Experimentelle Untersuchung von Phasenübergängen im kolloidalen Modellsystem harter Kugeln

Die vorliegende Arbeit behandelt den fluid-kristallinen Phasenübergang sowie den Glasübergang anhand von kolloidalen Hart-Kugel(HK)-Modellsystemen. Die Untersuchungen erfolgen dabei im Wesentlichen mit unterschiedlichen Lichtstreumethoden und daher im reziproken Raum. rnDie Analyse der Kristallisationskinetik zeigt, dass es bei der Kristallisation zu signifikanten Abweichungen vom Bild der klassischen Nukleationstheorie (CNT) kommt. Diese geht von einem einstufigen Nukleationsprozess aus, wohingegen bei den hier durchgeführten Experimenten ein mehrstufiger Prozess beobachtet wird. Vor der eigentlichen Kristallisation kommt es zunächst zur Nukleation einer metastabilen Zwischenphase, sogenannter Precursor. In einer zweiten Stufe erfolgt innerhalb der Precursor die eigentliche Nukleation der Kristallite. rnDurch weitere Analyse und den Vergleich des Kristallisations- und Verglasungsszenarios konnte das Konzept der Precursornukleation auf den Vorgang der Verglasung erweitert werden. Während die Kristallnukleation oberhalb des Glasübergangspunktes zum Erliegen kommt, bleibt der Prozess der Precursornukleation auch bei verglasenden Proben erhalten. Ein Glas erstarrt somit in einem amorphen Zustand mit lokalen Precursorstrukturen. Die Korrelation der gemessenen zeitlichen Entwicklung der strukturellen sowie der dynamischen Eigenschaften zeigt darüber hinaus, dass das bisher unverstandene Ageing-Phänomen von HK-Gläsern mit der Nukleation von Precursorn zusammenhängt.rnEin solches mehrstufiges Szenario wurde bereits in früheren Veröffentlichungen beobachtet. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Messungen ermöglichten erstmals die Bestimmung von Kristallnukleationsratendichten (Kristall-NRD) und Ratendichten für die Precursornukleation bis über den Glasübergangspunkt hinaus. Die Kristall-NRD bestätigen die Resultate aus anderen experimentellen Arbeiten. Die weiteren Analysen der Kristall-NRD belegen, dass die fluid-kristalline Grenzflächenspannung bei der Nukleation entgegen den Annahmen der CNT nicht konstant ist, sondern mit ansteigendem Volumenbruch linear zunimmt. Die Erweiterung der CNT um eine linear zunehmende Grenzflächenspannung ermöglichte eine quantitative Beschreibung der gemessenen Kristall- sowie der Precursor-NRD, was den Schluss zulässt, dass es sich in beiden Fällen um einen Boltzmann-aktivierten Prozess handelt. rnUm die beobachteten Abweichungen des Nukleationsprozesses vom Bild der CNT näher zu untersuchen, wurden die kollektiven Partikeldynamiken in stabilen Fluiden und metastabilen Schmelzen analysiert. Im klassischen Bild wird angenommen, dass die kollektive Partikeldynamik beim Vorgang der Nukleation keine Rolle spielt. Anhand der Resultate zeigen sich Abweichungen in der Dynamik stabiler Fluide und metastabiler Schmelzen. Während die kollektive Partikeldynamik in der stabilen Schmelze von der Struktur entkoppelt ist, tritt oberhalb des Phasenübergangspunktes eine Kopplung von Struktur und Dynamik auf. Dabei treten die Abweichungen zunächst in der Umgebung des ersten Strukturfaktormaximums und somit bei den am stärksten besetzten Moden auf. Mit steigender Unterkühlung nehmen die Anzahl der abweichenden Moden sowie die Stärke der Abweichungen zu. Dieses Phänomen könnte einen signifikanten Einfluss auf den Nukleationsprozess und somit auf die Kristallisationskinetik haben. Die Analyse der Dynamik im stabilen Fluid zeigt darüber hinaus Hinweise auf eine Singularität bei Annäherung an den fluid-kristallinen Phasenübergangspunkt.rnDes Weiteren wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit erstmals Ratendichten für die heterogene Nukleation eines HK-Systems an einer flachen Wand mittels statischer Lichtstreuung (SLS) bestimmt. Die Ergebnisse der Messung zeigen, dass die Nukleationsbarriere der heterogenen Nukleation annähernd Null ist und folglich eine vollständige Benetzung der Wand mit einer kristallinen Monolage vorliegt. Die Erweiterung der Untersuchungen auf gekrümmte Oberflächen in Form von sphärischen Partikeln (Seeds) stellt die erste experimentelle Arbeit dar, die den Einfluss eines Ensembles von Seeds auf die Kristallisationskinetik in HK-Systemen untersucht. Die Kristallisationskinetik und die Mikrostruktur werden abhängig von Größe und Anzahldichte der Seed-Partikel signifikant beeinflusst. In Übereinstimmung mit konfokalmikroskopischen Experimenten und Simulationen spielt dabei das Radienverhältnis der Majoritäts- zur Minoritätskomponente eine entscheidende Rolle.

Konfokalmikroskopie an stabilen und metastabilen kolloidalen Hartkugel-Fluiden : interne Struktur, Kristallnukleation und Kristallwachstum

Die vorliegende Forschungsarbeit behandelt konfokalmikroskopische Untersuchungen zur Strukturbildung in kolloidalen Suspensionen, die als experimentelles Modellsystem für harte Kugeln verwendet werden. Die lokale und globale Struktur wurde im stabilen und metastabilen Fluid bestimmt. Bereits unterhalb des Gefriervolumenbruchs wurden nah-geordnete Cluster vorgefunden, die mit zunehmendem Volumenbruch häufiger und größer werden. Das Kristallwachstum aus der metastabilen kolloidalen Schmelze konnte quantitativ analysiert werden und es zeigt sich eine Übereinstimmung mehrerer Kenngrößen mit Literaturdaten nahe dem Schmelzvolumenbruch. Die Untersuchung demonstrierte die Realisierbarkeit der quantitativen Analyse der Kristallisationskinetik mittels konfokaler Mikroskopie. Es zeigte sich ein mehrstufiges Nukleationsszenario bei dem zuerst nah-geordnete Cluster gebildet werden, die im weiteren Verlauf zu kristall-artigen Clustern transformieren. Die Beobachtungen belegen den Mechanismus der Precursornukleation in Hartkugelsystemen. Die heterogene Nukleation wurde an glatten und an hexagonal strukturierten Substraten untersucht. Anhand der Kristallisationskinetik und der direkten Messung der Benetzungswinkel konnte ein Übergang des Benetzungsverhaltens unter Variation des Substratgitterabstands nachgewiesen werden: An glatten und an kommensurabel strukturierten Substraten zeigten sich eine vollständige Bedeckung des Substrats mit der kristallinen Phase und ein sofortiges unidirektionales Wachstum. Bei inkommensurabel strukturierten Substraten wurde eine unvollständige Bedeckung des strukturierten Substrats mit der kristallinen Phase sowie ein verzögertes isotropes Wachstum bei fortwährender Kristallnukleation beobachtet.

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“.

Geochemistry of clinopyroxene megacrysts, xenocrysts, and phenocrysts in diabase dikes from ODP Hole 140-504B

We report the major, rare earth, and other trace element compositions of clinopyroxenes from two Leg 140, Hole 504B diabase dikes. These pyroxenes reflect a complex history of crystal growth and magma evolution. The large ranges of composition found reflect incorporation of exotic phenocrysts into the melt, the early formation of crystal clots before dike intrusion during an undercooling event, and in-situ fractionation of melt during and following dike emplacement. Some of the pyroxenes occur in coarse two- and three-phase glomerocrysts, which may be ôprotogabbrosö representing early stages of melt crystallization in the lower crust. Large variations in trace element composition are found. These likely reflect heterogeneous nucleation and growth of plagioclase and pyroxene in the melt, as well as complex interface kinetics that may affect partition coefficients during rapid crystal growth expected during undercooling. This can explain the formation of irregular chemical sector zoning in some equant anhedral phenocrysts. Undercooling of magmas in the lower crust most likely reflects input of fresh hot melt into a stagnating melt-storage zone. Dikes intruded upward from an inflated melt-storage zone during such a cycle are likely to be larger than those intruded from the storage zone between such cycles, when it would be deflated, consistent with the greater overall thickness of the phyric dikes in the Leg 140 section of Hole 504B.

Coupled Nonlinear Ginzburg-Landau and Mechanics Model for Martensitic Transformations in Polycrystals

Las transformaciones martensíticas (MT) se definen como un cambio en la estructura del cristal para formar una fase coherente o estructuras de dominio multivariante, a partir de la fase inicial con la misma composición, debido a pequeños intercambios o movimientos atómicos cooperativos. En el siglo pasado se han descubierto MT en diferentes materiales partiendo desde los aceros hasta las aleaciones con memoria de forma, materiales cerámicos y materiales inteligentes. Todos muestran propiedades destacables como alta resistencia mecánica, memoria de forma, efectos de superelasticidad o funcionalidades ferroicas como la piezoelectricidad, electro y magneto-estricción etc. Varios modelos/teorías se han desarrollado en sinergia con el desarrollo de la física del estado sólido para entender por qué las MT generan microstructuras muy variadas y ricas que muestran propiedades muy interesantes. Entre las teorías mejor aceptadas se encuentra la Teoría Fenomenológica de la Cristalografía Martensítica (PTMC, por sus siglas en inglés) que predice el plano de hábito y las relaciones de orientación entre la austenita y la martensita. La reinterpretación de la teoría PTMC en un entorno de mecánica del continuo (CM-PTMC) explica la formación de los dominios de estructuras multivariantes, mientras que la teoría de Landau con dinámica de inercia desentraña los mecanismos físicos de los precursores y otros comportamientos dinámicos. La dinámica de red cristalina desvela la reducción de la dureza acústica de las ondas de tensión de red que da lugar a transformaciones débiles de primer orden en el desplazamiento. A pesar de las diferencias entre las teorías estáticas y dinámicas dado su origen en diversas ramas de la física (por ejemplo mecánica continua o dinámica de la red cristalina), estas teorías deben estar inherentemente conectadas entre sí y mostrar ciertos elementos en común en una perspectiva unificada de la física. No obstante las conexiones físicas y diferencias entre las teorías/modelos no se han tratado hasta la fecha, aun siendo de importancia crítica para la mejora de modelos de MT y para el desarrollo integrado de modelos de transformaciones acopladas de desplazamiento-difusión. Por lo tanto, esta tesis comenzó con dos objetivos claros. El primero fue encontrar las conexiones físicas y las diferencias entre los modelos de MT mediante un análisis teórico detallado y simulaciones numéricas. El segundo objetivo fue expandir el modelo de Landau para ser capaz de estudiar MT en policristales, en el caso de transformaciones acopladas de desplazamiento-difusión, y en presencia de dislocaciones. Comenzando con un resumen de los antecedente, en este trabajo se presentan las bases físicas de los modelos actuales de MT. Su capacidad para predecir MT se clarifica mediante el ansis teórico y las simulaciones de la evolución microstructural de MT de cúbicoatetragonal y cúbicoatrigonal en 3D. Este análisis revela que el modelo de Landau con representación irreducible de la deformación transformada es equivalente a la teoría CM-PTMC y al modelo de microelasticidad para predecir los rasgos estáticos durante la MT, pero proporciona una mejor interpretación de los comportamientos dinámicos. Sin embargo, las aplicaciones del modelo de Landau en materiales estructurales están limitadas por su complejidad. Por tanto, el primer resultado de esta tesis es el desarrollo del modelo de Landau nolineal con representación irreducible de deformaciones y de la dinámica de inercia para policristales. La simulación demuestra que el modelo propuesto es consistente fcamente con el CM-PTMC en la descripción estática, y también permite una predicción del diagrama de fases con la clásica forma ’en C’ de los modos de nucleación martensítica activados por la combinación de temperaturas de enfriamiento y las condiciones de tensión aplicada correlacionadas con la transformación de energía de Landau. Posteriomente, el modelo de Landau de MT es integrado con un modelo de transformación de difusión cuantitativa para elucidar la relajación atómica y la difusión de corto alcance de los elementos durante la MT en acero. El modelo de transformaciones de desplazamiento y difusión incluye los efectos de la relajación en borde de grano para la nucleación heterogenea y la evolución espacio-temporal de potenciales de difusión y movilidades químicas mediante el acoplamiento de herramientas de cálculo y bases de datos termo-cinéticos de tipo CALPHAD. El modelo se aplica para estudiar la evolución microstructural de aceros al carbono policristalinos procesados por enfriamiento y partición (Q&P) en 2D. La microstructura y la composición obtenida mediante la simulación se comparan con los datos experimentales disponibles. Los resultados muestran el importante papel jugado por las diferencias en movilidad de difusión entre la fase austenita y martensita en la distibución de carbono en las aceros. Finalmente, un modelo multi-campo es propuesto mediante la incorporación del modelo de dislocación en grano-grueso al modelo desarrollado de Landau para incluir las diferencias morfológicas entre aceros y aleaciones con memoria de forma con la misma ruptura de simetría. La nucleación de dislocaciones, la formación de la martensita ’butterfly’, y la redistribución del carbono después del revenido son bien representadas en las simulaciones 2D del estudio de la evolución de la microstructura en aceros representativos. Con dicha simulación demostramos que incluyendo las dislocaciones obtenemos para dichos aceros, una buena comparación frente a los datos experimentales de la morfología de los bordes de macla, la existencia de austenita retenida dentro de la martensita, etc. Por tanto, basado en un modelo integral y en el desarrollo de códigos durante esta tesis, se ha creado una herramienta de modelización multiescala y multi-campo. Dicha herramienta acopla la termodinámica y la mecánica del continuo en la macroescala con la cinética de difusión y los modelos de campo de fase/Landau en la mesoescala, y también incluye los principios de la cristalografía y de la dinámica de red cristalina en la microescala. ABSTRACT Martensitic transformation (MT), in a narrow sense, is defined as the change of the crystal structure to form a coherent phase, or multi-variant domain structures out from a parent phase with the same composition, by small shuffles or co-operative movements of atoms. Over the past century, MTs have been discovered in different materials from steels to shape memory alloys, ceramics, and smart materials. They lead to remarkable properties such as high strength, shape memory/superelasticity effects or ferroic functionalities including piezoelectricity, electro- and magneto-striction, etc. Various theories/models have been developed, in synergy with development of solid state physics, to understand why MT can generate these rich microstructures and give rise to intriguing properties. Among the well-established theories, the Phenomenological Theory of Martensitic Crystallography (PTMC) is able to predict the habit plane and the orientation relationship between austenite and martensite. The re-interpretation of the PTMC theory within a continuum mechanics framework (CM-PTMC) explains the formation of the multivariant domain structures, while the Landau theory with inertial dynamics unravels the physical origins of precursors and other dynamic behaviors. The crystal lattice dynamics unveils the acoustic softening of the lattice strain waves leading to the weak first-order displacive transformation, etc. Though differing in statics or dynamics due to their origins in different branches of physics (e.g. continuum mechanics or crystal lattice dynamics), these theories should be inherently connected with each other and show certain elements in common within a unified perspective of physics. However, the physical connections and distinctions among the theories/models have not been addressed yet, although they are critical to further improving the models of MTs and to develop integrated models for more complex displacivediffusive coupled transformations. Therefore, this thesis started with two objectives. The first one was to reveal the physical connections and distinctions among the models of MT by means of detailed theoretical analyses and numerical simulations. The second objective was to expand the Landau model to be able to study MTs in polycrystals, in the case of displacive-diffusive coupled transformations, and in the presence of the dislocations. Starting with a comprehensive review, the physical kernels of the current models of MTs are presented. Their ability to predict MTs is clarified by means of theoretical analyses and simulations of the microstructure evolution of cubic-to-tetragonal and cubic-to-trigonal MTs in 3D. This analysis reveals that the Landau model with irreducible representation of the transformed strain is equivalent to the CM-PTMC theory and microelasticity model to predict the static features during MTs but provides better interpretation of the dynamic behaviors. However, the applications of the Landau model in structural materials are limited due its the complexity. Thus, the first result of this thesis is the development of a nonlinear Landau model with irreducible representation of strains and the inertial dynamics for polycrystals. The simulation demonstrates that the updated model is physically consistent with the CM-PTMC in statics, and also permits a prediction of a classical ’C shaped’ phase diagram of martensitic nucleation modes activated by the combination of quenching temperature and applied stress conditions interplaying with Landau transformation energy. Next, the Landau model of MT is further integrated with a quantitative diffusional transformation model to elucidate atomic relaxation and short range diffusion of elements during the MT in steel. The model for displacive-diffusive transformations includes the effects of grain boundary relaxation for heterogeneous nucleation and the spatio-temporal evolution of diffusion potentials and chemical mobility by means of coupling with a CALPHAD-type thermo-kinetic calculation engine and database. The model is applied to study for the microstructure evolution of polycrystalline carbon steels processed by the Quenching and Partitioning (Q&P) process in 2D. The simulated mixed microstructure and composition distribution are compared with available experimental data. The results show that the important role played by the differences in diffusion mobility between austenite and martensite to the partitioning in carbon steels. Finally, a multi-field model is proposed by incorporating the coarse-grained dislocation model to the developed Landau model to account for the morphological difference between steels and shape memory alloys with same symmetry breaking. The dislocation nucleation, the formation of the ’butterfly’ martensite, and the redistribution of carbon after tempering are well represented in the 2D simulations for the microstructure evolution of the representative steels. With the simulation, we demonstrate that the dislocations account for the experimental observation of rough twin boundaries, retained austenite within martensite, etc. in steels. Thus, based on the integrated model and the in-house codes developed in thesis, a preliminary multi-field, multiscale modeling tool is built up. The new tool couples thermodynamics and continuum mechanics at the macroscale with diffusion kinetics and phase field/Landau model at the mesoscale, and also includes the essentials of crystallography and crystal lattice dynamics at microscale.

Grain refinement efficiency and mechanism of aluminium carbide in Mg-Al alloys

Detailed microscopic examination using optical and electron microscopes suggests that Al4C3, often observed in the central regions of magnesium grains on polished sections, is a potent substrate for primary Mg. Calculations of the crystallographic relationships between magnesium and Al4C3 further support the experimental observations. (c) 2005 Acta Materialia Inc. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Study of the calcification of PHEMA hydrogels using a two compartment permeation cell

To simulate the process of calcification in hydrogel implants, particularly calcification inside hydrogels, in vitro experiments using two compartment permeation cells have been performed. PHEMA hydrogel membranes were synthesized by free radical polymerization in bulk. The permeability and diffusion coefficient for Ca2+ ions at 37 ° C were determined using Fick's laws of diffusion. It was evident that Ca2+ ions either from CaCl2 or SBF solutions may diffuse through PHEMA hydrogel membranes. The fort-nation of calcium phosphate deposits inside the hydrogel was observed and attributed to a heterogeneous nucleation from diffusing calcium and phosphate ions. The morphology of the deposits both on the surface and inside the hydrogels was found to be similar, i.e. spherical aggregates with a diameter of less than one micron. © 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Precipitation studies on alloys from the system copper chromium zirconium

The precipitation reactions occurring in a series of copper-based alloys selected from the system copper-chromium-zirconium have been studied by resistometric and metallographic techniques. A survey of the factors influencing the development of copper-based alloys for high strength, high conductivity applications is followed by a more general review of contemporary materials, and illustrates that the most promising alloys are those containing chromium and zirconium. The few systematic attempts to study alloys from this system have been collated, discussed, and used as a basis for the selection of four alloy compositions viz:- Cu - 0.4% Cr Cu - 0.24. Zr Cu - 0. 3% Cr - 0.1% Zr Cu - 0.2% Cr - 0.2% Zr A description of the experimental techniques used to study the precipitation behaviour of these materials is preceeded by a discussion of the currently accepted theories relating to precipitate nucleation and growth. The experimental results are presented and discussed for each of the alloys independently, and are then treated jointly to obtain an overall assessment of the way in which the precipitation kinetics, metallography and mechanical properties vary with alloy composition and heat treatment. The metastable solid solution of copper-chromium is found to decompose by the rejection of chromium particles which maintain a coherent interface and a Kurdjumov-Sachs type crystallographic orientation relationship with the copper matrix. The addition of 0.1% zirconium to the alloy retards the rate of transformation by a factor of ten and modifies the dispersion characteristics of the precipitate without markedly altering the morphology. Further additions of zirconium lead to the growth of stacking faults during ageing, which provide favourable nucleation sites for the chromium precipitate. The partial dislocations bounding such stacking faults are also found to provide mobile heterogeneous nucleation sources for the precipitation reactions occurring in copper-zirconium.

Comparison of the ageing behaviour of PM 2124 Al alloy and Al-SiCp metal-matrix composite

The ageing response of 2124 Al-SiC particulate metal-matrix composite (MMC) and unreinforced alloy has been examined using hardness measurements and Arrhenius analysis. The formation of phases during precipitation has been studied using differential scanning calorimetry (DSC). The MMC exhibits accelerated ageing compared to unreinforced alloy, due to enhanced S′ formation. The activation energy for diffusion is lower in the MMC than in the unreinforced alloy. DSC scans show Guinier-Preston B (GPB) zone nucleation to occur at a lower temperature in the MMC, whilst the total volume of GPB zones formed is smaller than in the unreinforced alloy. A model has been proposed to explain the GPB zone formation behaviour, in which ease of GPB zone nucleation varies within the MMC, as a function of ageing time and of position within the matrix. S′ formation is enhanced in the MMC because of improved diffusion and a large increase in density of heterogeneous nucleation sites compared to the unreinforced alloy. © 1994 Chapman & Hall.

Analytical model for heterogeneous crystallization kinetics of spherical glass particles

An analytical model developed to describe the crystallization kinetics of spherical glass particles has been derived in this work. A continuous phase transition from three-dimensional (3D)-like to 1D-like crystal growth has been considered and a procedure for the quantitative evaluation of the critical time for this 3D-1D transition is proposed. This model also allows straightforward determination of the density of surface nucleation sites on glass powders using differential scanning calorimetry data obtained under different thermal conditions. © 2009 The American Ceramic Society.

On the nucleation and growth of amyloid beta-protein fibrils: detection of nuclei and quantitation of rate constants.

We have studied the fibrillogenesis of synthetic amyloid beta-protein-(1-40) fragment (A beta) in 0.1 M HCl. At low pH, A beta formed fibrils at a rate amenable to detailed monitoring by quasi-elastic light-scattering spectroscopy. Examination of the fibrils with circular dichroism spectroscopy and electron microscopy showed them to be highly similar to those found in amyloid plaques. We determined the hydrodynamic radii of A beta aggregates during the entire process of fibril nucleation and growth. Above an A beta concentration of approximately 0.1 mM, the initial rate of elongation and the final size of fibrils were independent of A beta concentration. Below an A beta concentration of 0.1 mM, the initial elongation rate was proportional to the peptide concentration, and the resulting fibrils were significantly longer than those formed at higher concentration. We also found that the surfactant n-dodecylhexaoxyethylene glycol monoether (C12E6) slowed nucleation and elongation of fibrils in a concentration-dependent manner. Our observations are consistent with a model of A beta fibrillogenesis that includes the following key steps: (i) peptide micelles form above a certain critical A beta concentration, (ii) fibrils nucleate within these micelles or on heterogeneous nuclei (seeds), and (iii) fibrils grow by irreversible binding of monomers to fibril ends. Interpretation of our data enabled us to determine the sizes of fibril nuclei and A beta micelles and the rates of fibril nucleation (from micelles) and fibril elongation. Our approach provides a powerful means for the quantitative assay of A beta fibrillogenesis.

Protein-based nanomaterials as protein heterogeneous nucleants and structural studies on enzymes from two photosynthetic organisms

Proteins, the most essential biological macromolecules, are involved in nearly every aspect of life. The elucidation of their three-dimensional structures through X-ray analysis has significantly contributed to our understanding of fundamental mechanisms in life processes. However, the obstacle of obtaining high-resolution protein crystals remains significant. Thus, searching for materials that can effectively induce nucleation of crystals is a promising and active field. This thesis work characterizes and prepares albumin nanoparticles as heterogeneous nucleants for protein crystallization. These stable Bovine Serum Albumin nanoparticles were synthesized via the desolvation method, purified efficiently, and characterized in terms of dimension, morphology, and secondary structure. The ability of BSA-NPs to induce macromolecule nucleation was tested on three model proteins, exhibiting significant results, with larger NPs inducing more nucleation. The second part of this work focuses on the structural study, mainly through X-ray crystallography, of five chloroplast and cytosolic enzymes involved in the fundamental cellular processes of two photosynthetic organisms, Chlamydomonas reinhardtii and Arabidopsis thaliana. The structures of three enzymes involved in the Calvin-Benson-Bassham Cycle, phosphoribulokinase, troseposphatisomerase, and ribulosiophosphate epimerase from Chlamydomonas reinhardtii, were solved to investigate their catalytic and regulatory mechanisms. Additionally, the structure of nitrosylated-CrTPI made it possible to identify Cys14 as a target for nitrosylation, and the crystallographic structure of CrRPE was solved for the first time, providing insights into its catalytic and regulatory properties. Finally, the structure of S-nitrosoglutathione reductase, AtGSNOR, was compared with that of AtADH1, revealing differences in their catalytic sites. Overall, seven crystallographic structures, including partially oxidized CrPRK, CrPRK/ATP, CrPRK/ADP/Ru5P, CrTPI-nitrosylated, apo-CrRPE, apo-AtGSNOR, and AtADH1-NADH, were solved and are yet to be deposited in the PDB.

PARTITIONED ANALYSIS FOR DIMENSIONALLY-HETEROGENEOUS HYDRAULIC NETWORKS

In this work an iterative strategy is developed to tackle the problem of coupling dimensionally-heterogeneous models in the context of fluid mechanics. The procedure proposed here makes use of a reinterpretation of the original problem as a nonlinear interface problem for which classical nonlinear solvers can be applied. Strong coupling of the partitions is achieved while dealing with different codes for each partition, each code in black-box mode. The main application for which this procedure is envisaged arises when modeling hydraulic networks in which complex and simple subsystems are treated using detailed and simplified models, correspondingly. The potentialities and the performance of the strategy are assessed through several examples involving transient flows and complex network configurations.

Sisal cellulose acetates obtained from heterogeneous reactions

In the present work, cellulose obtained from sisal, which is a source of rapid growth, was used. Cellulose acetates were produced in heterogeneous medium, using acetic anhydride as esterifying agent and iodine as catalyst, to check if the procedure described in the literature for commercial cellulose also is adequate to sisal cellulose. The results indicated that iodine is an excellent catalyst to obtain sisal cellulose acetates, but the reaction is so fast as described in the literature when, instead of sisal, lower average molar weight cellulose (microcrystalline) is used. The crystallinity index (I(c)) of sisal cellulose acetates diminished compared to sisal cellulose, but there was no direct correlation between their degree of substitution (DS) and I(c). Probably acetyl groups were introduced more homogeneously along the short chains of microcrystalline cellulose, when compared to sisal cellulose, and then for microcrystalline cellulose acetates the Ic decreases as DS increases. Using the linear correlation that was found between degree of substitution (DS) and time reaction is possible to control the DS of sisal cellulose acetates, considering a large interval of degrees of substitution (0.3-2.8).