Deformation of polymer films by bending forces

We study the deformation of nano--scale polymer films which are subject to external bending forces by means of computer simulation. The polymer is represented by a generalized bead--spring--model, intended to reproduce characteristic features of n--alkanes. The film is loaded by the action of a prismatic blade which is pressed into the polymer bulk from above and a pair of columns which support the film from below. The interaction between blade and support columns and the polymer is modelled by the repulsive part of a Lennard-Jones potential. For different system sizes as well as for different chainlengths, this nano--scale experiment is simulated by molecular dynamics methods. Our results allow us to give a first characterization of deformed states for such films. We resolve the kinetic and the dynamic stage of the deformation process in time and access the length scale between discrete particle and continuum mechanics behaviour. For the chainlengths considered here, we find that the deformation process is dominated by shear. We observe strangling effects for the film and deformation fluctuations in the steady state.Comment: 15 pages, 8 figure

An Algorithm for Dynamic Load Balancing of Synchronous Monte Carlo Simulations on Multiprocessor Systems

We describe an algorithm for dynamic load balancing of geometrically parallelized synchronous Monte Carlo simulations of physical models. This algorithm is designed for a (heterogeneous) multiprocessor system of the MIMD type with distributed memory. The algorithm is based on a dynamic partitioning of the domain of the algorithm, taking into account the actual processor resources of the various processors of the multiprocessor system.Comment: 12 pages, uuencoded figures included, 75.93.0

Heat flow in InAs/InP heterostructure nanowires

The transfer of heat between electrons and phonons plays a key role for thermal management in future nanowire-based devices, but only a few experimental measurements of electron-phonon (e-ph) coupling in nanowires are available. Here, we combine experimental temperature measurements on an InAs/InP heterostructure nanowire system with finite element modeling (FEM) to extract information on heat flow mediated by e-ph coupling. We find that the electron and phonon temperatures in our system are highly coupled even at temperatures as low as 2 K. Additionally, we find evidence that the usual power-law temperature dependence of electron-phonon coupling may not correctly describe the coupling in nanowires and show that this result is consistent with previous research on similar one-dimensional electron systems. We also compare the strength of the observed e-ph coupling to a theoretical analysis of e-ph interaction in InAs nanowires, which predicts a significantly weaker coupling strength than observed experimentally.Comment: 9 pages, 6 figure

Large-scale Simulation of the Two-dimensional Kinetic Ising Model

We present Monte Carlo simulation results for the dynamical critical exponent $z$ of the two-dimensional kinetic Ising model using a lattice of size $10^6 \times 10^6$ spins. We used Glauber as well as Metropolis dynamics. The $z$-value of $2.16\pm 0.005$ was calculated from the magnetization and energy relaxation from an ordered state towards the equilibrium state at $T_c$.Comment: 6 pages + 2 figures as separate uuencoded compressed tar file, Postscipt also available at http://wwwcp.tphys.uni-heidelberg.de/papers

Der Suppressor of cytokine signaling (SOCS)-3 : ein zentrales Schlüsselprotein im Verständnis der Ätiologie entzündlicher Wundheilungsstörungen der Haut?

Innerhalb der letzten Jahre ist weltweit eine progrediente Zunahme der Zahl am Typ II-Diabetes erkrankter Personen beobachtet worden, die sich nicht mehr nur in hochentwickelten Industriestaaten, sondern zunehmend auch in Entwicklungsländern zu manifestieren scheint. Dabei geht das größte Gesundheitsrisiko eines Typ II-Diabetes von einer Amputation der unteren Extremitäten aus, die oft die finale therapeutische Maßnahme in der Behandlung eines diabetischen Fußulkus darstellt. Ein gemeinsames Charakteristikum diabetischer Ulzerationen und anderer chronischer kutaner Wundheilungsstörungen ist neben einer allgemein schlechten Heilungsprognose eine fehlregulierte Entzündungsreaktion. In der vorliegenden Arbeit ist daher die Rolle von SOCS3 als potentem Bestandteil entzündungsdämpfender Regelkreise während der kutanen Wundheilung zunächst in stoffwechselgesunden und diabetischen Mäusen untersucht worden, um später ein SOCS3-überexprimierendes transgenes Mausmodell als Basis weiterführender Untersuchungen zu etablieren und in die Arbeit zu integrieren. Dabei konnte gezeigt werden, dass SOCS3 in stoffwechselgesunden Mäusen während der entzündlichen Akutphase der Heilung deutlich, aber zeitlich begrenzt hochreguliert ist und somit offensichtlich eine wichtige Funktion in der intrazellulären Regulation proinflammatorischer Signalkaskaden übernimmt. Im Gegensatz dazu zeigten heilungsdefiziente Wunden diabetischer ob/ob-Mäuse eine deutlich verlängerte Expression dieses Proteins, wobei sich herausstellte, dass sich diese vorwiegend auf Keratinozyten der unterentwickelten Epithelränder und der atrophischen Neoepidermis beschränkte. Aus dieser Entdeckung heraus entstand die zentrale Fragestellung dieser Arbeit, die darauf abzielte zu klären, ob eine fehlregulierte SOCS3-Expression in Keratinozyten des Wundrandes als zentrale Komponente in der Kausalkette diabetisch-chronischer Wundheilungsstörungen aufgefasst werden kann. Tatsächlich konnte anhand des transgenen Mausmodells in vivo und in vitro nachgewiesen werden, dass eine erhöhte intrazelluläre Verfügbarkeit von SOCS3 in Keratinozyten negativ mit deren Potenzial zur Proliferation und Migration interferiert. Das Protein SOCS3 besetzt somit im Prozess der kutanen Wundheilung eine inhibitorische Schlüsselposition in der Regulation essentieller Kernkompetenzen von Wundrandkeratinozyten, und dies als eigenständiges Element isoliert von Komplikationen, die sich sekundär aus einem diabetischen Phänotyp ergeben. In der Konsequenz zeigten stoffwechselgesunde transgene Mäuse deutliche Defizite in der Reepithelialisierung des Wundareals, die in vergleichbarer Form aus Wunden diabetischer ob/ob-Mäuse bekannt sind. Darüber hinaus konnte in SOCS3-überexprimierenden Mäusen eine für chronische Wunden typische, gesteigerte Entzündungsantwort im Wundgewebe detektiert werden, die sich durch eine verlängerte und erhöhte Präsenz neutrophiler Granulozyten und Makrophagen sowie eine verstärkte Expression proinflammatorischer Zytokine und Entzündungsmarker auszeichnete. Obwohl immunhistochemische Färbungen und Messungen proentzündlicher Mediatoren im Wundgewebe auf eine kritische Rolle SOCS3-überexprimierender Keratinozyten in der Bereitstellung proentzündlicher Mediatoren hindeuteten, konnten in vitro-Untersuchungen keinen proinflammatorisch veränderten Phänotyp transgener Keratinozyten bestätigen. Dies impliziert, dass die unkontrollierte Entzündungsantwort im transgenen Mausmodell sehr wahrscheinlich sekundär aus der retardierten Reepithelialisierung hervorging. Demnach ist denkbar, dass die SOCS3-bedingte retardierte Epithelregenerierung auch während der diabetisch-gestörten Wundheilung in der ob/ob-Maus eine bislang unterschätzte, zentrale Position in der Ätiologie der Heilungsstörung einnimmt. Die interessanteste Beobachtung ergab sich nach systemischer Neutralisierung des antiinflammatorischen Wachstumsfaktors TGF-β, nachdem eine drastische, offenbar gegenregulatorische Steigerung der TGF-β1-Expression im Wundgewebe heilungsdefizienter, transgener Mäuse detektiert wurde. Überraschender Weise führte die Neutralisierung von TGF-β in der transgenen Maus trotz der nach wie vor massiven Entzündung zu einer deutlich verbesserten Heilungssituation, die in diesem Fall nicht - wie aus der Literatur bekannt - auf eine Verbesserung der Wundreepithelialisierung, sondern eher auf eine erhöhte Kontraktilität der Wunden zurückzuführen war. Einerseits verweist dies erneut auf den potenten proliferationshemmenden Einfluss der hohen SOCS3-Spiegel. Andererseits rückt damit die Entzündungsreaktion in den Bereich eines Epiphänomens ab, da gezeigt werden konnte, dass eine erhöhte Wundinflammation offensichtlich nicht zwingend ein Charakteristikum darstellt, das per definitionem negativ mit dem Heilungsfortschritt interferieren muss

Thermal ratchet effects in ferrofluids

Rotational Brownian motion of colloidal magnetic particles in ferrofluids under the influence of an oscillating external magnetic field is investigated. It is shown that for a suitable time dependence of the magnetic field, a noise induced rotation of the ferromagnetic particles due to rectification of thermal fluctuations takes place. Via viscous coupling, the associated angular momentum is transferred from the magnetic nano-particles to the carrier liquid and can then be measured as macroscopic torque on the fluid sample. A thorough theoretical analysis of the effect in terms of symmetry considerations, analytical approximations, and numerical solutions is given which is in accordance with recent experimental findings.Comment: 18 pages, 6 figure

The influence of the layer sizes on the conversion regimes realizing at layered composite synthesis

The composite materials with different structure find a variety of applications. However, the peculiarities of the propagation of chemical reactions between structural elements during composite material synthesis are poorly studied. This paper suggests a model describing the conjugation of structure composite elements using a solid phase reaction at the ignition from a free surface. It was established that depending on the relation between layer sizes, various conversion regimes between inert materials are observed. The regimes differ in temperature values in the reaction zone, heterogeneities of temperature field and reaction zone thickness. Relation between thermophysical properties and thicknesses of layers can both promote reaction and retard it

Frequency response of an atomic force microscope in liquids and air: Magnetic versus acoustic excitation

We discuss the dynamics of an amplitude modulation atomic force microscope in different environments such as water and air. Experiments, analytical expressions, and numerical simulations show that the resonance curves depend on the excitation method used to drive the cantilever, either mechanical or magnetic. This dependence is magnified for small force constants and quality factors, i.e., below 1 N/m and 10, respectively. We show that the equation for the observable, the cantilever deflection, depends on the excitation method. Under mechanical excitation, the deflection involves the base and tip displacements, while in magnetic excitation, the cantilever deflection and tip displacement coincideThis work was financially supported by the European Commission (FORCETOOL) and the Ministerio de Educación y Ciencia (MAT2006-03833). We do thank stimulating discussions with J.R. Lozano, S. Patil and N.F. Martinez.Peer reviewe

Data on ADME parameters of bisphenol A and its metabolites for use in physiologically based pharmacokinetic modelling

The paper presents the collection of physicochemical parameters of bisphenol A (BPA) and its sulfate (BPAS) and glucuronide (BPAG) conjugates, accompanied by data characterizing their absorption, distribution, metabolism and excretion (ADME) behavior following oral administration of BPA. The data were collected from open literature sources and publicly available databases. Additionally, data calculated by using the MarvinSketch 18.30.0 software or predicted by relevant QSAR models built in Simcyp® Simulator were also used. All data were analysed and are fit for purpose if necessary to ensure a reliable prediction of pharmacokinetics of BPA and its conjugates. The data selection process and reasoning for fitting is provided to allow critical assessment and to ensure data transparency. Finally, the sensitivity analysis was performed to assess the influence of the selected parameters on the PBPK model predictions

Modelling of amorphous polymer surfaces in computer simulation

We study surface effects in amorphous polymer systems by means of computer simulation. In the framework of molecular dynamics, we present two different methods to prepare such surfaces. {\em Free} surfaces are stabilized solely by van--der--Waals interactions whereas {\em confined} surfaces emerge in the presence of repelling plates. The two models are compared in various computer simulations. For free surfaces, we analyze the migration of end--monomers to the surface. The buildup of density and pressure profiles from zero to their bulk values depends on the surface preparation method. In the case of confined surfaces, we find density and pressure oszillations next to the repelling plates. We investigate the influence of surfaces on the coordination number, on the orientation of single bonds, and on polymer end--to--end vectors. Furthermore, different statistical methods to determine location and width of the surface region for systems of various chain lengths are discussed and applied. We introduce a ``height function'' and show that this method allows to determine average surface profiles only by scanning the outermost layer of monomers.Comment: 23 pages, 12 figure