Fakultät für Physik - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 02/05 Archiv

Molecular recognition, programmability, self-assembling capabilites and biocompatibility are unique features of DNA. The basic approach of DNA nanotechnology is to exploit these properties in order to fabricate novel materials and structures on the nanometer scale. This cumulative dissertation deals with three aspects of this young research area: fast analysis, autonomous control of functional structures, and biocompatible autonomous delivery systems for nanoscale objects. 1. At low temperatures and under favorable buffer conditions, two complementary DNA strands will form a double-helical structure in which the bases of the two strands are paired according to the Watson-Crick rules: adenine bases bind with thymine bases, guanine bases with cytosine bases. The melting temperature TM of a DNA duplex is defined as the temperature at which half of the double strands are separated into single strands. The melting temperature can be calculated for DNA strands of known sequences under standard conditions. However, it has to be determined experimentally for strands of unknown sequences and for applications under extreme buffer conditions. A method for fast and reliable determination of DNA melting temperatures has been developed. Stable gradients of the denaturing agent formamide were generated by means of diffusion in a microfluidic setup. Formamide lowers the melting temperature of DNA and a given formamide concentration can be mapped to a corresponding virtual temperature along the formamide gradient. Differences in the length of complementary sequences of only one nucleotide as well as a single nucleotide mismatch can be detected with this method, which is of great interest for the detection of sequence mutations or variations such as single nucleotide polymorphisms (SNPs). 2. Knowledge of the stability of DNA duplexes is also of great importance for the construction of DNA-based nanostructures and devices. Conformational changes occuring in artificially generated DNA structures can be used to produce motion on the nanometer scale. Usually, DNA devices are driven by the manual addition of fuel molecules or by the periodic variation of buffer conditions. One prominent example of such a conformational change is the formation of the so-called i-motif, which is a folded four-stranded DNA structure characterized by noncanonical hemiprotonated cytosine-cytosine base-pairs. In order to achieve controlled autonomous motion, the oscillating pH-value of a chemical oscillator has been employed to drive the i-motif periodically through its conformational states. The experiments were conducted with the DNA switch in solution and attached to a solid substrate and constitute the first example of DNA-based devices driven autonomously by a chemical non-equilibrium reaction. 3. Finally, a DNA-crosslinked and switchable polyacrylamide hydrogel is introduced, which is used to trap and release fluorescent colloidal quantum dots in response to externally applied programmable DNA signal strands. Trapping and release of the nanoparticles is demonstrated by studying their diffusion properties using single molecule fluorescence microscopy, single particle tracking and fluorescence correlation spectroscopy. Due to the biocompatibility of the polymerized acrylamide and the crosslinking DNA strands, such gels could find application in the context of controlled drug delivery, where the autonomous release of a drug-carrying nanoparticle could be triggered by naturally occurring, potentially disease-related DNA or RNA strands.

Eine der fundamentalen Fragen der aktuellen Wissenschaft ist die Entschlüsselung des globalen Kohlenstoff-Kreislaufs insbesondere vor dem Hintergrund des anthropogenen Einflusses durch die Emission großer Mengen von CO2 in die Atmosphäre. Aktuell gibt es keine Messsysteme, die die nötige Messgenauigkeit zur Bestimmung von Quellen, Senken und Flüssen atmosphärischen Kohlendioxids erreichen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Methode der aktiven Fernerkundung atmosphärischen Kohlendioxids mittels Lidar theoretisch und experimentell untersucht. Im Vordergrund stand dabei die Entwicklung eines Differential-Absorptions-Lidars (DIAL). Der Aufbau und die Charakterisierung einer geeigneten Laserlichtquelle sowie einer präzisen Wellenlängen-Stabilisierung stellten zentrale Aspekte dar. Für ein einsetzbares System mussten darüber hinaus ein Empfangssystem, eine Steuerung und Datenerfassung sowie Systeme zur Analyse der Strahlqualität aufgebaut werden. Da die atmosphärische Rückstreuung im verwendeten Wellenlängenbereich bei 1,57 µm gering ist, wurde das System in der DIAL-Variante IPDA (Integrated Path Differential Absorption) verwirklicht, das statt der atmosphärischen Rückstreuung den Laser-Reflex einer festen Oberfläche verwendet, womit der CO2-Säulengehalt entlang der Messstrecke bestimmt wird. Als Laserlichtquelle wurde ein Nd:YAG-gepumptes KTP-OPO-System mit alternierendem Injection Seeding durch zwei DFB-Laserdioden verwirklicht. Sensitivitätsstudien anhand von numerischen Simulationen lieferten Informationen über geeignete Messwellenlängen, über die maximal erreichbare Messgenauigkeit und über Anforderungen an das Messsystem. Es ergab sich, dass sich im Hinblick auf die untersuchten Aspekte die geforderte Genauigkeit im Subprozent-Bereich erreichen lässt, wobei höchste Anforderungen an die spektralen Eigenschaften der Laserlichtquelle gestellt werden. In Testmessungen wurde die erreichbare Messgenauigkeit des entwickelten Labor-Prototypen untersucht. Es wurden Stärken und Schwächen des aufgebauten Systems und der Messmethode herausgearbeitet. So zeigte sich insbesondere, dass die beim IPDA-Messprinzip notwendige Leistungsreferenz-Messung sowie die räumliche Laserstrahl-Qualität als kritisch zu betrachten sind. Bei direkten Vergleichsmessungen mit einem In-situ-Gerät erreichte der Prototyp auf Anhieb eine Standardabweichung von 2 % bei einem Bias von unter 10 %. Die erreichte spektrale Qualität der Laserstrahlung übertraf die aufgestellten Anforderungen. Diese Arbeit liefert einen Beitrag zum Fortschritt auf dem Gebiet der Entwicklung aktiver Systeme zur Fernerkundung atmosphärischen Kohlendioxids.

Over the last years, weather services have developed a new generation of high resolution mesoscale numerical weather prediction (NWP) models with the aim to explicitly predict convection. New methods are required to validate the representation of precipitation processes in these NWP models against observations. Polarimetric radar systems are especially suited for model validation as they provide information on the intensity and the microphysical characteristics of a precipitation event at a high temporal and spatial resolution. However, the observations can not be directly employed for model evaluation as polarimetric radar systems do not explicitly measure the parameters represented in microphysical parameterization schemes. In order to establish a relationship and allow for a direct comparison between the model parameters and the observations, the polarimetric radar forward operator SynPolRad (Synthetic Polarimetric Radar) has been developed. SynPolRad simulates synthetic polarimetric radar quantities out of model forecasts which permits an evaluation in terms of observed quantities. In a first step, the synthetic reflectivity, LDR, and ZDR are computed from predicted bulk water quantities and in a second step, the beam propagation in the model domain is simulated under consideration of refractivity and attenuation effects. In order to successfully employ SynPolRad for model evaluation purposes, the link between the forward operator and the mesoscale model has to conform as closely as possible to the model assumptions. However, in the case of a polarimetric radar forward operator not all the input parameters are defined by the model. Within this work, these free parameters are derived on theoretical terms accordingly to the model assumptions such that the polarimetric quantities match the thresholds of a hydrometeor classification scheme. Furthermore, special care is given to the representation of brightband signatures. The application of SynPolRad on two case studies proves the potential of the new method. A stratiform and a convective case study are chosen to assess the ability of mesoscale models to represent precipitation in different dynamical regimes. LMK (Lokal-Modell-Kürzestfrist) and MesoNH (Mesoscale Non-Hydrostatic Model) simulations considering different microphysical parameterization schemes are evaluated. The evaluation concentrates on the representation of life cycle, intensity, and the spatial distribution of synthetic reflectivity, LDR, and ZDR. Furthermore, hydrometeor types derived from the observed and synthetic polarimetric quantities employing a classification scheme are compared. Large discrepancies are found between the model simulations and the observations. However, the consideration of an additional ice hydrometeor category in the 3 component scheme significantly improves the performance of the LMK.

In the semi-analytical work presented here the feedback from supermassive black holes on galaxy clusters is investigated. In particular we aim at providing simple diagnostics tools to constrain the characteristic velocities and spatial scales of the hot Intra Cluster Medium (ICM) motions. In the so-called "cold core'' clusters these motions are believed to be driven by the activity of a central black hole. The methods developed here, together with present-day and future observations, are designed to help to solve the puzzle of cooling flow clusters (see section $1.3$) and understand better the AGN/gas interaction in smaller systems (down to individual galaxies).\\ Clusters of galaxies are the largest gravitationally bound systems in the Universe: they are composed of hundreds to thousands of galaxies, moving in a deep potential well set by the dominating dark matter. The whole volume of clusters is filled with hot (temperature $\sim 10^7-10^8$~K) and rarefied (electron density $10^{-4}-10^{-1} {\rm cm^{-3}}$) gas. In such a high-temperature regime even heavy elements (e.g. silicon, sulfur, iron etc.) are highly ionized up to [H]- or [He]-like ions and they emit in bright lines with energies from $\sim 0.7$ to $\sim 8$ keV. Using X-ray observations one can reliable measure all the major gas properties: the temperature, density and abundance of heavy elements.\\ A significant fraction of clusters (called "cool core'' clusters) show distinct signatures in the central region: the gas temperature drops inward, while the gas density increases. The central gas radiative cooling time in such clusters is much shorter than the age of the cluster and without any external source of energy the gas would cool well below X-ray temperatures. However observations suggest that the gas temperature drops only to 1-2 keV. One plausible explanation of this problem is that the activity of a central supermassive black hole deposits large amounts of mechanical energy into the cluster gas and that this balances the gas radiative losses. A direct implication of this hypothesis is that the hot gas is not at rest, but it is continuously stirred by the AGN activity.\\ The same class of cool core clusters is characterized by a centrally peaked distribution of the heavy elements abundance (usually measured using the He-like iron 6.7 keV line). The peaked abundance profiles are likely associated with the metals ejection by the stars of very massive elliptical galaxies, that are always present at the centers of these clusters. However the observed abundance distributions are significantly broader than the central galaxy light profiles, suggesting that some gas motions are spreading the metals ejected from the galaxy. We treat this process in a diffusion approximation to derive, from the X-ray observations, constraints on the characteristic velocities and spatial scales of the gas motions for a sample of cool core clusters and groups (Chapters $2$ and $3$). The parameters derived from a simple semi-analytic model are then compared with the results of numerical simulations of the AGN/gas interaction in the cluster core (Chapter $4$).\\ In Chapter $5$ we discuss the impact of the gas motions on the width of the strongest X-ray emission lines. Since the characteristic thermal velocities of heavy ions (e.g. iron) are much smaller than the sound speed of the gas, the width of the lines sensitively depends on the presence of gas motions. We show that both the absolute value of the linewidth and its dependence on the projected distance from the cluster center provide valuable diagnostics of the gas motions. Such measurements will soon become possible with the launch of X-ray micro-calorimeters in space.\\ This work has been done in collaboration with E.Churazov, R.Sunyaev, H.B\"ohringer, M.Br\"uggen, W.Forman and E.Roediger.

Natürliche Blitzentladungen können aufgrund ihrer abgestrahlten, elektromagnetischen Impulswellen (Atmospherics) in verschiedenen Frequenzintervallen geortet werden. Unter Verwendung magnetischer Sensoren wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Messsystem entwickelt und erprobt, dessen Detektionsschwerpunkt im VLF-Bereich liegt. Unterschiedlichste Blitzentladungen wurden mit Messnetzen in Deutschland, Brasilien und Australien gezielt geortet und analysiert. Durch eine aufwendige Ermittlung der Signalankunftszeiten an den Messstationen und die Verwendung eines erweiterten Laufzeitverfahrens zur Blitzpeilung, welches neben Länge und Breite auch die Höhe der Blitzentladung als Parameter zulässt, ergaben sich mittlere Laufzeitfehler von nur 0,2 µs. Simulationen, statistische Vergleiche und alternative Verfahren zur Blitzhöhenbestimmung belegen, dass die jeweils berechnete Höhe eine sinnvolle, physikalische Größe darstellt. Durch diese wird es möglich, Wolken- und Erdblitze auf einfache Art voneinander zu unterscheiden. Die Peilgenauigkeit und Effizienz der erfassten Blitzereignisse wurden durch Vergleiche mit einer Reihe von anderen Blitzmessnetzen untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass von unseren Netzwerken bis zu zehn Mal so viele reale Blitzereignisse gemeldet wurden. Die Vergleiche der Stromamplituden zeigen, dass die zusätzlich erfassten Ereignisse fast ausschließlich zu schwächeren Blitzen mit Entladungsströmen unter 5 kA gehören. Die starken Amplituden werden von den verschiedenen Netzen in sehr guter Übereinstimmung gemessen. Die Peildifferenzen zwischen zeitgleichen Ereignissen der verglichenen Datensätze liegen in den meisten Fällen unterhalb eines Kilometers. Aufgrund der großen Datenfülle und der Emissionshöhenbestimmung der Impulse wurde es erstmals möglich, mit einem VLF-Messnetz dreidimensionale Entladungsstrecken darzustellen. Durch die Analyse der aufgezeichneten Wellenformen wurden Einteilungen der Impulse in verschiedene Kategorien möglich. So ließen sich signifikante Unterschiede zwischen Wolken- und Erdblitzen, aber auch bei Vor- und Hauptentladungen aufzeigen.

In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss des dreidimensionalen Strahlungstransportes, insbesondere der differentiellen Einstrahlung, auf die Wolkenbildung und -entwicklung untersucht. Hierzu wurde ein Verfahren zur Berechnung der Bestrahlungsstärke am Boden unter inhomogener Bewölkung entwickelt und in das Grobstruktursimulationsmodell EULAG implementiert. Durch Vergleich von Simulationen mit der originalen Modellversion und dem weiterentwickelten Modell wurde der Einfluss der differentiellen Einstrahlung, verursacht durch Wolkenschatten, auf die konvektive Grenzschicht untersucht. Das Verfahren beruht auf der tilted independent column approximation (TICA). Hierbei werden einzelne Säulen, die in Richtung der Sonne ausgerichtet sind, betrachtet und für diese die Strahlung unabhängig voneinander berechnet. Die Methode wurde optimiert, parallelisiert und dadurch so stark beschleunigt, dass die Rechenzeiten der in dieser Arbeit durchgeführten Simulationen mit EULAG-TICA nur maximal 3% über denen mit EULAG ohne Strahlung liegen. Durch Vergleich mit exakten dreidimensionalen Strahlungstransportrechnungen wurde gezeigt, dass die TICA eine sehr gute Näherung zur Berechnung solarer Bestrahlungsstärken am Boden für unterschiedliche Wolkensituationen und verschiedene Sonnenzenitwinkel darstellt. Hingegen ist die verbreitete independent column approximation (ICA) zur Berechnung von Bestrahlungsstärken am Boden nur für im Zenit stehende Sonne geeignet, da die ICA aufgrund der Beschränkung auf den Strahlungstransport in senkrechten Säulen keinen realistischen Schatten produziert. Die berechnete Bestrahlungsstärke wurde an die Modellphysik gekoppelt durch die Anpassung des Wärmeflusses am Boden. Dieser wirkt sich auf die Temperatur in der Atmosphäre aus. Anhand von Vergleichen mit Messreihen unter gleichen Wolkenbedingungen wurde gezeigt, dass die durch die Wolkenschatten verursachten Temperaturfluktuationen am Boden in Simulationen mit EULAG-TICA realistisch sind. Zur Untersuchung des Einflusses der differentiellen Einstrahlung auf die Wolkenbildung wurden Simulationen einer einzelnen konvektiven Wolke durchgeführt. Der Einfluss auf die Wolkenentwicklung wurde anhand von Simulationen der konvektiven Grenzschicht untersucht. Die Simulationen mit und ohne Wolkenschatten zeigen deutliche Unterschiede. Im Bereich des Wolkenschattens ist der Aufwind wie erwartet schwächer ausgeprägt als in der Referenzsimulation ohne Schatten. Als Folge des schwächeren Aufwindes reicht die Wolke in den Simulationen mit Schatten weniger hoch und weist daher ein geringeres Volumen und einen geringeren Flüssigwasserpfad auf. Ist das Wolkenwachstum nach oben durch eine Inversion begrenzt, so wie in der konvektiven Grenzschicht, zeigen sich kaum Unterschiede im Bedeckungsgrad und Wolkenvolumen zwischen den Berechnungen mit und ohne Wolkenschatten. In jedem Fall hat die differentielle Einstrahlung jedoch einen starken Einfluss auf die Zirkulation. Vertikalprofile der horizontalen Windgeschwindigkeiten zeigen mittleren Wind von der Wolke in Richtung ihres Schattens in Höhe der Wolken und in entgegengesetzter Richtung in Bodennähe. Dies bedeutet, dass die an konvektiven Wolken vorhandene Zirkulation (aufsteigende Luft unterhalb der Wolke, Ausfließen in der Höhe der Wolke aus der Wolke heraus in alle Richtungen, absinkende Luft neben der Wolke und am Boden Luftbewegung von allen Seiten unter die Wolke) in Richtung des Schattens orientiert wird. Des Weiteren zeigen die Ergebnisse eine Bewegung der Wolken weg von ihrem Schatten, bzw. eine Auflösung der Wolken oberhalb ihres Schattens und Wolkenwachstum auf der der Sonne zugewandten Seite. Steht die Sonne im Zenit ist die Lebensdauer der einzelnen Wolken kürzer. Sie lösen sich schneller wieder auf, da der sie bildende Aufwind durch den Schatten abgeschwächt wird.

Abell 1689 is a massive galaxy cluster that has an impressive number of gravitationally lensed background galaxies. In this thesis more than 30 multiple image systems identified in A1689 are used to derive an accurate mass profile for the cluster. It is also shown how strong lensing in cluster can be used to constrain the sizes of the dark matter haloes of cluster galaxies and to place upper limits on the amount of dark substructure in clusters.

Der Erfolg chirurgischer Eingriffe wird nicht selten durch überschießende Wundheilung zunichte gemacht, so daß ein erneuter Eingriff notwendig wird. Am Wundort lokal eingesetzte Radionuklide mit kurzreichweitiger Strahlung können solche gutartigen Wucherungen verhindern. Das Radionuklid P-32 eignet sich als reiner Elektronenemitter mit einer Halbwertszeit von 14,3 Tagen und einer mittleren Energie von 694,9 keV (Emax=1710,48 keV) für diese Aufgabe und kann durch den Einfang thermischer Neutronen (1 · 10^14 /s/cm^2) im Kernreaktor aus dem stabilen P-31 hergestellt werden. Nach einer typischen Bestrahlungszeit (14 Tage) beträgt der P-32–Anteil 1,4 · 10^-5. Implantate aus Polymer bzw. bioresorbierbarem Material als Träger des radioaktiven Strahlers ermöglichen gegenüber metallischen Implantaten neue Anwendungen für diese Art der Strahlentherapie. In dieser Arbeit wurde eine Herstellungsmethode für bisher nicht verfügbare organische radioaktive Implantate entwickelt und ein dazugehöriges Dosimetriesystem aufgebaut. Mittels Ionenimplantation können P-32–Ionen mit bis zu 180 keV einige 100 nm tief in organische Implantatmaterialien eingeschossen werden. Für eine typische Dosis (15 Gy in 7 Tagen in 1 mm Abstand zum Implantat) wird eine Aktivität von 75 kBq benötigt, dies entspricht 1,3 · 10^11 P-32–Ionen. Die dafür optimierte Zerstäubungsionenquelle ermöglicht einen Ionenstrahl mit hohem Strahlstrom (>14 µA P–) und geringer Emittanz (

In the past few years, ultrafast laser technology has developed to such a degree that the phase of a pulse under its envelope is now a meaningful measurable quantity. Many experiments now require the use of pulses with a fixed phase. The reliable production of such pulses, over extended periods of time, is of key importance to many areas of science. The central theme of this thesis is the generation of intense phase-controlled few-cycle optical pulses and their applications. This thesis reports on substantial improvements made in the generation of carrier-envelope phase-controlled pulses. Measurements performed show the accuracy to which absolute phase can be controlled has been improved to a unpreceded level. Also, the period of time over which such high accuracy measurements could be performed was extended by more than a factor of five, such that carrier-envelope phase-sensitive measurements that take longer than 24 hours without any breaks are now possible. With these tools at hand, physical processes that take place on sub-femtosecond time scales can be precisely measured, and control over the motion of bound electrons is possible. In this thesis, a report on the first demonstration of the latter is presented: In the dissociation of the D_2^+ -ion, control over the localisation of the remaining electron is demonstrated.

Hydrodynamische Simulationen haben sich in den letzten Jahren zu einem wichtigen Werkzeug in der Kosmologie entwickelt. Es ist Ziel dieser Arbeit, einen bestehenden Simulationscode durch weitere physikalische Effekte zu erweitern, um deren Auswirkungen in selbstkonsistenter Art und Weise untersuchen zu können. Es wird ein Formalismus vorgestellt, der die Wärmeleitung in einem heißen, diffusen Plasma nachgebildet. Ferner präsentiere ich eine neuartige Methode, kosmische Teilchenstrahlung durch ein als einfach parametrisiert angenommenes Impulssprektrum der Strahlungsteilchen in hydrodynamischen Simulationen mitsamt ihren dynamischen Effekten zu berücksichtigen und untersuchen. Es zeigt sich in durchgeführten Simulationen, daß die Wärmeleitung, obwohl sie unter bestimmten Umständen die Kühleffekte ausgleichen kann, in den durchgeführten kosmologischen Simulationen nicht zu einer Reduzierung der Akkretionsrate in Galaxienhaufen führte. Es zeigen sich dennoch in Temperatur- und Strahlungsprofilen der simulierten Objekte starke Auswirkungen der Wärmeleitung. Die kosmische Teilchenstrahlung zeigt in weiteren Simulationen deutliche Auswirkungen auf die Evolution von Strukturen, insbesondere bei der Regulierung von Sternentstehung in kleinen Galaxien (solchen mit Virialgeschwindigkeiten von unter ∼ 80km/s). Hier führt sie zu einer staken Unterdrückung der Sternenbildung, in zunehmendem Maße für kleinere Galaxien mit einer geringeren Gesamtmasse. Durch diese Unterdrückung wird bei statistischer Betrachtung auch die Steigung der Leuchtkrafts-Verteilungfunktion von Galaxien an ihrem leuchtschwachen Ende stark beeinflußt; letztere wird deutlich flacher und bringt Simulationsergebnisse somit merklich näher an beobachtete Werte.

The analysis presented in this thesis is based on data from electron-proton collisions with longitudinally polarised electron beams at a centre-of-mass energy of ${\sqrt s}=319~$GeV. The data were taken with the H1 detector at the HERA collider in the year 2005 corresponding to two polarisation states: a left-handed electron polarisation of $-27\%$ and a right-handed electron polarisation of $+37\%$, corresponding to integrated luminosities of $68.6~\rm pb^{-1}$ and $29.6~\rm pb^{-1}$, respectively. The inclusive total deep inelastic charged current cross section and the differential cross sections are measured for both helicities in the kinematic domain $Q^{2}>400~\rm GeV^{2}$ and $y