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The development of metals tailored to the metallurgical conditions of laser-based additive manufacturing is crucial to advance the maturity of these materials for their use in structural applications. While efforts in this regard are being carried out around the globe, the use of high strength eutectic alloys have, so far, received minor attention, although previous works showed that rapid solidification techniques can result in ultrafine microstructures with excellent mechanical performance, albeit for small sample sizes. In the present work, a eutectic Ti-32.5Fe alloy has been produced by laser powder bed fusion aiming at exploiting rapid solidification and the capability to produce bulk ultrafine microstructures provided by this processing technique.
Process energy densities between 160 J/mm³ and 180 J/mm³ resulted in a dense and crack-free material with an oxygen content of ~ 0.45 wt.% in which a hierarchical microstructure is formed by µm-sized η-Ti4Fe2Ox dendrites embedded in an ultrafine eutectic β-Ti/TiFe matrix. The microstructure was studied three-dimensionally using near-field synchrotron ptychographic X-ray computed tomography with an actual spatial resolution down to 39 nm to analyse the morphology of the eutectic and dendritic structures as well as to quantify their mass density, size and distribution. Inter-lamellar spacings down to ~ 30–50 nm were achieved, revealing the potential of laser-based additive manufacturing to generate microstructures smaller than those obtained by classical rapid solidification techniques for bulk materials. The alloy was deformed at 600 °C under compressive loading up to a strain of ~ 30% without damage formation, resulting in a compressive yield stress of ~ 800 MPa.
This study provides a first demonstration of the feasibility to produce eutectic Ti-Fe alloys with ultrafine microstructures by laser powder bed fusion that are suitable for structural applications at elevated temperature.
Development of colored surfaces by formation of nano-structured aggregates is a widely used strategy in nature to color lightweight structures (e.g. butterflies) without the use of dye pigments. The deposition of nanoscale particles mimics nature in it’s approach coloring surfaces. This work presents sol-gel modification of cellulose surfaces used to form a template for growth of Cu/Cu2O core-shell particles with defined size-distributions. Besides improving the adhesion of the deposited particulate material, the sol-gel matrix serves as a template for the control of particle sizes of the Cu/Cu2O structures, and as a consequence of particle size variation the surface color is tunable. As an example, red color was achieved with an average particle size of 35 nm, and shifts gradually to blue appearance when particles have grown to 80 nm on the sol-gel modified fabric. The copper concentration on representative fabrics is kept low to avoid modifying the textile characteristics and were all in the range of 150–170 mg per g of cellulose material. As a result of copper deposition on the surface of the material, the cellulose fabric also became electrically conductive. Remarkably, the electrical conductivity was found to be dependent on the average particle sizes of the deposits and thus related to the change in observed color. The generation of color by growth of nano-sized particles on sol-gel templates provides a highly promising approach to stain surfaces by physical effects without use of synthetic colorants, which opens a new strategy to improve environmental profile of coloration.
Toshiyuki Fukao
(2020)
With increasing life expectancy, demands for dental tissue and whole-tooth regeneration are becoming more significant. Despite great progress in medicine, including regenerative therapies, the complex structure of dental tissues introduces several challenges to the field of regenerative dentistry. Interdisciplinary efforts from cellular biologists, material scientists, and clinical odontologists are being made to establish strategies and find the solutions for dental tissue regeneration and/or whole-tooth regeneration. In recent years, many significant discoveries were done regarding signaling pathways and factors shaping calcified tissue genesis, including those of tooth. Novel biocompatible scaffolds and polymer-based drug release systems are under development and may soon result in clinically applicable biomaterials with the potential to modulate signaling cascades involved in dental tissue genesis and regeneration. Approaches for whole-tooth regeneration utilizing adult stem cells, induced pluripotent stem cells, or tooth germ cells transplantation are emerging as promising alternatives to overcome existing in vitro tissue generation hurdles. In this interdisciplinary review, most recent advances in cellular signaling guiding dental tissue genesis, novel functionalized scaffolds and drug release material, various odontogenic cell sources, and methods for tooth regeneration are discussed thus providing a multi-faceted, up-to-date, and illustrative overview on the tooth regeneration matter, alongside hints for future directions in the challenging field of regenerative dentistry.
One of the primary current astrobiological goals is to understand the limits of microbial resistance to extraterrestrial conditions. Much attention is paid to ionizing radiation, since it can prevent the preservation and spread of life outside the Earth. The aim of this research was to study the impact of accelerated He ions (150 MeV/n, up to 1 kGy) as a component of the galactic cosmic rays on the black fungus C. antarcticus when mixed with Antarctic sandstones—the substratum of its natural habitat—and two Martian regolith simulants, which mimics two different evolutionary stages of Mars. The high dose of 1 kGy was used to assess the effect of dose accumulation in dormant cells within minerals, under long-term irradiation estimated on a geological time scale. The data obtained suggests that viable Earth-like microorganisms can be preserved in the dormant state in the near-surface scenario for approximately 322,000 and 110,000 Earth years within Martian regolith that mimic early and present Mars environmental conditions, respectively. In addition, the results of the study indicate the possibility of maintaining traces within regolith, as demonstrated by the identification of melanin pigments through UltraViolet-visible (UV-vis) spectrophotometric approach.
Bedingt durch die zunehmende Rohstoffknappheit rückt die Suche nach alternativen, nachhaltigen Rohstoffen immer mehr in den Vordergrund. Im Hinblick auf effiziente chemische Verwertbarkeit bietet Lignin zahlreiche Vorteile für verschiedene Anwendungsbereiche, beispielsweise für biobasierte Polyurethanbeschichtungen, etwa zum Korrosionsschutz. Wesentliche Probleme bei der Verwendung von Lignin ergeben sich durch die Heterogenität dieses Naturstoffes sowie durch dessen geringe Polymerisations-Kompatibilität mit Polyolefinen; beide Faktoren beeinflussen u. a die mechanischen Eigenschaften entsprechender Lignin-basierter Polymere. Zudem hängt die konkrete Struktur und damit auch die physikalisch/chemischen Eigenschaften des Lignins stark von der jeweiligen Rohstoffquelle sowie dem Extraktionsverfahren ab.
Ziel dieser Arbeit war die Strukturaufklärung unmodifizierter und modifizierter Kraft-Lignine (KL) und die Untersuchung der Reaktivität aromatischer wie aliphatischer Hydroxygruppen in Abhängigkeit vom pH-Wert. Hierzu wurden unmodifizierte KL aus Schwarzlauge extrahiert und nachfolgend zunächst einer Soxhlet-Extraktion unterzogen, um in Methyltetrahydrofuran lösliche Lignin-Bestandteile – vornehmlich mit aromatischem Charakter – zu gewinnen und so eine verbesserte Löslichkeit auch im bei der nachfolgenden Polyurethansynthese als Lösemittel verwendeten THF zu gewährleisten. Überdies wurden die extrahierten KL via Demethylierung von Methoxygruppen chemisch modifiziert. Zudem wurde mittels nasschemischer Methoden sowie mit differentieller UV/VIS-Spektroskopie die Anzahl an für die Polymerisation erforderliche Hydroxygruppen quantifiziert. Im Anschluss erfolgte, unter besonderer Berücksichtigung ökologischer und ökonomischer Nachhaltigkeitsaspekte, die Synthese Lignin-basierter und funktionalisierter Polyurethanbeschichtungen. Die Oberflächenfunktionalisierung gestattete die Verbesserung der Oberflächenhomogenität sowie - via blend formation - das Einbetten von TPM-Farbstoffen in die Coatings. Hinsichtlich des Einflusses des bei der Extraktion gewählten pH-Wertes (pH = 2 - 5) auf das Verhalten der so gewonnenen KL wurde eine Veränderung sowohl der Struktur der Lignine als auch deren thermischer Stabilität beobachtet. Zudem wurde nachgewiesen, dass mit steigendem pH-Wert die Funktionalität/Reaktivität der aromatischen wie aliphatischen Hydroxygruppen im Lignin zunimmt. Aus unmodifiziertem KL wurden erfolgreich homogene Lignin-basierte Polyurethan-Coatings (LPU-Coatings) synthetisiert; diese LPU-Coatings zeigten bei Verwendung von bei höheren pH-Werten extrahierten KL homogenere, hydrophobe Oberflächenbeschaffenheit sowie gute thermische Stabilität. Zusätzliche Modifizierung der KL durch Demethylierung führte wegen der gesteigerten Anzahl freier Hydroxygruppen zu moderater Reaktivitätssteigerung und damit zu weiterer Verbesserung der Oberflächeneigenschaften hinsichtlich einer homogenen Oberflächenstruktur und -brillanz. Im Hinblick auf den Aspekt der Nachhaltigkeit wurden durch Syntheseoptimierung - bestehend aus Einstellung der Rohstoff-Korngröße, Ultraschallbehandlung und Verwendung des kommerziellen trifunktionellen Polyetherpolyols Lupranol® 3300 in Kombination mit Desmodur® L75 - die Löslichkeit von Lignin im Polyol sowie die thermische Stabilität der LPU-Coatings erhöht. Im Zuge der Syntheseoptimierungen konnte durch verkürzte Trocknungszeiten Energieeinsparung erzielt werden; zudem ließen sich dabei die eingesetzten Mengen kommerziell erhältlicher Chemikalien verringern; beide Einsparungen führten zu Kostenreduktion. Zugleich ließ sich so nicht nur der KL-Anteil im Polymer-Coating erhöhen: Durch eine optimierte wirtschaftliche Einstufensynthese ließ sich die Umsetzung dieser Vorgehensweise auch im Rahmen industrieller Anwendungen vereinfachen. Das Einbetten ausgewählter TPM-Farbstoffe (Kristallviolett und Brilliantgrün) in die LPU-Coatings durch blend formation führte nachweislich zu antimikrobieller Wirkung der Oberflächenbeschichtung, ohne dass die Oberflächenbeschaffenheit an Homogenität verlor. Die im Rahmen dieser Arbeit synthetisierten LPU-Coatings könnten zukünftig als Korrosionsschutz- und antimikrobielle-Beschichtungen ihre Anwendung finden, z. B. in der Landwirtschaft und im Bausektor.
Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit gewonnen Erkenntnisse liefern einen Beitrag zur strukturellen Aufklärung des komplexen Biopolymers Lignin. Darüber hinaus stellen die Untersuchungen und Ergebnisse eine Grundlage für eine nachhaltige Herstellung von Lignin-basierten Polymerbeschichtungen dar, die in Zukunft immer mehr an Bedeutung gewinnen werden.