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The mechanism of action of zirconium permanent modifiers on graphite surfaces was investigated in order to understand its influence on the analytical signal in atomic and molecular absorption spectrometry (AAS/MAS). For this, the molecule formation of CaF was studied, which is used for the indirect analytical determination of fluorine in high-resolution continuum source graphite furnace molecular absorption spectrometry (HR-CS-GFMAS). The kinetics of this reaction was established by monitoring its molecular spectrum at different atomisation temperatures. An Arrhenius plot showed a pseudo-first order reaction with respect to fluorine (n = 1). An intermediate state was isolated, and its structure was elucidated by spectroscopic methods: scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray spectroscopy (SEMEDX), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray absorption spectroscopy (XANES and EXAFS), and Raman microspectroscopy. We propose here a mechanism, where ZrO2 acts as a heterogeneous catalyst: after a pyrolytic step, an intermediate state of ZrO(OCaF) is activated, and at higher temperatures, CaF(g) is released from the zirconium-coated graphite surface. No evidence of the formation of zirconium carbide was found. Consequently, as the CaF formation is catalysed by a heterogeneous catalyst, surface modifications with ZrO2 nanoparticles and ZrO xerogels were investigated in order to increase the surface area. Their influence was evaluated in the molecule formation of CaF, CaCl, CaBr, and CaI. Graphite furnace modification with zirconium oxide nanoparticles proves to be the best choice for fluorine analysis with a signal enhancement of more than eleven times with respect a non-coated graphite furnace. However, the influence of zirconium modifications in the analytical signals of Cl, and I is lower than the F signals or even negative in case of the Br. Understanding zirconium modifiers as heterogeneous catalysts offers a new perspective to AAS and MAS, and reveals the potential of surface analytical methods for development of improved permanent modifiers and graphite furnace coatings.
The present work shows results on elemental distribution analyses in Cu(In,Ga)Se2 thin films for solar cells performed by use of wavelength-dispersive and energy-dispersive X-ray spectrometry (EDX) in a scanning electron microscope, EDX in a transmission electron microscope, X-ray photoelectron, angle-dependent soft X-ray emission, secondary ion-mass (SIMS), time-of-flight SIMS, sputtered neutral mass, glow-discharge optical emission and glow-discharge mass, Auger electron, and Rutherford backscattering spectrometry, by use of scanning Auger electron microscopy, Raman depth profiling, and Raman mapping, as well as by use of elastic recoil detection analysis, grazing-incidence X-ray and electron backscatter diffraction, and grazing-incidence X-ray fluorescence analysis. The Cu(In,Ga)Se2 thin films used for the present comparison were produced during the same identical deposition run and exhibit thicknesses of about 2 µm. The analysis techniques were compared with respect to their spatial and depth resolutions, measuring speeds, availabilities, and detection limits.
Mechanical flexibility in single crystals of covalently bound materials is a fascinating and poorly understood phenomenon. We present here the first example of a plastically flexible one-dimensional (1D) coordination polymer. The compound [Zn(m-Cl)2(3,5-dichloropyridine)2]n is flexible over two crystallographic faces. Remarkably, the single crystal remains intact when bent to 1808. A combination of microscopy, diffraction, and spectroscopic studies have been used to probe the structural response of the crystal lattice to mechanical bending. Deformation of the covalent polymer chains does not appear to be responsible for the observed macroscopic bending. Instead, our results suggest that mechanical bending occurs by displacement of the coordination polymer chains. Based on experimental and theoretical evidence, we propose a new model for mechanical flexibility in 1D coordination polymers. Moreover, our calculations propose a cause of the different mechanical properties of this compound and a structurally similar elastic material
Measuring the Burning Temperatures of Anhydrite Micrograins in a High-Fired Medieval Gypsum Mortar
(2017)
Typical feature of high-fired medieval gypsum mortars is a compact microstructure of squat gypsum crystals containing firing products as remains of the calcination process. So far, the burning history of the binder is estimated based on morphological characteristics of the latter. A novel Raman microspectroscopy approach provides access to the calcination temperatures of individual anhydrite grains based on quantifiable spectroscopic changes appearing due to gradual variations of crystallinity, as independently confirmed by X-ray diffraction analysis of anhydrites synthesised at temperatures between 500°C and 900°C. The approach was successfully applied to the high-fired gypsum mortar of a South Tyrolean stucco sculpture of a pieta dated around 1420. Microparticles of burned anhydrite II with firing temperatures scattered around 650°C and clusters of thermally damaged natural anhydrite II crystals from the raw material were identified and imaged.
In the second half of the 19th century, Roman and Portland cements played an essential role as active hydraulic binder material in building construction and façade ornamentation. Size and heterogeneous phase assemblage of unhydrated cement clinker remnants in historical cement stone differ significantly from those of remnants occurring in modern Portland cement clinker burnt in rotary kilns due to limitations of the production technology available in the 19th century (e.g., comminution and homogeneity of the feedstock, burning temperature and regime in the intermittently operated shaft kilns, grinding machinery). In the common analytical approach, thin sections and fracture surfaces of historical Roman and Portland cement mortars are characterised regarding their mineralogical composition and microstructure using optical and electron microscopic imaging techniques. Raman microspectroscopy can be additionally employed for petrographic examination, overcoming some limitations of the methods used so far. The determination of the phase content of residual cement clinker grains in the hydrated matrix allows for the differentiation of Roman and Portland cement binders. As marker phases, we propose the calcium aluminates CA, C12A7, C2AS and C3A – besides the commonly used calcium silicates C2S and C3S – because of their different formation temperatures and stability fields. This study focuses on the identification of different calcium aluminate and aluminoferrite phases in clinker remnants in samples of cast ornaments of three buildings in Switzerland raised between 1875 and 1893; the obtained Raman spectra are compared with fingerprint spectra of the corresponding pure, synthesised clinker phases collected with the same instrument for an unambiguous data interpretation. In addition to these phases, mainly minerals showing no hydraulic activity, such as, wollastonite CS, rankinite C3S2, free lime, portlandite, iron oxides, garnets, augite, albite and feldspathoids have been identified in the sampled historical cement stones by Raman microspectroscopy. As there is a strong relationship between coexisting clinker phases and the chemical composition of the raw meal as well as the burning and cooling history during clinkering, the results can help in understanding the physical and mechanical characteristics of historical cement mortars. This knowledge is fundamental for the choice and the formulation of appropriate repair materials with tailored properties employed in the field of restoration and preservation of the architectural heritage of the 19th and early 20th centuries.
Temperaturindikatoren in mittelalterlichen Hochbrandgipsen: Eine Ramanmikrospektroskopische Studie
(2018)
Infolge der beschränkten Kontrollmöglichkeiten über die in einem Meiler oder Feldofen herrschenden Parameter konstituiert mittelalterliche Hochbrandgipse ein Gemisch aus verschiedenen Anhydritstufen. Basierend auf modernen Versuchsbränden dienen in der gealterten Gipsmatrix nicht oder nur teilweise hydratisiert erhaltene Brenngutkörner üblicherweise anhand der morphologischen Eigenschaften der Anhydritkristalle der groben Einschätzung der zumindest lokal im Ofen bzw. im stückigen Brenngut erreichten Temperaturwerte. Die bildgebende Ramanmikroskopie ermöglicht die kornspezifische Bestimmung der Hitzeeinwirkung über den Grad der sich im Ramanspektrum abbildenden thermischen Beeinträchtigung der Thermoanhydritphasen, als auch deren Unterscheidung von primärem Anhydrit aus der Gipslagerstätte, da diesen eine höhere Kristallinität kennzeichnet. Hier beispielhaft diskutierte Ramananalysen an zwei reliktischen Brenngutkörnern lassen auf Brenntemperaturen von 650°C bzw. 800°C schließen. Pyrometamorphe Phasenneubildungen der natürlichen Verunreinigungen des Rohgipses liefern aufgrund ihres Bildungs- und Stabilitätsbereiches zusätzliche Hinweise. Im Beitrag erörtert werden die an die Dehydratation von magnesiumreichem Chlorit korrelierte Genese von Forsterit sowie die Zersetzung von Dolomit zu Calcit und Periklas, welcher beim Anmachen des Mörtels zu Brucit gelöscht wird und im Laufe der Zeit in der Gipsmatrix zu Magnesit carbonatisiert; beide pyrometamorphen Reaktionen
erfordern Temperaturen von über 800°C.
The use of high-fired gypsum as binder for masonry and joint mortars or stuccowork in Central Europe in the Early and High Middle Ages was a regional specific as it depended on local gypsum deposits. The calcination technology possible at the time resulted in an assemblage of calcium sulphate phases dehydrated to different degrees and partly thermally damaged accessory minerals of the raw gypsum. Not hydrated clusters of firing products preserved in the binder matrix are a typical feature of such mortars. A novel Raman microspectroscopic approach, providing access to the burning history of individual anhydrite grains, was applied to samples from medieval South Tyrolean stucco decorations and sculptures. Beyond that, Raman microspectroscopy was employed for tracing and visualising pyrometamorphic reactions in natural impurities of the kiln run. In the discussed examples mineral thermometry indicates process temperatures above 800°C: the breakdown of magnesium-rich chlorite led to the formation of forsterite Mg2SiO4, while the thermal decomposition of dolomite CaMg(CO3)2 to periclase MgO and lime CaO yielded – after hydration and carbonation – magnesite MgCO3, CaCO3 polymorphs and magnesian calcite. Hydration of periclase in the mixed gypsum paste containing sulphate ions also resulted in magnesium sulphate hydrates, here identified in the form of hexahydrite MgSO4·6H2O. Lower burning temperatures left the accessory minerals in their pristine form, but can be traced by measuring the spectra of individual anhydrite crystals in grains of firing products and evaluating Raman band widths. Throughout the present study, calcination temperatures ranging from approx. 600°C to 900°C were determined.
Raman microscopic imaging was just recently introduced into the analysis of residual Roman and Portland cement grains in 19th century cement stone, displaying evidence of the experimental adaptation of contemporary technological knowledge and practice to local circumstance. Beyond calcium ferrites, this study deals with ferruginous clinker phases that are atypical compared to present-day commercial conditions of manufacture, such as iron oxides, clinopyroxenes or pyroxenoids. Analog, microtexture, mineralogy and chemical composition of pulverized ferrosilicate slag used in the course of the 19th century as mineral additive in lime mortar reflect local resource utilization, recording the melting history within the furnace and the effectiveness of the reduction process of a single smelting event. In the case of the discussed example, chemical imaging by Raman microscopy allowed deducing a lime-rich, low-silica melt exposed to fairly reducing conditions because of the detection of the pyrometallurgic phases fayalite (Fe2SiO4), kirschsteinite (CaFeSiO4) and calcioolivine (Ca2SiO4) in zoned olivine laths and (with the melilite gehlenite, Ca2Al2SiO7) in the Interstitial matrix, cross-cut by dendritic wuestite (FeO). The presented analytical approach faces the high spatial complexity of such mortar samples by microspectroscopic imaging with micrometer lateral resolution and their chemical complexity by extracting the rich chemical information content from Raman spectra. Intensity maps of marker bands provide spatial phase distributions. Furthermore, maps of peak positions can give access to the dissemination of spectroscopically similar phases of solid solution series (e.g., olivine and calcium Aluminate ferrite) as well as varying amounts of incorporated foreign cations (e.g., in hematite).
Als schweizweit einziger Hersteller produzierte die Gesellschaft der Ludwig von Roll'schen Eisenwerke seit den 1870er Jahren granulierte Hochofenschlacke. Im Blashochofen von Choindez im Schweizer Jura wird bis Mitte der 1920er Jahre Bohnerz aus dem Delsberger Becken, das kontemporär publizierten Analysen zufolge als Spuren- bzw. Schwermetalle Titan, Chrom, Blei und Vanadium enthält, zu grauem Roheisen verhüttet. In zementgebundenen Mörtelmischungen des 19. und frühen 20. Jahrhunderts aus verschiedenen Regionen der Schweiz finden sich neben reliktischen Hüttensandsplittern vereinzelt bis zu fünfhundert Mikrometer große scharze Kugeln mit grünlichem Schimmer, wohl nicht gemahlener Schlackensand. Deren mittels Ramanmikroskopie (Phasenbestand) und energiedispersiver Röntgenspektroskopie am Rasterelektronenmikroskop (Elementanalytik) ermittelte Mineralogie ergibt in Form von Plattnerit PbO2, Rutil TiO2 und vermitlich Chromit Fe(II)Cr2O4 bzw. Nichromit (Ni,Co,Fe(II))(Cr,Fe(III),Al)2)4 Übereinstimmungen mit den nur die Elementzusammensetzung berücksichtigenden historischen Resultaten. Ebenfalls im Zusammenhang mit dem das Bohnerz begleitenden Boluston samt Huppererde zu sehen sind die Minerale Coelestin SrSO4 und Zirkon ZrSiO4, des Weiteren der Siliciumcarbidpolymorph Moissanit SiC als Reaktionsprodukt von Quarzsand und Brennstoff. Die Kohärenz zwischen um die Jahrhundertwende durchgeführten Analysen von Rohmaterial als auch Ofenbruch aus dem in Choindez betriebenen Hochofen und den in diesem Beitrag diskutierten Resultaten moderner analytischer Methoden spricht für den Gebrauch von granulierter Schlacke aus dem Hause Ludwig von Roll als Mörtelzuschlag. Die Hüttensandkörner, eigentlich latent hydraulisch, sind aufgrund der fehlenden Aufbereitung zu grob für eine effektive Hydratation und deshalb trotz reaktiver Glasphase und Klinkermineralien (Belit Ca2SiO4 und Monocalciumaluminat CaAl2O4) intakt in der Bindemittelmatrix erhalten.
Naturwissenschaftliche Belege für die Verwendung von Ägyptisch Blau, dem klassischen Blaupigment der römischen Antike, an frühmittelalterlichen Wandmalereien in Mittel- und Südeuropa sind bisher nur vereinzelt greifbar. Das hier diskutierte monochrom blaue Fragment einer Freskomalerei auf Tünche gehört zum zweiten Kirchenbau von St. Peter ob Gratsch (Südtirol, Norditalien); zumindest der Putzmörtel ist gemäß Radiocarbondatierung im 5. oder 6. Jahrhundert n. Chr. zu verorten. Das flächendeckende Abrastern der Probenoberfläche mittels Ramanmikrospektroskopie vermochte neben dem farbgebenden Cuprorivait (und Pflanzenschwarz aus der Untermalung) 26 begleitende Mineralien bis in den Spurenbereich nachzuweisen. Diese erstaunliche Vielfalt ist nur durch mikrospektroskopische Bildgebung in hoher Ortsauflösung zugänglich, ein solch vertiefter Einblick in die Mineralogie der zugrundeliegenden Rohstoffe als auch Umwandlungsreaktionen während Herstellung, Applikation und Alterung des künstlichen Blaupigmentes also an die Weiterentwicklung der analytischen Verfahren gebunden. Insbesondere die natürlichen Verunreinigungen des Quarzsandes liefern Indizien auf die Produktionsstätte: die beiden Klinopyroxene Augit und Aegirin deuten beispielsweise auf magmatischen Aktivitäten ausgesetzte Ablagerungen (oder auf vulkanische Aktivität bereits im Liefergebiet). Zusammen mit Diopsid und Feldspaten, einschließlich des seltenen Celsian, sind sie der Literatur zufolge charakteristischer Bestandteil von vom Fluss Volturno in den Golf von Gaeta transportierten carbonathaltigen Sedimenten. Im Verein mit der archäologischen Evidenz für die Erzeugung von Ägyptisch Blau in Cumae und Liternum und den übereinstimmenden Ausführungen der beiden römischen Fachschriftsteller Vitruv und Plinius der Ältere spricht dies für ein Fabrikat aus dem Golf von Pozzuoli. Als Kupferquelle wurde angesichts des Nachweises von Chalkosin (und Chalkopyrit) vermutlich ein sulfidisches Kupfererz nach Rosten zu Kupferoxid eingesetzt, als schmelzpunktsenkendes Flussmittel wohl ein gemischt-alkalisches, das heißt eine Mischung von Natrium- und Kaliumsalzen in Form von Pflanzenasche. Zum Teil mit Cuprorivait verwachsene, nicht gänzlich umgesetzte Quarzkristalle bei nur geringsten Spuren von Silikatglas lassen auf eine überwiegende Festkörperreaktion (Festphasensintern) schließen; das Aufschmelzen der Rohstoffe zu Glas dürfte bei der Pigmentsynthese eher eine untergeordnete Rolle gespielt haben.