60.00.00 CONDENSED MATTER: STRUCTURAL, MECHANICAL, AND THERMAL PROPERTIES
-
61.00.00 Structure of solids and liquids; crystallography (for surface, interface, and thin film structure, see section 68)
(1)
- 62.00.00 Mechanical and acoustical properties of condensed matter (for mechanical properties of tissues and organs, see 87.19.R-; for mechanical properties of nanoscale systems, see 62.25.-g; for nonlinear acoustics of solids, see 43.25.Dc-in Acoustics Appendix; f
- 63.00.00 Lattice dynamics (see also 78.30.-j Infrared and Raman spectra; for surface and interface vibrations, see 68.35.Ja; for adsorbate vibrations, see 68.43.Pq; for lattice dynamics of quantum solids, see 67.80.de)
-
64.00.00 Equations of state, phase equilibria, and phase transitions (see also 82.60.-s Chemical thermodynamics)
(2)
- 65.00.00 Thermal properties of condensed matter (see also section 44 Heat transfer; for thermodynamic properties of quantum fluids and solids, see section 67; for thermal properties of thin films, see 68.60.Dv; for nonelectronic thermal conduction, see 66.25.+g an
-
66.00.00 Nonelectronic transport properties of condensed matter
(1)
- 67.00.00 Quantum fluids and solids (see also 05.30.-d Quantum statistical mechanics; for cryogenics, refrigerators, low-temperature detectors, and other low-temperature equipment, see 07.20.Mc; see also 47.37.+q Hydrodynamic aspects of superfluidity; quantum fluid
- 68.00.00 Surfaces and interfaces; thin films and nanosystems (structure and nonelectronic properties) (for surface and interface chemistry, see 82.65.+r, for surface magnetism, see 75.70.Rf)
2 search hits
-
Transport und Strukturbildung in magnetischen Hybriden
(2012)
-
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.
-
Monte Carlo Simulation Methods for Studying the Thermodynamics of Ligand Binding & Transfer Processes in Biomolecules
(2012)
-
R. Thomas Ullmann
- The binding and transfer of ligands is of central
importance for the function of many biomolecular
systems. The main topic of this thesis is the
development and application of Monte Carlo (MC)
simulation methods for studying complex ligand
binding equilibria which can also involve
conformational changes. The simulated systems
were described by microstates within a continuum
electrostatics/molecular mechanics (CE/MM) model
of the receptor-ligand system. The CE/MM modeling
methodology was improved. The improvements led to
more detailed molecular models that enable a more
realistic reproduction of system properties and
environmental conditions. The developed simulation
methods were applied to biomolecular systems whose
function involves aspects that are important for
the understanding of bioenergetic energy
transduction. The results of this thesis are
presented in five articles that are published in
peer reviewed scientific journals.
Manuscript A presents the Monte Carlo simulation
software GMCT which was largely developed in this
thesis. The software offers a variety of different
simulation methods that allow the user to harness
the full potential of CE/MM models in the simulation
of complex receptor systems.
Manuscript B presents a novel theoretical framework
for free energy calculations with the free energy
perturbation method. The novel framework is more
broadly applicable and can lead to more efficient
simulations than previous formulations. The
derivation of the formalism also led to interesting
insights into general statistical mechanics. The
formalism was implemented in GMCT and could already
be used fruitfully for the free energy calculations
presented in Manuscripts C and D.
Manuscript C demonstrates the application of free
energy measures of cooperativity to study the
coupling of protonation, reduction and conformational
change in azurin from Pseudomonas aeruginosa (PaAz).
Such a coupling is prototypic for bioenergetic systems
because it forms the thermodynamic basis of their
energy transducing function. PaAz is an experimentally
well characterized, small electron transport protein.
For this reason, PaAz was used here as model system
to demonstrate the usefulness of cooperativity free
energies in detecting and quantifying thermodynamic
coupling between events in complex biomolecular
systems. The results of this study led to new insight
that could help to determine the still enigmatic
physiological role of PaAz.
In Manuscript D, free energy calculations were
applied to study the thermodynamics of transport
through the ammonium transporter Amt-1 from
Archaeoglobus fulgidus (AfAmt-1). Ammonium is the most
directly utilizable nitrogen source for plants and
microorganisms. AfAmt-1 and its homologues facilitate
the transport of ammonia/ammonium across biological
membranes in living beings from all domains of life.
It is intensely debated how these proteins perform
their function and whether ammonia or its protonated
form ammonium is actually transported. The study
extended upon previous theoretical studies by
including the effects of substrate concentration,
electrochemical transmembrane gradients,
proton-coupled binding equilibria and competitive
binding of different ligand species. It was found
that the transported species is most likely the
ammonium ion. An ammonia/proton symport mechanism
that involves a pair of coplanar histidine residues
at the center of the transmembrane pore as transient
proton acceptor is made plausible by the high
genetic conservation of these residues.
Manuscript E presents a first application of the
microstate description within a CE/MM model to the
simulation of the non-equilibrium dynamics of a
molecular system. We simulated the re-reduction
kinetics of the primary electron donor in the
photocycle of the bacterial photosynthetic reaction
center from Blastochloris viridis. The simulation
results are in very good agreement with
experimentally measured data.
