The main aim of this study is to combine the sol-gel technology and renewable surface flow injection analysis (RS-FIA) techniques for iron speciation and determination. Thus the home-made FIA system, which consists of 2 syringe pumps and 3 multi-position selection valves, is modified with two flow cells (magnetic cell and jet ring cell) in order to be suitable for renewable surface flow injection technique. All the computer programs used for flow injection analysis are modified to control the whole system automatically. Two different types of solid phase extraction materials are used for the speciation of iron in aqueous systems. Magnetic beads coated with primary amino groups are utilized for the determination of Fe (III). The magnetic bead reactor is created within the flowing stream by retaining the magnetic beads with a home-made electromagnet. The elution cycle for Fe (III) is done with 0.1 M EDTA solution and determined on-line by transferring to an atomic absorption spectrometer. The spent beads are collected off-line and regenerated. For the preconcentration of Fe (II), ferrozine doped sol-gel beads are prepared as reactive and disposable surfaces. These beads are handled by the system equipped with a jet ring cell which is connected on-line to a portable UV-VIS fiber optic spectrometer. Amino sol-gel and ferrozine-doped sol-gel beads are prepared using sol-gel technology and characterized by using surface techniques. Their performances in preconcentration and speciation of iron and the influence of different experimental parameters such as pH, the sequence of reagents, reactor lengths and reaction periods on the flow system are investigated. Renewable surface flow injection analysis is performed by either bead injection or sequential bead injection methods.

This thesis summarises work towards a Lab-on-Chip (LOC). The request for faster and more efficient chemical and biological analysis is the motivation behind the development of the LOC-concept. Microfluidic devices tend to become increasingly complex in order to include, e.g. sample delivery, manipulation, and detection, in one chip. The urge for smart and simple design of robust and low-cost microdevices is addressed and discussed. Design, fabrication and characterization of such microdevices have been demonstrated using low-cost polymer and glass microfabrication methods. The manufacturing is feasible, to a large extent, to perform outside the clean-room, and has subsequently been the chosen technique for most of the work. Issues of bonding reliability are solved by using polymer adhesive tapes. A planar electrocapture device with LOC-compatibility is demonstrated where beads are immobilised and released in a flowing stream. Retention of nanoparticles by means of electric field-flow fractionation using transparent indium tin oxide electrodes is presented. Moreover, a cast PDMS 4-way crossing is enabling a combination of liquid chromatography and capillary electrophoresis to enhance separation efficiency. Sample transport issues and a new flow-cell design in a quartz crystal microbalance bioanalyzer are also investigated. Fast bacteria counting by impedance measurements, much requested by the pharmaceutical industry for biomass monitoring, is carried out successfully. In conclusion, knowledge in micro system technology to build microdevices have been utilised to manipulate and characterise beads and cells, taking one step further towards viable Lab-on-Chip instruments.

Les perles, principalement celles en verre, figurent parmi les productions artisanales les plus emblématiques et originales de la période mérovingienne. Jamais auparavant elles n’avaient connu un tel succès. C’est par centaines ou milliers d’exemplaires qu’on les retrouve dans les nécropoles de l’ancienne Gaule. Ce matériel surprend et séduit par la grande diversité de ses formes, de ses couleurs et de ses décors, témoignant sans doute le mieux du goût particulier des Mérovingiens pour la polychromie.<p>Cette thèse de doctorat avait pour principal objectif l’élaboration d’une typo-chronologie des perles du nord de l’ancienne Gaule mérovingienne (Ve-VIIe siècles). Un objectif à double visée destiné, d’une part, à mettre en évidence une éventuelle évolution des associations de perles et, d’autre part, à proposer aux archéologues un outil de datation innovant et précis.<p>L’examen approfondi des perles d’un point de vue technologique était une condition indispensable pour espérer atteindre le degré de précision requis pour l’élaboration d’une typo-chronologie. Le recours à l’archéologie expérimentale et aux sources ethnographiques a conduit à une bien meilleure compréhension des mécanismes – souvent complexes – de la fabrication des perles.<p>La typologie compte 20567 perles, classées en 556 types, provenant de 6 nécropoles situées en Belgique :Beerlegem (Flandre-Orientale), Bossut-Gottechain (Brabant wallon), Broechem (Anvers), Harmignies (Hainaut), Verlaine « Oudoumont » (Liège) et Viesville (Hainaut). Les occupations sont principalement datées entre ca. 470/480 et ca. 630/640.<p>L’élaboration de la typo-chronologie générale a combiné deux approches :la topochronologie – méthode permettant la mise en évidence de la tendance évolutive de chaque cimetière sur la base de la répartition topographique des types de perles –, et la méthode statistique de permutation matricielle. Ce travail a permis de mettre en évidence 5 groupes d’associations communs à tous les sites, d’une durée approximative d’une quarantaine d’années chacun.<p>Au-delà d’un apport en matière de détermination chronologique, des analyses archéométriques – enrichies par l’étude technologique du matériel – ont permis d’avancer une série d’éléments neufs concernant l’origine et la circulation de plusieurs types de perles. Les résultats obtenus montrent que la succession des combinaisons de perles reflète en partie une évolution des mécanismes d’approvisionnement et des relations commerciales entre l’Orient et l’Occident. Ainsi, durant le dernier tiers du Ve et le premier tiers du VIe siècle, l’artisanat perlier semble peu développé en Occident. Le marché est essentiellement alimenté par des produits d’origine orientale – Proche-Orient (Egypte et côte syro-palestinienne) et, en moindre mesure, Moyen-Orient (Mésopotamie) et Asie du Sud (Inde et/ou Sri-Lanka) –, témoignant d’un maintien du grand commerce maritime et terrestre établi durant l’Antiquité. Le second tiers du VIe siècle constitue un moment-clé dans l’histoire économique et sociale de la perle. Entre ca. 530 et ca. 630, l’Europe occidentale s’affranchit de l’approvisionnement oriental et s’impose comme un centre de production autonome. Le ralentissement de ces importations à partir des années 530 pourrait répondre à un souhait d’affranchissement de l’Occident, alors que l’interruption de l’approvisionnement en perles orientales vers 630 pourrait quant à elle être liée au climat d’instabilité politique que connaît l’Empire byzantin et dont les conséquences auraient entraîné un déclin du commerce méditerranéen, particulièrement accentué dans la première moitié du VIIe siècle.<p>Enfin, cette étude a également abordé d’autres thématiques portant sur les usages et fonctions de cette catégorie de matériel et la réutilisation d’éléments de remploi (protohistoriques ou romains) dans les parures mérovingiennes. / Doctorat en Histoire, art et archéologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

This study aims to demonstrate the potential for understanding first millennium glass beads not as individual representatives of types, but as collections of objects brought together and curated by owners. It uses the author’s experience as a skilled bead maker to investigate processes of bead production and mechanics of bead collection current in Scandinavia and Anglo-Saxon England in the period of 6th to 9th century AD. In the study the bead collections of seven graves are examined from the perspective of their production techniques, materials, and damage from wear and cremation. The results point to beads being acquired in different numbers and often worn for long periods of time before being buried.

This study investigates various glass objects from the 17th and 18th centuries in Thuringia to gain insight into their manufacturing techniques. The objects include glass beads from the Roten Schmelzzimmer and diverse glass objects from the Schwarzburg-Sondershausen collection. The analytical methods include optical microscopy, CT, SEM-EDX, LA-ICP-MS and Raman spectroscopy. The glass beads from the Roten Schmelzzimmer were identified as soda-lime- and high-lead-silicate glasses, which were made using highly pure sands and halophytic plant ashes as a fluxing agent. These recipes are characteristic from the Mediterranean region. The beads were coloured in 11 different colours with copper, cobalt, manganese, iron, and were possibly opacified with salt and tartrate. The analysed glass objects from the Schwarzburg collection were made using different recipes based on potash-lime-silicate glass with high amounts of potash and calcium, and calcinated-bone ashes as a white opacifier, characteristic of central Europe.

Perlcellulose stellt ein interessantes Material für den Einsatz in der wässrigen Größenausschlusschromatgraphie (SEC) dar. Sie ist aufgrund ihrer guten Modifizierbarkeit zudem ein perfektes Ausgangsmaterial für Protein-Aggregationsuntersuchungen. Ein Protein von besonderem praktischem Interesse ist Insulin. Dessen Fehlfaltung und Aggregation verursacht eine Reihe von schwerwiegenden Problemen (z.B. in Drug-Delivery-Systemen). Hierbei erfolgt eine Umwandlung von alpha-Helix- in beta-Faltblatt-Strukturen wobei sich unlösliche Fibrillen bilden. Deren Rückfaltung mit Hilfe fluorierter Alkohole sowie mit fluorierten Nanopartikeln wurde in der Literatur beschrieben. Der Ansatzpunkt dieser Arbeit war es zu untersuchen, ob Fluor auf Oberflächen mit hohem Anteil von Hydroxygruppen eine Rückfaltung von Proteinen wie Insulin bewirken kann. Das Ziel war es, schaltbare stationäre Phasen zu erhalten, mit denen sowohl eine Rückfaltung als auch die Trennung von Proteinen durchgeführt werden können. Zunächst erfolgte die Charakterisierung geeigneter Perlcellulosen, wobei erstmals eine Kombination der „klassischen“ Porosimetrie (Hg-Intrusion, N2-Sorption) mit SAXS und Inverser SEC zur Untersuchung der Porenstruktur von Cellulose angewandt wurde. Es konnte die reversible Schrumpfung der Poren während der Trockungsprozesse beschrieben werden. Die Immobilisierung von Fluor auf der Oberfläche von Cellulosepartikeln erfolgte u.a. durch Pfropfung von fluorierten Acrylaten mittels Cer(IV)-Redoxinitiierung. Es gelang eine homopolymerfreie Pfropfung, wobei es zu keiner Veränderung der Porenstruktur kam. Die Kontrolle der Proteinadsorption auf der modifizierten Oberfläche mittels chemischer Stimuli konnte beschrieben werden. Aggregationsuntersuchungen mittels SEC, DLS und SAXS ergaben, dass fluormodifizierte Perlcellulose keine Verzögerung der Insulinaggregation bewirkt. Jedoch zeigte sich, dass unmodifizierte Perlcellulose eine signifikante Verzögerung der Aggregation bewirken kann. / Porous bead cellulose is an interesting material for the application in aqueous size exclusion chromatography (SEC). Its good modifiability makes it furthermore to a perfect starting material for protein aggregation studies. A protein with huge practical importance is insulin. Misfolding and aggregation of insulin creates serious problems e.g. in drug delivery systems. Thereby it undergoes a change from alpha-helix to beta-sheet structure and forms insoluble fibrils. A back-folding with (toxic) fluorinated alcohols and fluorinated nanoparticles was already shown in literature. The approach for this work was that fluorine (CF3-) on a surface with high hydroxyl-content can induce the back folding of proteins like insulin. The purpose was to get stationary phases that can induce back folding and separation of proteins on a single column. At first a characterization of suitable cellulose beads with focus on different porosimetry methods was done. For the first time a combination of “classical” porosimetry methods (Hg-Intrusion; N2-Sorption) with SAXS and inverse SEC was applied for porous cellulose particles. A reversible shrinking of pores during drying process was shown. Immobilization of fluorine on the surface of cellulose beads was done by grafting of fluorinated acrylates via cer(IV)-redox-initiation and by polymer analogous reaction with fluorinated iodo alkanes. Homopolymer free graft-copolymerization was achieved, whereas no effect on pore structure was observed. The control of protein adsorption on surface by chemical stimuli was shown. Aggregation studies using SEC, DLS and SAXS showed that fluoro-modified cellulose beads do not delay insulin-aggregation due to strong adsorption effects. Though a significant aggregation delay for insulin with unmodified cellulose beads was discovered.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung von funktionellen Magnetit-Nanokompositen durch Sprühtrocknung für die Anwendung in der Bioseparation. Dabei liegen die Schwerpunkte auf der Anwendung von Polyelektrolyten als Ionenaustauscher sowie auf der Nachhaltigkeit des Herstellungsprozesses. Basierend auf einem existierenden Herstellungsprozess wurde die Aufgabenstellung konkretisiert. Es wurden Möglichkeiten zur nachhaltigen Prozessgestaltung der Synthese von kationischen bzw. anionischen magnetischen Funktionspartikeln zur Proteinabtrennung vorgestellt. Als magnetische Komponente wurde Magnetit verwendet. Aufgrund seines pseudo-amphiphilen Charakters und seiner besonderen Eigenschaften in Bezug auf die Stabilisierung von Magnetit-Kolloiden wurde Polyvinylbutyral (Mowital B 30T) als Matrixpolymer bei der Sprühtrocknung benutzt. Für die nachhaltige Prozessgestaltung wurden Isopropanol und Tetrahydrofuran als Dichlormethan-Ersatz bei der Sprühtrocknung verwendet. Bei der Synthese kationischer Magnetic Beads wurden verzweigtes Polyethylenimin und lineares Poly(Allyamin) als Anionenaustauscher verwendet. Beide Polykationen sind schwache Polyelektrolyte mit Aminogruppen. Für die Verarbeitung der Polykationen als funktionelle Liganden in magnetischen Funktionspartikeln wurde zwei Herstellungsmethoden vorgestellt: eine Synthese ohne Oberflächenmodifizierung, wobei die mechanische und chemische Stabilität der Funktionspartikeln einzig von der chemischen Struktur der eingesetzten Materialien bzw. vom Matrixpolymer abhängt, und eine Synthese mit Oberflächenmodifizierung. Die Synthese mit Oberflächenmodifizierung ist gekennzeichnet durch die kovalente Bindung von Polyethylenimin bzw. Poly(Allyamin) an der Oberfläche der Funktionspartikeln (Polyvinylbutyral). Dafür wurde 1,1’-Carbonyldiimidazol als „zero length“-Crosslinker benutzt. Die nach beiden Methoden hergestellten Funktionspartikeln wurden charakterisiert, um ihre technische Eignung beurteilen zu können. Für die Charakterisierung der sorptiven Eigenschaften wurde unter anderem der Bowman-Birk Inhibitor (BBI) verwendet. Das Protein ist ein Sojaprodukt und für seine krebsvorbeugende Wirkung bekannt. Um die Selektivität der Abtrennung zu untersuchen, wurden BBI-Produkte mit unterschiedlichen Reinheitsgraden benutzt. Durch die zwei vorgestellten Methoden konnten kationische magnetische Funktionspartikeln erfolgreich hergestellt werden. Alle Funktionspartikeln sind superparamagnetisch, und der Medianwert ihrer Partikelgrößenverteilung liegt im einstelligen Mikrometerbereich. Aufgrund eines höheren Polykationanteils ist die Bindungskapazität der Funktionspartikeln ohne Oberflächenmodifizierung um den Faktor 2,4 größer als die BBI-Bindungskapazität der Funktionspartikeln mit Oberflächenmodifizierung (Qmax=322 mg/g). Das Fehlen eine feste Anbindung des funktionellen Liganden an den Funktionspartikeln ohne Oberflächenmodifizierung verleiht jedoch diesen eine sehr schlechte chemische Stabilität in Lösungen. Es wurde auch gezeigt, dass oberflächenmodifizierte Funktionspartikeln mit ähnlichen Eigenschaften durch den Einsatz von Dichlormethan bzw. Tetrahydrofuran als Lösungsmittelersatz während der Sprühtrocknung hergestellt werden können. Durch den Einsatz von mit Poly(allylamin) oberflächenmodifizierten Funktionspartikeln konnte BBI von technischen Sojamolken unterschiedlicher Reinheitsgrade erfolgreich abgetrennt werden. Anionische Magnetic Beads wurden mit Kationenaustauscherharz als funktionellem Ligand hergestellt. Dabei wurde Isopropanol als organisches Lösungsmittel während der Sprühtrocknung verwendet. Die Synthese wurde analog zur Synthese der kationischen Magnetic Beads ohne Oberflächenmodifizierung durchgeführt. Es wurde auch hier gezeigt, dass anionische magnetische Funktionspartikeln mit guten sorptiven Eigenschaften durch den Einsatz von Isopropanol als organisches Lösungsmittel hergestellt werden können. Die anionischen Funktionspartikeln besitzen im Vergleich zu Literaturwerten höhere Bindungskapazitäten (bis 280 mg/g; ermittelt mit Lysozym). Im letzten Kapitel wird der kritische Prozessschritt des Lösungsmittelaustausches behandelt. Nach dem Lösungsmittelaustausch sollten die Magnetitnanopartikeln in der organischen Phase stabil sein. Dies ermöglicht sowohl eine homogene Verteilung der Nanopartikeln in der Matrix als auch deren bessere Verkapselung während der Sprühtrocknung. Es wurde festgestellt, dass sich eine vollständige Abtrennung von Dichlormethan durch die angewendete Destillationsmethode nicht erreichen lässt. Anhand von zwei Modellsystemen — Rizinolsäure- und Ölsäure-beschichteten Magnetitnanopartikeln — und Lösungsmittelgemischen wurde die Stabilität von sterisch stabilisierten Magnetitpartikeln in binären Lösungsmittelgemischen untersucht. Der Fokus bei dieser Untersuchung lag auf der Untersuchung der Stabilität der beschichteten Magnetitnanopartikeln in einer möglichst Dichlormethan- bzw. Isooktan-freien organischen Phase. Als zweites Lösungsmittel (als Lösungsmittelersatz betrachtet) wurden neben Tetrahydrofuran und Isopropanol technisch verbreitete Lösungsmittel wie Isooktan und 1-Butanol eingesetzt. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass die Anwendung der technischen Rizinolsäure bzw. Ölsäure einen zusätzlichen Einfluss auf die Stabilität der Magnetitpartikeln hat, da diese aus anderen Fettsäuren mit unterschiedlichen chemischen Strukturen bestehen. Die Diskrepanz zwischen der berechneten HANSEN-Distanzen und der Stabilität der Magnetitnanopartikeln mit reinen Fettsäuren lässt vermutet, dass die Zusammensetzung der Lösungsmittelgemische an der fest/flüssig-Grenzfläche anders ist als im freien Volumen. Ein Modell zur Beschreibung der Stabilität der Nanopartikeln, das auf einer Anreicherung des Ausgangslösungsmittels an der Grenzfläche basiert, wurde postuliert. Solange die Diffusion des zweiten Lösungsmittels in die Adsorptionsschicht nicht ausreichend genug ist, um die Löslichkeit der Fettsäureketten entscheidend zu reduzieren und somit einen Abfall der Abstoßungskräfte zwischen der Partikeln hervorzurufen, bleiben alle beschichteten Magnetitnanopartikeln stabil im Lösungsmittelgemisch. Dies ist der Fall für die mit der reinen Rizinolsäure beschichteten Magnetitnanopartikeln in allen verwendeten Lösungsmittelgemischen mit 0,5 Vol. % DCM in der kontinuierlichen Phase. Durch die vorgestellten Herstellungsmethoden wurde gezeigt, dass magnetische Funktionspartikeln sowohl mit festen partikelförmigen Ionenaustauschern als auch mit flüssigen schwachen Polyelektrolyten erfolgreich synthetisiert werden können. Eine nachhaltige Prozessgestaltung durch die Reduzierung der Dichlormethanmenge im Sprühtrocknungsprozess ist auch möglich. Für eine erfolgreiche industrielle Anwendung der Funktionspartikeln müssen aber ihre chemischen sowie mechanischen Eigenschaften deutlich verbessert werden. Dies könnte z.B. durch die Verwendung eines anderen Matrixpolymers oder durch die Entfernung von nicht gebundenen Bestandteilen durch gezielte Waschung der Funktionspartikeln erfolgen. Die Bindungskapazität sowie die Selektivität der oberflächenmodifizierten Funktionspartikeln sollte ebenfalls verbessert werden. Dafür wurde einen Ansatz durch die Quaternisierung der Aminogruppen präsentiert. Schließlich würde die Untersuchung der Stabilität der beschichteten Magnetitnanopartikeln in einphasigen reinen Lösungsmitteln nähere Erkenntnisse über das postulierte Modell der Anreicherung von Dichlormethan in der Adsorptionsschicht erbringen. Dabei könnte die Dichlormethanmenge durch mehrstufige Destillation bzw. Rektifikation beim Lösungsmittelaustausch entfernt werden. Eine vollständige Untersuchung dieses Effekts würde zusätzlich eine Antwort auf zahlreiche Fragestellungen der Kolloidchemie in Bezug auf das Stabilitätsverhalten von Pigmentdispersionen (Lacke) oder von beschichteten Nanopartikeln in Polymerlösungen erbringen.

The aim of the present thesis is to explore sustainable low cost environmentally friendly composite materials. It is a step by step experimental research. Firstly, taking under consideration the so far commercial available non-organic materials used as reinforcement and the petroleum based resins used as matrices, composite materials were fabricated and mechanically characterized. Different components in micro- and nano- scale were combined. Afterwards, the non-organic materials used as reinforcements were substituted by different types of non conventional natural-based fillers. The fillers (corn starch and olive pit granules) were in powder form, derived from agricultural local resources and additionally flax fabric used to produce laminated composites. All the semi-green epoxy composites were characterized by means of three-point bending testing. Moreover, the manufactured composites were induced in several sources of damage and their residual properties were extensively investigated. More precisely, the effect of the strain-rate and low velocity impact as well as of thermal fatigue, on the mechanical properties of the olive pit and the flax fabric reinforced resin was studied. Since, conventional and semi-green composite materials were fabricated and experimentally investigated, the final objective of the present thesis was to produce novel green composites materials by substituting the petroleum-based epoxy resin with a biodegradable derived from natural resources biopolyester. In order to accomplish this target, polylactic acid (PLA) was combined with olive pits in powder form at different concentrations. Olive pits, is almost unknown non-traditional filler to composites, obtained during the oil extraction process. It is a raw material characterized by its low cost and its abundance, since it consists a waste product of the olive oil industry. In order to successfully accomplish this part of research, experiments were taken place in France at the CMGD (Centre des Matériaux de Grande Diffusion) Institute of the École Nationale Supérieure des Mines d’ Alés, under the guidance of Prof. A. Bergeret within the framework of research cooperation with the main supervisor of this thesis, Prof. G. Papanicolaou. The most important feature of the present green composites is their satisfactory mechanical and thermal performance in combination with their complete biodegradability. The PLA/olive pit composites could be applied to various components with moderate strength such as automotive interiors, interior building applications, durable goods, serviceware and food packaging material The aim of this part of the study was to investigate the effect of three types of olive pit powder at different weights fractions on the physical and mechanical properties of polylactide (PLA) matrix composites. For the preparation of the powder, two different grinding procedures were applied, producing three types of olive pit powder. Various measurements were accomplished to determine characteristics such as the density and the size distribution and the shape of the powder. Different PLA/ olive pits powder composites were manufactured by extrusion and injection molding. A comparative study between the different composites was made in order to investigate the matrix-filler interactions, occurring between the PLA and olive pit granules and their overall physical, mechanical and thermomechanical properties were investigated by means of TGA, FT-IR, DSC, SEM, flexural and uni-axial tensile testing. Finally, theoretical predictive models were applied in most of the composite materials manufactured in the present work. These models making use of minimal number of experimental results can satisfactorily predict the residual properties of damaged materials, irrespectively of the type of the material investigated and the damage source. Namely, the Modulus Predictive Model (ΜPM), the Residual Properties Model (RPM) and the Residual Strength after Impact Model (RSIM), have been successfully applied. A big number of interesting conclusions have been derived from the present work. However, a general conclusion is that a totally green composite with useful properties and applications is a promising target for the humanity and the planet survivability. / Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η κατασκευή και μελέτη συνθέτων υλικών χαμηλού κόστους ενισχυμένων με φυσικά υλικά, φιλικά προς το περιβάλλον. Η επίτευξη αυτού του στόχου πραγματοποιήθηκε σταδιακά. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε μια εκτεταμένη μελέτη διαφορετικών συνθέτων υλικών τα οποία ήταν εξ’ ολοκλήρου κατασκευασμένα από ανόργανα και συνθετικά υλικά. Γι’ αυτό το σκοπό κατασκευάστηκαν και μελετήθηκαν οι μηχανικές ιδιότητες συνθέτων υλικών που έχουν ως μήτρα μια εμπορικά διαθέσιμη πετροχημική εποξειδική ρητίνη. Η εποξειδική ρητίνη ενισχύθηκε με ανόργανα υλικά σε μικρο- (συμπαγή και κενά σφαιρίδια γυαλίου) και νανο- (νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλού τοιχώματος) διαστάσεις. Στη συνέχεια, βασιζόμενη στο ήδη υπάρχον επιστημονικό υπόβαθρο, καθώς η μεταπτυχιακή μου εργασία ειδίκευσης ήταν στο ίδιο ερευνητικό πεδίο με το αντικείμενο της διδακτορικής μου διατριβής, γίνεται προσπάθεια περαιτέρω εξέλιξης της έρευνας που σχετίζεται με την μελέτη και κατασκευή συνθέτων φιλικών προς το περιβάλλον. Ως εκ τούτου, το επόμενο στάδιο της πειραματικής μελέτης στα πλαίσια εκπόνησης της διατριβής αυτής, ήταν η κατασκευή και χαρακτηρισμός, ως προς την μηχανική τους συμπεριφορά, συνθέτων υλικών πολυμερικής εποξειδικής μήτρας ενισχυμένης με διαφορετικού τύπου φυσικές ενισχύσεις και περιεκτικότητες. Οι φυσικές ενισχύσεις που επιλέχθηκαν να μελετηθούν ήταν τόσο σε μορφή κόκκων και μικρο-ινών, όσο και σε μορφή υφάσματος. Τα εγκλείσματα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν σκόνη από κόκκους ελαιοπυρήνα και σκόνη αμύλου καλαμποκιού. Στα σύνθετα υλικά ενισχυμένα με κόκκους ελαιοπυρήνα, έγινε μελέτη της επίδρασης των διαφορετικών ρυθμών παραμόρφωσης στις μηχανικές τους ιδιότητες, ενώ στα σύνθετα υλικά ενισχυμένα με την σκόνη αμύλου μελετήθηκαν εκτενώς οι στατικές μηχανικές τους ιδιότητες. Επιπλέον, κατασκευάστηκαν πολύστρωτα σύνθετα υλικά χρησιμοποιώντας για τις διάφορες στρώσεις ύφασμα από ίνες λιναριού. Τα πολύστρωτα σύνθετα υλικά χαρακτηρίστηκαν ως προς τις μηχανικές τους ιδιότητες, υποβλήθηκαν σε θερμική κόπωση και υπέστησαν κρούση χαμηλής ενέργεια. Οι εναπομένουσες μηχανικές ιδιότητες των υλικών αυτών μελετήθηκαν τόσο πειραματικά όσο και θεωρητικά. Ο απώτερος στόχος αυτής της διδακτορικής διατριβής ήταν να γίνει η δυνατή η κατασκευή συνθέτων υλικών τα οποία να είναι πλήρως βιοδιασπώμενα και φιλικά προς το περιβάλλον. Για το σκοπό αυτό, το τρίτο και τελευταίο στάδιο της έρευνας που διεξήχθη στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, ήταν η κατασκευή εξολοκλήρου φυσικών συνθέτων υλικών έχοντας ως μήτρα ένα βιοδιασπώμενο πολυεστέρα φυτικής προέλευσης, το πολύ (γαλακτικό οξύ), ενισχυμένο με σκόνη από κόκκους ελαιοπυρήνα. Ο ξηρός ελαιοπυρήνας που χρησιμοποιήθηκε, αποτελεί μέρος των αποβλήτων που προκύπτουν από την διαδικασία παραγωγής ελαιολάδου. Ο ελαιοπυρήνας σε αυτή την μορφή έχοντας μηδαμινό κόστος απαντάται σε εξαιρετικά μεγάλες ποσότητες και σε σημαντικό ποσοστό εναποτίθεται στους περιβάλλοντα χώρους των μονάδων παραγωγής του ελαιολάδου. Η ερευνητική εργασία που σχετίζεται με αυτό το αντικείμενο του διδακτορικού έλαβε χώρα στην Γαλλία στο École Nationale Supérieure des Mines d’ Alés, στο ερευνητικό ινστιτούτο CMGD (Centre des Matériaux de Grande Diffusion) υπό την επίβλεψη της καθηγήτριας A. Bergeret, στα πλαίσια ερευνητικής συνεργασίας του επιβλέποντα καθηγητή Γ. Παπανικολάου και της ερευνητικής του ομάδας. Τα πειράματα που διεξήχθησαν στο ερευνητικό ινστιτούτο CMGD, περιελάμβαναν αρχικά την προετοιμασία των κόκκων του ελαιοπυρήνα στην κατάλληλη μορφή για να είναι δυνατή η χρησιμοποίησή τους ως ενισχυτικό υλικό. Έγινε κονιορτοποίηση των κόκκων από την οποία προέκυψαν δύο τύπου σκονών που διέφεραν ως προς την διασπορά του μεγέθους των κόκκων, ενώ μια τρίτη σκόνη ελαιοπυρήνα είχε ήδη προετοιμαστεί με διαφορετική μέθοδο κονιορτοποίησης στο τμήμα Επιστήμης των Υλικών του Πανεπιστήμιου Πατρών. Έγινε εκτενής χαρακτηρισμός των φυσικών και μορφολογικών ιδιοτήτων όλων των σκονών ελαιοπυρήνα που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή των συνθέτων υλικών με μήτρα το PLA. Προσδιορίστηκαν διαφορετικού τύπου πυκνότητες και η διασπορά του μεγέθους των κόκκων. Έγινε θερμική ανάλυση με δοκιμή θερμοζυγού (TGA), μορφολογικός χαρακτηρισμός με χρήση ηλετρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM) καθώς και χαρακτηρισμός με φασματοσκοπία υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier (FT IR) και ακτίνων-Χ. Αφού ολοκληρώθηκε ο χαρακτηρισμός των ιδιοτήτων της ενισχυτικής φάσης, στη συνέχεια κατασκευάστηκαν σύνθετα υλικά μήτρας PLA ενισχυμένα με τους κόκκους ελαιοπυρήνα σε διαφορετικές περιεκτικότητες. Η προετοιμασία των σύνθετων αυτών υλικών πραγματοποιήθηκε σε δύο στάδια. Αρχικά έγινε μια πρώτη μορφοποίηση με εξώθηση (extrusion). Τα σύνθετα υλικά που προέκυψαν από την εξώθηση που ήταν στη μορφή δισκίων (pellets) χαρακτηρίστηκαν και αυτά με διάφορες τεχνικές (WAXD, DSC, TGA). Τα σύνθετα υλικά υπό μορφή δισκίων για να αποκτήσουν την τελική τους μορφή ως δοκίμια κατάλληλα για μηχανικές δοκιμές κατά τα πρότυπα ISO 527, μορφοποιήθηκαν με έγχυση (Injection molding). Τα σύνθετα υλικά στην τελική τους μορφή χαρακτηρίστηκαν με διάφορες τεχνικές (WAXD, DSC, TGA), έγινε χαρακτηρισμός των μηχανικών τους ιδιοτήτων και μορφολογική παρατήρηση των επιφανειών τους ύστερα από την μηχανική τους αστοχία (SEM). Τέλος, σε πολλά από τα σύνθετα υλικά που κατασκευάστηκαν και μελετήθηκαν πειραματικά, εφαρμόστηκαν διαφορετικά ημιεμπειρικά μοντέλα ανάλυσης και πρόβλεψης της μηχανικής τους συμπεριφοράς. Στο κυρίως κείμενο της διδακτορικής διατριβής, περιγράφεται σε ξεχωριστό κεφάλαιο το σύνολο των θεωρητικών μοντέλων που εφαρμόστηκαν στα πειραματικά αποτελέσματα. Στα επιμέρους κεφάλαια που παρουσιάζονται και αναλύονται τα πειραματικά αποτελέσματα, παρατίθενται η σύγκρισή τους με τις αντίστοιχες προβλέψεις που πρόεκυψαν από την εφαρμογή των θεωρητικών μοντέλων. Από τη σύγκριση αυτή παρατηρούμε ότι τα θεωρητικά μοντέλα που εφαρμόστηκαν που είναι το μοντέλο πρόβλεψης του μέτρου ελαστικότητας κοκκωδών υλικών, ΜPM (Modulus Predictive Model), το μοντέλο πρόβλεψης της υποβάθμισης ιδιοτήτων ύστερα από διαφορετικές είδους καταπονήσεις (θερμική κόπωση, κρούση χαμηλής ενέργειας και του ρυθμού παραμόρφωσης σε κάμψη τριών σημείων), RPM (Residual Properties Model) και το μοντέλο πρόβλεψης της υποβάθμισης της αντοχής των υλικών ύστερα από κρούση, Residual Strength after Impact Model (RSIM), έδωσαν ικανοποιητικές προβλέψεις για την μεταβολή των ιδιοτήτων κάνοντας χρήση ελάχιστων μόνο πειραματικών σημείων. Στην παρούσα διατριβή συνδυάστηκαν δύο διαφορετικού τύπου πολυμερικές ρητίνες με πληθώρα ενισχυτικών υλικών για την κατασκευή και μελέτη της μηχανικής τους συμπεριφοράς, τόσο πειραματικά όσο και θεωρητικά με την εφαρμογή ημιεμπειρικών μοντέλων πρόβλεψης και ανάλυσης. Για την κατασκευή των δοκιμίων, ανάλογα με τον τύπο του υλικού της μήτρας και της ενίσχυσης, εφαρμόστηκαν διαφορετικές τεχνικές και σύνθετες πειραματικές διαδικασίες. Ενώ, για την μελέτη των μηχανικών, θερμομηχανικών και μορφολογικών τους ιδιοτήτων εφαρμόστηκε σημαντικός αριθμός διαφορετικών τεχνικών χαρακτηρισμού.

Study of biosensors has become an essential part of research in biotechnology. Biosensors as fast, portable, highly sensitive, and low-cost bioanalytical detection devices have been utilized in many fields of human activity. The first part of the presented work focuses on electrochemical biosensors for rapid environmental screening of herbicides as water pollutants. A sol-gel immobilization method for a photosystem II (PSII) complex is studied in order to enhance the sensitivity and the signal strength and stability of a PSII-based biosensor. Computer simulations of a PSII biosensor are employed with the aim to find out how the immobilization membrane properties influence the biosensor parameters. Newly developed immobilization by a thin-layer membrane based on the results of computer simulations and revised measurement protocols are presented. The second part of the work is devoted to synthesis and electrochemical detection of newly developed metal labels for electrochemical immunosensors. The synthesis of dendrimer-encapsulated silver nanoparticles and biorecognition properties of biotin-nanocomposite conjugates are discussed. For detection of synthesized labels, a microfluidic detector was manufactured and tested and different approaches to packing of a microfluidic chip employing polydimethylsiloxane (PDMS) were investigated. Newly designed microstructures for a microfluidic separator of magnetic beads (MBs) were studied by computer simulations. The separator was made and trapping of MBs for the further employment in MBs-based immunoassays are presented

Granular materials are characterized by its discrete nature which makes their behaviour very complex to understand when subjected to various loading situations. Comparing other materials, the understanding of granular materials is poor. This is because experimental analysis provides the macroscopic responses of the considered assembly whereas the discrete nature of the particles point to the fact of understanding the micro scale details and correlating it with the overall behaviour. Among the various modeling tools viz. analytical, physical or numerical, Discrete Element Method (DEM) a numerical technique, originally developed by Cundall (1971, 1974) and modified by Cundall and Strack (1979a, 1979b) is widely used for granular materials. Later a thorough description of DEM was given by Cundall (1988) and Hart et al (1988). Moreover Cundall & Hart (1992) reported discrete element code as one which allows finite displacements and rotations of discrete bodies along with recognition of new contacts as the calculation progresses which is followed in particle flow code and is used for this study. Generally the discrete particles are modeled as discs or spheres in 2-D and 3-D simulations respectively. The discs or spheres were considered as it is very easy to characterize the grain interactions and the contact detection. Even though the significance of particle shape has been reported in literature, a comprehensive 3-D study of the effect of particle shape on the various aspects of soil behaviour is lacking and is not reported. Particle shape is generally defined in terms of elongation, roundness and texture. Elongation is an indication of the particle aspect ratio whereas roundness measures the sharpness or angularity of particle’s edges and corners. Texture is related to the roughness of the surface. Particle gradation also plays a role in the mechanical behaviour. The influence of each of these factors on the mechanical behaviour of the assembly is important. Hence the major factors like elongation, texture etc which are used to define the particle shape are incorporated in this study. Evaluating the particle shape is another hurdle. In this study, the particle shape is analyzed using a 3D laser scanner which helps to identify the major and minor axis lengths of the particle. Additionally, the effective use of 3D DEM on large scale real life applications incorporating the particle shape effect is also not dealt with very extensively. Hence in this research, a comprehensive study on the calibration of DEM using glass beads, effect of particle shape on drained and undrained monotonic behaviour, liquefaction, post liquefaction and dynamic properties and the application of DEM to a grain polishing machine and an underground tunnel assembly is presented. In the present study, a set of drained triaxial tests were done on glass bead assembly using a laboratory triaxial set up. The glass beads used for the test were spherical and ellipsoidal in shape. The shape of glass beads was characterized through a sophisticated method of 3D laser scanning. In this scanning, the shape of the image of the glass bead is captured through an array of digitized points. These images obtained as unstructured 3D triangular meshes on processing will render the long and short axes of the particle which can be used for proper modeling of the particle shape. After obtaining the long and short axes for the particles, the same is used for the numerical modeling of the glass beads. The numerical simulation results have shown that the assembly modeled with clumped particles gives results qualitatively and quantitatively similar to the observed experimental macro responses. Hence this is used to demonstrate the power of DEM to realistically model the granular behaviour by incorporating the particle shape effect. In addition, undrained simulation of granular material has been numerically predicted from drained triaxial tests which are similar to the approach proposed by Norris et al (1997). An excellent correlation between undrained results predicted from drained triaxial test and undrained test (performed under constant volume conditions) has been observed. This further underlines the fact that the constant volume simulations are equivalent to undrained tests. Having validated the DEM results to the values obtained from the experiments on glass beads, a series of monotonic drained and undrained triaxial tests were performed on cylindrical assemblies of height to diameter ratio 2:1. Four different sets of assemblies were prepared which consists of particles of different aspect ratio to study the influence of particle shape. The behaviour of these assemblies under drained shearing indicates that the strength of the clumped assemblies is higher than that of the spherical assembly at all confining pressures. This has been explained from the magnitude of the anisotropic vi coefficients associated with the fabric and normal contact force tensors. It is also noted that eventhough both assemblies reach the peak strength at the same axial strain, the strain softening associated with the clumped assembly is very rapid which is due to the fact that clumps try to push each other apart as it offers more resistance to rotation resulting in dilation. Another significant observation is that a general increase in aspect ratio will not keep on increasing the strength. As the aspect ratio increases, the particles have a tendency to orient along their larger dimensions. This helps them to attain the lowest potential energy leading to a stable equilibrium and resulting in inherent fabric anisotropy. But when the particles try to align along the larger dimension, the formation of strong contact forces along the direction of loading is hindered. In addition, the lower strength associated with the higher aspect ratio particle assembly can also be attributed to the formation of unexpected void spaces when these longer particles bridge gaps over the underlying grains. The critical state studies indicate that the clumped assembly is having a higher residual strength compared to that of the spherical assembly. In the case of clumped assemblies also, irrespective of the initial loose or dense state of the assembly and the confining pressure applied, the samples reached the same critical state which underlines that the critical state is unique for a granular material. Moreover, the critical state line is non-linear for both the spherical and clumped assemblies. The studies conducted on the liquefaction behaviour indicates that at lower confining pressures the assemblies with particles consisting of lower aspect ratios loses its strength at less number of cycles which can be attributed to the interlocking of non-spherical particles resulting in higher number of contacts per particle. Moreover, during the initial cycles of loading, it is seen that the strong contacts are predominantly in the vertical direction or more precisely along the direction of maximum axial strain. But the plots extracted at higher cycles indicated that the strong contacts along the vertical direction have diminished considerably. This reduction in contact force magnitude and force chain indicates a drop in the number of contacts and is clearly visible in the gradual decrease of average coordination number. Another significant observation is that as the confining stresses increases, the rate of pore pressure generation of the assembly vii consisting of only spherical particles is less compared to the other two samples. Furthermore, at higher confining pressures, when the load direction reverses, the fabric of the clumped assemblies fails to change to a new orientation immediately. But to retain equilibrium the force anisotropy will quickly adjust itself. This mismatch results in losing the contacts and resulting in lower strength and less resistance to liquefaction at higher stresses for assemblies consisting of clumped particles. The post liquefaction study of the numerically liquefied samples shows that the assembly consisting of clumped shaped particles gained strength at a much faster rate compared to the assembly consisting of only spheres. This may be attributed to the ability of the clumps to rearrange themselves on a faster rate compared to that of the spherical particles. The rate of development of average coordination number is very significant as it explains the ability of the assembly to build up the deviatoric stress from a complete collapsed structure. As the contacts develop, the average coordination number as well as the deviatoric stress starts increasing with both the values higher for the assembly consisting of clumped particles. The evaluation of the dynamic properties viz. shear modulus and damping ratio showed a trend similar to the experimental observations on real granular materials. It is observed that the normalized shear modulus reduces with an increase in shear strain and the rate of reduction is very high at low strains for all the samples. It can be seen that as the confining pressure increases, the normalized shear modulus value also increases and the rate of increment is higher for the assemblies consisting of non-spherical particles. Furthermore, for all the samples the threshold shear strain is about 0.001 up to which the behaviour is elastic. Beyond the threshold shear strain, the variation of the normalized shear modulus ratio is non-linear. At small shear strains, the energy dissipation is low resulting in smaller values of damping. As the strains increase, the non-linearity in the constitutive behaviour results in higher material damping leading to high damping value. The simulations of the food polishing machine helps to understand the pattern of hitting of clumped grains on the wall with due importance to the velocity of hit, angle of hit, force of hit, and the number of grains hitting the wall. The modeling and subsequent extraction of the data helped to identify that the wear and tear of the machine was not uniform and was clustered to specific regions due to the non-uniform distribution of the considered parameters. This helped to design a more sophisticated system such that the parts which are subjected to more deterioration are provided with additional support. To bring out the effect of the particle shape, simulations are performed using spherical particles and the results show that the pattern of variation is same, but the magnitudes are different owing to the less surface area associated with the spherical particles. The 3-D simulations of an underground tunnel assembly in a weak weathered rock helped to understand the variation in the stability of the system with and without lining. It was observed that the introduction of lining resulted in a more stable configuration and the circumferential stresses were found to be distributed uniformly around the tunnel. FEM simulations also show a similar trend of stress and strain variations but were unable to capture the ground loosening around the tunnel and the formation of the ground arch whereas DEM could realistically capture all these phenomena. It was observed that as the shape changes from sphere to non-spherical particles, circumferential stresses around the tunnels increased. In addition, as the distance from the tunnel face increases, the strains are reduced. The maximum vertical strain near the crown of the tunnel is observed for the assembly consisting of spherical particles. In short, this research is focused on a comprehensive understanding of the particle shape effect on the mechanical behaviour of granular mass. Numerical simulations incorporating the shape effect has been done on drained and undrained monotonic shear tests, critical state, liquefaction, post liquefaction and dynamic properties. Besides, the granular dynamics simulation of the movement of long food grains in a food polishing machine and the behaviour of an underground tunnel in a granular assembly is also reported.