Wissenschaftliche Artikel der BAM
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- 8.0 Abteilungsleitung und andere (17)
- 8.2 Zerstörungsfreie Prüfmethoden für das Bauwesen (17)
- 7.4 Baustofftechnologie (15)
- 1.4 Prozessanalytik (14)
- 3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher (13)
- 6.5 Synthese und Streuverfahren nanostrukturierter Materialien (13)
- 6.6 Physik und chemische Analytik der Polymere (13)
- 1.1 Anorganische Spurenanalytik (12)
- 7.5 Technische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen (12)
- 9.3 Schweißtechnische Fertigungsverfahren (12)
- 9.4 Integrität von Schweißverbindungen (12)
- 5.1 Mikrostruktur Design und Degradation (11)
- 6.0 Abteilungsleitung und andere (11)
- 6.2 Material- und Oberflächentechnologien (11)
- 7.2 Ingenieurbau (10)
- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (10)
- VP Vizepräsident (10)
- VP.1 eScience (10)
- 1.5 Proteinanalytik (9)
- 1.8 Umweltanalytik (9)
- 5.2 Metallische Hochtemperaturwerkstoffe (9)
- 9.0 Abteilungsleitung und andere (9)
- 1.2 Biophotonik (8)
- 4.3 Schadstofftransfer und Umwelttechnologien (8)
- 5.4 Multimateriale Fertigungsprozesse (8)
- 5.6 Glas (8)
- 2 Prozess- und Anlagensicherheit (7)
- 2.1 Sicherheit von Energieträgern (7)
- 4.1 Biologische Materialschädigung und Referenzorganismen (7)
- 4.5 Kunst- und Kulturgutanalyse (7)
- 7.1 Baustoffe (7)
- 9.2 Versuchsanlagen und Prüftechnik (7)
- 9.6 Additive Fertigung metallischer Komponenten (7)
- 1.7 Organische Spuren- und Lebensmittelanalytik (6)
- 8.6 Faseroptische Sensorik (6)
- 3.6 Elektrochemische Energiematerialien (5)
- 7.7 Modellierung und Simulation (5)
- S Qualitätsinfrastruktur (5)
- 3.1 Sicherheit von Gefahrgutverpackungen und Batterien (4)
- 5.5 Materialmodellierung (4)
- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (4)
- 1.3 Instrumentelle Analytik (3)
- 1.6 Anorganische Referenzmaterialien (3)
- 1.9 Chemische und optische Sensorik (3)
- 3.5 Sicherheit von Gasspeichern (3)
- 4.4 Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung (3)
- 4.6 Molekulare und angewandte Entomologie (3)
- 5.0 Abteilungsleitung und andere (3)
- 5.3 Polymere Verbundwerkstoffe (3)
- 6.4 Materialinformatik (3)
- 7.0 Abteilungsleitung und andere (3)
- S.2 Digitalisierung der Qualitätsinfrastruktur (3)
- 4.0 Abteilungsleitung und andere (2)
- 4.2 Material-Mikrobiom Wechselwirkungen (2)
- 9.5 Tribologie und Verschleißschutz (2)
- 3.2 Gefahrguttanks und Unfallmechanik (1)
- 3.4 Sicherheit von Lagerbehältern (1)
- 7.3 Brandingenieurwesen (1)
- 7.6 Korrosion und Korrosionsschutz (1)
- P Präsident (1)
- P.0 Präsident und andere (1)
- S.1 Qualität im Prüfwesen (1)
- S.3 Ökodesign und Energieverbrauchskennzeichnung (1)
- VP.2 Informationstechnik (1)
Paper des Monats
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The frequency-domain (FD) method provides an alternative to the commonly used time-domain (TD) approach in characterizing the luminescence kinetics of luminophores, with its own strengths, e.g., the capability to decouple multiple lifetime components with higher reliability and accuracy. While extensively explored for characterizing luminophores with down-shifted emission, this method has not been investigated for studying nonlinear luminescent materials such as lanthanide-doped upconversion nanoparticles (UCNPs), featuring more complicated kinetics. In this work, employing a simplified rate-equation model representing a standard two-photon energy-transfer upconversion process, we thoroughly analyzed the response of the luminescence of UCNPs in the FD method. We found that the FD method can potentially obtain from a single experiment the effective decay rates of three critical energy states of the sensitizer/activator ions involved in the upconversion process. The validity of the FD method is demonstrated by experimental data, agreeing reasonably well with the results obtained by TD methods.
AbstractMicroplastics (MP) can be detected in all environmental systems. Marine and terrestrial aquatic systems, especially the transported suspended solids, have often been the focus of scientific investigations in the past. Sediments of aquatic river systems, on the other hand, were often ignored due to the time‐consuming sample preparation and analysis procedures. Spectroscopic measurement methods counting particle numbers are hardly suitable as detection methods, because there are plenty of natural particles next to a small number of MP particles. Integral methods, such as thermoanalytical methods are determining the particle mass independently of the inorganic components.In this study, a workflow for sample preparation via density separation and subsequent analysis by thermal extraction desorption‐gas chromatography/mass spectrometry is presented, which leads to representative and homogeneous samples and allows fast and robust MP mass content measurements suitable for routine analysis. Polymers were identified and quantified in all samples. Polyethylene and styrene‐butadiene rubber are the dominant polymers, besides polypropylene and polystyrene. Overall, total polymer masses between 1.18 and 337.0 µg/g could be determined. Highest MP concentrations in riverbed sediment are found in sites characterized by low flow velocities in harbors and reservoirs, while MP concentrations in sandy/gravelly bed sediments with higher flow velocities are small.
The development of hydrogen technologies entails high safety requirements in distribution and dispensing infrastructure. Therefore, it is necessary to pursue research on material compatibility in hydrogen, especially for critical parts with tribological issues.
The focus of this study is to evaluate the influence of hydrogen on a wider range of commercially available polymer materials. Thereby, the friction and wear behavior of different grades of TPE, POM, PA66, PA12, PPA, PEEK, PPS, PTFE, PAI, PI and PBI were investigated against a rotating steel disk (AISI 304). Filled and unfilled polymers from different suppliers were evaluated at room temperature in air, vacuum and hydrogen gas (H2) as well as in liquid hydrogen at - 253°C (LH2).
The sliding behavior of the polymer materials is discussed by means of surface analyses, whereby special attention is paid to the formation of a transfer film.
According to the results at ambient temperature, the effect of hydrogen environment on the tribological behavior of neat polymers may be related to lack of moisture, but also to saturated hydrocarbons in gaseous hydrogen. In liquid hydrogen, the best tribological performances were achieved with neat PA polymers as well as PPS and PI composites.
Reclassification of bridges, i.e., a change in load rating, using reliability-based methods and a direct update with proof load information has been presented by many authors. However, bridge reclassification has hardly been studied from a decision analytic perspective, i.e., with quantification of the risks and benefits of different classification choices, and the expected benefit gain from proof loading. We derive, explain and exemplify a decision analytic approach for bridge reclassification along with models for (1) elastic and ultimate capacity and their adaptation with proof load information, (2) proof load information with classification outcomes accounting for target reliabilities and, (3) utilities including socio-economic benefits from reclassification. The approach and models are exemplified with a case study based on reclassification of bridges with a low existing classification. Decision rules, for practical use by a highway authority to find the optimal classification, are identified and documented based on: (1) the measurement of the capacity at elastic limit by proof loading, (2) the bridge reclassification benefits, and, (3) the required annual reliability level. From a Value of Information analysis, it is concluded that the proof load information is highly valuable for reclassification in cases of high socio-economic benefits and high reliability requirements.
Thermoelectric generators are very attractive devices for waste heat energy harvesting as they transform a temperature difference into electrical power. However, commercially available generators show poor power density and limited operation temperatures. Research focuses on high‐temperature materials and innovative generator designs. Finding the optimal design for a given material system is challenging. Here, a theoretical framework is provided that allows appropriate generator design selection based on the particular material properties. For high‐temperature thermoelectric oxides, it can be clearly deduced that unileg multilayer generators have the highest potential for effective energy harvesting. Based on these considerations, prototype unileg multilayer generators from the currently best thermoelectric oxide Ca3Co4O9 are manufactured for the first time by industrially established ceramic multilayer technology. These generators exhibit a power density of 2.2 mW/cm² at a temperature difference of 260 K, matching simulated values and confirming the suitability of the technology. Further design improvements increase the power density by a factor of 22 to facilitate practicable power output at temperature differences as low as 7 K. This work demonstrates that reasonable energy harvesting at elevated temperatures is possible with oxide materials and appropriate multilayer design.
The BAM Data Store
(2023)
As a partner in several NFDI consortia, the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM, German federal institute for materials science and testing) contributes to research data standardization efforts in various domains of materials science and engineering (MSE). To implement a central research data management (RDM) infrastructure that meets the requirements of MSE groups at BAM, we initiated the Data Store pilot project in 2021. The resulting infrastructure should enable researchers to digitally document research processes and store related data in a standardized and interoperable manner. As a software solution, we chose openBIS, an open-source framework that is increasingly being used for RDM in MSE communities.
The pilot project was conducted for one year with five research groups across different organizational units and MSE disciplines. The main results are presented for the use case “nanoPlattform”. The group registered experimental steps and linked associated instruments and chemicals in the Data Store to ensure full traceability of data related to the synthesis of ~400 nanomaterials. The system also supported researchers in implementing RDM practices in their workflows, e.g., by automating data import and documentation and by integrating infrastructure for data analysis.
Based on the promising results of the pilot phase, we will roll out the Data Store as the central RDM infrastructure of BAM starting in 2023. We further aim to develop openBIS plugins, metadata standards, and RDM workflows to contribute to the openBIS community and to foster RDM in MSE.
The main objective was to assess homogeneity of two bimodal gold materials, namely nPsize1 and nPSize2, containing approximately 1:1 and 10:1 particle number-based ratio of ~30nm and ~60nm particles. Particle number-based concentration within the two size fractions was determined with spICP-MS using the particle frequency method of calibration.
An observation of the fracture process in front of the crack tip inside a dentin sample by means of ex-situ X-ray computed tomography after uniaxial compression at different deformation values was carried out in this work. This ex-situ approach allowed the microstructure and fracturing process of human dentin to be observed during loading. No cracks are observed up to the middle part of the irreversible deformation in the samples at least visible at 0.4μm resolution. First cracks appeared before the mechanical stress reached the compression strength. The growth of the cracks is realized by connecting the main cracks with satellite cracks that lie ahead of the main crack tip and parallel its trajectory. When under the stress load the deformation in the sample exceeds the deformation at the compression strength of dentin, an appearance of micro-cracks in front of the main cracks is observed. The micro-cracks are inclined (~60°) to the trajectory of the main cracks. The further growth of the main cracks is not realized due to the junction with the micro-cracks; we assume that the micro-cracks dissipate the energy of the main crack and suppressed its growth. These micro-cracks serve as additional stress accommodations, therefore the samples do not break apart after the compression test, as it is usually observed under bending and tension tests.
Against the backdrop of numerous security breaches and cyber-attacks, organizations need to take measures to secure their data and information. However, the well-known management system standard ISO/IEC 27001 for information security has shown a lower adoption rate – in terms of annual ISO survey data – than was previously expected by scholars and practitioners. Through the lens of Rogers' diffusion of innovation theory, we consider the adoption of ISO/IEC 27001 as a 'preventive innovation' and aim to identify factors that help gain a better understanding of its adoption. Therefore, we conducted a survey among German organizations on the use and impact of management system standards, explicitly distinguishing between organizations that implement ISO/IEC 27001 and those that are additionally certified against this standard. This study provides insights and contributes to an advanced understanding of motives, impacts, barriers, and useful measures to increase adoption of ISO/IEC 27001. Our findings may be useful to organizations considering the adoption of this management system standard, to certification bodies providing certification services, and to policymakers seeking means to improve information security in organizations.
The 2-methoxyphenol units (G-units) in lignin are modified by demethylation and oxidation to provide the activated lignin as one part of an advanced biobased two-component (2K) adhesive system, which exhibits promising shear strengths in dry and underwater applications. The activation of lignin is straightforward and generates quinones via demethylation and periodate oxidation. These act as Michael acceptors and react smoothly with multi-thiol-star polymers to yield thiol-catechol connectivities (TCCs). The mussel-inspired material platform acts as a very robust and versatile adhesive, combining low-cost and readily available lignin with multi-thiols to achieve outstanding adhesion strengths of up to 15 MPa in dry application. In particular, the 2K system is compatible with the marine biological environment and shows no acute toxicity to sensitive organisms such as fish eggs. Thus, one possible application of this material could be an adhesive for setting temperature-resistant corals in damaged reefs.
Defensive behavior is linked to altered surface chemistry following infection in a termite society
(2023)
The care-kill response determines whether a sick individual will be treated or eliminated from an insect society, but little is known about the physiological underpinnings of this process. We exploited the stepwise infection dynamics of an entomopathogenic fungus in a termite to explore how care-kill transitions occur, and identify the chemical cues behind these shifts. We found collective responses towards pathogen-injected individuals to vary according to severity and timing of pathogen challenge, with elimination, via cannibalism, occurring sooner in response to a severe active infection. However, injection with inactivated fungal blastospores also resulted in increased albeit delayed cannibalism, even though it did not universally cause host death. This indicates that the decision to eliminate an individual is triggered before pathogen viability or terminal disease status has been established. We then compared the surface chemistry of differently challenged individuals, finding increased amounts of long-chained methyl-branched alkanes with similar branching patterns in individuals injected with both dead and viable fungal blastospores, with the latter showing the largest increase. This coincided with the highest amounts of observed cannibalism as well as signs of severe moribundity. Our study provides new mechanistic insight into the emergent collective behaviors involved in the disease defense of a termite society.
Abstract
In the post-processing of large maritime components, a considerable amount of waste in the form of milling and grinding chips is produced. At the same time, additive manufacturing technologies have shown great potential in producing high-volume parts for maritime applications, allowing novel design approaches and short lead times. In this context, this study presents a sustainable approach to recycle and use aluminium bronze waste material, generated during post-processing of large cast ship propellers, as feedstock for laser-powder directed energy deposition. The recycling technology used to produce powder batches is inductive re-melting in combination with ultrasonic atomization. The derived metal powders are characterized using digital image analysis, powder flowability tests, scanning electron microscopy as well as energy dispersive X-ray spectroscopy. Compared to conventional metal powders produced by gas atomization, the recycled material shows excellent sphericity and a powder size distribution with a higher content of finer and coarser particles. Metallographic sections of deposited additively produced specimens show an increased hardness and reduced ductility, but also competitive densities and higher yield and ultimate tensile strength compared to cast material. The process chain shows high potential for the maritime sector to enable circular and sustainable manufacturing.
Gasquellenlokalisierungen (Gas Source Localization, GSL) tragen dazu bei, die Folgen von Industrieunfällen und Naturkatastrophen zu mildern. Während die GSL, wenn von Menschen durchgeführt, gefährlich und zeitaufwändig ist, können Schwärme von wendigen und kostengünstigen Nanodrohnen die Effizienz und Sicherheit der Suche erhöhen. Da die geringe Nutzlast von Nanodrohnen die Sensor- und Rechenressourcen einschränkt, werden Strategien zur Koordination des Roboterschwarms verwendet, die von biologischen Schwärmen, wie Kolonien sozialer Insekten, inspiriert sind. Die meisten Schwarm-GSL-Strategien verwenden das Maximum der Gaskonzentrationsverteilung zur Schätzung der Gasquellenposition. Experimente legen jedoch nahe, dass die Intermittenz der Gasverteilung vielversprechender ist. In diesem Beitrag wird eine neuartige GSL-Strategie für Schwärme vorgestellt, die auf Pheromonkommunikation und Intermittenz der Gasverteilung basiert. Die Agenten, d.h. die Nanodrohnen, emittieren Pheromonmarker in einer virtuellen Umgebung, wenn sie eine neue Gaswolke feststellen. Die Agenten werden durch virtuelle Kräfte gesteuert und nutzen abwechselnd das Wissen des Schwarms, indem sie dem Pheromongradienten folgen, oder erkunden den Suchraum, indem sie einen Zufallspunkt ansteuern. Zur Kollisionsvermeidung werden die Agenten durchgehend von anderen Agenten und Wänden abgestoßen. Die Strategie wurde auf drei Nanodrohnen implementiert und durch ein Experiment in einem Innenraum mit einer statischen Gasquelle validiert. Die Ergebnisse zeigen eine Verbesserung gegenüber maximabasierten Verfahren und geringe Lokalisierungsfehler in Windrichtung.
Die neue Generation von bainitischen Schmiedestählen bietet auf der einen Seite ein erhebliches Festigkeitspotenzial, das es im Sinne des Leichtbaus auch für zyklisch belastete Sicherheitsbauteile zu heben gilt. Auf der anderen Seite geht mit dieser Festigkeitssteigerung im Vergleich zu Vergütungsstählen ein Verlust an Duktilität und Zähigkeit einher. Am Beispiel des Demonstratorbauteils Achsschenkel ging das Forschungsvorhaben der Frage nach, wie ein Freigabeprozess zu gestalten ist, damit das Festigkeitspotenzial der neuen Stähle zuverlässig ausgenutzt werden kann. Als Ergebnis wird eine Vorgehensweise dargestellt, die den Eigenschaften der neuen Generation von Schmiedestählen Rechnung trägt, um den sicheren Betrieb der Komponenten zu gewährleisten.
Noble metal-free nanoparticles (NPs) based on multi-principal element alloys (MPEAs) were synthesized using a one-step pulsed laser ablation in liquids (PLALs) method for the electrochemical reduction of CO2. Laser ablation was performed in pure water or poly-(diallyldimethylammonium chloride) (PDADMAC)-containing an aqueous solution of Al8Cr17Co17Cu8Fe17Ni33 MPEA targets. Transmission electron microscopy (TEM) measurements combined with energy dispersive X-ray (EDX) mapping were used to characterize the structure and composition of the laser-generated MPEA nanoparticles (MPEA-NPs). These results confirmed the presence of a characteristic elemental distribution of a core-shell phase structure as the predominant NP species. The electrocatalytic performance of the laser-generated MPEA-NPs was characterized by linear sweep voltammetry (LSV) demonstrating an enhanced electrocatalytic CO2 activity for PDADMAC-stabilized NPs. The findings of these investigations indicate that MPEAs have great potential to replace conventional, expensive noble metal electrocatalysts.
Alkali-aktivierte Hüttensandbetone – CO2-reduzierte Bindemittel mit hohem Korrosionsschutzpotential
(2023)
Durch den Ersatz von Portlandzement können alkali-aktivierte Bindemittel einen bedeutenden Beitrag zur Verringerung der durch die Zementklinkerherstellung verursachten CO2-Emissionen leisten. Für die Verwendung von alkali-aktivierten Bindemitteln in Stahlbetonkonstruktionen, die Chloriden oder Carbonatisierung ausgesetzt sind, ist die Fähigkeit des Stahls, den passiven Zustand zu erreichen und aufrechtzuerhalten, von großer Bedeutung. Die Prozesse der Deckschichtbildung von Stahl in alkali-aktivierten Materialien unterscheiden sich jedoch zum Teil grundlegend von denen in Portlandzementen. Alkali-aktivierte Hüttensandbetone weisen gute technische Eigenschaften auf, bisher fehlen jedoch grundlegende Kenntnisse bzgl. ihrer schützenden Wirkung bei korrosiven Angriffen. Dies ist vor allem auf ihre sulfidhaltige Porenlösung zurückzuführen, welche die elektrochemischen Eigenschaften der Stahloberfläche beeinflusst und die Verwendung herkömmlicher Bewertungsmaßstäbe erschwert. Es werden erste Ergebnisse eines DFG-Forschungsprojektes vorgestellt, in dem das Passivierungsverhalten von Stahl in alkali-aktivierten Hüttensandmörteln unterschiedlicher Zusammensetzungen sowie in Mörteln auf Basis hüttensandhaltiger Normzemente untersucht wird. Über einen Zeitraum von mindestens 28 Tagen werden an Zylinderprüfkörpern im 3-Elektroden-Aufbau das Ruhepotential sowie die Polarisationswiderstände der Stahlelektroden ermittelt.
Im Jahr 2020 fielen in Deutschland rund 220 Millionen Tonnen mineralische Bau- und Abbruchabfälle an, die als Sekundärrohstoffquelle genutzt werden können. Trotz hoher Recyclingquoten wird ein Teil der mineralischen Bau- und Abbruchabfälle immer noch deponiert oder in Anwendungen mit geringen Qualitätsanforderungen eingesetzt, da ein effektives Recycling dieser heterogenen Abfälle recht kompliziert ist. Bauschutt ist ein heterogener, SiO2-reicher Sekundärrohstoff, der sich aus einem Gemisch verschiedener abgebrochener Baumaterialien wie Ziegel, Betonfertigteile, Leichtbeton, Porenbeton, Kalksandsteine, Natursteine, Gips und Mörtel zusammensetzt. Die genaue Zusammensetzung hängt von der Abbruchstelle, der Vorsortierung und der Wiederaufbereitung in der Recyclinganlage ab. Eine direkte Wiederverwendung als rezyklierte Gesteinskörnung ist aufgrund der uneinheitlichen Zusammensetzung und des bis zu 50 %igen Feinanteils nach der mechanischen Aufbereitung nicht zulässig. Eine Möglichkeit, Mauerwerksschutt effektiv zu recyceln, ist die rohstoffliche Verwertung über ein chemisch-hydrothermales Umwandlungsverfahren, das poröse Granulate erzeugt. Durch die Porenstruktur dieser hydrothermal gehärteten Granulate ergeben sich Anwendungsmöglichkeiten als Filter- oder Wasserspeichermaterial, die über den Bausektor hinausgehen. Diese neuartigen Granulate können leichte Gesteinskörnungen natürlichen Ursprungs (z. B. Lavasand, Bimsstein) oder Körner aus natürlichen Rohstoffen (z. B. Blähton) ersetzen. Die neue Recyclingstrategie spart natürliche Ressourcen. Im Vergleich zur Herstellung von Blähton ist der Energieverbrauch wesentlich geringer. Ziel des Verbundprojektes HYTEGRA war die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von leichten Gesteinskörnungen aus SiO2- und CaO-reichen Sekundärrohstoffen. Als Rohstoffe wurden Mauerwerksschutt als SiO2-Quelle und Papierasche aus der energetischen Verwertung von Reststoffen der Altpapierverwertung als CaO-Quelle eingesetzt. Der komplette Prozess von der mechanisch-physikalischen Aufbereitung über die Bildung des Grüngranulats bis zur hydrothermalen Härtung wurde entwickelt und im Labormaßstab getestet. Die Anwendungen des hydrothermal gehärteten Granulats als Wasserspeichermaterial für die innere Nachbehandlung von hochfestem Beton, Pflanzensubstrat und Filtermaterial in Bodenfiltern zur Abwasserreinigung wurden untersucht. Der Beitrag gibt einen Überblick über die wichtigsten Ergebnisse des erfolgreich abgeschlossenen Verbundforschungsprojekts HYTEGRA.
Die Einführung von Wasserstoff als sicherer Energieträger braucht eine robuste Wissensbasis, darauf aufgebaute Werkzeuge zur Auslegung und Sicherheitsbewertung von Wasserstofftechnologien und ein international harmonisiertes Regelwerk. Viele der innovativen Technologien implizieren Wasserstoff bei hohen Drücken und/oder kryogenen Temperaturen, mit denen in verteilten Anwendungen erstmalig private Nutzer in Kontakt kommen. Um überkonservative, teure Sicherheitslösungen zu vermeiden, gleichzeitig aber die Einsetzbarkeit und Sicherheit von Wasserstoffanwendungen zu demonstrieren und die Akzeptanz für die Technologie aufrecht zu halten, muss auch die Sicherheitsforschung mit den Trends der technologischen Entwicklung Schritt halten, oder sie besser noch antizipieren. So beschreibt dieser Überblicksartikel nicht nur den gegenwärtigen Stand der Kenntnisse und Technik bezüglich Wasserstoffsicherheit, sondern auch ihre Weiterentwicklung.
The different defect types on SiC samples are measured with various measurement methods including optical and tactile methods. The defect types investigated include particles, carrots and triangles and they are analyzed with imaging ellipsometry, coherent Fourier scatterometry and atomic force microscopy. Each of these methods measures different properties of the defects and they all together contribute to a complete analysis.