The authors thank the Deutsches Zentrum f&#252;r Luft- und Raumfahrt (DLR), the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), and the TU Braunschweig for continual support of our laboratory activities. The low-velocity drop tower has been established under DLR grant 50WM0936, the high-velocity drop tower has been developed under DFG grant INST 186/959-1 as part of the CRC 963 &#8220;Astrophysical Flow Instabilities and Turbulence&#8221;.

ATENÇÃO: Dependendo da perigosidade das partículas usadas, que podem ser encontrados nas fichas de dados de segurança correspondentes, proteção boca e equipamento de segurança deve ser usado pela pessoa que trabalha com a poeira. Recomenda-se também a utilização de um sistema de sucção para manter a livre de pó e ar ambiente. 1. Preparação de amostras de poeira de agregação de tamanho cm <ol><li> Calcula-se a quantidade de material requerido por m = Φ ρ 0 V, onde m é a massa requerida, Φ é o factor volume de enchimento desejado (volume de enchimento = factor de 1 - porosidade), ρ 0 é a densidade do material, e V é o volume da amostra. 77 g de pó de silicato de irregular (ρ 0 = 2,6 g / cm 3) é necessária para conseguir uma porosidade de 70% da amostra (factor de volume de enchimento = 0,3) para obter uma amostra cilíndrica de 5 cm de diâmetro e altura, respectivamente. Nota: A formação de pla terrestreredes começa com a coagulação de grãos de poeira de tamanho micrométrico - predominantemente compostas de silicatos - em corpos porosos porte cm. Um material análogo de laboratório bem estudada e é adequado SiO 2, que está disponível como pó de forma irregular com uma distribuição de tamanhos variando de 0,5 a 10 fim, bem como sob a forma de grãos esféricos monodispersos para melhor comparabilidade de modelos teóricos (ver Tabela 1 e Figura 1). </li></ol><table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="569"><tbody><tr height="20"><td height="20" style="height:20px;width:161px;"> SiO 2-monômero tipo de grão </td><td style="width:96px;"> Fabricante </td><td style="width:119px;"> Diâmetro da partícula </td><td style="width:95px;"> Forma da partícula </td><td style="width:100px;"> Figura Exemplo </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> Monodisperse </td><td> Micromod </td><td> 1,52 ± 0,06 e# 181; m </td><td> Esférico </td><td> Figura 1 (à esquerda) </td></tr><tr height="20"><td height="20" style="height:20px;"> Polidisperso </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 0,1-10 mM </td><td> Irregular </td><td> Figura 1 (à direita) </td></tr></tbody></table> Tabela 1. Características do SiO 2 partículas utilizadas nos experimentos de colisão de poeira-agregado. <img alt="Figura 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig1highres.jpg" width="500" /> Figura 1. Imagens de microscopia eletrônica de-da monodispersa (esquerda) e polidisperso (direita) SiO 2 partículas usadas para a produção de agregados de poeira macroscópicos. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig1highres.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <olstart = &quot;2&quot;&gt; <li> Pegue um recipiente com tamanho micrométrico SiO 2 partículas (ver Tabela 1) e despeje o seu conteúdo em uma peneira com um tamanho de malha de 0,5 mm. Peneire a uma quantidade suficiente de material e encher a massa calculada para dentro do molde. Comprimir o material no molde, empurrando um êmbolo com a mão até a altura da amostra é atingido (por exemplo, 5 cm). Vire o molde sobre o pistão, abra a placa de base e empurre a amostra para fora. Nota: As amostras podem ser produzidos em várias formas (esféricas e cilíndricas), tamanhos (1 mm a 10 cm) e porosidades (60-85%) (ver Figura 3). As amostras podem então ser utilizados individualmente nas experiências de colisão ou combinadas em grupos, o que, em seguida, colidem com outros agregados ou aglomerados. </li></ol><img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig2highres.jpg" fo:content-width="5in" width="500" /> Figura 2. Fotografia do. a variação de tamanhos e formas de amostras de pó-agregado Os exemplos a seguir são mostrados: cilindros de pó com 1 cm, 2 cm e 5 cm de diâmetro (fileira de trás), esferas de pó com 1 cm e 2 cm de diâmetro (centro de linha), e 2-3 porte mm Al 2 O 3 esferas (frente). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig2highres.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <ol start="3"><li> Caracterizar as amostras no que diz respeito a porosidade e homogeneidade. Se as amostras de cair fora margens permitidos, produzir novas amostras. <ol><li> A fim de determinar a porosidade da amostra de pó, determinar o seu volume medindo as suas dimensões e a sua massa por meio de um equilíbrio preciso. </li><li> Use tomografia de raios X (XRT) 12 para obter informação sobre a homogeneidade e distribuição de poros de tamanho da amostra produzida. Nota: Para os cinco centímetros porte agregados de poeira, encontramos desvios de encher o volume médio factor, isto é, a razão entre a densidade de massa da amostra e a densidade do material das partículas de pó-de monómeros, de apenas cerca de 1% no interior da maior parte do volume de amostra, e um aumento ligeiramente maior do factor volume de enchimento até 8% para os limites exteriores 12. Figura 3 mostra uma reconstrução XRT de um corte através de um agregado cilíndrico de pó de 5 cm de diâmetro e de 5 cm de altura. Nós não usamos XRT para cada agregado poeira, mas examinar a estrutura interna e homogeneidade das amostras aleatórias. </li></ol></li></ol><img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig3highres.jpg" fo:content-width="5in" width="500" /> Figura 3. Reconstrução da estrutura interna de uma amostra cilíndrica de pó agregado de 5 cm de altura e diâmetro de 5 cm, após análise XRT. A escala cinza indica o factor de enchimento de volume, o que é a razão entre a densidade de massa de tele provar e a densidade do material das partículas de monômero de poeira. A partir da reconstrução XRT, é claramente visível que esta amostra de alta porosidade foi montado utilizando agregados de poeira porte mm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig3highres.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> 2. Princípio da instalação Gota Torre <ol><li> Mecanismos de liberação: Na parte superior da torre de queda de dois mecanismos de libertação estão ligados um em cima do outro. Cada um deles tem uma amostra e libera-lo em queda livre. A diferença de tempo entre o lançamento da parte superior e inferior da partícula determina a velocidade relativa da colisão. De acordo com a morfologia e a forma das partículas, os mecanismos de libertação adequados são escolhidos. Se um mecanismo de aceleração de partículas é usado, é necessário apenas um mecanismo de liberação. <ol><li> Mecanismo de liberação Particle-on-a-string (amostras esféricas, upppartícula er): Este mecanismo de liberação consiste em um ímã solenóide linear e um contador de peças de metal sólido. <ol><li> Prenda a partícula a ser lançado para uma string. Segure a corda no lugar, fixando-o entre o ímã solenóide e do contador de peças de metal sólido. </li><li> Para liberar a partícula, aplicar uma corrente elétrica para o ímã do solenóide (ver filme 1). </li></ol></li><li> Alçapão mecanismo de liberação (amostras esféricas, menor partícula): Este mecanismo de liberação consiste em um ímã solenóide rotativo para que um titular de partícula está conectado. <ol><li> Colocar a partícula em um molde semi-esférica, a qual é rodada para baixo por um solenóide rotativo quando uma corrente eléctrica é aplicada (ver filme 1). </li><li> Este mecanismo pode também ser usado para a libertação de grupos de partículas ou aglomerados de agregação. Neste último caso, montar dois mecanismos de liberação trap-door acima uns aos outros (ver filme 2). </li></ol&gt; </li><li> Mecanismo do tipo tesoura lançamento duplo (amostras cilíndricas): Este mecanismo de libertação é constituída por dois pares de solenóides rotativos ímanes ao qual uma haste de metal está ligado. Os dois magnetos de solenóide de cada mecanismo de libertação são colocados de tal modo que as duas barras de metal são paralelos. <ol><li> Posicionar as duas amostras sobre as duas hastes paralelas, cada uma. </li><li> Aplicar uma corrente elétrica para os dois solenóides rotativos para liberar as partículas em queda livre. (Ver filme 3). </li></ol></li><li> Mecanismo duplo de asa liberação alçapão (amostras cilíndricas, em combinação com o mecanismo de aceleração de partículas): Este mecanismo de libertação é constituído por duas placas de metal com mola, os quais em conjunto formam um suporte de partículas em forma de v. As duas placas de metal são mantidos no lugar por uma barra de metal, que é ligada a um imã solenóide rotativo. <ol><li> Coloque a amostra de pó cilíndrico para o alçapão fechado. </li><li> Desbloqueie o alçapão, aplicandouma corrente elétrica para o ímã do solenóide. Para evitar saltando para trás das portas, freios de correntes de Foucault detê-los (ver filme 4). Nota: É importante para libertar as partículas em queda livre, sem velocidade inicial e rotação. Para este efeito, vários mecanismos de libertação têm sido desenvolvidos (2.1.1 - 2.1.4). </li></ol></li></ol></li><li> Mecanismos de aceleração de partículas: Acelera as partículas ou por uma mola pré-carregada ou por uma fase linear dirigido electro-magnética. Ambos os aceleradores podem ser equipados com porta-amostras de partículas de forma diferente. </li> <li> Eletrônica de controle: Ajustar o cronômetro e liberar eletrônica para os valores adequados para atingir a velocidade de colisão desejado e para operar a câmera em um quadro de centro de massa. Nota: O momento da libertação de partículas, de aceleração de partículas e liberação da câmera é realizada por um conjunto de temporizadores eletrônicos, cuja funcionalidade é explicada em Movie 5. </li></ol> 3. Realização de experimentos <ol><li> Colisões de baixa velocidade (pequena torre queda): <ol><li> Amostras de carregar no tipo tesoura mecanismo de liberação de casal e próximo tubo de vidro a vácuo. </li><li> Comece a evacuação e definir os parâmetros do temporizador. </li><li> Anexar câmeras para suas unidades de libertação magnéticos. Iniciar a gravação da câmera contínua. Nota: Devido à alta intensidade de iluminação de campo brilhante LED, um tempo de exposição suficientemente curto da câmara de alta velocidade podem ser escolhidos de modo que o movimento das partículas durante a exposição é negligenciável. Em cima disso, o f-stop da objetiva da câmera deve ser definida para valores altos o suficiente para estender a profundidade de foco ao longo de todo o diâmetro da torre de queda. </li><li> Quando a qualidade de vácuo desejado for atingido, ligar a iluminação, pressione o botão de início e fazer o download das sequências de imagens. </li></ol></li><li> Colisões de alta velocidade (grande torre queda): <ol><li> Amostras de carga na dupla vitóriag mecanismo alçapão liberação e acelerador e fechar o tubo de vidro a vácuo. </li><li> Comece a evacuação e definir os parâmetros do temporizador. </li><li> Iniciar a gravação da câmera contínua. Quando a qualidade de vácuo desejado for atingido, ligar a iluminação e pressione o botão start. Faça o download das sequências de imagens. Nota: Devido à alta intensidade de iluminação de campo brilhante LED, um tempo de exposição suficientemente curto da câmara de alta velocidade podem ser escolhidos de modo que o movimento das partículas durante a exposição é negligenciável. Em cima disso, o f-stop da objetiva da câmera deve ser definida para valores altos o suficiente para estender a profundidade de foco ao longo de todo o diâmetro da torre de queda. </li></ol></li></ol> 4. Experiências Exemplo <ol><li> Coloque as amostras cuidadosamente no mecanismo de liberação apropriado. <ol><li> Colisões de baixa velocidade (mecanismo de liberação dupla; 0,09 m / seg): 5 cm vs 5 centímetros, saltando. Coloque as amostras em dois mecanismos de liberação do tipo tesoura. Paraatingir velocidades de colisão de 0,09 m / s, coloque a partículas de 7 milímetros de distância e definir o tempo de atraso dos mecanismos de liberação de 9 ms. Nota: Neste velocidade de impacto, as amostras de poeira saltar longe um do outro após a colisão. A sequência de imagens é capturado por uma câmera de alta velocidade em queda livre (ver filme 6). </li> <li> Colisões de alta velocidade (acelerador eletromagnético; 7,4 m / s): 2 cm vs 2 cm, a fragmentação. Coloque uma amostra para o mecanismo de liberação alçapão duplo de asa; colocar a outra amostra no suporte de amostras do acelerador linear-fase. Nota: Para alcançar velocidades de colisão de 7.4 m / s, o menor agregado de poeira é bem acelerado para cima com 2 g, enquanto, simultaneamente, o agregado de pó superior cai. A uma velocidade relativa de 7,4 m / seg, o fragmento de amostras de pó (ver filme 7). </li> <li> Colisão em alta velocidade de pequenos agregados em grandes agregados: 0.5 cm vs 5 cm, de transferência de massa. ª Cargae grande amostra para um mecanismo do tipo tesoura libertação; colocar a amostra de menor no suporte de amostras do acelerador de mola. Nota: Para alcançar velocidades de colisão necessários para a transferência de massa, menor agregado poeira é bem acelerado para cima, ao mesmo tempo, o agregado de pó superior cai. Neste velocidade relativa, os fragmentos menores de amostra e transferências uma pequena quantidade de massa para a amostra de maior. À medida que a câmara desce ao longo da (mais maciça) partícula superior, as imagens captadas pela câmara de alta velocidade dar a impressão de uma grande partícula mais ou menos em repouso (ver filme 8), o que não é verdade, visto a partir do lado de fora de a torre de queda. </li></ol></li><li> Feche o tubo de vidro a vácuo. </li><li> Abrir a válvula de vácuo com cuidado para as bombas para iniciar a evacuação lenta e definir os parâmetros de temporizador para a diferença de tempo requerido para a velocidade de colisão desejada. </li><li> Anexar câmeras para suas unidades de libertação (se câmeras em queda livre são utilizados).Iniciar a gravação da câmera contínua e ligue a iluminação. </li><li> Quando a qualidade de vácuo desejado for alcançado, pressionar o botão de liberação para iniciar a seqüência de timer. </li><li> Faça o download das sequências de imagens gravadas pelas câmeras de alta velocidade para um computador. </li></ol> 5. Análise de Dados <ol><li> Escolha um valor de cinza limiar adequado entre o fundo eo valor de cinza dos objetos. Criar uma imagem binária com base nesse limite, definindo pixels com valores de cinza acima do limiar de (valor binário 1) branco e pixels com valores de cinza mais baixos para preto (valor binário 0). </li><li> Determinar a posição do centro das partículas de massa em cada uma das imagens. Uma boa aproximação para determinar o centro de massa de partículas é simétrica no centro da área projectada. Este é calculado a partir de imagens binarizadas. </li><li> Utilizar a posição relativa dos centros de massa dos objectos e a informação de tempo a partir das imagens da câmara para calcular ovelocidade relativa (ver filme 9). As inclinações da curva de posição são mostrados no lado direito do Movie 9. <ol><li> Em caso de uma colisão recuperando, determinar as velocidades relativas antes e depois do contato. Calcular o coeficiente de restituição, isto é, a razão entre a velocidade após a colisão e antes. Traçar a velocidade relativa em relação ao coeficiente de restituição. Um exemplo desta análise é mostrado na Figura 4. </li></ol></li></ol><img alt="Figura 4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig4highres.jpg" width="500" /> Figura 4. Exemplo de análise de saltar colisões. Se o coeficiente de restituição, isto é, a razão entre a velocidade de ressalto e a velocidade de impacto, é representada em função da velocidade de colisão. Círculos mostram dados para agregados de poeira esféricas de 2 cm diâmetroster 13 (ver Figura 2), triângulos denotam colisões entre agregados cilíndricos de pó de 5 cm de diâmetro e 5 cm (ver Figura 2) e dois fatores de enchimento de volume diferentes de 0,3 e 0,4, respectivamente 12. Os dados mostram uma tendência de diminuição do coeficiente de restituição com o aumento da velocidade de impacto. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig4highres.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <ol start="2"><li> Se uma ou ambas as partículas fragmento, determinar os tamanhos de como muitos dos maiores fragmentos possível, medindo suas respectivas áreas projetadas e assumindo formas apropriadas. <ol><li> Se ocorre a fragmentação de uma única partícula, geralmente transfere uma certa quantidade de massa para a sua sobrevivência partícula. Determinar a quantidade de massa transferida através da medição do volume acrescido, assumindo uma forma e porosidade adequadas para quantificar a massa transfer a eficiência. </li></ol></li></ol>

<ol>
	<li>Blum, J., Wurm, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Growth+Mechanisms+of+Macroscopic+Bodies+in+Protoplanetary+Disks.">The Growth Mechanisms of Macroscopic Bodies in Protoplanetary Disks.</a> Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 46, 21-56 (2008).</li><li>Johansen, A., Blum, J., Tanaka, H., Ormel, C. W., Bizzarro, M., Rickman, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Multifaceted+Planetesimal+Formation+Process.">The Multifaceted Planetesimal Formation Process.</a> Protostars &amp; Planets VI. University of Arizona Space Science Series. , (2014).</li><li>Blum, J., Zsom, A., Ormel, C. W., Dullemond, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+outcome+of+protoplanetary+dust+growth:+pebbles,+boulders,+or+planetesimals?+I.+Mapping+the+zoo+of+laboratory+collision+experiments.">The outcome of protoplanetary dust growth: pebbles, boulders, or planetesimals? I. Mapping the zoo of laboratory collision experiments.</a> Astronomy and Astrophysics. 513, (2010).</li><li>Zsom, A., Ormel, C. W., G&#252;ttler, C., Blum, J., Dullemond, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+outcome+of+protoplanetary+dust+growth:+pebbles,+boulders,+or+planetesimals?+II.+Introducing+the+bouncing+barrier.">The outcome of protoplanetary dust growth: pebbles, boulders, or planetesimals? II. Introducing the bouncing barrier.</a> Astronomy and Astrophysics. 513, (2010).</li><li>Testi, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dust+Evolution+in+Protoplanetary+Disks.">Dust Evolution in Protoplanetary Disks.</a> Protostars &amp; Planets VI. University of Arizona Space Science Series. , (2014).</li><li>Youdin, A. N., Goodman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Streaming+Instabilities+in+Protoplanetary+Disks.">Streaming Instabilities in Protoplanetary Disks.</a> The Astrophysical Journal. 620, 459-469 (2005).</li><li>Johansen, A., Youdin, A. 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P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Breaking+through:+The+effects+of+a+velocity+distribution+on+barriers+to+dust+growth.">Breaking through: The effects of a velocity distribution on barriers to dust growth.</a> Astronomy and Astrophysics. , 544 (2012).</li><li>Garaud, P., Meru, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=From+Dust+to+Planetesimals:+An+Improved+Model+for+Collisional+Growth+in+Protoplanetary+Disks.">From Dust to Planetesimals: An Improved Model for Collisional Growth in Protoplanetary Disks.</a> The Astrophysical Journal. 764, 146 (2013).</li><li>Schr&#228;pler, R., Blum, J., Seizinger, A., Kley, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+physics+of+protoplanetesimal+dust+agglomerates.+VII.+The+low-velocity+collision+behavior+of+large+dust+agglomerates.">The physics of protoplanetesimal dust agglomerates. VII. The low-velocity collision behavior of large dust agglomerates.</a> The Astrophysical Journal. 758, 35 (2012).</li><li>Beitz, E., G&#252;ttler, C., Blum, J., Meisner, T., Teiser, J., Wurm, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-velocity+collisions+of+centimeter-sized+dust+aggregates.">Low-velocity collisions of centimeter-sized dust aggregates.</a> The Astrophysical Journal. 736, 34 (2011).</li><li>Beitz, E., Blum, J., Mathieu, R., Pack, A., Hezel, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+investigation+of+the+nebular+formation+of+chondrule+rims+and+the+formation+of+chondrite+parent+bodies.">Experimental investigation of the nebular formation of chondrule rims and the formation of chondrite parent bodies.</a> Geochimica et Cosmochimica Acta. 116, 41-51 (2013).</li><li>Jankowski, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Crossing+barriers+in+planetesimal+formation:+The+growth+of+mm-dust+aggregates+with+large+constituent+grains.">Crossing barriers in planetesimal formation: The growth of mm-dust aggregates with large constituent grains.</a> Astronomy and Astrophysics. 542, (2012).</li><li>Gundlach, B., Kilias, S., Beitz, E., Blum, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micrometer-sized+ice+particles+for+planetary-science+experiments+-+I.+Preparation,+critical+rolling+friction+force,+and+specific+surface+energy.">Micrometer-sized ice particles for planetary-science experiments - I. Preparation, critical rolling friction force, and specific surface energy.</a> Icarus. 214, 717-723 (2011).</li></ol>

We have nothing to disclose.

Devido à alta precisão mecânica, a taxa de falha de ambas as torres de queda é extremamente baixo. Isto é de extrema importância, pois a preparação da amostra pode demorar até várias horas, dependendo do tamanho, forma e porosidade dos agregados de pó desejados. Deve ser mencionado que grandes agregados de pó com muito altas porosidades são extremamente frágil e, portanto, difícil de manipular. Pode ocorrer que esses agregados de poeira quebrar durante a extração fora do molde ou transferência para a torre de queda. Nestes casos, uma nova amostra tem que estar preparado. Assim, é importante que a pequena torre gota permite velocidades de colisão fiáveis ​​(e previsíveis) até 0,01 m / seg 11,13. A velocidade mais baixa impacto até agora alcançado foi de 0,004 m / s. Estas pequenas velocidades de impacto só pode ser alcançado por partículas livres em um ambiente de microgravidade. A torre de queda de laboratório é uma realização barato e versátil de uma instalação desse tipo de microgravidade. Alternative métodos para atingir velocidades baixas de impacto faz uso de técnicas de levitação 14,15 (por exemplo, por levitação electromagnética ou aerodinâmico) mas geralmente induzem uma força entre as partículas colidem, que tem de ser tido em conta na análise de colisões. Além disso, muitas vezes, induz a levitação movimento de rotação 14, que, se não desejado, não permite colisões sem rotação, mas, por outro lado, pode até permitir simulações realistas de colisões entre partículas rotativas. Em caso de levitação aerodinâmico, os efeitos sobre almofadas de ar durante a colisão pode induzir condições indesejadas que não coincidem com aqueles em discos protoplanetários. No entanto, levitação permite o tempo de observação limitada e experiências repetitivas de modo que tem que ser considerada como uma alternativa para a torre de queda se o limite de tempo é essencial. Todos os nossos esforços até agora têm se concentrado em SiO 2 como um representante dos silicatos no terrestre do planeta formação region de jovens Sistemas Solares. Como a maior parte da massa dos discos protoplanetários é concentrada para além do ponto de condensação da água de gelo, é também essencial para estudar o comportamento de colisão de agregados constituídos por grãos de H 2 O-gelo micrometros de tamanho. Estamos actualmente a criação de uma torre de queda de crio-vácuo para esta finalidade. Deve ser notado que as temperaturas em tais experiências de simulação deve ser inferior a ~ 150 K, que é a temperatura da assim chamada &quot;linha de neve&quot; em discos protoplanetários (a &quot;linha de neve&quot; divide as regiões interiores, em que a água está na forma de vapor fase das regiões exteriores onde se encontra como o gelo de água sólida). Nós mostramos que a formação de partículas de água de gelo do tamanho micrometros de é viável e que os agregados da mesma podem ser produzidas 16 de modo que estamos otimistas para ter os primeiros resultados sobre o seu comportamento de colisão nos próximos 1-2 anos.

É geralmente aceite que a formação de planetas começa com o acúmulo não-gravitacional da microscopicamente pequenos grãos de poeira em agregados de poeira maiores (ver revisão por Blum &amp; Wurm) 1. As partículas de poeira colidem dentro de seus discos protoplanetários devido ao movimento browniano, movimentos de deriva relativos, ea turbulência do gás nebular (ver revisão por Johansen et al.) 2. Se as velocidades de colisão são suficientemente baixo, as partículas de pó se unem para formar aglomerados maiores. Uma grande variedade de medições em laboratório ao longo dos últimos anos levaram a um modelo de colisão de pó agregado que prediz o resultado de um par de agregados de poeira com massas arbitrárias e velocidades de colisão 3. Os resultados de colisões básicas estão aderindo (em geral para pequenas massas agregadas e baixas velocidades de colisão), saltando, e fragmentação (para velocidades de alto impacto). No entanto, as transições entre estas fases não são afiados e existem outrosresultados, como, por exemplo, transferência de massa ou erosão. Aplicando este modelo a um disco protoplanetário típico prevê o crescimento dos agregados de poeira porte centímetros dentro de alguns milhares de anos 4. A presença de agregados de poeira porte centímetros tem sido extensivamente investigado por observações astronômicas ao longo dos últimos anos e pode agora ser considerado como estabelecido (ver revisão por Testi et al.) 5 do que se conclui que o princípio mecanismo pelo qual os primeiros corpos macroscópicos em sistemas planetários jovens formulário foi identificado. No entanto, o maior crescimento de corpos de pelo menos tamanhos km não é tão clara. Para a região terrestre do planeta, duas hipóteses estão a ser discutidos (ver também os comentários recentes sobre este assunto por Johansen et al 2 e Testi et al 5..): (I) a concentração dos agregados de poeira de tamanho cm por, por exemplo, o streaming de instabilidade 6 e Gravit subseqüentecolapso acional 7,8 e (ii) crescimento de alguns &quot;vencedores&quot; para tamanhos maiores, com posterior crescimento da massa pelo processo de transferência de massa 9,10,11. Em ambos os modelos, os agregados de poeira porte cm sofrer um enorme número de colisões mútuas em baixa a velocidades moderadas. Não está claro o que os possíveis resultados dessas colisões (além de pular) são. Para melhorar o modelo de colisão de pó agregado por Güttler et al. 3 e investigar mais detalhadamente as colisões entre os agregados de poeira macroscópicas nos regimes de velocidade relevantes, montamos duas torres de queda em nosso laboratório, em que as colisões agregado-agregado individuais podem ser estudado em grande detalhe em condições de vácuo e de microgravidade. Ambas as torres de queda possuir uma altura de queda livre de 1,5 m, o que limita o tempo de observação para ~ 0,5 seg. Assim, podemos observar as colisões por câmeras de alta velocidade, com formato megapixel e até 7.500 quadros por segundo.Para obter o máximo de contraste e altas velocidades de gravação, iluminação de campo claro é escolhido. A iluminação é assim proporcionado por alta intensidade painéis LED e homogeneizada por telas do difusor. Assim, as câmeras de alta velocidade ver a poeira colidindo agrega objetos escuros na frente de uma tela iluminada. Para evitar a cintilação, os LEDs são DC. Para alcançar baixas velocidades de colisão, os dois agregados de pó são colocadas uma sobre a outra em um mecanismo de libertação dupla. Soltar o agregado superior um tempo de t antes de o inferior resulta numa velocidade relativa v = gt, com 9,81 g = sendo m / s 2 a aceleração gravitacional da Terra. As duas câmaras de alta velocidade, que encaram a colisão de duas direcções de 90 ° entre si, são normalmente libertados entre os dois agregados de pó (tipicamente t / 2 após a partícula superior). As câmeras de executar em modo contínuo de gravação, que é encerrado pelo impacto da câmeratitulares em baldes de areia. A taxa máxima de quadros neste modo de operação é de 1.000 imagens por segundo com resolução megapixel. Com esta configuração, velocidades até abaixo de 0,01 m / s foram alcançados. Devido a limitações de configuração mecânica do mecanismo de libertação dupla, a velocidade máxima de colisão relativa é ~ 3 m / seg. Colisões envolvendo agregados de poeira com até 5 cm de tamanho foram investigados nesta torre de queda. Para velocidades de colisão elevadas até ~ 10 m / seg, uma segunda torre de queda é utilizado, o qual está equipado com um acelerador electromagnético, que é capaz de acelerar suavemente pó agrega até 5 m / s, numa direcção vertical ascendente. O outro agregado pó é realizada por um mecanismo de liberação alçapão duplo de asa e pode ser liberado sem rotação em queda livre, em determinado momento. Aqui, não faz sentido usar câmeras em queda livre. Nós preferimos usar duas câmeras de alta velocidade estacionárias com até 7.500 quadros por segundo e resolução megapixel. Devido à maior diameter desta torre de queda, poeira agrega-se para (e possivelmente acima) de 10 cm de tamanho podem ser utilizadas.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="573">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Monodisperse SiO2 particles</td>
			<td style="width:71px;">Micromod</td>
			<td style="width:119px;">43-00-153</td>
			<td style="width:167px;">Particle diameter 1.52 &#177; 0.06 &#181;m; particle shape spherical</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Polydisperse SiO2 particles</td>
			<td style="width:71px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">S5631</td>
			<td>Particle diameter 0.1 &#8211; 10 &#181;m; particle shape irregular</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;"></td>
			<td style="width:71px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

laboratory drop towers for the experimental simulation of dust-aggregate collisions in the early solar system

Com a finalidade de investigar a evolução dos agregados de poeira no sistema solar precoce, desenvolvemos duas torres de queda de vácuo no qual os agregados de poeira frágeis com tamanhos de até ~ 10 cm e porosidades até 70% pode ser colidiram. Uma das torres de queda é utilizado principalmente para velocidades muito baixas de impacto para baixo para menos de 0,01 m / seg e faz uso de um mecanismo de libertação dupla. Colisões são gravados em estéreo-view por duas câmeras de alta velocidade, que caem ao longo do tubo de vácuo de vidro na estrutura de centro de massa dos dois agregados de poeira. A outra torre de queda livre faz com que o uso de um acelerador electromagnético, que é capaz de acelerar suavemente agregados de pó de até 5 m / seg. Em combinação com o lançamento de um outro agregado pó para queda livre, colisão velocidades de até ~ 10 m / seg pode ser alcançado. Aqui, duas câmeras de alta velocidade fixa registrar os eventos de colisão. Em ambas as torres de queda, os agregados de pó estão em queda livre durante a colisão, de modo que eles não têm peso e combinar ocondições do sistema solar precoce.

Usando as amostras de poeira-agregado bem caracterizados descritos no protocolo (ver Figuras 1-3), qualquer colisão observada em uma das torres de queda laboratório trará informações cientificamente valiosas sobre os resultados de colisões semelhantes em discos protoplanetários. Temos até agora sistematicamente investigados os resultados da colisão de 2 cm de tamanho de agregados de poeira esféricos (com um volume de 0,5 fatores de enchimento) na faixa de velocidade entre 0,008 e 2,02 m / s 13 e 5 cm de tamanho de agregados de poeira cilíndricos (com volume de fatores de enchimento entre 0,3 e 0,5) na gama de velocidade de entre 0,004 e 2 m / seg 12. Encontramos saltando entre os agregados de poeira como o resultado dominante para velocidades inferiores a ~ 0,4 m / s para ambos os tipos de agregados de poeira (ver filme 6, por exemplo). Na Figura 4, o coeficiente de restituição destas colisões que saltam é mostrado. Os círculos indicam as experiências com doisamostras de tamanho 13 cm esféricas e os triângulos representam os resultados de colisões entre cinco centímetros cilindros poeira porte, com duas embalagens diferentes densidades 12. Embora os coeficientes de restituição de experiências individuais dispersam largamente, o valor médio do coeficiente de restituição diminui com o aumento da velocidade de colisão. Ambos os agregados de poeira normalmente fragmentar no momento do impacto para velocidades acima de ~ 1 m / s (ver filme 7 para um exemplo). Para velocidades entre 0,4 e ~ ~ 1 m / seg, a fragmentação de um e apenas um dos dois colidindo agregados de pó pode ocorrer. Neste caso, a não fragmentar agregado pó adquire uma pequena percentagem de massa por transferência de massa 13. Os limites de velocidade acima mencionadas não são nítidas, mas denotam aproximadamente onde as fronteiras entre os diferentes regimes de mentir 2,11. Para colisões entre agregados de pó de diferentes tamanhos e velocidades moderadas, os impactos geralmente não vai levar t<html> o da fragmentação do maior dos dois agregados de poeira. Ao contrário, os corpos maiores aumentar a sua massa por transferência de parte da massa dos pêndulos menores (ver filme 8). Para os casos, em que os dois agregados de pó ricocheteiam um do outro, a transferência da energia cinética de translação antes da colisão (mente que os agregados de pó não rodar antes da colisão) em energia cinética de translação, a energia cinética de rotação, e a outra ( dissipativo) canais de energia (por exemplo, a compactação dos agregados de pó) pode ser determinada. Descobrimos que, para as colisões centrais (na qual a energia de rotação pode ser desprezada) a quantidade relativa de energia dissipada aumenta fortemente com o aumento da velocidade e é maior para os elementos de enchimento mais baixas do volume do pó agrega 12. Este comportamento pode ser modelado pelo de dinâmica molecular simulações 12. TTP :/ / www.jove.com/files/ftp_upload/51541/string_trapdoor.MP4 &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Filme 1. filme de alta velocidade (reproduzidos em câmera lenta) da partícula-on-a-string ( superior) e mecanismo de liberação alçapão (parte inferior). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mold_cluster_cluster.MP4" target="_blank">Filme 2</a> . filme de alta velocidade (reproduzidos em câmera lenta) do mecanismo de dupla liberação alçapão. Ambas as amostras são aglomerados de Al 2 O 3 partículas de 2 mm de diâmetro, que permanecem confinados durante a queda livre devido ao extremamente baixa perturbação durante a liberação. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/scissor.MP4" target="_blank">Filme 3</a> . filme de alta velocidade (reproduzidos em câmera lenta) do tipo tesoura mecanismo de liberação dupla. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/dw-trapdoor.MP4" target="_blank">Filme</a>4. Filme de alta velocidade (reproduzidos em câmera lenta) do mecanismo de liberação alçapão duplo de asa. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/trigger.wmv" target="_blank">Filme 5</a> . Animação da eletrônica temporizador de comutação o mecanismo de liberação superior e inferior, bem como o lançamento da câmera para queda livre. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/9ms_2.MP4" target="_blank">Filme 6</a> . filme de alta velocidade (reproduzidos em câmera lenta) de uma colisão entre dois saltando 5 cilindros de poeira-agregado de tamanho cm. Os dois agregados de poeira são liberados pelo tipo tesoura mecanismo de liberação de casal e colidir com 0,09 m / s de velocidade. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/fragmentation.MP4" target="_blank">Filme 7</a> . filme de alta velocidade (reproduzidos em câmera lenta) de dois agregados de poeira cilíndricas dois centímetros porte colliding a uma velocidade relativa de 7,4 m / seg. Ambos os agregados fragmentar completamente. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mass-transfer.MP4" target="_blank">Filme 8</a> . filme de alta velocidade (reproduzidos em câmera lenta) de um agregado 5 poeira porte mm impactar um alvo sólido cilíndrico cinco centímetros de tamanho normal. À medida que a velocidade de impacto de 4,3 m / seg está acima da velocidade de fragmentação do agregado fino pó, este rompe e transfere parte da sua massa para o alvo, o que é claramente visível no filme. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/tracking_new.mov" target="_blank">Filme 9</a> . Determinação das trajectórias das partículas através de um algoritmo de seguimento de partículas semi-automática. Aqui, a colisão entre dois 2 agregados poeira esféricas de tamanho cm é mostrado.

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

Nós apresentamos uma técnica para obter baixa velocidade a colisões de velocidade intermediária entre agregados de poeira frágeis em laboratório. Para esta finalidade, duas vácuo gota-torre configurações têm sido desenvolvidas que permitem velocidades de colisão entre &lt;0,01 e ~ 10 m / seg. Os eventos de colisão são registrados por imagens em alta velocidade.

Laboratório Gota Torres para a Simulação Experimental de Colisões Dust-agregados no sistema solar precoce

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 ...

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Kinetics of a Particle: Impulse and Momentum

SCIENTISTS IN ACTION

12.6K visualizações.  Technische Universität Braunschweig.  Nós apresentamos uma técnica para obter baixa velocidade a colisões de velocidade intermediária entre agregados de poeira frágeis em laboratório. Para esta finalidade, duas vácuo gota-torre configurações têm sido desenvolvidas que permitem velocidades de colisão entre 

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Harvesting Solar Energy by Means of Charge-Separating Nanocrystals and Their Solids

Conjoining different semiconductor materials in a single nano-composite provides synthetic means for the development of novel optoelectronic materials offering a superior control over the spatial distribution of charge carriers across material interfaces. As this study demonstrates, a combination of donor-acceptor nanocrystal (NC) domains in a single nanoparticle can lead to the realization of efficient photocatalytic1-5 materials, while a layered assembly of donor- and acceptor-like nanocrystals films gives rise to photovoltaic materials.
Initially the paper focuses on the synthesis of composite inorganic nanocrystals, comprising linearly stacked ZnSe, CdS, and Pt domains, which jointly promote photoinduced charge separation. These structures are used in aqueous solutions for the photocatalysis of water under solar radiation, resulting in the production of H2 gas. To enhance the photoinduced separation of charges, a nanorod morphology with a linear gradient originating from an intrinsic electric field is used5. The inter-domain energetics are then optimized to drive photogenerated electrons toward the Pt catalytic site while expelling the holes to the surface of ZnSe domains for sacrificial regeneration (via methanol). Here we show that the only efficient way to produce hydrogen is to use electron-donating ligands to passivate the surface states by tuning the energy level alignment at the semiconductor-ligand interface. Stable and efficient reduction of water is allowed by these ligands due to the fact that they fill vacancies in the valence band of the semiconductor domain, preventing energetic holes from degrading it. Specifically, we show that the energy of the hole is transferred to the ligand moiety, leaving the semiconductor domain functional. This enables us to return the entire nanocrystal-ligand system to a functional state, when the ligands are degraded, by simply adding fresh ligands to the system4.
To promote a photovoltaic charge separation, we use a composite two-layer solid of PbS and TiO2 films. In this configuration, photoinduced electrons are injected into TiO2 and are subsequently picked up by an FTO electrode, while holes are channeled to a Au electrode via PbS layer6. To develop the latter we introduce a Semiconductor Matrix Encapsulated Nanocrystal Arrays (SMENA) strategy, which allows bonding PbS NCs into the surrounding matrix of CdS semiconductor. As a result, fabricated solids exhibit excellent thermal stability, attributed to the heteroepitaxial structure of nanocrystal-matrix interfaces, and show compelling light-harvesting performance in prototype solar cells7.

A general strategy for the development of charge-separating semiconductor nanocrystal composites deployable for solar energy production is presented. We show that assembly of donor-acceptor nanocrystal domains in a single nanoparticle geometry gives rise to a photocatalytic function, while bulk-heterojunctions of donor-acceptor nanocrystal films can be used for photovoltaic energy conversion.

Captação de energia solar por meio da carga de separação de nanocristais e seus sólidos

Conjoining different semiconductor materials in a single nano-composite provides synthetic means for the development of novel optoelectronic materials ...

Engenharia

Simulation of the Planetary Interior Differentiation Processes in the Laboratory

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 that layered structure, (1) percolation of liquid metal in a solid silicate matrix by planet differentiation, and (2) inner core crystallization by subsequent planet cooling. We conduct high-pressure and high-temperature experiments to simulate both processes in the laboratory. Formation of percolative planetary core depends on the efficiency of melt percolation, which is controlled by the dihedral (wetting) angle. The percolation simulation includes heating the sample at high pressure to a target temperature at which iron-sulfur alloy is molten while the silicate remains solid, and then determining the true dihedral angle to evaluate the style of liquid migration in a crystalline matrix by 3D visualization. The 3D volume rendering is achieved by slicing the recovered sample with a focused ion beam (FIB) and taking SEM image of each slice with a FIB/SEM crossbeam instrument. The second set of experiments is designed to understand the inner core crystallization and element distribution between the liquid outer core and solid inner core by determining the melting temperature and element partitioning at high pressure. The melting experiments are conducted in the multi-anvil apparatus up to 27 GPa and extended to higher pressure in the diamond-anvil cell with laser-heating. We have developed techniques to recover small heated samples by precision FIB milling and obtain high-resolution images of the laser-heated spot that show melting texture at high pressure. By analyzing the chemical compositions of the coexisting liquid and solid phases, we precisely determine the liquidus curve, providing necessary data to understand the inner core crystallization process.

The high-pressure and high-temperature experiments described here mimic planet interior differentiation processes. The processes are visualized and better understood by high-resolution 3D imaging and quantitative chemical analysis.

Simulação do Planetary Interior Diferenciação processos laboratoriais

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 ...

Fast Imaging Technique to Study Drop Impact Dynamics of Non-Newtonian Fluids

In the field of fluid mechanics, many dynamical processes not only occur over a very short time interval but also require high spatial resolution for detailed observation, scenarios that make it challenging to observe with conventional imaging systems. One of these is the drop impact of liquids, which usually happens within one tenth of millisecond. To tackle this challenge, a fast imaging technique is introduced that combines a high-speed camera (capable of up to one million frames per second) with a macro lens with long working distance to bring the spatial resolution of the image down to 10 &#181;m/pixel. The imaging technique enables precise measurement of relevant fluid dynamic quantities, such as the flow field, the spreading distance and the splashing speed, from analysis of the recorded video. To demonstrate the capabilities of this visualization system, the impact dynamics when droplets of non-Newtonian fluids impinge on a flat hard surface are characterized. Two situations are considered: for oxidized liquid metal droplets we focus on the spreading behavior, and for densely packed suspensions we determine the onset of splashing. More generally, the combination of high temporal and spatial imaging resolution introduced here offers advantages for studying fast dynamics across a wide range of microscale phenomena.

Drop impact of non-Newtonian fluids is a complex process since different physical parameters influence the dynamics over a very short time (less than one tenth of a millisecond). A fast imaging technique is introduced in order to characterize the impact behaviors of different non-Newtonian fluids.

Técnica rápida de imagens para o Estudo de Impacto Dynamics Gota de fluidos não-newtonianos

In the field of fluid mechanics, many dynamical processes not only occur over a very short time interval but also require high spatial resolution for ...

Integrating a Triplet-triplet Annihilation Up-conversion System to Enhance Dye-sensitized Solar Cell Response to Sub-bandgap Light

The poor response of dye-sensitized solar cells (DSCs) to red and infrared light is a significant impediment to the realization of higher photocurrents and hence higher efficiencies. Photon up-conversion by way of triplet-triplet annihilation (TTA-UC) is an attractive technique for using these otherwise wasted low energy photons to produce photocurrent, while not interfering with the photoanodic performance in a deleterious manner. Further to this, TTA-UC has a number of features, distinct from other reported photon up-conversion technologies, which renders it particularly suitable for coupling with DSC technology. In this work, a proven high performance TTA-UC system, comprising a palladium porphyrin sensitizer and rubrene emitter, is combined with a high performance DSC (utilizing the organic dye D149) in an integrated device. The device shows an enhanced response to sub-bandgap light over the absorption range of the TTA-UC sub-unit resulting in the highest figure of merit for up-conversion assisted DSC performance to date.

An integrated device, incorporating a dye-sensitized solar cell and triplet-triplet annihilation up-conversion unit was produced, affording enhanced light harvesting, from a wider section of the solar spectrum. Under modest irradiation levels a significantly enhanced response to low energy photons was demonstrated, yielding a record figure of merit for dye-sensitized solar cells.

Integrando um Triplet-triplete Annihilation Sistema Up-conversion para melhorar Dye-sensibilizadas Response célula solar para a Luz Sub-bandgap

The poor response of dye-sensitized solar cells (DSCs) to red and infrared light is a significant impediment to the realization of higher photocurrents ...

Ambient Method for the Production of an Ionically Gated Carbon Nanotube Common Cathode in Tandem Organic Solar Cells

A method of fabricating organic photovoltaic (OPV) tandems that requires no vacuum processing is presented. These devices are comprised of two solution-processed polymeric cells connected in parallel by a transparent carbon nanotubes (CNT) interlayer. This structure includes improvements in fabrication techniques for tandem OPV devices. First the need for ambient-processed cathodes is considered. The CNT anode in the tandem device is tuned via ionic gating to become a common cathode. Ionic gating employs electric double layer charging to lower the work function of the CNT electrode. Secondly, the difficulty of sequentially stacking tandem layers by solution-processing is addressed. The devices are fabricated via solution and dry-lamination in ambient conditions with parallel processing steps. The method of fabricating the individual polymeric cells, the steps needed to laminate them together with a common CNT cathode, and then provide some representative results are described. These results demonstrate ionic gating of the CNT electrode to create a common cathode and addition of current and efficiency as a result of the lamination procedure.

A method of fabricating, in ambient conditions, organic photovoltaic tandem devices in a parallel configuration is presented. These devices feature an air-processed, semi-transparent, carbon nanotube common cathode.

Método ambiente para a produção de um Common Cathode ionicamente fechado de Nanotubos de Carbono em Células solares orgânicas Tandem

A method of fabricating organic photovoltaic (OPV) tandems that requires no vacuum processing is presented. These devices are comprised of two ...

Monovalent Cation Doping of CH3NH3PbI3 for Efficient Perovskite Solar Cells

Here, we demonstrate the incorporation of monovalent cation additives into CH3NH3PbI3 perovskite in order to adjust the optical, excitonic, and electrical properties. The possibility of doping was investigated by adding monovalent cation halides with similar ionic radii to Pb2+, including Cu+, Na+, and Ag+. A shift in the Fermi level and a remarkable decrease of sub-bandgap optical absorption, along with a lower energetic disorder in the perovskite, was achieved. An order-of-magnitude enhancement in the bulk hole mobility and a significant reduction of transport activation energy within an additive-based perovskite device was attained. The confluence of the aforementioned improved properties in the presence of these cations led to an enhancement in the photovoltaic parameters of the perovskite solar cell. An increase of 70 mV in open circuit voltage for AgI and a 2 mA/cm2 improvement in photocurrent density for NaI- and CuBr-based solar cells were achieved compared to the pristine device. Our work paves the way for further improvements in the optoelectronic quality of CH3NH3PbI3 perovskite and subsequent devices. It highlights a new avenue for investigations on the role of dopant impurities in crystallization and controls the electronic defect density in perovskite structures.

Monovalent Cation Doping of CH3NH3PbI3 for Efficient Perovskite Solar Cells

Here, we present a protocol to adjust the properties of solution-processed CH3NH3PbI3 through the incorporation of monovalent cation additives in order to achieve highly efficient perovskite solar cells.

Monovalente Cation Doping de CH<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PBI<sub&gt; 3</sub&gt; For eficientes células solares Perovskita

Here, we demonstrate the incorporation of monovalent cation additives into CH3NH3PbI3 perovskite in order to adjust the optical, excitonic, and electrical ...

Electrospinning of Photocatalytic Electrodes for Dye-sensitized Solar Cells

This work demonstrates a protocol to fabricate a fiber-based photoanode for dye-sensitized solar cells, consisting of a light-scattering layer made of electrospun titanium dioxide nanofibers (TiO2-NFs) on top of a blocking layer made of commercially available titanium dioxide nanoparticles (TiO2-NPs). This is achieved by first electrospinning a solution of titanium (IV) butoxide, polyvinylpyrrolidone (PVP), and glacial acetic acid in ethanol to obtain composite PVP/TiO2 nanofibers. These are then calcined at 500 &#176;C to remove the PVP and to obtain pure anatase-phase titania nanofibers. This material is characterized using scanning electron microscopy (SEM) and powder X-ray diffraction (XRD). The photoanode is prepared by first creating a blocking layer through the deposition of a TiO2-NPs/terpineol slurry on a fluorine-doped tin oxide (FTO) glass slide using doctor blading techniques. A subsequent thermal treatment is performed at 500 &#176;C. Then, the light-scattering layer is formed by depositing a TiO2-NFs/terpineol slurry on the same slide, using the same technique, and calcinating again at 500 &#176;C. The performance of the photoanode is tested by fabricating a dye-sensitized solar cell and measuring its efficiency through J-V curves under a range of incident light densities, from 0.25-1 Sun.

The overall goal of this project was to use electrospinning to fabricate a photoanode with improved performance for dye-sensitized solar cells.

Electrospinning de eletrodos fotocatalíticos para células solares sensibilizadas por corante

This work demonstrates a protocol to fabricate a fiber-based photoanode for dye-sensitized solar cells, consisting of a light-scattering layer made of ...

In Situ Monitoring of the Accelerated Performance Degradation of Solar Cells and Modules: A Case Study for Cu(In,Ga)Se2 Solar Cells

The levelized cost of electricity (LCOE) of photovoltaic (PV) systems is determined by, among other factors, the PV module reliability. Better prediction of degradation mechanisms and prevention of module field failure can consequently decrease investment risks as well as increase the electricity yield. An improved knowledge level can for these reasons significantly decrease the total costs of PV electricity. 
In order to better understand and minimize the degradation of PV modules, the occurring degradation mechanisms and conditions should be identified. This should preferably happen under combined stresses, since modules in the field are also simultaneously exposed to multiple stress factors. Therefore, two 'Combined Stress test with in situ measurement' setups have been designed and constructed. These setups allow the simultaneous use of humidity, temperature, illumination, and electrical biases as independently controlled stress factors on solar cells and minimodules. The setups also allow real-time monitoring of the electrical properties of these samples. This protocol presents these setups and describes the experimental possibilities. Moreover, results obtained with these setups are also presented: various examples about the influence of both deposition and degradation conditions on the stability of thin film Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) as well as Cu2ZnSnSe4 (CZTS) solar cells are described. Results on the temperature dependency of CIGS solar cells are also presented.

In Situ Monitoring of the Accelerated Performance Degradation of Solar Cells and Modules: A Case Study for CuIn,GaSe2 Solar Cells

Two &#39;Combined Stress test with in situ measurement&#39; setups, which allow real-time monitoring of accelerated degradation of solar cells and modules, were designed and constructed. These setups allow the simultaneous use of humidity, temperature, electrical biases, and illumination as independently controlled stress factors. The setups and various experiments executed are presented.

In Situ Monitoramento da degradação desempenho acelerado de células solares e módulos: um estudo de caso de Cu (In, Ga) Se2 células solares

The levelized cost of electricity (LCOE) of photovoltaic (PV) systems is determined by, among other factors, the PV module reliability. Better prediction ...

Indoor Experimental Assessment of the Efficiency and Irradiance Spot of the Achromatic Doublet on Glass (ADG) Fresnel Lens for Concentrating Photovoltaics

We present a method to characterize achromatic Fresnel lenses for photovoltaic applications. The achromatic doublet on glass (ADG) Fresnel lens is composed of two materials, a plastic and an elastomer, whose dispersion characteristics (refractive index variation with wavelength) are different. We first designed the lens geometry and then used ray-tracing simulation, based on the Monte Carlo method, to analyze its performance from the point of view of both optical efficiency and the maximum attainable concentration. Afterwards, ADG Fresnel lens prototypes were manufactured using a simple and reliable method. It consists of a prior injection of plastic parts and a consecutive lamination, together with the elastomer and a glass substrate to fabricate the parquet of ADG Fresnel lenses. The accuracy of the manufactured lens profile is examined using an optical microscope while its optical performance is evaluated using a solar simulator for concentrator photovoltaic systems. The simulator is composed of a xenon flash lamp whose emitted light is reflected by a parabolic mirror. The collimated light has a spectral distribution and an angular aperture similar to the real Sun. We were able to assess the optical performance of the ADG Fresnel lenses by taking photographs of the irradiance spot cast by the lens using a charge-coupled device (CCD) camera and measuring the photocurrent generated by several types of multi junction (MJ) solar cells, which have been previously characterized at a solar simulator for concentrator solar cells. These measurements have demonstrated the achromatic behavior of ADG Fresnel lenses and, as a consequence, the suitability of the modelling and manufacturing methods.

Indoor Experimental Assessment of the Efficiency and Irradiance Spot of the Achromatic Doublet on Glass ADG Fresnel Lens for Concentrating Photovoltaics

The achromatic doublet on glass (ADG) Fresnel lens makes use of two materials with differing dispersion to reduce chromatic aberration and increase attainable concentration. In this paper, a protocol for the complete characterization of the ADG Fresnel lens is presented.

Interior avaliação Experimental da eficiência e da irradiância Spot do dubleto acromático em vidro (ADG) lente de Fresnel para concentrar a energia fotovoltaica

We present a method to characterize achromatic Fresnel lenses for photovoltaic applications. The achromatic doublet on glass (ADG) Fresnel lens is ...

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.

Processamento de metais de nanocristalina em massa no exército E.U. Research Laboratory

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