Atomic level phenomena on transition metal surfaces

In this study we discuss the atomic level phenomena on transition metal surfaces. Transition metals are widely used as catalysts in industry. Therefore, reactions occuring on transition metal surfaces have large industrial intrest. This study addresses problems in very small size and time scales, which is an important part in the overall understanding of these phenomena. The publications of this study can be roughly divided into two categories: The adsorption of an O2 molecule to a surface, and surface structures of preadsorbed atoms. These two categories complement each other, because in the realistic case there are always some preadsorbed atoms at the catalytically active surfaces. However, all transition metals have an active d-band, and this study is also a study of the in uence of the active d-band on other atoms. At the rst part of this study we discuss the adsorption and dissociation of an O2 molecule on a clean stepped palladium surface and a smooth palladium surface precovered with sulphur and oxygen atoms. We show how the reactivity of the surface against the oxygen molecule varies due to the geometry of the surface and preadsorbed atoms. We also show how the molecular orbitals of the oxygen molecule evolve when it approaches the di erent sites on the surface. In the second part we discuss the surface structures of transition metal surfaces. We study the structures that are intresting on account of the Rashba e ect and charge density waves. We also study the adsorption of suphur on a gold surface, and surface structures of it. In this study we use ab-initio based density functional theory methods to simulate the results. We also compare the results of our methods to the results obtained with the Low-Energy-Electron-Difraction method.

Retentiopolymeerin optimointi täyteaineiden yhtäaikaisannostelussa

Kirjallisuusosassa perehdyttiin retentioaineisiin ja täyteaineisiin sekä retentioaineiden ja rainanmuodostusolosuhteiden vaikutukseen retentioon, vedenpoistoon ja paperin ominaisuuksiin. Tarkemmin kirjallisuusosassa keskityttiin täyteaineiden esiflokkaukseen, retentiopolymeerin adsorptioon sekä retentiopolymeerien ja täyteaineiden annostelutapoihin. Kokeellisessa osassa tutkittiin sarjaa retentiopolymeerejä, joiden varaustiheys ja moolimassa muuttuivat. Yksi polymeereistä oli kahdesta polymeeristävalmistettu suoladispersio ja yksi modifioitu kationinen PAM. Näillä polymeereillä käytiin läpi koesarjoja, joissa muutettiin täyteaineen annosteluaikaa retentiopolymeerin annosteluajan pysyessä vakiona. Lähinnä vertailtiin keskenään perinteistä annostelua, jossa täyteaine annosteltiin paljon ennen retentiopolymeeriä,ja yhtäaikaista annostelua, jossa molemmat annosteltiin yhtä aikaa lähellä perälaatikkoa. Kokeet tehtiin MBF-laitteella, jolla pystytään paperikonetta vastaaviin pulsaatiotaajuuksiin ja sillä voidaan valmistaa tasoviirakoneella valmistetunpaperin kaltaisia laboratorioarkkeja. Valmistetuista arkeista tutkittiin retentioita ja paperiteknisiä ominaisuuksia. Laboratoriokokeiden perusteella yhtäaikainen annostelu antoi paremmat täyteaineretentiot verrattaessa perinteiseen annosteluun lähes kaikissa koesarjoissa. Varsinkin lyhytketjuiset polymeerit näyttivättoimivan hyvin yhtäaikaisannostelulla, mikä saattaisi johtua siitä, että lyhyt reagointiaika sulpun kanssa on lyhytketjuisille polymeereille edullinen, sillä silloin polymeeriketjun konformaatio ei ehdi asettua liian alhaiseksi ja ketjun toimintakyky säilyy parempana. Polymeerin varaustiheyden kasvaessa riittävästi laski täyteaineretentio seuraavissa tapauksissa: SC-massa + kaoliini ja SC-massa +GCC kummallakin annostelulla sekä SC-massa + PCC A perinteisellä annostelulla. Hienopaperimassalla samaa trendiä noudatti täyteaine GCC kummallakin annostelulla, kun taas PCC H:ta käytettäessä paranivat täyteaineretentiot molemmilla annosteluilla. Retentiopolymeerin moolimassan kasvaessa riittävästi kääntyi täyteaineretentio laskuun täyteaineilla GCC ja kaoliini, kun käytettiin SC-massaa. Hienopaperimassalla GCC noudatti tätä samaa taipumusta. Sen sijaan SC-massalla PCC A:takäytettäessä täyteaineretentio puolestaan nousi hieman moolimassan kasvaessa. Näin kävi myös hienopaperimassalla, kun täyteaineena käytettiin PCC H:ta. Käytettäessä SC-massaa, perinteisellä annostelulla saatiin parempi tai yhtä hyvä valonsironta kuin yhtäaikaisella annostelulla kaikilla täyteaineilla. Tämä saattaisi johtua siitä, että yhtäaikaisannostelulla on muodostunut suurempia täyteaineflokkeja, mikä on alentanut valoa sirottavia pintoja. Täyteaineista korkeimmat valonsirontakertoimet antoi PCC A ja alhaisimmat kaoliini. PCC A:lla oli kapein partikkelikokojakauma, mikä korottaa paperin valonsirontaa. Hienopaperimassalla valonsirontakerroin ja opasiteetti suurenivat GCC-pitoisuuden kasvaessa kummallakin annostelulla, mikä voisi johtua täyteainepartikkelien antamasta paremmasta sironnasta. Yhtäaikaisella annostelulla saavutettiin huomattavasti paremmat valonsironnan arvot perinteiseen annosteluun verrattuna. PCC H-pitoisuuden kasvaessa suurenivat myös valonsirontakerroin ja opasiteetti kummallakin annostelulla. PCC H antoi korkeammat valonsirontakertoimet kuin GCC. PCC omaa suuremman valonheijastusluvun kuin GCC, minkä vuoksi se antaa paremmat valonsirontakertoimen arvot. PCC H:n partikkelikokojakauma oli myös kapeampi kuin GCC:n, mikä mahdollisti paremman valonsironnan ja opasiteetin saavuttamisen.

Paperikoneen märkäosan kemian hallinnan käytännön työkalut

Tämän työn lähtökohtana oli selvittää erään hienopaperikoneen merkittävimmät märkäosan kemian tasapainoon vaikuttavat tekijät. Työkaluina käytettiin WIC Compact -laitteistoa ja prosessin on-line -mittauksia. Näiden tuottaman informaation pohjalta tutkittiin tekijöiden vaikutusta paperikoneen ajettavuuteen tavoitteena löytää mahdolliset syy-seuraus -ilmiöt ja ennakoida näiden vaikutukset ennen paperikoneella tapahtuvia varsinaisia muutoksia. Kokeellisessa osassa mitattiin sameutta, varustilaa, alkaliteettia, pH:ta, lämpötilaa ja johtokykyä. Mittaukset tehtiin paperikoneen mänty- ja koivusellusta sekä hylkymassasta ja viiravedestä. Kokeellisen osan mittaustulosten perusteella havaittiin koivusellun uuteainepitoisuuden ja sameuden välillä olevan yhteyttä paperikoneen pihkaongelmiin. Katkotilanteet ajoittuivat usein prosessin pH- ja lämpötilavaihteluiden muutoskohtiin, missä pH ja lämpötila laskivat. Sen sijaan muutokset johtokyvyssä eivät olleet yhteydessä katkoihin. Optisen kirkasteen annostelumäärä vaikutti prosessin varaustilaan ja tapauksissa, missä varaustila selvästi kasvoi, kun optisen kirkasteen annostelua oltiin vähennetty, ilmeni ajettavuushäiriöitä. Muutokset PCC:n pH:ssa ja annostelussa näyttivät aiheuttavan perälaatikon pH-vaihteluita.

Wood-derived biomaterials for biomedical applications

Driven by the global trend in the sustainable economy development and environmental concerns, the exploring of plant-derived biomaterials or biocomposites for potential biomedical and/or pharmaceutical applications has received tremendous attention. Therefore, the work of this thesis is dedicated to high-value and high-efficiency utilization of plant-derived materials, with the focus on cellulose and hemicelluloses in the field of biomedical applications in a novel biorefinery concept. The residual cellulose of wood processing waste, sawdust, was converted into cellulose nanofibrils (CNFs) with tunable surface charge density and geometric size through 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxy (TEMPO)-mediated oxidation and mechanical defibrillation. The sawdust-based CNFs and its resultant free-standing films showed comparable or even better mechanical properties than those from a commercial bleached kraft pulp at the same condition, demonstrating the feasibility of producing CNFs and films thereof with outstanding mechanical properties from birch sawdust by a process incorporated into a novel biorefinery platform recovering also polymeric hemicelluloses for other applications. Thus, it is providing an efficient route to upgrade sawdust waste to valuable products. The surface charge density and geometric size of the CNFs were found to play key roles in the stability of the CNF suspension, as well as the gelling properties, swelling behavior, mechanical stiffness, morphology and microscopic structural properties, and biocompatibility of CNF-based materials (i.e. films, hydrogels, and aerogels). The CNFs with tunable surface chemistry and geometric size was found promising applications as transparent and tough barrier materials or as reinforcing additive for production of biocomposites. The CNFs was also applied as structural matrices for the preparation of biocomposites possessing electrical conductivity and antimicrobial activity by in situ polymerization and coating of polypyrrole, and incorporation of silver nanoparticles, which make the material possible for potential wound healing application. The CNF-based matrices (films, hydrogels, and aerogels) with tunable structural and mechanical properties and biocompatibility were further prepared towards an application as 3D scaffolds in tissue engineering. The structural and mechanical strength of the CNF matrices could be tuned by controlling the charge density of the nanocellulose, as well as the pH and temperature values of the hydrogel formation conditions. Biological tests revealed that the CNF scaffolds could promote the survival and proliferation of tumor cells, and enhance the transfection of exogenous DNA into the cells, suggesting the usefulness of the CNF-based 3D matrices in supporting crucial cellular processes during cell growth and proliferation. The CNFs was applied as host materials to incorporate biomolecules for further biomedical application. For example, to investigate how the biocompatibility of a scaffold is influenced by its mechanical and structural properties, these properties of CNF-based composite matrices were controlled by incorporation of different hemicelluloses (O-acetyl galactoglucomanan (GGM), xyloglucan (XG), and xylan) into CNF hydrogel networks in different ratios and using two different approaches. The charge density of the CNFs, the incorporated hemicellulose type and amount, and the swelling time of the hydrogels were found to affect the pore structure, the mechanical strength, and thus the cells growth in the composite hydrogel scaffolds. The mechanical properties of the composite hydrogels were found to have an influence on the cell viability during the wound healing relevant 3T3 fibroblast cell culture. The thusprepared CNF composite hydrogels may work as promising scaffolds in wound healing application to provide supporting networks and to promote cells adhesion, growth, and proliferation.

The effect of regular collection of Drosera rotundifolia in natural peatlands in Finland: plant density, yield and regeneration

Tiivistelmä