Diese Arbeit wurde von der NASA und dem Zuschuss NNX11AC68G Carnegie Institution of Washington unterstützt. Ich danke Chi Zhang für seine Unterstützung bei der Datenerhebung. Ich danke auch Anat Shahar und Valerie Hillgren für hilfreiche Bewertungen dieses Manuskripts.

1. Bereiten Ausgangsmaterialien und Probenkammern <ol><li> Man stellt zwei Arten von Ausgangsmaterialien (1) eine Mischung aus natürlichem Silikat Olivin und metallischen Eisenpulvers mit 10 Gew.% Schwefel (Metall / Silikat-Verhältnisse im Bereich von 4 bis 30 Gew.%) zur Simulation Perkolation flüssigen Eisen-Legierung in einem festen Silikatmatrix während des anfänglichen Kern Bildung einer kleinen Planetenkörper, und (2) eine homogene Mischung von fein geerdet reinem Eisen und Eisensulfid zur Bestimmung der Planeten inneren Kern Kristallisation. </li><li> Grind die Ausgangsstoffe, feine Pulvergemisch unter Ethanol in einem Achatmörser für eine Stunde und bei 100 ° C getrocknet </li><li> Laden des Ausgangsmaterials in einem gesinterten MgO oder Al 2 O 3-Kapsel (typischerweise 1,5 mm Durchmesser und 1,5 in der Länge), und es dann in einem Hochdruck-Zellenanordnung für die Multi-Amboss-Experimenten. </li><li> Laden der Fe-FeS-Mischung in einer kleinen Probenkammer (typischerweise 100 &amp;mgr; m im Durchmesser und 25 &amp; #181, m Dicke) in einem preindented Rhenium Dichtung für den Laser-Heizung Experimente in der Diamant-Amboss-Zelle gebohrt. Sandwich die Fe-FeS Mischung zwischen NaCl Schichten, die als thermische Isolatoren dienen. </li></ol> 2. Hochdruck-und Hochtemperatur-Experimente in der Multi-Amboss-Apparat <ol><li> Die Multi-Amboss Hochdruckzellenanordnung besteht aus einem MgO-Oktaeder als Druckmedium, einem ZrO 2 Hülse als thermischer Isolator, und einen zylindrischen Rhenium oder Graphitheizer. Die Probenkapsel passt in die Heizung. Ein Typ-C-Thermoelement wird in die Probenkammer eingeführt wird, um die Temperatur der Probe zu bestimmen. </li><li> Setzen Sie den Hochdruck-Montage in einer Multi-Amboss-Hochdruckgerät für Druck. </li><li> Die Multi-Amboss-Gerät besteht aus einem 1500 Tonnen Hydraulikpresse und einem Druck-Modul, das einen Haltering mit sechs herausnehmbaren Push Keile Bildung einer kubischen Hohlraum in der Mitte 15 enthält. Die kubischen Hohlraum houses acht Wolframcarbid-Würfel mit abgeschnittenen Ecken. Die trunkierten Würfel, Oktaeder, die auf der Zellenanordnung konvergieren, sind voneinander durch kompressible Dichtungen getrennt. Der Hydraulikzylinder überträgt die Kraft wirksam auf die Probe Anordnung durch eine zweistufige Konfiguration Amboß. Fig. 1 zeigt die Versuchsbedingungen für die Mehr Amboß Experiment. </li><li> Unter Druck setzen der Probe zu einem Zieldruck zwischen 2-27 GPa bei Raumtemperatur auf der Grundlage Fixpunkt Druckeichkurve 16, und erhitzen den Versuchstemperaturen bis zu 2300 ° C durch eine elektrische Widerstandsheizung, halten das Experiment bei einer konstanten Temperatur für die Dauer des Experiments, und schalten Sie das Gerät, um die Probe auf Raumtemperatur am Ende des Experiments zu stillen. </li><li> Lassen Druck langsam durch Öffnen des Hydraulikölventil und wieder das experimentelle Ladungs. </li></ol> 3. Laser-Heizung Experimente in derDiamant-Amboss-Zelle <ol><li> Druck in einer Diamantstempelzelle zwischen zwei Edelstein-Qualität Einkristall-Diamanten Ambosse (ca. 0,25 Karat pro Stück) erzeugt. Wir verwenden eine symmetrische Diamant-Amboss-Zelle, die perfekt ausgerichtet gegen Ambosse mit einem Kolben-Zylinder-System zu fahren. Die Zelle ist in der Lage Druck entsprechend den Druckbedingungen der Erde Kern 17. Hohe Temperatur durch Lasererwärmung in der Diamant-Amboss-Zelle erreicht. Wir verwenden ein System, bei dem Vorausphotonenquelle (APS), die auf einem doppelseitigen Lasererwärmungstechnik basiert und besteht aus zwei Faserlasern, Optik, um die Probe von beiden Seiten zu erwärmen, und zwei spektroradiometrischen Systeme zur Temperaturmessung auf beiden Seiten 18. Das System ist entworfen, um eine große Erhitzungsstelle (25 um Durchmesser) zu erzeugen, die Probe Temperaturgradienten radial und axial zu minimieren in der Diamantstempelzelle und Stabilität zu maximieren Heizung. Fig. 2 zeigt schemas der experimentellen Konfiguration für die Lasererwärmung Experiment in der Diamant-Amboss-Zelle, die mit einem Bild des Laser-Erhitzungsstelle. </li><li> Ausrichten der Diamant Ambosse mit 300 um culets und preindent einen Rhenium-Dichtung mit einer Dicke von 30 um von einer Anfangsdicke von 250 &amp;mgr; m. </li><li> Bohren Sie ein Loch in der preindented Dichtung mit einem Durchmesser von 120 um in der Mitte, und laden Sie die Probe in das Loch. </li><li> Unter Druck setzen der Probe zu einem Zieldruck bei Raumtemperatur zu erwärmen und dann die Probe durch Erhöhen der Laserleistung, während Temperaturmessungen und in situ-Röntgenbeugungsmessungen an der Synchrotron. </li><li> Ausschalten der Laserleistung, um die Probe zu löschen, wenn ein teilweises Schmelzen durch eine Änderung in der thermischen Strahlung aus dem Beugungsmuster nachgewiesen. </li><li> Wiederherstellen der erhitzten Probe für die Ex-situ-Charakterisierung. </li></ol> 4. Probenrückgewinnung und-analyse <ol><li> MoUNT der abgerufenen Multi-Amboss-Probe in Epoxidharz und polieren Sie die Oberfläche mit einer Suite von Diamantpulver Körnung von 150 um bis 0,25 um. </li><li> Kohlenstoff-Beschichtung der Oberfläche der Probe und laden Sie es in den Probenraum eines Zeiss Auriga FIB / SEM Querbalken Instrument (3A) für die Analyse. </li><li> Ausrichten der Probe zu dem Übereinstimmungspunkt der FIB-und SEM bei einem Arbeitsabstand von 5 mm (Fig. 3B) und dann vorzumahlen die Probe ein Volumen von 15 × 20 × 20 &amp;mgr; m 3 (Fig. 3C) aus. </li><li> Nehmen REM-Aufnahmen im Abstand von 25 nm mit dem Slice-&amp;-View-Funktion auf der Zeiss Auriga FIB / SEM Instrument (automatisch aufzeichnen eine Reihe von Bildern nach der Ionenstrahlfräsen mit typischen Bildauflösung von etwa 35 nm). </li><li> Geben Sie die Bilddateien zu einer Visualisierungs-Software und 3D-Bilder zu rekonstruieren, um die Schmelze Verteilung und Konnektivität in der abgeschreckten Probe (Abbildung 3 visualisierenD). </li></ol>

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Kein Interessenkonflikt erklärt.

Die Techniken für die Mehr Amboß Experimente sind gut etabliert, Erzeugen stabiler Druck und Temperatur für einen längeren Zeitraum der Laufzeit und zum Erzeugen relativ großen Probenvolumen. Es ist ein leistungsfähiges Werkzeug, um die inneren Abläufe des Planeten zu simulieren, insbesondere für Experimente, wie Schmelz Perkolation, die bestimmte Probenvolumen erforderlich. Die Begrenzung ist der maximal erreichbare Druck, bis zu 27 GPa mit Wolframcarbid (WC) Ambosse, das Erreichen der Kerndruck von Mars und Me...

Terrestrische Planeten wie der Erde, Venus, Mars und Merkur sind differenzierte Planetenkörper, bestehend aus einem Silikatmantel und einem metallischen Kern. Die moderne Planetenentstehung Modell schlägt vor, dass die terrestrischen Planeten wurden von Kollisionen von Mond-to-Mars-großen Planeten-Embryos aus km großen oder größeren Kleinplaneten durch gravitative Wechselwirkung 02.01 gewachsen ist. Die Kleinplaneten wurden wahrscheinlich bereits differenzierten einmal die metallischen Eisenlegierungen erreicht Schmelztemperatur durch Erwärmung aus Quellen wie den radioaktiven Zerfall kurzlebiger Isotope wie 26 Al und 60 Fe, Auswirkungen, und die Freisetzung von potentieller Energie 3. Es ist wichtig zu verstehen, wie das flüssige Metall durch eine Silikatmatrix perkoliert während der frühen Differenzierung. Planet Differenzierung konnte durch effiziente Flüssig-Flüssig-Trennung oder durch Versickerung von flüssigem Metall in einem festen Silikatmatrix gehen, jeGröße und Innentemperatur der Planetenkörper. Die Versickerung von flüssigem Metall in der festen Silikatmatrix ist wahrscheinlich eine dominante Prozess in der Anfangs Differenzierung, wenn die Temperatur nicht hoch genug ist, um den gesamten Planetenkörper schmelzen. Die Effizienz der Perkolation ist abhängig von der Flächenwinkel, der Grenzflächenenergie der Festkörper-Feststoff und Feststoff-Flüssigkeit-Grenzfläche bestimmt. Wir können dieses Verfahren im Labor zu simulieren, indem leitende Hochdruck-und Hochtemperatur-Experimente an einem Gemisch aus Eisenlegierung und Silikat. Aktuelle Studien 4-7 haben die Benetzungsfähigkeit der flüssigen Eisen-Legierungen in einem festen Silikatmatrix bei hohem Druck und Temperatur untersucht. Sie verwendet ein herkömmliches Verfahren, um die relativen Frequenzverteilungen der scheinbaren Flächenwinkel zwischen dem Flüssigmetall und abgeschreckt Silikatkörner auf den polierten Querschnitte zur Bestimmung der wahren Raumwinkel zu messen. Die herkömmliche Methode ergibt relativ große uncertainties in der gemessenen Flächenwinkel und mögliche Verzerrungen je nach Stichprobenstatistik. Hier präsentieren wir ein neues bildgebendes Verfahren, um die Verteilung von flüssigem Metall in der Silikatmatrix in drei Dimensionen (3D) durch eine Kombination von FIB-Fräs-und hochauflösenden Feldemissions-REM-Aufnahmen zu visualisieren. Die neue Abbildungstechnik eine präzise Bestimmung der Flächenwinkel und quantitatives Maß für die Volumenfraktion und Konnektivität der flüssigen Phase. Kern der Erde wurde in relativ kurzer Zeit (&lt;100 Millionen Jahre alt) 8 vermutlich in einem flüssigen Zustand bei seiner frühen Geschichte gebildet. Mars und Merkur haben auch flüssige Kerne auf Basis von Solar Gezeiten-Verformung von den Mars Global Surveyor Radio-Tracking-Daten 9 und Radar Speckle-Muster auf die Planetenrotation bzw. 10 gebunden. Thermische Evolution Modelle und Hochdruck-Schmelzexperimente auf Kernmaterialien weiter zu unterstützen einen flüssigen Kern Mars11-12. Neue Raumsonde Messenger Daten liefern weitere Beweise für einen flüssigen Kern des Merkur 13. Selbst der kleine Mond hat wahrscheinlich einen kleinen flüssigen Kern auf die jüngsten Re-Analyse von Appollo Mond Seismogramme 14. Flüssige Planetenkerne sind in der frühen Phase der Planetenentstehung in Einklang mit hohen Zuwachs Energie. Das anschließende Abkühlen kann zur Bildung von festen inneren Kern für einige Planeten führen. Seismische Daten haben ergeben, dass die Erde aus einem flüssigen äußeren Kern und einem festen inneren Kern. Die Bildung des inneren Kerns hat wichtige Auswirkungen auf die Dynamik des Kerns durch Wärme-und Zusammensetzungs Konvektion und die Erzeugung des magnetischen Feldes der Erde angetrieben. Verfestigung des inneren Kerns wird durch die Schmelztemperatur der Kernmaterialien und der Wärmeentwicklung des Kerns gesteuert wird. Kernbildung von terrestrischen Planeten hatten ähnliche Akkretion Wege und die chemische Zusammensetzung der Kerne wird als be von Eisen mit etwa 10 Gew.% leichte Elemente wie Schwefel (S), Silizium (Si), Sauerstoff (O), Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) 15 dominiert. Es ist wichtig, Kenntnis der Schmelz Beziehungen in der für den Kern, wie Fe-FeS, Fe-C, Fe-FeO, Fe-feh, und Fe-FeSiat Hochdrucksysteme haben, um die Zusammensetzung zu verstehen die Planetenkerne. In dieser Studie werden wir Experimente im Mehrambossvorrichtung und Diamant-Amboss-Zelle durchgeführt, zeigen, imitiert die Bedingungen der Planetenkerne. Die Experimente liefern Informationen über die Reihenfolge und Kristallisation Element Verteilung zwischen festen und flüssigen Metall, was zu einem besseren Verständnis für die Anforderungen des Innenkerns Kristallisation und der Verteilung der Lichtelemente zwischen dem kristallinen inneren Kern und Flüssigkeit aus Kern. Um die Schmelz Beziehungen sehr hohen Drücken zu verlängern, haben wir neue Techniken, um die abgeschreckten Proben aus laser erhitzte Diamant-a erholt analysieren entwickeltnvil Zellexperimenten. Mit Präzisions-FIB Fräsen der Lasererwärmung vor Ort ermitteln wir Schmelzen mit Löschkriterien Textur mit hochauflösenden SEM und quantitative chemische Analyse mit einem Silizium-Drift-Detektor bei Submikrometerbereich räumlicher Auflösung abgebildet. Hier beschreiben wir zwei Sätze von Experimenten zur Kernplanetenbildung durch Versickerung von Metallschmelze in Mimik Silikatmatrix während der frühen Akkretion und inneren Kern Kristallisation durch anschließendes Abkühlen. Die Simulation wird das Ziel, die zwei wichtige Prozesse, während der Evolution von Planetenkern zu verstehen.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="352">
	<colgroup>
		<col span="4" style="width:66pt" width="88" />
	</colgroup>
	<tbody> 
		<tr height="43" style="height:32.25pt">
			<td class="xl63" height="43" style="height:32.25pt;width:66pt" width="88">Multi-anvil apparatus</td>
			<td class="xl63" style="border-left:none;width:66pt" width="88">Geophysical Lab</td>
			<td class="xl63" style="border-left:none;width:66pt" width="88">Home Builder</td>
			<td class="xl63" style="border-left:none;width:66pt" width="88"> </td>
		</tr>
		<tr height="43" style="height:32.25pt">
			<td class="xl63" height="43" style="height:32.25pt;border-top:none;
 width:66pt" width="88">Diamond-anvil cell</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88">Geophysical Lab</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88">Home Builder</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88"> </td>
		</tr>
		<tr height="64" style="height:48.0pt">
			<td class="xl63" height="64" style="height:48.0pt;border-top:none;
 width:66pt" width="88">Laser-heating system</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88">APS GSECARS</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88">Designed by beamline staff</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88"> Public beamline</td>
		</tr>
		<tr height="43" style="height:32.25pt">
			<td class="xl63" height="43" style="height:32.25pt;border-top:none;
 width:66pt" width="88">FIB/SEM Crossbeam</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88">Carl Zeiss Ltd.</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88">Auriga</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88"> </td>
		</tr>
		<tr height="64" style="height:48.0pt">
			<td class="xl63" height="64" style="height:48.0pt;border-top:none;
 width:66pt" width="88">Avizo 3D software</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88">VSG</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88">Fire for materials science</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88"> </td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

simulation of the planetary interior differentiation processes in the laboratory

Ein Planeteninnen unter Hochdruck-und Hochtemperaturbedingungen und eine Schichtstruktur hat. Es gibt zwei wichtige Prozesse, die zu dieser Schichtstruktur geführt, (1) Versickerung von flüssigem Metall in einem festen Silikatmatrix von Planeten Differenzierung, und (2) Innenkern Kristallisation durch nachfolgende Planeten Kühlung. Wir führen Hochdruck-und Hochtemperatur-Experimenten, um beide Verfahren im Labor zu simulieren. Bildung perkolativen Planeten Kern hängt von der Effizienz der Schmelze Perkolation, die durch die V-Stellung (Benetzungswinkel) gesteuert wird. Die Perkolation Simulation umfasst Erwärmen der Probe bei hohem Druck auf eine Zieltemperatur, bei der Eisen-Schwefel-Legierung geschmolzen wird, während das Silikat fest bleibt, und dann der Bestimmung der wahren Raumwinkel, den Stil der Flüssigkeitswanderung in einer kristallinen Matrix von 3D-Visualisierung zu bewerten. Das 3D-Volumen-Rendering wird durch Schneiden des wiedergewonnenen Probe mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIB) und ta erreichtKönig REM-Aufnahme von jeder Scheibe mit einem FIB / SEM Querbalken Instrument. Die zweite Reihe von Experimenten wurde entwickelt, um den inneren Kern Kristallisation und Elementverteilung zwischen der flüssigen äußeren Kern und festen inneren Kern durch die Bestimmung der Schmelztemperatur und Teilungselement unter hohem Druck zu verstehen. Die Versuchsschmelzen sind in der Mehrambossvorrichtung bis zu 27 GPa durchgeführt wird und der höhere Druck in der Diamant-Amboss-Zelle mit Lasererhitzung verlängert. Wir haben Techniken, um kleine erhitzten Proben durch Präzisionsfräsen FIB erholen und erhalten Bilder mit hoher Auflösung des Laser-Spot, der beheizte Schmelz Textur zeigen bei hohem Druck entwickelt. Durch Analysieren der chemischen Zusammensetzungen der koexistierenden flüssigen und festen Phasen, die wir genau bestimmen die Liquidus-Kurve, die Bereitstellung der erforderlichen Daten an den inneren Kern Kristallisationsverfahren zu verstehen.

Wir haben eine Reihe von Experimenten unter Verwendung von Mischungen aus San Carlos Olivin und Fe-FeS-Legierung mit unterschiedlichen Metallsilikat-Verhältnisse als die Ausgangsmaterialien durchgeführt. Der S-Gehalt des Metalls 10 Gew.% S. Hier zeigen wir einige repräsentative Ergebnisse aus Hochdruck-Experimente bei 6 GPa und 1800 ° C durchgeführt, wobei gut kalibrierten Multi Amboßanordnungen 15. Unter den Versuchsbedingungen ist die Fe-FeS-Legierung vollständig geschmolzen ist, und das Silikat (San...

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Simulation of the Planetary Interior Differentiation Processes in the Laboratory

Die hier beschriebenen Hochdruck-und Hochtemperatur-Experimenten imitieren Planeten Innendifferenzierungsprozesse. Die Prozesse werden durch hochauflösende 3D-Bildgebung und quantitative chemische Analyse visualisiert und besser verstanden werden.

Simulation der Planeteninnendifferenzierungsprozesse im Labor

A planetary interior is under high-pressure and high-temperature conditions and it has a layered structure. There are two important processes that led to ...

simulation-planetary-interior-differentiation-processes

Research

JoVE Journal

Engineering

11.5K Aufrufe.  Carnegie Institution of Washington.  Die hier beschriebenen Hochdruck-und Hochtemperatur-Experimenten imitieren Planeten Innendifferenzierungsprozesse. Die Prozesse werden durch hochauflösende 3D-Bildgebung und quantitative chemische Analyse visualisiert und besser verstanden werden. 

Serie: Simulation of the Planetary Interior Differentiation Processes in the Laboratory

Revealing Dynamic Processes of Materials in Liquids Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy

The recent development for in situ transmission electron microscopy, which allows imaging through liquids with high spatial resolution, has attracted significant interests across the research fields of materials science, physics, chemistry and biology. The key enabling technology is a liquid cell. We fabricate liquid cells with thin viewing windows through a sequential microfabrication process, including silicon nitride membrane deposition, photolithographic patterning, wafer etching, cell bonding, etc. A liquid cell with the dimensions of a regular TEM grid can fit in any standard TEM sample holder. About 100 nanoliters reaction solution is loaded into the reservoirs and about 30 picoliters liquid is drawn into the viewing windows by capillary force. Subsequently, the cell is sealed and loaded into a microscope for in situ imaging. Inside the TEM, the electron beam goes through the thin liquid layer sandwiched between two silicon nitride membranes. Dynamic processes of nanoparticles in liquids, such as nucleation and growth of nanocrystals, diffusion and assembly of nanoparticles, etc., have been imaged in real time with sub-nanometer resolution. We have also applied this method to other research areas, e.g., imaging proteins in water. Liquid cell TEM is poised to play a major role in revealing dynamic processes of materials in their working environments. It may also bring high impact in the study of biological processes in their native environment.

We have developed a self-contained liquid cell, which allows imaging through liquids using a transmission electron microscope. Dynamic processes of nanoparticles in liquids can be revealed in real time with sub-nanometer resolution.

Verräterische dynamischen Prozesse der Materialwirtschaft in Flüssigkeiten mit Hilfe von flüssigen Zelle Transmission Electron Microscopy

The recent development for in situ transmission electron microscopy, which allows imaging through liquids with high spatial resolution, has attracted ...

Forschung

Ingenieurwesen

Flame Experiments at the Advanced Light Source: New Insights into Soot Formation Processes

The following experimental protocols and the accompanying video are concerned with the flame experiments that are performed at the Chemical Dynamics Beamline of the Advanced Light Source (ALS) of the Lawrence Berkeley National Laboratory1-4. This video demonstrates how the complex chemical structures of laboratory-based model flames are analyzed using flame-sampling mass spectrometry with tunable synchrotron-generated vacuum-ultraviolet (VUV) radiation. This experimental approach combines isomer-resolving capabilities with high sensitivity and a large dynamic range5,6. The first part of the video describes experiments involving burner-stabilized, reduced-pressure (20-80 mbar) laminar premixed flames. A small hydrocarbon fuel was used for the selected flame to demonstrate the general experimental approach. It is shown how species&#8217; profiles are acquired as a function of distance from the burner surface and how the tunability of the VUV photon energy is used advantageously to identify many combustion intermediates based on their ionization energies. For example, this technique has been used to study gas-phase aspects of the soot-formation processes, and the video shows how the resonance-stabilized radicals, such as C3H3, C3H5, and i-C4H5, are identified as important intermediates7. The work has been focused on soot formation processes, and, from the chemical point of view, this process is very intriguing because chemical structures containing millions of carbon atoms are assembled from a fuel molecule possessing only a few carbon atoms in just milliseconds. The second part of the video highlights a new experiment, in which an opposed-flow diffusion flame and synchrotron-based aerosol mass spectrometry are used to study the chemical composition of the combustion-generated soot particles4. The experimental results indicate that the widely accepted H-abstraction-C2H2-addition (HACA) mechanism is not the sole molecular growth process responsible for the formation of the observed large polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs).

Gas sampling from laboratory-scale flames with online analysis of all species by mass spectrometry is a powerful method to investigate the complex mixture of chemical compounds occurring during combustion processes. Coupled with tunable soft ionization via synchrotron-generated vacuum-ultraviolet radiation, this technique provides isomer-resolved information and potentially fragment-free mass spectra.

Flammen-Experimente an der Advanced Light Source: Neue Einblicke in Rußbildung Prozesse

The following experimental protocols and the accompanying video are concerned with the flame experiments that are performed at the Chemical Dynamics ...

Laboratory Drop Towers for the Experimental Simulation of Dust-aggregate Collisions in the Early Solar System

For the purpose of investigating the evolution of dust aggregates in the early Solar System, we developed two vacuum drop towers in which fragile dust aggregates with sizes up to ~10 cm and porosities up to 70% can be collided. One of the drop towers is primarily used for very low impact speeds down to below 0.01 m/sec and makes use of a double release mechanism. Collisions are recorded in stereo-view by two high-speed cameras, which fall along the glass vacuum tube in the center-of-mass frame of the two dust aggregates. The other free-fall tower makes use of an electromagnetic accelerator that is capable of gently accelerating dust aggregates to up to 5 m/sec. In combination with the release of another dust aggregate to free fall, collision speeds up to ~10 m/sec can be achieved. Here, two fixed high-speed cameras record the collision events. In both drop towers, the dust aggregates are in free fall during the collision so that they are weightless and match the conditions in the early Solar System.

We present a technique to achieve low-velocity to intermediate-velocity collisions between fragile dust aggregates in the laboratory. For this purpose, two vacuum drop-tower setups have been developed that allow collision velocities between &#60;0.01 and ~10 m/sec. The collision events are recorded by high-speed imaging.

Labor-Tropfen-Towers für die Experimentelle Simulation von Staub-Aggregat-Kollisionen im frühen Sonnensystem

For the purpose of investigating the evolution of dust aggregates in the early Solar System, we developed two vacuum drop towers in which fragile dust ...

Quantification of Hydrogen Concentrations in Surface and Interface Layers and Bulk Materials through Depth Profiling with Nuclear Reaction Analysis

Nuclear reaction analysis (NRA) via the resonant 1H(15N,&#945;&#947;)12C reaction is a highly effective method of depth profiling that quantitatively and non-destructively reveals the hydrogen density distribution at surfaces, at interfaces, and in the volume of solid materials with high depth resolution. The technique applies a 15N ion beam of 6.385 MeV provided by an electrostatic accelerator and specifically detects the 1H isotope in depths up to about 2 &#956;m from the target surface. Surface H coverages are measured with a sensitivity in the order of ~1013 cm-2 (~1% of a typical atomic monolayer density) and H volume concentrations with a detection limit of ~1018 cm-3 (~100 at. ppm). The near-surface depth resolution is 2-5 nm for surface-normal 15N ion incidence onto the target and can be enhanced to values below 1 nm for very flat targets by adopting a surface-grazing incidence geometry. The method is versatile and readily applied to any high vacuum compatible homogeneous material with a smooth surface (no pores). Electrically conductive targets usually tolerate the ion beam irradiation with negligible degradation. Hydrogen quantitation and correct depth analysis require knowledge of the elementary composition (besides hydrogen) and mass density of the target material. Especially in combination with ultra-high vacuum methods for in-situ target preparation and characterization, 1H(15N,&#945;&#947;)12C NRA is ideally suited for hydrogen analysis at atomically controlled surfaces and nanostructured interfaces. We exemplarily demonstrate here the application of 15N NRA at the MALT Tandem accelerator facility of the University of Tokyo to (1) quantitatively measure the surface coverage and the bulk concentration of hydrogen in the near-surface region of a H2 exposed Pd(110) single crystal, and (2) to determine the depth location and layer density of hydrogen near the interfaces of thin SiO2 films on Si(100).

We illustrate the application of 1H(15N,&#945;&#947;)12C resonant nuclear reaction analysis (NRA) to quantitatively evaluate the density of hydrogen atoms on the surface, in the volume, and at an interfacial layer of solid materials. The near-surface hydrogen depth profiling of a Pd(110) single crystal and of SiO2/Si(100) stacks is described.

Die Quantifizierung von Wasserstoffkonzentrationen in Oberflächen- und Grenzflächenschichten und Schüttgüter durch Tiefenprofilierung mit Kernreaktionsanalyse

Nuclear reaction analysis (NRA) via the resonant 1H(15N,&#945;&#947;)12C reaction is a highly effective method of depth profiling that quantitatively and ...

Simulation of Human-induced Vibrations Based on the Characterized In-field Pedestrian Behavior

For slender and lightweight structures, vibration serviceability is a matter of growing concern, often constituting the critical design requirement. With designs governed by the dynamic performance under human-induced loads, a strong demand exists for the verification and refinement of currently available load models. The present contribution uses a 3D inertial motion tracking technique for the characterization of the in-field pedestrian behavior. The technique is first tested in laboratory experiments with simultaneous registration of the corresponding ground reaction forces. The experiments include walking persons as well as rhythmical human activities such as jumping and bobbing. It is shown that the registered motion allows for the identification of the time variant pacing rate of the activity. Together with the weight of the person and the application of generalized force models available in literature, the identified time-variant pacing rate allows to characterize the human-induced loads. In addition, time synchronization among the wireless motion trackers allows identifying the synchronization rate among the participants. Subsequently, the technique is used on a real footbridge where both the motion of the persons and the induced structural vibrations are registered. It is shown how the characterized in-field pedestrian behavior can be applied to simulate the induced structural response. It is demonstrated that the in situ identified pacing rate and synchronization rate constitute an essential input for the simulation and verification of the human-induced loads. The main potential applications of the proposed methodology are the estimation of human-structure interaction phenomena and the development of suitable models for the correlation among pedestrians in real traffic conditions.

A protocol is presented for the characterization of the in-field pedestrian behavior and the simulation of the resulting structural response. Field-tests demonstrate that the in situ identified pacing rate and synchronization rate among the participants constitute an essential input for the simulation and verification of the human-induced loads.

Simulation von Menschen verursachte Schwingungen Basierend auf dem Gekennzeichnet In-Bereich Fußgängerverhalten

For slender and lightweight structures, vibration serviceability is a matter of growing concern, often constituting the critical design requirement. With ...

Knowledge Based Cloud FE Simulation of Sheet Metal Forming Processes

The use of Finite Element (FE) simulation software to adequately predict the outcome of sheet metal forming processes is crucial to enhancing the efficiency and lowering the development time of such processes, whilst reducing costs involved in trial-and-error prototyping. Recent focus on the substitution of steel components with aluminum alloy alternatives in the automotive and aerospace sectors has increased the need to simulate the forming behavior of such alloys for ever more complex component geometries. However these alloys, and in particular their high strength variants, exhibit limited formability at room temperature, and high temperature manufacturing technologies have been developed to form them. Consequently, advanced constitutive models are required to reflect the associated temperature and strain rate effects. Simulating such behavior is computationally very expensive using conventional FE simulation techniques.
This paper presents a novel Knowledge Based Cloud FE (KBC-FE) simulation technique that combines advanced material and friction models with conventional FE simulations in an efficient manner thus enhancing the capability of commercial simulation software packages. The application of these methods is demonstrated through two example case studies, namely: the prediction of a material's forming limit under hot stamping conditions, and the tool life prediction under multi-cycle loading conditions.

The following paper presents a novel FE simulation technique (KBC-FE), which reduces computational cost by performing simulations on a cloud computing environment, through the application of individual modules. Moreover, it establishes a seamless collaborative network between world leading scientists, enabling the integration of cutting edge knowledge modules into FE simulations.

Wissensbasierte Wolke FE Simulation von Blechumformprozessen

The use of Finite Element (FE) simulation software to adequately predict the outcome of sheet metal forming processes is crucial to enhancing the ...

Wicking Tests for Unidirectional Fabrics: Measurements of Capillary Parameters to Evaluate Capillary Pressure in Liquid Composite Molding Processes

During impregnation of a fibrous reinforcement in liquid composite molding (LCM) processes, capillary effects have to be understood in order to identify their influence on void formation in composite parts. Wicking in a fibrous medium described by the Washburn equation was considered equivalent to a flow under the effect of capillary pressure according to the Darcy law. Experimental tests for the characterization of wicking were conducted with both carbon and flax fiber reinforcement. Quasi-unidirectional fabrics were then tested by means of a tensiometer to determine the morphological and wetting parameters along the fiber direction. The procedure was shown to be promising when the morphology of the fabric is unchanged during capillary wicking. In the case of carbon fabrics, the capillary pressure can be calculated. Flax fibers are sensitive to moisture sorption and swell in water. This phenomenon has to be taken into account to assess the wetting parameters. In order to make fibers less sensitive to water sorption, a thermal treatment was carried out on flax reinforcements. This treatment enhances fiber morphological stability and prevents swelling in water. It was shown that treated fabrics have a linear wicking trend similar to those found in carbon fabrics, allowing for the determination of capillary pressure.

An experimental method to measure geometrical parameters and the apparent advancing contact angles describing capillary wicking in unidirectional synthetic and natural fabrics is proposed. These parameters are mandatory for the determination of the capillary pressures that must be taken into account for liquid composite molding (LCM) applications.

Wicking Tests für unidirektionale Gewebe: Die Messungen der Kapillar-Parameter Kapillardruck in Liquid Composite Molding Verfahren zur Bewertung

During impregnation of a fibrous reinforcement in liquid composite molding (LCM) processes, capillary effects have to be understood in order to identify ...

Characterization of Ultra-fine Grained and Nanocrystalline Materials Using Transmission Kikuchi Diffraction

One of the challenges in microstructure analysis nowadays resides in the reliable and accurate characterization of ultra-fine grained (UFG) and nanocrystalline materials. The traditional techniques associated with scanning electron microscopy (SEM), such as electron backscatter diffraction (EBSD), do not possess the required spatial resolution due to the large interaction volume between the electrons from the beam and the atoms of the material. Transmission electron microscopy (TEM) has the required spatial resolution. However, due to a lack of automation in the analysis system, the rate of data acquisition is slow which limits the area of the specimen that can be characterized. This paper presents a new characterization technique, Transmission Kikuchi Diffraction (TKD), which enables the analysis of the microstructure of UFG and nanocrystalline materials using an SEM equipped with a standard EBSD system. The spatial resolution of this technique can reach 2 nm. This technique can be applied to a large range of materials that would be difficult to analyze using traditional EBSD. After presenting the experimental set up and describing the different steps necessary to realize a TKD analysis, examples of its use on metal alloys and minerals are shown to illustrate the resolution of the technique and its flexibility in term of material to be characterized.

This paper provides a detailed method to characterize the microstructure of ultra-fine grained and nanocrystalline materials using a scanning electron microscope equipped with a standard electron backscatter diffraction system. Metal alloys and minerals presenting refined microstructures are analyzed using this technique, showing the diversity of its possible applications.

Charakterisierung von ultrafeinkörnig und Nanokristalline Materialien mit Übertragung Kikuchi Diffraction

One of the challenges in microstructure analysis nowadays resides in the reliable and accurate characterization of ultra-fine grained (UFG) and ...

Processing of Bulk Nanocrystalline Metals at the US Army Research Laboratory

Given their potential for significant property improvements relative to their large grained counterparts, much work has been devoted to the continued development of nanocrystalline metals. Despite these efforts, the transition of these materials from the lab bench to actual applications has been blocked by the inability to produce large scale parts that retain the desired nanocrystalline microstructures. Following the development of a method proven to stabilize the nanosized grain structure to temperatures approaching that of the melting point for the given metal, the US Army Research Laboratory (ARL) has progressed to the next stage in the development of these materials - namely the production of large scale parts suitable for testing and evaluation in a range of relevant test environments. This report provides a broad overview of the ongoing efforts in the processing, characterization, and consolidation of these materials at ARL. In particular, focus is placed on the methodology used for producing the nanocrystalline metal powders, in both small and large-scale amounts, that are at the center of ongoing research efforts.

This paper provides a brief overview of the ongoing efforts at the Army Research Laboratory on the processing of bulk nanocrystalline metals with an emphasis on the methodologies used for the production of the novel metal powders.

Verarbeitung von Bulk nanokristallinen Metallen bei der US Army Research Laboratory

Given their potential for significant property improvements relative to their large grained counterparts, much work has been devoted to the continued ...

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

We demonstrate the use of two nuclear-based analytical methods that can follow the modifications of microstructural arrangement of iron-based metallic glasses (MGs). Despite their amorphous nature, the identification of hyperfine interactions unveils faint structural modifications. For this purpose, we have employed two techniques that utilize nuclear resonance among nuclear levels of a stable 57Fe isotope, namely M&#246;ssbauer spectrometry and nuclear forward scattering (NFS) of synchrotron radiation. The effects of heat treatment upon (Fe2.85Co1)77Mo8Cu1B14 MG are discussed using the results of ex situ and in situ experiments, respectively. As both methods are sensitive to hyperfine interactions, information on structural arrangement as well as on magnetic microstructure is readily available. M&#246;ssbauer spectrometry performed ex situ describes how the structural arrangement and magnetic microstructure appears at room temperature after the annealing under certain conditions (temperature, time), and thus this technique inspects steady states. On the other hand, NFS data are recorded in situ during dynamically changing temperature and NFS examines transient states. The use of both techniques provides complementary information. In general, they can be applied to any suitable system in which it is important to know its steady state but also transient states.

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

Here, we present a protocol to describe ex situ and in situ investigations of structural transformations in metallic glasses. We employed nuclear-based analytical methods which inspect hyperfine interactions. We demonstrate the applicability of M&#246;ssbauer spectrometry and nuclear forward scattering of synchrotron radiation during temperature-driven experiments.

Methoden der Ex-Situ und In Situ Untersuchungen zu strukturellen Veränderungen: der Fall der Kristallisation von metallischen Gläsern

We demonstrate the use of two nuclear-based analytical methods that can follow the modifications of microstructural arrangement of iron-based metallic ...