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Copolymer thin films with two types of functional groups have excellent performance as sensors, for example. The formation and deposition of allyl alcohol‐acrylic acid copolymer films by pulsed high frequency plasma is a complex process. As usual, the chemical composition of the top surface of the films was investigated by XPS and FTIR measurements. Furthermore, contact angle measurements with water were used to characterise the hydrophilicity and wettability of the polymer films.
After plasma deposition, a significant decrease in functional groups (OH and COOH) was observed compared to the classically copolymerised equivalent.
The remaining functional groups, i.e. the majority of these groups, were sufficient for application as sensor layers. Segmental mobility and conductivity, important for sensor applications, were analysed by broadband dielectric spectroscopy.
Ring-opening polymerizations of l-lactide are studied in bulk at 140 or 160 °C with zinc n-hexanoate, zinc 4-chlorothiophenolate, and zinc pentafluoro thiophenolate (ZnSPF) as catalysts. The reactivity increases in the given order.
With all three catalysts a high fraction of cycles is obtained only at polymerization (annealing) times around 7 d. With ZnSPF weight average molecular weights (Mw) up to 178 000, a Tm around 199 °C and a 𝚫Hm around 99 J g−1 were achieved. The samples annealed for 4 or 7 d also display a saw tooth pattern of the mass peak distribution in the matrix-assisted laser desorption/ionization time of flight spectra indicating transesterification reactions across the surface of extended ring crystals. This process optimizes the thermodynamical properties of the crystalline cyclic polylactides and is responsible for the high Tm and 𝚫Hm values.
The huge atomic heterogeneity of high-entropy materials along with a possibility to unravel the behavior of individual components at the atomic scale suggests a great promise in designing new compositionally complex systems with the desired multi-functionality. Herein, we apply multi-edge X-ray absorption spectroscopy (extended X-ray absorption fine structure (EXAFS), X-ray absorption near edge structure (XANES), and X-ray magnetic circular dichroism (XMCD)) to probe the structural, electronic, and magnetic properties of all individual constituents in the single-phase face-centered cubic (fcc)-structured nanocrystalline thin film of Cr20Mn26Fe18Co19Ni17 (at.%) high-entropy alloy on the local scale. The local crystallographic ordering and component-dependent lattice displacements were explored within the reverse Monte Carlo approach applied to EXAFS spectra collected at the K absorption edges of several constituents at room temperature. A homogeneous short-range fcc atomic environment around the absorbers of each type with very similar statistically averaged interatomic distances (2.54–2.55 Å) to their nearest-neighbors and enlarged structural relaxations of Cr atoms were revealed. XANES and XMCD spectra collected at the L2,3 absorption edges of all principal components at low temperature from the oxidized and in situ cleaned surfaces were used to probe the oxidation states, the changes in the electronic structure, and magnetic behavior of all constituents at the surface and in the sub-surface volume of the film. The spin and orbital magnetic moments of Fe, Co, and Ni components were quantitatively evaluated. The presence of magnetic phase transitions and the co-existence of different magnetic phases were uncovered by conventional magnetometry in a broad temperature range.
With increasing demand and environmental concerns, researchers are exploring new materials that can perform as well or better than traditional materials while reducing environmental impact. The BAMline, a real-life sample materials research beamline, provides unique insights into materials’ electronic and chemical structure at different time and length scales. The beamline specializes in x-ray absorption spectroscopy, x-ray fluorescence spectroscopy, and tomography experiments. This enables real-time optimization of material properties and performance for various applications, such as energy transfer, energy storage, catalysis, and corrosion resistance. This paper gives an overview of the analytical methods and sample environments of the BAMline, which cover non-destructive testing experiments in materials science, chemistry, biology, medicine, and cultural heritage. We also present our own synthesis methods, processes, and equipment developed specifically for the BAMline, and we give examples of synthesized materials and their potential applications. Finally, this article discusses the future perspectives of the BAMline and its potential for further advances in sustainable materials research.
In this study, we propose the use of nondestructive, depth-resolved, element-specific characterization using grazing exit X-ray absorption near-edge structure spectroscopy (GE-XANES) to investigate the corrosion process in compositionally complex alloys (CCAs). By combining grazing exit X-ray fluorescence spectroscopy (GE-XRF) geometry and a pnCCD detector, we provide a scanning-free, nondestructive, depth-resolved analysis in a sub-micrometer depth range, which is especially relevant for layered materials, such as corroded CCAs. Our setup allows for spatial and energy-resolved measurements and directly extracts the desired fluorescence line, free from scattering events and other overlapping lines. We demonstrate the potential of our approach on a compositionally complex CrCoNi alloy and a layered reference sample with known composition and specific layer thickness. Our findings indicate that this new GE-XANES approach has exciting opportunities for studying surface catalysis and corrosion processes in real-world materials.
Mesoporous glasses are a promising class of bioresorbable biomaterials characterized by high surface area and extended porosity in the range of 2 to 50 nm. These peculiar properties make them ideal materials for the controlled release of therapeutic ions and molecules. Whilst mesoporous silicate-based glasses (MSG) have been widely investigated, much less work has been done on mesoporous phosphate-based glasses (MPG). In the present study, MPG in the P2O5–CaO–Na2O system, undoped and doped with 1, 3, and 5 mol% of Cu ions were synthesized via a combination of the sol–gel method and supramolecular templating. The non-ionic triblock copolymer Pluronic P123 was used as a templating agent. The porous structure was studied via a combination of Scanning Electron Microscopy (SEM), Small-Angle X-ray Scattering (SAXS), and N2 adsorption–desorption analysis at 77 K. The structure of the phosphate network was investigated via solid state 31P Magic Angle Spinning Nuclear Magnetic Resonance (31P MAS-NMR) and Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy. Degradation studies, performed in water via Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectroscopy (ICP-OES), showed that phosphates, Ca2+, Na+ and Cu ions are released in a controlled manner over a 7 days period. The controlled release of Cu, proportional to the copper loading, imbues antibacterial properties to MPG. A significant statistical reduction of Staphylococcus aureus (S. aureus) and Escherichia coli (E. coli) bacterial viability was observed over a 3 days period. E. coli appeared to be more resistant than S. aureus to the antibacterial effect of copper. This study shows that copper doped MPG have great potential as bioresorbable materials for controlled delivery of antibacterial ions.
Im Verbundprojekt RUSEKU wurde die Probenahme von Wasserproben entscheidend weiterentwickelt. Wichtig ist hierbei zu gewährleisten, dass genügend Merkmalsträger in jeder Probe untersucht werden. Es muss daher eine für den Probenahmeort repräsentative Beprobung hinsichtlich des Wasservolumens in Abhängigkeit der Partikelanzahl gewährleistet sein.
Das Hauptaugenmerk lag im vorliegenden Projekt auf einer praxisnahen Beprobungsstrategie. Es wurden verschiedene Konzepte ausprobiert.
• Grundsätzlich hat sich gezeigt, dass eine Stichprobe eine Momentaufnahme des MP-Massengehaltes zeigt. Es wird eine hohe Statistik, also eine Vielzahl an Messungen am gleichen Probenahmeort, benötigt, um eine valide Aussage über den MP-Gehalt zu machen.
• Es zeigt sich, dass eine integrale Probenahme über mehrere Wochen mit dem SK routinemäßig möglich ist. Die erfassten MP-Massen sind reproduzierbar und robust.
• Die DFZ ist für Stichproben geeignet. Partikel < 50 µm werden eventuell unterschätzt
• Die fraktionierte Filtration kann für Stich- und Mischproben direkt im Feld genutzt werden. Fraktionen von 10 und 5 µm werden später im Labor Vakuum filtriert. Es erfolgt eine Fraktionierung der Probe mit Siebmaschenweiten von 1000, 500, 100, 50, 10 und 5 µm.
• Die fraktionierte Filtration kann auch anschließend an die Beprobung mit dem SK zur Anwendung kommen. Wird die mit dem SK gewonnene Wasserprobe fraktioniert filtriert, kann neben einem MP-Gesamtgehalt auch eine Einschätzung über die Partikelgrößen gewonnen werden.
• Für Wässer mit geringen Partikelzahlen wurde ein Messfiltertiegel entwickelt. Dieser hat eine Maschenweite von 6 µm. Seine Anwendung kann mögliche Verluste beim Transferieren vom Probenahmetool zum Messgefäß und mögliche Kontaminationen reduzieren.
Die Optimierung der Probenahmestrategie wurde durch Modellversuche und Simulationen unterstützt. Modellversuche zum Sinkverhalten und Simulationen von MP in realen Gewässern verdeutlichten das komplexe Verhalten der Partikel. Es konnte gezeigt werden, dass Partikel ab einer bestimmten Größe (und kleiner) bei genügend starker Turbulenz sich in der Wassersäule unabhängig von ihrer Dichte verhalten und so auch MP mit kleiner Dichte (z.B. PE) in der gesamten Wassersäule zu finden sind. Es konnte mit dem TEM die Existenz von NP gezeigt werden.
Ein wesentlicher Aspekt des RUSEKU Projektes war die Beprobung realer Kompartimente. Beprobt wurde neben Oberflächengewässern, das urbane Abwassersystem der Stadt Kaiserslautern, Waschmaschinenabwasser und Flaschenwasser.
• In Oberflächengewässern wurde hauptsächlich PE gefunden. Je nach Probe und Gewässer konnten auch PP, PS, PET, PA, SBR und Acrylate nachgewiesen werden.
• Im urbanen Abwassersystem der Stadt Kaiserslautern konnte an allen Probenahmestandorten MP nachgewiesen werden. Es wurde hauptsächlich PE, neben geringeren Mengen an PP, PS und SBR gefunden. Nach einem Regenereignis war der SBR Anteil deutlich erhöht.
• Die Beprobung eines realen Wäschepostens, bestehend aus T-Shirts und Hemden mit PA/CO oder PES/CO Mischgewebe, zeigte einen PA- und PES-Austrag im Waschwasser. Der überwiegende Teil der detektierten Fasern ist aber auf Baumwolle zurückzuführen. Reine gravimetrische Messungen zur Detektion von MP führen zu einer starken Überschätzung.
• In Flaschenwasser (PET-Flaschen) konnte MP detektiert werden. PET wurde nur im stillen Mineralwasser, nicht in Mineralwasser mit Kohlensäure gefunden werden. Teilweise wurde auch das MP-Material des Verschlusses im Wasser detektiert.
• Für Luftproben konnte ein Aufbau zur größenselektiven Beprobung getestet werden.
Neben der Probenahme hat das Projekt auch gezeigt, dass die TED-GC/MS geeignet für die MP-Detektion im Routinebetrieb ist. Die TED-GC/MS konnte weiter optimiert werden. Es wurden MP-Massen bestimmt.
Im Projekt wurden erste realitätsnahe Referenzmaterialien für die MP Detektion hergestellt. Die Herstellung von realitätsnahen Polymeren in ausreichender Homogenität und Menge hat sich als große Herausforderung herausgestellt.
Unwanted X-ray emission in ultrashort pulse laser processing: From metallic to biological materials
(2023)
Ultrashort laser pulses have become established in many industrial processes. Additionally, they are also an integral part of medical applications especially in ophthalmology and to some extent in dentistry. The availability of highly repetitive powerful laser sources and advanced laser beam control systems have favored these developments. However, the laser processing may be accompanied by the generation of unwanted X-rays. Small doses per laser pulse can accumulate to significant dose levels at high laser pulse repetition rates. Moreover, burst mode processing increases the X-ray dose rates compared to single pulse use and results in X-ray photon energies up to 40 keV for tungsten targets. For laser treatment of human teeth, clearly noticeable X-ray skin dose rates can be found. The paper summarizes the current state of the art in the field of undesired generation of X-ray radiation during ultrashort pulse laser processing in air.