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A project was funded by the European Union to build foundations for a virtual laboratory where experimental and theoretical results could be combined into an audio-visual interactive presentation through the use of modern computers. The process of thin film growth and modification by energetic ion beams was chosen as the first topic for this new educational tool.
Different models for thin film growth are developed and compared to experimental results in the presentation. Particular examples include spiral formation, modelled using cellular automata, island growth using Monte-Carlo methods and the first few layers of growth using classical molecular dynamics. Most of the examples are related to the growth of C60 films for which a number of experimental results had been obtained and previously reported in this journal [1]. The principle property under investigation was the structure and morphology of the films. Nine separate computer movies of the dynamics of these processes were developed on a fast PC under Windows95 and incorporated into a computer presentation made using the Authorware package. Experimental images obtained from a scanning force microscope were also included and compared to the computer models along with music and verbal explanation. In addition to the interactive version of the multi-media presentation, a non-interactive version was also made which is suitable for lectures or conference presentation. This version lasts approximately 25 minutes. Approximately 100 CD's of this work were made and are being distributed to various laboratories. A copy of the CD is available on request.
Diamanten kommen in der Natur vor und werden technisch über die Hochdruck-Hochtemperatur-Synthese erzeugt oder als polykristalline Schicht durch chemische Gasphasenabscheidung aus einem Kohlenwasserstoffplasma abgeschieden. Mit der Verarbeitung von Diamantkörnern in Verbundwerkstoffen werden neue leistungsfähige Schneid- und Polierwerkzeuge entwiCkelt. Diamantbeschichtungen oder Diamantkeramiken ermöglichen die Herstellung von dünnen Schneidwerkzeugen und Anwendungen in Elektronik und Optik mit extremer Belastbarkeit. Fullerene, Nanoröhrchen und Zwiebelstrukturen aus Kohlenstoff haben sich seit ihrer Entdeckung im Jahre 1985 zu einem eigenständigen Forschungsgebiet entwickelt und besitzen außergewöhnliche mechanische, optische und elektronische Eigenschaften, die sie für unterschiedlichste Anwendungen prädestinieren.
Die tiefenregistrierende Nanohärtemessung hat sich in den letzten 10 Jahren zu einer Standardmethode der nanomechanischen Prüfung entwickelt. Einerseits erschließt sie Strukturgrößen von 10 nm bis 1 μm Abmessung, andererseits liefert sie aber auch deutlich mehr Informationen als die klassische Härteprüfung. In der Arbeit wird die Methode der tiefenregistrierenden Härteprüfung aus der Sicht der technischen Realisierung, der Auswertung der Kraft-Tiefen-Kurven sowie der Interpretation der Ergebnisse dargestellt. Am Beispiel der Photoplastizität wird eine in situ-Modifizierung der mechanischen Eigenschaften vorgestellt, d. h. die Härte verändert sich reversibel durch Lichteinwirkung während der Messung. Ionenimplantation und UV-Exposition sind irreversible Methoden der Variation mechanischer Eigenschaften. Hier liefert der Vergleich von Kraft-Tiefe-Kurven vor und nach der Behandlung wertvolle Informationen über das Materialverhalten.
Technische Prozesse können erheblich durch Biofilme beeinflußt werden und spielen in weiten Bereichen der Technik und Biotechnologie eine große Rolle. Ein zentrales Problem beim Einsatz von Werkstoffen in biologischen Systemen ist die Ansiedlung von Zellen und deren Stoffwechselprodukten auf Festkörperoberflächen. Erst hiervon gehen alle nachfolgenden Reaktionen aus, wie Kontamination von Implantaten und medizinischen Geräten, Biokorrosion und die Bildung von Biofilmen in technischen Geräten.
Die in der Biotechnologie eingesetzten Werkstoffe müssen bestimmten technischen und biologischen Forderungen genügen. Die Klärung der Adhäsionsmechanismen der Bakterien auf unterschiedlichen Werkstoffoberflächen und des sich aus einem ersten Zellhaufen entwickelnden Biofilms sowie die Reaktionen und die Transportmechanismen an und in ihm sind die Voraussetzung zur Interpretation der Werkstoffschädigung und des Zellverhaltens. Neben der konventionellen Licht- und Rasterelektronenmikroskopie steht mit der Raster-Kraft- Mikroskopie (SFM) ein neues Verfahren zur Abbildung von Oberflächen biologischer Systeme mit hoher Auflösung zur Verfügung. Ziel der Arbeiten ist es, mit dem SFM Untersuchungen von Biofilmen auf verschiedenen Werkstoffoberflächen durchzuführen. Hierzu ist es notwendig, die Raster-Kraft-Mikroskopie an die Besonderheiten biologischer Strukturen anzupassen. Aufgrund dieser Oberflächenuntersuchungen lassen sich dann geeignete Werkstoffe und Beschichtungen für den Einsatz in biologischen Systemen auswählen.
C60 and amorphous diamond-like carbon (DLC) films have been grown by thermal evaporation and laser ablation techniques at different substrate temperatures and on various substrates. The elastic modulus and the hardness of the films have been investigated by surface acoustic waves and nanoindentation. Both methods are completely new and designed for investigations of very thin films. For homogeneous C60 films the Young's modulus was found to be 14 GPa and the Poisson's ratio of 0.2. The measured nanohardness of 167 MPa corresponds with the microhardness value of 130 MPa. There is a correlation between deposition techniques and hardness as well as Young's modulus for DLC films.