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The growing interest in artificial bioorganic Interfaces as a platform for applications in emerging Areas as personalized medicine, clinical diagnostics, biosensing, biofilms, prevention of biofouling, and other fields of bioengineering is the origin of a need for in Detail multitechnique characterizations of such layers and interfaces. The in-depth analysis of biointerfaces is of special interest as the properties of functional bioorganic coatings can be dramatically affected by in-depth variations of composition.
In worst cases, the functionality of a device produced using such coatings can be substantially reduced or even fully lost.
Die Oberflächentechnik ist eine Schlüsseltechnologie in nahezu zu allen industriellen Branchen. Mit Ausnahme der mechanischen Stabilität, die das Substrat bereitstellt, werden verschiedenartigste Funktionen materialsparend, zum Teil hochintegriert mit maßgeschneiderten Schichtdesigns unter Ausnutzung von Nano- und Quanteneffekten auf Oberflächen appliziert. Ein Großteil der Fertigungskosten in der Mikro- und Nanotechnik wird durch Reinräume und die Umsetzung ausgeklügelter Reinigungsstrategien zur Vermeidung von Restverschmutzungen und partikulären Belegungen
verursacht, da diese unweigerlich zum Bauteilversagen führen. Die Validierung des Reinigungszustandes ist somit von zentraler Bedeutung für die Schichtqualität und Produktfunktionalität. Dies gilt in Abhängigkeit von der Applikation und den vertikalen Schicht- bzw. lateralen Strukturdimensionen sowohl für Fertigungsprozesse im Reinraum als auch für solche in robuster Umgebung. In der Praxis kommt es häufig vor, dass man mikroskopisch scheinbar saubere Substrate erst durch die Beschichtung „enttarnt" und dann Defekte oft mit bloßem Auge sichtbar werden. Noch problematischer ist der Einbau von Verunreinigungen während der Schichtabscheidung, die zunächst nicht sichtbar sind, dann aber zum Bauteilversagen führen.
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.
Fluid-assisted mass transport reactions by dissolution-precipitation, where a precursor mineral reacts with a fluid, play an important role in metamorphism and metasomatism. We investigated titanite growth on rutile in time series experiments between one and 107 days at constant P-T conditions of 600 °C and 400 MPa in the system TiO2-CaO-SiO2-Na2O-HCl-H2O. A two-capsule assemblage allows for transport of Ca and Si from dissolving wollastonite to dissolving rutile, the Ti-source, in a NaCl-bearing aqueous fluid, according to the general reaction CaSiO3 + TiO2 = CaTiSiO5. Complete overgrowth of rutile by titanite occurred after just one day of experiment. Fine-grained lozenge-shaped titanite crystals of short-time runs (up to 14 days) reorganize to larger predominantly prismatic crystals after >14 days.
After investigation by scanning electron microscopy, the titanite overgrowth was removed from the rutile by hydrofluoric acid, to provide a three-dimensional view of the dissolution-reaction front on the rutile surface. The morphology of the rutile surface is dominated by humps or ridges beneath the central region of a titanite crystal and valleys at the grain boundaries between adjacent titanite crystals. The dissolution pattern on the rutile surface mimics the titanite overgrowth and changes with changing grain size and shape of the titanite with longer run times. The preferred dissolution of rutile in the valleys is clearly linked to the position of the titanite grain boundaries, which served as pathways for fluid-assisted element transport. Rutile-titanite and titanite-titanite boundaries show a significant porosity in transmission electron microscopy images of foils prepared by focused ion beam milling. The large-scale dissolution pattern on the rutile surface is independent of the crystallographic orientation of the rutile and entirely dominated by the arrangement of titanite crystals in the overgrowth. Dissolution features on a scale smaller than ~1 µm are dominated by stepwise dissolution and etch-pits following the crystallographic orientation of the rutile. Similar observations were made in experiments with an additional Al-source, although these experiments result in a different overgrowth pattern; i.e., an exposed rutile surface is always present and solitary titanite crystals are accompanied by partial overgrowths. Quantitative characterization of the surface morphology by white-light interference microscopy demonstrates that, with increasing grain size of titanite, dissolution of rutile is strongly enhanced at the titanite grain boundaries.
Natural examples of titanite overgrowths on rutile show the same relations between element pathways, arrangement of titanite crystals and 3D dissolution pattern on rutile as in the experimental systems. We conclude that the transport of Ti away from the rutile and of Ca + Si into the reaction rim occurred in a grain boundary fluid, the composition of which must have been strongly different from the composition of the bulk fluid in the experiment, as well as in the natural system. The reaction progress depends on the availability of a fluid, and relicts of rutile in titanite indicate restricted availability of fluid in the natural system (e.g., a fluid pulse that was consumed by the reactions). The reaction examined here can serve as a proxy for other reactions of the conversion of oxide minerals (e.g., spinel or corundum) into silicates.
Most of the polymeric materials used are easy to ignite and show extensive flame spread along their surfaces. Apart from extensive heat release rates, their short time to ignition (tig), in particular, is a key fire hazard. Preventing ignition eliminates fire hazards completely. Protection layers that shift tig by more than an order of magnitude are powerful flame retardancy approaches presenting an alternative to the usual flame retardancy concepts.
Coatings are proposed that consist of a three-layer system to ensure adhesion to the substrate, acting as an infrared (IR) mirror and protecting against oxidation. The IR-mirror layer stack is realised by physical vapour deposition in the sub-micrometre (<1 µm) range, reducing heat absorption by up to an order of magnitude. Not only is the ease of ignition diminished (tig is increased by several minutes), the flame spread and fire growth indices are also remarkably reduced to as little as 1/10 of the values of the uncoated polymers open for further optimization. Sub-micrometre thin IR-mirror coatings yielding surface absorptivity <0.1 are proposed as a novel and innovative flame retardancy approach.
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.