Relationship between phonons and thermal expansion in Zn(CN)2 and Ni(CN)2 from inelastic neutron scattering and ab initio calculations

Zn(CN)2 and Ni(CN)2 are known for exhibiting anomalous thermal expansion over a wide temperature range. The volume thermal expansion coefficient for the cubic, three dimensionally connected material, Zn(CN)2, is negative (alpha(V) = −51  10(-6) K-1) while for Ni(CN)2, a tetragonal material, the thermal expansion coefficient is negative in the two dimensionally connected sheets (alpha(a) = −7  10(-6) K-1), but the overall thermal expansion coefficient is positive (alpha(V) = 48  10(-6) K-1). We have measured the temperature dependence of phonon spectra in these compounds and analyzed them using ab initio calculations. The spectra of the two compounds show large differences that cannot be explained by simple mass renormalization of the modes involving Zn (65.38 amu) and Ni (58.69 amu) atoms. This reflects the fact that the structure and bonding are quite different in the two compounds. The calculated pressure dependence of the phonon modes and of the thermal expansion coefficient, alpha(V), are used to understand the anomalous behavior in these compounds. Our ab initio calculations indicate that phonon modes of energy approx. 2 meV are major contributors to negative thermal expansion (NTE) in both the compounds. The low-energy modes of approx.8 and 13 meV in Zn(CN)2 also contribute significantly to the NTE in Zn(CN)2 and Ni(CN)2, respectively. The measured temperature dependence of the phonon spectra has been used to estimate the total anharmonicity of both compounds. For Zn(CN)2, the temperature-dependent measurements (total anharmonicity), along with our previously reported pressure dependence of the phonon spectra (quasiharmonic), is used to separate the explicit temperature effect at constant volume (intrinsic anharmonicity).

Prigogine-Defay Ratio for an Ionic Glass-Former: Molecular Dynamics Simulations

The pressure dependence of the glass-transition temperature, T(g)(P), of the ionic glass-former 2Ca(NO(3))(2) center dot 3KNO(3), CKN, has been obtained by molecular dynamics (MD) simulations The liquid-glass difference of thermal expansivity, Delta alpha, heat capacity, Delta C(p), and isothermal compressibility, Delta kappa, have been calculated as a function of pressure. It has been found that the Ehrenfest relation dT(g)/dP = TV Delta alpha/Delta C(p) predicts the pressure dependence of T, but the other Ehrenfest relation, dT(g)/dP = Delta kappa/Delta alpha, does not. Consequently, the Prigogine-Defay ratio, Pi = Delta C(p)Delta kappa/TV Delta alpha(2), is Pi similar to 1.2 at low pressures, but increases 1 order of magnitude at high pressures. The pressure dependence of the Prigogine-Defay ratio is interpreted in light of recent explanations for the finding Pi > 1.

A new approach to the experimental determination of the critical temperature of metamagnets

A new approach to the experimental determination of the critical temperature of metamagnetic samples with non-zero demagnetizing factors is presented. The method is applied to metamagnetic Ni(NO3)2·2H2O, allowing the conclusion that this salt exhibits a tricritical point. Pressure dependence of the critical temperature, and the existence of a pressure-induced metamagnetic transition are also reported. © 1986.

Investigação da temperatura eletrônica da fase plasma e estudo da morfologia, estrutura molecular e crescimento do polímero proveniente de um plasma de benzeno excitado por tensão contínua

Pós-graduação em Física - FEG

Estudo de propriedades elétricas em sistemas orgânicos e inorgânicos correlacionados

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

Magnetoelastic couplings in the distorted diamond-chain compound azurite

We present results of ultrasonic measurements on a single crystal of the distorted diamond-chain compound azurite Cu-3(CO3)(2)(OH)(2). Pronounced elastic anomalies are observed in the temperature dependence of the longitudinal elastic mode c(22) which can be assigned to the relevant magnetic interactions in the system and their couplings to the lattice degrees of freedom. From a semiquantitative analysis of the magnetic contribution to c(22) the magnetoelastic coupling G = partial derivative J(2)/partial derivative epsilon(b) can be estimated, where J(2) is the intradimer coupling constant and epsilon(b) the strain along the intrachain b axis. We find an exceptionally large coupling constant of | G| similar to 3650 K highlighting an extraordinarily strong sensitivity of J(2) against changes of the b-axis lattice parameter. These results are complemented by measurements of the hydrostatic pressure dependence of J2 by means of thermal expansion and magnetic susceptibility measurements performed both at ambient and finite hydrostatic pressure. We propose that a structural peculiarity of this compound, in which Cu2O6 dimer units are incorporated in an unusually stretched manner, is responsible for the anomalously large magnetoelastic coupling.

Laminated Tubular-channel Ferroelectret Systems from Low-density Polyethylene Films and from Fluoroethylene-propylene Copolymer Films - A Comparison

A template-based lamination technique for the manufacture of ferroelectrets from uniform electret films was recently reported. In the present work, this technique is used to prepare similar ferroelectret structures from low-density polyethylene (LDPE) films and from fluoro-ethylene-propylene (FEP) copolymer films. A comparative analysis of the pressure-, temperature-, and frequency-dependent piezoelectric properties has been performed on the two ferroelectret systems. It is observed that the FEP ferroelectrets exhibit better piezoelectric responses and are thermally more stable. The difference between the piezoelectric d(33) coefficients of the two ferroelectret systems is partially explained here by their different elastic moduli. The anti-resonance peaks of both structures have been investigated by means of dielectric resonance spectroscopy and electroacoustic sound-pressure measurements. A difference of more than 10 kHz is observed between the anti-resonance frequencies of the two ferroelectret systems.

2 H-NMR und Viskositätsuntersuchungen zum Studium der molekularen Dynamik unterkühlter Flüssigkeiten unter Hochdruck

In der vorliegenden Arbeit wurde die Druckabhängigkeit der molekularen Dynamik mittels 2H-NMR und Viskositätsmessungen untersucht. Für die Messungen wurde der niedermolekulare organische Glasbildner ortho-Terphenyl (OTP) ausgewählt, da dieser aufgrund einer Vielzahl vorliegender Arbeiten als Modellsubstanz angesehen werden kann. Daneben wurden auch Messungen an Salol durchgeführt.Die Untersuchungen erstreckten sich über einen weiten Druck- und Temperaturbereich ausgehend von der Schmelze bis weit in die unterkühlte Flüssigkeit. Dieser Bereich wurde aufgrund experimenteller Voraussetzungen immer durch eine Druckerhöhung erreicht.Beide Substanzen zeigten druckabhängig ein Verhalten, das dem der Temperaturvariation bei Normaldruck sehr ähnelt. Auf einer Zeitskala der molekularen Dynamik von 10E-9 s bis zu 10E+2 s wurde daher am Beispiel von OTP ein Druck-Temperatur-Zeit-Superpositionsprinzip diskutiert. Zudem konnte eine Temperatur-Dichte-Skalierung mit rho T-1/4 erfolgreich durchgeführt werden. Dies entspricht einem rein repulsiven Potentialverlauf mit rho -12±3 .Zur Entscheidung, ob die Verteilungsbreiten der mittleren Rotationskorrelationszeiten durch Druckvariation beeinflußt werden, wurden auch Ergebnisse anderer experimenteller Methoden herangezogen. Unter Hinzuziehung aller Meßergebnisse kann sowohl eine Temperatur- als auch Druckabhängigkeit der Verteilungsbreite bestätigt werden. Zur Auswertung von Viskositätsdaten wurde ein Verfahren vorgestellt, das eine quantitative Aussage über den Fragilitätsindex von unterkühlten Flüssigkeiten auch dann zuläßt, wenn die Messungen nicht bis zur Glasübergangstemperatur Tg durchgeführt werden. Die Auswertung der druckabhängigen Viskositätsdaten von OTP und Salol zeigt einen sehr differenzierten druckabhängigen Verlauf des Fragilitätsindexes für beide Glasbildner. OTP zeigt zunächst eine leichte Abnahme und danach wieder eine Zunahme des Fragilitätsindexes, dieses Ergebnis wird auch von Simulationsdaten, die der Literatur entnommen wurden, unterstützt. Salol hingegen zeigt zunächst eine deutliche Zunahme und danach eine Abnahme des Fragilitätsindexes. Das unterschiedliche Verhalten der beiden Glasbildner mit ähnlichem Fragilitätsindex bei Normaldruck wird auf die Wasserstoffbrückenbindungen innerhalb von Salol zurückgeführt.

Untersuchung des Aggregationsverhaltens amphiphiler Diblockcopolymere in überkritischem Kohlendioxid mittels dynamischer Lichtstreuung

„Untersuchung des Aggregationsverhaltens amphiphiler Diblockcopolymere in überkritischem Kohlendioxid mittels dynamischer Lichtstreuung“ In der vorliegenden Arbeit wurde die Mizellenbildung von Diblockcopolymeren des Typs PS-b-PDMS in überkritischem Kohlendioxid (CO2,SC) mittels dynamischer Lichtstreuung (DLS) charakterisiert. Zu diesem Zweck wurden Mischungen aus den Diblockcopolymeren in CO2,SC mit Styrol als Monomer druckabhängig auf diese Fähigkeit hin untersucht. Eine Mizellenbildung konnte anhand der gemessenen hydrodynamischen Radien Rh gezeigt werden. Um eine Vergleichsmöglichkeit gegenüber den mit Styrol gefüllten Kern-Hüllen-Mizellen zu bekommen, wurde das Diblockcopolymer PS-b-PDMS (9/27) zunächst ohne Styrol auf die Fähigkeit hin untersucht ungefüllte Mizellen zu bilden. Durch Druckvariation konnte ein kritischer Mizellendruck von ca. 46,7 MPa bei einer Temperatur von 338 K im Experiment bestätigt werden, der gefundene Rh liegt bei ca. 34 nm. Dagegen setzt die Aggregation bei einer PS-b-PDMS (9/27)/Styrol/CO2,SC- Mischung bei einem wesentlich niedrigeren Druck ein. Durch Druckvariation zwischen 38 MPa und 45,7 MPa wurde eine Größenänderung der Mizellen beobachtet. Durch zeitabhängige-DLS-Messungen am gleichen System bei einem bestimmten Druck wurde ein langsames Schrumpfen der Mizellen gefunden. Um den Einfluß der Blockgröße der verwendeten Amphiphile auf die Mizellenbildung zu untersuchen wurde das System PS-b-PDMS(6/37)/Styrol/CO2,SC mit Hilfe der DLS im Bereich zwischen 39,4 MPa und 43,1 MPa untersucht. Die Druckänderung zeigte für Rh ein nahezu invariantes Verhalten, daß durch eine verlängerte PDMS-Blocklänge und eine damit verbundene Kompensation der verschiedenen Wechselwirkungskräfte zwischen Mizellenkern, -hülle und CO2,SC erklärt werden kann. Im System PS-b-PDMS(6/16)/Styrol/CO2,SC konnte experimentell mit Hilfe der DLS erst nach einer ver-änderten molaren Zusammensetzung eine Mizellenbildung ab 40 MPa ermöglicht werden. Allerdings ändert sich auch in diesem System der hydrodynamische Radius ebenfalls mit dem Druck. Je nach Druck-, Temperatur- und molarer Zusammensetzung variiert die Tendenz der Systeme, Mizellen zu bilden die eine Emulsion stabilisieren können. Für die in Dispersions-Polymerisationsreaktionen eingesetzten Diblockcopolymere bedeutet dieses Ergebnis differenzierte Applikationsmöglichkeiten. Mit den ermittelten Konzentrationsverhältnissen an Amphiphil und Monomer konnte ein Bereich gefunden werden, in dem die thermodynamischen Bedingungen für die Mizellenbildung einerseits und die Vorraussetzungen für die DLS andererseits gegeben sind.

Oxidierte Kohlenwasserstoffe in der oberen Troposphäre: Kinetische Untersuchungen zum Abbau und Einfluss auf HO x und Ozon-Chemie

Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Kinetik der Reaktion des OH-Radikals mit Glykolaldehyd (HOCH2CHO). Die Geschwindigkeitskonstante k1 wurde für diese Reaktion temperaturabhängig bestimmt. Durch gepulste Photolyse wurden OH-Radikale erzeugt. Anschließend wurde die laserinduzierte Fluoreszenz der OH-Radikale bei 309 nm detektiert. Die ermittelte Geschwindigkeitskonstante k1 für die Reaktion von OH mit HOCH2CHO von (8,0 ± 0,8) x 10-12 cm3 Teilchen-1 s-1 erweist sich für den Temperaturbereich von 240 K < T < 362 K als temperaturunabhängig. Zwischen 60 und 250 Torr kann zudem keine Druckabhängigkeit für k1 beobachtet werden. Die unerwartet niedrigere Geschwindigkeitskonstante für die betrachtete Reaktion im Vergleich zur Reaktion von OH mit CH3CHO konnte anhand von Überlegungen zur Korrelation zwischen der C-H-Bindungsstärke und dem H-Abstraktionskanal erklärt werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Photochemie von Aceton (CH3C(O)CH3), Methylethylketon (C2H5C(O)CH3, MEK) und Acetylbromid (CH3C(O)Br) betrachtet. Für die Photolyse von Aceton (bei 248 nm und 266 nm), MEK (bei 248 nm) und Acetylbromid (bei 248 nm) wurden bei 298 ± 3 K druckabhängig zwischen 5 und 1600 Torr N2 Quantenausbeuten für die Methylbildung (Phi(CH3)) bestimmt. Nach gepulster Photolyse der betrachteten Moleküle wurden die transienten Absorptionssignale der Methylradikale bei 216,4 nm verfolgt. Die Quantenausbeuten wurden relativ zur Photolyse von Methyliodid (CH3I) unter gleichen Reaktionsbedingungen ermittelt. Die erhaltenen Quantenausbeuten für CH3-Radikale nehmen für die beiden Systeme Aceton / 248 nm (Phi(CH3, Aceton) = 1,42 – 0,99) und MEK / 248 nm (Phi(CH3, MEK) = 0,45 – 0,19) druckabhängig zu hohen Drücken ab. Die Druckabhängigkeit von Phi(CH3) wird auf die Konkurrenz zwischen Stoßrelaxation und Dissoziation der schwingungsangeregten Acetylradikale (CH3CO#) zurückgeführt. Für das System Aceton / 266 nm wird keine Druckabhängigkeit von Phi(CH3) = 0,93 ± 0,1 beobachtet. Dies wird damit erklärt, dass CH3CO# nicht genügend Energie besitzt, um die Barriere zur Dissoziation zu überschreiten. Bei der Photolyse von Acetylbromid bei 248 nm wird druckunabhängig Phi(CH3) = 0,92 ± 0,10 bestimmt. In diesem System dissoziieren die schwingungsangeregten Acetylradikale bei allen Drücken vollständig. Bei 266 nm wurde die Gesamtquantenausbeute für die Photodissoziation von Aceton (Phi(diss, 266nm)) bestimmt. Die nach Photolyse erhaltenen Methyl - und Acetylradikale wurden nach Titration mit Br2 durch die Resonanzfluoreszenz der Bromatome detektiert. Phi(diss, 266nm) wurde mit 0,92 ± 0,07 bestimmt.

Kinetische Studien zur OH-Bildung über die Reaktionen von HO 2 mit organischen Peroxyradikalen

Es wurde untersucht, wie sich das Substitutionsmuster organischer Peroxyradikale (RO2) auf die Ratenkonstante k1 und die Verzweigungsverhältnisse α, β und γ der Reaktionen von RO2 mit HO2 auswirkt. Die Effekte der Deuterierung von HO2 wurden ebenfalls studiert. Für zwei RO2 wurde zusätzlich das UV-Absorptionsspektrum bestimmt.rnrn αrnRO2 + HO2 → RO + OH + O2 R1arnrn βrn → RO2H + O2 R1brnrn γrn → ROH + O3 R1crnrnIn dieser Arbeit wurde ein neues Experiment aufgebaut. Für die direkte und zeitaufgelöste Messung der OH-Konzentration wurde das Verfahren der Laser-induzierten Fluoreszenz angewendet. Die Radikalerzeugung erfolgte mittels gepulster Laserphotolyse, wodurch unerwünschte Nebenreaktionen weitgehend unterdrückt werden konnten. Mittels transienter Absorptionsspektroskopie konnten die Menge der photolytisch erzeugten Radikale bestimmt und die Ozonbildung über R1c quantifiziert werden. Für die Auswertung wurden kinetische Modelle numerisch an die Messdaten angepasst. Um die experimentellen Unsicherheiten abzuschätzen, wurde ein Monte-Carlo-Ansatz gewählt.rnrnk1 und α reagieren sehr empfindlich auf Veränderungen des RO2-Substitutionsmusters. Während sich eine OH-Bildung für das unsubstituierte C2H5O2 (EtP) mit α EtP ≤ 5 % nicht nachweisen lässt, stellt R1a bei den α-Oxo-substituierten H3CC(O)O2 (AcP) und HOCH2C(O)O2 (HAP) mit α AcP = (63 ± 11) % bzw. α HAP = (69 ± 12) % den Hauptkanal dar. Wie die mit α HEP = (10 ± 4) % geringfügige OH-Bildung bei HOC2H4O2 (HEP) zeigt, nimmt die OH-Gruppe in β-Stellung weniger Einfluss auf den Wert von α als die Oxogruppe in α-Stellung. Bei der Erzeugung α-Oxo-substituierter RO2 kann ebenfalls OH entstehen (R+O2→RO2/OH). Die Druckabhängigkeit dieser OH-Quelle wurde mit einem innovativen Ansatz bestimmt. Mit γ AcP = (15+5-6) % bzw. γ HAP = (10+2-3) % lässt sich für die Reaktionen der α-Oxo-substituierten RO2 eine erhebliche Ozonbildung nachweisen. Durch die Einführung der α-Oxogruppe steigt k1 jeweils um 1,3 • 10-11 cm3s-1 an, der Effekt der β-Hydroxygruppe ist halb so groß (k1 AcP = (2,0 ± 0,4) • 10-11 cm3s-1, k1 HAP = (2,6 ± 0,4) • 10-11 cm3s-1). Das Verzweigungsverhältnis α steigt weiter, wenn das HO2 deuteriert wird (α AcP,iso = (80 ± 14) %, k1 AcP,iso = (2,1 ± 0,4) • 10-11 cm3s-1). Vergleiche mit älteren Studien zeigen, dass die OH-Bildung über R1a bislang deutlich unterschätzt worden ist. Die möglichen Ursachen für die Unterschiede zwischen den Studien werden ebenso diskutiert wie die Hintergründe der beobachteten Substituenteneffekte.

Stable isotope composition of atmospheric carbon monoxide : a modelling study

Stable isotope composition of atmospheric carbon monoxide: A modelling study.rnrnThis study aims at an improved understanding of the stable carbon and oxygen isotope composition of the carbon monoxide (CO) in the global atmosphere by means of numerical simulations. At first, a new kinetic chemistry tagging technique for the most complete parameterisation of isotope effects has been introduced into the Modular Earth Submodel System (MESSy) framework. Incorporated into the ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry (EMAC) general circulation model, an explicit treatment of the isotope effects on the global scale is now possible. The expanded model system has been applied to simulate the chemical system containing up to five isotopologues of all carbon- and oxygen-bearing species, which ultimately determine the δ13C, δ18O and Δ17O isotopic signatures of atmospheric CO. As model input, a new stable isotope-inclusive emission inventory for the relevant trace gases has been compiled. The uncertainties of the emission estimates and of the resulting simulated mixing and isotope ratios have been analysed. The simulated CO mixing and stable isotope ratios have been compared to in-situ measurements from ground-based observatories and from the civil-aircraft-mounted CARIBIC−1 measurement platform.rnrnThe systematically underestimated 13CO/12CO ratios of earlier, simplified modelling studies can now be partly explained. The EMAC simulations do not support the inferences of those studies, which suggest for CO a reduced input of the highly depleted in 13C methane oxidation source. In particular, a high average yield of 0.94 CO per reacted methane (CH4) molecule is simulated in the troposphere, to a large extent due to the competition between the deposition and convective transport processes affecting the CH4 to CO reaction chain intermediates. None of the other factors, assumed or disregarded in previous studies, however hypothesised to have the potential in enriching tropospheric CO in 13C, were found significant when explicitly simulated. The inaccurate surface emissions, likely underestimated over East Asia, are responsible for roughly half of the discrepancies between the simulated and observed 13CO in the northern hemisphere (NH), whereas the remote southern hemisphere (SH) compositions suggest an underestimated fractionation during the oxidation of CO by the hydroxyl radical (OH). A reanalysis of the kinetic isotope effect (KIE) in this reaction contrasts the conventional assumption of a mere pressure dependence, and instead suggests an additional temperature dependence of the 13C KIE, which is driven by changes in the partitioning of the reaction exit channels. This result is yet to be confirmed in the laboratory.rnrnApart from 13CO, for the first time the atmospheric distribution of the oxygen mass-independent fractionation (MIF) in CO, Δ17O, has been consistently simulated on the global scale with EMAC. The applicability of Δ17O(CO) observations to unravelling changes in the tropospheric CH4-CO-OH system has been scrutinised, as well as the implications of the ozone (O3) input to the CO isotope oxygen budget. The Δ17O(CO) is confirmed to be the principal signal for the CO photochemical age, thus providing a measure for the OH chiefly involved in the sink of CO. The highly mass-independently fractionated O3 oxygen is estimated to comprise around 2% of the overall tropospheric CO source, which has implications for the δ18O, but less likely for the Δ17O CO budgets. Finally, additional sensitivity simulations with EMAC corroborate the nearly equal net effects of the present-day CH4 and CO burdens in removing tropospheric OH, as well as the large turnover and stability of the abundance of the latter. The simulated CO isotopologues nonetheless hint at a likely insufficient OH regeneration in the NH high latitudes and the upper troposphere / lower stratosphere (UTLS).rn

Pore-water squeezing from indurated shales

High-pressure mechanical squeezing was applied to sample pore waters from a sequence of highly indurated and overconsolidated sedimentary rocks in a drillcore from a deep borehole in NE Switzerland. The rocks are generally rich in clay minerals (28–71 wt.%), with low water contents of 3.5–5.6 wt.%, resulting in extremely low hydraulic conductivities of 10− 14–10− 13 m/s. First pore-water samples could generally be taken at 200 MPa, and further aliquots were obtained at 300, 400 and 500 MPa. Chemical and isotopic compositions of squeezed waters evolve with increasing pressure. Decreasing concentrations of Cl−, Br−, Na+ and K+ are explained by ion filtration due to the collapse of the pore space during squeezing. Increasing concentrations of Ca2 + and Mg2 + are considered to be a consequence of pressure-dependent solubilities of carbonate minerals in combination with sorption/desorption reactions. The pressure dependence was studied by model calculations considering equilibrium with carbonate minerals and the exchanger population on clay surfaces, and the trends observed in the experiments could be confirmed. The compositions of the squeezed waters were compared with results of independent methods, such as aqueous extraction and in-situ sampling of ground and pore waters. On this basis, it is concluded that the chemical and isotopic composition of pore water squeezed at the lowest pressure of 200 MPa closely represents that of the in-situ pore water. The feasibility of sampling pore waters with water contents down to 3.5 wt.% and possibly less opens new perspectives for studies targeted at palaeo-hydrogeological investigations using pore-water compositions in aquitards as geochemical archives.

The mobility of Nb in rutile-saturated NaCl- and NaF-bearing aqueous fluids from 1-6.5 GPa and 300-800 °C

Rutile (TiO2) is an important host phase for high field strength elements (HFSE) such as Nb in metamorphic and subduction zone environments. The observed depletion of Nb in arc rocks is often explained by the hypothesis that rutile sequesters HFSE in the subducted slab and overlying sediment, and is chemically inert with respect to aqueous fluids evolved during prograde metamorphism in the forearc to subarc environment. However, field observations of exhumed terranes, and experimental studies, indicate that HFSE may be soluble in complex aqueous fluids at high pressure (i.e., >0.5 GPa) and moderate to high temperature (i.e., >300 degrees C). In this study, we investigated experimentally the mobility of Nb in NaCl- and NaF-bearing aqueous fluids in equilibrium with Nb-bearing rutile at pressure-temperature conditions applicable to fluid evolution in arc environments. Niobium concentrations in aqueous fluid at rutile saturation were measured directly by using a hydrothermal diamond-anvil cell (HDAC) and synchrotron X-ray fluorescence (SXRF) at 2.1 to 6.5 GPa and 300-500 degrees C, and indirectly by performing mass loss experiments in a piston-cylinder (PC) apparatus at similar to 1 GPa and 700-800 degrees C. The concentration of Nb in a 10 wt% NaCl aqueous fluid increases from 6 to 11 mu g/g as temperature increases from 300 to 500 degrees C, over a pressure range from 2.1 to 2.8 GPa, consistent with a positive temperature dependence. The concentration of Nb in a 20 wt% NaCl aqueous fluid varies from 55 to 150 mu g/g at 300 to 500 degrees C, over a pressure range from 1.8 to 6.4 GPa; however, there is no discernible temperature or pressure dependence. The Nb concentration in a 4 wt% NaF-bearing aqueous fluid increases from 180 to 910 mu g/g as temperature increases from 300 to 500 degrees C over the pressure range 2.1 to 6.5 GPa. The data for the F-bearing fluid indicate that the Nb content of the fluid exhibits a dependence on temperature between 300 and 500 degrees C at >= 2 GPa, but there is no observed dependence on pressure. Together, the data demonstrate that the hydrothermal mobility of Nb is strongly controlled by the composition of the fluid, consistent with published data for Ti. At all experimental conditions, however, the concentration of Nb in the fluid is always lower than coexisting rutile, consistent with a role for rutile in moderating the Nb budget of arc rocks.

Gas adsorption and desorption effects on cylinders and their importance for long-term gas records

It is well known that gases adsorb on many surfaces, in particular metal surfaces. There are two main forms responsible for these effects (i) physisorption and (ii) chemisorption. Physisorption is associated with lower binding energies in the order of 1–10 kJ mol−¹, compared to chemisorption which ranges from 100 to 1000 kJ mol−¹. Furthermore, chemisorption only forms monolayers, contrasting physisorption that can form multilayer adsorption. The reverse process is called desorption and follows similar mathematical laws; however, it can be influenced by hysteresis effects. In the present experiment, we investigated the adsorption/desorption phenomena on three steel and three aluminium cylinders containing compressed air in our laboratory and under controlled conditions in a climate chamber, respectively. Our observations from completely decanting one steel and two aluminium cylinders are in agreement with the pressure dependence of physisorption for CO₂, CH₄, and H₂O. The CO₂ results for both cylinder types are in excellent agreement with the pressure dependence of a monolayer adsorption model. However, mole fraction changes due to adsorption on aluminium (< 0.05 and 0 ppm for CO₂ and H₂O) were significantly lower than on steel (< 0.41 ppm and about < 2.5 ppm, respectively). The CO₂ amount adsorbed (5.8 × 1019 CO₂ molecules) corresponds to about the fivefold monolayer adsorption, indicating that the effective surface exposed for adsorption is significantly larger than the geometric surface area. Adsorption/desorption effects were minimal for CH₄ and for CO but require further attention since they were only studied on one aluminium cylinder with a very low mole fraction. In the climate chamber, the cylinders were exposed to temperatures between −10 and +50 °C to determine the corresponding temperature coefficients of adsorption. Again, we found distinctly different values for CO₂, ranging from 0.0014 to 0.0184 ppm °C−¹ for steel cylinders and −0.0002 to −0.0003 ppm °C−¹ for aluminium cylinders. The reversed temperature dependence for aluminium cylinders points to significantly lower desorption energies than for steel cylinders and due to the small values, they might at least partly be influenced by temperature, permeation from/to sealing materials, and gas-consumption-induced pressure changes. Temperature coefficients for CH₄, CO, and H₂O adsorption were, within their error bands, insignificant. These results do indicate the need for careful selection and usage of gas cylinders for high-precision calibration purposes such as requested in trace gas applications.