Genesis of metasomatic sapphirine-corundum-spinel-bearing granulites in Sri Lanka

The goal of the present study is to understand the mechanism of mass transfer, the composition and the role of fluids during crustal metasomatism in high-temperature metamorphic terranes. A well constrained case study, a locality at Rupaha, Sri Lanka was selected. It is located in the Highland Complex of Sri Lanka, which represents a small, but important fragment of the super-continent Gondwana. Excellent exposures of ultramafic rocks, which are embedded in granulites, were found at 10 localities. These provide a unique background for understanding the metasomatic processes. The boundary between the ultramafic and the granulite rocks are lined with metasomatic reaction zones up to 50cm in width. Progressing from the ultramafics to the granulite host rock, three distinct zones with the following mineral assemblages can be distinguished: (1). phlogopite + spinel + sapphirine, (2). spinel + sapphirine and (3). corundum + biotite + plagioclase. In order to assess the P-T-t path, the peak metamorphism and the exhumation history were constrained using different thermobarometers, as well as a diffusion model of garnet zoning. A maximum temperature of 875 ± 20oC (Opx-Cpx thermometer) and at the peak pressure of 9.0 ± 0.1 kbar (Grt-Cpx-Pl-Qtz) was calculated for the silicic granulite. The ultramafic rocks recorded a peak temperature of 840 ± 70oC (Opx-Cpx thermometer) at 9 kbar. Coexisting spinel and sapphirine from the reaction zone yield a temperature of 820 ± 40oC. This is in agreement with the peak-temperatures recorded in the adjacent granulites and ultramafics rocks. The structural concordance of the ultramafic rocks with the siliceous granulite host rock further support the suggestion, that all units have experienced the same peak metamorphism. Diffusion modeling of retrograde zoning in garnets from mafic granulites suggests a three-step cooling history. A maximum cooling rate of 1oC/Ma is estimated during the initial stage of cooling, followed by a cooling rate of ~30oC/Ma. The outermost rims of garnet indicate a slightly slower cooling rate at about 10-15oC/Ma. The sequences of mineral zones, containing a variety of Al-rich, silica undersaturated minerals in the reaction zones separating the ultramafic rocks from the silica-rich rocks can be explained by a diffusion model. This involves the diffusion of Mg from ultramafic rocks across the layers, and K and Si diffuse in opposite direction. Chemical potential of Mg and Si generated continuous monotonic gradient, allowing steady state diffusional transport across the profile. The strong enrichment in Al, and the considerable loss of Si, during the formation of reaction bands can be inferred from isocon diagrams. Some Al was probably added to the reaction zones, while Si was lost. This is most likely due to fluids percolating parallel to the zones at the boundary of the rock units. This study has shown that not only pressure and temperature conditions but most importantly PH2O and the concentration of the chlorine and fluorine in aqueous fluids also control the mass transport in different geological environments.

Entwicklung eines Verfahrens zur Ultraspurenbestimmung der Platingruppenelemente in Umwelt- und geologischen Proben mit einem ICP-QMS unter Verwendung der Isotopenverdünnungsanalyse sowie geeigneter Separationstechniken

ZusammenfassungSchwerpunkt dieser Arbeit war die Verfahrensentwicklung zur Ultraspurenbestimmung der Platingruppenelemente (PGE) in Umwelt- und geologischen Proben unter Verwendung der massenspektrometrischen Isotopenverdünnungsanalyse mit anschließender Bestimmung an einem Quadrupol ICP-MS (ICP-QMSIVA). Geeignete Separationstechniken in der Probenaufbereitung, um die PGE von der Matrix der untersuchten Proben zu trennen, stellten eine richtige und präzise Bestimmung der Ultraspuren an einem Quadrupol ICP-MS sicher.Das Verfahren konnte anhand von geologischen Referenzmaterialien aus Kanada sichergestellt werden. Gerade die Wiederholungsbestimmungen der verschiedenen Referenzmaterialien unter Verwendung des ICP-QMSIVA Verfahrens sind beispiellos und in dieser Form noch nicht in der Literatur beschrieben. Durch systematische Messungen konnten Richtigkeit und Präzision des Verfahrens bestätigt werden und die Inhomogenität des Referenzmaterials UMT-1 bezüglich Pt bewiesen werden. Das in dieser Arbeit entwickelte Verfahren zur Ultraspurenbestimmung der PGE mit ICP-QMSIVA wurde im Rahmen des Projektes 'Production and certification of a road dust reference material for platinum, palladium and rhodium (PGEs) in automative catalytic converters (PACEPAC)' der Europäischen Union zur Zertifizierung von zwei Referenzmaterialien für Umweltproben eingesetzt. Hierbei wurde bei der Zertifizierung ('intercomparison round') eine sehr gute Übereinstimmung der Ergebnisse mit dem gewichteten Mittelwert der Ergebnisse für Pd und Pt mit den übrigen teilnehmenden Laboratorien festgestellt. Die mit der hier entwickelten Methode erhaltenen Ergebnisse wurden ohne Ausnahme für alle gemessenen Elemente zur Zertifizierung herangezogen. Damit leistete die vorliegende Arbeit einen erheblichen Beitrag zum erfolgreichen Abschluß dieses Projekts. Den Erwartungen hinsichtlich Richtigkeit und Reproduzierbarkeit des entwickelten Verfahrens wurde somit voll entsprochen. Erneut konnte die große Bedeutung der Isotopenverdünnungstechnik für die Zertifizierung von Referenzmaterialien aufgezeigt werden, da mit dieser Technik bei sachgerechtem Einsatz Ergebnisse hoher Richtigkeit erzielt werden. Durch vergleichende Messungen mit der NiS-Dokimasie und NAA, die in einer Kooperation mit dem Kernchemischen Institut der Universität Mainz durchgeführt wurden, und dem hier verwendeten Verfahren, konnten übereinstimmende Daten, hinsichtlich der Abnahme der Konzentrationen von Pd und Pt in Abhängigkeit von der Entfernung zu einer Autobahn, erzielt werden. Diese Arbeit und die Forschungsergebnisse, die mit der anerkannten NAA erzielt wurden, zeigen, daß die PGE durch Katalysatoren von Automobilen überwiegend metallisch emittiert werden. Der anthropogene Eintrag der PGE in die Umwelt kann mit dem ICP-QMSIVA Verfahren weiterhin sehr gut verfolgt werden.

EXAFS-Untersuchungen zur Rolle von Silicium bei der Sorption von umweltrelevanten Schwermetallen (Zn, As, Pb) in Speichermineralen (FeOOH,CSH)

Bei den Sorptions- und Desorptionsmechanismen an Mineraloberflächen ist oft nicht bekannt, durch welchen Mechanismus bestimmte Spurenelemente gebunden werden (Adsorption, Ionenaustausch, Ausfällung). Heterogene Reaktionen an der Fluid/Mineral-Grenzfläche sind im Allgemeinen sehr komplex. Ein Grund dafür ist, dass mehrere Mechanismen simultan ablaufen können. Da verschiedene Reaktionstypen räumlich getrennt ablaufen, d.h. im mikroskopischen Maßstab an unterschiedlichen Reaktionsplätzen, müssen die individuellen Reaktionsmechanismen auf atomarem Maßstab untersucht werden, um die Komplexität der Gesamtreaktion zu verstehen. Mit Hilfe der EXAFS Spektroskopie wurde die Bindungsform und -art der eingelagerten Zink- und Blei-Atome in die synthetische Calciumsilikathydratphase (CSH) und des adsorptiv gebundenen Arsens an der Oberfläche der natürlichen Eisenhydroxidphase bestimmt. Hierbei spielt Silizium eine relevante Rolle für die Immobilisierung von Schwermetallen. In beiden Fällen, in denen das Silizium einerseits als Adsorbat an der Oberfläche der Eisenhydroxidphase und andererseits in die Struktur der Mischphase gebunden vorliegt, trägt es wesentlich zur Form und Art der Bindung der Schwermetalle in die neugebildete Phase bei.

The grain-scale distribution and behaviour of melt and fluid in crystalline analogue systems

The production, segregation and migration of melt and aqueous fluids (henceforth called liquid) plays an important role for the transport of mass and energy within the mantle and the crust of the Earth. Many properties of large-scale liquid migration processes such as the permeability of a rock matrix or the initial segregation of newly formed liquid from the host-rock depends on the grain-scale distribution and behaviour of liquid. Although the general mechanisms of liquid distribution at the grain-scale are well understood, the influence of possibly important modifying processes such as static recrystallization, deformation, and chemical disequilibrium on the liquid distribution is not well constrained. For this thesis analogue experiments were used that allowed to investigate the interplay of these different mechanisms in-situ. In high-temperature environments where melts are produced, the grain-scale distribution in “equilibrium” is fully determined by the liquid fraction and the ratio between the solid-solid and the solid-liquid surface energy. The latter is commonly expressed as the dihedral or wetting angle between two grains and the liquid phase (Chapter 2). The interplay of this “equilibrium” liquid distribution with ongoing surface energy driven recrystallization is investigated in Chapter 4 and 5 with experiments using norcamphor plus ethanol liquid. Ethanol in contact with norcamphor forms a wetting angle of about 25°, which is similar to reported angles of rock-forming minerals in contact with silicate melt. The experiments in Chapter 4 show that previously reported disequilibrium features such as trapped liquid lenses, fully-wetted grain boundaries, and large liquid pockets can be explained by the interplay of the liquid with ongoing recrystallization. Closer inspection of dihedral angles in Chapter 5 reveals that the wetting angles are themselves modified by grain coarsening. Ongoing recrystallization constantly moves liquid-filled triple junctions, thereby altering the wetting angles dynamically as a function of the triple junction velocity. A polycrystalline aggregate will therefore always display a range of equilibrium and dynamic wetting angles at raised temperature, rather than a single wetting angle as previously thought. For the deformation experiments partially molten KNO3–LiNO3 experiments were used in addition to norcamphor–ethanol experiments (Chapter 6). Three deformation regimes were observed. At a high bulk liquid fraction >10 vol.% the aggregate deformed by compaction and granular flow. At a “moderate” liquid fraction, the aggregate deformed mainly by grain boundary sliding (GBS) that was localized into conjugate shear zones. At a low liquid fraction, the grains of the aggregate formed a supporting framework that deformed internally by crystal plastic deformation or diffusion creep. Liquid segregation was most efficient during framework deformation, while GBS lead to slow liquid segregation or even liquid dispersion in the deforming areas.

Geochronological and structural evolution of the western and central Kaoko Belt in NW Namibia

This thesis focusses on the tectonic evolution and geochronology of part of the Kaoko orogen, which is part of a network of Pan-African orogenic belts in NW Namibia. By combining geochemical, isotopic and structural analysis, the aim was to gain more information about how and when the Kaoko Belt formed. The first chapter gives a general overview of the studied area and the second one describes the basis of the Electron Probe Microanalysis dating method. The reworking of Palaeo- to Mesoproterozoic basement during the Pan-African orogeny as part of the assembly of West Gondwana is discussed in Chapter 3. In the study area, high-grade rocks occupy a large area, and the belt is marked by several large-scale structural discontinuities. The two major discontinuities, the Sesfontein Thrust (ST) and the Puros Shear Zone (PSZ), subdivide the orogen into three tectonic units: the Eastern Kaoko Zone (EKZ), the Central Kaoko Zone (CKZ) and the Western Kaoko Zone (WKZ). An important lineament, the Village Mylonite Zone (VMZ), has been identified in the WKZ. Since plutonic rocks play an important role in understanding the evolution of a mountain belt, zircons from granitoid gneisses were dated by conventional U-Pb, SHRIMP and Pb-Pb techniques to identify different age provinces. Four different age provinces were recognized within the Central and Western part of the belt, which occur in different structural positions. The VMZ seems to mark the limit between Pan-African granitic rocks east of the lineament and Palaeo- to Mesoproterozoic basement to the west. In Chapter 4 the tectonic processes are discussed that led to the Neoproterozoic architecture of the orogen. The data suggest that the Kaoko Belt experienced three main phases of deformation, D1-D3, during the Pan-African orogeny. Early structures in the central part of the study area indicate that the initial stage of collision was governed by underthrusting of the medium-grade Central Kaoko zone below the high-grade Western Kaoko zone, resulting in the development of an inverted metamorphic gradient. The early structures were overprinted by a second phase D2, which was associated with the development of the PSZ and extensive partial melting and intrusion of ~550 Ma granitic bodies in the high-grade WKZ. Transcurrent deformation continued during cooling of the entire belt, giving rise to the localized low-temperature VMZ that separates a segment of elevated Mesoproterozoic basement from the rest of the Western zone in which only Pan-African ages have so far been observed. The data suggest that the boundary between the Western and Central Kaoko zones represents a modified thrust zone, controlling the tectonic evolution of the Kaoko belt. The geodynamic evolution and the processes that generated this belt system are discussed in Chapter 5. Nd mean crustal residence ages of granitoid rocks permit subdivision of the belt into four provinces. Province I is characterised by mean crustal residence ages <1.7 Ga and is restricted to the Neoproterozoic granitoids. A wide range of initial Sr isotopic values (87Sr/86Sri = 0.7075 to 0.7225) suggests heterogeneous sources for these granitoids. The second province consists of Mesoproterozoic (1516-1448 Ma) and late Palaeo-proterozoic (1776-1701 Ma) rocks and is probably related to the Eburnian cycle with Nd model ages of 1.8-2.2 Ga. The eNd i values of these granitoids are around zero and suggest a predominantly juvenile source. Late Archaean and middle Palaeoproterozoic rocks with model ages of 2.5 to 2.8 Ga make up Province III in the central part of the belt and are distinct from two early Proterozoic samples taken near the PSZ which show even older TDM ages of ~3.3 Ga (Province IV). There is no clear geological evidence for the involvement of oceanic lithosphere in the formation of the Kaoko-Dom Feliciano orogen. Chapter 6 presents the results of isotopic analyses of garnet porphyroblasts from high-grade meta-igneous and metasedimentary rocks of the sillimanite-K-feldspar zone. Minimum P-T conditions for peak metamorphism were calculated at 731±10 °C at 6.7±1.2 kbar, substantially lower than those previously reported. A Sm-Nd garnet-whole rock errorchron obtained on a single meta-igneous rock yielded an unexpectedly old age of 692±13 Ma, which is interpreted as an inherited metamorphic age reflecting an early Pan-African granulite-facies event. The dated garnets survived a younger high-grade metamorphism that occurred between ca. 570 and 520 Ma and apparently maintained their old Sm-Nd isotopic systematics, implying that the closure temperature for garnet in this sample was higher than 730 °C. The metamorphic peak of the younger event was dated by electronmicroprobe on monazite at 567±5 Ma. From a regional viewpoint, it is possible that these granulites of igneous origin may be unrelated to the early Pan-African metamorphic evolution of the Kaoko Belt and may represent a previously unrecognised exotic terrane.

Molekulardynamiksimulationen zur Untersuchung des Mischalkali-Effektes in silikatischen Gläsern

In der vorliegenden Arbeit wird mittels Molekulardynamik(MD)-Computersimulationen die Dynamik von verschiedenen Alkalisilikaten in der Schmelze und im Glas untersucht. Es ist bekannt, daß diese Systeme ionenleitend sind, was auf eine hohe Mobilität der Alkaliionen im Vergleich zu den glasbildenden Komponenten Si und O zurückzuführen ist. Im Mittelpunkt des Interesses steht der sog. Mischalkalieffekt (MAE), der in ternären Mischungen aus Siliziumdioxid mit zwei Alkalioxiden auftritt. Gegenüber Mischungen mit nur einer Alkaliionensorte weisen letztere Systeme eine signifikante Verlangsamung der Alkaliionendiffusion auf. Zunächst werden zwei binäre Alkalisilikate simuliert, nämlich Lithiumdisilikat (LS2) und Kaliumdisilikat (KS2). Die Simulationen zeigen, daß der Ursprung der hohen Mobilität der Alkaliionen in der Struktur begründet ist. KS2 und LS2 weisen auf intermediären Längenskalen Ordnung auf, die in partiellen statischen Strukturfaktoren durch Prepeaks reflektiert ist. Die den Prepeaks zugrundeliegende Struktur erklärt sich durch perkolierende Netzwerke aus alkalioxidreichen Kanälen, die als Diffusionskanäle für die mobilen Alkaliionen fungieren. In diesen Kanälen bewegen sich die Ionen mittels Sprüngen (Hopping) zwischen ausgezeichneten Plätzen. In der Simulation beobachtet man für die hohen Temperaturen (4000K>=1500K) eine ähnliche Aktivierungsenergie wie im Experiment. Im Experiment findet allerdings unterhalb von ca.1200K ein Crossover in ein Arrheniusverhalten mit höherer Aktivierungsenergie statt, welches von der Simulation nicht nachvollzogen wird. Das kann mit der in der Simulation nicht im Gleichgewicht befindlichen Si-O-Matrix erklärt werden, bei der Alterungseffekte beobachtet werden. Am stärksten ist der MAE für eine Alkalikomponente, wenn deren Konzentrationsanteil in einem ternären Mischalkalisystem gegen 0 geht. Daher wird ein LS2-System untersucht, in dem ein Li-Ion gegen ein K-Ion getauscht wird. Der Einfluß des K-Ions ist sowohl lokal in den charakteristischen Abständen zu den ersten nächsten Nachbarn (NN) zu sehen, als auch in der ortsaufgelösten Koordinationszahlverteilung bis zu Längenskalen von ca. 8,5 Angstrom. Die Untersuchung der Dynamik des eingesetzten K-Ions zeigt, daß die Sprungwahrscheinlichkeit nicht mit der Lokalisierung, einem Maß für die Bewegung eines Teilchens um seine Ruheposition, korreliert ist, aber daß eine chemische Umgebung mit wenig Li- und vielen O-NN oder vielen Li- und wenig O-NN ein Sprungereignis begünstigt. Zuletzt wird ein ternäres Alkalisilikat (LKS2) untersucht, dessen Struktur alle charakteristischen Längenskalen von LS2 und KS2 aufweist. Es stellt sich also eine komplexe Struktur mit zwei perkolierenden Subnetzwerken für Alkaliionen ein. Die Untersuchung der Dynamik zeigt eine geringe Wahrscheinlichkeit dafür auf, daß Ionen in ein Subnetzwerk andersnamiger Ionen springen. Auch kann gezeigt werden, daß das Modellpotential den MAE reproduzieren kann, daß also die Diffusionskonstanten in LKS2 bei bis zu einer Größenordnung langsamer sind als in KS2 bzw. LS2. Der beobachtete Effekt stellt sich zudem vom funktionalen Verlauf her so dar, wie er beim MAE erwartet wird. Es wurde auch festgestellt, daß trotz der zeitlichen Verzögerung in den dynamischen Größen die Anzahl der Sprünge pro Zeit nicht geringer ist und daß für niedrige Temperaturen (d.h.im Glas) Sprünge auf den Nachbarplatz mit anschließendem Rücksprung auf die vorherige Position deutlich wahrscheinlicher sind als bei hohen Temperaturen (also in der Schmelze). Die vorliegenden Resultate geben Aufschluß über die Details der Mechanismen mikroskopischer Ionenleitung in binären und ternären Alkalisilikaten sowie dem MAE.

EPR-Spektroskopie zur Untersuchung von Struktur und Dynamik in Polymer-Ton-Nanokompositen

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung von Struktur und Dynamik in Polymer-Ton-Nanokompositen mittels EPR-Spektroskopie; damit sollten ein Beitrag zur Analyse der Tensidschicht in solchen Systemen geleistet und die Ergebnisse anderer Messmethoden ergänzt werden. Die Tensidschicht in Polymer-Ton-Nanokompositen nimmt großen Einfluss auf das System, denn sie bestimmt die Wechselwirkung zwischen Ton und Polymer: Damit hydrophiler Ton gut mit hydrophobem Polymer (hier Polystyrol) mischbar ist, muss das Schichtsilikat zunächst mit Tensiden organisch-modifiziert werden; dies geschieht durch Kationenaustausch der Natriumionen im Ton gegen Tenside. Um mit Hilfe der EPR einen Einblick in die Tensidschicht zu gewinnen, muss etwa 1% der zur Tonmodifizierung eingesetzten Amphiphile spinmarkiert sein. So gelang es im Rahmen dieser Arbeit, Tenside mit verschiedenen Kopfgruppen, nämlich Trimethylammonium- bzw. Trimethylphosphoniumtenside, zu synthetisieren und sie an verschiedenen Positionen ihrer hydrophoben Alkylkette mit einem Nitroxidradikal zu markieren. Das Nitroxidradikal diente als Spinsonde für die EPR-Experimente. Neben der Synthese verschiedener, spinmarkierter Amphiphile, der anschließenden Darstellung organisch-modifizierten Tons (Kationenaustausch) und verschiedener Polymer-Ton-Nanokomposite (Schmelzinterkalation) wurden alle Proben mittels EPR-Spektroskopie untersucht; dabei wurden sowohl cw- als auch gepulste Messtechniken eingesetzt. Aus cw-Experimenten ging hervor, dass die Dynamik der gesamten Tensidschicht mit der Temperatur zunimmt und die Mobilität der hydrophoben Tensidalkylkette mit wachsendem Abstand zu ihrer Kopfgruppe wächst. Zugabe von Polymer behindert bei steigender Temperatur das Anschwellen des Tons bei Aufschmelzen der Tensidschicht; die Dynamik des Systems ist eingeschränkt. Mit Hilfe gepulster EPR-Messungen (ENDOR und ESEEM), die Informationen über Abstände bzw. Kontakt in den untersuchten Systemen lieferten, ließ sich ein Strukturmodell der Polymer-Ton-Nanokomposite skizzieren, das Vorstellungen anderer, älterer Methoden unterstützt: Hierbei richten sich die Tenside in Multischichten unterschiedlicher Mobilität parallel zur Tonoberfläche aus.

Structure and properties of composite polyolefin materials

This thesis is based on three main studies, all dealing with structure-property investigation of semicrystalline polyolefin-based composites. Low density poly(ethylene) (LDPE) and isotactic poly(propylene) (iPP) were chosen as parts of the composites materials and they were investigated either separately (as homoploymers), either in blend systems with the composition LDPE/iPP 80/20 or as filled matrix with layered silicate (montmorillonite). The beneficial influence of adding ethylene-co-propylene polymer of amorphous nature, to low density poly(ethylene)/isotactic poly(propylene) (80/20) blend is demonstrated. This effect is expressed by the major improvement of mechanical properties of ternary blends as examined at a macroscopic size scale by means of tensile measurements. The structure investigation also reveals a clear dependence of the morphology on adding ethylene-copropylene polymer. Both the nature and the content of ethylene-co-propylene polymer affect structure and properties. It is further demonstrated that the extent of improvement in mechanical properties is to be related to the molecular details of the compatibilizer. Combination of high molecular weight and high ethylene content is appropriate for the studied system where the poly(ethylene) plays the role of matrix. A new way to characterize semicrystalline systems by means of Brillouin spectroscopy is presented in this study. By this method based on inelastic light scattering, we were able to measure the high frequency elastic constant (c11) of the two microphases in the case where the spherulites size is exhibit size larger than the size of the probing phonon wavelength. In this considered case, the sample film is inhomogeneous over the relevant length scales and there is an access to the transverse phonon in the crystalline phase yielding the elastic constant c44 as well. Isotactic poly(propylene) is well suited for this type of investigation since its morphology can be tailored through different thermal treatment from the melt. Two distinctly different types of films were used; quenched (low crystallinity) and annealed (high crystallinity). The Brillouin scattering data are discussed with respect to the spherulites size, lamellae thickness, long period, crystallinity degree and well documented by AFM images. The structure and the properties of isotactic poly(propylene) matrix modified by inorganic layered silicate, montmorillonite, are discussed with respect to the clay content. Isotactic poly(propylene)-graft-maleic anhydride was used as compatibilizer. It is clearly demonstrated that the property enhancement is largely due to the ability of layered silicate to exfoliate. The intimate dispersion of the nanometer-thick silicate result from a delicate balance of the content ratio between the isotactic poly(propylene)-graft-maleic anhydride compatibilizer and the inorganic clay.

High quality colloidal crystals with different architectures and their optical properties

In this present work high quality PMMA opals with different sphere sizes, silica opals from large size spheres, multilayer opals, and inverse opals were fabricated. Highly monodisperse PMMA spheres were synthesized by surfactant-free emulsion polymerization (polydispersity ~2%). Large-area and well-ordered PMMA crystalline films with a homogenous thickness were produced by the vertical deposition method using a drawing device. Optical experiments have confirmed the high quality of these PMMA photonic crystals, e.g., well resolved high-energy bands of the transmission and reflectance spectra of the opaline films were observed. For fabrication of high quality opaline photonic crystals from large silica spheres (diameter of 890 nm), self-assembled in patterned Si-substrates a novel technique has been developed, in which the crystallization was performed by using a drawing apparatus in combination with stirring. The achievements comprise a spatial selectivity of opal crystallization without special treatment of the wafer surface, the opal lattice was found to match the pattern precisely in width as well as depth, particularly an absence of cracks within the size of the trenches, and finally a good three-dimensional order of the opal lattice even in trenches with a complex confined geometry. Multilayer opals from opaline films with different sphere sizes or different materials were produced by sequential crystallization procedure. Studies of the transmission in triple-layer hetero-opal revealed that its optical properties cannot only be considered as the linear superposition of two independent photonic bandgaps. The remarkable interface effect is the narrowing of the transmission minima. Large-area, high-quality, and robust photonic opal replicas from silicate-based inorganic-organic hybrid polymers (ORMOCER® s) were prepared by using the template-directed method, in which a high quality PMMA opal template was infiltrated with a neat inorganic-organic ORMOCER® oligomer, which can be photopolymerized within the opaline voids leading to a fully-developed replica structure with a filling factor of nearly 100%. This opal replica is structurally homogeneous, thermally and mechanically stable and the large scale (cm2 size) replica films can be handled easily as free films with a pair of tweezers.

Surface layer formation in polymer melts and in solutions

In this work the surface layer formation in polymer melts and in polymer solutions have been investigated with the atomic force microscope (AFM). In polymer melts, the formation of an immobile surface layer results in a steric repulsion, which can be measured by the AFM. From former work it is know, that polydimethyl siloxane (PDMS) forms a stable surface layer for molecular weights above 12 kDa. In the present thesis, polyisoprene (PI) was investigated apart from PDMS, by a)measuring the steric surface interactions and b)measuring the surface slip in hydrodynamic experiments. If a polymer flows over a surface, the flow velocity at the surface is larger then zero. If case of a surface layer formation the flow plane changes to the top of the adsorbed layer and the surface slip is reduced to zero. By measuring the surface slip in hydrodynamic experiments, it is therefore possible to determine the presence of a stable surface layer. The results show no stable repulsion for PI and only a small decrease of the surface slip. This indicates that PI does not form a stable surface layer, but is only adsorbed weakly to the surface. Furthermore for 8 kDa PDMS the timescale of the formation of a surface layer was investigated by changing themaximal force the tip applied to the surface. With a repulsive force present, applying a higher force than 15 nN resulted in a destruction of the surface layer, indicated by attractive forces. Reducing the applied force below 15 nN then resulted in an increase of the repulsion to the former state during one minute, thus indicating that a surface layer can be formed within one minute even under the influence of continuous measurements. As a next step, mixtures of two PDMS homopolymers with different chain lengths have been investigated. The aim was to verify theoretical predictions that shorter chains should predominate at the surface due to their smaller loss in conformational entropy. The measurements where done in dependence of the volume fractions of short and long chain PMDS. The results confirmed the short chain dominance for all mixtures with less then 90 vol.% long chain PDMS. Surface layer formation in solution was investigated for superplasticizers which are industrially used as an additive to cement. They change the surface interaction between the cement grains from attractive to repulsive and the freshlymixed cement paste therefore becomes liquid. The aimin this part of the thesis was, to investigate cement particle interactions in a close to real environment. Therefore calcium silicate hydrate phases have been precipitated onto an AFM tip and onto a calcite crystal and the interaction between these surfaces have beenmeasured with and without addition of superplasticizers. The measurements confirmed the change from attraction to repulsion upon addition of superplasticizers. The repulsive steric interaction increased with the length of the sidechain of the superplasticizer, and the dependence of the range of the steric interactions on the sidechain length indicated that the sidechains are in a coiled conformation.

Spectroscopic study of Bioceramics for Endodontic and Orthopaedics

This thesis was aimed at investigating the physical-chemical properties and the behaviour in physiological environment of two classes of bioceramics: calcium silicate-based dental cements and alumina-based femoral heads for hip joint prostheses. The material characterization was performed using spectroscopic techniques such as that allow to obtain information on the molecular structure of the species and phases present in the analyzed samples. Raman, infrared and fluorescence spectroscopy was principally used. Calcium silicate cements, such as MTA (Mineral Trioxide Aggregate), are hydraulic materials that can set in presence of water: this characteristic makes them suitable for oral surgery and in particular as root-end filling materials. With the aim to improve the properties of commercial MTA cements, several MTA-based experimental formulations have been tested with regard to bioactivity (i.e. apatite forming ability) upon ageing in simulated body fluids. The formation of a bone-like apatite layer may support the integration in bone tissue and represents an essential requirement for osteoconduction and osteoinduction. The spectroscopic studies demonstrated that the experimental materials under study had a good bioactivity and were able to remineralize demineralized dentin. . Bioceramics thanks to their excellent mechanical properties and chemical resistance, are widely used as alternative to polymer (UHMWPE) and metal alloys (Cr-Co) for hip-joint prostesis. In order to investigate the in vivo wear mechanisms of three different generations of commercial bioceramics femoral heads (Biolox®, Biolox® forte, and Biolox® delta), fluorescence and Raman spectroscopy were used to investigate the surface properties and residual stresses of retrieved implants. Spectroscopic results suggested different wear mechanisms in the three sets of retrievals. Since Biolox® delta is a relatively recent material, the Raman results on its retrievals has been reported for the first time allowing to validate the in vitro ageing protocols proposed in the literature to simulate the effects of the in vivo wear.

Biomaterials for Clinical Application in Endodontics

Endodontic therapy consists in the management of several tissues such as pulp tissue, periodontal tissue, periapical bone and dentine. These tissues are often contaminated by blood, periapical exudates and biological fluids. An ideal orthograde or retrograde filling material should be non toxic, noncarcinogenic, nongenotoxic, biocompatible with the host tissues, insoluble in tissue fluids, and dimensionally stable. Calcium-silicate MTA based cements own many of these ideal characteristics, but the long setting time, the non-easy handling and the lack of mechanical properties at early times are few drawbacks which may complicate the clinical application. The aim of this study was to investigate the chemical, physical and biological properties of calcium-silicate MTA cements in order to improve the mechanical properties and the handling keeping the biological characteristics unchanged. Chemical and physical properties such as setting time, solubility, water-uptake, ion release, sealing ability were investigated according the ISO and ADA specifications. The bioactivity (ability to produce apatite nano-sferulities) of MTA cements were evaluated using ESEM/EDX, micro-Raman and ATR/FTIR spettroscopy.

Morphologischer und biochemischer Aufbau von Silikatnadeln der Hexactinelliden am Beispiel von Monorhaphis chuni

Schon 1904 beschrieb Schulze den Aufbau von Silikatnadeln des Schwammes Monorhaphis chuni, eines Mitglieds der zweiten Familie von biosilifizierenden Schwämmen, den Hexactinelliden (Glasschwämmen). Weitergehende morphologische Untersuchungen und biochemische Analysen insbesondere mit modernen Methoden wurden an Hexactinelliden bisher kaum durchgeführt. Ziel der vorliegenden Arbeit bestand deshalb darin, Untersuchungen zur Morphologie, der chemischen Zusammensetzung, der Verteilung und Charakterisierung der beteiligten anorganischen und organischen Komponenten sowie einen molekularbiologischer Nachweis der Existenz von Silicatein in Hexactinelliden durchzuführen. Für diese Untersuchungen wurden zwei Spezies verwendet: Monorhaphis chuni und Crateromorpha meyeri. Mittels Elektronen-Mikrosonden-Technik wurde an Querschnitten der Pfahlnadel von M. chuni die Verteilung der Elemente innerhalb der Nadel untersucht. Am äußeren Rand der Nadel (150 µm) traten im Vergleich zur Nadelmitte prägnante Unterschiede in der Konzentration von Kaliumoxid und Natriumoxid auf. Diese Ergebnisse deuten auf das Vorhandensein eines ähnlichen Transportsystems zur Anreicherung von Silizium/Silikat bei der Nadelbildung hin, wie es bereits in S. domuncula bekannt ist. Mit elektronen- und lichtmikroskopischen Untersuchungen wurden die organischen Substanzen der Silikatnadel nachgewiesen und deren Verteilung innerhalb dieser Nadeln analysiert. In der lamellaren Zone befindet sich, eine säurelabile organische Netzstruktur, sowie eine, die Silikatschichten durchspannende, säulenähnliche Struktur. Im Axialzylinder zeigt das organische Material eine leicht verzweigte fibrilläre Anordnung. Mit biochemischen Verfahren wurden die organischen Komponenten der Nadeln detaillierter untersucht. Mehrere Proteine mit Molekulargewichten von 17, 24, 27 ,30, 36 und 70 kDa wurden durch gelelektrophoretische Analysen von Material der Pfahlnadel identifiziert. Die Analyse isolierter Anteile der lamellaren Zone zeigte ausschließlich ein 27 kDa Protein. Die restlichen Proteinbanden konnten hier nicht nachgewiesen werden. Das 27 kDa Protein reagierte im Westernblot mit Antikörpern gegen Silicatein aus S. domuncula. Ein weiteres Protein wurde näher charakterisert. Ein positiver Agglutinationsassay wies ein lectinähnliches Molekül innerhalb der Nadeln nach, wie es aus S. domuncula bekannt ist. Nach einer Deglycolysierung der Proteine reduzierte sich das scheinbare Molekulargewicht der 36 kDa Bande auf 30 kDa. Durch molekularbiologische Untersuchungen wurde erstmals in Hexactinelliden die Existenz von Silicatein nachgewiesen. Nach Isolierung der Gesamt-RNA von Crateromorpha meyeri, RT-PCR und Amplifizierung mit silicateinspezifischen Primern wurde eine 549 kBp Nukleotidsequenz gefunden, die auf Aminosäureebene starke Homologien (76% identische Aminosäuren) zu bekannten Silicateinen der Demospongia aufweist. Die Aminosäuren der katalytische Triade des Silicateins, essenziell für die enzymatische Katalyse des Enzyms, sind an den selben Positionen wie bei bekannten Silicateinen vorhanden.

An investigation into complex inorganic materials with Mössbauer spectroscopy

Mössbauer Spektroskopie ist ein unverzichtbares Instrument für die Bestimmung von Oxidationszuständen und für die Analyse von lokalen Ordnungsphänomenen von Mössbauer aktiven Atomen. Weil es sich um eine lokale Methode handelt können sowohl kristalline als auch amorphe Materialien untersucht werden. Die Kombination von lokaler Prüfung mit Mössbauer Spektroskopie und globaler Untersuchung z.B. mit Röntgendiffraktometrie ermöglicht die Studie von Ordnungseffekten von statistisch besetzten Positionen in einer geordneten Matrix. Das wurde hier eingesetzt um die lokale Umgebung in zwei Serien von Heuslerverbindungen, Co2-xFe1+xSi and Co2Mn1-xFexAl zu untersuchen. Für die Co2Mn1-xFexAl Serie wurde eine L21 geordnete Phase in einer insgesamt B2 geordneten Probe detektiert. Ein Wechsel von der AlCu2Mn zu der CuHg2Ti Struktur wurde für die Co2-xFe1+xSi Proben gefunden. Die Transformation von einem Glas zu einem keramischen Material wurde mit 119Sn Mössbauer Spektroskopie untersucht. Die höhere Ordnung in der Keramik wurde von einer kleiner werdenden Mössbauerlinienbreite begleitet. Demzufolge geben die Modifikationen der Sn Umgebungen klar die Transformation des gesamten Materials wieder. Ist die lokale Umgebung von unregelmäßig auftretenden Atomen in einer amorphen Matrix von Interesse, sind lokal prüfende Methoden die zuverlässigsten Methoden die zur Verfügung stehen. In dieser Arbeit wurde 119Sn Mössbauer Spektroskopie eingesetzt um die Oxidationszustände, die lokalen Umgebungen und relativen Intensitäten von Zinn Atomen in einer Silikatmatrix zu bestimmen. Modifikationen dieser Parameter als Funktion von Prozess bestimmenden Parametern wie der Sauerstoffpartialdruck, die Temperatur, die Behandlungsdauer und der Abkühlprozess genauso wie der SnO2 Gehalt sind von Interesse, weil durch Reduktions- und Diffusionsprozesse Änderungen des Koordinations- und des Oxidationszustands der Zinnatome auftreten. Da diese Änderungen in der Glasmatrix verursachen, die das fertige Produkt im industriellen Fertigungsprozess ruinieren können sind diese feinen Veränderungen sehr wichtig. Wenigstens zwei Mössbauerlinien korrespondierend mit zwei verschiedenen Umgebungen für Sn2+ und Sn4+ sind für eine Analyse mit ausreichender Qualität notwendig. Durch Vergleich von den bestimmten Hyperfein Parametern mit den Parametern von Modelsubstanzen werden lokale Umgebungen der Zinnatome entworfen. Für Sn2+ werden zwei auf einer trigonalen Pyramide basierende Umgebungen mit variierender Anzahl von bindenden und nicht-bindenden Sauerstoffatomen formuliert. Für Sn4+ wurde eine tetraedrische und eine oktaedrische Umgebung postuliert. Die relativen Intensitäten der vier Mössbauerlinien wurden um ein Diffusions- und Reaktionsmodell zu entwickeln und um einen Satz von Diffusions- und Transferkoeffizienten zu bestimmen eingesetzt. Die bestimmten Diffusionskoeffizienten stimmen mit den Literaturdaten überein. Der Massentransferkoeffizient ist kleiner als der bestimmte Wert, aber immer noch in der gleichen Größenordnung. Im Gegensatz zu den Erwartungen ist der präsentierte Diffusionskoeffizient für Sn4+ bestimmt als der von Sn2+. Das wiederum kann durch Berücksichtigung von Elektronhoppingprozessen erklärt werden.

A 300 million year-long history. The metamorphic evolution of the Northern Apennine Variscan basement

The Variscan basement of Northern Apennines (Northern Italy) is a polymetamorphic portion of continental crust. This thesis investigated the metamorphic history of this basement occurring in the Cerreto Pass, in the Pontremoli well, and in the Pisani Mountains. The study comprised fieldwork, petrography and microstructural analysis, determination of the bulk rock and mineral composition, thermodynamic modelling, conventional geothermobarometry, monazite chemical dating and Ar/Ar dating of muscovite. The reconstructed metamorphic evolution of the selected samples allowed to define a long-lasting metamorphic history straddling the Variscan and Alpine orogenesis. Some general petrological issues generally found in low- to medium-grade metapelites were also tackled: (i) With middle-grade micaschist it is possible to reconstruct a complete P-T-D path by combining microstructural analysis and thermodynamic modelling. Prekinematic white mica may preserve Mg-rich cores related to the pre-peak stage. Mn-poor garnet rim records the peak metamorphism. Na-rich mylonitic white mica, the XFe of chlorite and the late paragenesis may constrain the retrograde stage. (ii) Metapelites may contain coronitic microstructures of apatite + Th-silicate, allanite and epidote around unstable monazite grains. Chemistry and microstructure of Th-rich monazite relics surrounded by this coronitic microstructure may suggest that monazite mineral was inherited and underwent partial dissolution and fluid-aided replacement by REE-accessory minerals at 500-600°C and 5-7 kbar. (iii) Fish-shaped white mica is not always a (prekinematic) mica-fish. Observed at high-magnification BSE images it may consist of several white mica formed during a mylonitic stage. Hence, the asymmetric foliation boudin is a suitable microstructure to obtain geochronological information about the shearing stage. (iv) Thermodynamic modelling of a hematite-rich metasedimentary rock fails to reproduce the observed mineral compositions when the bulk Fe2O3 is neglected or determined through titration. The mismatch between observed and computed mineral compositions and assemblage is resolved by tuning the effective ferric iron content by P-XFe2O3 diagrams.