Analytic proof of the existence of the Lorenz attractor in the extended Lorenz model

We give an analytic (free of computer assistance) proof of the existence of a classical Lorenz attractor for an open set of parameter values of the Lorenz model in the form of Yudovich-Morioka-Shimizu. The proof is based on detection of a homoclinic butterfly with a zero saddle value and rigorous verification of one of the Shilnikov criteria for the birth of the Lorenz attractor; we also supply a proof for this criterion. The results are applied in order to give an analytic proof of the existence of a robust, pseudohyperbolic strange attractor (the so-called discrete Lorenz attractor) for an open set of parameter values in a 4-parameter family of three-dimensional Henon-like diffeomorphisms

Synthesis of Metal-Containing Polymers and Stable Organic Radical-Containing Polymers and Their Use as Advanced Functional Materials

The work presented in this thesis details the synthesis and characterization of two different families of multifunctional polymers. The first family involved the incorporation of stable 6-oxoverdazyl radicals into polymer scaffolds. This was originally achieved by the polymerization of the radical precursors, phenyl- and isopropyl-6-oxotetrazanes, followed by post-polymerization oxidation to afford the phenyl- and isopropyl-6-oxoverdazyl polymers. A second methodology involved the direct polymerization of isopropyl-6-oxoverdazyl radicals using ring-opening metathesis polymerization (ROMP) to afford polymers with controlled molecular weights and narrow molecular weight distributions. The polymers were characterized by the close comparison of the physical and spectroscopic properties to related model compounds. The semiconducting behaviour of the latter polymer was explored and ultimately exploited in flash memory devices. The second family included redox-active Ni(II) complexes of Goedken’s macrocycle. This macrocycle was incorporated into main-chain polymers via a step growth mechanism involving Sonogashira cross-coupling with π-conjugated solubilizing organic spacers and into side-chain polymers via a chain growth polymerization using ROMP. The resulting polymers spectroscopic and physical properties were characterized and compared to a variety of model compounds. Main-chain Ni(II) complexes of Goedken’s macrocycle and fluorene copolymers were further functionalized with Co2(CO)8 via the alkyne synthetic handle to yielded heterobimetallic copolymers that yielded metal-rich nanomaterials upon pyrolysis in a reducing atmosphere. Combined, this work represents a significant advance in the synthesis, characterization and application of synthetic multifunctional polymers

Low-Dose Radiation Effects on Animals and Ecosystems

This open access book summarizes the latest scientific findings regarding the biological effects of the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant (FNPP) accident in 2011. Various cases of changes in animals and organisms have been reported since the FNPP accident. However, it is often unknown whether they are actually due to radiation, since the dose or dose-rate are not necessarily associated with the changes observed. This book brings together the works of radiation biologists and ecologists to provide reliable radioecology data and gives insight into future radioprotection. The book examines the environmental pollution and radiation exposure, and contains valuable data from abandoned livestock in the ex-evacuation zone and from wild animals including invertebrates and vertebrates, aqueous and terrestrial animals, and plants that are subjected to long-term exposure in the area still affected by radiation. It also analyzes dose evaluation, and offers new perspectives gained from the accident, as well as an overview for future studies to promote radioprotection of humans and the ecosystem. Since the biological impact of radiation is influenced by various factors, it is difficult to scientifically define the effects of low-dose/low-dose-rate radiation. However, the detailed research data presented can be combined with the latest scientific and technological advances, such as artificial intelligence, to provide new insights in the future. This book is a unique and valuable resource for researchers, professionals and anyone interested in the impact of exposure to radiation or contamination with radioactive materials

Functional TEMPO-Containing Polymers: Synthesis and Application in Organic Radical Batteries

Als Alternative zu konventionellen Elektrodenmaterialien auf anorganischer Basis haben organische redox-aktive Polymere aufgrund ihrer hohen Energiedichte, flexiblen Verarbeitbarkeit und Metallfreiheit große Aufmerksamkeit erregt. Organische radikalische Polymere, insbesondere TEMPO (2,2,6,6-Tetramethyl-1-piperidinyloxy)-haltige Polymere, repräsentieren einige der am schnellsten ladenden redox-aktiven Materialien, die zur Zeit verfügbar sind. Im Unterschied zu den zahlreich vorhandenen Synthesewegen von TEMPO-haltigen Polymeren für die Anwendung zur Energiespeicherung, konzentriert sich die vorliegende Arbeit auf Post-Polymerisations-Modifikation (PPM) über aktivierte Ester. Die hohe Selektivität und Vielseitigkeit von PPM ermöglicht es TEMPO-Seitengruppen und andere Funktionalitäten in präzisen Verhältnissen in die Polymerkette einzubauen, was zu einer Bibliothek von Redoxpolymeren führt, die eine systematische Studie ihrer Batterieleistung ermöglicht. Da der TEMPO-Gehalt von Poly(2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxy-4-yl) (PTMA), welches über die herkömmliche Methode der nachträglichen Oxidation synthetisiert wurde, typischerweise zwischen 60–80% variiert, wurde die Herausforderung angenommen einen alternativen Ansatz zu finden, der einen vergleichbaren TEMPO-Gehalt erzielt. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die PPM von polymeren Pentafluorophenyl (PFP)-Esterderivaten. Um einem hohen TEMPO-Gehalt zu erzielen, wurden die Reaktionsparameter wie Art des Nukleophils, Katalysator, Lösungsmittel, Zugabeverhältnisse von Katalysatoren und Nukleophilen sowie die Reaktionszeit und Temperaturen für die Aminolyse und Umesterungsreaktionen von Poly(pentafluorophenylacrylat) (PPFPA) und Poly(pentafluorophenylmethacrylat) (PPFPMA) untersucht. Elektronenspinresonanz (engl. electron paramagnetic resonance, EPR)-Spektroskopie und FTIR bestätigten den hohen TEMPO-Gehalt in fünf Arten von TEMPO-haltigen Polymeren, insbesondere Poly(2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxy-4-yl-acrylamid) (PTAm, 96.2%). Darüber hinaus wurde die elektronenübertragungsfördernde Wirkung des Nebenprodukts der Hydrolyse (d.h. Acrylsäuregruppen) auf die Redoxreaktion von TEMPO untersucht. Ferner wurde eine verbesserte Batterieleistung aufgrund des erhöhten TEMPO-Gehalts im Vergleich zu PTAm und PTMA, die durch die herkömmliche Methode der nachträglichen Oxidation synthetisiert wurden, erzielt. Für die Batterieleistung spielt die Elektrodenverarbeitung ebenfalls eine kritische Rolle. In jüngster Zeit wurde durch die Präparation von anorganischen Elektrodenmaterialien umfangreiches Wissen gewonnen. Aufgrund der ausgeprägten Unterschiede in der chemischen Beschaffenheit zwischen organischen und anorganischen Substanzen (z.B. deren Zusammensetzung und chemische Affinität) kann dieses Wissen jedoch nicht direkt auf Materialien auf organischer Basis angewendet werden. Um diese Lücke zu schließen, wurde in der vorliegenden Arbeit der Einfluss verschiedener Verarbeitungsparameter wie Trocknungstemperatur, Aufschlämmungsviskosität, Kohlenstoffformen und Kalandrierung auf die Batterieleistung (z.B. Zykluslebensdauer und Stromratenfähigkeit) von PTMA als Modellpolymer untersucht. Mithilfe einer schrittweisen Untersuchung jedes einzelnen Parameter auf den Einfluss der Kathodenmorphologie und der Zyklisierungsleistung wurden entsprechend geeignete Verarbeitungsbedingungen vorgeschlagen. Schließlich wurde ein rationales strukturelles Design von Pyren-funktionalisierten radikalischen (d.h. TEMPO) Copolymeren für eine verbesserte elektrochemische Leistung für Energiespeicheranwendungen untersucht. Mit einer zweistufigen PPM über einen aktivierten Ester wurden zusätzlich zu den TEMPO-Einheiten weitere Funktionalitäten, wie z.B. amidgebundenes Pyren oder Methylen-Ester-verknüpftes Pyren, effizient in das Polymer eingebaut, gefolgt von Charakterisierung mit EPR und UV/vis-Spektroskopie. Sowohl die Theorie als auch das Experiment bestätigten die Existenz von π-π-Wechselwirkungen zwischen Pyren-Einheiten und Kohlenstoff-Nanoröhren. Darüber hinaus zeigte die amidgebundene Pyren-Funktionalität laut der cyclovoltammetrischen Analyse eine relativ stabilere Redoxreaktion als Methylen-Ester-gebundenes Pyren. Ferner zeigte ein Vergleich zwischen niedrigem und hohem Gehalt an amidgebundenen Pyrenanteilen einen signifikant abweichenden Effekt auf die Batterieleistung. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wesentliche Fortschritte bei der Präparation und dem Verständnis von TEMPO-haltigen Polymeren erzielt wurden. Damit legt die Arbeit ein solides Fundament für TEMPO-haltige Polymere zur Anwendung in zukünftigen Energiespeichern, zusätzlich zu möglichen Anwendungen von radikalhaltigen Polymeren, die mittels PPM synthetisiert werden

Neural Cartography: Computer Assisted Poincare Return Mappings for Biological Oscillations

This dissertation creates practical methods for Poincaré return mappings of individual and networked neuron models. Elliptic bursting models are found in numerous biological systems, including the external Globus Pallidus (GPe) section of the brain; the focus for studies of epileptic seizures and Parkinson\u27s disease. However, the bifurcation structure for changes in dynamics remains incomplete. This dissertation develops computer-assisted Poincaré ́maps for mathematical and biologically relevant elliptic bursting neuron models and central pattern generators (CPGs). The first method, used for individual neurons, offers the advantage of an entire family of computationally smooth and complete mappings, which can explain all of the systems dynamical transitions. A complete bifurcation analysis was performed detailing the mechanisms for the transitions from tonic spiking to quiescence in elliptic bursters. A previously unknown, unstable torus bifurcation was found to give rise to small amplitude oscillations. The focus of the dissertation shifts from individual neuron models to small networks of neuron models, particularly 3-cell CPGs. A CPG is a small network which is able to produce specific phasic relationships between the cells. The output rhythms represent a number of biologically observable actions, i.e. walking or running gates. A 2-dimensional map is derived from the CPGs phase-lags. The cells are endogenously bursting neuron models mutually coupled with reciprocal inhibitory connections using the fast threshold synaptic paradigm. The mappings generate clear explanations for rhythmic outcomes, as well as basins of attraction for specific rhythms and possible mechanisms for switching between rhythms

Low-Dose Radiation Effects on Animals and Ecosystems

This open access book summarizes the latest scientific findings regarding the biological effects of the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant (FNPP) accident in 2011. Various cases of changes in animals and organisms have been reported since the FNPP accident. However, it is often unknown whether they are actually due to radiation, since the dose or dose-rate are not necessarily associated with the changes observed. This book brings together the works of radiation biologists and ecologists to provide reliable radioecology data and gives insight into future radioprotection. The book examines the environmental pollution and radiation exposure, and contains valuable data from abandoned livestock in the ex-evacuation zone and from wild animals including invertebrates and vertebrates, aqueous and terrestrial animals, and plants that are subjected to long-term exposure in the area still affected by radiation. It also analyzes dose evaluation, and offers new perspectives gained from the accident, as well as an overview for future studies to promote radioprotection of humans and the ecosystem. Since the biological impact of radiation is influenced by various factors, it is difficult to scientifically define the effects of low-dose/low-dose-rate radiation. However, the detailed research data presented can be combined with the latest scientific and technological advances, such as artificial intelligence, to provide new insights in the future. This book is a unique and valuable resource for researchers, professionals and anyone interested in the impact of exposure to radiation or contamination with radioactive materials