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In well-annealed thin polymer films, with non-repulsive polymer/substrate interactions, an irreversibly adsorbed layer is expected to form. These adsorbed layers have shown great potential for technological applications. However, their growth kinetics and molecular dynamics are still not fully understood. This is partially due to the hard accessibility of these layers in thin films. Here, the irreversibly adsorbed layers of homopolymer thin films are revealed by solvent-leaching experiments. First, the growth kinetics of these layers is investigated as a function of annealing times and original film thickness. The thickness, topography and quality of the adsorbed layer is controlled with Atomic Force Microscopy (AFM). Secondly, the molecular mobility of the adsorbed layer is investigated with Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS). A recently developed nanostructured capacitor is employed to measure the adsorbed layers with a free surface layer. The results are quantitatively compared and discussed with respect to recently published work.
In well-annealed thin polymer films, with non-repulsive polymer/substrate interactions, an irreversibly adsorbed layer is expected to form. These adsorbed layers have shown great potential for technological applications. However, their growth kinetics and molecular dynamics are still not fully understood. This is partially due to the hard accessibility of these layers in thin films. Here, the irreversibly adsorbed layers of homopolymer thin films are revealed by solvent-leaching experiments. First, the growth kinetics of these layers is investigated as a function of annealing times and original film thickness. The thickness, topography and quality of the adsorbed layer is controlled with Atomic Force Microscopy (AFM). Secondly, the molecular mobility of the adsorbed layer is investigated with Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS). A recently developed nanostructured capacitor is employed to measure the adsorbed layers with a free surface layer. The results are quantitatively compared and discussed with respect to recently published work.
In well-annealed thin polymer films, with non-repulsive polymer/substrate interactions, an irreversibly adsorbed layer is formed. These adsorbed layers have shown enormous potential for technological applications. Due to the hard accessibility of these layers, their growth kinetics and molecular dynamics are still not fully understood. Here, the irreversibly adsorbed layers of Poly(2-vinylpyridine) (P2VP) and Poly(vinyl methyl ether) (PVME) thin films are revealed by solvent-leaching experiments. The growth kinetics of these layers is investigated as a function of original film thickness and annealing times. The thickness, topography and quality of the adsorbed layer is determined with Atomic Force Microscopy (AFM) and spectroscopic ellipsometry. Additionally, the molecular mobility of the adsorbed layer is investigated with Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS). A recently developed nanostructured capacitor (NSC) is employed to measure the adsorbed layers with a free surface layer depending on annealing and solvent-leaching time. The results are quantitatively compared and discussed with respect to recently published work.
In well-annealed thin polymer films, with non-repulsive polymer/substrate interactions, an irreversibly adsorbed layer is formed. These adsorbed layers have shown enormous potential for technological applications. The growth kinetics and molecular dynamics of these buried layers in thin films are still not fully investigated due to the hard accessibility. Here, the irreversibly adsorbed layers of homopolymer thin films are revealed by solvent-leaching experiments. The growth kinetics of these layers is investigated as a function of original film thickness and annealing times. The thickness, topography and quality of the adsorbed layer is determined with Atomic Force Microscopy (AFM) and spectroscopic ellipsometry. Additionally, the molecular mobility of the adsorbed layer is investigated with Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS). A recently developed nanostructured capacitor (NSC) is employed to measure the adsorbed layers with a free surface layer depending on annealing and solvent-leaching time. The results are quantitatively compared and discussed with respect to recently published work.
Zeolitic imidazolate frameworks (ZIFs) have been widely investigated for their use in separation, gas adsorption, catalysis, and biotechnology. Their practical applications, however, can be hampered by their structural instability in humid acidic conditions. Here, guided by density functional theory calculations, we demonstrate that the acidic stability of two polymorphic ZIFs (i.e., ZIF-8 and ZIF-L) can be enhanced by the incorporation of functional groups on polypeptides or DNA. A range of complementary synchrotron investigations into the local chemical structure and bonding environment suggest that the enhanced acidic stability arises from the newly established coordinative interactions between the Zn centers and the inserted carboxylate (for polypeptides) or phosphate (for DNA) groups, both of which have lower pKas than the imidazolate ligand. With functional biomolecular homologs (i.e., enzymes), we demonstrate a symbiotic stability reinforcement effect, i.e., the encapsulated biomolecules stabilize the ZIF matrix while the ZIF exoskeleton protects the enzyme from denaturation.
Worldwide there is a variety of regulatory provisions addressing nanomaterials. The identification as nanomaterial in a regulatory context often has the consequence that specific legal rules apply. In identifying nanomaterials, and to find out whether nanomaterial-specific provisions apply, the external size of particles is globally used as a criterion. For legal certainty, its assessment for regulatory purposes should be based on measurements and methods that are robust, fit for the purpose and ready to be accepted by different stakeholders and authorities. This should help to assure the safety of nanomaterials and at the same time facilitate their international trading. Therefore, we propose a categorisation scheme which is driven by the capabilities of common characterisation techniques for particle size measurement. Categorising materials according to this scheme takes into account the particle properties that are most important for a determination of their size. The categorisation is exemplified for the specific particle number based size metric of the European Commission's recommendation on the definition of nanomaterial, but it is applicable to other metrics as well. Matching the performance profiles of the measurement techniques with the material property profiles (i) allows selecting the most appropriate size determination technique for every type of material considered, (ii) enables proper identification of nanomaterials, and (iii) has the potential to be accepted by regulators, industry and consumers alike. Having such a scheme in place would facilitate the regulatory assessment of nanomaterials in regional legislation as well as in international relations between different regulatory regions assuring the safe trade of nanomaterials.
Die üblichen Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung mit Ultraschall basieren auf der Verwendung von flüssigen Koppelmitteln. Luftgekoppelte Prüfung setzt sich gegen die konventionellen Verfahren durch, wenn die Flüssigkeit nicht erwünscht oder den Prüfling gar beschädigen kann. Zwei Technologien für Erzeugung von Ultraschallsignalen sind vielversprechend: thermoakustische Wandler und Ferroelektret-Wandler. Basierend auf diesen beiden Technologien wurden Array-Sender gebaut und in diesem Beitrag miteinander verglichen.
Thermoakustische Wandler basieren auf Dünnschichttechnologie und bieten eine resonanzfreie Erzeugung von Ultraschall. Sie bestehen aus einer dünnen elektrisch leitenden Schicht und werden mit kurzen elektrischen Pulsen angeregt. Die Erhöhung der thermischen Energie führt zur Erzeugung von akustischen Wellen in der umgebenden Luft.
Bei Ferroelektret-Wandlern handelt es sich um polarisierte zelluläre Kunststoffe, die für den Bau eines Array-Senders besonders gut geeignet sind. Einige Ferroelektrete weisen eine hervorragende an Luft angepasste akustische Impedanz auf, so dass auf den Einsatz von Anpassschichten verzichtet werden kann. Ein sehr niedriges mechanisches Übersprechen zwischen einzelnen Elementen ermöglicht eine unabhängige Anregung einzelner Elemente, was bei Piezokompositen deutlich schwieriger wäre.
Mit der Phased-Array-Technik können elektronische Fokussierung oder Schwenkung des Einschallwinkels für eine luftgekoppelte Prüfung genutzt werden. Die Schallfelder von diesen beiden Technologien wurden berechnet, gemessen und miteinander verglichen. Die Vorteile und Nachteile der beiden Technologien werden dargestellt.
Phased-Array-Prüfköpfe für luftgekoppelte Ultraschallprüfung auf Basis von zellulären Kunststoffen
(2023)
Luftgekoppelte Ultraschallprüfung setzt sich immer häufiger gegen die konventionelle Ultraschallprüfung von Leichtbaukomponenten durch, und zwar in vielen Industriezweigen von der Holzindustrie bis zur Luftfahrt. Während die Phased-Array-Technik mittlerweile zu dem industriellen Standard im Bereich der Prüfung mit Ankopplung gehört, wird luftgekoppelte Ultraschallprüfung meist mit zwei Wandlern in Durchschallung durchgeführt. Deswegen werden Vorteile der Phased-Array-Technik wie beispielsweise elektronische Fokussierung oder Schwenkung des Einschallwinkels für luftgekoppelte Prüfung selten genutzt.
In diesem Beitrag werden die laufenden Arbeiten an der Entwicklung eines neuen Phased-Array-Geräts vorgestellt, mit dem Schwerpunkt an der Charakterisierung der Prüfköpfe und ihrer Schallfelder. Das Gerät besteht aus einem linearen Phased-Array-Prüfkopf, einer Sende- und einer Empfangseinheit. Die Hauptinnovation unserer Arbeit ist die Anwendung von zellulären Kunststoffen für den Bau eines Arrays, wobei der Sender mit Hochspannung von ca. 1500 V angeregt wird. Geladene zelluläre Polymere werden auch Ferroelektrete oder Piezoelektrete genannt. Sie weisen ein sehr niedriges Elastizitätsmodul und dadurch eine niedrige akustische Impedanz auf, so dass auf den Einbau von Anpassschichten verzichtet werden kann.
Eine sehr niedrige mechanische Kreuzkopplung bei Ferroelektreten ermöglicht eine unabhängige Anregung einzelner Elemente, was bei Piezokompositen deutlich schwieriger wäre. Die Entwicklung der Array-Prüfköpfe wurde durch Berechnungen des Schallfeldes unterstützt, die auf Punktquellensynthese basieren. Die beabsichtigte Anwendung von Phased-Array-Prüfköpfen und des Prüfsystems sind die Durchschallung mit Fokussierung, elektronischer Scan und die Schwenkung des Einschallwinkels zur Anregung von geführten Wellen, angewandt an carbonfaserverstärkten Kunststoffen und ähnlichen Materialien. Die Anwendung von geführten Wellen bietet die Perspektive, Bauteile mit einseitiger Zugänglichkeit zu prüfen.
Phased-Array-Prüfköpfe für luftgekoppelte Ultraschallprüfung auf Basis von zellulären Kunststoffen
(2023)
Luftgekoppelte Ultraschallprüfung setzt sich immer häufiger gegen die konventionelle Ultraschallprüfung von Leichtbaukomponenten durch, und zwar in vielen Industriezweigen von der Holzindustrie bis zur Luftfahrt. aWährend die Phased-Array-Technik mittlerweile zu dem industriellen Standard im Bereich der Prüfung mit Ankopplung gehört, wird luftgekoppelte Ultraschallprüfung meist mit zwei Wandlern in Durchschallung durchgeführt. Deswegen werden Vorteile der Phased-Array-Technik wie beispielsweise elektronische Fokussierung oder Schwenkung des Einschallwinkels für luftgekoppelte Prüfung selten genutzt.
In diesem Beitrag werden die laufenden Arbeiten an der Entwicklung eines neuen Phased-Array-Geräts vorgestellt, mit dem Schwerpunkt an der Charakterisierung der Prüfköpfe und ihrer Schallfelder. Das Gerät besteht aus einem linearen Phased-Array-Prüfkopf, einer Sende- und einer Empfangseinheit. Die Hauptinnovation unserer Arbeit ist die Anwendung von zellulären Kunststoffen für den Bau eines Arrays, wobei der Sender mit Hochspannung von ca. 1500 V angeregt wird. Geladene zelluläre Polymere werden auch Ferroelektrete oder Piezoelektrete genannt. Sie weisen einen sehr niedrigen Elastizitätsmodul und dadurch eine niedrige akustische Impedanz auf, so dass auf den Einbau von Anpassschichten verzichtet werden kann.
Eine sehr niedrige mechanische Kreuzkopplung bei Ferroelektreten ermöglicht eine unabhängige Anregung einzelner Elemente, was bei Piezokompositen deutlich schwieriger wäre. Die Entwicklung der Array-Prüfköpfe wurde durch Berechnungen des Schallfeldes unterstützt, die auf Punktquellensynthese basieren. Die beabsichtigte Anwendung von Phased-Array-Prüfköpfen und des Prüfsystems sind die Durchschallung mit Fokussierung, elektronischer Scan und die Schwenkung des Einschallwinkels zur Anregung von geführten Wellen, angewandt an carbonfaserverstärkten Kunststoffen und ähnlichen Materialien. Die Anwendung von geführten Wellen bietet die Perspektive, Bauteile mit einseitiger Zugänglichkeit zu prüfen.
Die üblichen Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung mit Ultraschall basieren auf der Verwendung von flüssigen Koppelmitteln. Luftgekoppelte Prüfung setzt sich gegen die konventionellen Verfahren durch, wenn die Flüssigkeit nicht erwünscht oder den Prüfling gar beschädigen kann. Zwei Technologien für Erzeugung von Ultraschallsignalen sind vielversprechend: thermoakustische Wandler und Ferroelektret-Wandler. Basierend auf diesen beiden Technologien wurden Array-Sender gebaut und in diesem Beitrag miteinander verglichen.
Thermoakustische Wandler basieren auf Dünnschichttechnologie und bieten eine resonanzfreie Erzeugung von Ultraschall. Sie bestehen aus einer dünnen elektrisch leitenden Schicht und werden mit kurzen elektrischen Pulsen angeregt. Die Erhöhung der thermischen Energie führt zur Erzeugung von akustischen Wellen in der umgebenden Luft.
Bei Ferroelektret-Wandlern handelt es sich um polarisierte zelluläre Kunststoffe, die für den Bau eines Array-Senders besonders gut geeignet sind. Einige Ferroelektrete weisen eine hervorragende an Luft angepasste akustische Impedanz auf, so dass auf den Einsatz von Anpassschichten verzichtet werden kann. Ein sehr niedriges mechanisches Übersprechen zwischen einzelnen Elementen ermöglicht eine unabhängige Anregung einzelner Elemente, was bei Piezokompositen deutlich schwieriger wäre.
Mit der Phased-Array-Technik können elektronische Fokussierung oder Schwenkung des Einschallwinkels für eine luftgekoppelte Prüfung genutzt werden. Die Schallfelder von diesen beiden Technologien wurden berechnet, gemessen und miteinander verglichen. Die Vorteile und Nachteile der beiden Technologien werden dargestellt.
Bei der Prüfung von Werkstücken mit empfindlichen Oberflächen oder auch hydrophilen Werkstoffen sind traditionelle ultraschallbasierte zerstörungsfreie Prüfmethoden wie die Kontakttechnik oder die Tauchtechnik in vielen Anwendungsfällen aufgrund der Flüssigkeitsankopplung nicht anwendbar.
Die luft-gekoppelte Ultraschallprüfung umgeht diese Problematik und eröffnet neue Prüfszenarien. Derzeit werden zwei Varianten der Schallerzeugung als vielversprechend angesehen: ferroelektrische Folien und thermoakustische Dünnschichtwandler. Thermoakustische Wandler ermöglichen die resonanzfreie Erzeugung von Ultraschall und somit kurze zeitliche Impulse sowie eine sehr breitbandige Anregung. Durch die Verwendung von gekrümmten Substraten ist sowohl eine Herstellung von planaren als auch fokussierten Wandlern möglich.
Dieser Beitrag präsentiert die letzten Forschungsergebnisse im Bezug auf thermoakustischen Wandlern, welche derzeit in einen thermoakustischen Gruppenstrahler münden. Gruppenstrahler erlauben die simultane Änderung des Einschallwinkels, sowie die Verschiebung des Fokuspunktes während der Verwendung.
Durch die Verbindung beider Schlüsseltechnologien, der thermoakustischen Anregung und des Gruppenstrahlerprinzips, wird das Spektrum der klassischen ZfP-Anwendungen, sowie moderner Ansätze wie der Anregung von geführten Wellen oder der Strukturüberwachung erheblich erweitert und bereichert.
Dabei soll innerhalb dieses Beitrages auf die Modellierung des Schallfeldes, die elementweise Charakterisierung und verschiedene Anwendungsszenarien eingegangen werden.
Lead(II) is a toxic pollutant often found in metalcontaminated soils and wastewaters. In acidic aqueous environments, Pb(II) is highly mobile. Chemical treatment strategies of such systems therefore often include neutralization agents and metal sorbents. Since metal solubility and the retention potential of sorbents depend on the redox state of the aqueous system, we tested the efficiency of the naturally occurring redox-sensitive ferrous iron carbonate mineral siderite to remove Pb(II) from acidic aqueous solutions in batch experiments under oxic and anoxic conditions over a total of 1008 h. Siderite dissolution led to an increase in reactive solution pH from 3 to 5.3 and 6.9, while 90 and 100% of the initial aqueous Pb(II) (0.48 × 10−3 mol kg−1) were removed from the oxic and anoxic systems, respectively.
Scanning and transmission electron microscopy, combined with X-ray absorption and photoelectron spectroscopy, indicated that under oxic conditions, Pb(II) was consumed by cerussite precipitation and inner-sphere surface complexation to secondary goethite.
Under anoxic conditions, Pb(II) was removed by the rapid precipitation of cerussite. This efficient siderite dissolution-coupled sequestration of Pb(II) into more stable solid phases demonstrates this potential method for contaminated water Treatment regardless of the redox environment.
Quantitative Analysis and 2D/3D Elemental Imaging of Cocoa Beans Using X‑ray Fluorescence Techniques
(2023)
As an important raw material for the confectionery industry, the cocoa bean (Theobroma cacao L.) has to meet certain legal requirements in terms of food safety and maximum contaminant levels in order to enter the cocoa market. Understanding the enrichment and distribution of essential minerals but also toxic metals is of utmost importance for improving the nutritional quality of this economically important raw food material. We present three X-ray fluorescence (XRF) techniques for elemental bio-imaging of intact cocoa beans and one additional XRF technique for quantitative analysis of cocoa pellets. The interrelation of all the methods presented gives a detailed picture of the content and 3D-resolved distribution of elements in complete cocoa beans for the first time.
The cleaning of black carbon covered Italian marble and limestone sculptures is a challenging task for restorers and scientists, especially when black soot is penetrated into the porous surface of a stone.
Numerous sculptures of the Bode-Museum underwent two domestic fires at the repository in Berlin in May 1945, where soot damaged the surface of these artworks. Promising results in removing black layers were achieved by the application of modified gels to artificially weathered and sooted Carrara marble mockups. However, transferring the cleaning method to original samples requires a cautious proceeding with respect to short-term and long-term implications. To understand physico-chemical reactions, the analytics of gel-treated marble surfaces is of essential importance.
Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectroscopy (ToF-SIMS) and Auger electron spectroscopy (AES) were used to gain insights into surface chemistry and the distribution of chemical groups or fragments and enable a deeper understanding of the functionality of the applied gels and of the efficiency of tested cleaning processes. Depth profiling by ToF-SIMS is introduced as a tool to study the penetration behavior of applied cleaning chemicals.
The contribution presents the analytical methods, their possibilities and challenges, and summarizes initial results of this study.
Molecular mobility of cyanophenyl alkylbenzoates (CPnBs) (n = 2, 3, 7 – number of carbon atoms in the alkyl chain) in the bulk and in composites with aerosil A380 is investigated by broadband dielectric spectroscopy, while thermal analysis and infrared spectroscopy were applied to characterise the molecular species. The work completes preliminary results obtained for the members with n = 4 … 6. An interaction by hydrogen bonding, between aerosil surface – OH groups and – CN or ester groups of the CPnB molecules takes place. It slows down the relaxation process as observed for related composites in comparison to the pure materials. The existence of two types of bonding might be the reason that Vogel temperature for the relaxation process in the surface layer does not show the odd-even effect. Temperature dependence of the relaxation rates for composites
shows a crossover behaviour from a high to a low temperature regime. Moreover, the temperature dependence of the dielectric strength is unusual. As the loading degree is similar, comparison of the dielectric, spectroscopic and thermal data obtained here and with the results obtained for the composites with n = 4 … 6 can be directly done. Increasing the number of the members of the homologous series confirms and hardens the preliminary conclusions.
We found previously how to estimate the density of the adsorbed surface species in the case of the molecules interacting to the oxide support surface by one type of bond. Here this algorithm is developed for the case of the molecules which can be bonded to the support surface by two types of bonds. The adsorption assumptions are similar to those considered in the case of only one type of bond. The calculation is exemplified for some composites of cyanophenyl alkylbenzoates (CPnBs) (n is the number of carbon atoms in the alkyl chain) interacting with Aerosil A380. The interaction takes place by hydrogen bonding between the –OH groups or the support and the functional groups of the CPnB molecules. The estimated values of the total surface density of CPnBs agree well with those found for the composites containing related but simpler molecules.
This paper presents the results concerning monotropic nematic liquid crystals 4-pentylphenyl 40-alkyl benzoate (5PnB) (n = 3 or 5 carbon atoms in the alkyl chain). Their mesophase properties were supported by images of the polarized optical microscopy. Molecular dynamics in the bulk samples or in the composites prepared with aerosil A380 was investigated by broadband dielectric spectroscopy in a large temperature range, appropriately chosen. Thermo gravimetric and infrared investigations were additionally performed. The data were compared with those of structurally related nematics like cyanophenyl pentyl benzoates, which have a cyan group instead of the pentyl chain. The dielectric spectra of the bulk 3P5B and 5P5B demonstrate a dielectric behavior with several relaxation processes as expected for nematic liquid crystals. The temperature dependence of the relaxation rates (and of the dielectric strength) seems to have two distinguished regimes. Thus, in the isotropic state, at higher temperatures the data obey the Vogel–Fulcher–Tammann law, whereas an Arrhenius law is fitted at lower temperature, in a close similarity to the behavior of a constrained dynamic glass transition. Samples with a high density of silica (larger than 7 g aerosil/1 g of 5PnB) were prepared to observe a thin layer adsorbed on the particle surface; it was estimated that almost each guest 5PnB molecule interacts with the aerosil surface. For the composites only one main relaxation process is observed at frequencies much lower than those for the corresponding bulk, which was assigned to the dynamics of the molecules in the surface layer. Infrared spectroscopy shows that these molecules interact with the surface by the ester carbonyl group leading to the monolayer self-assembly at liquid–solid interface. We note once more the importance of the functional unit(s) for the interaction with the hydroxyl groups on the aerosil surface.
Deep understanding of the effects associated with fabrication parameters and their influence on the resulting structures shape is essential for the further development of direct laser writing (DLW). In particular, it is critical for development of reference materials, where structure parameters are precisely fabricated and should be reproduced with use of DLW technology. In this study we investigated the effect of various fabrication and preparation parameters on the structural precision of interest for reference materials. A well-studied photo-curable system, SZ2080 negative photo-resist with 1 wt.% Michler's ketone (Bis) photo-initiator, was investigated in this work. The correlation between applied laser power, laser velocity, fabrication direction on the deviations in the structure shape were observed by means of white light interferometry microscopy. Moreover, influence of slicing and hatching distances as well as prebake time were studied as function of sample shape. Deviations in the structure form between the theoretically expected and the one detected after DLW fabrication were observed in the range up to 15%. The observed shape discrepancies show the essential importance of fine-tuning the fabrication parameter for reference structure production.
Test artifact for fs-LDW
(2023)
With Direct Laser Writing (DLW) maturing in all aspects as a manufacturing technology a toolset for quality assurance must be developed. In this work we want to introduce a first of its kind test artifact. Test artifacts are standardized 3D models with specific geometric feature to evaluate the performance of writing parameters. Test artifacts are already common in other 3D additive manufacturing technologies e.g. Selective Laser Melting. The test artifact introduced in this work was developed in particular to accommodate 1) the high geometrical resolution of DLW structures and 2) the limited possibilities to examine the resulting structure. Geometric accuracy, surface adhesion as well as confocal raman spectroscopy results were considered when evaluating the design of the test artifact. We will explain the individual features and design considerations of our DLW test artifact. The difference between two slicers, Cura and 3DPoli, and the implications on measured feature sizes and the general shape is quantified. The measured geometries are used to derive a general design guide for a specific combination of photoresist, laser power and scanning speed and to analyse the geometric accuracy of a structure produced using these guidelines.