Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
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Melt Synthesis, Structural, Characterization and Scaling of Swelling 2:1-Layer Silicate Materials
(2012)
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Hussein Kalo
- Melt synthesis, characterization, and refinement of single crystal structures of swelling 2:1-layer silicates were the main fundamental topics of the presented thesis. In particular, large scale syntheses of both lithium and sodium fluorohectorite were successfully achieved. Furthermore, the crystal structure of one-, and two-layer hydrate of sodium fluorohectorite and the one-layer hydrate of sodium brittle mica were thoroughly investigated and characterized in detail.
Swelling sodium fluorohectorite with good crystallinity in an ideal composition of Na0.85[Mg2.15Li0.85]Si4O10F2 was synthesized for investigating the hydrated structure. Melt synthesis was done in closed molybdenum crucibles using pure reagents (glass with composition Na2O-2SiO2, Li2SiO3 MgF2, MgO, SiO2). The crystal structures of one- and two-layer hydrate of sodium fluorohectorite were studied. The one-layer hydrate of sodium fluorohectorite (at relative humidity 45 %) showed two planes of interlayer sodium along [100]. The two-layer hydrate of sodium fluorohectorite showed sodium interlayer cations being located in the middle of the interlayer.
In addition, sodium brittle mica with a target composition Na4[Mg6]Si4Al4O20F4 was successfully synthesized via melt synthesis in a gas tight molybdenum crucible and the refinement of the one-layer hydrate of sodium brittle mica was done. The synthetic sodium brittle mica swells only to the one-layer hydrate and could not be further hydrated to the two-layer hydrate.
Generally, natural swelling layer silicates (smectites) usually contain impurities such as iron oxide (pigmentation material), quartz, and carbonate. However, these impurities hinder the employment of swelling layer silicates in industry for cutting edge and advanced applications. In addition, they suffer from small particle size under 5 µm limiting their aspect ratio. For industrial applications, pure synthetic swelling layer silicates with superior properties are highly desirable.
Therefore, a large scale synthesis of sodium fluorohectorite Na0.6[Mg2.4Li0.6]Si4O10F2 was carried out in three steps. (i) Synthesis of glass, glass was used as precursor and low melting agent, the amorphous glass with composition Na2O-Li2O-6SiO2 was synthesized from sodium carbonate Na2CO3, lithium carbonate Li2CO3, and silicic acid SiO2∙nH2O via melt synthesis in an open glassy carbon crucible at 1075 °C under flowing argon in a high frequency induction furnace, where the temperature was increased with a constant rate of 300°C/hr. (ii) dehydration and decarboxylation of silicic acid SiO2∙nH2O and magnesium basic carbonate MgCO3∙Mg(OH) respectively at 900 °C for one hour in a corundum crucible in a chamber furnace. (iii) Mixing and melting the glass, the material obtained by dehydration and decarboxylation of SiO2∙nH2O and MgCO3∙Mg(OH)2 together with magnesium fluoride to achieve a composition of Na0.6[Mg2.4Li0.6]Si4O10F2. The total mixture was transferred into a glassy carbon crucible and melted at 1265 °C under argon for 15 min. The synthetic sodium fluorohectorite showed uniform and high intracrystalline reactivity, represented a pure phase, which was colorless and of good crystallinity.
High aspect ratio layer silicates would be an optimum functional material for future application in polymer layered silicate nanocomposites. Delamination via osmotic swelling is known in laponite-type clays. High hydration energy of the interlayer cation, such as lithium can force layer silicates to swell infinitely and delaminate. Consequently, the lithium fluorohectorite with variable layer charge was synthesized via melt synthesis in an open glassy carbon crucible in a high frequency induction furnace. The same procedure used for sodium fluorohectorite was applied for lithium fluorohectorite, where the glass with composition Li2O-2SiO2 was prepared via reaction of lithium carbonate with silicic acid at 1200 °C for 1hr. Due to the high fugacity of lithium fluoride, excess of one mole Li and F was added via lithium silicate and magnesium fluoride respectively. The raw material of lithium fluorohectorite was melted at 1350 °C for 10 min.
The synthetic lithium fluorohectorite showed uniform intracrystalline reactivity, came in large well crystalline tactoids and completely delaminated to a single silicate layers in water. The lithium fluorohectorite behavior reveals that these materials have high potential for barrier application and flame retardancy. Furthermore, the lithium fluorohectorite was synthesized in large scale.
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Lernen mit Schülervorstellungen unter Berücksichtigung der Cognitive Load Theorie - Multimediale Lerneinheiten zur gentechnischen Produktion von Insulin
(2012)
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Sabine Pöhnl
- Gentechnik sorgt nach wie vor für heftige Diskussionen in unserer Gesellschaft, obwohl manche Methoden, wie zum Beispiel die gentechnische Produktion von Insulin, schon seit Langem in der industriellen Produktion von Arzneimitteln Eingang gefunden haben. Konsequenterweise ist dieses gesellschaftliche Thema auch ein Thema der Schule. Ausgehend vom Wissen über grundlegende molekulare Vorgänge der Genetik soll ein möglichst vorurteilsfreies Verständnis von Anwendungen der Gentechnik erreicht werden, zumal in der Regel bereits eine Vielzahl von Schülervorstellungen vorhanden sind.
Die Aufdeckung und sukzessive Veränderung solcher Schülervorstellungen in Richtung der wissenschaftlichen Vorstellungen wurde in vielen Studien zu conceptual change (CC) untersucht. Obwohl man um die begrenzte Kapazität des Arbeitsgedächtnisses weiß, fehlen Studien über cognitive load (CL, kognitive Last, gemessen als mental effort (ME, geistige Anstrengung)). Die vorliegende Studie möchte daher den Zusammenhang von Lernen mit Schülervorstellungen und der zugehörigen CL herstellen. Hierfür wurde die Behandlung von Schülervorstellungen in multimediale Lerneinheiten (computer- und textbuch-basiert) integriert. Die Multimedia-Prinzipien nach Mayer (2005) dienten als Grundlage für die Entwicklung der Lerneinheit. Im Fokus stand die Analyse der Auswirkungen eines Zustands im CC-Prozess, indem Schülervorstellungen aktiviert werden, aber die Schülerinnen und Schüler nicht aufgefordert werden, ihre Schülervorstellungen weiter zu bearbeiten, auf den Lernzuwachs und die verwendete ME. Daneben waren mögliche Unterschiede zwischen den Geschlechtern bezüglich der Effizienz (zusammengesetzt aus Lernerfolg und aufgewendeten ME) der computer-basierten Lerneinheit von Interesse.
Der Ansatz der Behandlung der Schülervorstellungen führte zu höheren ME-Werten bei wenig langfristigem Lernerfolg. Von den negativen Auswirkungen des Ansatzes, die basierend auf der Literatur erwartet wurden, scheinen vor allem Experten (Schüler mit hohem Vorwissen, wenig Schülervorstellungen) betroffen zu sein. Sie zeigten keine optimale Kosten-Nutzen-Bilanz der Effizienz. Die Ergebnisse der Teilarbeit C weisen darauf hin, dass das adäquate Design der multimedialen Lerneinheit zumindest lernförderlich für Mädchen war.
Die Gesamtarbeit liefert einen Beitrag zur Aufklärung des CC-Prozesses und dem Einflussfaktor ME bzw. CL. Die Ergebnisse von Teilarbeit A und B weisen deutlich auf die Notwendigkeit eines reflektierten und bewussten Umgangs mit Schülervorstellungen im Unterricht hin. Zusätzlich ist es besonders wichtig, die CL beim Lernen mit Schülervorstellungen zu berücksichtigen. Daneben leistet die Arbeit einen Beitrag zum nach wie vor diskutierten Thema: Lernen am Computer und Einfluss des Geschlechts. Die Förderung der Mädchen durch das adäquate multimediale Design ist als positiv für den Einsatz der entwickelten Lerneinheit im Unterricht zu bewerten. Dennoch sollte hier weiter geforscht werden um eine optimale Effizienz für beide Geschlechter zu erreichen.
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Documentation of the Atmospheric Boundary Layer Experiment, Nam Tso, Tibet, 08th of July – 08th of August 2012
(2013)
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Tobias Gerken
Kathrin Fuchs
Wolfgang Babel
- no abstract
