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Enhanced photon upconversion using erbium-doped nanoparticles interacting with silicon metasurfaces
(2021)
Photon upconversion (UC) using trivalent erbium (Er+3) doped crystals is a promising concept to harness near infrared photons of the solar spectrum which cannot be directly absorbed by silicon solar cells. However, their UC efficiency at low-intensity 1 sun illumination is not relevant on device level so far. Exploiting giant near-field enhancement effects on metasurfaces is an appealing approach to enable efficient UC at low irradiance conditions. Here, we report on more than 1000-fold enhanced photon UC of NaYF4:Er+3 nanoparticles interacting with the near-fields supported by a silicon metasurface under 1550 nm excitation.
Supramolecular copolymerization driven by integrative self-sorting of hydrogen-bonded rosettes
(2020)
Molecular recognition to preorganize noncovalently polymerizable supramolecular complexes is a characteristic process of natural supramolecular polymers, and such recognition processes allow for dynamic self-alteration, yielding complex polymer systems with extraordinarily high efficiency in their targeted function. We herein show an example of such molecular recognition-controlled kinetic assembly/disassembly processes within artificial supramolecular polymer systems using six-membered hydrogen-bonded supramolecular complexes (rosettes). Electron-rich and poor monomers are prepared that kinetically coassemble through a temperature-controlled protocol into amorphous coaggregates comprising a diverse mixture of rosettes. Over days, the electrostatic interaction between two monomers induces an integrative self-sorting of rosettes. While the electron-rich monomer inherently forms toroidal homopolymers, the additional electrostatic interaction that can also guide rosette association allows helicoidal growth of supramolecular copolymers that are comprised of an alternating array of two monomers. Upon heating, the helicoidal copolymers undergo a catastrophic transition into amorphous coaggregates via entropy-driven randomization of the monomers in the rosette.
Ein neuartiger Modellierungsansatz für die Berechnung des transienten Temperaturfeldes beim Laserstrahlschweißen mit einer äquivalenten Wärmequelle wurde vorgestellt. Das numerische Modell wurde in zwei Studien unterteilt. Im ersten Teil wurde der Laserstrahlschweißprozess in einer stationären Schmelzbadsimulation untersucht. Die lokale Schmelzbadgeometrie und das Temperaturfeld wurden unter Berücksichtigung der Effekte der thermokapillaren und freien Konvektion, der latenten Wärme und der temperaturabhängigen Materialeigenschaften bis hin zur Verdampfungstemperatur ermittelt. Die Ergebnisse wurden benutzt, um eine äquivalente volumetrische Wärmequelle zu definieren. In der folgenden Studie wurde damit das transiente Temperaturfeld im geschweißten Bauteil berechnet. Die numerischen Ergebnisse wurden durch parallel laufende Experimente validiert.
High-power laser beam welding became new stimuli within the last 10 years due to the availability of a new generation of high brightness multi kilowatt solid state lasers. In the welding research new approaches have been developed to establish reliable and praxis oriented welding processes meeting the demands of modern industrial applications during this time. The paper focuses on some of the current scientific and technological aspects in this research field like hybrid laser arc welding, simulation techniques, utilization of electromagnetic fields or reduced pressure environment for laser beam welding processes, which contributed to the further development of this technology or will play a crucial role in its further industrial implementation.
Die Entstehung von Erstarrungsrissen stellt ein in der Schweißtechnik lange bekanntes Problem dar. Diese prozessseitige Herausforderung ist selbst nach dem heutigen Wissenstand schwer zu beherrschen und gefährdet die Sicherheit der gefügten Bauteile. Dieses Problem erweist sich als besonders schwierig beim einlagigen Hochleistungslaserstrahlschweißen von Metallteilen hoher Blechstärke, welche eine essentielle Rolle in vielerlei industriellen Anwendungen spielen.
Gegenstand des hier bearbeiteten Forschungsprojekts war die numerische Untersuchung der Entstehungsmechanismen des Mittelrippendefekts beim Laserstrahlschweißen niedriglegierter Stähle. Mittels mehrerer gekoppelter Simulationen, für welche sowohl kommerziellen Softwares, wie COMSOL Multiphysics und ANSYS, als auch in-house entwickelte Programme eingesetzt worden sind, wurden die am stärksten ausgeprägten Mechanismen der Erstarrungsrissbildung und deren Zusammenspiel aufgeklärt. Begleitend zur Simulation wurden mehrere experimentelle Untersuchungen für den niedriglegierten Baustahl S355 an den Blechdicken 12 mm und 15 mm zu deren Validierung durchgeführt. Die Ergebnisse der Simulation des Kristallwachstums, der Diffusion und der Makroseigerung von Schwefel zeigen, dass die Risse für bestimmte Werkstoffe mit einer hohen Konzentration an Verunreinigungen
hauptsächlich metallurgisch bedingt entstehen können. Allerdings zeigte die Untersuchung des Einflusses der Ausbauchung (Bulging) im Mittenbereich der Schweißnaht auf das transiente Temperaturfeld und die transienten Transversalspannungen im risskritischen Bereich auch, dass die Rissbildung nicht nur metallurgisch bedingt und insbesondere auch für aus metallurgischer Sicht eigentlich rissunkritische Materialien auftreten kann.
Der Bulging-Bereich hat sich in der Untersuchung als besonders kritisch in allen Teilen der Simulationskette gezeigt. Die Einflüsse dieser geometrischen Besonderheit konnten bei allen physikalischen Teilaspekten der Problematik als heißrissinduzierend identifiziert werden. Von besonderer Bedeutung wird an dieser Stelle das erkannte Zusammenspiel dieser Einflüsse hervorgehoben. Bisher wurde die Bildung der Erstarrungsrisse hauptsächlich durch einen einzelnen physikalischen Aspekt, wie z.B. rein metallurgisch oder rein thermomechanisch bedingt, isoliert betrachtet. Die gewonnen Erkenntnisse über die Einflüsse des Bulgings auf die unterschiedlichen Teilaspekte zeigen deutlich, dass alle Entstehungsmechanismen auch die Schmelzbadgeometrie als Ursprung haben. Von dieser hängen die transienten Temperatur- und Spannungsfelder, die Kristallwachsrichtung, die Erstarrungsgeschwindigkeit und die Konzentration von Verunreinigungen, welche zur Entstehung von niedrigschmelzenden Phasen führt, ab.
Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens sind vielfach in referierten Zeitschriften und auf Fachtagungen veröffentlicht worden. Hervorzuheben dabei ist der „Best Presentation Award“ auf der LANE Conference 2018 in Fürth, wodurch die Thematik einem breiten Publikum bekannt gemacht werden konnte.
Implementation of soilcrete columns via jet grouting or deep soil mixing to stabilize problematic subsurface soils is common in underground construction. However, industry is faced with limited options to characterize column geometry and quality of the resulting soilcrete without excavation or destructive testing. Laboratory-scale experiments were conducted on simulated soilcrete columns using crosshole ultrasonic testing to evaluate the feasibility of acoustic tomography to characterize soilcrete geometry and quality. Data were acquired on multiple columns immediately after placement up to a curing time of 120 hours. Jet grout compressional wave velocity (VP) was estimated using a first arrival time approach and inverted to construct acoustic tomograms. Acoustic tomograms indicate that crosshole ultrasonic testing is able to characterize the changes in acoustic properties that result from jet-grout curing, locate contrasts between weaker/stronger regions in the jet grout, and estimate geometry of the column.
Modelling becomes more and more important in modern NDE. It is increasingly used to optimize techniques for complex applications, to support the preparation of written procedures, and for education purposes. To describe the complete chain of RT, the model includes simulating all necessary properties of X- or Gamma-ray sources, the interaction of photons with material with special attention to scattered radiation, the detection process, and the complete geometrical RT setup handling arbitrary parts or constructions. Depending on the given inspection problem and the influencing factors that should be addressed by the simulation, an appropriate physical model has to be chosen to describe the underlying interaction mechanisms. The simulator aRTist combines analytical and Monte Carlo methods to efficiently model the radiation transport such that transmission as well as scatter techniques can be modelled. In this contribution we focus on Monte Carlo simulation of scatter contribution within aRTist. Examples for RT/tomographic applications and back-scatter techniques are presented to demonstrate the usability of the presented simulation tool for a broad range of radiological applications.
A model is presented that employs a unified approach for
simulating the photon energy spectra for transmission and direct
beam targets composed of arbitrary homogeneous materials. In order
to achieve this, a detailed model of electron transport within the
target is employed. The validity of the developed model is shown
through comparisons with Monte Carlo simulations as well as
measurements for a number of different configurations.