Analytische Chemie
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Paper des Monats
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The recent development of x-ray photoelectron spectroscopy using excitation sources different from the usual lab-source Mg Kα and Al Kα and spectrometers with more sophisticated lens systems requires flexible approaches for determining the transmission function. Therefore, the approach using quantified peak areas (QPA) was refined.1 A new algorithm allows a more precise estimation of the transmission function which could be shown by comparing the results obtained with the new version with former calculations. Furthermore, next to the established reference materials Cu, Ag and Au, ionic liquids can be used for estimating the transmission function at beamlines with variable excitation energies. Comparison between the measured and stoichiometric composition shows that a transmission function was determined which allows a reasonable quantification.
Nanoforms with at least one dimension below 100 nm have an important part to play in more and more areas of our daily life. Therefore, risk assessment of these materials is becoming increasingly important. In this context, the European Chemical Agency (ECHA) considered eleven physico-chemical properties as relevant, of which the following six are essential for the registration: chemical composition, crystallinity, particle size, particle shape, surface chemistry and specific surface area. Four of these priority properties can be obtained with electron microscopy and surface analytics like XPS and ToF-SIMS. The reliability of this data must be ensured, especially for their use for grouping and read across approaches. On the other hand, the “reproducibility” crisis has revealed major shortcomings in the reliability of published data.
In a case study, we show how the quality of the data can be ensured by using existing standards and protocols of each step in the workflow of sample characterization. As exemplary samples, two Al-coated TiO2 samples as nanopowders were selected from the JRC repository, capped either with a hydrophilic or a hydrophobic organic ultrathin shell. SEM results provided the size and shape of the nanoparticles, a first overview about the composition was obtained with EDS. XPS and ToF-SIMS supplied the surface chemistry, especially information about the shell and the coating of the particles. Standards and protocols of all steps of the analytical workflow including preparation and data reduction are discussed regarding reliable and reproducible data. Additionally, uncertainties for the different steps are specified.
Only such a detailed description of all these factors allows a comprehensive physico-chemical characterization of the nanoparticles with understanding of their potential risk assessment.
VAMAS-Enabling international standardisation for increasing the take up of Emerging Materials
(2022)
VAMAS (Versailles Project on Advanced Materials and Standards) supports world trade in products dependent on advanced materials technologies by providing technical basis for harmonized measurements, testing, specification, reference materials and standards. The major tools for fulfilling this task are interlaboratory comparisons (ILC). The organisation structure of VAMAS is presented. It is discussed, how a new technical activity can initiate.
Gas distribution mapping is important to have an accurate understanding of gas concentration levels in hazardous environments. A major problem is that in-situ gas sensors are only able to measure concentrations at their specific location. The gas distribution in-between the sampling locations must therefore be modeled. In this research, we interpret the task of spatial interpolation between sparsely distributed sensors as a task of enhancing an image's resolution, namely super-resolution. Because autoencoders are proven to perform well for this super-resolution task, we trained a convolutional encoder-decoder neural network to map the gas distribution over a spatially sparse sensor network. Due to the difficulty to collect real-world gas distribution data and missing ground truth, we used synthetic data generated with a gas distribution simulator for training and evaluation of the model. Our results show that the neural network was able to learn the behavior of gas plumes and outperforms simpler interpolation techniques.
Gas distribution mapping is important to have an accurate understanding of gas concentration levels in hazardous environments. A major problem is that in-situ gas sensors are only able to measure concentrations at their specific location. The gas distribution in-between the sampling locations must therefore be modeled. In this research, we interpret the task of spatial interpolation between sparsely distributed sensors as a task of enhancing an image's resolution, namely super-resolution. Because autoencoders are proven to perform well for this super-resolution task, we trained a convolutional encoder-decoder neural network to map the gas distribution over a spatially sparse sensor network. Due to the difficulty to collect real-world gas distribution data and missing ground truth, we used synthetic data generated with a gas distribution simulator for training and evaluation of the model. Our results show that the neural network was able to learn the behavior of gas plumes and outperforms simpler interpolation techniques.
Es werden Ergebnisse von 1H-NMR-Relaxometrie-Messungen an Salzbeton und einem alkali-aktivierten Material, die im Rahmen des Themenfeldprojektes Seal Waste Safe durchgeführt werden, vorgestellt. Dabei wird die zeitliche Entwicklung von ausgewählten Merkmalen der ermittelten T2-Relaxationszeitenverteilungen während der Hydratation betrachtet. Als Referenz zur Identifikation von charakteristischen Hydratationsereignissen dienen der Vicat-Nadeleindringversuch und Wärmeflusskalorimetrie.
Lifestyle modifications could prevent almost one‑third to one‑half of all cancer cases. The awareness of cancer risk factors could motivate people to make such changes in their behaviors and lifestyles. This work aims to investigate the cancer awareness level in the Pakistani population. Telephone interviews of 657 individuals in Pakistan were carried out using the Cancer Awareness Measure (CAM) and Cancer Awareness Measure–MYthical Causes Scale (CAM‑MY). We observed that participants scored significantly better on the CAM scale than the CAM‑MY scale, and CAM scores were negatively associated with CAM‑MY scores. Years of formal education or a biology major at undergraduate or graduate level did not affect our population’s cancer awareness levels. Age displayed a weak but statistically significant negative association with CAM scores. Most participants failed to identify modifiable cancer risk factors, e.g., low physical activity. Efforts should be made to improve awareness of modifiable risk factors. We observed that brief training sessions could markedly improve people’s understanding of cancer risk factors and myths.
Im Jahre 2011 wurde in Deutschland nach 50 Jahren der Ausstieg aus der kommerziellen Kernenergie beschlossen. Fünf Jahre später war Deutschland mit 80.000 GWh immer noch unter den zehn größten Atomstromproduzenten. Im darauffolgenden Jahr wurden weltweit 2.500.000 GWh Atomstrom produziert. Durch die Atomstromproduktion fallen große Mengen an radioaktiven Reststoffen an, die bis zu mehrere tausend Jahre für einen vollständigen Abbau benötigen. Aus dieser Problematik geht die Debatte über den Verbleib der Reststoffe hervor. Die Endlagerung in tiefen Gesteinsschichten ist eine Lösung für das Problem. Voraussetzung ist hierbei allerdings die Gewährleistung eines dauerhaften Schutzes vor ionisierender Strahlung, die durch Verschlüsse der tiefen Gesteinsschichten in Form von Verschlussbauwerken erzielt werden sollen. Es gilt die bauliche Integrität sowie die Dichtwirkung der Verschlussbauwerke dauerhaft zu überwachen und zu prüfen, um eine langfristige Verzögerung der Radionuklidfreisetzung zu gewährleisten.
Nach einer kurzen Einführung in die Schallemissionsprüfung und -Analyse wird ein Versuchsstand vorgestellt, der im Rahmen des Themenfeldprojektes Seal Waste Safe installiert wurde. Schwerpunkt des Vortrages sind die Schallemissionsmessungen an einem 150 l Demonstrator aus Salzbeton und einem weiteren aus alkali-aktiviertem Material. Neben der konventionellen Schallemissionsanaylse mit Aktivitäts- und Intensitätsparametern der Zeitsignale, werden auch frequenzbasierte Parameter zur Analyse andiskutiert.
Remote gas sensors mounted on mobile robots enable the mapping of gas distributions in large or poorly accessible areas. A challenging task however, is the generation of three-dimensional distribution maps from these spatially sparse gas measurements. To obtain high-quality reconstructions, the choice of optimal measuring poses is of great importance. Remote gas sensors, that are commonly used in Robot Assisted Gas Tomography (RAGT), require reflecting surfaces within the sensor’s range, limiting the possible sensing geometries, regardless of whether the robots are ground-based or airborne. By combining ground and aerial robots into a heterogeneous swarm whose agents are equipped with reflectors and remote gas sensors, remote inter-robot gas measurements become available, taking RAGT to the next dimension – releasing those constraints. In this paper, we demonstrate the feasibility of drone-to-drone measurements under realistic conditions and highlight the resulting opportunities.
Die Integrität der Verstärkungsfasern in Komposit-Zahnstiften ist entscheidend für die Biegefestigkeit und die langfristige Haftung am Zement in den Wurzelkanälen. Es wurde vermutet, dass die Integrität von glasfaserverstärkten Zahnstiften durch das Beschleifen während der zahnmedizinischen Behandlung beeinträchtigt wird. Eine Beschädigung der Fasern führt zu einer erheblichen strukturellen Schwächung über den gesamten Stiftdurchmesser. Glasfragmente, die durch den Kontakt mit dem Zahnbohrer entstehen, können sich vom Stift lösen und die Haftfähigkeit erheblich verringern. Mit Hilfe hochauflösender Synchrotron-Röntgen-Refraktions-Radiographie (SXRR) konnte das Ausmaß der Schäden zuverlässig identifiziert und charakterisiert werden.
Dazu wurden die Glasfaserstifte sowohl im Herstellungszustand als auch nach der Bearbeitung mit einem Diamantbohrer untersucht. Die Datensätze wurden zur Visualisierung und Quantifizierung der morphologischen Charakteristika intakter und durch das Beschleifen beschädigter Regionen analysiert. Sie zeigen Schäden im bearbeiteten Bereich (z. B. Brüche, Splitter und Risse) sowie herstellungsbedingte Inhomogenitäten der Fasern mit einer signifikanten Zunahme der inneren Oberflächen in Probenregionen, die durch das Beschleifen beschädigt wurden.
Remote gas sensors mounted on mobile robots enable the mapping of gas distributions in large or poorly accessible areas. A challenging task however, is the generation of three-dimensional distribution maps from these spatially sparse gas measurements. To obtain high-quality reconstructions, the choice of optimal measuring poses is of great importance. Remote gas sensors, that are commonly used in Robot Assisted Gas Tomography (RAGT), require reflecting surfaces within the sensor’s range, limiting the possible sensing geometries, regardless of whether the robots are ground-based or airborne. By combining ground and aerial robots into a heterogeneous swarm whose agents are equipped with reflectors and remote gas sensors, remote inter-robot gas measurements become available, taking RAGT to the next dimension – releasing those constraints. In this paper, we demonstrate the feasibility of drone-to-drone measurements under realistic conditions and highlight the resulting opportunities.
Die Integrität der Verstärkungsfasern in Komposit-Zahnstiften ist entscheidend für die Biegefestigkeit und die langfristige Haftung am Zement in den Wurzelkanälen. Es wurde vermutet, dass die Integrität von glasfaserverstärkten Zahnstiften durch das Beschleifen während der zahnmedizinischen Behandlung beeinträchtigt wird. Eine Beschädigung der Fasern führt zu einer erheblichen strukturellen Schwächung über den gesamten Stiftdurchmesser. Glasfragmente, die durch den Kontakt mit dem Zahnbohrer entstehen, können sich vom Stift lösen und die Haftfähigkeit erheblich verringern. Mit Hilfe hochauflösender Synchrotron-Röntgen-Refraktions-Radiographie (SXRR) konnte das Ausmaß der Schäden zuverlässig identifiziert und charakterisiert werden.
Dazu wurden die Glasfaserstifte sowohl im Herstellungszustand als auch nach der Bearbeitung mit einem Diamantbohrer untersucht. Die Datensätze wurden zur Visualisierung und Quantifizierung der morphologischen Charakteristika intakter und durch das Beschleifen beschädigter Regionen analysiert. Sie zeigen Schäden im bearbeiteten Bereich (z. B. Brüche, Splitter und Risse) sowie herstellungsbedingte Inhomogenitäten der Fasern mit einer signifikanten Zunahme der inneren Oberflächen in Probenregionen, die durch das Beschleifen beschädigt wurden.
Due to the diffusive nature of heat propagation in solids, the detection and resolution of internal defects with active thermography based non-destructive testing is commonly limited to a defect-depth-to-defect-size ratio greater than or equal to one. In the more recent past, we have already demonstrated that this limitation can be overcome by using a spatially modulated illumination source and photothermal super resolution-based reconstruction. Furthermore, by relying on compressed sensing and computational imaging methods we were able to significantly reduce the experimental complexity to make the method viable for investigating larger regions of interest. In this work we share our progress on improving the defect/inhomogeneity characterization using fully 2D spatially structured illumination patterns instead of scanning with a single laser spot. The experimental approach is based on the repeated blind pseudo-random illumination using modern projector technology and a high-power laser. In the subsequent post-processing, several measurements are then combined by taking advantage of the joint sparsity of the defects within the sample applying 2D-photothermal super resolution reconstruction. Here, enhanced nonlinear convex optimization techniques are utilized for solving the underlying ill-determined inverse problem for typical simple defect geometries. As a result, a higher resolution defect/inhomogeneity map can be obtained at a fraction of the measurement time previously needed.
In the face of rising energy demand and the impending climate change the development of a sustainable, fossil-free fuel and chemical production is of global importance. One possible goal is the development of electrochemical conversion processes using catalysts. Porous materials play an important role in such energy applications. The activity and stability of each catalyst is highly dependent on the properties of the coating, i.e., phase composition, crystallinity, accessible surface area, and many other factors. The key to the development of improved catalysts is a better understanding of the relations between their performance, stability and physico-chemical properties. However, the complex morphology of such catalysts constitutes a challenge even for modern analytical techniques. Spectroscopic ellipsometry (SE) is a versatile method for studying material properties by using appropriate models (e.g., film thickness, optical and electronic properties). Ellipsometric models need to be validated in order to produce accurate results. In a first step, the model for the ellipsometric fit studies of a calcination series of mesoporous iridium oxide films (300 – 600 °C) was investigated and validated with respect to their material properties.[4] The information on electronic structure of the catalysts shows a direct correlation with electrochemical activities. The development of an environmental electrochemical cell offers the possibility of investigations under operando conditions. Thus, changes in optical and electronic properties can be induced and monitored during the electrocatalytic oxygen evolution reaction.
In this work, we present the recent in-situ imaging developments at the BAMline (of synchrotron BESSY II, HZB), focused on the in-situ characterization and understanding of microstructural evolution of additively manufactured materials subjected to different environments. Two show cases are presented. In the first, X-ray refraction radiography (SXRR) was combined with in-situ heat treatment to monitor the microstructural evolution as a function of temperature in a laser powder bed fusion (LPBF) manufactured AlSi10Mg alloy. We show that SXRR allows detecting the changes in the Si-phase morphology upon heating using statistically relevant volumes. SXRR also allows observing the growth of pores (i.e., thermally induced porosity), usually studied via X-ray computed tomography (XCT), but using much smaller fields-of-view. In the second case study, XCT was combined with in-situ tensile test to investigate the damage mechanism in a LPBF Aluminum Metal Matrix Composite (MMC). In-situ SXCT test disclosed the critical role of the defects in the failure mechanism along with pre-cracks in the reinforcement phase of MMC. We found that cracks were initiated from lack-of-fusion defects and propagated through coalescence with other defects.
Für die aktive Thermografie als zerstörungsfreie Prüfmethode galt lange Zeit die Faustformel, dass die Auflösung interner Defekte/Inhomogenitäten auf ein Verhältnis von Defekttiefe/Defektgröße ≤ 1 beschränkt ist. Die Ursache hierfür liegt in der diffusiven Natur der Wärmeleitung in Festkörpern. Sogenannte Super-Resolution-Ansätze erlauben seit Kurzem die Überwindung dieser physikalischen Grenze um ein Vielfaches. Damit ergibt sich die attraktive Möglichkeit die Thermografie von einem rein oberflächensensitiven Prüfverfahren hin zu einem Verfahren mit verbesserter Tiefenreichweite zu entwickeln. Wie weit diese Entwicklung getrieben werden kann, ist Gegenstand aktueller Forschung.
Wir konnten bereits zeigen, dass diese klassische Grenze für 1D- und 2D-Defektgeometrien mit Hilfe des Abscannens des Prüfkörpers mittels einzelner Laserspots und der anschließenden Anwendung von photothermischer Super-Resolution-Rekonstruktion überwunden werden kann. Bei dieser Methode wird eine Kombination aus sequenzieller räumlich strukturierter Beleuchtung und numerischen Optimierungsmethoden eingesetzt. Dies geschieht allerdings auf Kosten der experimentellen Komplexität, die zu einer langen Messdauer, großen Datensätzen und langwieriger numerischer Auswertung führt.
In dieser Arbeit berichten wir über einen neuen experimentellen Ansatz, bei dem räumlich strukturierte 2D-Beleuchtungsmuster in Verbindung mit Compressed-Sensing und Computational-Imaging-Methoden verwendet werden, um die experimentelle Komplexität deutlich zu verringern und die Methode für die Untersuchung größerer Prüfflächen nutzbar zu machen.
Der experimentelle Ansatz basiert dabei auf der wiederholten (blinden) photothermischen Anregung mit räumlich strukturierten 2D-Mustern unter Verwendung moderner Projektortechnik und eines Hochleistungslasers. In der anschließenden numerischen Rekonstruktion werden mehrere Messungen unter Ausnutzung der Joint-Sparsity der Defekte innerhalb des Prüfkörpers mittels nichtlinearer konvexer Optimierungsmethoden kombiniert. Als Ergebnis kann eine 2D-sparse Defekt-/Inhomogenitätskarte erstellt werden.
Hundreds of papyrus rolls, carbonized during the 79CE eruption of Mount Vesuvius, were discovered in 1754 at Herculaneum. Sophisticated mechanical methods for unrolling the best-preserved scrolls have been applied, with varying success. However, such processes have been abandoned, to prevent risk from irremediable damage or loss and to preserve the integrity of the extremely fragile rolls. Following the development of X-ray based non-invasive techniques, attempts to virtually unroll the scrolls were made. The most common ink in Antiquity was carbon-based, and the main element of carbonized papyrus is carbon, making these investigations difficult. However, some attempts with synchrotron X-ray phase-contrast tomography (XPCT) were successful. Recently, the identification of antique inks containing metals raised hope that if some of the inks contain metal the rolls can be virtually unrolled using conventional CT- technique. We investigated the inks of a selection of partially unrolled fragments stored at the Biblioteca Nazionale di Napoli with X-ray fluorescence in order to select the best candidates for tomography. Despite the many difficulties (analysis of several layers sticking together, letters barely visible, difficulty to separate contribution from the ink and from the papyrus, inhomogeneity of the support, fragility of the fragments…), encouraging results were found, with a number of inks from Greek fragments found to contain additions to the soot (Fe, Pb, Cu P).
Für die aktive Thermografie als zerstörungsfreie Prüfmethode galt lange Zeit die Faustformel, dass die Auflösung interner Defekte/Inhomogenitäten auf ein Verhältnis von Defekttiefe/Defektgröße ≤ 1 beschränkt ist. Die Ursache hierfür liegt in der diffusiven Natur der Wärmeleitung in Festkörpern. Sogenannte Super-Resolution-Ansätze erlauben seit Kurzem die Überwindung dieser physikalischen Grenze um ein Vielfaches. Damit ergibt sich die attraktive Möglichkeit die Thermografie von einem rein oberflächensensitiven Prüfverfahren hin zu einem Verfahren mit verbesserter Tiefenreichweite zu entwickeln. Wie weit diese Entwicklung getrieben werden kann, ist Gegenstand aktueller Forschung.
Wir konnten bereits zeigen, dass diese klassische Grenze für 1D- und 2D Defektgeometrien mit Hilfe des Abscannens des Prüfkörpers mittels einzelner Laserspots und der anschließenden Anwendung von photothermischer Super-Resolution-Rekonstruktion überwunden werden kann. Bei dieser Methode wird eine Kombination aus sequenzieller räumlich strukturierter Beleuchtung und numerischen Optimierungsmethoden eingesetzt. Dies geschieht allerdings auf Kosten der experimentellen Komplexität, die zu einer langen Messdauer, großen Datensätzen und langwieriger numerischer Auswertung führt.
In dieser Arbeit berichten wir über einen neuen experimentellen Ansatz, bei dem räumlich strukturierte 2D-Beleuchtungsmuster in Verbindung mit Compressed-Sensing und Computational-Imaging-Methoden verwendet werden, um die experimentelle Komplexität deutlich zu verringern und die Methode für die Untersuchung größerer Prüfflächen nutzbar zu machen.
Der experimentelle Ansatz basiert dabei auf der wiederholten (blinden) photothermischen Anregung mit räumlich strukturierten 2D-Mustern unter Verwendung moderner Projektortechnik und eines Hochleistungslasers. In der anschließenden numerischen Rekonstruktion werden mehrere Messungen unter Ausnutzung der Joint-Sparsity der Defekte innerhalb des Prüfkörpers mittels nichtlinearer konvexer Optimierungsmethoden kombiniert. Als Ergebnis kann eine 2D-sparse Defekt-/Inhomogenitätskarte erstellt werden.