Executive summary Today, packaging has gained a significant role in the food industry as well as other industries. Paper substrates that have been coated in some ways are typically used to make packaging. The amount and type of pigment used in the formulation determine whether this coating is a pigment coating or a barrier coating. Critical pigment volume concentration (CPVC) is the optimum spot when the pigments are packed as densely as possible, and the binder fills the air gaps. When the amount of pigment in a coating is less than CPVC, a barrier coating is formed, although when the amount of pigment in the coating is greater than CPVC, a pigment coating is formed. Pigment coating adds optical properties to a package, such as improved printability. And chemical protection is primarily provided for water, water vapour, fats, and gases in the case of the barrier coating. Chemical protection against these substances means, for food packaging, that the shelf life of the product will be extended, among other things. The role of packaging in society is expected to grow as barrier coatings on packaging continue to improve. The use of nanoclay in barrier coatings is investigated in this laboratory study. Two latexes are tested with nanoclay, with latex chosen based on its glass transition temperature (Tg). The hypothesis was that a latex with a higher Tg would have more properties like brittleness and orderly structure in its amorphous structure than the other latex. Latex with a lower Tg, on the other hand, would have more elasticity, be more ductile, and have a lower degree of ordered structure in its amorphous structure. Latex with a higher Tg was referred to as Hard latex and was composed of Styrene-butadiene, while latex with a lower Tg was referred to as Soft latex and was composed of Polyolefin dispersion, although it is unorthodox to call it latex. Previous research has found that the addition of Bentonite nanoclay can improve the mechanical and barrier properties of barrier coatings. Bentonite was therefore chosen as the nanoclay for this study due to having a higher aspect ratio, is flaky and can improve desired properties. The coating was applied as a dispersion coating using a lab-scale rod coater. The substrate for this study was BillerudKorsnäs FibreForm with a grammage of 150 g/m2.In order to find the optimum rod for the coating, three different rods were tested during screening test 1. The rods tested were based on the desired coating weight and thickness, a red rod with a wet film thickness of 12 μm was chosen. The nanoclay content of the latex formulation was investigated to determine the optimal level for improved barrier properties. In screening test 2, the concentrations examined were 2/4/8 w/w% nanoclay in each latex, and 0 w/w% to compare the difference with Hard/Soft latex to see if there are any benefits of nanoclay. For both latexes, the addition of 2/4 w/w% nanoclay resulted in more pinholes as well as a poor water vapour transmission rate and permeability. The results of screening test 2 showed that adding 8 w/w% nanoclay to both latexes improved the water vapour transmission rate, water vapour permeability, and pinholes test when compared to the other concentrations of nanoclay. In the water vapour transmission rate and pinholes test, however, 0 percent nanoclay performed similarly 8 w/w% for each latex formulation. The selected formulation for further study was 8 w/w% nanoclay with Hard/Soft latex.  Water vapour was the most important barrier property to investigate since barrier coatings were intended for food packaging. For the intended food packaging, it was sought that the barrier could be stretched with 3.8/6.7/10.4%-stretch and then characterized by water vapour transmission rate to be able to see the differences before and after stretching. Stretching with tensile tester were performed on a barrier coated FibreForm, first in the machine direction (MD), then in cross-direction (CD). Hydroforming with shaped bubbles was used for the second method of stretching with various bubbles. Stretching in MD + CD, and hydroforming bubbles were done according to the desired %-stretching. Characterization of the coating was done by water vapour transmission rate (WVTR) for all coatings, pinholes test for hydroformed coatings, water vapour permeability (WVP) and scanning electron microscopy (SEM) on tensile-stretched coatings. The performance of Soft latex with an 8 w/w% formulation stretched in MD then CD and characterized by water vapour transmission rate was significantly unchanged despite stretching up to 10.4%. This is thought to be because nanoclay, as the literature suggests, has created a better barrier against water vapour. The mean WVTR of 10.4%-stretching in MD then CD was 5.5 g/m2/day, compared to 5.5 g/m2/day for the unstretched barrier.  SEM images of both stretched and non-stretched coatings show that the dispersion of nanoclay is poor, as there are islands of polymer and nanoclay bulk. The poor dispersion of nanoclay in the matrix was due to the lack of polar groups in the backbone of Soft latex (Polyolefin) and also being hydrophobic, as opposed to Bentonite, which is hydrophilic. Despite poor nanoclay dispersion and a stretch of 10.4% in MD + CD, resulting in reduced barrier thickness, WVP improved from 289 g* /m2/day (pre-stress) to 191 g* /m2/day (10.4%-stretch), giving the impression of some reorientation of nanoclay in the polymer matrix. A crack was also visible in SEM images, near the boundary layer between the barrier and the substrate, on an unstretched coating, which is thought to be caused by the difference in the boundary layer and adhesive forces, that has occurred during drying. Cracks are not visible on the stretched barriers, even though it was expected. With increased stretching of hydroforming substrates coated with Soft latex formulation, the performance of water vapour transmission rate was significantly worse. The reason for this is thought to be that the barrier was damaged during hydroforming due to friction during pressing and shaping, as the hydroforming was done on the barrier side. The pinhole test revealed clearly degraded performance with a large number of pinholes. This could indicate that the barrier has been stretched beyond its capacity or has been damaged. There was no correlation found between stretching in tensile tester and hydroforming.  Hard latex with an 8 w/w% formulation stretched in MD then CD and characterized by water vapour transmission rate could be stated to have significantly improved performance despite stretching up to 10.4%. The mean-WVTR of 10.4%-stretching in MD then CD was 11.3 g/m2/day, compared to 16.4 g/m2/day for the unstretched barrier. According to SEM images, the reason for this is that nanoclay was very well dispersed in the matrix and that there has seemingly been a slight reorientation of nanoclay with increased stretch. Furthermore, SEM images show that the thickness was reduced, yet despite this, mean-WVP improved from 1094 g* /m2/day (pre-stress) to 419 g* /m2/day (10.4%-stretch), indicating reorientation of nanoclay and thus improved stretchability.These SEM images show cracks at the boundary layer between the barrier and the substrate for both unstretched and 10.4%-stretched barriers in the Hard latex formulation. The cracks are seemingly stopped by nanoclay in the matrix, according to the stress concentration effect, where the crack moves around nanoclay and not through nanoclay. Hydroforming of barrier coated Hard latex formulation showed a deterioration of water vapour transmission rate with increased stretching. The mean WVTR of hydroforming with 10.4%-stretching was 30.6 g/m2/day. It is not thought that pressing during hydroforming damaged the Hard latex barrier as much, which can be confirmed by the pinholes test. Pinholes test demonstrated good performance and comparable to an unstretched barrier. Because comparisons between the different polymers were impractical, it was not possible to state if the glass transition temperature was important for the improvement seen by stretching in the tensile tester. But it can be argued that Hard latex has a more structured and rigid structure, allowing for a greater degree of reorientation. Soft latex, on the other hand, has less stiffness and thus less reorientation. The result of this study is that when stretching is done in both tensile testing and hydroforming, 8 w/w% nanoclay (bentonite) with Hard latex (styrene-butadiene) can be used advantageously in FibreForm packaging if stretchability is desired while maintaining barrier properties against water vapor. / Sammanfattning Idag har förpackningar fått en betydande roll i matindustrin såväl som andra industrier. Vid bestrykning på förpackningar och papperssubstrat så är det vanligt med pigment- eller barriärbestrykning. Vid pigmentbestrykning så tillförs optiska egenskaper till förpackningen, såsom exempelvis förbättrad tryckbarhet. Vid barriärbestrykning tillförs huvudsakligen kemisk skydd mot exempelvis vatten, vattenånga, fetter eller gaser, och innebär för matförpackningar bland annat att hållbarheten blir längre för livsmedlet. Genom fortsatt utveckling av barriärbestrykningar på förpackningar så förväntas även förpackningens roll i samhället att bli större. I denna laborativa studie undersöks möjligheterna kring töjbara barriärer på papperssubstrat, med fokus på vattenångaresistans.  De formuleringar som togs fram bestod av en latex med låg glasövergångstemperatur (Tg), kallad Soft latex med implementerad nanolera samt en latex med en Tg kallad Hard latex med implementerad nanolera. Soft latex var en Polyolefin dispersion med Tg -30°C, och Hard latex var en Styren-butadien latex med Tg = 0°C. 8 w/w% nanolera var den halt som bedömdes ge förbättringar i de mekaniska samt barriäregenskaper som eftersöktes för de båda latex. För denna studie valdes Bentonit som nanolera, på grund av dess plana samt dess fjälliga (flaky) struktur.  Töjbarheten hos de framtagna barriärformuleringarna testades med töjning i dragprov först i maskin-riktning (MD) och sedan tvär-riktning (CD) samt töjning med hydroforming, med töjning på 3,8/6,7/10,4% för respektive metod. Efter töjning av respektive metod bestämdes överföringshastigheten av vattenångpermabilitet (WVTR) genom barriären. En jämförelse gjordes mellan töjning i dragprov och hydroforming för att få en ökad förståelse kring WVTR-prestationen beroende på metod av töjning.  Soft latex visade en oförändrad vattenångaresistans efter 10,4%-töjning i dragprovaren. Detta tros bero på att nanoleran försvårar vattenångan att genomträngas trots töjning. Vid elektronmikroskop (SEM) kunde det ses att dispersionen av nanolera med Soft latex inte var bra, och därför var inte förbättringarna lika tydliga. Den sämre dispersionen av nanolera i matrisen beror på att Polyolefin saknar polära grupper i dess ryggrad (backbone) samt är väldigt hydrofobt, till skillnad från Bentonit som är hydrofilt. Trots sämre dispersion av nanolera och en töjning på 10,4% i MD + CD, så förbättrades vattenånga permeabiliteten (WVP).För hydroforming var prestationen av Soft latexformuleringen gällande WVTR dåliga, och vid Pinholes test fanns det uppenbara pinholes.  Hard latex visade en tydlig förbättring av WVTR efter 10,4%-töjning i dragprovaren, som tros bero på en omorientering av nanoleran i polymer matrisen vid töjning, vilket kan bekräftas av elektronmikroskop (SEM) där viss omorientering är synlig. Dessutom sågs en tydlig förbättring i WVP trots en lägre barriärtjocklek.För hydroforming var WVTR-värdena liknande till endast Hard latex och 0% nanolera.  Vid töjning var jämförelser beroende på de olika glasövergångstemperaturerna hos polymererna inte möjlig, och därför inte heller möjligt att konstatera ifall glasövergångstemperaturen var viktig för den förbättring som setts trots töjning i dragprovare. Men det kan hävdas att Hard latex har en mer strukturerad och stel struktur, vilket möjliggör en större grad av omorientering. Soft latex däremot, är mindre styvt och mindre ordnat, därav åstadkoms en mindre omorientering.  Resultaten av denna studie är att när stretching görs i både dragprovning och hydroformning, kan 8 w/w% nanoclay (bentonit) med Hard latex (styren-butadien) vara fördelaktig i FibreForm-förpackning om töjbarhet önskas samtidigt som barriäregenskaperna mot vattenånga bibehålls.

The dynamic (ac) Stark effect refers to the energy shifting of electronic states induced by an oscillating electric field. Conveniently, the magnitude of the ac Stark shift scales with the square of the electric field amplitude, i.e. with light intensity. Using this fundamental effect to reshape molecular potentials, and steer the course of chemical reactions, is known as dynamic Stark control. The aim of this study was to investigate the dynamic Stark effect on the photodissociation of molecular oxygen (O2) in the Schumann-Runge continuum, SRC (130–175 nm). Absorption in the SRC leads to dissociation via the so-called B state, yielding O(1D) + O(3P), or the J state, forming O(3P) + O(3P). Both of these dissociative excited states may be well-described in terms of mixed valence and Rydberg state character, in which each of the two states are strongly coupled to a Rydberg state of similar symmetry. Due to the mixed character of the B and J states, simulations predict that dynamic Stark shifting of the coupled Rydberg states leads to a dramatic change in dissociation channel branching ratio, as well as a red-shift of the absorption spectrum. This study aimed at experimentally testing this theoretical prediction. A 400-nm femtosecond laser pulse was employed as a combined pump and control field, simultaneously inducing a three-photon transition into the SRC and ac Stark shifting the potentials. A detection scheme to detect the changes in absorption of the B channel with pump pulse intensity was devised and implemented. The chosen detection scheme, in which emission at 762 nm from the O2(b−X) transition is measured, in principle monitors O(1D) from the B channel via an energy transfer reaction. The experimental results overall show consistency between simulations and experiment. The measured 762-nm emission exhibited a pump pulse intensity-dependence that likely reflects the dynamic Stark reshaping of the excited state potentials. However, saturation is clearly present in the data, complicating data interpretation. Furthermore, deviations between experiment and simulations are large at high pulse intensities, indicating that O(1D) is additionally generated by absorption into higher excited states. Finally, structured features that deviate from the simulations at low pulse intensities may possibly be assigned to vibrational resonances to high-lying Rydberg states by four-photon absorption. / Den dynamiska (ac) Starkeffekten beskriver energiskiftet för elektroniska tillstånd som induceras av ett oscillerande elektriskt fält. Storleken på detta skift ökar med kvadraten av den elektriska fältstyrkan, det vill säga med ljusintensitet. Tillämpningen av denna fundamentala effekt i syfte att omforma molekylära potentialer, och därmed styra kemiska reaktioner, kallas för dynamisk Starkkontroll. Syftet med denna studie var att undersöka hur den dynamiska Starkeffekten påverkar den fotoinducerade dissociationen av molekylärt syre (O2) inom Schumann-Runge kontinuumet, SRC (130–175 nm). Absorption i SRC resulterar i dissociation via det så kallade B-tillståndet, som bildar O  (1D) + O(3P), eller via J-tillståndet, som leder till bildandet av O(3P) + O(3P). Båda dessa dissociativa tillstånd har en karaktär som kan beskrivas som en blandning av ett valenstillstånd och ett Rydbergstillstånd.  Simuleringar antyder att, till följd av valens- och Rydbergskaraktären hos B och J-tillståndet, leder dynamisk Starkskiftning av de kopplade Rydbergstillstånden till en dramatisk ändring i det relativa utbytet för de två dissociationskanalerna, samt till ett röd- skift av absorptionsspektrumet. Denna studie hade som ändamål att experimentellt testa denna teoretiska förutsägelse. En femtosekundslaser vid 400 nm användes som kombinerat excitations- och kontrollfält, vilket parallellt inducerar en trefoton-övergång in i SRC och ac Starkskiftar potentialerna. En detektionsmetod som mäter variationer i absorptionen för B-kanalen som funktion av pulsintensitet designades och implementerades. I den valda metoden detekteras emission vid 762 nm från O2(b − X)-övergången, vilket i sin tur ger en mätning av O(1D) som genereras från B- kanalen via en energiöverföringsreaktion. De experimentella resultaten stämmer relativt väl överens med simuleringarna. Den uppmätta emissionen vid 762 nm uppvisar ett intensitetsberoende som i stora drag reflekterar ac Stark- skiftningen av potentialerna. Utöver detta finns dock ett stort bidrag från mättnad, vilket försvårar tolkningen av datan. Vi-dare avviker den experimentella datan betydligt vid höga pulsintensiteter, vilket sannolikt tyder på att O(1D) även genereras genom absorption till högre exciterade tillstånd. Slutligen ob-serveras mindre, men tydliga avvikelser vid låga pulsintensiteter. Dessa kan möjligen tillordnas vibrationsresonanser med högre Rydbergstillstånd genom fyrfoton-absorption. ​

Laddningsbeteendet hos amingruppen vid ytgränsskiktet mellan vatten och luft har studerats under ändring av vattenfasens pH och NaCl-koncentration via den ickelinjära laserspektroskopiska tekniken, vibrationssumfrekvensspektroskopi (VSFS). Modellen som användes för ytan bestod av ett Langmuirmonolager av 1-docosanamin, en icke-löslig fettkedjeamin med NH2-gruppen riktad mot vattenfasen. En av de huvudsakliga syftena med projektet var att bestämma det skenbara samt yt-pKa:t för amingruppen, såväl som att testa gränserna för de klassiska Poisson-Boltzmann-formuleringarna av teorin för det elektriska dubbellagret. Molekylär information av laddningsbeteendet hos aminen erhölls från VSFS-spektra genom att följa NH-, OH- och CH-sträckningsvibrationsmoderna. Specifikt så identifierades de spektrala dragen från den neutrala formen (R-NH2) och den laddade formen (R-NH3+) av aminen, vilka direkt korrelerades med monolagrets ytladdning. Intensiteten hos OH-banden från vattenmolekylerna i det diffusa dubbellagret kunde länkas till ytpotentialen och CH-vibrationerna från alkylkedjan av amino-tensiden kopplades slutligen till packningstätheten hos monolagret. Ytterligare experiment utfördes med en deutererad vattenfas (D2O) för att bekräfta sträckningsvibrationsmoderna hos NH3+, vilka aldrig tidigare har rapporterats. Resultaten visar på att fettkedjeaminen får ett avsevärt lägre yt- och skenbart pKa jämfört med bulken (∼ 4 jämfört med 10,5). Detta är i enlighet med vad Gouy-Chapmann-modellen av det elektriska dubbellagret förutser. Dessutom så indikerar datat att det inneboende pKa:t hos aminen också blir lägre vid ytan än för bulken (9,7±0,7 jämfört med 10,5), vilket kan beskrivas som en effekt av begränsningen i frihetsgrader hos den ytbundna aminen. Dock, så hindrades en mer utförlig kvantitativ jämförelse mot teorin av ett sämre val av det experimentella referensvärdet som användes för att jämföra data mellan olika dagar. Dessutom så var anpassningsrutinen för datat begränsad på grund av spektrala vibrationsöverlapp mellan de relativt svaga aminbanden och de mycket starkare vatten- och alkylsträckningssignalerna. Intressant nog, för högre pH-värden, då aminen är helt oladdad, bevisade sumfrekvensspektra att hydroxidjonen föredrar att adsorbera till ytan genom att monolagret fick en negativ nettoladdning. Överlag så förbättrar studierna som presenteras i denna master-projektuppsats vår molekylära förståelse kring hur den biofysiskt betydande amingruppen beter sig vid ytgränsskikt. / The charging behaviour of the amine moiety at the water-air interface upon changes in the aqueous subphase pH and NaCl concentration has been studied using  the non-linear laser spectroscopy technique, Vibrational Sum Frequency Spectroscopy (VSFS).  The model surface consisted of a Langmuir monolayer of 1-docosaneamine, an insoluble fatty amine that exposes its NH2  group to solution. One of the main purposes of the project is to determine the surface, and the apparent pKa of the amine moiety, as well as testing the limits of validity of classical formulations of the electrical double layer theory within the Poisson-Boltzmann formalism. Molecular information of the charging behaviour was obtained from the VSFS spectra by targeting the NH, OH and CH stretching modes. Specifically, spectral features from the neutral amine (i.e. R-NH2) and charged (R-NH3+) groups could be identified and directly correlated to the surface charge of the monolayer. The intensity of the  OH bands from water molecules in the diffuse double layer, were linked to the surface potential, and finally, the CH modes from the surfactant alkyl chain gave information of the packing density in the monolayer. Additional experiments were also carried out in D2O to help confirm the assignment of the NH3+ stretching modes that had not been previously reported. The results show that as predicted from the Gouy-Chapman electric double layer model, the apparent pKa of the fatty amine monolayer is significantly lower than in the bulk  (∼ 4 compared with 10.5) . However, the data show indication that the intrinsic pKa at the surface is also lower than in the bulk (9.7+/- 0.7, compared to 10.5), an effect that is ascribed to the 2D molecular confinement in the monolayer. A more quantitative comparison with the theoretical predictions was nonetheless hampered by a poor selection of the experimental reference for comparing data collected in different days, and the limitations in the fitting routines due spectral overlap of the relatively weak amine bands with the OH and CH stretching modes. Interestingly, at high pH when the fatty amine is fully uncharged, the sum frequency spectra show evidence that OH- ion preferentially adsorbed to the surface, making it effectively net negatively charged. Overall, the studies presented in this master thesis, improve our molecular understanding of the behaviour of the biophysically relevant amine-functionality at interfaces.

Koherent Diffraktionsavbildning med en intensiv röntgenpuls från en Frielektronlaser har möjliggjort strukturbestämning av isolerade nanopartiklar som inte går att studera med hjälp av konventionella metoder, så som elektronmikroskopi. En mycket kort pulslängd tillsammans med spridningssignalens beroende av objektets elektroniska struktur medför också möjligheten att studera inducerad ultrasnabb dynamik med denna teknik. I detta projekt studerades joniseringspåverkan av Xe hos Xe-Ar core-shell-nanokluster. Enligt teorin har neutral Xe lägre spridningstvärsnitt under dess 3d-resonans än det motsvarande för fotonenergier över 3d-resonansen. Därför var en hög kontrast i klustren förväntad vid energier över dess 3d-resonans. I stället observerades mörkare regioner liknande hål i rekonstruktioner från de experimentella resultaten vid energier över 3d-resonansen hos Xe. En möjlig förklaring var jonisering av neutral Xe. För att undersöka detta skapades 3D modeller av Xe-Ar nanokluster för att simulera den interaktionen mellan intensiva röntgenpulser och nanokluster. Diffraktionsmönstren som genererades med hjälp av 3D-modellerna användes sedan för att utföra Iterativ fasrekonstruktion och rekonstruera partikeldensiteten. Brytningsindex av neutral Xe och de första tio jontillstånden hos Xe beräknades med hjälp av en modell konstruerad i detta projekt, kallad för step-model. Följaktligen introducerades samtliga jontillstånden hos Xe från 0 till 10 in i 3D modeller av Xe-Ar nanoklustren med brytningsindexen av jontillstånden uppskattade med hjälp av Kramers-Kronig-relationerna. Här antogs det att samtidigt som resonansen för varje Xe-jon förflyttas visar 𝛽 (det vill säga den imaginära komponenten i det komplexa brytningsindexet) som en funktion av fotonenergin, ett icke-monotoniskt beteende med en förändring i fotonenergin. Simuleringsresultaten erhållna med hjälp av Kramers-Kronig-relationerna visade en avtagande trend för 𝛽 i Xe-joner med en laddning> 4+ till skillnad från en ökning i 𝛽 för joner med en laddning <4+ relativt dess motsvarande för neutral Xe. Denna metod ansågs tillräcklig för att användas som en första approximation. Dessa resultat visade att ju mer Xe joniseras (och därför minskar 𝛽) desto mer transparenta blir Xe-jonerna under en laserpuls och därför ser de mörkare ut jämfört med Ar som har sin resonans långt ifrån fotonenergierna relevanta för detta projekt (660–760 eV). Vidare simulerades temporära förändringar i Xe-jonpopulationer för att bekräfta de erhållna simuleringsresultaten via step-model. En massiv energideposition då den intensiva röntgenpulsen träffar Xe-kärnorna initierar en serie av joniseringsmekanismer under de första få femtosekunderna av pulsen. Simuleringar för de jonpopulationer som uppstår och försvinner under förloppet av en 100 femtosekunder-lång röntgenpuls visade att jontillstånd mellan 1+ och 10+ är redan förbrukade efter några få femtosekunder vid 1016 W/cm2. Vid slutet av pulsen observerades endast högt laddade Xe-joner (upp till 35+). Den slutsats som drogs var därför att mörkare regioner som liknade hål och observerades i rekonstruktioner från experimentella data var en konsekvens av en förflyttning av resonansen hos de högt laddade Xe-joner (>4+) relativt dess motsvarande i en neutral Xe så att deras spridning minskar. / Coherent Diffraction Imaging with intense x-ray pulses from X-ray Free-Electron Lasers has enabled structure determination of isolated nanoparticles, that cannot be studied with conventional methods, such as electron microscopy. The very short pulse durations and the intrinsic dependence of the scattering signal on the electronic structure of the scattering object also allow studying ultrafast light-induced dynamics with this technique. In this project, the ionization impact of Xe on Xe-Ar core-shell nanoclusters was studied. Theory predicts that neutral Xe has a lower scattering cross-section below its 3d resonance than that at photon energies above its 3d resonance. Therefore, a high contrast in clusters above the neutral Xe’s 3d resonance is expected. However, in the experimental data, unusual dark features resembling holes were observed at energies above Xe’s 3d resonance. As possible explanation, ionization of neutral Xe was suggested. To investigate this, 3D models of Xe-Ar nanoclusters were created to simulate the interaction of intense x-ray pulses and nanoclusters. The diffraction patterns generated by these 3D models were used to perform Iterative Phase Retrieval to reconstruct the particle densities. The refractive indices of neutral Xe and Xe’s first ten ionic states were computed using a model designed in this project, called the step-model. Hence, each and every ionic state of Xe from 0 to 10 were introduced into the 3D models of the Xe-Ar nanoclusters with refractive indices of the ionic states estimated based on the Kramers-Kronig relations. Here, it was assumed that as the resonance is shifting for every ionic state of Xe, 𝛽 (i.e the imaginary component of the complex refractive index) as a function of photon energy shows a nonmonotonic behavior as the photon energy is varied. The simulation results by Kramers-Kronig relations showed a decrease in 𝛽 for ionic states > 4+ in contrast to an increase in 𝛽 for ions with charges < 4+ relative to that of neutral Xe. This approach was sufficient to be used as a first approximation. The results showed that Xe ions become more transparent to the laser pulse as their charge increases (and 𝛽 thereby decreases) and therefore they appear darker than Ar, which has its resonance far away from photon energies relevant for this project (660–760 eV). Furthermore, temporal changes in ionic populations of Xe were simulated to confirm the simulation results obtained by the step-model. The massive energy deposition upon interaction with the intense laser pulse launches a series of ionization events in the Xe cores during the first few fs of the x-ray pulse. The simulation of ionic populations emerging and depleting during the 100-fs-long 1016 W/cm2 x-ray pulse showed that ionic states 1+ to 10+ are depleted already after a few fs. By the end of the pulse, only highly charged (up to 35+) Xe ions are observed. Therefore, it was concluded that the dark features resembling holes in reconstructions from the experimental data were a consequence of a shift in the resonance of highly charged Xe ions (>4+) relative to that of neutral Xe so that their scattering decreases.

The purpose of this research was to investigate the kinetics and mechanisms of the photocatalytic degradation of organic substances in the presence of anions (bromide and chloride), using titanium dioxide as a photocatalyst. Tris(hydroxymethyl)aminomethane (Tris) and methanol were the organic substances used as probes. Photocatalytic degradation of the probes produces formaldehyde through reaction with hydroxyl radicals at the surface of the photocatalyst. The product was quantified using a modified Hantzsch reaction and UV-Vis spectroscopy at the fixed wavelength 368 nm. It was found that having bromide present in the reaction mixture resulted in an increase in the rate of formation of formaldehyde from Tris, while it resulted in a decrease from methanol. Bromide on the surface of the photocatalyst reacts with the hydroxyl radicals to form reactive halogen species (RHS). This study proposes that the RHS Br2•- oxidises the probe into a cation radical, which initialises the probe degradation and the subsequent formation of formaldehyde. Conversion from hydroxyl radicals to RHS leads to a greater selectivity in formaldehyde production. Increased selectivity of attack towards electron-rich centres can explain the observed results with the different probes in this study. A linear combination expression of the total production of formaldehyde was developed, through which the X-factor, a ratio of the production of formaldehyde by RHS relative to the production of formaldehyde by hydroxyl radicals, was calculated. However, no realistic values were obtained when calculating the X-factor for different anion concentrations, thus indicating that factors other than competition kinetics affect the degradation. No conclusions could be drawn regarding the effect of chloride on the formation of formaldehyde from Tris and methanol, as the results were ambiguous. / Syftet med denna studie var att undersöka mekanismer och kinetik bakom fotokatalytisk nedbrytning av organiska molekyler i närvaro av anjoner (bromid och klorid), där titandioxid användes som fotokatalysator. Tris(hydroxymetyl)aminometan (Tris) och metanol var de organiska substanserna som studerades. Den fotokatalytiska nedbrytningen av proberna resulterar i formaldehyd via reaktion med hydroxylradikaler på fotokatalysatorns yta. Produkten kan sedan kvantifieras genom en modifierad version av Hantzsch-reaktionen följt av UV-Vis spektroskopi vid en fixerad våglängd på 368 nm. Studien kom fram till att närvaron av bromid i reaktionslösningen resulterade i en ökad produktionshastighet av formaldehyd från Tris, medan det resulterade i en minskning från metanol. Bromid på ytan av fotokatalysatorn reagerar med hydroxylradikaler och bildar reaktiva halogena molekyler (RHS). Denna studie föreslår att RHS:en Br2•- oxiderar proben till en radikalkatjon, som initierar nedbrytningen av proben och efterföljande bildning av formaldehyd. Omvandling från hydroxylradikaler till RHS leder till högre selektivitet av bildning av formaldehyd. Ökad selektivitet av attacker mot elektronrika center kan förklara de observerade resultaten med de olika proberna i denna studie. Ett linjärkombinationsuttryck av den totala produktionen av formaldehyd utvecklades, från vilket X-faktorn, ett förhållande av produktionen av formaldehyd via RHS relativt till produktionen av formaldehyd via hydroxylradikaler, kunde beräknas. Inga realistiska värden erhölls dock vid beräkningen av X-faktorn för olika anjonskoncentrationer, vilket indikerar att andra faktorer än konkurrenskinetik påverkar nedbrytningen. Inga slutsatser kunde dras gällande klorids effekt på bildningen av formaldehyd från Tris och metanol, då resultaten var tvetydiga.

Under det här kandidatexamensarbetet har protein-nanofibers påverkan på material undersökts genom att jämföra fibrillerade filmer med ofibrillerade. Sojaproteinisolat fibrillerades under förhållandena pH 2 och 85 ◦C under minst ett dygn och de syntetiserade nanofibrerna analyserades med Thioflavin T (ThT) fluorescens och atomkraftsmikroskopi (AFM). Spektra från analysmetoden ThT fluorescens indikerade på förekomsten av β-flak och analyserna med AFM visade på att fibrerna hade en morfologi som är karakteristisk för protein-nanofibrer. Resultaten antyder att de parametrar som påverkar morfologin hos fibrerna är fibrilleringstid och typ av protein. De gjutna filmerna från fibrillära respektive ofibrillära proteiner var sammanhängande bortsett från vissa sprickor. Värdena på E-modulen från AFM visade att det fibrillerade materialet var mer heterogent än det ofibrillerade. Filmer med sammanhängande yta erhölls vid tillsats av det mjukgörande additivet glycerol. Slutligen, material av både fibrillär och ofibrillär form kan framställas, däremot krävs vidare forskning för att optimera materialens egenskaper. / During this bachelor thesis project, the impact of protein nanofibers on materials has been analysed by comparing films made from fibrillar and non-fibrillar protein. Fibrillation of soy protein isolate was performed during at least 24 hours at pH 2 and a temperature of 85 ◦C. Analysis of the nanofibers was made with Thioflavin T (ThT) fluorescence and atomic force microscopy (AFM). The spectra from ThT Fluorescens indicated the presence of β-sheets and AFM confirmed that the fibrils had a morphology that is characteristic of protein nanofibers. The results indicated that heating time and protein type were the parameters which had the largest impact on the morphology of the fibrils. The synthesised films from both fibrillar and non-fibrillar protein were coherent with exception of some cracks. The elastic modulus from AFM indicated that the fibrillar film was more heterogeneous compared to the non-fibrillar film. To attain coherent films, the plasticising agent glycerol was added. To summarise, both fibrillar as well as non-fibrillar materials were successfully synthesised, however, further research is necessary to optimise the properties of the material.

Vibrational sum frequency spectroscopy har använts för att studera interaktionerna mellan monovalenta joner och laddade fettsyramonolager. Subfasen bestod av utvalda alkalihydroxidsaltlösningar med pH12, med huvudfokus på cesiumjonen. Molekylär information erhölls genom att rikta in sig på vibrationerna hos karboxylsyragruppen, alkylkedjor, och vattenmolekyler i kontakt med monolagret, samt i det diffusa dubbellagret. Ytans laddning uppskattades genom att observera sträckningsvibrationerna hos hydratiserade karboxylat och protonerade karboxylsyror. Ytans potential beräknades utifrån signalresponsen hos vattenmolekylerna i det diffusa dubbellagret. Beteendet hos ytans laddning och potential överensstämmer väl med Gouy-Chapman-teorin för stora områden per molekyl, men avviker avsevärt vid kompression av monolagret. Vid små områden per molekyl, eller hög laddningsdensitet, stämmer resultaten bättre överens med en storleksmodifierad version av Poisson-Boltzmann-teorin. Resultaten från experiment med en cesiumhydroxidsubfas jämfördes med motsvarande experiment med natrium och litium, vilket beskriver cesiumjonen i relation till de andra alkalijonerna vad gäller jonspecifika effekter. Resultaten som har samlats in här ger insikt i hur effektiv jonstorlek kan användas för att modellera och förutsäga jonspecifika effekter med karboxylsyragruppen i ett Langmuir-monolager. / Vibrational sum frequency spectroscopy has been used to study the interactions of monovalent ions with highly charged fatty acid monolayers. The subphase consisted of selected alkali hydroxide salt solutions of pH 12, primarily focusing on the cesium ion. Molecular information was obtained by targeting the vibrational modes of the carboxylic acid headgroups, alkyl chains, and water molecules in the immediate surface and diffuse double layers. The surface charge was estimated by monitoring the stretching modes of the hydrated carboxylate and protonated carboxylic acid. The surface potential was estimated from the signal response of the water molecules in the diffuse double layer. The behaviour of the surface charge and surface potential agrees well with Gouy-Chapman theory for large areas per molecule, but deviates significantly upon monolayer compression. At small areas per molecule or high surface charge density, the results better align with a size-modified version of the Poisson-Boltzmann theory. The results obtained with a cesium hydroxide subphase were compared to equivalent experiments with sodium and lithium, which puts the cesium ion into context with the other alkali ions in terms ion specific effects. The results collected here provide insight into how effective ion size can be used in modelling and predicting ion specific effects with the carboxylic acid moiety in a Langmuir monolayer.

Aluminium och aluminiumlegeringar har ganska bra korrosionsbeständighet, men dessa material kan fortfarande korrodera. Metallkorrosion är aldrig önskvärt och det kan leda till katastrofala resultat i olika branscher och applikationer. Det finns olika metoder för att skydda aluminium och dess legeringar från korrosion, såsom anodisering och användning av olika beläggningstekniker. Inte mycket forskning har gjorts på aluminium belagd med en organisk beläggning innehållande ledande polymer. Ännu mindre är känt om aluminium belagt med en vattenbaserad polymer matris innehållande ledande polymer.  Tre system undersöktes i mitt examensarbete om deras korrosionsskyddande egenskaper. För detta ändamål användes elektrokemisk impedansspektroskopi, öppen kretspotential och potentiodynamisk polarisering, samt gjordes även en del atomkraftsmikroskopi, AFM, mätningar. Aluminium belagt med en vattenbaserad polymer matris i frånvaro av PANI hade ett bra korrosionsskydd först men reducerade barriäregenskaper över tiden i 1 M NaCl. Hållbarheten för den vattenbaserade polymer matrisen i frånvaro av PANI undersöktes också kort. Det visades att en nygjord vattenbaserad polymer matris uppvisade bättre korrosionsskydd än en 2 år gammal vattenbaserad polymer matris lagrad vid rumstemperatur.  Aluminium belagt med den vattenbaserade polymer matrisen i närvaro av PANI visade initialt tecken på aktivt korrosionsskydd men övergick till passivt korrosionsskydd med tiden. Atomkraftmikroskop användes i olika lägen för att få insikt om den vattenbaserade polymer matrisen i närvaro av PANI. Ett ledande nätverk observerades i AFM-mätningarna och konfokalt ljusmikroskop antydde verkligen att detta skulle vara fallet. Det ledande nätverket i den vattenbaserade polymer matrisen kan förklara det aktiva korrosionsskyddet som observerades initialt. Fler studier behövs för att få insikt om de kemiska processerna vid gränssnittet mellan aluminiumlegeringen och den vattenbaserade polymer matrisen i närvaro av PANI. / Aluminum and aluminum alloys have rather good corrosion resistance, but these materials can still corrode. Metal corrosion is never wanted, and it can lead to disastrous outcomes in various industries and applications. There are different methods to protects aluminum and its alloys from corrosion, such as anodization and the use of various coatings techniques. Not a lot of research have been done on aluminum coated with an organic coating containing conductive polymer. Even less is known about aluminum coated with a waterborne polymer matrix containing conductive polymer.  Three systems were investigated in my diploma thesis work regarding their anti-corrosion properties. To this end electrochemical impedance spectroscopy, open circuit potential and potentiodynamic polarization were utilized, and also some atomic force microscopy, AFM, measurements were done. Aluminum coated with a waterborne polymer matrix in the absence of PANI had a good corrosion protection at first but reduced barrier properties over time in 1 M NaCl. The shelf-life of the waterborne polymer matrix in the absence of PANI was also briefly investigated. It was shown that a freshly made waterborne polymer matrix exhibited better corrosion protection than a 2 years old waterborne polymer matrix stored at room temperature.  Aluminum coated with the waterborne polymer matrix in the presence of PANI showed signs of active corrosion protection initially, but it transitioned to passive corrosion protection with time. Atomic force microscopy was used in various modes to gain insight on the waterborne polymer matrix in the presence of PANI. A conducting network was observed in the AFM measurements and confocal light optical microscopy indeed suggested that this would be the case. The conducting network in the waterborne polymer matrix could explain the active corrosion protection observed initially. More studies are needed to gain insight on the chemical processes at the interface of the aluminum alloy and the waterborne polymer matrix in presence of PANI.

Nanomaterial produceras och används alltmer i tekniska lösningar för att förbättra t.ex. materialegenskaper. Eftersom ett materials egenskaper förändras när det är i nanoskala så påverkas även dess toxikologiska egenskaper. För närvarande finns det ett flertal rapporter om oavsiktligt bildande av metalliska nanopartiklar, Me NPs, vid byggarbetsplatser, vilket riskerar att byggarbetarna exponeras för att andas in dessa partiklar.  På grund av nanomaterialens storleksberoende egenskaper så är inte dagens toxikologiska utvärderingsmetoder sällan anpassade för dessa typer av material. Att undersöka växelverkan mellan Me NPs och pulmonella biomolekyler och utveckla metoder för analys därför av hög prioritet.  I detta examensarbete har en metod för upplösning av det pulmonellt ytaktiva ämnet fosfolipid 1,2-dipalmitoylfosfatidylkolin, DPPC, baserat på sonikering i vattenbad testats och utvärderats. Den simulerade lungvätskan Gambles lösning har testats och utvärderats som en möjlig lösning för att studera växelverkan mellan DPPC och Co NPs. Växelverkan mellan dess komponenter och Co NPs har studerats med hjälp av PCCS, NTA samt ATR-FTIR. Då examensarbetet genomfördes under den pågående Covid-19 pandemin har anpassningar i det experimentella arbetet gjorts med hänsyn till det rådande läget. PCCS visade att vid upplösning av DPPC i lösningen så minskade sonikering omfattningen av sedimentationen och den resulterande storleken på liposomerna låg inom intervallet mellan 50 och 70 nm i ultrarent vatten och mellan 30 och 40 nm i Gamble’s lösning. Skillnaden i liposomstorlek tros bero av växelverkan mellan komponenterna i Gamble’s lösning och DPPC, vilket även observerades med FTIR och överensstämmande med litteraturen. Den relativa skillnaden i liposomstorlek i de olika lösningarna observerades också med NTA, men experimentella problem kan ha påverkat resultaten. Gamble’s lösning hade en inverkan på Co NPs i lösningen, bland annat genom att uppmätta partikelkoncentrationer bestämde med hjälp av PCCS och NTA var mindre än hälften av motsvarande koncentration initialt i ultrarent vatten (vid 0 h). En trolig förklaring är att den högre jonstyrkan hos Gamble’s lösning orsakar snabb sedimentation och/eller snabb upplösning av Co NPs. Tillsättning av DPPC till en lösning av Co NPs i Gamble’s lösning släckte ut effekten, vilket indikerar en växelverkan mellan Co NPs och komponenter i Gamble’s lösning. Jämförelse av normaliserade integraler från ATR-FTIR med DPPC i Gamble’s lösning utan Co NPs och när lösningen exponerades för en Co NP film visade en signifikant skillnad efter 90 min och vid sköljning. Baserat på projektets resultat så föreslås Gamble’s lösning att bytas ut på grund av dess växelverkan med de olika komponenterna samt att liposomstorleken studeras mer i detalj. Framtida studier uppmuntras omfatta en upprepning av ATR-FTIR- mätningarna samt en frisättningsstudie av Co NPs i olika lösningar. / Nanomaterials, NMs, are increasingly produced and applied in technical applications to enhance, e.g. material properties. Since material properties change when in nanoscale, they influence their toxicological properties. There are also numerous reports of incidental formation of metallic nanoparticles, Me NPs, at construction sites, which may place workers at risk of occupational exposure by inhaling these materials. However, because of NMs size-dependent properties, current standard toxicological evaluation methods are not always well suited to these types of materials. Investigations into interactions between Me NPs and pulmonary biomolecules and method development for analysis of these interactions are therefore of high priority. In this master thesis, a description on how to dissolve the pulmonary surface active phospholipid 1,2-dipalmitoylphosphatidylcholine, DPPC, via water bath sonification has been elaborated and evaluated. The simulated lung fluid, Gamble’s solution, has been tested and evaluated as a possible medium to study interactions between DPPC and cobalt (Co) NPs under more realistic laboratory conditions. Interactions between the sample components have been studied using Photon cross-correlation spectroscopy, PCCS, Nanoparticle Tracking Analysis, NTA, and Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared Spectroscopy, ATR-FTIR. Since the master thesis study was conducted during the onset of the Covid-19 pandemic, adjustments related to experimental work had to be made. PCCS showed that sonication of the DPPC solution reduced the extent of sedimentation, and the resulting size range of liposomes in solution was in the range between 50 and 70 nm in ultrapure water and between 30 and 40 nm in Gamble’s solution. Observed differences in liposome size are believed to be due to the interaction between the components of Gamble’s solution and the DPPC. This was also observed in the IR- spectra and comparable with literature findings. NTA measurements similarly visualize the relative difference in the size of the liposomes in the different media, but difficulties with the experiments may have affected the results. Gamble’s solution affected the Co NPs, such that measured particle concentrations of the NPs by means of PCCS and NTA were approximately less than half of the initial observations in ultrapure water (at 0 h). A likely explanation is that the high ionic strength of Gamble’s solution induces either fast sedimentation and/or rapid dissolution of the Co NPs. The addition of DPPC to Co NPs in Gamble’s solution cancelled this effect and suggest interactions between Co NPs and Gamble’s solution. Comparison of the normalized integrals of the ATR-FTIR- spectra of DPPC in Gamble’s solution with and without exposure to a Co NP film showed a significant difference after 90 min and upon rinsing the flow cell. Based on these results, an alternative to Gamble’s solution is suggested due to its interaction with other experimental components and that DPPC is used at a lower concentration investigation on liposome sizes are made in more detail. In addition, the ATR-FTIR measurements should be repeated, and dissolution studies of Co NPs in different synthetic media are encouraged in future studies.

Fuktbevarare är de produkter som oftast skrivs och rekommenderas av dermatologer, och den vanligaste typen av fuktgivare är lotioner och krämer. Dessa produkter är emulsioner, vilka ofta innehåller medicinsk vit olja (MWO) på grund av deras skyddande egenskaper samt enastående hudkompabilitet. Traditionellt så har de MWO som används varit parafinska. Då naftenoljor ofta har visat sig ha bättre emulsions stabilitet, har detta examensarbete ämnat attjämföra emulsions stabiliteten för Nynas ABs nya MWO, N-MWO, med en parafinsk motsvarighet, P-MWO. Jämförelsen av de två oljorna genomfördes genom att variera följande faktorer: olje- och emulgator typ, koncentration av emulgator samt både med och utan parfym. De två emulgator system som användes bestod av Promulgen D (en kommersiell produkt från Lubrizol) samt kombinationen av Tween 80 och Span 20. Bättre emulsionsstabilitet och mindre droppstorlek och fördelning utficks då högre koncentration Promulgen D användes. En högre koncentration av Tween 80 och Span 20 gav dock inte samma gynnsamma effekt. Resultaten från samtliga tester påvisade att emulsions stabiliteten inte påverkades utav parfym. Det som istället gav störst påverkan var typ av emulgator. De prover som innehöll P-MWO samt Tween 80 och Span 20 fasseparerade. Detta berodde dock troligen mer på att P-MWO inte var kompatibel med dessa emulgatorer eftersom oljetypen inte påverkade emulsionsstabiliteten när Promulgen D användes som emulgator. / Moisturizers are the most prescribed products in dermatology, and the most common type of moisturizer delivery systems are lotions and creams. These are emulsions and often contain medical white oil (MWO) due to their protective properties and excellent skin compatibility. The MWO used in cosmetics have traditionally been paraffinic. However, as naphthenic oils often have been proven to create better emulsion stability, this thesis aimed to compare Nynas AB's new MWO, N-MWO, with a paraffinic oil, P-MWO, with similar properties regarding their emulsion stability. The two oils were compared by analyzing their emulsion stability using a rheometer and a Mastersizer 3000 while varying the following factors: type of oil, type of emulsifier, emulsifier concentration, and with and without perfume. The two emulsifying systems used were the commercial product Promulgen D from Lubrizol and the combination of Tween 80 and Span 20. Better emulsion stability and smaller droplet size distribution were obtained when a higher content of Promulgen D was added. However, a higher concentration of Tween 80 and Span 20 did not have the same favorable effect. The results showed that the addition of perfume had no effect, while the type of emulsifier influenced the emulsion stability the most. The samples made from Supela 240 and Tween 80 and Span 20 phase separated. This was more likely due to P-MWOs incompatibility with these emulsifiers as oil type did not influence the emulsion stability when Promulgen D was used as an emulsifier.