4 Material und Umwelt
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Organisationseinheit der BAM
- 4 Material und Umwelt (103)
- 4.1 Biologische Materialschädigung und Referenzorganismen (30)
- 4.3 Schadstofftransfer und Umwelttechnologien (24)
- 4.2 Material-Mikrobiom Wechselwirkungen (23)
- 4.4 Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung (17)
- 6 Materialchemie (13)
- 4.5 Kunst- und Kulturgutanalyse (9)
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (8)
- 6.2 Material- und Oberflächentechnologien (7)
- 1.1 Anorganische Spurenanalytik (5)
Eingeladener Vortrag
- nein (61)
The first manuscripts from the Qumran caves were found in 1947. Within the following 10 years, clandestine and legal excavations revealed some 900 highly fragmented manuscripts from the late Second Temple period. This collection is generally known as Scrolls of the Judea Desert or Dead Sea Scrolls (DSS). For many years after their discovery, text analysis and fragmeents attribution were the main concern of the scholars dealing with the scrolls. The uncertain archaeological provenance of the larger part of the collection added an additional difficulty to the formidable task of sorting some 19000 fragments. After 60 years of scholar research the question of origin, archaeological provenance and correct attribution of the fragmenst are still hotly debated. To dtermine a possible contribution to the debate from the point of view of writing materials, we used otpical and electron microscopy, various X-ray based techniques as well as vibratiional sprectroscopy. We validated our approach with SY - based studies using the advantages of the synchroton radiation source with respect to the benchtop devices. Our laboratory studies showed that often production and storage locality could be distinguished thenks to the specific residues ("fingerprint") they left on the material. Moreover, we have diescovered that diferrent parchment production processses coexisted in the antiquity, and the resulting writing materials can readily be distinguished.
Scientific material analysis of the elemental composition of inks from different strata of a manuscript has the potential to complement scholarly observations using palaeography and philology in reconstructing the history of the manuscript’s production, correction and repair.
There are three typologically different classes of black writing inks: soot inks consist of carbon particles.
Sehr geehrte Damen und Herren,
liebe Leserinnen und Leser,
bereits im ersten Band der N.i.Ke. Schriftenreihe des Netzwerks zur interdisziplinären Kulturerhaltung hatte ich angeführt, dass bei der Untersuchung von kulturellen Artefakten naturwissenschaftliche Untersuchungsmethoden zunehmend an Bedeutung gewinnen, sie eigentlich unverzichtbar geworden sind.
Ein besonders einprägsames Beispiel dieser fächerübergreifenden Zusammenarbeit zwischen Geisteswissenschaften, Naturwissenschaften und Restaurierungswissenschaften war die Ausstellung Johannes Vermeer. Vom Innehalten, die in diesem Jahr in der Gemäldegalerie Alter Meister in den staatlichen Kunstsammlungen Dresden gezeigt wurde. Eigens für diese Ausstellung wurde das Gemälde Brieflesendes Mädchen am offenen Fenster einer grundlegenden Restaurierung unterzogen. Diese Restaurierung diente jedoch nicht nur der Reparatur des Bildes. Um sich dem ursprünglichen Zustand des Gemäldes zwischen 1657 und 1659 anzunähern, wurden später hinzugefügte Malschichten großflächig abgenommen. Möglich wurde dies durch unterschiedliche, bildgebende materialwissenschaftliche Untersuchungen im Vorfeld, welche die wissenschaftlichen Grundlagen für die Diskussion über den weiteren Umgang mit der Lesenden schufen.
Materialanalytische Verfahren wurden und werden ständig weiterentwickelt und optimiert. Sei es, um aus einer Vielzahl von Einzelmessungen ein Gesamtbild zu erstellen, oder die Größe einer Probenentnahme so zu reduzieren, dass von einer „minimal-invasiven“ oder „quasi nicht-invasiven“ Untersuchung ausgegangen werden kann. Nun feiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, zusammen mit ihren Vorgängerinstitutionen, den königlichen Versuchsanstalten, in diesem Jahr ihren einhundertfünfzigsten Geburtstag. Sie blickt damit auf eine lange Tradition materialwissenschaftlicher Analysen zurück, an deren Beginn beispielsweise die metallographischen Untersuchungen von Adolf Martens stehen. Derartige Untersuchungen bilden auch heute noch einen wesentlichen Bestandteil archäometallurgischer Forschung. Die Historie bzw. die Weiterentwicklung der Methodik lässt sich hier besonders gut nachzeichnen. Jedoch blicken auch Verfahren zur Charakterisierung weiterer Werkstoffe, wie Glas, Keramik, oder organischer Materialien auf eine lange Geschichte zurück.
Die in diesem Band der N.i.Ke.-Schriftenreihe präsentierten Beiträge dokumentieren einerseits aktuelle Forschungsarbeiten, die erst in diesem Jahr in entsprechenden Fachjournalen publiziert wurden, andererseits liegen einige der Arbeiten bereits 50 Jahre zurück. Sie bekunden damit nicht nur die materialtechnologische und historische Bandbreite der Projekte, sondern offenbaren die Vielfältigkeit kulturhistorischer oder restauratorischer Fragestellungen, zu deren Beantwortung natur- und materialwissenschaftliche Forschung wesentliche Beiträge liefern können.
Ich bedanke mich bei allen Kolleginnen und Kollegen, die zur Erstellung dieser dritten Ausgabe der N.i.Ke. Schriftenreihe des Netzwerks zur interdisziplinären Kulturerhaltung beigetragen haben. Ihre Aufsätze ermöglichen den Blick in die Vielfältigkeit materialwissenschaftlicher Untersuchungen im Bereich Kunst- und Kulturgut. Ich wünsche Ihnen viel Spaß auf dieser kleinen Zeitreise.
In this study, nanoscopic particles of magnesium Fluoride (MgF2) and calcium fluoride (CaF2) also known as nano metal fluorides (NMFs), were evaluated for their potential to improve wood durability. Even though these fluorides are sparingly soluble, their synthesis in the form of nano-sized particles turns them into promising candidates for wood preservation. Their distinct property of low-water solubility is proposed to maintain long-lasting protection of treated wood by reducing the leaching of fluoride. Analytical methods were used to characterize the synthesized NMFs and their distribution in treated wood specimens. Transmission electron microscopy images showed that these fluoride particles are smaller than 10 nm. In nano metal fluoride (NMF) treated specimens, aggregates of these particles are uniformly distributed in the wood matrix as confirmed with scanning electron microscopy images and their corresponding energy-dispersive X-ray spectroscopy maps. The fluoride aggregates form a protective layer around the tracheid walls and block the bordered pits, thus reducing the possible flow path for water absorption into wood. This is reflected in the reduced swelling and increased hydrophobicity of wood treated with NMFs. The biocidal efficacy of NMFs was tested against brown-rot fungi (Coniophora puteanaand Rhodonia placenta), white-rot fungus (Trametes versicolor), and termites (Coptotermes formosanus). The fungal and termite tests were performed in accordance with the EN 113 (1996) and EN 117 (2012) standards, respectively. Prior to fungal tests, the NMF treated wood specimens were leached according to the EN 84 (1997)standard. Compared to untreated specimens, the NMF treated wood specimens have a higher resistance to decay caused by brown-rot fungi, white-rot fungus, and termites. Although all NMF treatments in wood reduce the mass loss caused by fungal decay, only the combined treatment of MgF2 and CaF2 has efficacy against both brown-rot fungi and white-rot fungus. Similarly, wood treated with the combined NMF formulation is the least susceptible to attack by C. formosanus.It is proposed that combining MgF2 and CaF2changes their overall solubility to promote the release of fluoride ions at the optimal concentration needed for biocidal efficacy against fungi and termites. In this thesis, it was proven that even after leaching, sufficient fluoride was present to protect NMF treated wood from fungal decay. This shows that NMFs are robust enough for above ground contact outdoor applications of wood, where permanent wetness cannot be avoided according to Use Class 3.2, as per the EN 335 (2013) standard. Also, they pose a low risk to human health and the environment because they are sparingly soluble. Since NMFs significantly reduce the decay of wood, the CO2 fixed in it will be retained for longer than in unpreserved wood. Overall, the novel results of this study show the potential of NMFs to increase the service life of building materials made from non-durable wood.
Antimon (Sb) wird in Industrieprodukten hauptsächlich als Flammschutzmittel in Kunststoff verwendet. Aufgrund solcher Zusätze in Kunststoffen landet etwa die Hälfte von Sb am Ende der Lebensdauer in der Verbrennung fester Siedlungsabfälle und folglich in relevanten Mengen in der erzeugten Bodenasche. Bei Kontakt mit Wasser ist die anfängliche Auslaugbarkeit gering, da Antimonat mit Ca2+ schwerlösliche Verbindungen bilden. Nach der Carnonatisierung der Verbrennungsasche (IBA) während der fortschreitenden Alterung nimmt der pH-Wert in den Sickerwasser ab. Mit abnehmender Ca-Konzentration im Eluat ändert sich das Lösungsgleichgewicht und Antimonate lösen sich auf.
In Deutschland ist beabsichtigt, Sb in IBA mit der geplanten Umsetzung der sogenannten Mantelverordnung (MantelVO, die Bestimmungen zur Verwertung von Mineralabfällen enthält) in naher Zukunft zu regulieren. Die im Entwurf festgelegten Grenzwerte können für IBA kritisch sein und stellen daher ein Risiko für die Verwendung der Mineralfraktion von IBA in den gut etablierten Recyclingwegen dar.
Die Untersuchung altlastverdächtiger Flächen umfasst viele einzelne Schritte von der Probenahme über die Probenvorbehandlung bis hin zur eigentlichen Analyse, die zur Ergebnisunsicherheit beitragen. Beim Vergleich der Ergebnisse mit Bewertungsmaßstäben, um Entscheidungen zur Bewertung von Altlasten zu treffen, sind diese Faktoren zu berücksichtigen. Die Rolle von verschiedenen Unsicherheitskomponenten wird mit Blick auf Elutionsverfahren diskutiert.
In Europe, nearly 19 Mt/y of bottom ash (BA) are produced. Of this quota, only 46 %wt. was treated, often in poorly performing plants, leaving behind 10 Mt of untreated and unrecovered BA, destined to landfill. The resulting 2.14 Mt loss of valuable materials included 1 Mt mineral fraction and 0.97 Mt ferrous metals, mostly from untreated BA, and 0.18 Mt non-ferrous metals, mostly from unrecovered BA. For the coarser fractions, the main obstacle to BA being used as recycling aggregate is the content of salts and potential toxic elements (PTEs), concentrated in a layer that coats BA particles. For the fine BA fractions, usually underexploited and landfilled, it is estimated that up to 0.95 Mt/y of ferrous and non-ferrous metals are not recovered in Europe.
During the workshop, the key results of BASH Treat project will be presented: the results of 2 industrial tests performed in BA treatment plants in Germany and Sweden; a novel dry treatment for the removal of salts and PTEs from BA coarse particles; a wet process for the recovery of heavy metal compounds from the fine fraction; a technical-economic assessment of the EU potential for the optimization of BA management.
While studying the socio-geographic history of inks, division 4.5 of the BAM (Bundesanstalt für Materialforschung und Prüfung) together with the Centre for the Study of Manuscript Cultures in Hamburg has developed a protocol for ink analysis.
It consists of a primary screening to determine the type of the ink, and a subsequent in-depth analysis using several spectroscopic techniques. The XRF elemental analysis aims primarily at identifying and characterizing metallic components of inks. Besides the instrumental methods, the paper presents an overview of historic inks in the period of transition from carbon inks of the Antiquity to iron-gall inks commonly used in the Middle Ages.
Tour de table - BAM
(2021)
In recent years, the fabrication of laser-generated surface structures on metals such as titanium surfaces have gained remarkable interests, being technologically relevant for applications in optics, medicine, fluid transport, tribology, and wetting of surfaces.
The morphology of these structures, and so their chemistry, is influenced by the different laser processing parameters such as the laser fluence, wavelength, pulse repetition rate, laser light polarization type and direction, angle of incidence, and the effective number of laser pulses per beam spot area.
However, the characterization of the different surface structures can be difficult because of constraints regarding the analytical information from both depth and the topographic artifacts which may limit the lateral and depth resolution of elemental distributions as well as their proper quantification. A promising technique to investigate these structures even at the nano-scale is Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS), a very surface sensitive technique that at the same time allows to perform depth-profiling, imaging and 3D-reconstruction of selected ion-sputter fragment distributions on the surface.
In this study we combine chemical analyses such as Energy Dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and high-resolution scanning electron microscopy (SEM) analyses with ToF-SIMS to fully characterize the evolution of various types of laser-generated micro- and nanostructures formed on Ti and Ti alloys at different laser fluence levels, effective number of pulses and at different pulse repetition rates (1 – 400 kHz), following irradiation by near-infrared ultrashort laser pulses (925 fs, 1030 nm) in air environment or under argon gas flow.
We show how this combined surface analytical approach allows to evaluate alteration in the surface chemistry of the laser-generated surface structures depending on the laser processing parameters and the ambient environment.
Thermochemische Behandlung von Klärschlammaschen - Phosphorrückgewinnung mit dem AshDec Prozess
(2021)
Klärschlammaschen können eine hohe Phosphatkonzentration aufweisen und stellen damit einen geeigneten Sekundärrohstoff für die Produktion von Phosphatdüngemitteln dar. Bisher wird dieses Potential der Klärschlammaschen für die Phosphor-Rückgewinnung jedoch kaum genutzt, da die in den Aschen enthaltenen Phosphate für Pflanzen kaum verfügbar und die Aschen teilweise mit toxischen Schwermetallen belastet sind.
Im AshDec®-Verfahren wird die Klärschlammaschen im Drehrohrofen im Temperaturbereich 800-1000°C unter Zugabe von Alkali-Additiven (bsp. Na2CO3) thermochemisch behandelt, um ein wirksames und schadstoffarmes Phosphatdüngemittel herzustellen. Aktuell bereitet die Firma Emter GmbH den Bau der ersten großtechnischen AshDec®-Anlage mit einer Kapazität von 30.000 Jahrestonnen Klärschlammasche am Standort ihrer Klärschlammverbrennungsanlage (Altenstadt / Oberbayern) vor. Die erste Ausbaustufe dieser Anlage wird durch das BMBF-Projekt R-Rhenania im Rahmen der Förderinitiative RePhoR begleitet.
As more industrial interests focusing on using salt caverns and repurposed gas or petroleum reservoirs for alternative fuel storage, i.e. CO2/H2, the question raises whether microorganisms may impact the infrastructure, gas purity and storage condition over time.
Environments with high salinity (> 1.5 Meq of NaCl) are resided by halophiles (salt-loving microorganisms). To compensate for the intensive osmotic stress, they have resorted to two main adaptation strategies: 1) production of compatible solutes and 2) accumulation of intracellular KCl. Microbial community analysis of several high salinity environments revealed a number of recurring genera, including Halomonas and Halanaerobium. However, the impact of halophiles on the overall integrity and stability of the storage facilities remain largely unknown.
To evaluate the suitability and stability of saline storage facilities, several model halophilic microorganisms, such as members of Halomonas, will be selected as testing subjects. First, the impact of halophiles on the infrastructure will be determined using an integrative approach by combining a number of techniques, including electrochemistry, TOF-SIMS, SEM/FIB/EDS and FIB-TEM. Second, the abilities of halophiles to alter the fuel composition (i.e. increase/decrease the fractions of H2) will be monitored using gas chromatography by growing them under high pressure.
As a result of climate change and the accompanying mandatory shift to renewable energy resources, microorganisms will continue to play an important role in the energy sector, both to their benefit and detriment. Thus, it is important to achieve a certain level of understanding regarding the activities and mechanisms of halophiles prior to large-scaled excursions.
Throughout their life cycle—from production, via usage, through to disposal—materials and products interact with the environment (water, soil, air). At the same time, they are exposed to environmental influences and, through their emissions, have an impact on the environment, people, and health. Accelerated experimental testing processes can be used to predict the long-term environmental consequences of innovative products before these actually enter the environment.
The aim of this Special Issue of the journal Materials is to publish original research and review articles as well as short communications tackling the problem of reliable environmental measurement methods and reporting exemplary case studies.
Vorstellung der Ergebnisse bei der Entwicklung einer neuen OECD Prüfrichtlinie zur Bestimmung der Partikelgröße und Anzahlgrößenverteilung von Nanomaterialien. (Projektteil Fasern.)
Ergebnisse:
Abweichungen zwischen SEM and TEM insbesondere bei langen Fasern
Die Anwendung von TEM auf kurze Fasern < 5 µm beschränkt
Für SEM wurde keine signifikante Abhängigkeit der Bestimmung der Faserdurchmesser von der Pixelgröße der Aufnahmen festgestellt
Für TEM wurde eine Abhängigkeit der Bestimmung der Faserdurchmesser von der Pixelgröße festgestellt
Der Einfluss der Bildauswertenden auf die Varianz der Ergebnisse ist klein im Vergleich zu der gesamten Varianz.
Nanofasern können mit TEM und SEM bestimmt werden!
Vorstellung der Ergebnisse bei der Entwicklung einer neuen OECD Prüfrichtlinie zur Bestimmung der Partikelgröße und Anzahlgrößenverteilung von Nanomaterialien.
Ergebnisse:
Ideal sphärische Partikel sind gut und verlässlich mit vielen Methoden charakterisierbar.
Reale (Nicht ideale) Materialien sind gut charakterisierbar, wenn eine gewisse Homogenität und Stabilität vorliegt.
Stark inhomogene und stark agglomerierende Partikel liefern deutlich unterschiedliche Ergebnisse für verschiedene Methoden.
Partikel mit geringen Größenunterschieden lassen sich mit allen Methoden gut charakterisieren.
Partikel mit sehr deutlichen Größenunterschieden führen häufig zu einer Unterbewertung der kleineren Partikel.
Vollautomatische Partikeldetektion bei elektronenmikroskopischen Aufnahmen ist z.Zt. noch stark fehleranfällig und kann daher nicht empfohlen werden.
Es hat sich gezeigt, dass alle Methoden zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung Vor- und Nachteile haben. Es ist dringend zu empfehlen Größenverteilungen immer mit mindestens zwei unterschiedlichen Methoden zu bestimmen: Bildgebend und mit gute Anzahlstatistik.
Verschiedene Durchmesser wurden in der TG-PSD mit einem Indexsystem versehen, welches zukünftig Verwechslungen zwischen unterschiedlichen Durchmessern vermeiden soll.
Wird ein bestimmter Durchmesser benötigt (z.B. hydrodynamisch, aerodynamisch), muss die Methode passend gewählt werden. Eine Umrechnung von einem Durchmesser in einen anderen ist in der Regel fehlerbehaftet.
Es wurde ein einheitliches Reporting-System in der TG-PSD eingeführt.
In many late-breaking research fields as in photovoltaics, microelectronics, nuclear waste glasses or at least mirror glasses silver diffusion in glasses is relevant to the issues of high-level functionality and recycling. The present study is focused on silver diffusion in innovative, low-melting alkali zinc borate glasses (X2O-ZnO-B2O3, X = Li, Na, K, Rb) potentially usable for silver metallization-pastes in solar cells. The glasses were coated with a thin metallic silver layer and heat treatments in air and nitrogen close to Tg at 470 °C for 2 h were performed. After heat treatment under air and nitrogen atmospheres the coating thickness, measured by a white light interferometer, was about 1.8 µm thick. Silver depth profiles determined by means of secondary neutral mass spectrometry (SNMS) indicate the fastest silver diffusion to a depth of 3.5 µm for Li2O-ZnO-B2O3 (LZB) glass. Nevertheless, the influence of the different alkali ions on the silver diffusion is small. The oxygen availability determines the silver diffusion into the glasses. The oxygen promotes the oxidation of the silver layer enabling Ag+ to diffuse into the glass and to precipitate as Ag0. Both species were detected by x-ray absorption spectroscopy (XAS). The precipitated metallic silver particles in Na2O-ZnO-B2O3 (NZB) glass have a mean size of 5.9 nm ± 1.2 nm diameter, which was determined using transmission electron microscopy (TEM). Phase separation in zinc-rich and zinc-poor phases with a mean diameter of 75 nm ± 20 nm occurred in NZB glass after heat treatment. Ion diffusion of the glasses into the silver layer was suggested by EDX-line scans.
Antimicrobial surfaces have broad use in multiple settings including touch surfaces in hospitals, implanted devices, or consumer products. Their aim is to support existing hygiene procedures, and to help combat the increasing threat of antimicrobial resistance. However, concerns have been raised over the potential selection pressure exerted by such surfaces, which might drive the evolution and spread of antimicrobial resistance. In my presentation, I will highlight the risks and knowledge gaps associated with resistance on antimicrobial surfaces by different processes including evolution by de novo mutations and horizontal gene transfer, and species sorting of inherently resistant bacteria dispersed onto antimicrobial surfaces. The latter process has the potential to select for antibiotic resistance via cross-resistance between traits that confer resistance to both the antimicrobial surface coating and antibiotics. Conditions in which antibiotics and antimicrobial coatings are present simultaneously (e.g. implants) will lead to more complex interactions that can either result in the selection for or against antibiotic resistance. We mapped these interactions between several antimicrobials and antibiotics on growth and selection of Pseudomonas aeruginosa. We find prevalent physiological (i.e. synergy and antagonism) and evolutionary (i.e. cross-resistance and collateral sensitivity) combination effects. Understanding these interactions opens the door to tailor therapeutic interventions to select against resistance. In additions, we need new methods and translational studies that investigate resistance development to antimicrobial surfaces under realistic conditions. Therefore, I will present recent developments in our lab on the development of such a method based on existing efficacy standards.
In this paper, we discuss the importance of scientifically investigating cultural artefacts in a non-invasive way. Taking as test case Leonardo da Vinci’s Manuscript with anatomic drawings and notes, which is stored in Weimar, we clarify fundamental steps in the chronology of this folio. By means of microscopy, infrared reflectography, UV photography, and X-ray fluorescence analysis, we were able to identify various types of sketching material and several varieties of iron gall ink. For his sketches, Leonardo used two different sketching tools, a lead pencil and a graphite pencil, as well as several types of ink for developing these sketches into drawings. With regard to ink, it is important to observe that there is no difference between the ink Leonardo used for drawing and the ink he used for writing text. Based on the materials analysed, we suggest a chronology for the creation of this unique folio.
Die Thermische Abfallbehandlung in Abfallverbrennungsanlagen sorgt für eine Inertisierung des Restmülls bei gleichzeitiger Minimierung von abgas- und abwasserseitigen Emissionen. Da der Großteil der Rückstände in verwertbare Sekundärprodukte überführt wird, fördert die thermische Abfallbehandlung die Verwirklichung einer Circular Economy in Europa.