiert und diese mit einer maximalen Filtratstromerhöhung verbunden ist. Eine Überdosierung von PFM soll jedoch verhindert werden.

Festkörperspurdetektoren (FKSD) auf der Basis von Polymermaterialien sind ein geeignetes Mittel zum Nachweis von Ionenstrahlung [1]. Ebenso können damit Neutronen über ihre sekundären Ionen gemessen werden. Als passive und integrierende Detektoren eignen sie sich insbesondere gut für die Dosimetrie, wobei die geringe bzw. fehlende Empfindlichkeit für Elektronen und Photonenstrahlung ein weiteres Argument für die Anwendungen in gemischten Strahlungsfeldern darstellt. Als passive Detektoren arbeiten FKSD ohne zusätzliche Messelektronik und Stromversorgung. Das macht sie insbesondere für die Personen- und Ortsdosimetrie interessant. Allerdings sind die latenten, submikroskopischen Ionenspuren nach der Exposition nicht unmittelbar sichtbar. Erst durch einen mehr oder weniger aufwendigen Ätzprozess werden diese lichtmikroskopisch oder für das Auge direkt sichtbar. Da bei FKSD von der Herstellung bis zur Ätzung alle Ereignisse registriert werden, handelt es sich somit auch um integrierende Detektoren.Für die Dosimetrie ist insbesondere der Nachweis von leichten Ionen bis zu spezifischen Energien von 10 MeV / Nukleon wichtig. Protonenstrahlung wird für die Radiotherapie von Geschwulstkrankheiten angewendet; die meisten leichten Ionen der Elemente Wasserstoff bis Sauerstoff sind Bestandteile der Sekundärstrahlung von Neutronen,[Alpha]-Teilchen treten häufig als Zerfallsprodukt verschiedener schwerer Radioisotope auf. Während eine große Zahl von Polymeren eine Empfindlichkeit für schwere Ionen zeigen, ist die Auswahl für leichte Ionen schon sehr eingeschränkt.[Alpha]-Teilchen können noch mit verschiedenen Polykarbonaten, Zelluloseacetat und -nitrat nachgewiesen werden. Die Registrierung von Protonen ist derzeit nur mit dem besonderen Polykarbonat CR - 39 und mit Zellulose (di/tri) nitrat möglich. Natürlich eignen sich diese Materialien auch hervorragend zur Messung von [Alpha] -Teilchen. Leichte Ionen stellen weiterhin eine wichtige Sonde in der Radiobiologie dar. Festkörperspurdetektoren können hier als Monitore für die getroffenen Zellen und Zellbestandteile dienen. Dadurch ist prinzipiell eine genaue Lokalisierung der getroffenen Zellbausteine/Organellen möglich...

A new hypothesis of matter formation after the big bang based on either particle-wave duality or electric dipole asymmetry. Both assumptions allow to postulate that the probability of matter formation is slightly higher than that of antimatter formation. As a consequence, this difference of probabilities ∆Pp for protons and ∆Pe with regard to electrons avoided complete annihilation in the beginning.

Festkörperspurdetektoren (FKSD) auf der Basis von Polymermaterialien sind ein geeignetes Mittel zum Nachweis von Ionenstrahlung [1]. Ebenso können damit Neutronen über ihre sekundären Ionen gemessen werden. Als passive und integrierende Detektoren eignen sie sich insbesondere gut für die Dosimetrie, wobei die geringe bzw. fehlende Empfindlichkeit für Elektronen und Photonenstrahlung ein weiteres Argument für die Anwendungen in gemischten Strahlungsfeldern darstellt. Als passive Detektoren arbeiten FKSD ohne zusätzliche Messelektronik und Stromversorgung. Das macht sie insbesondere für die Personen- und Ortsdosimetrie interessant. Allerdings sind die latenten, submikroskopischen Ionenspuren nach der Exposition nicht unmittelbar sichtbar. Erst durch einen mehr oder weniger aufwendigen Ätzprozess werden diese lichtmikroskopisch oder für das Auge direkt sichtbar. Da bei FKSD von der Herstellung bis zur Ätzung alle Ereignisse registriert werden, handelt es sich somit auch um integrierende Detektoren.Für die Dosimetrie ist insbesondere der Nachweis von leichten Ionen bis zu spezifischen Energien von 10 MeV / Nukleon wichtig. Protonenstrahlung wird für die Radiotherapie von Geschwulstkrankheiten angewendet; die meisten leichten Ionen der Elemente Wasserstoff bis Sauerstoff sind Bestandteile der Sekundärstrahlung von Neutronen,[Alpha]-Teilchen treten häufig als Zerfallsprodukt verschiedener schwerer Radioisotope auf. Während eine große Zahl von Polymeren eine Empfindlichkeit für schwere Ionen zeigen, ist die Auswahl für leichte Ionen schon sehr eingeschränkt.[Alpha]-Teilchen können noch mit verschiedenen Polykarbonaten, Zelluloseacetat und -nitrat nachgewiesen werden. Die Registrierung von Protonen ist derzeit nur mit dem besonderen Polykarbonat CR - 39 und mit Zellulose (di/tri) nitrat möglich. Natürlich eignen sich diese Materialien auch hervorragend zur Messung von [Alpha] -Teilchen. Leichte Ionen stellen weiterhin eine wichtige Sonde in der Radiobiologie dar. Festkörperspurdetektoren können hier als Monitore für die getroffenen Zellen und Zellbestandteile dienen. Dadurch ist prinzipiell eine genaue Lokalisierung der getroffenen Zellbausteine/Organellen möglich...

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den Gleichgewichtseigenschaften und Phasenübergängen in verdünnten Teilchen- und Polymersystemen, mit einem Fokus auf Teilchenkondensation und Polymeraggregation. Dazu werden sowohl analytische Argumente als auch hochentwickelte Monte Carlo Simulationen verwendet. Um die in dieser Arbeit erreichten Systemgrößen zu simulieren, wurde eine parallele Version der multikanonischen Methode entwickelt. Die Leistungsfähigkeit dieser Erweiterung wird an mehreren relevanten Beispielen demonstriert. Um Teilchenkondensation und Polymeraggregation in finiten Systemen und in geometrisch beschränkten Strukturen besser zu verstehen, wird der Einfluss von verschiedenen Parametern auf die jeweiligen Übergange untersucht. Dies beinhaltet unter anderem die Systemgröße und Dichte, sowie im Speziellen für semiflexible Polymere deren Steifigkeit. Betrachtet werden sowohl kanonische Observablen (Energie, Tropfen- bzw. Aggregatgröße, etc.) mit der dazugehörigen Übergangstemperatur und -breite, als auch eine mikrokanonische Analyse sowie die Barrieren der Freien Energie. Für semiflexible Polymere wird insbesondere der Einfluss von Steifigkeit auf die resultierende Struktur der Aggregate untersucht, die von amorphen Kugeln für flexible Polymere bis hin zu verdrehten Bündeln für steifere Polymere reichen. Ein weiterer Fokus liegt auf der Untersuchung von Übereinstimmungen zwischen den generischen Mechanismen in Kondensation und Aggregation: dem Übergang zwischen einer homogenen Phase und einer inhomogenen (gemischten) Phase. Auf diesem Niveau kann man Polymeraggregation als Kondensation von ausgedehnten Objekten verstehen. Dies zeigt sich vor allem in dem Skalierungsverhalten von kanonischen und mikrokanonischen Observablen, insbesondere an einem unerwarteten aber konsistenten Bereich für mittelgroße (mesoskopische) Systemgrößen.

Das Afterglow tritt am Übergang vom Plasma zur Gasphase auf. Die dominierende aktive Spezies im Afterglow sind metastabil angeregte Neutralteilchen. Der Abbau der Metastabilen erfolgt in drei verschiedenen Prozessen: dem radiativen Zerfall, den Quenching-Stößen sowie der Relaxation in Stößen mit Oberflächen. Potentielle Anwendungsmöglichkeiten des Afterglows für Schichtabscheidung und Oberflächenmodifizierung werden diskutiert. Zur theoretischen Beschreibung des strömenden Afterglows wurde ein Collisional Radiative Modell entwickelt, welches die Reflexion angeregter Spezies an Oberflächen berücksichtigt. Als Diagnostikmethoden wurden die optische Emissionsspektroskopie (OES), die Chemolumineszenz sowie die Langmuir-Sondenmessungen eingesetzt, um die Konzentration metastabil angeregter Spezies zu bestimmen. Es wurde der Einfluß von konstruktiven und äußeren Paramentern auf die Konzentration metastabil angeregter Spezies im Afterglow untersucht. Es zeigt sich, daß unter den gegebenen Bedingungen die Quenching-Stöße der dominierende Verlustprozeß im Afterglow sind. Die Parameter Druck, Strömungsgeschwindigkeit und Länge des Afterglows können zu einem Skalierungsparameter zusammengefaßt werden, der zur online-Prozeßregulierung verwendet werden kann. Es werden

A new hypothesis of matter formation after the big bang based on either particle-wave duality or electric dipole asymmetry. Both assumptions allow to postulate that the probability of matter formation is slightly higher than that of antimatter formation. As a consequence, this difference of probabilities ∆Pp for protons and ∆Pe with regard to electrons avoided complete annihilation in the beginning.

We report on an efficient assembly approach to a variety of electrostatically stabilized all-inorganic semiconductor nanocrystals (NCs) via their linking with appropriate ions into multibranched gel networks. These all-inorganic non-ordered 3D assemblies can combine strong interparticle coupling which facilitates charge transport between the NCs with their diverse morphology, composition, size, and functional capping ligands. Moreover, the resulting dry gels (aerogels) are highly porous monolithic structures, which preserve the quantum confinement of their building blocks. The inorganic semiconductor aerogel made of 4.5 nm CdSe colloidal NCs, capped with iodide ions and bridged with Cd2+ ions, exhibited a surface area as high as 146 m2/g.