Analytische Chemie
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Recommendations on a Revision of the EC Definition of Nanomaterial Based on Analytical Possibilities
(2015)
In October 2011 the European Commission (EC) published a "Recommendation on the definition of nanomaterial" (2011/696/EU), to promote consistency in the interpretation of the term "nanomaterial" for legislative and policy purposes in the EU. The EC NM Definition includes a commitment to its review in the light of experience and of scientific and technological developments. This review is ongoing in 2015 and as a contribution to the review the Joint Research Centre of the European Commission (JRC) has already developed a series of three scientific-technical reports with the title: “Towards a review of the EC Recommendation for a definition of the term nanomaterial” which provides to the EC policy services science-based options on how the definition could be revised or supported with additional guidance.
The overarching nature and wide scope of the EC NM Definition, as it does not exclude a priori any particulate material regardless the state, form and size, creates many analytical challenges in its imple-mentation for all stakeholders, including enterprises and regulators.
The NanoDefine project has as core objective to support the implementation of the EC NM Definition. In this report key aspects of the EC NM Definition are addressed, with the goal to improve the implement-ability of the EC NM Definition. These aspects are presented and discussed based on the results of two years of research performed within the framework of the project. As a result this report assesses how well the requirements of the EC NM Definition can be fulfilled with currently available analytical possi-bilities. It presents recommendations and options on a revision of the EC NM Definition to improve the implementability of the definition based on currently available analytical possibilities, according to the state of the art of mid-2015.
Of the technical issues considered in this report, the following seem to deserve the most attention in terms of clarification of the definition and/or provision of additional implementation guidance:
The term ‘external dimension’.
A clear definition of 'External dimension' should be included in the text of the EC NM definition and more precise guidance on what is considered as an external dimension and how to properly character-ise it should be provided.
The ‘number based particle size distribution‘.
The EC NM Definition uses a threshold related to the number based size distribution of particles. Yet most of the easily available techniques provide a mass-, volume- or scattered light intensity-based size distribution which needs to be converted into a number based distribution to be used for regulatory pur-poses. A specific guidance on the conditions under which these methods can be used to identify a na-nomaterial by employing appropriate quantity or metrics conversion should be provided.
The ‘polydispersity‘ and ‘upper size limit‘
Polydispersity is a challenge for the measurement of particle size distribution for the EC NM definition, specifically for materials with high polydispersity index and broad size distribution especially when the volume or mass of the fraction containing particles below 100 nm is very small. Therefore a dedicated guidance should be provided that allows applying an upper size limit in measurements and particle statistics.
Untergrundspeicher für Roh- und Abfallstoffe gewinnen zunehmend an Bedeutung. Verwendet werden sie vor allem für Stoffe wie Erdgas, Wasserstoff, Erdöl und neuerdings auch für Kohlen-stoffdioxid (CO2). Diese Stoffe werden meist unter Druck in Kavernen- oder Porenspeichern einge-lagert. Die Speicher dienen einerseits zum Ausgleich von Ungleichgewichten zwischen Ange-bot/Förderung und Nachfrage/Verbrauch und zur Erhöhung der Versorgungssicherheit. Anderer-seits bestehen Konzepte Abfallstoffe oder Gefahrstoffe für die Umwelt (aktuell CO2-Speicherung) dort für lange Zeiträume einzulagern. Mit den Einlagerungsstoffen verbunden ist ein signifikantes Gefahrenpotential für Mensch und Umwelt, falls es trotz aller Sicherheitsmaßnahmen zu einem unkontrollierten Austritt dieser Stoffe kommen sollte. Daher kommt dem Monitoring derartiger Untergrundspeicher und den darüber befindlichen Bodenstrukturen eine extrem hohe Bedeutung zu.
Ein hochaktuelles Beispiel, das die Überwachung entsprechender Bodenflächen fordert, ist die unterirdische CO2-Speicherung im Rahmen der CO2-Abscheidung und -Speicherung (Carbon Dioxide Capture and Storage, CCS). CCS gilt als wichtige Brückentechnologie der Energiewirtschaft und wird weltweit vorangetrieben, während die Sicherheit von Bevölkerung und Biosphäre noch kont-rovers diskutiert wird. Auch die EU setzt auf CCS und gibt in der EU-Richtlinie 2009/31 als Ziel-setzung bis 2015 vor, 15 Pilotanlagen zu bauen und in Betrieb zu nehmen. Als Bedingung für die Genehmigung der CO2-Speicherung ist explizit die Überwachung der Speicheranlagen durch Monito-ring vorgeschrieben, wobei die technisch besten Lösungen zum Einsatz kommen sollen.
Das zu entwickelnde Messsystem adressiert neben den o.g. Anwendungsfeldern weitere, bei denen insbesondere die Emission von Gasen ein Risiko für Mensch und Umwelt darstellt oder wirt-schaftlichen Schaden verursachen kann. Hierzu zählen die Überwachung von Abfalldeponien, Ge-fahrgutlagerstätten, kontaminierten Altlastengebieten, Moor-, Torf-, Kohleflözen (präventive Branderkennung) und geodynamisch aktiven Regionen. Auch moderne Fördertechnologien, wie das Hot-Dry-Rock-Verfahren (HDR) zur Energiegewinnung durch Einpressen von überkritischem CO2 in den Erdkörper, das die Beweglichkeit eines Gases mit der Dichte einer Flüssigkeit kombiniert und Wärmeaustausch im Erdinneren bewirkt, bergen das Risiko unkontrollierter Gasemissionen und bedürfen der umfassenden Überwachung.
Interfaces provide the structural basis for function as, for example, encountered in nature in the membrane-embedded photosystem or in technology in solar cells. Synthetic functional multilayers of molecules cooperating in a coupled manner can be fabricated on surfaces through layer-by-layer self-assembly. Ordered arrays of stimuli-responsive rotaxanes undergoing well-controlled axle shuttling are excellent candidates for coupled mechanical motion. Such stimuli-responsive surfaces may help integrating synthetic molecular machines in larger systems exhibiting even macroscopic effects or generating mechanical work from chemical energy through cooperative action. The present work demonstrates the successful deposition of ordered mono- and multilayers of chemically switchable rotaxanes on gold surfaces. For the first time, rotaxane mono- and multilayers are shown to reversibly switch in a coupled manner between two ordered states as revealed by linear dichroism effects in angle-resolved NEXAFS spectra. Such a concerted switching process is observed only when the surfaces are well packed, while less densely packed surfaces lacking lateral order do not exhibit such effects.
Globalisierung und die beschleunigte technologische Entwicklung bringen heute für die Industrieländer Herausforderungen im Hinblick auf Wachstum, Beschäftigung und Strukturwandel mit sich, denen nur mit einer entsprechenden Innovationsdynamik und -dichte begegnet werden kann. Grundvoraussetzung hierfür ist eine leistungsfähige Forschung und Entwicklung ebenso wie Wissens- und Technologietransfer zur Umsetzung von Forschungsergebnissen in marktfähige Produkte und Dienstleistungen. Europa hat sich im Rahmen des Lissabon-Prozesses zum Ziel gesetzt, den Anteil der Forschungsausgaben am Bruttoinlandsprodukt auf 3 % zu steigern. Um die Forschungsinfrastruktur in der Bundesrepublik zu stärken und global wettbewerbsfähig zu bleiben, hat die Bundesregierung mit der Hightech-Strategie einen weiteren wichtigen Schritt zur Förderung des wissenschaftlich-technischen Fortschritts in Deutschland getan.
Forschungsprogramme sind sowohl für Forschungseinrichtungen als auch für Mittelgeber ein wichtiges Instrument für die Darstellung und Steuerung ihrer Aktivitäten. Dies gilt auch für die Bundeseinrichtungen mit Forschungs- und Entwicklungsaufgaben, zu denen die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) zählt. Die BAM verfügt über einen klaren gesetzlichen Auftrag für die Sicherheit in Technik und Chemie. Ihre Forschung ist mit der Wahrnehmung öffentlicher Aufgaben verbunden. Das Forschungsprogramm zeigt Perspektiven im Bereich ihres Aufgabenfeldes sowie ihrer damit verbundenen Forschungsaktivitäten transparent und politisch nutzbar auf und dient darüber hinaus der Koordinierung der Ressortforschung. Das Forschungsprogramm der BAM wird alle zwei Jahre aktualisiert. Es gibt einen Überblick über die aktuellen und zukünftigen Forschungsthemen und die hierfür erforderlichen Rahmenbedingungen.
Supplementary cementitious materials (SCMs) are largely used all over the world. The leading SCMs are fly ash (FA) and slag. However, such materials originate from industries that are not well established in sub-Saharan Africa (SSA). Therefore, it becomes extremely challenging and expensive to build up sustainable cement and concrete. For SSA, agriculture is one of the leading economic sectors. Agricultural by-products such as rice husk ash (RHA), can be a potential binder material beneficial for use in a cementitious system. RHA combined with limestone filler (LSF) is an option that can be practised for rice producing countries in Africa.
The concreting of prefabricated concrete structures can lead to insufficient bonding or even to remaining cavities. Honeycombs (aggregate clusters without cement) represent potential weakening of the structure and need to be detected non-destructively. In our study we tested the capability of ground penetrating radar (GPR) techniques for this purpose. We applied GPR in reflection mode and zero-offset profiling (ZOP) transmission mode on a precast concrete twin wall with built-in honeycombs. GPR measurements were performed as two channel measurement with ground coupled antennas with centre frequencies of 1.5 GHz and 2.6 GHz mounted to an automated scanner system.
Our findings show that ZOP transmission measurements are a more efficient method to detect voids in reinforced concrete structures compared to reflection mode measurements. This holds for both the effort needed for the measurement and the evaluation as well as the validity of the data. Honeycombs (basically representing voids) are usually characterized by strongly reduced amplitudes and earlier arrivals of the transmitted wave.
The concreting of prefabricated concrete structures can lead to insufficient bonding or even to remaining cavities. Honeycombs (aggregate clusters without cement) represent potential weakening of the structure and need to be detected non-destructively. In our study we tested the capability of ground penetrating radar (GPR)techniques for this purpose. We applied GPR in reflection mode and zero-offset profiling (ZOP) Transmission mode on a precast concrete twin wall with built-in honeycombs. GPR measurements were performed as twochannel measurement with ground coupled antennas with centre frequencies of 1.5 GHz and 2.6 GHz mounted to an automated scanner system.
Our findings show that ZOP transmission measurements are a more efficient method to detect voids in reinforced concrete structures compared to reflection mode measurements. This holds for both the effort needed for the measurement and the evaluation as well as the validity of the data. Honeycombs (basically representing voids) are usually characterized by strongly reduced amplitudes and earlier arrivals of the transmitted wave.
Amplitudes variation of GPR rebar reflection due to the influence of concrete aggregate scattering
(2015)
Dense GPR measurements of rebar reflection amplitudes Show relative variations, which can be in the order of more than 10% - 20%. Former investigations demonstrated that these variations are caused by the heterogeneity of concrete, i.e. due to the inclusion of aggregates in concrete. These amplitude variations make it difficult to analyse single reflection amplitudes in order to determine the rebar diameter or to estimate the concrete deterioration state. In a systematic study we have quantified the statistical variation of the rebar reflection amplitude for concrete covers of 6 cm, 9 cm, 12 cm, 15 cm and 18 cm, for two different grading curves and for the rebar diameters 12 mm and 28 mm. Also the influence of the wavelength has been investigated by using antennas with different centre frequencies in relation to the aggregate size. The results are discussed with regard to a quantitative amplitude evaluation of GPR measurements and also the potential of using these variations for a characterization of concrete material properties.