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Crystalline-core micelles based on triblock terpolymers with polyethylene middle blocks
(2012)
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Joachim Schmelz
- This thesis is focused on the crystallization-induced structure formation of polyethylene containing triblock terpolymers in organic solvents to surface-compartmentalized worm-like crystalline-core micelles (wCCMs). Obtaining profound knowledge of the parameters controlling the self-assembly process allowed the production of a variety of complex one-dimensional micellar architectures with many potential applications, such as adaptive surfactants.
At first, the basic parameters that control the crystallization-induced self-assembly were explored using symmetric polystyrene-block-polyethylene-block-poly(methyl methacrylate) (PS-b-PE-b-PMMA) triblock terpolymers and a PS-b-PE-b-PS triblock copolymer. In good solvents for the PE block, e.g. THF and toluene, the selective formation of wCCMs was observed over a wide range of concentration, applied crystallization temperature and polymer composition. Whereas wCCMs produced by PS-b-PE-b-PS showed a homogeneous PS corona, a patch-like compartmentalization of the corona was observed if the micelles were formed by PS-b-PE-b-PMMA. As THF shows equal solvent quality for both corona blocks, wCCMs with almost alternating PS and PMMA compartments of about 15 nm were observed in this solvent. However, if structure formation was conducted in bad solvents for PE, such as dioxane or dimethylacetamide, spherical micelles with amorphous PE cores were formed already before crystallization. Hence, the subsequent crystallization of PE resulted in spherical CCMs with a patchy or a homogeneous corona depending on the used triblock. These findings allow the highly selective production of stable spherical or worm-like CCMs from the same polymer.
As the corona structure of the patchy micelles self-assembled from triblock terpolymers was mainly deduced from transmission electron microscopy (TEM) performed on dried samples, a small-angle neutron scattering (SANS) study was performed in order to elucidate the morphology in solution. Therefore a partly deuterated triblock terpolymer was synthesized and measured at different contrasts to allow the selective detection of the different corona compartments. The resulting SANS curves could be interpreted using a form factor model for core-shell cylinders with alternating PS and PMMA hemishells including interparticle interactions, thus validating the TEM observations. Notably, Janus-type and patchy cylinders can be clearly distinguished using the applied form factor model.
Moreover, the controlled formation of wCCMs with tunable corona composition and structure was achieved using the cocrystallization of different triblock copolymers. Via random cocrystallization of PS-b-PE-b-PMMA and PS-b-PE-b-PS the corona morphology could be tuned continuously from a mixed corona at low PMMA content over spherical PMMA patches of increasing number and size to alternating PS and PMMA patches. This approach allows to manufacture wCCMs with predefined corona structure omitting the need to synthesize a new tailor-made triblock terpolymer for every desired morphology.
By establishing the controlled crystallization-driven self-assembly of triblock terpolymers with PE middle blocks, it was further possible to prepare wCCMs with predefined average lengths up to 500 nm and length polydispersities as low as Lw/Ln = 1.1. Here, self-assembled spherical CCMs of PS-b-PE-b-PS were used as seeds for the controlled growth of PS-b-PE-b-PS unimers. Upon further addition of PS-b-PE-b-PMMA unimers these grew epitaxially onto the preexisting wCCMs, resulting in triblock co-micelles that consisted of middle blocks with a homogeneous PS corona and outer blocks with alternating PS/PMMA compartments. These structures represent not only the first block co-micelles including blocks with a patchy corona, but also the first ones produced from purely organic block copolymers.
In view of application, the ability of patchy wCCMs formed by PS-b-PE-b-PMMA to stabilize interfaces was investigated using pendant-drop tensiometry. The observed reduction of the interfacial tension at the toluene/water interface was significantly higher than that of comparable triblock terpolymer single chains and that of wCCMs with a homogeneous PS corona. Interestingly, the obtained equilibrium interfacial tension equaled that of Janus cylinders with similar dimensions. To explain this unexpected finding the corona chains were proposed to adapt to the interface via selective collapse and shielding of the incompatible part of the corona chains. Studying wCCMs formed by several triblock terpolymers with different compositions, the interfacial activity was found to increase with increasing overall length of the corona chains, and to a certain extent with the molar fraction of PS units in the corona.
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Light Harvesting using Metal-Organic and Organic Sensitizers in Hybrid Solar Cells: Synthesis, Characterisation and Application
(2012)
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Katja Gräf
- This thesis addresses the question how to improve light harvesting with novel tailor-made metal-organic and organic sensitizers for solid-state hybrid solar cell applications. Two approaches are in the focus: 1) the design and synthesis of sensitizers featuring high extinction coefficients over a broad wavelength range and 2) modern device concepts to further enhance or extend the absorption by the combination of two sensitizers. In short: The primary goal was to broaden and boost the optical density of hybrid solar cells. To reach this, novel sensitizer with extended conjugated π-system providing excellent optical properties had to be designed and synthesised in complex multi-step reaction sequences. For ideal sensitizers, further aspects had to be taken into account such as structural demands, electronic properties, and the tendency towards aggregation.
The first part of this thesis deals with the synthesis, characterisation and application of a series of metal-organic ruthenium(II) donor-antenna complexes. In addition to the typically broad absorption of Ru(II)bis(bipyridyl)(NCS)2 complexes in the blue-green region arising from MLCT, these dyes feature much higher extinction coefficients in comparison to a commercially available reference dye lacking any donor-antenna groups. By the application of these Ru(II) complexes in solid-state dye-sensitized solar cells, we found a clear structure-property relationship. The performance - especially the photocurrent density - was significantly improved with increasing extension of the delocalized system of the donor-antenna groups.
To further boost the optical density in hybrid solar cells sensitized with a donor-antenna ruthenium dye (Ru-TPA-NCS), we developed an innovative and technically relevant concept for multichromophore sensitization involving a second sensitizer (TPD-dye). The latter absorbs in a region where Ru-TPA-NCS absorbs weakly. The solar cells were fabricated according to a novel method developed by us. However, the power conversion efficiencies of multichromophore hybrid blend solar cells were initially low due the weak interconnectivity of the TiO2 particles. This issue was addressed by an optimization of the TiO2:spiro-OMeTAD ratio and the addition of PCBM
A further concept dealing with the combination of two sensitizers in solid-state dye-sensitized solar cell was accomplished by co-sensitization of a triphenyldiamine-based dye (TPD-dye) absorbing in the blue region and squaraine dye (SQ-dye) mainly absorbing the red part of the visible spectrum. In this way, the optical response of the device was extended up to 700 nm. Under optimized conditions, a conversion efficiency of 2.41 % could be reached.
To accomplish the desired panchromaticity or even an extension of the absorption up to the NIR region with a single sensitizer, novel BODIPY dyes with excellent optical properties were designed and synthesised. We prepared BODIPYs with donor-groups to extend the delocalized system and integrated a meso-ethynyl bridge between the BODIPY core and the anchoring group to improve the electronic connection between them. For comparison, we synthesised the corresponding BODIPYs without donor-moieties and without ethynyl bridge. The multi-step synthetic routes were optimized, the mechanism of the donor-attachment was clarified and the introduction of the ethynylphenyl group in the meso-position was accomplished for the first time. The optical characterisation of the compounds disclosed an impressively broad and intensive spectral response, especially for a meso-ethynylphenyl BODIPY with donor-groups. This dye absorbs up to 1030 nm with high extinction coefficients. This makes suitable functionalised BODIPYs promising candidates for solar cell applications.
The next part took advantage of the excellent optical properties of BODIPYs and expanded the topic towards the concept of energy transfer. Here, an unattached energy donor dye provides additional adsorption and transfers the energy to a sensitizing acceptor dye. Indeed, for appropriate combinations an additional contribution to the external quantum efficiency was found in the absorption region of the energy donor dye.
Furthermore, a review chapter covering all aspects of dye-sensitized solar cells and the sensitizers is added as appendix.
In summary, this thesis presents the successful design, synthesis and characterisation of both metal-organic and organic sensitizers including ruthenium complexes, triphenyldiamine-based dyes, a squaraine sensitizer and BODIPY dyes. The sensitizers (either individually or in combination with complementary sensitizers) provide excellent optical properties for the application in solar cells. The applicability of these sensitizers was successfully demonstrated in standard solid-state dye-sensitized solar cells, in newly developed multichromophore hybrid blend solar cells, co-sensitized solar cells and in solid-state dye-sensitized solar cells taking advantage of energy transfer.
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The origins of olivine fabric transitions and their effects on seismic anisotropy in the upper mantle
(2012)
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Sushant Shekhar
- Convecting mantle plays a central role in the thermal and geochemical evolution of the Earth. It provides the principal force responsible for major geological features such as mountains and ocean basins. Plate tectonics and its violent consequences such as earthquakes and volcanoes are all manifestations of the dynamics of the convective mantle. Shearing forces generated by mantle convection leads to lattice preferred orientation (LPO) of the major upper mantle mineral phases. LPO that develops in this way is thought to be the principal cause behind seismic anisotropy in the upper mantle, which can consequently be used to chart convective flow of the mantle.
Strong changes in seismic anisotropy occur in the top 300 km of the upper mantle where olivine is the principal mineral. In this study a solid media high pressure deformation apparatus, called the deformation-DIA or D-DIA, has been used to deform aggregates of San Carlos olivine in simple shear geometry at pressures between 3 and 8.5 GPa and temperatures from 1300-1500°C. As part of this project a high pressure and temperature solid-media cubic assembly was developed to facilitate these experiment that employed alumina pistons cut at 45° to shear the sample but minimized cold deformation of the sample by employing initially porous alumina in the sample column. Once stable high pressures and temperature were reached the cubic assembly was deformed by compressing two vertically oriented anvils of the D-DIA, while the four horizontally oriented anvils were maintained at a constant loading force. This assembly shortening led to shearing of the olivine sample. Recovered samples were analyzed for fabric development employing electron backscattered diffraction (EBSD) and microstructure was observed using transmission electron microscopy (TEM).
Experiments were performed at each pressure and temperature as a function of strain rate and H2O content. In dry olivine deformation experiments performed at slower strain rates an A-type fabric dominated at all pressures and temperatures, implying deformation by dislocation glide through the (010)[100] slip system. At higher strain rates evidence for the B-type fabric was observed, suggesting increased activity of the (010)[001] slip system at higher stresses. Recrystallization grains size and dislocation densities were used to estimate stresses in the samples and a good correlation was observed between strain rate and estimated flow stresses. Dry experiments from 8.5 GPa and 1500°C exhibited no LPO, which may be an indication for deformation through diffusion accommodated grain boundary sliding at these conditions. No indication was found that pressure influences the dominant slip system in olivine, in contrast to previous studies. It is considered that previously reported incidences of pressure effects can in fact be attributed to the development of higher stresses in experiments performed at higher pressures.
Fabrics in H2O bearing olivine deformed at similar conditions revealed the overriding dominance of the C-type fabric, developed through action of the (100)[001] slip system. Variations in pressure, temperature and strain rate had little influence on this fabric development. TEM observations confirmed the presence of dislocations with slip systems consistent with the development of the macroscopic fabrics. Viscoplastic self consistent modeling was employed to understand the development of fabric in the samples and to estimate the relative contributions of variations slip systems to the developed fabrics.
These results are used to construct an olivine fabric map which is found to be consistent with some previous studies at lower pressures. It is argued that the decrease in seismic anisotropy observed in the top 300 km of the upper mantle cannot originate from a pressure induced change in the dominant olivine deformation fabric. Instead it is argued that changes in the H2O content of olivine with depth cause a shift in the dominant fabric from A-type to C-type, with a possible excursion through the E-type fabric, dominant slip system (001)[100], which was, however, not observed in this study. Modeling is used to show that this variation in fabric with depth can cause the observed weakening the seismic anisotropy in the upper mantle if the olivine H2O content increases from below 100 ppm at 50 km to 250 ppm at 300 km. Rather than implying an increased in the H2O content of the mantle with depth, however, it is argued that this change in olivine H2O content can be caused by changes in the H2O olivine-pyroxene partition coefficients with depth, for a fixed bulk mantle H2O content of 200 ppm.
Similar deformation experiments performed on a peridotite assemblage at 8.5 GPa and 1300°C indicate identical olivine fabrics to those observed in monomineralic experiments at the same conditions. Fabrics for diopside and enstatite were found to be similar to those found in previously performed lower pressure experiments.
Experiments on a piezoelectric single crystal of GaPO4 were performed in the D-DIA and 6-ram MAVO press at high pressures in order to measure charge on the crystal developed through the application of deviatoric stresses. Electrical charges were measured through the use of an operational amplifier. Experiments performed at room temperature using a developed cubic assembly were successful in measuring quantifiable electrical charges resulting from the advancement of the deformation anvils by as little as 0.5 µm. Although the piezoelectric constant for this material is not yet calibrated at high pressures, stresses were estimated from the measured charges and measureable values were in the range 4-350 MPa.
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Synthesis and Combinatorial Optimization of Novel Star-Shaped Resist Materials for Lithographic Applications
(2012)
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Florian Wieberger
- Gordon Earle Moore predicted in the mid-1960s the cost-efficient doubling of transistors’ number on integrated circuits every two years – known as Moore’s Law. Leading companies orientates by the development of integrated circuits on this Moore’s Law and contributed to this prediction to come true up to the present. In so doing, the semiconductor industry drafts every two years aims to fulfill this prediction summarized in the so-called International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS). The ITRS lists guidelines for cost-effective progresses in performance of integrated circuits, e.g. design of integrated circuits, advancements of exposure tools and exposure techniques, and closely correlated resist materials. This thesis deals with the development of new resist materials and their combinatorial investigation concerning the performance in lithographic patterning.
The lithographic patterning procedure is a sequence of multiple processing steps and thus this procedure involves many processing variables interacting strongly with each other. For understanding and comprehensive investigation of such multi-variable dependent systems the development and implementation of combinatorial approaches were in the focus of this thesis. Furthermore this thesis is focused on the synthesis of new tailored resist materials for lithographic patterning. Star topology was the selected polymer architecture of this new resist material realized via the core-first atom transfer radical polymerization (ATRP) technique. The lithographic performance of electron beam lithography patterning was investigated for the resulting randomly distributed star terpolymers and star block copolymers by combinatorial libraries in view of features’ quality.
The first chapter deals with developed, adapted, and improved combinatorial techniques for thin film investigations in general and utilized for lithographic patterning investigations in particular. The lithographic patterning procedure of chemically amplified resist systems consists of various steps: film preparation, post apply bake (PAB) to remove residual solvent, exposure, post exposure bake (PEB) to activate the catalytic reaction, and development. For this rather complex process variable gradients were developed and adapted for each processing step to investigate and optimize the performance of especially new resist systems. For the film preparation a method was developed to prepare an internal material composition gradient. This was realized by a gradient extrudate prepared using two individual controllable syringe pumps and subsequent doctor-blading. The material composition gradient was verified by high performance liquid chromatography. The second (PAB) and also the fourth (PEB) processing step are both annealing processes of the resist film although they serve different purposes. For the investigation of such annealing processes temperature gradients were prepared adjustable in temperature range and temperature slope. This adjustability is ensured by the active heating and the active cooling source and also by the gap and the type of metal plate. For the third step exposure methods were developed to realize defined exposure dose gradients in very small areas of the resist film. Different exposure dose gradients were designed for photolithography as well as for electron beam lithography. For the latter case this dose gradient was programmed in the pattern design using the software which controls the electron beam during the exposure process. The dose gradient for photolithography investigations was realized by a special designed shadow mask. For the last processing step development a preliminary screening of the dissolubility conditions of the resist film was established utilizing quartz crystal microbalances. Based on this measured dissolubility behavior the time frame was set for development time gradients performed by a stepwise or continuously immersion of the resist films. Lastly two to three variable gradients were combined to binary or ternary combinatorial libraries, respectively. The ternary combinatorial libraries allow the investigation of three variables of the lithographic patterning process in one experiment. Thus it is possible to optimize a resist material system fast and efficiently in respect to resist performance.
In the second chapter a star-shaped teroligomer is reported as new high potential resist type for lithographic patterning purposes. The polymerization was carried out via the core-first ATRP route using a functionalized saccharose with eight initiating sites as core. Four star-shaped teroligomers were synthesized with varying target arm lengths. In addition a saccharose molecule was synthesized with an average number of 3.5 initiating sites and thus a star oligomer was realized with a reduced arm number but an identical core and similar arm length. As reference resist material a linear model oligomer was synthesized using ethyl 2-bromoisobutyrate as initiator. For all polymers narrow monomodal distributions were detected with polydispersity index values of lower than 1.1. Based on calibration polymerizations runs the monomer feed of the three used monomers was adapted to achieve targeted monomer incorporations for all teroligomers. The targeted monomer incorporation was copied from a currently industrially used linear teroligomer. One star oligomer was selected as proof of principle for the utilization of the star architecture for lithographic purposes. This new resist material was combinatorial investigated in a ternary library and thus optimized in one experiment concerning exposure dose, PEB temperature, and development time. The optimized patterns with a feature size of 100 nm and an excellent line edge roughness (LER) value of 3.1 nm were observed.
The last chapter of this thesis demonstrates the straight forward advancement of the star-shaped resist material reported in chapter two. The statistical monomer incorporation was exchanged by the introduction of the tailored star block copolymer architecture. This architecture was synthesized for the first time via the core-first ATRP route by full conversion of a first polar monomer and in-situ polymerization of additionally added nonpolar monomer. The successful syntheses were indicated by contact angle measurements showing increased hydrophobicity of star block copolymers in contrast to random star copolymers with the same monomer incorporation. The star block copolymers exhibited also enhanced dissolubility behavior characterized by quartz crystal microbalance measurements. Furthermore they demonstrated an up to eight times increased sensitivity at their lithographic application in contrast to the synthesized reference linear copolymer. The most promising star block copolymer was selected to investigate its lithographic performance. The optimization was performed in a ternary combinatorial library based on the gradient variables exposure dose and feature size, PEB temperature, and development time. The optimized pattern of clear lines and a feature size of 66 nm was observed with a LER value of 6 nm.
To conclude, different tailored star-shaped terpolymers were synthesized using the ATRP core-first route and successfully applied in the lithographic patterning process for the first time. In addition the combinatorial optimization offers the absolutely promising potential of utilizing these star shaped resist materials by the demonstrated brilliant LER values, the achieved extremely high sensitivity, and the fast and efficient development of clear 66 nm lines.
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Umweltbildung zum Thema Klimawandel im botanischen Garten: Wissen, Einstellungen und Konzepte von Jugendlichen
(2012)
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Daniela Sellmann
- Das Thema Klimawandel ist eines der wichtigsten sozio-wissenschaftlichen Themen unserer Zeit (Klosterman & Sadler, 2010) und sicherlich auch eine der größten Bedrohungen für unsere Ökosysteme (Fischlin et al., 2007). Dementsprechend groß ist das Interesse sowohl in der Wissenschaft als auch in der Öffentlichkeit. Die Komplexität des Phänomens, seine vielfältigen lokalen und globalen Auswirkungen sowie die Flut an, teilweise inkorrekten, Informationen, mit denen (nicht nur) Jugendliche konfrontiert werden (Weingart et al., 2000), führen zu Unsicherheiten (Fortner et al., 2000) und erschweren ein Verstehen des Klimawandels zusätzlich. Entsprechende Umfragen zeigen Jugendliche durchaus bereit, im Klimaschutz aktiv zu werden, sie dokumentieren häufig aber auch eine individuelle Hilflosigkeit angesichts des globalen Charakters des Klimawandels (Emnid, 2009; forsa, 2009). Durch oft widersprüchliche Informationen entstehen häufig Alltagsvorstellungen über den Klimawandel, die mit der wissenschaftlichen Sichtweise nicht übereinstimmen (z. B. Andersson & Wallin, 2000; Lombardi & Sinatra, 2010; Shepardson et al., 2009). Das Thema Klimawandel bedarf daher einer Kommunikationsstrategie, die gängige Alltagsvorstellungen mit der wissenschaftlichen Sichtweise auf einen gemeinsamen Nenner bringen kann, aber auch Handlungsoptionen vermittelt, um die vorhandene Aktionsbereitschaft zu aktivieren (Bord et al., 2000).
Die vorliegende Studie zieht konsequent die Prinzipien der Umweltbildung als Basis für eine Bildung zum Thema Klimawandel heran, also die Wissensvermittlung zu umweltrelevanten Themen, die Förderung von umweltfreundlichen Einstellungen sowie die Unterstützung einer besseren Naturverbundenheit (Stern et al., 2008). Zum Erreichen dieser Ziele bieten sich außerschulische Lernorte für Umweltbildungsprogramme besonders an, da sie direkte Erlebnisse mit der Natur ermöglichen und so neben kognitiven auch affektive Domänen ansprechen. Die vorliegende Studie wurde ganz bewusst am außerschulischen Lernort botanischer Garten durchgeführt, weil hier ausgewählte Pflanzenarten aus nahezu allen Ökosystemen der Welt vertreten sind. Dadurch steht Kindern und Jugendlichen sozusagen ein „Fenster zur botanischen Welt“ zur Verfügung, welches globale Auswirkungen des Klimawandels hervorragend veranschaulichen kann.
Alle vier vorgestellten Studien beleuchten das kognitive Wissen und Vorstellungen von Jugendlichen zwischen 14 und 19 Jahren zum Thema Klimawandel; sie beschreiben ihre Naturverbundenheit und Umwelteinstellungen und deren positive Beeinflussung durch ein speziell abgestimmtes Umweltbildungsprogramm in einem botanischen Garten. Darüber hinaus werden gezielte Implikationen für die Entwicklung und Durchführung ähnlicher Programme vorgeschlagen.
Teilstudie A bezieht sich auf die Veränderung von Schülervorstellungen in Abhängigkeit von der Gestaltung von Unterrichtsmaterialien. Beispielsweise konnte durch ein gezieltes Eingehen auf typische Alltagsvorstellungen eine höhere Rate an Veränderungen hin zu wissenschaftlichen Konzepten erreicht werden. Teilstudie B beschreibt Alltagskonzepte von Jugendlichen und deren Beeinflussung durch ein Umweltbildungsprogramm hin zu den wissenschaftlich korrekten Konzepten zum Thema Klimawandel. Dabei wird speziell eine Methode zur Erfassung solcher Veränderungen der Schülervorstellungen dargelegt, die auch im Unterrichtsalltag leicht und ohne großen Zeitaufwand einzusetzen ist. Teilstudie C zeigt das kognitive Wissen der teilnehmenden Jugendlichen sowohl direkt nach dem Programm als auch vier bis sechs Wochen später als signifikant höher als vor einer Programmteilnahme. Schließlich weist Teilstudie D direkt nach einer Programmteilnahme erhöhte Umwelteinstellungen und erhöhte Naturverbundenheit nach, die allerdings über den längeren Zeitraum von vier bis sechs Wochen betrachtet nur bezüglich der Ausnutzung der Natur bestehen blieb; der Grad der Naturverbundenheit sowie die positivere Einstellung zum Naturschutz fielen wieder auf das Ausgangniveau zurück, bedürfen demnach einer wiederholten Intervention.
In der Zusammenfassung bleibt also festzuhalten, dass kurzfristige Umweltbildungsprogramme zum Thema Klimawandel durchaus effektiv und langfristig das kognitive Wissen der Schülerinnen und Schüler erhöhen können; dies gilt ebenso für die Einstellung bezüglich der Ausnutzung der Natur, nicht aber für die Naturverbundenheit oder Umweltschutzeinstellungen. Letztere zeigten nur kurzfristig eine positive Veränderung. Eine längere Programmdauer und wiederholte Naturerlebnisse könnten hier Abhilfe schaffen. Darüber hinaus wird der Vorteil einer unterrichtlichen Einbindung von Alltagsvorstellungen erfolgreich aufgezeigt, konsequenteres Eingehen auf bestehende Vorstellungen im Unterricht wirkt sich direkt auf die Effektivität aus. Künftige vergleichbare Lerneinheiten sollten dies berücksichtigen.
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Umsetzung verschiedener didaktischer Theorien im außerschulischen Unterricht: Potentiale und Grenzen des wiederentdeckten Lernorts Bauernhof
(2012)
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Gabriele Fröhlich
- Die Entfremdung von Lebensmittelproduktion und landwirtschaftlicher Praxis sowie das Unwissen über enge Verflechtungen zwischen Umwelt und Landwirtschaft der heranwachsenden Generation (Ernst & Theimer, 2011; Hubert, Frank, & Igo, 2000; Tal, 2008) sind ein allgemeines gesellschaftliches Problem, dem man mit Bildung begegnen kann und sollte (Harms, King, & Francis, 2009). Um diese Themen, im Sinne einer Bildung für nachhaltige Entwicklung, zu vermitteln und so innerhalb der Gesellschaft zu festigen, scheint sich am besten situationsbezogenes und kontext-orientiertes Lernen am außerschulischen Lernort Bauernhof zu eignen (Knobloch, Ball, & Allen, 2007). Kontext-orientiertes Lernen ermöglicht den Schülerinnen und Schülern das in der Schule Gelernte auf den Alltag zu übertragen und so effektiver zu lernen (Bennett, Lubben, & Hogarth, 2007).
Das in dieser Studie entwickelte agrarische Umweltbildungsprojekt unterscheidet sich bewusst von bestehenden, zum Teil mehrtägigen und erlebnisorientierten Projekten, indem es Schulpraxisrelevanz für sich beansprucht: Es wird auf Ansprüche und Anforderungen des Lehrplans (fachliche Inhalte, Kompetenzvermittlung, kurze Projektdauer), der Lehrer (einfache Organisation und Durchführbarkeit) und der Schüler (schülerzentrierte und kooperative Lernmethode) Rücksicht genommen und diese bestmöglich umgesetzt.
Die Zielsetzungen der Promotionsstudie waren zum einen genauere Untersuchungen zur Naturverbundenheit von Kindern (Teilarbeit A), die Erziehung zu umweltfreundlicherem Konsumverhalten (Teilarbeit B) und eine kognitive Wissensvermittlung durch das entwickelte Projekt (Teilarbeit C). Darüber hinaus wurden noch Schülervorstellungen zur landwirtschaftlichen Praxis am Anfang und Ende der Sekundarstufe I erhoben (Teilarbeit D), um die Wahrnehmung von Landwirtschaft bei Kindern und Jugendlichen in einer modernen Industriegesellschaft besser beurteilen zu können. Das Wissen dieser Vorstellungen ist als Basis zur Erarbeitung effizienter Bildungsmaßnahmen in diesem Bereich erforderlich.
Teilarbeit A zeigt sowohl einen negativen Zusammenhang zwischen dem Alter (untersucht wurde der Zeitraum vor dem Einsetzen der Pubertät (9 – 13 Jahre)) als auch einen positiven Zusammenhang zwischen den kognitiven Fähigkeiten (Indikatorvariable: Schulform) und dem Grad der Naturverbundenheit.
Frühere Studien (Davis, 2011; Schultz, 2002) zeigten einen engen Zusammenhang zwischen Naturverbundenheit und umweltfreundlichem Verhalten. Dennoch hat sich in Teilarbeit B herausgestellt, dass Naturverbundenheit bei den Bildungsprojekt-Teilnehmern (Durchschnittsalter: 11,5 Jahre) keinen wichtigen Beitrag zur Intention für umweltfreundlicheres Konsumverhalten leistete, ebenso wenig wie das neu hinzugewonnene Wissen. Signifikant hingegen waren die Korrelationen mit situationsbedingten Lernemotionen, die direkt im Anschluss an die Unterrichtseinheit gemessen wurden. Jedoch war das Konsumverhalten nach sieben Wochen wieder auf dem vor der Intervention gemessenem Ausgangsniveau.
Wissensvermittlung, die Hauptintention der meisten Bildungsprojekte, erwies sich in Teilstudie C für die teilnehmenden Schüler insgesamt, unabhängig vom Lernort (Klassenzimmer vs. Bauernhof), als erfolgreich. Schlüsselt man die einzelnen Wissensbereiche weiter auf, so ergab sich ein signifikanter mittelfristiger Lernzuwachs bei Mädchen zum Thema Ernährung, und ein signifikanter kurz- und mittelfristiger Lernzuwachs für das Themengebiet Landwirtschaft bei beiden Geschlechtern.
Schließlich wurde in Teilstudie D Schülervorstellungen zu den Aufgaben eines Landwirts erhoben. Hierzu wurden Schüler am Anfang der Sekundarstufe I (5./6. Jahrgangsstufe) und am Ende (10. Jahrgangsstufe) befragt. Bei der induktiven Kategorienbildung der qualitativen Inhaltsanalyse nach Mayring (2007) ergaben sich kaum Unterschiede zwischen den Altersgruppen, jedoch lag der Schwerpunkt der Arbeitsaufgaben für die jüngeren Schüler bei den Tieren und für die Älteren bei den Pflanzen. Lediglich ein geringer Anteil der Zehntklässler nannte ökologische Aufgabenbereiche, bei den Jüngeren fehlt dieser Aspekt völlig. Generell zeigten sich sehr stereotype und einfache Vorstellungen bei den teilnehmenden Schülern.
Kurze, schülerzentrierte Bildungsmaßnahmen im Bereich der Landwirtschaft und Ernährung können kurz- und mittelfristig Wissen vermitteln, Anregungen für umweltfreundlichere Verhaltensweisen schaffen und positive Lernemotionen stärken, die sich jedoch stark auf das Antwortverhalten der Schüler auswirken können. Zusammenfassend kann man sagen, dass das entwickelte Bildungsprojekt gut geeignet ist, Grundlagen der agrarischen Umweltbildung schülergerecht zu vermitteln. Die Inhalte des Projekts sollten wiederholt in der Schullaufbahn aufgegriffen und altersgerecht vertieft werden, um den Schülern agricultural literacy(Frick et al., 1991) und damit ein realeres Bild über die moderne landwirtschaftliche Praxis zu vermitteln.
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Wissens- und sensorbasierte geometrische Rekonstruktion
(2012)
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Stefan Kuhn
- Möchte man herausfinden, wo sich bestimmte Objekte innerhalb eines gegebenen Raumes aufhalten könnten, so bleibt einem zunächst nur die Antwort "Irgendwo im gegebenen Raum". Erst mit Hilfe zusätzlicher Informationen, wie beispielsweise Sensordaten oder Eigenschaften der bestimmten Objekte oder der Umwelt im gegebenen Raum, lassen sich die möglichen Aufenthaltsorte einschränken, indem man solche Bereiche des Raumes ausschließt, in denen sich keines der bestimmten Objekte aufhalten kann.
Sind beispielsweise Menschen die bestimmten Objekte und deren mögliche Aufenthaltsorte innerhalb einer Roboter-Arbeitszelle von Interesse, dann muss man ohne weitere Informationen in der gesamten Roboter-Arbeitszelle Menschen vermuten. Unter der Voraussetzung, dass sich ein Mensch nicht in soliden Objekten der Umwelt aufhalten kann, reduzieren sich die möglichen Aufenthaltsorte innerhalb des gegebenen Raumes. Sensoren können verwendet werden, um freie Bereiche innerhalb der Roboter-Arbeitszelle zu erfassen, um damit die möglichen Aufenthaltsorte weiter einzugrenzen. Ein anderer Aspekt könnte das Minimalvolumen der bestimmten Objekte berücksichtigen, um so Regionen bei Unterschreitung dieses Minimalvolumens zu verwerfen, in denen zuvor Menschen vermutet werden mussten. Weitere Aspekte zur Eingrenzung möglicher Aufenthaltsorte stellen beispielsweise die Berücksichtigung von Farben, Distanzen, Geschwindigkeiten, Gewichten etc. dar.
Ziel dieser Arbeit ist die automatisierte, computerbasierte Lösung des obigen Problems, nämlich die Bestimmung und geometrische Beschreibung möglicher Aufenthaltsorte bestimmter Objekte innerhalb eines gegebenen Raumes unter Nutzung von Wissen und Sensoren. Es wird dabei gefordert, dass die geometrische Beschreibung - im Folgenden als geometrische Rekonstruktion bezeichnet - konservativ sein muss, d.h. die bestimmten Objekte innerhalb des gegebenen Raumes dürfen nicht aus der Rekonstruktion herausragen.
Das Problem wird zunächst allgemein im n-dimensionalen euklidischen Raum modelliert. Dieses Modell kann als Rahmenwerk angesehen werden, welches die konsistente Integration von Wissen und Sensoren erlaubt, um eine geometrische Rekonstruktion zu bestimmen. Unterschiedliches Wissen und unterschiedliche Sensoren werden exemplarisch integriert und diskutiert.
Basierend auf dem allgemein eingeführten Modell wird eine Implementierung für einen dreidimensionalen Voxelraum abgeleitet. Besondere Aufmerksamkeit ist bei der Verwendung diskreter Datenstrukturen erforderlich, um die Konservativität der resultierenden geometrischen Rekonstruktion zu gewährleisten.
Ein Prototyp wurde versuchsweise im industriellen Umfeld in einem Mensch/Roboter-Koexistenz-Szenario in Zusammenarbeit mit einem deutschen Automobilhersteller eingesetzt. Das Robotersystem nutzt die berechneten geometrischen Rekonstruktionen, um die Geschwindigkeit des Roboterarms bei Annäherung an einen Menschen zu reduzieren.
Ein weiteres Experiment diente der quantitativen Untersuchung der resultierenden geometrischen Rekonstruktionen in einem vergleichbaren Aufbau. Die verbleibende Anzahl an Voxeln der geometrischen Rekonstruktionen beläuft sich im Durchschnitt über alle Zeitpunkte der im Experiment betrachteten Sequenz auf etwa 1,22% bezüglich aller Voxel innerhalb des gegebenen Raumes. Im direkten Vergleich dazu verbleiben bei einer einfachen Multi-Kamera-Rekonstruktion, welche "Occlusion Masks" zur Behandlung von sichtverdeckenden Hindernissen nutzt, durchschnittlich etwa 9,62% der Gesamtanzahl an Voxeln innerhalb des gegebenen Raumes. Die wissens- und sensorbasierte geometrische Rekonstruktion besteht also durchschnittlich aus etwa 12,7% der Voxel gegenüber dem einfachen Ansatz, welcher "Occlusion Masks" nutzt und beschreibt damit die bestimmten Objekte wesentlich exakter.
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Transport und Strukturbildung in magnetischen Hybriden
(2012)
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Tobias Lang
- Ein an Bedeutung gewinnender Forschungsbereich hat die Kombination von Ferrofluiden mit anderen Materialien wie Gummis oder Gelen zum Inhalt. Diese neue Klasse von Hybridmaterialien verbindet die Vorteile von Ferrofluiden mit weiteren nützlichen Eigenschaften. Diese Disserta- tion beschäftigt sich mit der Untersuchung ebensolcher Hybriden. Dazu werden verschiedene Ferrofluide mit Vernetzern kombiniert. Die beiden zentralen Fragestellungen der Arbeit sind:
1. Ist der magnetophoretische Transport von magnetischen Nano- partikeln durch eine Gel-Matrix hindurch und bei moderaten Feld- gradienten von unter 1 T m−1 möglich?
2. Wie wird die Normalfeld-Instabilität im Ferrofluid durch das Auf- bringen einer vernetzten Schicht auf die Oberfläche, beziehungs- weise durch das Vernetzen des gesamten Fluids, beeinflusst?
Bei der Vernetzung des gesamten Systems werden zwei Proben be- stehend aus jeweils einem thermoreversiblen Gelator und einem Fer- rofluid verwendet. Eine basiert auf Paraffinöl mit Magnetit-Partikeln (FGSEPS) und eine auf Wasser mit Kobaltferrit-Partikeln (FGP123). Bei der Vernetzung der Fluidoberfläche kommt ein esterbasiertes Fer- rofluid und ein UV-Vernetzer zum Einsatz.
Zunächst werden die beiden thermoreversiblen Proben, FGSEPS und FGP123, chemisch charakterisiert. Darauf aufbauend wird eine Unter- suchung ihrer rheologischen Eigenschaften durchgeführt. Es wird ge- zeigt, dass der thermoreversible Charakter der eingesetzen Gelatoren bei beiden Systemen eine Einstellung der gewünschten Viskosität zu- lässt. Bei der frequenzabhängigen Messung von Speichermodul G′(ω) und Verlustmodul G′′(ω) zeigte sich, dass FGSEPS ein viskoelastisches Ferrofluid und FGP123 ein Ferrogel ist. Zusätzlich werden die magneti- schen Eigenschaften von FGSEPS und FGP123, welche für diese Klasse von Hybridmaterialien von zentraler Bedeutung sind, charakterisiert. Aufgrund ihrer hohen Viskosität müssen bei den durchgeführten Mes- sungen Probenhalter nicht-ellipsoidaler Geometrie verwendet werden. Um die dadurch gemachten Messfehler abschätzen und korrigieren zu können, wurden Probenhalter ellipsoidaler Geometrie entwickelt und
mit den Verwendeten verglichen. Darauf basierend ließen sich Korrek- turfaktoren für die verwendten Probenhalter ermitteln und damit die Messgenauigkeit des verwendeten Magnetometers wesentlich verbes- sern. Bei den Messungen der Magnetisierungskurven M(Hi) für beide Systeme stellt sich heraus, dass FGSEPS sich entsprechend einer su- perparamagnetischen Substanz verhält. Bei der Magnetisierungskurve M(Hi) des Ferrogels FGP123 kann ein hysteretisches Verhalten nach- gewiesen werden, owohl das zugrunde liegende Kobaltferrit-Ferrofluid superparamagnetisch ist.
Anschließend wird untersucht, inwieweit sich FGSEPS und FGP123 mittels eines magnetischen Gradientenfeldes beeinflussen lassen. Zu die- sem Zwecke wird die zeitliche Veränderung der ortsabhängigen Parti- kelkonzentration mit Hilfe eines speziellen Röntgenverfahrens aufgelöst. Um den Einfluss des Gelators auf magnetophoretische Effekte beurtei- len zu können, wird zunächst reines Ferrofluid vermessen. Dabei lässt sich eine Separation der Nanopartikel beobachten. Bei dem thermore- versiblen System FGSEPS zeigt sich, dass trotz einer starken Erhöhung der Viskosität aufgrund des Gelators eine Separation möglich ist. Auch eine teilweise Relaxation des Systems durch reine Diffusion – ohne Ein- fluss eines magnetischen Feldgradienten – lässt sich beobachten. Diese Beobachtungen stehen im Widerspruch zu theoretischen Überlegungen, die Längen- und Zeitskala der Prozesse betreffend. Im Gegensatz zu Ferrofluid und FGSEPS werden bei dem Ferrogel FGP123 keinerlei magnetophoretische Effekte beobachtet.
Der letzte Teil der Arbeit widmet sich der Frage, inwieweit die Bil- dung der Normalfeld-Instabilität durch eine Vernetzung auf der Ober- fläche, beziehungsweise des gesamten Systems, beeinflussbar ist. Die beiden untersuchten Systeme sind einerseits eine Kombination des Fer- rofluids mit einem UV-Vernetzer und andererseits das thermoreversible System FGSEPS. Bei der Überschichtung lässt sich die effektive Ober- flächenspannung des Ferrofluids erhöhen. Das hat eine Vergrößerung der Wellenlänge des Musters λc sowie eine Erhöhung der zur Erzeu- gung nötigen kritischen Flussdichte Bc zur Folge. Überraschend ist das Anwachsen der Amplitude des Musters bei Überschichtung. Dieser Ef- fekt lässt sich im Rahmen eines einfachen Modells erklären. Mit dem System FGSEPS ist es erstmalig gelungen in einem thermoreversiblen System bei G′ > G′′ eine Normalfeld-Instabilität zu erzeugen. Die Mus- teramplitude und ihre Wachstumsrate werden mit steigender Viskosi- tät des Systems kleiner. Die Wellenlänge λc steigt an und die kritische Flussdichte Bc ist unabhängig von G.
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Optische Untersuchung diffusiver Transportvorgänge in mehrkomponentigen Fluiden
(2012)
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Andreas Königer
- Diese Arbeit beschäftigt sich mit diffusivem Massentransport und untersucht diesen in optischen Experimenten. Dabei wird sowohl eine optische Detektion der Transportprozesse verwendet, als auch eine gezielte Manipulation von Teilchenbewegung durch Impulsübertragung bei Absorption und Streuung.
Im zweiten Kapitel wird eine hoch empfindliche Zweifarb-Beamdeflection-Anlage als neue Messmethode zur Messung von Diffusion und Thermodiffusion in ternären Flüssigkeitsmischungen vorgestellt. Das Messprinzip beruht dabei auf der Ablenkung von Laserstrahlen im Brechungsindexgradienten einer horizontalen Flüssigkeitsschicht zwischen zwei Kupferplatten. Dieser bildet sich durch die Temperatur- und Konzentrationsabhängigkeit des Brechungsindex nach Schalten der Plattentemperaturen aus. Die gleichzeitige Detektion zweier Laserstrahlenwellenlängen erlaubt die Zeitentwicklung der Konzentrationsprofile zu messen. Über ein vollständiges mathematisches Modell des Experiments können alle vier Elemente der Diffusionsmatrix, sowie die beiden unabhängigen Soret- und Thermodiffusionskoeffizienten bestimmt werden. Die Arbeit beinhaltet erste Messungen der beiden symmetrischen Mischungen Dodekan/Isobutylbenzol/1,2,3,4-Tetrahydronaphthalen und 1-Methylnaphthalen/Oktan/Dekan. In einer Analyse der Messfehler durch Monte-Carlo-Simulationen werden die Kontrastfaktoren der Mischungen als limitierender Faktor für die Genauigkeit der Soret-Koeffizienten identifiziert. Weitere Möglichkeiten zur Steigerung der Messgenauigkeit werden vorgeschlagen.
Im dritten Kapitels werden Messungen an dem System Wasser/Isopropanol beschrieben, die im Rahmen einer Internationalen Kooperation durchgeführt wurden. Das teilnehmende Labor an der Universität Brüssel verwendet dazu ein digitales Interferometer. An der Universität in Mondragon wird mit Thermogravitationssäulen und Sliding-Symmetric-Tubes gemessen. Die Messungen dieser Arbeit sind mit Beamdeflection unter Verwendung einer an das System angepassten Messzelle gemessen. Nach einer Beschreibung der Messprinzipien der einzelnen Methoden beinhaltet die Arbeit präzise Messergebnisse der Kontrastfaktoren und Transportkoeffizienten im gesamten Konzentrationsbereich bei den drei Temperaturen T=15°C, 25°C und 35°C. An alle Messwerte der Kooperation zusammen mit den älteren Literaturdaten sind approximierende Splines angepasst, mit denen Referenzwerte definiert werden.
Das vierte Kapitel untersucht Thermodiffusion thermosensitiver Kolloide. Diese bestehen aus einem Polystyrolkern (PS) auf den ein Gelnetzwerk aus Poly(N-Isopropylacrylamid) (PNIPAM) aufgebracht ist. Abhängig von der Temperatur der Teilchen quillt und schrumpft die Hülle der Teilchen, was zu stark temperaturabhängigen Transportkoeffizienten führt. Neben einer Darstellung wichtiger Systemeigenschaften werden in dieser Arbeit temperaturabhängige Beamdeflection-Messungen gezeigt, aus denen Diffusions- und Soret-Koeffizienten gewonnen werden. Ein besonderer Schwerpunkt der Messungen liegt bei der Vermeidung von Konvektion. Eine Parametrisierung der Messwerte liefert eine lineare Temperaturabhängigkeit des Soret-Koeffizienten, während bei dem Diffusionskoeffizienten ein quadratischer Term mitberücksichtigt werden muss.
Eine detaillierte Studie des Verhaltens einer großen Anzahl von Goldkolloiden in einer optischen Falle ist in Kapitel 5 enthalten. Die untersuchte optische Falle besteht aus einem konvergenten Laserstrahl, der die Kolloide entgegen der Gravitation nach oben an eine Saphirplatte drückt und durch den Strahlungsdruck gegen den osmotischen Druck komprimiert. Alle Experimente mit der Falle sind in einem invertierten Mikroskopaufbau durchgeführt, bei dem die Beobachtung der Teilchen und Einkopplung des Lasers durch das gleiche Objektiv erfolgen. Neben der Entwicklung eines deterministischen Modells enthält diese Arbeit Ergebnisse aus zahlreichen Langevin-Simulationen, mit deren Hilfe der Einfluss der stochastischen Bewegung der Teilchen genau untersucht wird. Damit können einige wesentliche Abweichungen von dem rein deterministischen Verhalten der Teilchen gefunden werden, die auch experimentell bestätigt werden. Bei geringer Laserleistung wird ein monoexponentieller Teilchenverlust gefunden. Für den Durchmesser der Kolloidwolke wird bei Variation der Laserleistung ein Hystereseeffekt nachgewiesen, der sich durch das komplexe Wechselspiel aus Strahlungsdruck und osmotischem Druck aus der Vorgeschichte des Experiments ergibt. Damit ist eine Einstellung der Teilchenzahl in der Falle möglich. Bei Verschiebung der Teilchen in einer sinusförmigen Bewegung ist eine Grenzfrequenz messbar, oberhalb derer die Kolloide der Bewegung nicht mehr folgen können. Abschließend wird die Auswirkung der Temperaturerhöhung an der Kolloidoberfläche diskutiert. In allen durchgeführten Experimenten kann kein Hinweis auf Thermophorese der Teilchen gefunden werden.
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Geometrische Konstruktionen linearer Codes über Galois-Ringen der Charakteristik 4 von hoher homogener Minimaldistanz
(2012)
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Michael Kiermaier
- In dieser Arbeit werden vier neue unendliche Serien von linearen Codes über Galois-Ringen der Charakteristik 4 konstruiert.
Hinsichtlich der Minimaldistanz übertreffen die Gray-Bilder der konstruierten Codes alle bekannten vergleichbaren linearen Codes.
In den Konstruktionen wird die Theorie der projektiven Hjelmslev-Geometrien, der Assoziationsschemata sowie der symmetrischen Bilinearformen in endlichdimensionalen GF(2)-Vektorräumen benutzt.
