Analytische Chemie
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McSAS3 is a refactored software package for fitting large batches of (X-ray or Neutron) scattering data. It uses a Monte-Carlo acceptance-rejection algorithm to optimize model parameters - ideal for analysis of size-disperse scatterers.
The refactored code can exploit multiprocessing, traceably stores (multiple) results in the output file, and allows for re-histogramming of previous optimizations. Besides analysis of large batches, it can also be integrated in automated data processing pipelines.
The live demonstration will show how to use the software, what its limitations are, and what outcomes can look like for batches of results.
This talk introduces the expanded view that comes from wide-range X-ray scattering investigations.
Compared to X-ray diffraction studies alone, the additional angular range of this technique provides information on the larger structural dimensions present in your samples. This allows for the extraction of information on the size and size distribution of nanostructural components, such as nanoparticles, nanovoids, and any other structure exhibiting an electron density contrast.
The talk introduces the technique, the MOUSE instrument used for these investigations, and provides several real-world examples of its uses. The audience is invited to choose which examples captures their interest from a range of options, in the latter segment of the talk.
The development of more powerful and more efficient lithium-ion batteries (LIBs) is a key area in battery research, aiming to support the ever-increasing demand for energy storage systems. To better understand the causes and mechanisms of degradation, and thus the diminishing cycling performance and lifetime often observed in LIBs, in operando techniques are essential, because battery chemistry can be monitored non-invasively, in real time. Moreover, there is increasing interest in developing new battery chemistries. Beyond LIBs, sodium ion batteries (NIBs) have gained increasing interest in recent years, as they are a promising candidate to complement LIBs, owing to their improved sustainability and lower cost, while still maintaining high energy density.[1] Initial phases of NIB commercialisation have occurred in the past year. However, for the widespread commercialisation of NIBs, there are still challenges that need to be overcome in developing optimized electrode materials and electrolytes. For the development of such materials and greater understanding of sodium storage mechanisms, solid electrolyte interface (SEI) formation and stability, and degradation processes, in operando methodologies are crucial.
Among the techniques available for in operando analysis, nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) and imaging (MRI) are becoming increasingly used to characterize the chemical composition of battery materials, study the growth and distribution of dendrites, and investigate battery storage and degradation mechanisms. In situ and in operando 1H, 7Li and 23Na NMR and MRI have recently been used to study LIBs and NIBs, identifying chemical changes in Li and Na species respectively, in metallic, quasimetallic and electrolytic environment as well as directly and indirectly studying dendrite formation in both systems.[2-4] The ability of NMR and MRI to probe battery systems across multiple environments can further be complemented by the enhanced spatial resolution of micro-computed X-ray tomography (μ-CT) which can provide insight into battery material microstructure and defect distribution.
Here, we report in operando 1H and 7Li NMR and MRI experiments that investigate LIB performance, and the identification of changes in the Li signal during charge cycling, as well as the observation of signals in both 1H and 7Li NMR spectra that we attribute to diminishing battery performance, capacity loss and degradation. Additionally, recent operando methodology are adapted and implemented to study Sn based anodes in NIBs. 23Na spectroscopy is performed to monitor the formation and evolution of peaks assigned to stages of Na insertion into Sn, while 1H MRI is used to indirectly visualize the volume expansion of Sn anodes during charge cycling. Battery operation and degradation is further explored in these NIBs, using μ-CT, where the anode is directly visualized to a higher resolution and the loss of electrolyte in the cell, during cycling is observed
In our (dramatically understaffed) X-ray scattering laboratory, developing a systematic, holistic methodology1 let us provide scattering and diffraction information for more than 2100 samples for 200+ projects led by 120+ collaborators over the last five years. Combined with universal, automat-ed data correction pipelines, as well as our analysis and simulation software, this led to more than 40 papers2 in the last 5 years with just over 2 full-time staff members.
While this approach greatly improved the consistency of the results, the consistency of the samples and sample series provided by the users was less reliable nor necessarily reproducible. To address this issue, we built an EPICS-controlled, modular synthesis platform to add to our laboratory. To date, this has prepared over 1200 additional (Metal-Organic Framework) samples for us to meas-ure, analyse and catalogue. By virtue of the automation, the synthesis of these samples is automat-ically documented in excruciating detail, preparing them for upload and exploitation in large-scale materials databases alongside the morphological results obtained from the automated X-ray scat-tering analysis.
Having developed these proof-of-concepts, we find that the consistency of results are greatly im-proved by virtue of their reproducibility, hopefully adding to the reliability of the scientific findings as well. Additionally, the nature of the experiments has changed greatly, with much more emphasis on preparation and careful planning. This talk will discuss the advantages and disadvantages of this highly integrated approach and will touch upon upcoming developments.
In this talk, the importance of metadata is underscored by real-world examples.
Metadata is essential to alleviating the reproducibility crises in science. This imples that a wide range of metadata must be collected, with a heavy emphasis on the automated collection of such metadata. This must subsequently be organized in an intelligible, archival structure, when possible with units and uncertainties.
Such metadata can aid in improving the usage efficiency of instrumentation, as is demonstrated on the MOUSE instrument. This metadata can now be used to connect the various aspects of the holistic experimental procedure to gain better insights on the materials structure.
A second example shows the extraction and organization of such metadata from an automated materials development platform, collected during the synthesis of 1200 samples. These metadata from the synthesis can then be linked to the results from the analysis of these samples, to find direct correlations between the synthesis parameters and the final structure of the materials.
Phased-Array-Prüfköpfe für luftgekoppelte Ultraschallprüfung auf Basis von zellulären Kunststoffen
(2023)
Luftgekoppelte Ultraschallprüfung setzt sich immer häufiger gegen die konventionelle Ultraschallprüfung von Leichtbaukomponenten durch, und zwar in vielen Industriezweigen von der Holzindustrie bis zur Luftfahrt. aWährend die Phased-Array-Technik mittlerweile zu dem industriellen Standard im Bereich der Prüfung mit Ankopplung gehört, wird luftgekoppelte Ultraschallprüfung meist mit zwei Wandlern in Durchschallung durchgeführt. Deswegen werden Vorteile der Phased-Array-Technik wie beispielsweise elektronische Fokussierung oder Schwenkung des Einschallwinkels für luftgekoppelte Prüfung selten genutzt.
In diesem Beitrag werden die laufenden Arbeiten an der Entwicklung eines neuen Phased-Array-Geräts vorgestellt, mit dem Schwerpunkt an der Charakterisierung der Prüfköpfe und ihrer Schallfelder. Das Gerät besteht aus einem linearen Phased-Array-Prüfkopf, einer Sende- und einer Empfangseinheit. Die Hauptinnovation unserer Arbeit ist die Anwendung von zellulären Kunststoffen für den Bau eines Arrays, wobei der Sender mit Hochspannung von ca. 1500 V angeregt wird. Geladene zelluläre Polymere werden auch Ferroelektrete oder Piezoelektrete genannt. Sie weisen einen sehr niedrigen Elastizitätsmodul und dadurch eine niedrige akustische Impedanz auf, so dass auf den Einbau von Anpassschichten verzichtet werden kann.
Eine sehr niedrige mechanische Kreuzkopplung bei Ferroelektreten ermöglicht eine unabhängige Anregung einzelner Elemente, was bei Piezokompositen deutlich schwieriger wäre. Die Entwicklung der Array-Prüfköpfe wurde durch Berechnungen des Schallfeldes unterstützt, die auf Punktquellensynthese basieren. Die beabsichtigte Anwendung von Phased-Array-Prüfköpfen und des Prüfsystems sind die Durchschallung mit Fokussierung, elektronischer Scan und die Schwenkung des Einschallwinkels zur Anregung von geführten Wellen, angewandt an carbonfaserverstärkten Kunststoffen und ähnlichen Materialien. Die Anwendung von geführten Wellen bietet die Perspektive, Bauteile mit einseitiger Zugänglichkeit zu prüfen.
Die üblichen Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung mit Ultraschall basieren auf der Verwendung von flüssigen Koppelmitteln. Luftgekoppelte Prüfung setzt sich gegen die konventionellen Verfahren durch, wenn die Flüssigkeit nicht erwünscht oder den Prüfling gar beschädigen kann. Zwei Technologien für Erzeugung von Ultraschallsignalen sind vielversprechend: thermoakustische Wandler und Ferroelektret-Wandler. Basierend auf diesen beiden Technologien wurden Array-Sender gebaut und in diesem Beitrag miteinander verglichen.
Thermoakustische Wandler basieren auf Dünnschichttechnologie und bieten eine resonanzfreie Erzeugung von Ultraschall. Sie bestehen aus einer dünnen elektrisch leitenden Schicht und werden mit kurzen elektrischen Pulsen angeregt. Die Erhöhung der thermischen Energie führt zur Erzeugung von akustischen Wellen in der umgebenden Luft.
Bei Ferroelektret-Wandlern handelt es sich um polarisierte zelluläre Kunststoffe, die für den Bau eines Array-Senders besonders gut geeignet sind. Einige Ferroelektrete weisen eine hervorragende an Luft angepasste akustische Impedanz auf, so dass auf den Einsatz von Anpassschichten verzichtet werden kann. Ein sehr niedriges mechanisches Übersprechen zwischen einzelnen Elementen ermöglicht eine unabhängige Anregung einzelner Elemente, was bei Piezokompositen deutlich schwieriger wäre.
Mit der Phased-Array-Technik können elektronische Fokussierung oder Schwenkung des Einschallwinkels für eine luftgekoppelte Prüfung genutzt werden. Die Schallfelder von diesen beiden Technologien wurden berechnet, gemessen und miteinander verglichen. Die Vorteile und Nachteile der beiden Technologien werden dargestellt.
Bei der Prüfung von Werkstücken mit empfindlichen Oberflächen oder auch hydrophilen Werkstoffen sind traditionelle ultraschallbasierte zerstörungsfreie Prüfmethoden wie die Kontakttechnik oder die Tauchtechnik in vielen Anwendungsfällen aufgrund der Flüssigkeitsankopplung nicht anwendbar.
Die luft-gekoppelte Ultraschallprüfung umgeht diese Problematik und eröffnet neue Prüfszenarien. Derzeit werden zwei Varianten der Schallerzeugung als vielversprechend angesehen: ferroelektrische Folien und thermoakustische Dünnschichtwandler. Thermoakustische Wandler ermöglichen die resonanzfreie Erzeugung von Ultraschall und somit kurze zeitliche Impulse sowie eine sehr breitbandige Anregung. Durch die Verwendung von gekrümmten Substraten ist sowohl eine Herstellung von planaren als auch fokussierten Wandlern möglich.
Dieser Beitrag präsentiert die letzten Forschungsergebnisse im Bezug auf thermoakustischen Wandlern, welche derzeit in einen thermoakustischen Gruppenstrahler münden. Gruppenstrahler erlauben die simultane Änderung des Einschallwinkels, sowie die Verschiebung des Fokuspunktes während der Verwendung.
Durch die Verbindung beider Schlüsseltechnologien, der thermoakustischen Anregung und des Gruppenstrahlerprinzips, wird das Spektrum der klassischen ZfP-Anwendungen, sowie moderner Ansätze wie der Anregung von geführten Wellen oder der Strukturüberwachung erheblich erweitert und bereichert.
Dabei soll innerhalb dieses Beitrages auf die Modellierung des Schallfeldes, die elementweise Charakterisierung und verschiedene Anwendungsszenarien eingegangen werden.