Universität Stuttgart
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Item Open Access The presence of a wall enhances the probability for ring‐closing metathesis : insights from classical polymer theory and atomistic simulations(2020) Tischler, Ingo; Schlaich, Alexander; Holm, ChristianThe probability distribution of chain ends meeting when one end of the polymer is fixed to a certain distance to a reflecting wall is investigated. For an ideal polymer chain the probability distribution can be evaluated analytically via classic polymer theory. These analytical predictions are compared to atomistic MD simulations of one tethered alkane chain close to the wall. The results demonstrate that a confining wall can lead to a significant increase in the return probability for the chain ends, and thus, can increase the occurrence of ring‐closing reactions. It is further demonstrated that the excess return probability shows a maximum at a certain distance, thereby yielding an optimal catalyst position in the ring‐closing reaction.Item Open Access Phase-space resolved decay rates of driven systems near the transition state(2020) Feldmaier, Matthias; Main, Jörg (Prof. Dr.)Die Bewegung einzelner Atome oder Moleküle bei chemischen Reaktionen lässt sich in vielen Fällen durch klassische Mechanik auf einer Born-Oppenheimer Potentialfläche beschreiben. Hierbei sind die Reaktanten oft durch eine Rang-1 Barriere von den Produkten getrennt. Eine solche Barriere ist durch einen instabilen Freiheitsgrad, die Reaktionskoordinate und eine gegebene Anzahl an stabilen Freiheitsgraden, die orthogonalen Moden, charakterisiert. Eine reagierende Trajektorie wird die Barriere meist in der Sattelregion, d. h. in einer direkten Umgebung des Sattels, überqueren. Diese Region fungiert als Flaschenhals für die Reaktion. Im Rahmen der Theorie der Übergangszustände (engl. transition state theory, TST) können Reaktionsraten über den Fluss reaktiver Trajektorien durch eine nur einmal durchstoßene Trennfläche (engl. dividing surface, DS) berechnet werden. Eine solche Trennfläche ist an der normal hyperbolischen invarianten Mannigfaltigkeit (NHIM) des Sattels verankert und trennt das System in Reaktanten und Produkte. Die NHIM ist dabei ein spezieller Unterraum des vollen Phasenraums und enthält Trajektorien, welche für alle Zeiten an die Sattelregion gebunden sind. Da diese Trajektorien somit weder zur Reaktanten- noch zur Produktseite gehören, bildet die NHIM einen Übergangszustand (engl. transition state, TS) der Reaktion. Für getriebene Systeme ist dieser zeitabhängig. In dieser Arbeit werden anhand eines zweidimensionalen, getriebenen Modellsystems mehrere Methoden zur Berechnung von NHIM und DS im Phasenraum vorgestellt. Basierend auf der Dynamik in einer direkten Umgebung der NHIM werden außerdem verschiedene Ansätze zur Berechnung des zugehörigen Zerfalls der Reaktantenpopulation nahe des TS diskutiert. Anschließend werden die vorgestellten Methoden auf ein realistischeres chemisches Modell angewandt, der getriebenen LiCN <-> LiNC Isomerisationsreaktion. Ein wichtiges Resultat hierbei ist, dass das externe Treiben dieses Systems einen großen Einfluss hat, sowohl auf die Dynamik von Trajektorien in der NHIM, als auch auf den zugehörigen Zerfall der Reaktantenpopulation nahe des TS.Item Open Access Calculation of pure substance and mixture viscosities using PCP-SAFT and entropy scaling(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Technische Thermodynamik und Thermische Verfahrenstechnik, 2020) Lötgering-Lin, Oliver; Gross, Joachim (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Chiroptical spectroscopy of a freely diffusing single nanoparticle(2020) Sachs, Johannes; Günther, Jan-Philipp; Mark, Andrew G.; Fischer, PeerChiral plasmonic nanoparticles can exhibit strong chiroptical signals compared to the corresponding molecular response. Observations are, however, generally restricted to measurements on stationary single particles with a fixed orientation, which complicates the spectral analysis. Here, we report the spectroscopic observation of a freely diffusing single chiral nanoparticle in solution. By acquiring time-resolved circular differential scattering signals we show that the spectral interpretation is significantly simplified. We experimentally demonstrate the equivalence between time-averaged chiral spectra observed for an individual nanostructure and the corresponding ensemble spectra, and thereby demonstrate the ergodic principle for chiroptical spectroscopy. We also show how it is possible for an achiral particle to yield an instantaneous chiroptical response, whereas the time-averaged signals are an unequivocal measure of chirality. Time-resolved chiroptical spectroscopy on a freely moving chiral nanoparticle advances the field of single-particle spectroscopy, and is a means to obtain the true signature of the nanoparticle’s chirality.Item Open Access Confined Ru‐catalysts in a two‐phase heptane/ionic liquid solution : modeling aspects(2020) Kobayashi, Takeshi; Kraus, Hamzeh; Hansen, Niels; Fyta, MariaA modeling approach for atomic‐resolution studies of sup‐ ported ionic liquid phase (SILP) catalytic systems in silica mesoporous confinement with surface hydroxyl and functional groups is proposed. First, a force field for the Ru‐based catalyst is developed. Second, its solvation behavior within a bulk two‐phase system of heptane and an IL is studied. Third, static and dynamic properties of the confined system are investigated. Using classical molecular dynamics simulations, experimentally inaccessible properties can thus be studied that are important for an optimization of a SILP system for performing a ring‐closing metathesis reaction.Item Open Access Scale-up of gas fermentations : modelling tools for risk minimisation(2020) Siebler, FloraThe reduction of greenhouse gas emissions is a global endeavour supported by society, politics and industry. In recent years, circular economy, reducing the exploitation of fossil energy sources, have increased the demand for new solutions when producing commodities and fine chemicals. Caboxydotrophic fermentations with acetogenic bacteria are potential processes in order to reach these goals. They convert gaseous substrates such as CO, and CO2/H2 mixtures. However, gases as sole substrate are rather challenging, not only in small lab-scales but especially in large-scale. Transferring an efficient fermentation process from experimental to industrial scales often results in unpredictable performance losses. This study presents an in silico concept minimising possible risks in gas fermentations up-scaling. First, the economical feasibility of various fermentation methods is investigated. Then, two computational tools are presented using Clostridium ljungdahlii as model organism and synthesis gas as substrate in a 125 m3 bubble column reactor. The combination of economical investigation with modelling tools show high potential for successful scale-up of gas fermentations. With this concept feasibility, reactor design, operation mode and general risk minimisation can be analysed and specified.