Universität Stuttgart
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Item Open Access Overview: the Janus-nature of molecular CO2 in charge adjustment at wet surfaces(2026) Vogel, Peter; Qaisrani, Muhammad Nawaz; Rasenat, Mattis; Lützenkirchen, Johannes; Sulpizi, Marialore; Beyer, David; Holm, Christian; Palberg, ThomasMolecular CO2 readily dissolves in aqueous electrolyte solutions and partially dissociating to form carbonic acid. The decharging effects of the dissociation products mediated by the ensuing pH-shift and the additional salinity are well established. However, the effects of dissolved molecular CO2 have not been studied systematically. We summarize recent and novel investigations on the role of CO2 regarding charge control at surfaces submersed in aqueous electrolytes. In our electrokinetic and conductometric measurements on representative surfaces, we took special care to control and monitor the electrolyte composition in situ. We discriminate the effects of molecular and dissociated CO2via control experiments using HCl. Depending on the surface under investigation and the charging mechanisms involved, we find that molecular CO2 assists either charging, de-charging and/or recharging. This contrasting charge regulating behaviour reveals the Janus nature of dissolved molecular CO2 with respect to charge control at wet surfaces. In our complementary molecular dynamics simulations, Q4 silica and 9% ionized Q3 silica surfaces are studied as hydrophobic/hydrophilic, respectively charged/uncharged, analogues, as well as uncharged Q3 silica and molecularly rough Isoleucin-coated quartz surfaces. In all cases, we find that the charge-neutral CO2 molecule physisorbs in a thin diffusive layer close to the surface, which leads to pronounced re-structuring of the electric double layer. Based on this result, we suggest to interpret the experimentally observed Janus nature of molecular CO2 in terms of a local decrease of the dielectric permittivity. This in turn leads to a local strengthening of electrostatic interactions dominating the double layer structure next to charged surfaces. Specifically, we propose that CO2 induces a dielectric charge regulation for weakly acidic surface groups, assists the incorporation of OH− into the H-bond network at smooth inert surfaces, and induces significant ion-correlations promoting co-ion binding. Overall, we demonstrate that molecular CO2 allows for a controlled charge-adjustment in opposing directions. We anticipate that our findings on the one hand provide substantial challenges for analytical or numerical modelling as well as for controlled experimental work, but on the other hand bear important practical implications for applications ranging from desalination to bio-membranes.Item Open Access Entwicklung laserspektroskopischer Methoden zur Analyse der Verdunstungseigenschaften von Brennstofftropfen(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2021) Werner, Stefanie; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)Die steigenden Emissionen des klimaschädlichen Treibhausgases CO2 durch die Verbrennung von fossilen, endlichen Energieträgern müssen möglichst schnell und nachhaltig reduziert werden. Ein vielversprechender Lösungsansatz zur Reduzierung der Schadstoffemissionen bei der Verbrennung liegt in dem Einsatz von alternativen und erneuerbaren Brennstoffen. Als Energieträger bieten sich auf Grund ihrer hohen Energiedichte vor allem flüssige Brennstoffe an. Diese werden typischerweise durch Druckzerstäubung in die Brennkammer eingebracht, verdunstet und dann mit dem Oxidationsmittel vermischt und verbrannt. Die Verdunstung der kleinen Brennstofftropfen des sogenannten Sprays ist von entscheidender Bedeutung für den Gesamtverbrennungsprozess in Verbrennungsmotoren und Gasturbinen. Im Allgemeinen bestimmt die Verdunstungsrate die Verbrennungsrate. Daher sind Modelle notwendig, die eine genaue Vorhersage der Brennstoffverdunstung ermöglichen. Zur Validierung dieser Modelle werden quantitative Messungen unter genau definierten Randbedingungen benötigt. Da die Prozesse in technischen Brennkammern sehr komplex sind, werden Experimente zur Tropfenverdunstung häufig mit linearen, monodispersen Tropfenketten durchgeführt, um die Kopplung zwischen den verschiedenen Effekten zu minimieren. Durch die geringe Größe der Tropfen (typischerweise wenige hundert Mikrometer oder weniger), erfordert die experimentelle Untersuchung eine hohe räumliche Auflösung. In dieser Arbeit wurden quantitative, laseroptische Messtechniken mit hoher räumlicher Auflösung zur experimentellen Untersuchung der Tropfenverdunstung an monodispersen Tropfenketten entwickelt. Mit den Messtechniken wurden Validierungsdaten für die Verdunstungseigenschaften von verschiedenen Brennstoffen bestimmt. Konzentrationsmessungen von verdunsteten Kohlenwasserstoffen wurden unter Verwendung von Infrarot-Laserabsorptionsspektroskopie und laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie (LIF) durchgeführt. Tropfenketten wurden mit einem Tropfenkettengenerator erzeugt, welcher vertikal in einem Strömungskanal installiert wurde. Die untersuchten Brennstoffe waren Cyclohexan, iso-Octan, n-Heptan, n-Pentan, 1-Butanol und Anisol. Der Strömungskanal wurde mit einer laminaren Luftströmung bei verschiedenen Temperaturen (313 K - 430 K) durchströmt. Da die untersuchten Tropfen einen Durchmesser in der Größenordnung von 120 bis 160 µm hatten und die Konzentrationsgradienten nahe der Tropfenoberfläche groß waren, war eine hohe räumliche Auflösung der Messtechniken erforderlich. Die Absorptionsmessungen wurden mit der Infrarotstrahlung eines HeNe-Lasers bei λ = 3,39 µm durchgeführt, um die CH-Streckschwingung der Kohlenwasserstoffe anzuregen. Die für die Quantifizierung der Brennstoffkonzentrationen benötigten Absorptionsquerschnitte wurden in einer beheizten Gaszelle für Temperaturen von 300 K - 773 K bestimmt. Die räumliche Auflösung im Strömungskanal betrug < 50 µm über eine Länge von 2 mm (Halbwertsbreite). Durch die Zylindersymmetrie und gute Stabilität der Tropfenketten konnten zeitliche Mittelungs- und Tomografieverfahren angewandt werden. Hierdurch konnten radiale Konzentrationsprofile an mehreren Positionen im Strömungskanal erhalten werden. Aus dem Anstieg der Dampfkonzentration an verschiedenen Messpositionen konnte die Verdunstungsrate bestimmt werden. Die Verdunstungsraten wurden in Abhängigkeit von der Mantelstromtemperatur (313 K - 430 K), der Tropfengeschwindigkeit (8 m/s - 23 m/s), der Tropfenerzeugungsfrequenz (12 kHz - 75 kHz) und dem Tropfenabstand (300 µm - 685 µm) gemessen. Im untersuchten Temperaturbereich steigt die Verdunstungsrate des Brennstoffs linear mit der Temperatur an. Die Reihenfolge der Brennstoffe in Bezug auf die Verdunstungsrate entspricht den Siedepunkten der einzelnen Brennstoffe. Da technische Brennstoffe häufig eine Mischung mehrerer Komponenten sind, ist die Untersuchung von Brennstoffgemischen von großem Interesse. Daher wurde ein Messverfahren entwickelt, um binäre Gemische zu untersuchen. Das Verfahren wurde verwendet, um eine Mischung aus Cyclohexan und Anisol zu untersuchen. Zwei Messtechniken - laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) und Infrarot Absorptionsspektroskopie - wurden verwendet, um beide Spezies zu messen. Um λ = 3,39 µm ist der Absorptionsquerschnitt von Cyclohexan um etwa den Faktor 8 größer als von Anisol. Im untersuchten Fall war die Konzentration aufgrund des höheren Dampfdrucks ebenfalls deutlich größer. Daher konnte das Infrarot-Absorptionssignal praktisch ausschließlich Cyclohexan zugeordnet werden. Anisol hat bei Anregung bei λ = 266 nm eine sehr gute Fluoreszenzquantenausbeute, während Cyclohexan keine Fluoreszenz zeigt. LIF ermöglicht daher die Quantifizierung von Anisol (oder anderen Aromaten) ohne Interferenz durch Kohlenwasserstoffe. Es wurde ein Messverfahren entwickelt, welches Halationseffekte vermeidet, die typischerweise in planaren LIF-Experimenten an Tropfenketten auftreten. Kalibrationsmessungen, die im gleichen Strömungskanal durchgeführt wurden, ermöglichten die Quantifizierung der verdunsteten Anisolkonzentrationen. Die räumliche Auflösung betrug 80 µm. Ähnlich wie bei den Einzelkomponentenmessungen wurden Verdunstungsraten bestimmt. Wie aufgrund des niedrigeren Dampfdrucks zu erwarten, ist die Verdunstungsrate von Anisol niedriger als die von Cyclohexan. Die Verdunstungsrate von Cyclohexan in der binären Mischung stimmt gut mit den Einzelkomponentenmessungen überein. Das entwickelte Messverfahren ist sehr vielversprechend für weitere Untersuchungen an Mehrkomponentenmischungen. In dieser Arbeit konnte damit erstmals mit hoher räumlicher Auflösung die Verdunstung von Brennstoffkomponenten mittels Absorptionsspektroskopie in der Nähe von Brennstofftropfen untersucht werden. Zusätzlich wurden in Kombination mit laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie Messungen an binären Mischungen durchgeführt. Damit steht ein wertvoller Datensatz zur Validierung von numerischen Simulationen zur Verfügung.Item Open Access Micellar lyotropic gels : the interplay between gel network and liquid-crystalline order(2021) Dieterich, Sonja; Gießelmann, Frank (Prof. Dr.)Surfactant based lyotropic liquid-crystalline (LLC) gels in the sense that genuine micellar LLC phases are immobilized by an interpenetrating gel network were practically unknown until 2016. This “blind spot” in the landscape of anisotropic gels has now been filled to a certain extent by the results of this dissertation. Following the rational design strategy to gel surfactant based LLC phases with the help of low molecular mass gelators (LMWGs), not only lamellar and hexagonal LLC gels, but also the very first example of micellar nematic gels were obtained. Furthermore, this work has led to first important insights into how the self assembly of the gel is directed and how the gel network and the LLC phase mutually influence each other in terms of structure and morphologyItem 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 Modeling and simulation of electronic excitation in oxygen-helium discharges and plasma-assisted combustion(2018) Kuntner, Nikolaj; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)The present work concerns the generation of electronically excited oxidizers in non-thermal discharges in the context of plasma-assisted hydrogen and methane combustion at atmospheric pressures. These conditions are of practical relevance for the combustion technology. However, as the conversion of electrical power into particular, chosen chemical degrees of freedom is facilitated by low molecular interaction, the atmospheric parameter range is often neglected in the literature. This work provides the design and validation of accurate and efficient computational models for several experiments in this parameter range.Item Open Access New examples of ferroelectric nematic materials showing evidence for the antiferroelectric smectic-Z phase(2024) Nacke, Pierre; Manabe, Atsutaka; Klasen-Memmer, Melanie; Chen, Xi; Martinez, Vikina; Freychet, Guillaume; Zhernenkov, Mikhail; Maclennan, Joseph E.; Clark, Noel A.; Bremer, Matthias; Giesselmann, FrankWe present a new ferroelectric nematic material, 4-((4′-((trans)-5-ethyloxan-2-yl)-2′,3,5,6′-tetrafluoro-[1,1′-biphenyl]-4-yl)difluoromethoxy)-2,6-difluorobenzonitrile (AUUQU-2-N) and its higher homologues, the molecular structures of which include fluorinated building blocks, an oxane ring, and a terminal cyano group, all contributing to a large molecular dipole moment of about 12.5 D. We observed that AUUQU-2-N has three distinct liquid crystal phases, two of which were found to be polar phases with a spontaneous electric polarization Ps of up to 6 µC cm-2. The highest temperature phase is a common enantiotropic nematic (N) exhibiting only field-induced polarization. The lowest-temperature, monotropic phase proved to be a new example of the ferroelectric nematic phase (NF), evidenced by a single-peak polarization reversal current response, a giant imaginary dielectric permittivity on the order of 103, and the absence of any smectic layer X-ray diffraction peaks. The ordinary nematic phase N and the ferroelectric nematic phase NF are separated by an antiferroelectric liquid crystal phase which has low permittivity and a polarization reversal current exhibiting a characteristic double-peak response. In the polarizing light microscope, this antiferroelectric phase shows characteristic zig-zag defects, evidence of a layered structure. These observations suggest that this is another example of the recently discovered smectic ZA (SmZA) phase, having smectic layers with the molecular director parallel to the layer planes. The diffraction peaks from the smectic layering have not been observed to date but detailed 2D X-ray studies indicate the presence of additional short-range structures including smectic C-type correlations in all three phases-N, SmZA and NF-which may shed new light on the understanding of polar and antipolar order in these phases.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 Monodisperse highly ordered and polydisperse biobased solid foams(2018) Andrieux, Sébastien; Stubenrauch, Cosima (Prof. Dr.)The aim of this work was the synthesis of monodisperse highly ordered biobased polymer foams and a comparison with their polydisperse counterparts. We used the biobased and biodegradable polymer chitosan, which we cross-linked with genipin. The polymer foams were synthesised via foam templating, i.e. via a liquid foam whose continuous phase contains a polymer and can be solidified. In order to obtain monodisperse highly ordered polymer foams, one first has to generate monodisperse highly ordered liquid foam templates. We did so by using microfluidics, which allows to produce monodisperse liquid foams with bubble sizes from 200 µm to 800 µm and polydispersities below 5%. The monodisperse foams were collected outside of the microfluidic channels and left to self-order under the influence of gravity and confinement. We studied the kinetics of the cross-linking reaction to find the optimal storage conditions during cross-linking. Once cross-linked we freeze-dried the gelled foams to obtain solid chitosan foams. We compared the morphological properties of the solid foams with those of the liquid templates in order to test the efficiency of the developed templating route. We observed how modifying the cross-linking and drying conditions can strongly affect the morphology of the solid foams. The main issue was to maintain the key properties of the liquid foam template throughout the solidification process, namely the bubble size distribution, the structural order and the density. We then compared the synthesised monodisperse polymer foams with their polydisperse counterparts. Although easy foaming methods exist for the generation of polydisperse foams, they do not allow the control over the polydispersity. We thus used microfluidics to generate liquid chitosan foams with tunable polydispersities from below 5% up to 26%. Microfluidics allows to match the average bubble size and density of the polydisperse liquid chitosan foam with those of the monodisperse counterpart. After solidifying the liquid templates we obtained solid foams with controlled polydispersities and studied the in uence of the polydispersity on the mechanical properties. However, we observed that not the polydispersity but the foam density was the main parameter at play. Moreover, the solid chitosan foams had weak mechanical properties with elastic moduli below 100 kPa. To overcome this issue, we incorporated cellulose nanofibres to the original chitosan solution and followed the developed route for foam templating. We had to adapt the microfluidic parameters to account for the viscosity changes brought about by the nanofibres. However, we managed to produce monodisperse liquid foams having the same bubble size, i.e. ~300 µm, but different amounts of cellulose nanofibres. The cellulose content had a strong influence on the solid foam morphology in general and on the pore connectivity in particular.Item Open Access Adding 161Dy-Mössbauer spectroscopy to a multitechnique investigation of magnetic transitions in a {CoIII3DyIII3} single-molecule toroic(2026) Peng, Yan; Braun, Jonas; Scherthan, Lena; Auerbach, Hendrik; Wolny, Juliusz A.; Schulze, Michael; Alp, E. Ercan; Zhao, Jiyong; Bi, Wenli; Tesi, Lorenzo; Anson, Christopher E.; Moilanen, Jani O.; Brown, Dennis. E.; Chibotaru, Liviu F.; Wernsdorfer, Wolfgang; Perfetti, Mauro; Sessoli, Roberta; Schünemann, Volker; Powell, Annie K.The determination of the orientations of the individual DyIII anisotropy axes in polynuclear complexes is challenging but crucial for the understanding of systems showing Single Molecule Magnet or Single Molecule Toroic behavior. In particular, the experimental proof of a toroidal ground state from magnetization data often remains ambiguous. Here, we report the coordination cluster [CoIII3DyIII3(µ3-OH)4(O2C-C6H4-p-Me)6(pmide)3(H2O)3]Cl2 · 10MeCN (1) (H2pmide = N-2-pyridylmethyldiethanolamine) which crystallizes with threefold symmetry and contains an equilateral DyIII3 triangle surrounded by a triangle of diamagnetic CoIII ions. We also report a multi-technique investigation of its toroidal magnetic spin structure, including 161Dy Synchrotron Mössbauer Spectroscopy which shows an abrupt transition from a non-magnetic to a magnetic state. The experimental orientations of the individual DyIII magnetic axes were assessed using torque magnetometry and micro-SQUID measurements and both experiments converged on a spin structure that is in very good agreement with ab initio calculations. Such a multi-technique approach, including 161Dy Synchrotron Mössbauer Spectroscopy, provides a roadmap for the unambiguous identification of such toroidal states.Item Open Access Analytical energy gradients for open-shell local second-order Møller-Plesset perturbation theory and applications to large molecules(2018) Dornbach, Mark; Werner, Hans-Joachim (Prof. Dr.)