Giant enhancement of phonon-assisted one-photon excited frequency upconversion in a Nd3+-doped tellurite glass

Changing the sample's temperature from 200 K to 535 K, we observed 670-fold enhancement of a phonon-assisted upconversion emission at ≈754 nm obtained from a Nd3+-doped tellurite glass excited by 5 ns laser pulses at 805 nm. A rate-equation model, including the relevant energy levels and temperature dependent transition rates, is proposed to describe the process. The results fit well with the data when one considers the nonradiative transitions contributing for the 754 nm luminescence are promoted by an effective phonon mode with energy of 700 cm-1. © 2013 American Institute of Physics.

Magnetism in spin models for depleted honeycomb-lattice iridates: Spin-glass order towards percolation

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

The new insight into dynamic crossover in glass forming liquids from the apparent enthalpy analysis

One of the most intriguing phenomena in glass forming systems is the dynamic crossover (T(B)), occurring well above the glass temperature (T(g)). So far, it was estimated mainly from the linearized derivative analysis of the primary relaxation time τ(T) or viscosity η(T) experimental data, originally proposed by Stickel et al. [J. Chem. Phys. 104, 2043 (1996); J. Chem. Phys. 107, 1086 (1997)]. However, this formal procedure is based on the general validity of the Vogel-Fulcher-Tammann equation, which has been strongly questioned recently [T. Hecksher et al. Nature Phys. 4, 737 (2008); P. Lunkenheimer et al. Phys. Rev. E 81, 051504 (2010); J. C. Martinez-Garcia et al. J. Chem. Phys. 134, 024512 (2011)]. We present a qualitatively new way to identify the dynamic crossover based on the apparent enthalpy space (H(a)(') = dlnτ/d(1/T)) analysis via a new plot lnH(a)(') vs. 1∕T supported by the Savitzky-Golay filtering procedure for getting an insight into the noise-distorted high order derivatives. It is shown that depending on the ratio between the "virtual" fragility in the high temperature dynamic domain (m(high)) and the "real" fragility at T(g) (the low temperature dynamic domain, m = m(low)) glass formers can be splitted into two groups related to f < 1 and f > 1, (f = m(high)∕m(low)). The link of this phenomenon to the ratio between the apparent enthalpy and activation energy as well as the behavior of the configurational entropy is indicated.

铬镱铒共掺磷酸盐玻璃的激光性质

研究了氙灯抽运脉宽、输出耦合镜的反射率、铒玻璃工作温度以及工作重复频率对铬镱铒共掺磷酸盐玻璃激光输出能量的影响。结果表明, 对于输出能量, 抽运脉宽为2.3 ms(10%最大幅度间)时较好; 综合考虑激光阈值和斜率效率, 输出耦合镜的反射率为85%时较好。此外, 如同大多数激光介质那样, 铬镱铒共掺磷酸盐玻璃的激光输出能量随铒玻璃工作温度的升高和工作重复频率的增加而降低。

Thermodynamic properties and atomistic structure of the dry amorphous silica surface from a reactive force field model

A force field model of the Keating type supplemented by rules to break, form, and interchange bonds is applied to investigate thermodynamic and structural properties of the amorphous SiO2 surface. A simulated quench from the liquid phase has been carried out for a silica sample made of 3888 silicon and 7776 oxygen atoms arranged on a slab similar to 40 angstrom thick, periodically repeated along two directions. The quench results into an amorphous sample, exposing two parallel square surfaces of similar to 42 nm(2) area each. Thermal averages computed during the quench allow us to determine the surface thermodynamic properties as a function of temperature. The surface tension turns out to be gamma=310 +/- 20 erg/cm(2) at room temperature and gamma=270 +/- 30 at T=2000 K, in fair agreement with available experimental estimates. The entropy contribution Ts-s to the surface tension is relatively low at all temperatures, representing at most similar to 20% of the surface energy. Almost without exceptions, Si atoms are fourfold coordinated and oxygen atoms are twofold coordinated. Twofold and threefold rings appear only at low concentration and are preferentially found in proximity of the surface. Above the glass temperature T-g=1660 +/- 50 K, the mobility of surface atoms is, as expected, slightly higher than that of bulk atoms. The computation of the height-height correlation function shows that the silica surface is rough in the equilibrium and undercooled liquid phase, becoming smooth below the glass temperature T-g.

Investigating glazing system simulated results with real measurements

Over the past decades there has been a great deal of research related to simulation programs that calculate glazing thermal performance. In this study, several glazing systems were designed using VISION 3 (University of Waterloo, 1992) and WINDOW-6 (Lawrence Berkeley National Laboratory, 2010). The systems were fabricated and experimentally tested in-situ for a summer month. It was found that in most cases the predicted results of the glass temperature matched those measured, though slight discrepancies were observed during periods of high solar radiation, particularly for more complex systems and systems with shading devices.

Dispersing carbon nanotubes in phenolic resin using an aqueous solution

The ability to control the carbon nanotube (CNT) dispersion in polymers is considered the key to most applications of nanotube/polymer composites. The carbon nanotube dispersion into water with different surfactants, as well as its incorporation into phenolic resins, was investigated. Ultrasonication of liquid suspensions was used to prepare stable dispersions. In order to evaluate the best surfactant to be used, light scattering and UV-Visible spectroscopy were employed. The structure of CNT reinforced of phenolic resin was analyzed in function of the concentration and type of surfactant, sonication power and time. It was also evaluated the influence in the dispersion by using the glass temperature transition properties being obtained by dynamic mechanical analyses and impact energy. © 2011 Sociedade Brasileira de Química.

Durchdringungs- und Adsorptionsverhalten von Stern-Polymeren

Änderungen in der Architektur von Polymeren abweichend von einer linearen Kette, beeinflussen deren physikalisch-chemisches Verhalten. Eine mögliche Architektur der verzweigten Moleküle stellen sternförmige Polymere dar. An einem zentralen Molekül als Kern, beispielsweise einem Dendrimer, sind an dessen Endpunkte lineare Polymerketten kovalent gebunden. In dieser Arbeit wurden zwei Problemstellungen behandelt. Zunächst wurde das Verhalten von Sternpolymeren aus Polybutadien in einer Matrix aus linearem Polybutadien mittels Neutronenkleinwinkelstreuung untersucht. Die Molekulargewichte der linaren Ketten wurden so gewählt, daî eines ein kleineres und das zweite ein größeres Molekulargewicht hat, als der leichteste bzw. schwerste Arm der verwendeten Sternpolymere. Neben den Parametern Armanzahl und -gewicht wurde die Konzentrations- und Temperaturabhängig durchgeführt. Die aus diesen Messungen extrahierten Parameter wurden mit den theoretischen Vorhersagen bezüglich des Skalenverhaltens vonSternpolymeren in derartigen Mischungen verglichen. Weiterhin wurde ein Interaktionsparameter bestimmt und in einzelne Anteile verschiedener Arten der Wechselwirkungen zerlegt. Die zweite Fragestellung betraf das Adsorptionsverhalten von Sternpolymeren im Vergleich mit linearen Polymeren. Es wurde die Kinetik der Adsorption mittels Ellipsometrie, die Strukturbildung mit dem Rasterkraftmikroskop und Streuung unter streifendem Einfalluntersucht.

Decay of imprinted surface waves in polymers

CONCLUSIONS The focus of this work was the investigation ofanomalies in Tg and dynamics at polymer surfaces. Thethermally induced decay of hot-embossed polymer gratings isstudied using laser-diffraction and atomic force microscopy(AFM). Monodisperse PMMA and PS are selected in the Mwranges of 4.2 to 65.0 kg/mol and 3.47 to 65.0 kg/mol,respectively. Two different modes of measurement were used:the one mode uses temperature ramps to obtain an estimate ofthe near-surface glass temperature, Tdec,0; the other modeinvestigates the dynamics at a constant temperature aboveTg. The temperature-ramp experiments reveal Tdec,0 valuesvery close to the Tg,bulk values, as determined bydifferential scanning calorimetry (DSC). The PMMA of65.0 kg/mol shows a decreased value of Tg, while the PS samples of 3.47 and 10.3 kg/mol (Mwtemperatures. Master plots are produced by shifting the decay curves, on the logarithmic time scale,with respect to a reference curve at Tref. From thisprocedure shift factors were extracted. An Arrhenius analysis of the shift factors reveals adecreasing non-Arrhenius (fragile) behavior with molecular weight for PMMA. PS is fragile for all Mw asexpected for linear polymers. Non-Arrhenius behavior allowsone to fit the shift factors to the William-Landel-Ferry(WLF) equation. The WLF parameters for the varying molecular weights ofPMMA and PS were extracted and compared to the values frombulk rheology measurements. Assuming cg1=16+/-2 at Tg, assuggested by Angell, the glass temperature was determinedfrom the dynamic decay experiments. Within the experimentalerrors, the values for Tg,surf(c1=16) and T_g,bulk(c1=16)tend to be smaller than Tdec,0 and Tg,bulk fromtemperature-ramp and DSC measurements, but confirm thecourse of the values with increasing Mw. The comparison of the fragilities (temperaturedependence of the polymer properties at Tg) near the surfaceand in the bulk shows a higher fragility for PS near thesurface, a lower one for PMMA with molecular weights of 4.2and 65.0 kg/mol. The different surface behavior of PS istraced back to a lower degree of cooperation and a largerfree volume fraction.

Grenzflächenverhalten und Strukturierung von dünnen, amphiphilen Blockcopolymerfilmen

Die Oberfläche von Blockcopolymerfilmen wird aus denjenigen Blöcken gebildet, die gegenüber dem benachbarten Medium die geringste Oberflächenenergie besitzen. Durch eine gezielte Änderung des Mediums kann man Einfluss auf die chemische Zusammensetzung nehmen und einen Wechsel der Oberflächenlamelle erzwingen. Das Ziel dieser Arbeit war es, das Grenzflächenverhalten von dünnen, amphiphilen Blockcopolymerfilmen näher zu untersuchen, die Filmoberflächen in einem lösungsmittelfreien Prozess lateral zu strukturieren und anschließend chemisch zu modifizieren. Zu diesem Zweck wurden zunächst neuartige hydrophile und hydrophobe Styrenderivate mit kurzen Seitenketten dargestellt, die anschließend durch kontrollierte radikalische Polymerisation („stable free radical polymerisation“ SFRP) mit dem TEMPO Unimer zu amphiphilen Diblockcopolymeren polymerisiert wurden. Funktionelle Gruppen in den hydrophilen Blöcken sollen zusätzlich eine chemische Modifizierung der Oberflächen dünner Blockcopolymerfilme ermöglichen. Der Nachweis der Reorientierung der Oberflächenlamelle unter dem Einfluss angrenzender polarer und unpolarer Medien gelang im Folgenden sowohl indirekt durch Kontaktwinkelmessungen, als auch direkt durch „Near edge X-ray Absorption Fine Structure“ Spektroskopie (NEXAFS). Durch Letztere konnten auch kinetische Informationen über den Prozess der Reorientierung gewonnen werden. In AFM Studien konnten weiterhin Zwischenstufen des von Senchu et al. postulierten Mechanismus nachgewiesen werden, der die Reorientierung als eine Art Reißverschlussmechanismus beschreibt, bei dem sich die energetisch günstigere Lamelle über die ungünstigere Oberflächenlamelle stülpt. Die laterale Strukturierung der Oberflächen dünner Blockcopolymerfilme erfolgte abweichend von der bekannten Technik, die auf der Verwendung von hydrophoben PDMS Stempeln und einem polaren Lösungsmittel zurückgreift, durch einen lösungsmittelfreien Prozess mit hydrophilen PDMS Stempeln. Auf die hydrophilen Bereiche der so strukturierten Blockcopolymeroberflächen konnte dann mittels einer Templatstrategie selektiv elementares Kupfer abgeschieden werden. Durch die Erzeugung leitfähiger Strukturen auf Blockcopolymerfilmen konnte exemplarisch die Eignung dieser zum Aufbau von Sensorstrukturen gezeigt werden.

How different is water crystallization from polymer crystallization under confinement?

Ziel der vorliegenden Dissertation war es, Einblicke in das Kristallisationsverhalten weicher Materie („soft matter“), wie verschiedener Polymere oder Wasser, unter räumlicher Einschränkung („confinement“) zu erlangen. Dabei sollte untersucht werden, wie, weshalb und wann die Kristallisation in nanoporösen Strukturen eintritt. Desweiteren ist Kristallisation weicher Materie in nanoporösen Strukturen nicht nur aus Aspekten der Grundlagenforschung von großem Interesse, sondern es ergeben sich zahlreiche praktische Anwendungen. Durch die gezielte Steuerung der Kristallinität von Polymeren könnten somit Materialien mit verschiendenen mechanischen und optischen Eigenschaften erhalten werden. Desweiteren wurde auch räumlich eingeschränktes Wasser untersucht. Dieses spielt eine wichtige Rolle in der Molekularbiologie, z.B. für das globuläre Protein, und als Wolkenkondensationskeime in der Atmosphärenchemie und Physik. Auch im interstellaren Raum ist eingeschränktes Wasser in Form von Eispartikeln anzutreffen. Die Kristallisation von eingeschränktem Wasser zu verstehen und zu beeinflussen ist letztlich auch für die Haltbarkeit von Baumaterialien wie etwa Zement von großem Interesse.rnUm dies zu untersuchen wird Wasser in der Regel stark abgekühlt und das Kristallisationsverhalten in Abhängigkeit des Volumens untersucht. Dabei wurde beobachtet, dass Mikro- bzw. Nanometer große Volumina erst ab -38 °C bzw. -70 °C kristallisieren. Wasser unterliegt dabei in der Regel dem Prozess der homogenen Nukleation. In der Regel gefriert Wasser aber bei höheren Temperaturen, da durch Verunreinigungen eine vorzeitige, heterogene Nukleation eintritt.rnDie vorliegende Arbeit untersucht die sachdienlichen Phasendiagramme von kristallisierbaren Polymeren und Wasser unter räumlich eingeschränkten Bedingungen. Selbst ausgerichtetes Aluminiumoxid (AAO) mit Porengrößen im Bereich von 25 bis 400 nm wurden als räumliche Einschränkung sowohl für Polymere als auch für Wasser gewählt. Die AAO Nanoporen sind zylindrisch und parallel ausgerichtet. Außerdem besitzen sie eine gleichmäßige Porenlänge und einen gleichmäßigen Durchmesser. Daher eignen sie sich als Modelsystem um Kristallisationsprozesse unter wohldefinierter räumlicher Einschränkung zu untersuchen.rnEs wurden verschiedene halbkristalline Polymere verwendet, darunter Poly(ethylenoxid), Poly(ɛ-Caprolacton) und Diblockcopolymere aus PEO-b-PCL. Der Einfluss der Porengröße auf die Nukleation wurde aus verschiedenen Gesichtspunkten untersucht: (i) Einfluss auf den Nukleationmechanismus (heterogene gegenüber homogener Nukleation), (ii) Kristallorientierung und Kristallinitätsgrad und (iii) Zusammenhang zwischen Kristallisationstemperatur bei homogener Kristallisation und Glasübergangstemperatur.rnEs konnte gezeigt werden, dass die Kristallisation von Polymeren in Bulk durch heterogene Nukleation induziert wird und das die Kristallisation in kleinen Poren hauptsächlich über homogene Nukleation mit reduzierter und einstellbarer Kristallinität verläuft und eine hohe Kristallorientierung aufweist. Durch die AAOs konnte außerdem die kritische Keimgröße für die Kristallisation der Polymere abgeschätzt werden. Schließlich wurde der Einfluss der Polydispersität, von Oligomeren und anderen Zusatzstoffen auf den Nukleationsmechanismus untersucht.rn4rnDie Nukleation von Eis wurde in den selben AAOs untersucht und ein direkter Zusammenhang zwischen dem Nukleationstyp (heterogen bzw. homogen) und der gebildeten Eisphase konnte beobachtet werden. In größeren Poren verlief die Nukleation heterogen, wohingegen sie in kleineren Poren homogen verlief. Außerdem wurde eine Phasenumwandlung des Eises beobachtet. In den größeren Poren wurde hexagonales Eis nachgewiesen und unter einer Porengröße von 35 nm trat hauptsächlich kubisches Eis auf. Nennenswerter Weise handelte es sich bei dem kubischem Eis nicht um eine metastabile sondern eine stabile Phase. Abschließend wird ein Phasendiagramm für räumlich eingeschränktes Wasser vorgeschlagen. Dieses Phasendiagramm kann für technische Anwendungen von Bedeutung sein, so z.B. für Baumaterial wie Zement. Als weiteres Beispiel könnten AAOs, die die heterogene Nukleation unterdrücken (Porendurchmesser ≤ 35 nm) als Filter für Reinstwasser zum Einsatz kommen.rnNun zur Anfangs gestellten Frage: Wie unterschiedlich sind Wasser und Polymerkristallisation voneinander unter räumlicher Einschränkung? Durch Vergleich der beiden Phasendiagramme kommen wir zu dem Schluss, dass beide nicht fundamental verschieden sind. Dies ist zunächst verwunderlich, da Wasser ein kleines Molekül ist und wesentlich kleiner als die kleinste Porengröße ist. Wasser verfügt allerdings über starke Wasserstoffbrückenbindungen und verhält sich daher wie ein Polymer. Daher auch der Name „Polywasser“.

Characterisation and processing of amorphous binary mixtures with low glass transition temperature

The number of drug substances in formulation development in the pharmaceutical industry is increasing. Some of these are amorphous drugs and have glass transition below ambient temperature, and thus they are usually difficult to formulate and handle. One reason for this is the reduced viscosity, related to the stickiness of the drug, that makes them complicated to handle in unit operations. Thus, the aim in this thesis was to develop a new processing method for a sticky amorphous model material. Furthermore, model materials were characterised before and after formulation, using several characterisation methods, to understand more precisely the prerequisites for physical stability of amorphous state against crystallisation. The model materials used were monoclinic paracetamol and citric acid anhydrate. Amorphous materials were prepared by melt quenching or by ethanol evaporation methods. The melt blends were found to have slightly higher viscosity than the ethanol evaporated materials. However, melt produced materials crystallised more easily upon consecutive shearing than ethanol evaporated materials. The only material that did not crystallise during shearing was a 50/50 (w/w, %) blend regardless of the preparation method and it was physically stable at least two years in dry conditions. Shearing at varying temperatures was established to measure the physical stability of amorphous materials in processing and storage conditions. The actual physical stability of the blends was better than the pure amorphous materials at ambient temperature. Molecular mobility was not related to the physical stability of the amorphous blends, observed as crystallisation. Molecular mobility of the 50/50 blend derived from a spectral linewidth as a function of temperature using solid state NMR correlated better with the molecular mobility derived from a rheometer than that of differential scanning calorimetry data. Based on the results obtained, the effect of molecular interactions, thermodynamic driving force and miscibility of the blends are discussed as the key factors to stabilise the blends. The stickiness was found to be affected glass transition and viscosity. Ultrasound extrusion and cutting were successfully tested to increase the processability of sticky material. Furthermore, it was found to be possible to process the physically stable 50/50 blend in a supercooled liquid state instead of a glassy state. The method was not found to accelerate the crystallisation. This may open up new possibilities to process amorphous materials that are otherwise impossible to manufacture into solid dosage forms.

Pressure and temperature dependence of the electrical resistivity of bulk Al23 Te77 glass

Electrical resistivity of bulk amorphous Al23T77 samples has been studied as a function of pressure (up to 80 kbar) and temperature (down to 77 K). At atmospheric pressure the temperature dependence of resistivity obeys the relation = π0 exp(δE/RT) with two activation energies. In the temperature range 300 K T > 234 K the activation energy is 0.58 eV and for 234 >T 185 K the value is δE = 0.30 ev. The activation energy has been measured as a function of pressure. The electrical resistivity decreases exponentially with the increase of pressure and at 70 kbar pressure the electrical behaviour of the sample shows a metallic nature with a positive temperature coefficient. The high pressure phase of the sample is found to be a crystalline hexagonal phase.

Temperature and pressure dependence of direct current electrical resistivity in the Na2O-ZnO-B2O3 glass system

Two series of glasses were prepared, xNa2O, yZnO, 100 - x - yB2O3 and 30 - xNa2O, xZnO, 70B2O3 (mol%). The temperature dependence of the direct current resistivity was measured from room temperature to about 700 K and in both series of glasses we observed a simple Arrhenius type of temperature dependence. However, the resistivity of the binary alkali glass increased steeply by as much as two orders of magnitude with the addition of even a small quantity of ZnO and remained virtually unaffected by further addition of ZnO. The resistivity decreases gradually with increasing pressure in Na2O-B2O3 but increases with increasing pressure with the addition of ZnO.