Universität Stuttgart
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Item Open Access Adjustable polystyrene nanoparticle templates for the production of mesoporous foams and ZnO inverse opals(2020) Abitaev, Karina; Qawasmi, Yaseen; Atanasova, Petia; Dargel, Carina; Bill, Joachim; Hellweg, Thomas; Sottmann, ThomasThe manifold applications of porous materials, such as in storage, separation, and catalysis, have led to an enormous interest in their cost-efficient preparation. A promising strategy to obtain porous materials with adjustable pore size and morphology is to use templates exhibiting the appropriate nanostructure. In this study, close-packed polystyrene (PS) nanoparticles, synthesized by emulsion polymerization, were used to produce porous PS and ZnO inverse opals. The size and distribution of the polystyrene nanoparticles, characterized by dynamic light scattering (DLS), small-angle neutron scattering (SANS), and scanning electron microscopy (SEM), were controlled via the concentration of sodium dodecyl sulfate (SDS). Systematic measurements of the water/styrene-interfacial tension show that the critical micelle concentration (CMC) of the ternary water–styrene–SDS system, which determines whether monodisperse or polydisperse PS particles are obtained, is considerably lower than that of the binary water–SDS system. The assemblies of close-packed PS nanoparticles obtained via drying were then studied by small-angle X-ray scattering (SAXS) and SEM. Both techniques prove that PS nanoparticles synthesized above the CMC result in a significantly unordered but denser packing of the particles. The polystyrene particles were subsequently used to produce porous polystyrene and ZnO inverse opals. While the former consists of micrometer-sized spherical pores surrounded by extended open-cellular regions of mesopores (Rpore ≈ 25 nm), the latter are made of ZnO-nanoparticles forming a structure of well-aligned interconnected pores.Item Open Access Fatigue of Al thin films at ultra high frequencies(2005) Eberl, Christoph; Arzt, Eduard (Prof. Dr. phil.)Ultra high-cycle fatigue at frequencies in the GHz regime leads to a characteristic void and extrusion formation in patterned metal thin films. Resulting from the microstructural damage formation a significant degradation in form of a shift of the resonance frequency and failures by short circuits in Surface Acoustic Wave (SAW) test devices take place. To study fatigue at ultra high cycles, SAW test devices were used to test continuous and patterned Al thin films at ultra high frequencies. For stress amplitudes as low as 14 MPa lifetime measurements showed no fatigue limit for 400 nm Al thin films. The resulting damage sites appeared in regions of cyclic stress concentration as identified by Finite Element Analysis. In situ measurements revealed that the characteristic extrusion/void formation mechanism operates on a short time scale. The post-test analysis of microstructural changes reveals extrusion and void formation concentrated at grain boundaries. This finding and the observed grain growth indicates a high material flux at the grain boundaries induced by the cyclic load. Quantitative analysis also shows a correlation between extrusion density and electrical devices performance. This direct correlation shows a functional agreement with a common theory on the influence of crack density on intrinsic stresses in thin metal films. Advanced Finite Element (FEM) calculations simulate very well the sensitivity of the resonance frequency to damage structure in interconnects such as cracks, voids and extrusions. The experimentally observed linear correlation between damage density and frequency shift is reproduced by the FEM model. The estimation of the short circuit probability from the extrusion length distribution revealed an exponential dependency on the electrode distance. The observed damage formation is explained by the combined action of dislocation motion and stress-induced diffusion processes.Item Open Access Genetisch modifizierte Biotemplate zur Erzeugung von Zr-basierten Nanomaterialien(2019) Eisele, Rahel; Bill, Joachim (Prof. Dr.)In Biomineralisationsprozessen aus der belebten Natur scheiden sich anorganische Materialien auf organischen Templaten (Biomakromoleküle) ab. Funktionelle Gruppen der Makromoleküle steuern dabei die Abscheidung aus einer wässrigen Lösung sowie die Strukturierung des anorganischen Materials. Dabei sind spezifische Wechselwirkungen zwischen dem organischen Templat und dem anorganischen Material von Bedeutung. Die Materialbildung findet unter Umgebungsbedingungen in wässrigen Systemen statt. Für technisch interessante Materialien wie Zirkoniumdioxid (ZrO2) stellt die energieeffiziente Herstellung präziser Nanostrukturen eine technische Herausforderung dar. Daher wurden im Rahmen dieser Arbeit die Prinzipien der Biomineralisation auf die Herstellung von Zirkonium-basiertem Material (ZrbM) übertragen. Hierzu gehörte die Materialbildung durch Mineralisation aus einer ZrOCl2-Lösung sowie eine gezielte Mineralisation auf bioorganischen M13-Bakteriophagentemplaten. Um die „biologische Spezifität“ in Biomineralisationsprozessen auf die Bildung von ZrbM zu übertragen, wurden Peptide mittels Phagen-Display identifiziert, die spezifisch an ZrO2 binden. Mittels genetischer Modifikation wurden diese ZrO2 Bindepeptide auf der Phagenoberfläche präsentiert. Hierdurch wurde eine hohe Bindepeptiddichte und damit viele Interaktionspunkte zum anorganischen Material erzielt. Bevor der Einfluss dieser Bindepeptide auf die Mineralisation von ZrbM untersucht werden konnte, wurde zunächst der Partikelbildungs- und Partikelwachstumsprozess von ZrbM in einer ZrOCl2-Lösung und einem Ethanol-Wasser Lösungsmittelgemisch bei verschiedenen System- und Prozessparametern beschrieben. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurde eine Mineralisationslösung etabliert mit der der Einfluss der Bindepeptide - präsentiert auf der Phagenoberfläche - auf die Mineralisation von ZrbM untersucht werden konnte. Die Bindepeptide zeigten einen deutlichen Einfluss auf die Mineralisation von ZrbM. Im Vergleich zu Bakteriophagen ohne Bindepeptid wurde mit den genetisch modifizierten Bakteriophagen eine deutlich höhere Abscheiderate erzielt. Dieser Einfluss der Bindepeptide wurde auf Hydroxygruppen in Serineinheiten zurückgeführt. Diese führen zum einen zu einer starken Anziehung von molekularen Zr-Spezies an das Biotemplat. Zum anderen induzieren die Hydroxygruppen die heterogene Keimbildung von ZrbM durch Kondensationsreaktionen zwischen dem Biotemplat und molekularen Zr-Spezies. Somit ist es nun möglich genetisch kontrolliert Zr-basierte Nanomaterialien zu mineralisieren. Im Rahmen dieser Arbeit gelang es nicht nur einzelne Phagen zu mineralisieren, sondern auch dünne homogene Schichten aus ZrbM. Diese ZrbM-Schichten wurden im letzten Teil dieser Arbeit vergleichend zu Phagenschichten und SiO2-Schichten auf die Adhäsion von Staphylococcus aureus (S. aureus) getestet. S. aureus ist ein pathogenes Bakterium, welches zur Bildung von Biofilmen, zum Beispiel auf Implantaten, und dadurch zu einem Implantatverlust bis hin zu lebensbedrohlichen Komplikationen führen kann. Die Biofilmbildung kann effektiv unterbunden werden, indem die Bakterienadhäsion auf Oberflächen verhindert wird. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit untersucht, ob bestimmte chemische Oberflächen, das heißt bestimmte Materialien oder auch bestimmte funktionelle Gruppen, die Bakterienadhäsion unterdrücken können. Die Untersuchung der Bakterienadhäsion auf den verschiedenen Oberflächen ergab, dass auf der Phagenschicht im Vergleich zur SiO2-Schicht und einer Schicht aus ZrbM eine sehr geringe Bakterienadhäsion vorlag. Untersuchungen verschiedener Einflussfaktoren auf die Bakterienadhäsion zeigten, dass die Bakterienadhäsion an der SiO2-Schicht und der ZrbM-Schicht durch die Oberflächenrauigkeit, die Hydrophobizität und die Oberflächenladung beeinflusst werden kann. Bei der Phagenschicht korrelierten weder die Oberflächenladung, noch die Oberflächenrauigkeit und die Hydrophobizität im Vergleich zu den anorganischen Materialoberflächen mit der Bakterienadhäsion. Dies ließ darauf schließen, dass die geringe Bakterienadhäsion auf der Phagenschicht auf die biochemische Zusammensetzung der Hüllproteine, vor allem auf die Abwesenheit spezifischer Bindedomänen (Ligand-Rezeptor-Wechselwirkungen), zurückzuführen ist.Item Open Access Identification of the first sulfobetaine hydrogel‐binding peptides via phage display assay(2023) Ihlenburg, Ramona B. J.; Petracek, David; Schrank, Paul; Davari, Mehdi D.; Taubert, Andreas; Rothenstein, DirkUsing the M13 phage display, a series of 7- and 12-mer peptides which interact with new sulfobetaine hydrogels are identified. Two peptides each from the 7- and 12-mer peptide libraries bind to the new sulfobetaine hydrogels with high affinity compared to the wild-type phage lacking a dedicated hydrogel binding peptide. This is the first report of peptides binding to zwitterionic sulfobetaine hydrogels and the study therefore opens up the pathway toward new phage or peptide/hydrogel hybrids with high application potential.Item Open Access Einfluss der Herstellungsparameter auf die mechanischen Eigenschaften von Si-(B-)C-N-Precursorkeramiken(2002) Bauer, Arndt; Aldinger, Fritz (Prof. Dr.)Ziel dieser Arbeit ist es, den Herstellungsprozess für Precursorkeramiken zu optimieren und den Einfluss einzelner Herstellungsparameter auf die Eigenschaften und insbesondere auf die Hochtemperaturkriechverformung von Si-(B)-C-N-Precursorkeramiken zu charakterisieren. Am Beispiel eines kommerziell erhältlichen Polysilazans Ceraset werden als wichtigste Parameter die Vernetzungstemperatur der Polymere, die Polymerpartikelgröße nach dem Mahlen und Sieben sowie die Press- und Pyrolysebedingungen betrachtet. Dabei zeigt sich, dass die geringste Porosität einer Keramik, die über das Pressen von Polymerpulver erhalten werden kann, bei etwa 11 % liegt. Es stellt sich heraus, dass vor allem die Porosität des gepressten Grünlings für die Enddichte der Keramik ausschlaggebend ist und im optimalen Fall etwa 7 % beträgt. Von spezieller Bedeutung ist dabei die offene Porosität. Die nach außen offene Porenkanäle werden benötigt, um während der Pyrolyse ein Entweichen der Gase aus dem Grünling zu ermöglichen. Die Porosität des Grünlings hängt von der Viskosität des Polymers während des Pressvorgangs ab und kann deshalb über die Parameter Vernetzungsgrad und Warmpresstemperatur gesteuert werden. Zusätzlich zur Dichte und Hochtemperaturstabilität werden weitere Eigenschaften wie die Hochtemperaturverformung, die Bruchzähigkeit, der Elastizitätsmodul und die Biegefestigkeit von Precursorkeramiken in Abhängigkeit von den Herstellungsbedingungen ermittelt. Eine simultane Maximierung aller untersuchten Eigenschaften ist nicht möglich, so dass für bestimmte Anforderungsprofile Kompromisse gesucht werden müssen. Als Parameter mit der größten Wirkung auf die Eigenschaften hat sich die Partikelgröße erwiesen. Große Partikel haben einen positiven Einfluss auf die Bruchzähigkeit und die Hochtemperaturstabilität, wohingegen kleine Partikel sich vorteilhaft auf die Hochtemperaturkriechverformung und die Biegefestigkeit auswirken. Die Hochtemperaturverformung wurde durch Experimente bei konstanten Spannungen und Temperaturen zwischen 1350 und 1500 °C untersucht. Es wurde eine detaillierte Charakterisierung der Zeit-, Spannungs- und Temperaturabhängigkeit sowohl unter Druck- (bis 300 MPa) als auch unter Biegebeanspruchung (bis 50 MPa) durchgeführt. Dabei wird bei beiden Beanspruchungsarten selbst bei einer Versuchsdauer von bis zu zwei Wochen kein stationäres Kriechen beobachtet. Die Dehnraten sinken vielmehr auf Werte unterhalb der Nachweisgrenze ab. Es wird versucht, das Freie-Volumen-Modell, das ursprünglich zur Beschreibung der Relaxation in metallischen Gläsern entwickelt und inzwischen vor kurzem erfolgreich auf Precursorkeramiken übertragen wurde, auch bezüglich der Gültigkeit für die hier untersuchten Materialien zu überprüfen.Item Open Access Thermal cycling creep of a fiber reinforced aluminum alloy(2000) Flaig, Alexander; Arzt, Eduard (Prof. Dr.)In der vorliegenden Arbeit wurde das Kriechverhalten eines Metall-Matrix-Verbundwerkstoffes unter thermozyklischen Bedingungen untersucht. Bei dem Werkstoff handelt es sich um eine eutektische Al-Si Legierung, die mit 15 Vol.% diskontinuierlicher Aluminiumoxid-Fasern verstärkt wurde. Fortgeschrittene Methoden der mechanischen Hochtemperaturprüfung wurden verwendet, um die spannungsabhängige Verformungsrate während der thermischen Zyklen zu messen. Speziell untersucht wurden die Einflüsse der Maximaltemperatur, der thermischen Amplitude, von Haltezeiten, des Vorzeichens der Belastung und der Orientierung der Verstärkung untersucht. Bei geringen Spannungen wurde im Vergleich zu isothermen Bedingungen eine Beschleunigung des Kriechens gefunden und der beobachtete Spannungsexponent sank auf kleine Werte. Eine genaue Analyse der Dehnungen in einzelnen Zyklen lieferte Belege für das Vorhandensein beträchtlicher inelastischer Dehnungen, die sich von Halbzyklus zu Halbzyklus gegenseitig größtenteils kompensierten. Ein kontinuumsmechanisches Modell wurde aufgestellt, das den Verbundwerkstoff durch zwei aufeinander gestapelte und sich homogen verformende Platten annäherte. Das Modell wurde verwendet, um auf Basis von berechneten inneren Spannungen die Kriechraten und die innerzyklische Dehnungsentwicklung unter thermozyklischen Bedingungen zu erklären und vorherzusagen. Die experimentell gemachten Beobachtungen wurden im Vergleich zu den Simulationsergebnissen interpretiert und diskutiert. Die beobachteten Phänomene konnten auf Basis des Modells erklärt werden. Das Material zeigte ausgeprägtes Übergangsverhalten beim Be- und Entlasten. Dieses wurde mit Hilfe von spannungszyklischen Kriechexperimenten näher untersucht. Das Phänomen des Rückwärts-Kriechens nach äußerer Entlastung wurde ausgenutzt, um Effekte der Last-Übertragung von der Matrix auf die Fasern zu untersuchen und um auf die Entwicklung der Dehnrate eines Verbundwerkstoffes zurückzuschließen.Item Open Access Precipitation of nitrides in iron-based binary and ternary alloys; influence of defects and transformation-misfit stresses(2015) Akhlaghi, Maryam; Mittemeijer, Eric Jan (Prof. Dr. Ir.)The initial microstructure of the unnitrided specimen has a significant influence on the nitriding response of binary Fe-Me (Me: Mo or Al) alloys specimens. This effect was not investigated until now for the case of nitrided ternary Fe-Me1-Me2 alloys, the role of the initial microstructure was studied upon nitriding Fe-4.1 at.% Cr-7.9 at.% Al specimens. To this end, the recrystallized and cold-rolled specimens were nitrided at low nitriding temperature of 400 °C. Upon precipitation of misfitting coherent nitrides during nitriding of thin-foils of binary Fe-Me (Me: Cr and V) alloys, a hydrostatic tensile lattice-stain component results from the elastic accommodation of volume misfit of nitrides and ferrite matrix. The change of the ferrite-matrix lattice parameter can be traced upon precipitation of the nitrides by X-ray diffraction measurements. The theory originally developed for the case of imperfections (by Eshelby) in solids can be applied for quantitatively describing the lattice-parameter changes of the matrix, the nitrides and the aggregate (matrix+ nitrides) as function of volume fraction and type of nitrides.Item Open Access Magnetic Moment Tensor Potentials for collinear spin-polarized materials reproduce different magnetic states of bcc Fe(2022) Novikov, Ivan; Grabowski, Blazej; Körmann, Fritz; Shapeev, AlexanderWe present the magnetic Moment Tensor Potentials (mMTPs), a class of machine-learning interatomic potentials, accurately reproducing both vibrational and magnetic degrees of freedom as provided, e.g., from first-principles calculations. The accuracy is achieved by a two-step minimization scheme that coarse-grains the atomic and the spin space. The performance of the mMTPs is demonstrated for the prototype magnetic system bcc iron, with applications to phonon calculations for different magnetic states, and molecular-dynamics simulations with fluctuating magnetic moments.Item Open Access Field evaporation and atom probe tomography of pure water tips(2020) Schwarz, T. M.; Weikum, E. M.; Meng, K.; Hadjixenophontos, E.; Dietrich, C. A.; Kästner, J.; Stender, P.; Schmitz, G.Measuring biological samples by atom probe tomography (APT) in their natural environment, i.e. aqueous solution, would take this analytical method, which is currently well established for metals, semi-conductive materials and non-metals, to a new level. It would give information about the 3D chemical structure of biological systems, which could enable unprecedented insights into biological systems and processes, such as virus protein interactions. For this future aim, we present as a first essential step the APT analysis of pure water (Milli-Q) which is the main component of biological systems. After Cryo-preparation, nanometric water tips are field evaporated with assistance by short laser pulses. The obtained data sets of several tens of millions of atoms reveal a complex evaporation behavior. Understanding the field evaporation process of water is fundamental for the measurement of more complex biological systems. For the identification of the individual signals in the mass spectrum, DFT calculations were performed to prove the stability of the detected molecules.Item Open Access Extremely narrow superconducting band with crystal spin 3/2h in LaH10(2023) Krüger, Ekkehard