X-ray transmission through nanostructured and microstructured CuO materials

This study presents a comparison of the X-ray transmission through microsized and nanosized materials. For this purpose CuO nanoparticles, with 13.4 nm average grain size, and CuO microparticles, with a mean particle size of 56 mu m, were incorporated separately to beeswax in a concentration of 5%. Results show that the transmission through the above material plates with microsized and nanosized CuO was almost the same for X-ray beams generated at 60 and 102 kV tube voltages. However, for the radiation beams generated at 26 and 30 kV tube voltages the X-rays are more attenuated by the nanostructured CuO plates by a factor of at least 14%. Results suggest that the difference in the low energy range may be due to the higher number of particles/gram in the plates designed with CuO nanoparticles and due to the grain size effect on the X-ray transmission. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Two-dimensional simulation of nanoparticle deposition from high-density plasmas on microstructured surfaces

Selective and controlled deposition of plasma-grown nanoparticles is one of the pressing problems of plasma-aided nanofabrication. The results of advanced numerical simulations of motion of charge-variable nanoparticles in the plasma presheath and sheath areas and in localized microscopic electric fields created by surface microstructures are reported. Conditions for site-selective deposition of such nanoparticles onto individual microstructures and open surface areas within a periodic micropattern are formulated. The effects of plasma parameters, surface potential, and micropattern features on nanoparticle deposition are investigated and explained using particle charging and plasma force arguments. The results are generic and applicable to a broad range of nanoparticle-generating plasmas and practical problems ranging from management of nanoparticle contamination in microelectronics to site-selective nanoparticle deposition into specified device locations, and synthesis of advanced microporous materials and nanoparticle superlattices. © 2007 American Institute of Physics.

Modifications of surface materials and their effects on cleanability as studied by radiochemical methods

Modifications of surface materials and their effects on cleanability have important impacts in many fields of activity. In this study the primary aim was to develop radiochemical methods suitable for evaluating cleanability in material research for different environments. Another aim was to investigate the effects of surface modifications on cleanabilitity and surface properties of plastics, ceramics, concrete materials and also their coatings in conditions simulating their typical environments. Several new 51Cr and 14C labelled soils were developed for testing situations. The new radiochemical methods developed were suitable for examining different surface materials and different soil types, providing quantitative information about the amount of soil on surfaces. They also take into account soil soaked into surfaces. The supporting methods colorimetric determination and ATP bioluminescence provided semi-quantitative results. The results from the radiochemical and supporting methods partly correlated with each other. From a material research point of view numerous new materials were evaluated. These included both laboratory-made model materials and commercial products. Increasing the amount of plasticizer decreased the cleanability of poly(vinyl chloride) (PVC) materials. Microstructured surfaces of plastics improved the cleanability of PVC from particle soils, whereas for oil soil microstructuring reduced the cleanability. In the case of glazed ceramic materials, coatings affected the cleanability. The roughness of surfaces correlated with cleanability from particle soils and the cleanability from oil soil correlated with the contact angles. Organic particle soil was removed more efficiently from TiO2-coated ceramic surfaces after UV-radiation than without UV treatment, whereas no effect was observed on the cleanability of oil soil. Coatings improved the cleanability of concrete flooring materials intended for use in animal houses.

Fabrication of microstructured polymer optical fiber preform

SPIE

Design of a thick-walled screen for flow equalization in microstructured reactors

A systematic computational fluid dynamics (CFD) approach has been applied to design the geometry of the channels of a three-dimensional (thick-walled) screen comprising upstream and downstream sets of elongated channels positioned at an angle of 90 degrees with respect to each other. Such a geometry of the thick-wall screen can effectively drop the ratio of the maximum flow velocity to mean flow velocity below 1.005 in a downstream microstructured reactor at low Reynolds numbers. In this approach the problem of flow equalization reduces to that of flow equalization in the first and second downstream channels of the thick-walled screen. In turn, this requires flow equalization in the corresponding cross-sections of the upstream channels. The validity of the proposed design method was assessed through a case study. The effect of different design parameters on the flow non-uniformity in the downstream channels has been established. The design equation is proposed to calculate the optimum values of the screen parameters. The CFD results on flow distribution were experimentally validated by Laser Doppler Anemometry measurements in the range of Reynolds numbers from 6 to 113. The measured flow non-uniformity in the separate reactor channels was below 2%.

Ionothermal Syntheses of Nano- and Microstructured Ternary Copper–Indium–Chalcogenides

Ternary compounds of copper indium selenide nano- and microsized materials were prepared through colloidal synthesis using an indium(III) selenide precursor and copper(I) chloride via a microwave-assisted ionothermal route. The indium(III) selenide precursor used in the reaction was formed in situ from a diphenyl diselenide precursor and chloroindate(III) ionic liquids (ILs), also via a microwave-assisted ionothermal route. The crystal structures of three intermediates, namely, CuCl2(OMe)2(H2O)){Cu(PhSeO2)2}n, [CuCl(Se2Ph2)2]n, and [C8mim]3{Cu(I)Cl2Cu(II)OCl8}n, were determined after formation through a ionothermal procedure utilizing metal-containing imidazolium ILs and a selenium precursor with conventional heating. Herein, we compare the use of microwave irradiation over conventional heating with different ILs on the stoichiometry of the resulting products. The influence of the reaction temperature, reaction time, order of addition of reagents, and variation of ILs, which were characterized using PXRD, SEM, and EDX, on the final products was investigated.

Electrospun spinel LiNi0.5Mn1.5O4 hierarchical nanofibers as 5 v cathode materials for lithium-ion batteries

Spinel LiNi0.5Mn1.5O4 hierarchical nanofibers with diameters of 200–500 nm and lengths of up to several tens of micrometers were synthesized using low-cost starting materials by electrospinning combined with annealing. Well-separated nanofiber precursors impede the growth and agglomeration of Li-Ni0.5Mn1.5O4 particles. The hierarchical nanofibers were constructed from attached LiNi0.5Mn1.5O4 nanooctahedrons with sizes ranging from 200 to 400 nm. It is proven that these Li-Ni0.5Mn1.5O4 hierarchical nanofibers exhibit a favorable electrochemical performance. At a 0.5C (coulombic) rate, it shows an initial discharge capacity of 133 mAhg_1 with a capacity retention over 94% after 30 cycles. Even at 2, 5, 10, and 15C rates, it can still deliver a discharge capacity of 115, 100, 90, and 80 mAhg_1, respectively. Compared with self-aggregated nanooctahedrons synthesized using common sol–gel methods, the LiNi0.5Mn1.5O4 hierarchical nanofibers exhibit a much higher capacity. This is owing to the fact that the self-aggregation of the unique nanooctahedron-in-nanofiber structure has been greatly reduced because of the attachment of nanopolyhedrons in the long nanofibers. This unique microstructured cathode results in the large effective contact areas of the active materials, conductive additives and fully realize the advantage of nanomaterial-based cathodes.

Self assembled monolayers for engineering of structured inorganic materials in the micrometer and submicrometer range

Deutsch:In der vorliegenden Arbeit konnten neue Methoden zur Synthese anorganischer Materialien mit neuartiger Architektur im Mikrometer und Nanometer Maßstab beschrieben werden. Die zentrale Rolle der Formgebung basiert dabei auf der templatinduzierten Abscheidung der anorganischen Materialien auf selbstorganisierten Monoschichten. Als Substrate eignen sich goldbedampfte Glasträger und Goldkolloide, die eine Mittelstellung in der Welt der Atome bzw. Moleküle und der makroskopischen Welt der ausgedehnten Festkörper einnehmen. Auf diesen Substraten lassen sich Thiole zu einer monomolekularen Schicht adsorbieren und damit die Oberflächeneigenschaften des Substrates ändern. Ein besonderer Schwerpunkt bei dieser Arbeit stellt die Synthese speziell auf die Bedürfnisse der jeweiligen Anwendung ausgerichteten Thiole dar.Im ersten Teil der Arbeit wurden goldbedampfte Glasoberflächen als Template verwendet. Die Abscheidung von Calciumcarbonat wurde in Abhängigkeit der Schichtdicke der adsorbierten Monolage untersucht. Aragonit, eine der drei Hauptphasen des Calciumcarbonat Systems, wurde auf polyaromatischen Amid - Oberflächen mit Schichtdicken von 5 - 400 nm Dicke unter milden Bedingung abgeschieden. Die einstellbaren Parameter waren dabei die Kettenlänge des Polymers, der w-Substituent, die Bindung an die Goldoberfläche über Verwendung verschiedener Aminothiole und die Kristallisationstemperatur. Die Schichtdickeneinstellung der Polymerfilme erfolgte hierbei über einen automatisierten Synthesezyklus.Titanoxid Filme konnten auf Oberflächen strukturiert werden. Dabei kam ein speziell synthetisiertes Thiol zum Einsatz, das die Funktionalität einer Styroleinheit an der Oberflächen Grenze als auch eine Möglichkeit zur späteren Entfernung von der Oberfläche in sich vereinte. Die PDMS Stempeltechnik erzeugte dabei Mikrostrukturen auf der Goldoberfläche im Bereich von 5 bis 10 µm, die ihrerseits über die Polymerisation und Abscheidung des Polymers in den Titanoxid Film überführt werden konnten. Drei dimensionale Strukturen wurden über Goldkolloid Template erhalten. Tetraethylenglykol konnte mit einer Thiolgruppe im Austausch zu einer Hydroxylgruppe monofunktionalisiert werden. Das erhaltene Molekül wurde auf kolloidalem Gold selbstorganisiert; es entstand dabei ein wasserlösliches Goldkolloid. Die Darstellung erfolgte dabei in einer Einphasenreaktion. Die so erhaltenen Goldkolloide wurden als Krstallisationstemplate für die drei dimensionale Abscheidung von Calciumcarbonat verwendet. Es zeigte sich, dass Glykol die Kristallisation bzw. den Habitus des krsitalls bei niedrigem pH Wert modifiziert. Bei erhöhtem pH Wert (pH = 12) jedoch agieren die Glykol belegten Goldkolloide als Template und führen zu sphärisch Aggregaten. Werden Goldkolloide langkettigen Dithiolen ausgesetzt, so führt dies zu einer Aggregation und Ausfällung der Kolloide aufgrund der Vernetzung mehrer Goldkolloide mit den Thiolgruppen der Alkyldithiole. Zur Vermeidung konnte in dieser Arbeit ein halbseitig geschütztes Dithiol synthetisiert werden, mit dessen Hilfe die Aggregation unterbunden werden konnte. Das nachfolgende Entschützten der Thiolfunktion führte zu Goldkolloiden, deren Oberfläche Thiol funktionalisiert werden konnte. Die thiolaktiven Goldkolloide fungierten als template für die Abscheidung von Bleisulfid aus organisch/wässriger Lösung. Die Funktionsweise der Schutzgruppe und die Entschützung konnte mittels Plasmonenresonanz Spektroskopie verdeutlicht werden. Titanoxid / Gold / Polystyrol Komposite in Röhrenform konnten synthetisiert werden. Dazu wurde ein menschliches Haar als biologisches Templat für die Formgebung gewählt.. Durch Bedampfung des Haares mit Gold, Assemblierung eines Stryrolmonomers, welches zusätzlich eine Thiolfunktionalität trug, Polymerisation auf der Oberfläche, Abscheidung des Titanoxid Films und anschließendem Auflösen des biologischen Templates konnte eine Röhrenstruktur im Mikrometer Bereich dargestellt werden. Goldkolloide fungierten in dieser Arbeit nicht nur als Kristallisationstemplate und Formgeber, auch sie selbst wurden dahingehend modifiziert, dass sie drahtförmige Agglormerate im Nanometerbereich ausbilden. Dazu wurden Template aus Siliziumdioxid benutzt. Zum einen konnten Nanoröhren aus amorphen SiO2 in einer Sol Gel Methode dargestellt werden, zum anderen bediente sich diese Arbeit biologischer Siliziumoxid Hohlnadeln aus marinen Schwämmen isoliert. Goldkolloide wurden in die Hohlstrukturen eingebettet und die Struktur durch Ausbildung von Kolloid - Thiol Netzwerken mittels Dithiol Zugabe gefestigt. Die Gold-Nanodrähte im Bereich von 100 bis 500 nm wurden durch Auflösen des SiO2 - Templates freigelegt.

Controlled wetting on silica-based nano- and microstructured surfaces

Der Fokus dieser Doktorarbeit liegt auf der kontrollierten Benetzung von festen Oberflächen, die in vielen Bereichen, wie zum Beispiel in der Mikrofluidik, für Beschichtungen und in biologischen Studien von Zellen oder Bakterien, von großer Bedeutung ist.rnDer erste Teil dieser Arbeit widmet sich der Frage, wie Nanorauigkeit das Benetzungsverhalten, d.h. die Kontaktwinkel und die Pinningstärke, von hydrophoben und superhydrophoben Beschichtungen beeinflusst. Hierfür wird eine neue Methode entwickelt, um eine nanoraue Silika-Beschichtung über die Gasphase auf eine superhydrophobe Oberfläche, die aus rauen Polystyrol-Silika-Kern-Schale-Partikeln besteht, aufzubringen. Es wird gezeigt, dass die Topographie und Dichte der Nanorauigkeiten bestimmt, ob sich die Superhydrophobizität verringert oder erhöht, d.h. ob sich ein Flüssigkeitstropfen im Nano-Wenzel- oder Nano-Cassie-Zustand befindet. Das verstärkte Pinning im Nano-Wenzel-Zustand beruht auf dem Eindringen von Flüssigkeitsmolekülen in die Nanoporen der Beschichtung. Im Nano-Cassie-Zustand dagegen sitzt der Tropfen auf den Nanorauigkeiten, was das Pinning vermindert. Die experimentellen Ergebnisse werden mit molekulardynamischen Simulationen in Bezug gesetzt, die den Einfluss der Oberflächenbeschichtungsdichte und der Länge von fluorinierten Silanen auf die Hydrophobizität einer Oberfläche untersuchen. rnEs wurden bereits verschiedenste Techniken zur Herstellung von transparenten superhydrophoben, d.h. extrem flüssigkeitsabweisenden, Oberflächen entwickelt. Eine aktuelle Herausforderung liegt darin, Funktionalitäten einzuführen, ohne die superhydrophoben Eigenschaften einer Oberfläche zu verändern. Dies ist extrem anspruchsvoll, da funktionelle Gruppen in der Regel hydrophil sind. In dieser Arbeit wird eine innovative Methode zur Herstellung von transparenten superhydrophoben Oberflächen aus Janus-Mikrosäulen mit variierenden Dimensionen und Topographien entwickelt. Die Janus-Säulen haben hydrophobe Seitenwände und hydrophile Silika-Oberseiten, die anschließend selektiv und ohne Verlust der superhydrophoben Eigenschaften der Oberfläche funktionalisiert werden können. Diese selektive Oberflächenfunktionalisierung wird mittels konfokaler Mikroskopie und durch das chemische Anbinden von fluoreszenten Molekülen an die Säulenoberseiten sichtbar gemacht. Außerdem wird gezeigt, dass das Benetzungsverhalten durch Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Festkörper in der Nähe der Benetzungslinie bestimmt wird. Diese Beobachtung widerlegt das allgemein akzeptierte Modell von Cassie und Baxter und beinhaltet, dass hydrophile Flächen, die durch mechanischen Abrieb freigelegt werden, nicht zu einem Verlust der Superhydrophobizität führen müssen, wie allgemein angenommen.rnBenetzung kann auch durch eine räumliche Beschränkung von Flüssigkeiten kontrolliert werden, z.B. in mikrofluidischen Systemen. Hier wird eine modifizierte Stöber-Synthese verwendet, um künstliche und natürliche Faser-Template mit einer Silika-Schicht zu ummanteln. Nach der thermischen Zersetzung des organischen Templat-Materials entstehen wohldefinierte Silika-Kanäle und Kanalkreuzungen mit gleichmäßigen Durchmessern im Nano- und Mikrometerbereich. Auf Grund ihrer Transparenz, mechanischen Stabilität und des großen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnisses sind die Kanäle sehr gut geeignet, um die Füllgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten mit variierenden Oberflächenspannungen und Viskositäten zu untersuchen. Konfokale Mikroskopie ermöglicht es hierbei, die Füllgeschwindigkeiten über eine Länge von mehreren Millimetern, sowie direkt am Kanaleingang zu messen. Das späte Füllstadium kann sehr gut mit der Lucas-Washburn-Gleichung beschrieben werden. Die anfänglichen Füllgeschwindigkeiten sind jedoch niedriger als theoretisch vorhergesagt. Wohingegen die vorhergehenden Abschnitte dieser Arbeit sich mit der quasistatischen Benetzung beschäftigen, spielt hier die Dynamik der Benetzung eine wichtige Rolle. Tatsächlich lassen sich die beobachteten Abweichungen durch einen geschwindigkeitsabhängigen Fortschreitkontaktwinkel erklären und durch dynamische Benetzungstheorien modellieren. Somit löst diese Arbeit das seit langem diskutierte Problem der Abweichungen von der Lucas-Washburn-Gleichung bei kleinen Füllgeschwindigkeiten.

Optimisation of microstructured waveguides in z-cut LiNbO3 crystals

We present a practical approach to the numerical optimisation of the guiding properties of buried microstructured waveguides, which can be fabricated in a z-cut lithium niobate (LiNbO3) crystal by the method of direct femtosecond laser inscription. We demonstrate the possibility to extend the spectral range of low-loss operation of the waveguide into the mid-infrared region beyond 3um.

Microstructured waveguides in z-cut LiNbO3 by high-repetition rate direct femtosecond laser inscription

We report on the operational parameters that are required to fabricate buried, microstructured waveguides in a z-cut lithium niobate crystal by the method of direct femtosecond laser inscription using a highrepetition-rate, chirped-pulse oscillator system. Refractive index contrasts as high as −0.0127 have been achieved for individual modification tracks. The results pave the way for developing microstructured WGs with low-loss operation across a wide spectral range, extending into the mid-infrared region up to the end of the transparency range of the host material.

Experimental studies on comparison of microwave curing and thermal curing of epoxy resins used for alternative mould materials

In this present work attempts have been made to study the glass transition temperature of alternative mould materials by using both microwave heating and conventional oven heating. In this present work three epoxy resins, namely R2512, R2515 and R2516, which are commonly used for making injection moulds have been used in combination with two hardeners H2403 and H2409. The magnetron microwave generator used in this research is operating at a frequency of 2.45 GHz with a hollow rectangular waveguide. In order to distinguish the effects between the microwave and conventional heating, a number of experiments were performed to test their mechanical properties such as tensile and flexural strengths. Additionally, differential scanning calorimeter technique was implemented to measure the glass transition temperature on both microwave and conventional heating. This study provided necessary evidences to establish that microwave heated mould materials resulted with higher glass transition temperature than the conventional heating. Finally, attempts were also made to study the microstructure of microwave-cured materials by using a scanning electron microscope in order to analyze the morphology of cured specimens.