Στην παρούσα εργασία η ενασχόλησή μας αφορούσε τη σύνθεση και τον χαρακτηρισμό βιοενεργών γυαλιών. Οι συνθέσεις που πραγματοποιήθηκαν ήταν καθαρής SiO2, μικτών γυαλιών SiO2–ΜΟ (Μ=Ca, Mg) αλλά επίσης και γυαλιών σύστασης SiO2 –CaΟ–P2O5. Πραγματοποιήθηκαν παρασκευές με διάφορα ποσοστά τροποποιητών (Ca, Mg). Μετά την παρασκευή των υλικών ακολούθησε ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός τους με διάφορες τεχνικές όπως: προσδιορισμός ειδικής επιφάνειας και όγκου πόρων (ΒΕΤ), ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM), θερμοσταθμική ανάλυση (TGA), περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) και φασματοσκοπία απορρόφησης υπερύθρου (IR). Μετά ακολούθησε μελέτη της βιοενεργότητας με εμβάπτιση σε διάλυμα SBF. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα γυαλιά που παρασκευάστηκαν είχαν μεσοπορώδη δομή ενώ όσον αφορά τη βιοενεργότητα τα γυαλιά σύστασης SiO2–CaO and SiO2–CaΟ–P2O5 προκάλεσαν σχηματισμό απατίτη στην επιφάνειά τους. / In the present thesis our work was focused on the study of the synthesis and characterization of bioactive glasses. Pure SiO2 and mixed glasses composed of SiO2–ΜΟ (Μ=Ca, Mg) and SiO2–CaΟ–P2O5 were prepared using different amounts of modifiers (Ca, Mg). Next the prepared materials were characterized by using various techniques such as: BET, SEM, TGA, XRD and IR. Finally their bioactivity was studied in vitro after immersion in SBF solution. It was found that the prepared materials showed a mesoporous structure. Regarding the bioactivity glasses with compositions of SiO2–CaO and SiO2–CaΟ–P2O5 induced the formation of apatite layer on their surface.

Το θέμα αυτής της διπλωματικής είναι παρασκευή άμορφων μεταλλικών συμπαγών κραμάτων με τήξη σε βολταϊκό τόξο και ο χαρακτηρισμός της δομής τους και των μηχανικών ιδιοτήτων τους. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται εισαγωγή στη δομή των υλικών και επεξηγούνται βασικές έννοιες των άμορφων υλικών και επίσης παρουσιάζονται οι κυριότερες εφαρμογές των άμορφων μεταλλικών συμπαγών κραμάτων. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή άμορφων συμπαγών μεταλλικών κραμάτων και στο τρίτο κεφάλαιο αναφέρονται οι κυριότερες φυσικές ιδιότητες των άμορφων μεταλλικών συμπαγών κραμάτων. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η βαθμονόμηση της συσκευής περίθλασης ακτίνων Χ και της συσκευής παραγωγής και μέτρησης υπερήχων που χρησιμοποιήθηκαν για την μέτρηση των δειγμάτων που παρασκευάστηκαν στο εργαστήριο. Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφεται ο τρόπος παρασκευής των άμορφων κραμάτων ζιρκονίου (Zr) και σιδήρου (Fe) και επίσης παρουσιάζονται και αναλύονται τα XRD διαγράμματα τους και τα μέτρα ελαστικότητας Young (E), διάτμησης (G) και όγκου (B). Τέλος στο έκτο κεφάλαιο αναφέρονται άλλες μετρήσεις που θα μπορούσαν να γίνουν για να χαρακτηριστούν τα παραπάνω δείγματα και περιγράφονται οι προοπτικές των άμορφων κραμάτων σιδήρου ως αντικείμενο έρευνας για το μέλλον. / The subject of this diploma thesis is the preparation of bulk amorphous metallic alloys with arc-melting technique and the characterization of their structure and their mechanical properties. The first chapter is an introduction to the structure of materials and it is explaine the basic concepts of amorphous materials. It is also present the main applications of bulk amorphous metallic alloys. The second chapter describes the techniques that used in the preparation of bulk amorphous metallic alloys and the third chapter refers the main physical properties of bulk amorphous metallic alloys. The fourth chapter describes the calibration of X-ray diffractοmeter and ultrasound measurement system that used for measuring the samples that have been prepared in the laboratory. In the fifth chapter is described the preparation of amorphous zirconium based (Zr) and iron based (Fe) alloys and also is presented and isanalyzed their XRD patterns and also their elastic moduli, like Young modulus(E), shear modulus (G) and bulk modulue (B). Finally the sixth chapter refers to other measurements that could be used to charactirize the samples that prepared and describes the prospects of amorphous iron based alloys as a research subject for the future.

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή ασχολείται με τη σύνθεση καθώς και τον δομικό και φυσικοχημικό χαρακτηρισμό των έξης υαλωδών συστημάτων: (α) του δυαδικού συστήματος xMgO – (1 – x)SiO2, με 0.50 ≤ x ≤ 0.667, (β) του ψευδοδυαδικού συστήματος (1 – x)[CaO:MgO] – xSiO2, με 0.333 ≤ x ≤ 0.27 και (γ) του δυαδικού συστήματος xY2O3 – (1 – x)Al2O3, με 0.24 ≤ x ≤ 0.41 και x σε mol %. Τα συστήματα αυτά παρουσιάζουν σημαντικές δυσκολίες στο να σχηματίσουν υάλους με κλασικές μεθόδους υαλοποίησης και ως εκ' τούτου τα διαθέσιμα δεδομένα αναφορικά με τα δομικά και φυσικοχημικά τους χαρακτηριστικά είναι περιορισμένα. Η σύνθεση των υάλων αυτών κατέστη δυνατή με τη μέθοδο της αεροδυναμικής ανύψωσης και της τήξης των οξειδίων με Laser CO2 (Aerodynamic levitation/CO2 laser melting techniques). Αυτή η σχετικά νέα και μη συμβατική τεχνική υαλοποίησης είναι και η μόνη διαθέσιμη έως σήμερα μέθοδος με την οποία μπορούν να συντεθούν οι περισσότεροι από τους ανωτέρω υάλους. Για το δομικό και φυσικοχημικό χαρακτηρισμό των ανωτέρω συστημάτων, χρησιμοποιήθηκαν οι φασματοσκοπικές τεχνικές Raman και NMR, ενώ ταυτόχρονα πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης, Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης, Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Φαινομένου Σήραγγας και πυκνομετρίας, καθώς και Μοριακών Προσομοιώσεων. Τα δύο πρώτα συστήματα (α-β) ανήκουν στην ευρεία οικογένεια των ανόργανων υάλων του Πυριτίου με Οξείδια των Αλκαλικών Γαιών σε συστάσεις εξαιρετικά φτωχές σε οξείδιο του Πυριτίου. Το τελευταίο αυτό χαρακτηριστικό είναι και το πιο ενδιαφέρον από πλευράς δομής και Φυσικοχημικών διεργασιών, καθώς οι ύαλοι αυτοί χαρακτηρίζονται ως «φτωχοί σχηματιστές υάλων» με αποτέλεσμα η δομή τους να χαρακτηρίζεται από ακραίο αποπολυμερισμό. Στα πλαίσια της παρούσας Διατριβής κατέστη δυνατή η σύνθεση των υάλων αυτών σε συστάσεις οι οποίες για πρώτη φορά συντίθενται σε εργαστήριο και τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τον δομικό και φυσικοχημικό τους χαρακτηρισμό, παρουσιάζονται επίσης για πρώτη φορά. Οι εξαιρετικά αποπολυμερισμένες δομές των υάλων αυτών - τους οποίους ονομάζουμε «υπο-ορθο-πυριτικούς» εξαιτίας της σύστασης τους η οποία περιέχει ποσοστό Πυριτίας λιγότερο από την Ορθο-Πυριτική σύσταση (33.3 mol % SiO2) - βρέθηκε ότι χαρακτηρίζονται από τετράεδρα πυριτίας με διαφορετικό αριθμό γεφυρωτικών οξυγόνων, με τα ελεύθερα τετράεδρα πυριτίας να κυριαρχούν στις δομές καθώς μειώνεται σταδιακά το ποσοστό του SiO2. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν αναφορικά με τα δύο πρώτα συστήματα, δίνουν για πρώτη φορά, μια εικόνα αναφορικά με την δομική και φυσικοχημική συμπεριφορά Πυριτικών υάλων με οξείδια των Αλκαλικών Γαιών, όταν το ποσοστό του κλασικού υαλοσχηματιστή φτάνει στα όρια της δυνατότητας σχηματισμού υάλων. Το τελευταίο σύστημα (γ) το οποίο μελετήθηκε στα πλαίσια της παρούσας Διατριβής, αφορά στην σύνθεση και τον δομικό-Φυσικοχημικό χαρακτηρισμό υάλων Υττρίου-Αλουμίνας σε σχέση με το εξαιρετικά ιδιαίτερο χαρακτηριστικό που παρουσιάζει το σύστημα αυτό, το οποίο αναφέρεται ευρέως ως «πολυαμορφισμός». Στο σύστημα αυτό, μελετήθηκε και παρουσιάζεται για πρώτη φορά το περιβάλλον συναρμογής των ατόμων του Υττρίου, ενώ παρέχονται επιχειρήματα ότι το φαινόμενο του πολυαμορφισμού είναι παρόν σε όλους τους υάλους που σχηματίζονται εντός του δυαδικού συστήματος αυτού. Επίσης συσχετίζονται τα δομικά χαρακτηριστικά των υάλων αυτών με την εμφάνιση του πολυαμορφισμού ενώ για πρώτη επίσης φορά μελετώνται συστηματικά οι διεγέρσεις χαμηλών συχνοτήτων, σε σχέση με την μεταβολή της σύστασης και της θερμοκρασίας. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης των διεγέρσεων χαμηλών συχνοτήτων για τα φάσματα Raman των υάλων αυτών, δείχνουν για πρώτη φορά σημαντικές εντάσεις για την κορυφή που παρατηρείται στις χαμηλές συχνότητες, ενώ αυτή παραμένει ανεπηρέαστη της σύστασης και της θερμοκρασίας. Τέλος, θα πρέπει να επισημανθεί ότι τα οξείδια τα οποία συναποτελούν το συγκεκριμένο σύστημα, δεν έχουν την δυνατότητα να σχηματίσουν υάλους αυτόνομα. / We present results from glass synthesis and the structural/physicochemical characterization from a series of glass forming systems and more specifically: (a) xMgO – (1 – x)SiO2 with 0.50 ≤ x ≤ 0.667, (b) the pseudobinary system (1 – x)[CaO:MgO] – xSiO2 with 0.333 ≤ x ≤ 0.27 and (c) the binary system xY2O3 – (1 – x)Al2O3 with 0.24 ≤ x ≤ 0.41, and x being the mol fraction. These systems exhibit significant difficulties regarding their ability to form glasses and hence the available data describing their structural and physicochemical characteristics are limited. Nevertheless, by using non-conventional glass forming techniques such as “Aerodynamic levitation/CO2 laser melting” we were able to synthesize these glasses and it is worth pointing out that this technique is the only available technique so far that glasses that belong to the above mentioned systems can be formed. For the structural and physicochemical characterization of the above mentioned systems, we used two spectroscopic techniques Raman and NMR whilst experiments using DSC, SEM, TEM, Densitometry and Molecular Dynamics simulations were also performed. The first two systems (a-b) belong in the greater family of silicate inorganic glasses mixed with Alkaline Earth oxides, in compositions significantly depleted in Silicon oxide. This last feature is the most interesting one structurally and physic-chemically wise, as these glasses are widely termed as “poor glass formers” having as a consequence their structure to be described by extreme depolymerization. In this work we were able to synthesize these glasses in a compositional range that is achieved for the very first time and the results derived from their structural and physicochemical characterization also presented for the very first time. These extensively depolymerized glass structures-whom we have termed as “Sub-Ortho-Silicates” due to their Silicate compound which is less than the Ortho-Silicate composition (33.3 mol % SiO2)-were found to be characterized by Silicate tetrahedral, having a varying number of bridging oxygens, with the “free” tetrahedral dominating the structures as the SiO2 content gradually diminishes. The conclusions derived from the first two systems, give for the first time an insight in relation with the structural and physicochemical behavior of Alkaline Earth oxide Silicate glasses when the percentage of the “classic” glassformer reaches the limits of glass formation. The last system we investigated (c) has to do with glass synthesis and structural/physicochemical characterization of Yttrium-Aluminate glasses in relation with an extremely interesting characteristic that this system exhibits, which is widely known as “polyamorphism”. In this system we investigated and present results for the very first time that reveal the coordination environment of Yttrium atoms, while we are also providing evidence that the phenomenon of polyamorphism is present in all glasses, formed within this binary system. Additionally we correlate the structural characteristics of these glasses with the appearance of polyamorphism while also for the very first time we have systematically investigated the low frequency vibrations, in relation with the variation of composition and temperature. The results derived from the analysis of the low frequency excitations exhibited in the Raman spectra of these glasses, show for the first time that the peak that makes its appearance in the low frequency region is characterized by significantly great intensity, while it also remains uninfluenced from the variation of composition and temperature. Finally, we must stress out that the oxides that constitute this specific system cannot form glasses independently.