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Paper des Monats
- ja (7)
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.
Rock weathering is a key process in global elemental cycling. Life participates in this process with tangible consequences observed from the mineral interface to the planetary scale. Multiple lines of evidence show that microorganisms may play a pivotal—yet overlooked—role in weathering. This topic is reviewed here with an emphasis on the following questions that remain unanswered: What is the quantitative contribution of bacteria and fungi to weathering? What are the associated mechanisms and do they leave characteristic imprints on mineral surfaces or in the geological record? Does biogenic weathering fulfill an ecological function, or does it occur as a side effect of unrelated metabolic functions and biological processes? An overview of efforts to integrate the contribution of living organisms into reactive transport models is provided. We also highlight prospective opportunities to harness microbial weathering in order to support sustainable agroforestry practices and mining activities, soil remediation, and carbon sequestration.
Rapid solidification leads to unique microstructural features, where a less studied topic is the formation of various crystalline defects, including high dislocation densities, as well as gradients and splitting of the crystalline orientation. As these defects critically affect the material’s mechanical properties and performance features, it is important to understand the defect formation mechanisms, and how they depend on the solidification conditions and alloying. To illuminate the formation mechanisms of the rapid solidification induced crystalline defects, we conduct a multiscale modelling analysis consisting of bond-order potential-based molecular dynamics (MD), phase field crystal-based amplitude expansion simulations, and sequentially coupled phase field–crystal plasticity simulations. The resulting dislocation densities are quantified and compared to past experiments. The atomistic approaches (MD, PFC) can be used to calibrate continuum level crystal plasticity models, and the framework adds mechanistic insights arising from the multiscale analysis.
This article is part of the theme issue ‘Transport phenomena in complex systems (part 2)’.
Investigation of the Thermal Stability of Proteinase K for the Melt Processing of Poly(L‑lactide)
(2022)
The enzymatic degradation of aliphatic polyesters offers unique opportunities for various use cases in materials science. Although evidently desirable, the implementation of enzymes in technical applications of polyesters is generally challenging due to the thermal lability of enzymes. To prospectively overcome this intrinsic limitation, we here explored the thermal stability of proteinase K at conditions applicable for polymer melt processing, given that this hydrolytic enzyme is well established for its ability to degrade poly(L-lactide) (PLLA). Using assorted spectroscopic methods and enzymatic assays, we investigated the effects of high temperatures on the structure and specific activity of proteinase K. Whereas in solution, irreversible unfolding occurred at temperatures above 75−80 °C, in the dry, bulk state, proteinase K withstood prolonged incubation at elevated temperatures. Unexpectedly little activity loss occurred during incubation at up to 130 °C, and intermediate levels of catalytic activity were preserved at up to 150 °C. The resistance of bulk proteinase K to thermal treatment was slightly enhanced by absorption into polyacrylamide (PAM) particles. Under these conditions, after 5 min at a temperature of 200 °C, which is required for the melt processing of PLLA, proteinase K was not completely denatured but retained around 2% enzymatic activity. Our findings reveal that the thermal processing of proteinase K in the dry state is principally feasible, but equally, they also identify needs and prospects for improvement. The experimental pipeline we establish for proteinase K analysis stands to benefit efforts directed to this end. More broadly, our work sheds light on enzymatically degradable polymers and the thermal processing of enzymes, which are of increasing economical and societal relevance.
In this work, two X-ray refraction based imaging methods, namely, synchrotron X-ray refraction radiography (SXRR) and synchrotron X-ray refraction computed tomography (SXRCT), are applied to analyze quantitatively cracks and porosity in metallic materials.
SXRR and SXRCT make use of the refraction of X-rays at inner surfaces of the material, e.g., the surfaces of cracks and pores, for image contrast. Both methods are, therefore, sensitive to smaller defects than their absorption based counterparts X-ray radiography and computed tomography. They can detect defects of nanometric size.
So far the methods have been applied to the analysis of ceramic materials and fiber reinforced plastics. The analysis of metallic materials requires higher photon energies to achieve sufficient X-ray transmission due to their higher density. This causes smaller refraction angles and, thus, lower image contrast because the refraction index depends on the photon energy. Here, for the first time, a conclusive study is presented exploring the possibility to apply SXRR and SXRCT to metallic materials. It is shown that both methods can be optimized to overcome the reduced contrast due to smaller refraction angles. Hence, the only remaining limitation is the achievable X-ray Transmission which is common to all X-ray imaging methods. Further, a model for the quantitative analysis of the inner surfaces is presented and verified.
For this purpose four case studies are conducted each posing a specific challenge to the imaging task. Case study A investigates cracks in a coupon taken from an aluminum weld seam. This case study primarily serves to verify the model for quantitative analysis and prove the sensitivity to sub-resolution features. In case study B, the
damage evolution in an aluminum-based particle reinforced metal-matrix composite is analyzed. Here, the accuracy and repeatability of subsequent SXRR measurements is investigated showing that measurement errors of less than 3% can be achieved. Further, case study B marks the fist application of SXRR in combination with in-situ tensile loading. Case study C is out of the highly topical field of additive manufacturing. Here, porosity in additively manufactured Ti-Al6-V4 is analyzed with a special interest in the pore morphology. A classification scheme based on SXRR measurements is devised which allows to distinguish binding defects from keyhole pores even if the defects cannot be spatially resolved. In case study D, SXRCT is applied to the analysis of hydrogen assisted cracking in steel. Due to the high X-ray attenuation of steel a comparatively high photonenergy of 50 keV is required here. This causes increased noise and lower contrast in the data compared to the other case studies. However, despite the lower data quality a quantitative analysis of the occurance of cracks in dependence of hydrogen content and applied mechanical load is possible.
Advanced peptide-based nanomaterials composed of self-assembling peptides (SAPs) are of emerging interest in pharmaceutical and biomedical applications. The introduction of fluorine into peptides, in fact, offers unique opportunities to tune their biophysical properties and intermolecular interactions. In particular, the degree of fluorination plays a crucial role in peptide engineering as it can be used to control the characteristics of fluorine-specific interactions and, thus, peptide conformation and self-assembly. Here, we designed and explored a series of amphipathic peptides by incorporating the fluorinated amino acids (2S)-4-monofluoroethylglycine (MfeGly), (2S)-4,4-difluoroethylglycine (DfeGly) and (2S)-4,4,4-trifluoroethylglycine (TfeGly) as hydrophobic components. This approach enabled studying the impact of fluorination on secondary structure formation and peptide self-assembly on a systematic basis. We show that the interplay between polarity and hydrophobicity, both induced differentially by varying degrees of side chain fluorination, does affect peptide folding significantly. A greater degree of fluorination promotes peptide fibrillation and subsequent formation of physical hydrogels in physiological conditions. Molecular simulations revealed the key role played by electrostatically driven intra-chain and inter-chain contact pairs that are modulated by side chain fluorination and give insights into the different self-organization behaviour of selected peptides. Our study provides a systematic report about the distinct features of fluorinated oligomeric peptides with potential applications as peptide-based biomaterials.
Die Publikation befasst sich mit einer einzigartigen Sammlung mexikanischer und südamerikanischer Handschriften, die zu Beginn des 19. Jahrhunderts ins Leben gerufen wurde, als Alexander von Humboldt der Königlichen Bibliothek zu Berlin Fragmente indigener mexikanischer Bilderhandschriften aus dem 16. Jahrhundert schenkte. Sie sind heute auch unter der Bezeichnung Humboldt-Fragmente bekannt und stellen den bedeutendsten Teil der Sammlung dar, die im Laufe der Zeit durch den Ankauf verschiedener Arten von Handschriften aus Mittelamerika, vorwiegend in indigenen Sprachen und lateinischer Schrift, erweitert wurde.
In den zwei Jahren von April 2017 bis März 2019 verfolgten die Staatsbibliothek zu Berlin – Preußischer Kulturbesitz (SBB-PK) und die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ein gemeinsames, von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) großzügig gefördertes wissenschaftliches Projekt: Materialanalysen und kulturgeschichtliche Untersuchungen mexikanischer Handschriften aus der Kolonialzeit in Berlin und Krakau.
Die Hauptziele des Projekts bestanden darin, die Provenienz der Manuscripta americana zu ermitteln und, da sie einen hohen Grad an Fragmentierung aufweisen, festzustellen, wie sie untereinander und mit Objekten außerhalb der Sammlung in Beziehung stehen. Zu diesem Zweck wurden ethno-kulturhistorische und naturwissenschaftliche Methoden kombiniert. Dank einer guten Zusammenarbeit mit der Jagiellonen-Bibliothek konnten wir die Manuscripta americana sowohl in Berlin als auch in Krakau sehen und studieren und sie wissenschaftlich vermessen.
Die Klassik-Stiftung Weimar besitzt eine umfangreiche Sammlung niederländischer und flämischer Zeichnungen vom 15. bis 19. Jahrhundert. Im Rahmen des Forschungsprojektes »Kennerschaft heute« wurde der Bestand der über 1.500 Zeichnungen erstmals wissenschaftlich erschlossen. Das Handbuch führt anhand bedeutender Werkgruppen, darunter Zeichnungen von Lucas van Leyden, Dirck Vellert, Roelant Savery und Rembrandt, den Reichtum der Weimarer Sammlung vor Augen, die zum großen Teil auf die Sammelleidenschaft von Johann Wolfgang Goethe zurückgeht. Im Zentrum des Buches steht aber die Zusammenarbeit von traditioneller Stilkritik und naturwissenschaftlicher Materialanalyse. In zwölf Fallbeispielen wird die Notwendigkeit einer methodischen Neuausrichtung der Kennerschaft darlegt. Einen Schwerpunkt der Untersuchungen bildet hierbei das große Konvolut an Zeichnungen von Rembrandt und seinen Schülern, das erstmals systematisch auf die verwendeten Zeichenmaterialien und Papiere untersucht wird.
What is meant by ‘Micro Non-Destructive Testing and Evaluation’? This was the central subject of debate in this Special Issue.
At present, sub-millimeter-size components or even assemblies are pervading the industrial and scientific world. Classic examples are electronic devices and watches (as well as parts thereof), but recent examples encompass additively manufactured lattice structures, stents, or other microparts. Moreover, most assemblies contain micro-components. Testing such components or their miniaturized parts would fit well within the topic of micro non-destructive testing and evaluation.
In all cases, performance and integrity testing, quality control, and dimensional tolerances need to be measured at the sub-millimeter level (ideally with a spatial resolution of about a micron); most of the time, such features and components are embedded in much larger assemblies, which also need to be taken into account. The solution to this dilemma (i.e. measuring large parts with high resolution) depends on the part and on the problem under consideration.
Another possible definition of micro non-destructive testing and evaluation can relate to the characterization of micro-features (e.g., the microstructure) in much larger specimens, such as damage in concrete cores or porosity in additively manufactured components. A further aspect is the use of microscopic probes to evaluate macroscopic properties. This is the case, for instance but not at all exclusively, in the use of diffraction techniques to determine macroscopic stress.
The splits between testing and characterization at the micro-level (or of micro parts) from one side and handling of macroscopic assemblies on the other represent a great challenge for many fields of materials characterization. On top of that, including the use of microscopic methods to test integrity would add a further level of complexity.
Imaging, mechanical testing, non-destructive testing, measurement of properties, structural health monitoring, and dimensional metrology all need to be re-defined if we want to cope with the multi-faceted topic of micro non-destructive testing and evaluation.
The challenge has already been accepted by the scientific and engineering communities for a while but is still far from being universally tackled. This Special Issue yields an interesting answer to the questions posed above. It presents the progress made and the different aspects of the challenge as well as at indicates the paths for the future of NDT&E.