Recent Submissions
Four-point interfacial correlation functions in two dimensions : exact results from field theory and numerical simulations
(2021) Squarcini, Alessio; Tinti, Antonio
We derive exact analytic results for several four-point correlation functions for statistical models exhibiting phase separation in two-dimensions. Our theoretical results are then specialized to the Ising model on the two-dimensional strip and found to be in excellent agreement with high-precision Monte Carlo simulations.
Miniaturized holographic twin trap 3D-printed via two-photon lithography
(2025) Doth, Kathrin; Wende, Marco; Drozella, Johannes; Haist, Tobias; Herkommer, Alois; Toulouse, Andrea
Correlations and structure of interfaces in the Ising model : theory and numerics
(2021) Squarcini, Alessio; Tinti, Antonio
We consider phase separation on the strip for the two-dimensional Ising model in the near-critical region. Within the framework of field theory, we find exact analytic results for certain two- and three-point correlation functions of the order parameter field. The analytic results for order parameter correlations, energy density profile, subleading corrections and passage probability density of the interface are confirmed by accurate Monte Carlo simulations we performed.
Dynamics and steady states of a tracer particle in a confined critical fluid
(2021) Gross, Markus
The dynamics and the steady states of a point-like tracer particle immersed in a confined critical fluid are studied. The fluid is modeled field-theoretically in terms of an order parameter (concentration or density field) obeying dissipative or conservative equilibrium dynamics and (non-)symmetry-breaking boundary conditions (BCs). The tracer, which represents, e.g., a colloidal particle, interacts with the fluid by locally modifying its chemical potential or its correlations. The coupling between tracer and fluid gives rise to a nonlinear and non-Markovian tracer dynamics, which is investigated here analytically and via numerical simulations for a one-dimensional system. From the coupled Langevin equations for the tracer-fluid system we derive an effective Fokker-Planck equation for the tracer by means of adiabatic elimination as well as perturbation theory within a weak-coupling approximation. The effective tracer dynamics is found to be governed by a fluctuation-induced (Casimir) potential, a spatially dependent mobility, and a spatially dependent (multiplicative) noise, the characteristics of which depend on the interaction and the BCs. The steady-state distribution of the tracer is typically inhomogeneous. Notably, when detailed balance is broken, the driving of the temporally correlated noise can induce an effective attraction of the tracer towards a boundary.
Emergent motility of self‐organized particle‐giant unilamellar vesicle assembly
(2025) Karaz, Selcan; Gardi, Gaurav; Han, Mertcan; Baltaci, Saadet Fatma; Akolpoglu, Mukrime Birgul; Sitti, Metin
Giant unilamellar vesicles (GUVs), soft cell‐sized compartments formed through the self‐assembly of lipid molecules, have long been utilized as model systems and passive carriers in membrane biophysics and biomedical applications. However, their potential as dynamically responsive and motile systems remains largely untapped due to challenges in achieving controlled and sustained motion in soft, deformable structures. Here, an autonomous cell‐like microrobot through the emergent self‐assembly of GUVs (5‐10 µm) and silica microparticles (1‐3 µm) under alternating current electric fields is realized. Self‐propulsion arises from asymmetric self‐organization of the particles on the vesicle surface, enabling a reversible transformation of the assembly into an active structure. Unlike rigid colloidal systems, GUVs introduce unique features enabled by their soft lipid membranes: shape deformations, membrane tension‐dependent motility, and field‐triggered live bacteria release via vesicle bursting. Through experiments and simulations, the mechanisms underlying self‐assembly and propulsion are investigated, and a dynamic phase diagram is constructed to map the motion regime as a function of field parameters. Finally, it is shown that these self‐assembled structures are capable of reconfiguration in response to local constraints in the environment, suggesting potential applications in complex environments and advancing the potential of GUVs toward the rational design of cell‐like microrobots or artificial cell systems.
Sustainability in small and medium‐sized enterprises (SME) : integrated research framework and future research agenda
(2025) Dalgali, Kerem; Tiberius, Victor; Brem, Alexander
Over the past two decades, the concept of sustainability in the context of small and medium‐sized enterprises (SME) has gained significant attention within both business practice and academic research. This has resulted in a rapid and multidisciplinary proliferation of scholarly literature, which has led to an increasing fragmentation of the research field, calling for an integrative overview. Against this background, this paper aims to identify the main thematic clusters of the literature on sustainability in SMEs, using two science mapping techniques (co‐citation analysis and bibliographic coupling), and a cluster‐wise review identifying major determinants and antecedents of SME's sustainability, SME's sustainability efforts, and their outcomes, as well as contextual factors, applied theories, and research methods. Additionally, it seeks to reveal nascent subfields and research gaps. This research contributes to the literature by complementing and extending existing literature reviews in a quantitative approach and proposing an integrative overview. Moreover, implications for SMEs and future research directions are suggested.
Simulating bubble columns : a lattice Boltzmann approach
(2025) Mast, Yannic; Takors, Ralf (Prof. Dr.-Ing.)
Increasing demands for industrial-scale production of biochemical products necessitates the development of advanced methodologies to meet growing market requirements. High-volume bioreactors are pivotal in industrial bioprocesses, driving a carbon-neutral economy through efficient, cost-effective production of basic chemicals and biofuels while promoting sustainable practices. Optimal operation of these systems depends on maximizing mixing performance and mass transfer, which requires a deep understanding of complex flow structures in multiphase systems. These structures can stress floating microbes, potentially hindering high product yield. While scale-down experiments offer valuable insights, they can be prohibitively costly and labor-intensive. Computational modeling provides a viable alternative. Computational fluid dynamics (CFD) has emerged as a crucial method for optimizing the design and operation of large-scale bioreactors. With the introduction of lattice Boltzmann method (LBM) CFD solvers, it is now possible to develop high-resolution models for large-scale bioreactors, creating comprehensive models that are both computationally efficient and informative. LBM's efficiency in handling parallel computations makes it particularly suited for such large-scale applications and allows for a much more detailed resolution of the gas phase, capturing individual bubble dynamics. Despite its inherent complexity, accurate modeling of the gas phase is crucial for advancing bioreactor performance. To address these challenges, this study uses and extends Euler–Lagrange (EL) simulations to provide a more detailed and comprehensive representation of the gas phase in CFD simulations of bubble column bioreactors. This study focuses on bubble breakage by developing robust mathematical models to improve understanding of individual bubble dynamics and mass transfer.
The first part of the thesis explores the transfer of bubble breakage models from Euler–Euler (EE) to EL simulations, using the critical Weber number (Wecrit) as a threshold for breakage and the dynamic daughter size distribution (DSD). The DSD was a key criterion for the resulting bubble size distribution (BSD). By appropriately fitting the Wecrit values and DSDs, two widely accepted bubble breakage models were successfully transferred from EE to EL, resulting in similar BSDs. This work demonstrates the feasibility of integrating established EE models into EL frameworks, presenting a validated approach for applying a modular structured model. The model effectively describes bubble breakage in EL simulations, offering high adaptability and suitability for capturing the dynamic nature of bubble breakage processes across various conditions. In the second part of this thesis, the previously introduced EL breakage model description was refined using data from experimentally measured BSDs. The experimental setup incorporated a pump to account for varying energy inputs. By integrating measured bubble sizes and turbulence intensity data from CFD simulations, Wecrit, an M-shaped DSD, and a minimum timespan between consecutive breakages were identified. These parameters enabled accurate reproduction of the experimental BSDs in simulations that incorporated breakage phenomena. Furthermore, the model was validated under varying physical liquid properties to reflect real fermentation conditions. By using sodium dodecyl sulfate (SDS) and glycerol, the physical properties of syngas fermentation media with Clostridium ljungdahlii, including fresh medium (FM) and late phase medium (LPM), were simulated. The outcome is an EL bubble breakage model applicable across different system scales and total bubble counts and suitable for a diverse range of turbulence intensities, bubble sizes, and medium types.
In the third part of this thesis, the data-driven bubble breakage model was applied to investigate a 600 m³ bubble column for Escherichia coli–based L-phenylalanine fed-batch production. For the first time, a process of this high volume was fully resolved spatially using graphics processing unit (GPU)-accelerated LBM solvers, explicitly accounting for the gas phase through an EL approach. This allowed the comparison of different mass transfer models based on the measured integral volumetric mass transfer coefficient. A key finding was identifying existing circulation cells, which significantly impacted mixing times and revealed a nonlinear relationship between gas volume input and mixing time. By combining CFD with microbial kinetics, this thesis successfully simulated the hydrodynamics, mass transfer, and microbial activity in large-scale bioreactors, demonstrating the potential for optimizing reactor performance. The developed “black box” cell model agreed well with experimentally measured fermentation data. Through an optimized feeding strategy, the CFD simulations ultimately presented product synthesis improved by 6.24 %, while alternative scenarios increased the growth rate by 11.05 %.
This work demonstrates that using the LBM for CFD simulations in bioreactors enables rapid high-resolution temporal and spatial calculations. Furthermore, it facilitates integrating EL bubble analysis and large eddy simulation (LES) turbulence modeling, providing unprecedented resolution and accuracy in capturing bubble dynamics and turbulence. This leads to an improved understanding of all processes involved in large-scale fermentation, paving the way for further advances in computational techniques to enhance the design and operation of bubble column bioreactors.
Digital gedruckte Elektronik und Aufbau- und Verbindungstechnik für Sensoranwendungen
(2026) Jäger, Jonas; Zimmermann, André (Prof. Dr.-Ing.)
Digital gedruckte Elektronik bietet die Möglichkeit, elektronische Schaltungen individualisiert, ressourcenschonend und mit hoher Geschwindigkeit zu fertigen. Um gedruckte Strukturen in elektronischen Systemen sinnvoll einsetzen zu können, müssen diese mit klassischen Bauelementen wie Halbleiterchips, Mikrocontrollern oder einer Stromversorgung verbunden werden. Dazu werden Aufbau- und Verbindungstechniken eingesetzt, welche in dieser Dissertation auf digital gedruckten Strukturen untersucht wurden. Um gedruckte Strukturen zusätzlich als Sensorelemente einsetzen zu können, wurden in dieser Dissertation gedruckte Temperatursensorelemente untersucht.
Als Aufbau- und Verbindungstechniken wurden das Drahtbonden, Löten und das leitfähige Kleben untersucht. Zusätzlich wurde die Kontaktierung durch Vias untersucht. Die Ergebnisse zum Drahtbonden zeigen, dass vor allem das Sintern ein kritischer Prozessschritt ist. Digital gedruckte Silberstrukturen konnten nach einem Sintern bei 600 °C erstmals mittels Ball/Wedge-Golddrahtbonden kontaktiert und erfolgreich mit Zugversuchen nach DVS 2811 charakterisiert werden. Die Untersuchungen zur Oberflächenmontage durch Löten und leitfähiges Kleben zeigen, dass diese Verbindungen hohe Lebensdauern bis über 3500 Zyklen bei +125 °C und -40 °C erzielen können. Vor allem geringe Differenzen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Werkstoffe und kleine Bauelementgrößen begünstigen maßgeblich eine hohe Lebensdauer. Weiterhin wurde aufgezeigt, dass mit hohen Sintertemperaturen oder unregelmäßigen Substratoberflächen Scherkräfte von oberflächenmontierten Bauelementen von bis zu 29 N/mm² erzielt werden können. Gedruckte Temperatursensorelemente zeigten nach einer Charakterisierung, angelehnt an die IEC 61298-2, erstmals temperaturabhängige Widerstandskoeffizienten von gesinterten Silbernanopartikeln, die 94 % des theoretischen Werts von Silber erreichten. Zusätzlich wurde erstmals eine Langzeitdrift von weniger als 0,03 °C nachgewiesen, was durch hohe Sintergrade der gedruckten Strukturen erreicht werden konnte.
Mit diesen Ergebnissen ist ein Grundstein für die weitere Forschung, aber auch den industriellen Einsatz von digital gedruckter Elektronik in Sensorsystemen gelegt. Die Erarbeitung der Prozesse und vor allem die Nachweise hinsichtlich Zugfestigkeit, Scherfestigkeit, Zuverlässigkeit oder driftfreies Verhalten zeigen die Zukunftsfähigkeit der digital gedruckten Elektronik.
Untersuchungen zu Widerständen für auf Bauteiloberflächen integrierte Sensorelemente
(2026) Walter, Daniela; Zimmermann, André (Prof. Dr.-Ing.)
Kommerzielle Dehnungsmessstreifen (DMS) sind als mäanderförmige Metallfolien auf polymeren Trägersubstraten erhältlich. Diese müssen mittels eines Klebstoffs auf ein Bauteil appliziert werden. Kommerzielle DMS haben die Nachteile, dass
• diese nur händisch auf Bauteile appliziert werden können und damit eine präzise Ausrichtung sehr aufwändig ist,
• diese nicht auf beliebig geformte topologische Oberflächen appliziert werden können und
• dass das Foliensubstrat und die Klebstoffschicht aufgrund von Relaxation und Alterung zu driftenden Signalen führen.
Um diese Nachteile von kommerziellen DMS zu überwinden, werden in dieser Arbeit unterschiedliche Schichtsysteme integrierter Sensorelemente zur Dehnungsmessung untersucht. Integrierte Sensorelemente werden im Gegensatz zu kommerziellen DMS, die in dieser Arbeit als applizierte DMS bezeichnet werden, Schicht für Schicht direkt auf einem Bauteil aufgebaut. Damit kann auf Zwischenschichten, wie Klebstoff und Trägersubstrat, verzichtet werden. Integrierte Sensorelemente bieten daher das Potential, durch eine bessere Übertragung der Dehnung vom Bauteil auf das Sensor-element empfindlicher zu sein sowie eine bessere Langzeitstabilität aufzuweisen, da auf Komponenten, die zu einer Drift beitragen (z.B. Klebstoff), verzichtet werden kann.
Ein integriertes Schichtsystem besteht aus einer Isolationsschicht, einer resistiven Schicht und einer Passivierungsschicht. Die Gesamtschichtsysteme wurden auf ihre Empfindlichkeit in einem Biegewechselprüfstand hin untersucht. Dabei wurden der k-Faktor sowie ein in dieser Arbeit eingeführter Sensitivitätskoeffizient, welcher den k-Faktor je beitragender Leiterbahn darstellt, bestimmt. Außerdem wurden die Gesamtschichtsysteme auf ihre Langzeitstabilität hin untersucht. Dazu finden sich Messungen der Widerstandswerte über zwei Wochen von Dehnungsstrukturen ohne und mit Last in den Ergebnissen. Aus den Messwerten ohne Last wurde die Allan-Abweichung bestimmt, um bestimmte Rauschanteile und die Stabilität der Messwerte zu bestimmen. Zusätzlich wurde das Rauschen, insbesondere das 1/f-Rauschen, der Schichtsysteme charakterisiert. Die gleichen Untersuchungen wurden ebenso mit kommerziellen DMS als Vergleichswerte durchgeführt.
Um das integrierte Sensorelement auszulesen, wurde außerdem eine Ausleseelektronik basierend auf dem PS09 mit integriertem Zeit-Digital-Wandler (TDC) entwickelt. Beim resultierenden Demonstrator, einer Wägezelle, wurde das vielversprechendste Gesamtschichtsystem integriert und mit der Ausleseelektronik kombiniert.
Das in dieser Arbeit vielversprechendste Schichtsystem besteht aus Al2O3 als Isolation, Nickelchrom als resistiver Sensorschicht und einem Lötstopplack als Passivierung. Die Ergebnisse aus den Biegewechseltests zeigen einen k-Faktor von 0,65 - 0,85 und einen Sensitivitätskoeffizienten von > 0,1. Im Vergleich dazu liegt der k-Faktor für kommerzielle DMS bei 2,1 und der Sensitivitätskoeffizient bei 0,055. Das integrierte Schichtsystem zeigt jedoch bisher eine große Drift, sowohl beim Biegewechseltest, als auch bei den Untersuchungen zur Langzeitstabilität, und mehr 1/f-Rauschen verglichen mit kommerziellen DMS. Der hohe Sensitivitätskoeffizient konnte jedoch bereits das Potential dieses Schichtsystems zeigen. Weitere Untersuchungen sind notwendig, um das Schichtsystem weiter zu verbessern und eindeutig zu belegen, dass integrierte Dehnungsstrukturen Vorteile in Bezug auf Empfindlichkeit und Langzeitstabilität verglichen mit kommerziellen DMS besitzen.
Comparative study on the acceptance and preferences of iOS and Android users for traditional and AI features
(2026) Seyfarth, Timo
Generative AI is transforming standard mobile applications, yet these services operate across Android and iOS, two dominant operating systems with fundamentally different design philosophies and ecosystem constraints. It remains unclear whether users of these platforms differ in their usage and adoption of traditional versus AI features, and how algorithmic transparency influences their trust. To address these gaps, this research developed and evaluated Auralis, a custom-built, cross-platform application that leverages mobile music streaming as a representative domain for standard smartphone applications. Following a preliminary online survey (N = 143), a 6-day field study (N = 19) was conducted, that combined quantitative behavioral telemetry with qualitative semi-structured interviews. The results show that historical platform differences do not extend to modern application usage or AI adoption, whereas Android and iOS users exhibit nearly identical usage and acceptance patterns. Furthermore, rather than relying on AI as an autonomous replacement for manual curation, users prefer collaborative workflows. They utilize generative features to quickly create initial drafts before manually refining the output. Finally, providing concrete algorithmic transparency, such as explaining how the system interprets natural language prompts, increases performance expectancy and trust among curious users, whereas completely opaque features actively harm engagement. Because Android and iOS behaviors align so closely, these findings validate the use of unified cross-platform development strategies. Ultimately, this research highlights the need for future mobile applications to integrate AI as a transparent, collaborative tool rather than an autonomous replacement.