Analytische Chemie
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Time-resolved in situ investigation of Portland cement hydration influenced by chemical admixtures
(2016)
Numerous admixtures are used in the building practice to customize the properties of the cement paste during application. The influences of admixtures on the course of cement hydration and formation of hydrate phases have to be considered. Polycarboxylate ether (PCE) based polymeric superplasticizers (SPs) are known to retard the setting of the cement paste. The extent of the retardation differs depending on the molecular structure of the SP. Additionally, the presence of a stabilizing agent (SA) in the cement paste has a retarding side effect on the setting. The initial cement hydration processes and the detailed mechanisms of the retardation influenced by PCEs, as well as their interactions with particular SAs, are insufficiently understood. Up to now, only the results of phenomenological studies were taken into account to describe this retardation process. A detailed structure analysis monitoring the change of the phase composition during the hydration was never applied. Both SP and SA affect the adsorption of the sulphate ions on the clinker particles, causing changes in the formation of ettringite during the initial hydration, and are therefore a crucial part of the setting process itself. Here, the initial hydration of cement influenced by the interaction of SP and SA was monitored in situ by synchrotron X-ray diffraction. The high time resolution of the measurements allowed a continuous detection of the hydrates formed. The hydration was followed from the starting point of water addition and for couple of hours afterwards. The hydration of the levitated cement pellets containing starch as SA was initialized by adding aqueous solutions of different commercial SPs. Changes in the ettringite formation were detected in comparison to the reference hydration of pure cement.
Synchrotron-radiation enables the adjustment of the XPS information depth and, thus, the visualization of depth profiles of the elemental composition within the first 10 nm of a surface. This project deals with the analysis of core-shell nanoparticles. It constitutes first steps towards a valid methodology for studying the surface chemistry of nanoparticles in a quantitative and accurate manner.
The gold finds from Bernstorf, in the Freising district of Bavaria, were discovered in 1998, in the area of a Bronze Age settlement. First analyses with X-ray fluorescence (XRF) revealed gold of an unusually high purity grade, which was explained by using cementation techniques.
A newer analysis with laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA–ICP–MS) indicated an even higher purity. These analytical results were the starting point of an ongoing discussion. The amount and type of the detected contaminants were highly controversial and led to contradictory interpretations.
We reanalysed 11 gold samples with synchrotron radiation induced X-ray fluorescence (SRXRF) at the BAMline at BESSY-II. To reach the desired detection limits a thorough analysis with three different excitation energies and detection conditions were applied to confirm or disprove the previous results.
In this contribution we will get into the details for the need of the different measurement conditions and the virtues of the use of synchrotron radiation. The use and effectiveness of cementation techniques will be addressed. Finally we will present the achieved results and their impact on the discussion.
The BAMline at the synchrotron BESSY II in Berlin supplies users with up to date analytical x-ray methods for the energy range between 5 and 50 keV. Additional to XRF with micron Resolution it provides amongst other things the possibility to use TXRF and XANES. Especially the use of
the so-called Color X-Ray Camera (CXC) opens the possibility to use new and effective detection schemes, which allow to measure simultaneously distributions of elements or Absorption spectra in a motionless mode.
In this talk the analytical possibilities at the BAMline for samples with biological Background will be introduced. The available methods will be presented and discussed for various examples.
A perspective for the future use for XANES in grazing emission and TXRF geometries for plant materials will be given.
Die Eigenschaften und die Verlässlichkeit von Materialien jeglicher Art sind seit jeher die Grundlagen der Technik einer Gesellschaft. Tiefgreifende Kenntnisse über sie sind deshalb eine Voraussetzung um neue Produkte zu entwickeln, Verlässlichkeit zu gewährleisten, oder aber auch, wie in der Archäometrie, Kenntnisse über die Vergangenheit zu gewinnen. Ein Schlüssel zum Verständnis ist das Wissen über die chemische Zusammensetzung und die Struktur von Materialien Die Analyse mit Synchrotronstrahlung bietet hierfür herausragende Werkzeuge an, die zerstörungsfrei und hochsensitiv sind. Mit Röntgenfluoreszenzanalyse kann die elementare Zusammensetzung in winzigen Proben bis auf μg/g bestimmt werden. Anwendungsbeispiele aus verschiedenen Themengebieten, aber besonders von archäologischen Fragestellungen wie z.B. dem Goldfund von Bernstorf werden im Vortrag vorgestellt.
News from the BAMline
(2017)
Airborne particulate matter is a topic of growing interest. Particles with aerodynamic diameters less than 10 μm (PM 10) and especially the fine fraction below 2.5 μm (PM2.5) are of particular importance, as they can enter the human respiratory system and cause acute and
chronic respiratory or cardiovascular diseases. The mass distribution of airborne particles in dependence of their diameters is well-known, but also the abundance and temporal variation of trace elements in air (mass concentrations down to the pg/m³ range) are crucial.
These elements originate from various natural (abrasion, erosion) and anthropogenic sources (combustion, road traffic), which complicate the discrimination between harmless and toxic emissions. Some new methods of investigation are therefore needed and X-ray fluorescence spectroscopy has ascertained ist huge potential in this matter, thanks to the possibility to determine simultaneously, in a time-resolved manner, the mass concentrations of critical elements which can be considered as markers of a potential toxic source. A method for the quantitative Analysis of airborne particles directly collected on sample substrates (30 mm quartz reflectors and 1" Si wafers suited for total-reflection X-ray fluorescence analysis (TXRF) will be presented.
Samplings were performed using a three- stage Dekati™ PM10 impactor (>10 μm, 2.5 to 10 μm and 1 to 2.5 μm) and a four-stage Sioutas Personal Cascade Impactor (>2.5 μm, 1 to 2.5 μm,0.5 to 1 μm and 0.25 to 0.5 μm) at indoor and outdoor sites at the Atominstitut (Vienna, Austria). Quantitative results of two outdoor test sampling campaigns (July 2016 and January 2017) will be presented and discussed. Low detection limits were assessed via TXRF and range from several 10 to several 100 pg/m³ depending on the element and particle size fraction.
Ein Konvolut einzelner Schmuckstücke und die Goldbeigaben eines angeblichen Grabfundes wurden technologisch und analytisch untersucht. Die meisten Objekte sind Blecharbeiten, die aus einer Vielzahl von Einzelteilen mit metallischem Goldlot zusammengefügt und mit Granulation oder granulations-imitierendem Perl- oder Kerbdraht verziert wurden. Nur vier kleine Ohrringe sind massiv gegossen.
Zwei Zierbleche dürften über Patrizen (Positivmodeln), die Deckel der Astragale in Matrizen (Negativmodeln) geformt worden sein. Alle Objekte wurden mit Synchrotron- und atmosphärischer Röntgenfluoreszenz analysiert. Die Daten zeigen das breite Spektrum an Goldlegierungen, die im 7./6. Jahrhundert v. Chr. in Kleinasien verarbeitet wurden: vom natürlichen Seifengold (Elektrum) bis zu geläutertem, fast reinem Gold. Eine Korrelation zwischen Goldqualität und Verarbeitungsmethode konnte nicht festgestellt werden. Sowohl hochreines als auch mit viel Silber und Kupfer legiertes Gold wurde zum Schmieden von Blecharbeiten, aber auch zum Massivguss verwendet. Aus der Goldfarbe kann wegen des Phänomens der oberflächlichen Goldanreicherung nicht auf eine Legierungszusammensetzung geschlossen werden. Der 1963 angekaufte Fundkomplex aus lydischen Metallarbeiten und ostionischen Salbgefäßen aus Ton dürfte einen Grabfund des frühen 6. Jahrhunderts v. Chr. darstellen, dessen Herkunft aus Ephesos jedoch nicht zu sichern ist.
In the quest for finding the ideal synchrotron-radiation-induced imaging method for the investigation of trace element distributions in human bone samples, experiments were performed using both a scanning confocal synchrotron radiation micro X-ray fluorescence (SR-mXRF) (FLUO beamline at ANKA) setup and a full-field color X-ray camera (BAMline at BESSY-II) setup. As zinc is a trace element of special interest in bone, the setups were optimized for its detection. The setups were compared with respect to count rate, required measurement time and spatial resolution. It was demonstrated that the ideal method depends on the element of interest. Although for Ca (a major constituent of the bone with a low energy of 3.69 keV for its K alpha XRF line) the color X-ray camera provided a higher resolution in the plane, for Zn (a trace element in bone) only the confocal SR-µXRF setup was able to sufficiently image the distribution.
The gold finds from Bernstorf, in the Freising district of Bavaria, were discovered in 1998, in the area of a Bronze Age settlement. First analyses with X-ray fluorescence (XRF) revealed gold of an unusually high purity grade, which was explained by the use of cementation techniques. A newer analysis with laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA–ICP–MS) indicated an even higher purity. The analytical results were the starting point of an ongoing discussion. In this study, we re-analysed 11 gold samples with Synchrotron radiation–induced X-ray fluorescence at the BAMline at BESSY. In a thorough analysis, different excitation and detection conditions were applied to confirm or disprove the previous results. It was shown that the purity of the gold from the specimen is higher than 99.9%. The main impurities are silver in a range between 20 and 200 μg/g and copper between 1 and 10 μg/g. The results are in very good agreement with the LA–ICP–MS measurements and provide basic information for discussions about provenance, processing techniques or considerations of authenticity.
Absorptionskantentomographie, auch bekannt als differentielle Tomographie an Kanten, ist ein Verfahren, bei dem ausgenutzt wird, dass sich die Schwächung von Röntgenstrahlen beim Übergang der Photonenenergie über die Absorptionskanten sprunghaft ändert. Die Verwendung von Synchrotronstrahlung ermöglicht die Anwendung der Absorptionskantentomographie für nahezu jedes Element, da sie eine intensive, durchstimmbare Strahlenquelle mit kleiner Bandbreite darstellt. Der Mikrotomographieaufbau der BAM am Elektronenspeicherring BESSY II eignet sich mit einem Energiebereich von 5 keV bis über 60 keV und einer Ortsauflösung besser als 0.5 µm zur differentiellen Tomographie an den K-Kanten der Elemente von Chrom bis zu den Lanthaniden, bei Einbeziehung der L-Kante bis zu Uran.
In dieser Arbeit wird die Absorptionskantentomographie ausgenutzt, um das Gefüge von Legierungen dreidimensional und nichtdestruktiv zu vermessen. Als Beispiel wird eine Legierung zwischen Magnesium, Yttrium und Zink analysiert, die sich gegenüber unlegiertem Magnesium durch größere Festigkeit und geringere Korrosionsanfälligkeit auszeichnet. Der Grund dafür liegt in der Bildung einer kristallographisch hochgeordneten Phase (long period stacking ordered - LPSO) der Legierungsbestandteile, die die Matrix in Form von Fasern durchzieht. Anhand ihres Yttriumgehaltes wird die dreidimensionale Verteilung der LPSO-Phase in der Matrix für verschiedene Proben bestimmt und mit Schnittbildern und Korrosionstests verglichen. Die Absorptionskantentomographie erweist sich als eine geeignete Methode, um die dreidimensionale Mikrostruktur von Legierungen zu charakterisieren.
Absorptionskantentomographie, auch bekannt als differentielle Tomographie an Kanten, ist ein Verfahren, bei dem ausgenutzt wird, dass sich die Schwächung von Röntgenstrahlen beim Übergang der Photonenenergie über die Absorptionskanten sprunghaft ändert. Die Verwendung von Synchrotronstrahlung ermöglicht die Anwendung der Absorptionskantentomographie für nahezu jedes Element, da sie eine intensive, durchstimmbare Strahlenquelle mit kleiner Bandbreite darstellt. Der Mikrotomographieaufbau der BAM am Elektronenspeicherring BESSY II eignet sich mit einem Energiebereich von 5 keV bis über 60 keV und einer Ortsauflösung besser als 0.5 µm zur differentiellen Tomographie an den K-Kanten der Elemente von Chrom bis zu den Lanthaniden, bei Einbeziehung der L-Kante bis zu Uran.
In dieser Arbeit wird die Absorptionskantentomographie ausgenutzt, um das Gefüge von Legierungen dreidimensional und nichtdestruktiv zu vermessen. Als Beispiel wird eine Legierung zwischen Magnesium, Yttrium und Zink analysiert, die sich gegenüber unlegiertem Magnesium durch größere Festigkeit und geringere Korrosionsanfälligkeit auszeichnet. Der Grund dafür liegt in der Bildung einer kristallographisch hochgeordneten Phase (long period stacking ordered - LPSO) der Legierungsbestandteile, die die Matrix in Form von Fasern durchzieht. Anhand ihres Yttriumgehaltes wird die dreidimensionale Verteilung der LPSO-Phase in der Matrix für verschiedene Proben bestimmt und mit Schnittbildern und Korrosionstests verglichen. Die Absorptionskantentomographie erweist sich als eine geeignete Methode, um die dreidimensionale Mikrostruktur von Legierungen zu charakterisieren.
Mechanaochemistry is an effecthive method to yield pure compounds within a short reaction time. Mechanochemical C-C bond forming reactions gained increasing interest in the past decade. Among those the Knoevenagel condensation is an important reaction for synthezing a,b-unsaturated compounds. The information on the underlying mechanisms of mechanochemical reactions are scarce. In situ investigations using Raman spectroscopy and synchroton XRD either alone or in combination address this challenge. We present the in situ results of a Knoevenagel condensation with p-nitrobenzaldehyde and malononitrile under neat grinding conditions.
In order to investigate their microcracking behaviour, the microstructures of several β-eucryptite ceramics, obtained from glass precursor and cerammed to yield different grain sizes and microcrack densities, were characterized by laboratory and synchrotron x-ray refraction and tomography. Results were compared with those obtained from scanning electron microscopy (SEM). In SEM images, the characterized materials appeared fully dense but computed tomography showed the presence of pore clusters. Uniaxial tensile testing was performed on specimens while strain maps were recorded and analyzed by Digital Image Correlation (DIC). X-ray refraction techniques were applied on specimens before and after tensile testing to measure the amount of the internal specific surface (i.e., area per unit volume). X-ray refraction revealed that (a) the small grain size (SGS) material contained a large specific surface, originating from the grain boundaries and the interfaces of TiO2 precipitates; (b) the medium (MGS) and large grain size (LGS) materials possessed higher amounts of specific surface compared to SGS material due to microcracks, which decreased after tensile loading; (c) the precursor glass had negligible internal surface. The unexpected decrease in the internal surface of MGS and LGS after tensile testing is explained by the presence of compressive regions in the DIC strain maps and further by theoretical arguments. It is suggested that while some microcracks merge via propagation, more close mechanically, thereby explaining the observed X-ray refraction results. The mechanisms proposed would allow the development of a strain hardening route in ceramics.
Gold ist eines der sieben schon im Altertum bekannten Metalle und wurde wg. seines Glanzes und seiner Seltenheit von alters her als Tauschmittel und zur Herstellung von Schmuck benutzt. Außerdem ist es einfach bearbeitbar und weitestgehend gegen chemische Einflüsse resistent. Die Untersuchungen von Gold mit synchrotronstrahlungsangeregter Röntgenfluoreszenzanalyse sind zerstörungsfrei und geben Auskunft über die in der untersuchten Probe vorhandenen chemischen Elemente. Bei den hier vorgestellten Untersuchungen an der BAMline stehen Fragestellungen wie Herkunft, Herstellungsverfahren und Zusammengehörigkeit von Goldfunden im Vordergrund. Die verschiedenen Fragestellungen werden an einer Reihe von Beispielen erläutert die vom Wikingerschatz aus Hiddensee über die Himmelsscheibe von Nebra bis hin zu Funden aus Ägypten langen. Zusätzlich werden die modernen Messmethoden vorgestellt, die am Synchrotron heutzutage zur Verfügung stehen.
Absorption edge tomography, also known as differential tomography at absorption edges, is a method which exploits the sudden change of the attenuation coefficient, when the photon energy crosses the absorption edge of an element. Synchrotron radiation is the best source for absorption edge tomography, because of its small bandwidth, high intensity and easily adjustable photon energy. The synchrotron beamline BAMline at the synchrotron radiation facility BESSY II in Berlin, which is operated by the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), provides a monochromatized beam in a photon energy range from 5 keV up to 80 keV with a bandwidth of 2%, when the double multilayer monochromator is used. Together with the microtomography setup, this enables differential tomography with submicron resolution at the K edge of the elements from chromium up to the lanthanides, and up to uranium, when the L edges are used as well.
In this work, metal organic frameworks (MOFs) embedded in polymer are characterized using differential tomography. MOFs are microporous structures of metal ions, coordinated by organic linker molecules, that can be used in a broad field of applications, especially in gas storage and catalysis. In this work, polymer embedded MOFs were extruded into filaments, which could be used for 3d-printing to profit from the specific properties of the MOFs in polymeric materials combined with the arbitrary shapes provided by 3d-printing. For the extrusion, different polymer classes like ABS, polyester- and polyetherurethanes, as well as different MOFs (ZIF-8, ZIF-67, HKUST-1) were used to create MOF containing filaments with a nominal diameter of 3.0 mm. Differential tomography at the edges of the Zn, Co, and Cu was then used to find the distribution of the corresponding MOF in the filament and to analyze the shape of the inclusions.