Wissenschaftliche Artikel der BAM
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- 5.1 Mikrostruktur Design und Degradation (3)
- 7.4 Baustofftechnologie (3)
- 8.2 Zerstörungsfreie Prüfmethoden für das Bauwesen (3)
- 8.6 Faseroptische Sensorik (3)
- 9.5 Tribologie und Verschleißschutz (3)
- 1.9 Chemische und optische Sensorik (2)
- 5.4 Multimateriale Fertigungsprozesse (2)
- 9.3 Schweißtechnische Fertigungsverfahren (2)
- 1.8 Umweltanalytik (1)
- 2 Prozess- und Anlagensicherheit (1)
- 2.1 Sicherheit von Energieträgern (1)
- 3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher (1)
- 3.3 Sicherheit von Transportbehältern (1)
- 4.1 Biologische Materialschädigung und Referenzorganismen (1)
- 4.3 Schadstofftransfer und Umwelttechnologien (1)
- 5.3 Polymere Verbundwerkstoffe (1)
- 6.1 Oberflächen- und Dünnschichtanalyse (1)
- 6.6 Physik und chemische Analytik der Polymere (1)
- 7.0 Abteilungsleitung und andere (1)
- 7.1 Baustoffe (1)
- 7.7 Modellierung und Simulation (1)
- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (1)
- 9.2 Versuchsanlagen und Prüftechnik (1)
- 9.4 Integrität von Schweißverbindungen (1)
Paper des Monats
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As part of the development of a library of accurate and efficient methods for measurement of nanoparticle properties, we develop and optimize a method for the efficient analysis of nanoparticle size distribution from suspensions via microprinting and digital analysis of electron microscopy (SEM and TEM) images, with the ultimate aim of automated quantitative concentration analysis (calculated from drop volume). A series of different nanoparticle suspensions (gold, latex, and SiO2 in varying sizes and concentrations) were printed onto TEM grids in a 4 x 4 array in the concentration range 7x10^8 to 1x10^11 nanoparticles/mL and imaged with SEM. Concentrations and printing conditions (temperature, relative humidity) were varied in order to minimize the coffee-ring effect.
Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is a well-established method to analyze a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). However, without further data processing, the impedance spectrum yields only qualitative insight into the mechanism and individual contribution of transport, kinetics, and ohmic losses to the overall fuel cell limitations. The distribution of relaxation times (DRT) method allows quantifying each of these polarization losses and evaluates their contribution to a given electrocatalyst's depreciated performances. We coupled this method with a detailed morphology study to investigate the impact of the 3D-structure on the processes occurring inside a high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell (HT-PEMFC). We tested a platinum catalyst (Pt/C), a platinum-cobalt alloy catalyst (Pt3Co/C), and a platinum group metal-free iron-nitrogen-carbon (Fe–N–C) catalyst. We found that the hampered mass transport in the latter is mainly responsible for its low performance in the MEA (along with its decreased intrinsic performances for the ORR reaction). The better performance of the alloy catalyst can be explained by both improved mass transport and a lower ORR resistance. Furthermore, single-cell tests show that the catalyst layer morphology influences the distribution of phosphoric acid during conditioning.
Radiografische Simulationswerkzeuge wie aRTist, ScorpiusXLab, SimCT oder CIVA CT verwenden analytische Methoden und physikalische Monte-Carlo-Teilchentransportsimulationen, um die Interaktionsprozesse zwischen Röntgenstrahlung und Materie zu simulieren. Die berechneten Projektionen bilden anschließend unter Berücksichtigung einer definierten Scan-Trajektorie die Basis der Simulation einer röntgencomputertomografischen Untersuchung.
Für den erfolgreichen Einsatz der Computertomografie, sei es als zerstörungsfreie Prüfmethode oder beim dimensionellen Messen, ist es generell notwendig, bekannte Fehler- bzw. Abweichungsquellen des Messverfahrens auszuschließen oder zu reduzieren. Dabei hat sich gezeigt, dass die Auswahl der Messparameter und die Erfahrung des Anwenders direkten Einfluss auf das erzielbare Messergebnis einer computertomografischen Untersuchung nehmen. Es ist daher sinnvoll, die Parameterauswahl in einem virtuellen Simulationsaufbau vorher zu erproben und an die Messaufgabe anzupassen.
Neben der Optimierung von Messparametern finden radiografische Simulationswerkzeuge auch Anwendung für Machbarkeitsstudien und werden zur Schulung von Anwendern im Bereich der Röntgen-Computertomografie verwendet.
Radiografische Simulationswerkzeuge befinden sich in einem stetigen Wandel, beispielsweise durch die Entwicklung neuer Rekonstruktionsmethoden, durch Erweiterung von analytischen Modellen, durch Integration komplexer Trajektorien oder durch Berücksichtigung von prozessbedingten geometrischen Abweichungen. Im laufenden EMPIR-Projekt „AdvanCT“ entsteht deshalb ein „Good Practice Guide“ für die Simulationsumgebung aRTist. Ziel dieses Guides ist es, die mit steigender Komplexität verbundenen Einstiegshürden für Anwender von aRTist zu reduzieren, um damit einen praxisnahen Zugang zur virtuellen Computertomografie zu ermöglichen. Dabei werden anhand von praktisch nachvollziehbaren Beispielen die grundlegenden Mechanismen der Simulationsumgebung erklärt und ein strukturierter Leitfaden zur Simulation röntgencomputertomografischer Untersuchungen mit aRTist vermittelt.
In diesem Beitrag werden erste Auszüge des Guides sowie eine Übersicht der weiteren geplanten Themen für die anschließende Diskussion vorgestellt.
Die Kombination aus elektrogenerierter Chemilumineszenz (ECL) und Aptamer-gesteuerter Indikatorfreisetzung (gAID) aus magnetischen mesoporösen Silica-Nanopartikeln, die in mit Poly(ethylenglycol) und N-(3-Triethoxysilylpropyl) diethanolamin funktionalisiertes Glasfaserpapier eingebettet sind, ermöglichte die Entwicklung eines Schnelltests, mit dem sich Penicillin direkt in verdünnter Milch bis auf 50 +/- 9 ppt in <5 min nachweisen lässt. Die kovalente Bindung der Aptamer-Kappe an das Siliciumdioxid-Gerüst ermöglichte den Verschluss der Poren durch nicht-kovalente elektrostatische Wechselwirkungen mit Oberflächen-Aminogruppen. Die Bindung von Penicillin führte zu einer Faltung des Aptamers, wodurch der zuvor in das Material geladene ECL-Reporter Ru(bpy)32+ freigesetzt wurde und nach lateralem Fluss von einer Smartphone-Kamera nach elektrochemischer Anregung mit einer in einen 3D-gedruckten Halter eingesetzten Siebdruckelektrode detektiert wird. Der Ansatz ist einfach, generisch und bietet Vorteile hinsichtlich Empfindlichkeit, Messunsicherheit und Robustheit gegenüber konventioneller Fluoreszenz- oder elektrochemischer Detektion, insbesondere für Point-of-Need-Analysen anspruchsvoller Matrices und Analyten im Ultraspurenbereich.
Our standard protocol for the characterisation of writing materials within advanced manuscript studies has been successfully used to investigate manuscripts written with a pure ink on a homogeneous writing surface. However, this protocol is inadequate for analysing documents penned in mixed inks. We present here the advantages and limitations of the improved version of the protocol, which now includes imaging further into the infrared region (1100−1700 nm).
In additive manufacturing the powder bed based processes binder jetting and powder bed fusion are increasingly used also for the production of ceramics. Final part properties depend to a high percentage on the powder bed density. Therefore, the aim is to use the best combination of powder deposition method and powder which leads to a high packing of the particles. The influence of flowability, powder properties and deposition process on the powder bed density is discussed and the different deposition processes including slurry-based ones are reviewed.
It turns out that powder bed density reached by slurry-based layer deposition exceeds conventional powder deposition, however, layer drying and depowdering are extra steps or more time-consuming for the slurry route.
Depending on the material properties needed the most suitable process for the part has to be selected.
Der Bedarf nach schnellen und kostengünstigen Analysemethoden in der (Trink-)Wasseranalytik steigt mit dem zunehmenden Eintrag pharmazeutisch aktiver Substanzen in die Umwelt.
Insbesondere die Kontamination mit Antibiotika erscheint neben ökotoxikologischen Effekten vor allem in Hinblick auf die Evolution resistenter Keime im Wasser besorgniserregend.
Wir berichten hier über die Entwicklung eines magnetpartikelbasierten Immunoassays (MBBA) zur Detektion des Breitbandantibiotikums Amoxicillin (AMX) in Wasserproben, der im Vergleich zum entsprechenden Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA) eine wesentlich kürzere Analysendauer sowie einen breiteren Messbereich mit niedrigerer Nachweisgrenze aufweist. Das angewendete Assayprinzip ist dabei leicht auf weitere Analyten übertragbar und ermöglicht die Implementierung in einen Immunosensor.
Im Europäischen EMPIR-Projekt „NanoXSpot“ (Measurement of the focal spot size of Xray tubes with spot sizes down to 100 nm) werden neue Messmethoden für Brennflecke von Röntgenröhren entwickelt. Teil des Projektes ist die Entwicklung eines zur Lochkameramethode äquivalenten Messverfahrens für kleine Brennflecke. ASTM E 1165-20, Annex A, beschreibt die Bestimmung von Brennfleckgrößen aus Kantenprofilen von Lochaufnahmen für Röntgenröhren mit Brennflecken > 50 μm. Es wurde bereits vorgeschlagen über die Analyse der richtungsabhängigen Kantenunschärfe einer Lochblende und anschließender CT-Rekonstruktion die Intensitätsverteilung des Brennflecks äquivalent zur Lochkameraaufnahme zu berechnen. Die Lochkameramethode, wie in EN 12543-2 und ASTM E 1165-20 beschrieben, ist im unteren Größenbereich für Mikrofokusröhren nicht geeignet, da Pinholes < 10 μm schwer zu fertigen sind und lange Belichtungszeiten erwartet werden. Mit Hilfe exakt gefertigter Lochblenden sowie strukturierter Targets mit
konvergierenden Strukturen wird der Bereich mit der Single-Shot-CT-Methode auf die Messung von Mikrofokusröhren, alternativ zur Vermessung von Kanten oder Strichgruppenkörpern, erweitert. Die rekonstruierten Brennfleckformen werden mit Kantenund Lochkameraaufnahmen quantitativ verglichen, um die Messgenauigkeit zu bewerten.
Außerdem werden CNR und Messzeit bestimmt, um die Wirtschaftlichkeit der Verfahren zu bewerten.
Es wird über die neuen Anforderungen ausgewählter Normen bzw. Normrevisionen informiert und insbesondere auch über die veränderten Parameter, die bei der Prüfpraxis, der Qualitätssicherung in der digitalen Radiographie und bei der Klassifizierung zu berücksichtigen sind. Das wichtigste Projekt ist die Revision der DIN EN ISO 17636-1, -2, RT von Schweißverbindungen, in ISO TC 44 SC 5 WG 1. Hauptaktivität bei ASTM ist gegenwärtig die Überarbeitung der CT-Standards und die Berücksichtigung der Anforderungen an das dimensionelle Messen. Der „Standard Guide for Computed Tomography“, ASTM E 1441, zur Bestimmung von MTF, Kontrast-Detail-Funktion (CDF) und Kontrast-Diskrimination-Diagramm (CDD) wurde revidiert und veröffentlicht. Die Mehrzahl der Hersteller von CT-Anlagen bietet entsprechende Software-Tools an. Weiterhin werden neue Festkörperentwürfe zur Charakterisierung von CT-Anlagen vorgestellt. Die folgenden Revisionen sind bei ASTM derzeit in Bearbeitung: ASTM E 2445, „CR Long Term Stability“ nach einem Round Robin-Test und für DDAs der Standard zur System-Charakterisierung, ASTM E2597/E2597M−14, und zur „DDA Long Term Stability“. Das Spider-Net-Diagramm zur Klassifizierung von DDAs wird um die Position „ISO Material Thickness limit“ erweitert. Der Standard EN 12679 zur Messung der Größe von Gammastrahlern wurde nach Revision unter Berücksichtigung von digitalen Messverfahren veröffentlicht. Die Revision der Standardserie EN 12543 zur Messung der Brennfleckgröße ist mit Verzögerung in Überarbeitung, um die digitalen Detektoren und Messmöglichkeiten mit Bildverarbeitungsprogrammen zu berücksichtigen. Die Messprozedur für Lochkameras wurde grundlegend revidiert und ist harmonisiert mit ASTM E 1165-12(2017). Die gemessenen Brennflecke unterscheiden sich und passen besser zu den Unschärfe-Messungen
mit Doppeldraht BPKs (ISO 19232-5:2018) bei Vergrößerung. Ein Entwurf zur Messung der Brennfleckgröße von nano-Fokusröhren und Mikro-Fokusröhren (< 5 µm) wird derzeit vom Europäischen Metrologie-Programm EMPIR gefördert. Es wird über erste Ergebnisse
informiert.
Raman spectroscopy is a well established tool for the analysis of vibration spectra, which then allow for the determination of individual substances in a chemical sample, or for their phase transitions. In the time-resolved-Raman-sprectroscopy the vibration spectra of a chemical sample are recorded sequentially over a time interval, such that conclusions for intermediate products (transients) can be drawn within a chemical process. The observed data-matrix M from a Raman spectroscopy can be regarded as a matrix product of two unknown matrices W and H, where the first is representing the contribution of the spectra and the latter represents the chemical spectra. One approach for obtaining W and H is the non-negative matrix factorization. We propose a novel approach, which does not need the commonly used separability assumption. The performance of this approach is shown on a real world chemical example.
This is a corrigendum to the original article "Method development for on-line species-specific sulfur isotopic analysis by means of capillary electrophoresis/multicollector ICP-mass spectrometry" that was published in the journal "Analytical and Bioanalytical Chemistry", vol. 412 (202), no. 23, pp. 5637-5646.
The characterization of technical lignins is a key step for the efficient use and processing of this material into valuable chemicals and for quality control. In this study 31 lignin samples were prepared from different biomass sources (hardwood, softwood, straw, grass) and different pulping processes (sulfite, Kraft, organosolv). Each lignin was analysed by attenuated total reflectance Fourier transform infrared (ATR-FT-IR) spectroscopy. Statistical analysis of the ATR-FT-IR spectra by means of principal component analysis (PCA) showed significant differences between the lignins. Hence, the samples can be separated by PCA according to the original biomass. The differences observed in the ATR-FT-IR spectra result primarily from the relative ratios of the p-hydroxyphenyl, guaiacyl and syringyl units. Only limited influence of the pulping process is reflected by the spectral data. The spectra do not differ between samples processed by Kraft or organosolv processes. Lignosulfonates are clearly distinguishable by ATR-FT-IR from the other samples. For the classification a model was created using the k-nearest neighbor (k NN) algorithm. Different data pretreatment steps were compared for k=1…20. For validation purposes, a 5-fold cross-validation was chosen and the different quality criteria Accuracy (Acc), Error Rate (Err), Sensitivity (TPR) and specificity (TNR) were introduced. The optimized model for k=4 gives values for Acc = 98.9 %, Err = 1.1 %, TPR = 99.2 % and TNR = 99.6 %.
This paper describes a new ultrasonic measuring device called “W-Box”. It was developed based on the requirements of the DFG Forschergruppe (research unit) CoDA for a portable device for monitoring of concrete specimens, models and actual structures using embedded ultrasonic transducers as well as temperature and humidity sensors. The W-Box can send ultrasonic pulses with a variable frequency of 50–100 kHz to one selectable transducer and records signals from up to 75 multiplexed channels with a sample rate of 1 MHz and a resolution of 14 bits. In addition, it measures temperature and humidity with high accuracy, adjustable amplification, restarts automatically after a power failure and can be fully controlled remotely. The measured data are automatically stored locally on-site data quality checks and transferred to remote servers. The comparison of the W-Box with a laboratory setup using commercial devices proves that it is equally reliable and precise, at much lower cost. The W-Box also shows that their measurement capacities, with the used embedded ultrasonic transducers, can reach above 6 m in concrete.
In the present paper, friction and mechanical properties of AFM-Scan-Induced ripple structures on films of polystyrene and poly-n-(butyl methacrylate) are investigated. Force volume measurements allow a quantitative analysis of the elastic moduli with nanometer resolution, showing a contrast in mechanical response between bundles and troughs. Additionally, analysis of the lateral cantilever deflection shows a clear correlation between friction and the sample topography. Those results support the theory of crack propagation and the formation of voids as a mechanism responsible for the formation of ripples. This paper also shows the limits of the presented measuring methods for soft, compliant, and small structures.
Numerical Analysis for an Electro‐Magneto‐Mechanical Phenomenon with High‐Order Accurate Methods
(2021)
This paper establishes an axisymmetric model for a levitation device. Therein, the Maxwell equations are combined with the balance of linear momentum. Different possible formulations to describe the MAXWELL equations are presented and compared and discussed in the example. A high order finite element discretization using GALERKIN's method in space and the generalized NEWMARK‐α method in time are developed for the electro‐magneto‐mechanical approach. Several studies on spatial and temporal discretization with respect to convergence will be investigated. In addition, the boundary influences and the domain size with respect to the levitation device are also examined.
Polychromatic and wavelength-selective neutron transmission radiography were applied during bead-on-plate welding on 5 mm thick sheets on the face side of martensitic low transformation temperature (LTT) steel plates using gas tungsten arc welding (GTAW). The in situ visualization of austenitization upon welding and subsequent α’-martensite formation during cooling could be achieved with a temporal resolution of 2 s for monochromatic imaging using a single neutron wavelength and of 0.5 s for polychromatic imaging using the full spectrum of the beam (white beam).
The spatial resolution achieved in the experiments was approximately 200 µm. The transmitted monochromatic neutron beam intensity at a wavelength of λ = 0.395 nm was significantly reduced during cooling below the martensitic start temperature M s since the emerging martensitic phase has a ~10% higher attenuation coefficient than the austenitic phase. Neutron imaging was significantly influenced by coherent neutron scattering caused by the thermal motion of the crystal lattice (Debye–Waller factor), resulting in a reduction in the neutron transmission by approx. 15% for monochromatic and by approx. 4% for polychromatic imaging.
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.
Additive manufacturing is well established for plastics and metals, and it gets more and more implemented in a variety of industrial processes. Beside these well-established material platforms, additive manufacturing processes are highly interesting for ceramics, especially regarding resource conservation and for the production of complex three-dimensional shapes and structures with specific feature sizes in the µm and mm range with high accuracy. The usage of ceramics in 3D printing is, however, just at the beginning of a technical implementation in a continuously and fast rising field of research and development. The flexible fabrication of highly complex and precise 3D structures by means of light-induced photopolymerization that are difficult to realize using traditional ceramic fabrication methods such as casting and machining is of high importance. Generally, slurry-based ceramic 3D printing technologies involve liquid or semi-liquid polymeric systems dispersed with ceramic particles as feedstock (inks or pastes), depending on the solid loading and viscosity of the system. This paper includes all types of photo-curable polymer-ceramic-mixtures (feedstock), while demonstrating our own work on 3D printed alumina toughened zirconia based ceramic slurries with light induced polymerization on the basis of two-photon absorption (TPA) for the first time. As a proven exemplary on cuboids with varying edge length and double pyramids in the µm-range we state that real 3D micro-stereolithographic fabrication of ceramic products will be generally possible in the near future by means of TPA. This technology enables the fabrication of 3D structures with high accuracy in comparison to ceramic technologies that apply single-photon excitation. In sum, our work is intended to contribute to the fundamental development of this technology for the representation of oxide-ceramic components (proof-of-principle) and helps to exploit the high potential of additive processes in the field of bio-ceramics in the medium to long-term future.
Reported here is the production of molecularly imprinted polymer (MIP) films, integrating a fluorescent moiety that serves as both an element for template interaction and signalling, for the thermal and optical detection of the beta-lactam antibiotic nafcillin. Fluorescein methacrylate (FluMa) was synthesized and introduced during the molecular imprinting process as the sole monomer and in a 1 : 1 mixture with methacrylic acid (MAA), allowing to draw first conclusions on the MIP formation potential of such a rather large and rigid monomer. At first, MIP microparticles containing FluMa were prepared by free radical polymerisation. Optical batch rebinding experiments revealed that FluMa can act as a functional monomer for selective detection of nafcillin; however, the addition of MAA as co-monomer significantly improved performance. Subsequently, thin MIP films containing FluMa were deposited onto functionalised glass slides and the influence of porogen, drying time, and monomer composition was studied. These MIP-functionalised glass electrodes were mounted into a customised 3D-printed flow cell, where changes in the liquid were either evaluated with a thermal device or using fluorescence bright field microscopy. Thermal analysis demonstrated that multiple MIP layers enhanced sensor specificity, with detection in the environmentally relevant range. The fluorescence bright field microscope investigations validated these results, showing an increase in the fluorescence intensity upon exposure of the MIP-functionalised glass slides to nafcillin solutions. These are promising results for developing a portable sensor device that can be deployed for antibiotics outside of a dedicated laboratory environment, especially if sensor design and fluorophore architecture are optimised.