Mechanical engineering and materials Books

Book SynopsisSilicon The expert reference on sustainable and energy-efficient production of photovoltaic-grade silicon materials Electrochemical methods, in particular molten-salt approaches, are a cost-effective, energy-efficient, and highly sustainable approach for producing solar-grade silicon. Surface micro- and nanostructuring methods for effective light harvesting, silicon electrorefining in molten salts, electrodeposition of photoresponsive films, and other related processes are likely to replace conventional carbothermic production methods. Silicon: Electrochemistry, Production, Purification and Applications presents an up-to-date summary of recent experimental and technological developments in the field, highlighting sustainable and energy-efficient processes for high-grade silicon production for a variety of photovoltaic and energy applications. Presented in a logical and concise format, this authoritative volume details the fundamental properties and technical processes of metal-grade silicon production and describes the various electrochemical methods for high-grade silicon production. Topics include silicon surface modification, chemical-physical structuring, porous and black silicon, electrochemical Si surface structuring and anodizing in molten salts, and more. Reviews the sustainable and energy-efficient production and purification of photovoltaic-grade silicon materials Summarizes recent progress in sustainable processes for high-grade silicon production Describes electrochemical methods for silicon production such as electrolysis, electrodeposition, and electrorefining Concludes with a discussion of future challenges and opportunities Written by a leading researcher in the field, Silicon: Electrochemistry, Production, Purification and Applications is a valuable resource for chemists and material scientists in academia and industry, particularly those working in sustainable energy development, photovoltaics, light harvesting efficiency, solar-to-chemical conversion, and production of solar-grade silicon, batteries, photoelectrodes, or silicon-based semiconductors.Table of Contents1. Introduction 2. Historical overview of silicon production 3. Physical and chemical properties of silicon 3. Production of metal grade silicon 4. Refining of silicon: from metal to electronic grade 5. Basics of semiconductor electrochemistry, photo-effects 6. Silicon equilibrium and electrolysis in aqueous electrolytes: - Thermodynamic stability, native oxide - Surface termination effects - Photoelectrochemical effects - Anodic polarization, surface passivation - Cathodic polarization 7. Porous silicon: formation, mechanisms and morphology - Etching in fluoride solutions - Etching in alkaline solutions 8. Electro-deoxidation of solid compounds in molten salts 9. Silicon electrochemistry in molten salts - toward low-carbon economy 10. Voltammetry and basic reactions of silicon as an electrode in molten CaCl2 11. Electrochemical production of Si in molten CaCl2 from SiO2 12. Electrodeposition of thin Si films - Electrodeposition in molten fluoride electrolytes - Si films from molten CaCl2: photoactive layers and p-n junction 13. Electrodeposition of Si from ionic liquids and organic solvents 14. Purity concerns and solutions 15. Silicon electrorefining in molten salts 16. Silicon surface structuring - Chemical-physical structuring - Electrochemical Si surface structuring in molten salts -- Anodizing in molten salt -- Microcolumnar and amorphous structures -- Electro-Deoxidation of SiO2 layers 17. Black silicon 18. Synthesis of nanowires and implications for Li-batteries production 19. Silicon compositions - perspectives for semiconductor production - Silicon carbide - Silicides 20. Concluding remarks, future opportunities and challenges 21. References

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Book SynopsisSmart Stimuli-Responsive Poymers, Films, and Gels Discover the most important developments in synthesis, simulation, and applications of a fascinating compound class There exist a range of natural materials that respond to environmental changes by altering their physical or chemical properties, known as stimuli-responsive polymers, these substances are responsive to light, temperature, pressure, and more. The study of these so-called “smart” polymers is essential to a range of application fields, many of which have generated cutting-edge research in recent decades. A comprehensive introduction to the subject is therefore well-timed Smart Stimuli-Responsive Polymers, Films, and Gels provides an introduction to these polymers and their applications. It includes producing these polymers through synthetic approaches, simulating their responses to different stimuli, and applying these materials in different industries and research capacities. Written to serve the requirements of advanced students and senior researchers alike, this timely work will drive years of research in this vital field. In Smart Stimuli-Responsive Polymers, Films, and Gels readers will also find: Treatment of mechanoresponsive, photoresponsive, and ionizing-radiation responsive polymers Applications in emerging fields such as sensors, biomedicine, catalysis, and more Interdisciplinary research into the properties and responses of these vital compounds Smart Stimuli-Responsive Polymers, Films, and Gels promises to become a seminal work for chemists, materials scientists, and industrial researchers seeking to incorporate these materials into a variety of industrial and research areas.Table of ContentsATRP Polymerization to Form Stimuli-Responsive Polymers RAFT Polymerization to Form Stimuli-Responsive Polymers Simulation of Stimuli-Responsive Polymers Stimuli-Responsive Polymer Assemblies Stimuli-Responsive Polymer Brushes on Surfaces/Interfaces Stimuli-Responsive Supramolecular Materials via Host-Guest Interactions Stimuli-Responsive Polymer-Based Hydrogels and Micro(nano)gels Smart DNA Hydrogels Smart Nanopores and Nanochannels Stimuli-Responsive Polymers for Biomedical Applications Smart Flexible Electronics Stimuli-Responsive Polymer-Based Sensors Stimuli-Responsive Polymer-Based Actuators Stimuli-Responsive Polymers for Detection of Harmful Radiation Stimuli-Responsive Polymers for Tunable Catalysis

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Explores the sustainable production of carbon materials and their applications Of increasing interest to practitioners and researchers in a variety of areas, biomass-derived carbon materials can be easily produced and possess the large surface areas and porosities that enable many applications in materials science, biochemistry, chemistry, and energy research. In Biomass-Derived Carbon Materials: Production and Applications, a team of accomplished researchers delivers a thorough and up-to-date exploration of the preparation and activation processes of biomass-derived carbon materials, the fabrication of composites, and assorted and multidisciplinary applications of the technology. The book also covers future opportunities for research and application. Introductory chapters provide information about the production, functionalization, and characterization of biomass-derived carbon materials, while the latter parts of this edited volume discuss the applications of biomass-derived carbon materials such as catalysis, sensors, microbicidal activity, toxic chemicals removal, drug delivery, and energy conversion and storage applications. The book also includes: A thorough introduction to the production of biomass-derived carbon materials, as well as their characterization Comprehensive explorations of biomass-derived carbon-based materials for microbicidal applications and carbon-based nanomaterials prepared from biomass for catalysis Practical discussions of biomass-derived carbon quantum dots for fluorescence sensors and mesoporous carbon nanomaterials for drug delivery and imaging applications In-depth examinations of biomass-derived carbon as electrode materials for batteries and porous carbon synthesized from biomass for fuel cells Ideal for materials scientists as well as industrial chemists and biochemists, Biomass-Derived Carbon Materials: Production and Applications also belongs in the libraries of electrochemists and sensor developers.

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Book SynopsisNanotechnology for Environmental Remediation Comprehensive resource on using nanomaterials to alleviate environmental pollution Contaminated land, soil and water pose a threat to the environment and health. These sites require immediate action in terms of assessing pollution and new remediation strategies. Nanotechnology for Environmental Remediation helps readers understand the potential of nanotechnology in resolving the growing problem of environmental contamination. The specific aim of this book is to provide comprehensive information relating to the progress in the development of functional nanomaterials and nanocomposites which are used for the environmental remediation of a variety of contaminants. The work deals with the different aspects of nanotechnology in water, air and soil contamination and presents the recent advances with a focus on remediation. Core topics discussed in the work include: Nanotechnology that can be used to engineer and tailor particles for specific environmental remediation applications A big-picture conceptual understanding of environmental remediation methods for researchers, environmentalists and professionals involved in assessing and developing new nano-based strategies A detailed approach towards the different remediation procedures by various nanomaterials such as metal nanoparticles, polymeric nanoparticles, carbon nanotubes, and dendrimers The societal impact that nanotechnology has on the environment Chemists and biotechnologists can use Nanotechnology for Environmental Remediation as a comprehensive reference work for thoroughly understanding this new type of technology and why it is so important when considering environmental remediation efforts. Due to the practical application of nanotechnologies, environmental organizations and agencies can also both utilize the work to explore new and more effective ways of doing things, both now and into the future as nanotechnology becomes more common.Table of Contents1.Science and Technology of Nanomaterials: Introduction 2.Nanobioremediation 3.Nanotechnology in soil remediation 4.Nanotechnology in water treatment 5.Nanotechnology in air pollution remediation 6.Nanomaterials in filtration 7.Nanoadsorbents for environmental remediation 8.Iron nanoparticles for environmental remediation 9.Metal oxide nanoparticles for environmental remediation 10.Biopolymeric nanoparticles for environmental remediation 11.Functionalized nanoparticles for environmental remediation 12.Dendrimers for environmental remediation 13.Nanocrystals for environmental remediation 14.Carbon nanotubes for environmental remediation 15.Enzyme nanoparticles for environmental remediation 16.Nanofibres for environmental remediation 17.Nanocomposites for environmental remediation 18.Nanocatalysts in environmental applications 19.Aerogels for environmental remediation 20.Nanomaterials based environmental sensors 21.Intelligent nanomaterials for environmental remediation 22.Environmental Toxicology of Nanomaterials: Challenges 23.Societal impact of nanomaterials 24.LCA of nanomaterials for bioremediation

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Book SynopsisNatural and Synthetic Fiber Reinforced Composites Discover a comprehensive exploration of fiber reinforced polymers by an expert team of editors Fiber reinforced polymer (FRP) composites offer several unique properties that make them ideal for use in a wide range of industries, from automotive and aerospace to marine, construction, and co-industrial. In Natural and Synthetic Fiber Reinforced Composites: Synthesis, Properties and Applications, a distinguished team of mechanical engineers delivers a comprehensive overview of fiber reinforced composites. This edited volume includes thorough discussions of glass-, cotton-, and carbon-fiber reinforced materials, as well as the tribological properties and non-structural applications of synthetic fiber composites. Readers will also find practical explorations of the structural evolution, mechanical features, and future possibilities of fiber, textile, and nano-cementitious materials. The physical and chemical properties of cotton fiber-based composites are explored at length, as are the extraordinary mechanical, thermal, electrical, electronic, and field emission properties of carbon nanotubes. This singular book also includes: A thorough discussion of recent advancements in natural fiber reinforced polymer composites, their implications, and the opportunities that arise as a result A comprehensive exploration of the thermal behavior of natural fiber-based composites An insightful review of the literature on sisal fiber with polymer matrices A response to the growing research gap in the existing literature regarding natural fiber-based polymer composites and solutions to address it Perfect for scientists, engineers, professors, and students working in areas involving natural and synthetic reinforced polymers and composites, Natural and Synthetic Fiber Reinforced Composites: Synthesis, Properties and Applications offers a one-of-a-kind resource to help readers understand a critical and rapidly evolving technology.Table of ContentsPART I. NATURAL FIBER REINFORCED COMPOSITES Introduction to Natural Fibers and Their Composites Thermal Properties of Natural Fiber-Based Composites Advances of Natural Fiber-Based Polymer Composites Fiber-Reinforced Composites for High Impact Ballistic Applications Bio-Reinforced Polymer Composites for Electrical Insulation Evolution and Future of Fiber and Textile Composites as Advanced Building Materials Bio-Inspired Composites: Mechanisms and Future Possibilities Electrical and Mechanical Properties of Sisal Fiber-Based Composites Synthesis of Cotton Fibers and Their Structures Physical and Chemical Properties of Cotton Fiber-Based Composites Cotton Fiber Development for Multifunctional Application PART II. SYNTHETIC FIBER REINFORCED COMPOSITES Introduction to Semi-Synthetic and Synthetic Fiber-Based Composites Manufacturing Techniques of Synthetic Fiber Composites Synthetic Fiber-Reinforced Composites: Classification, Properties and Their Applications Thermal Properties of Synthetics Fiber-Based Hybrid Composites Tribological Properties of Synthetic Fiber Composites Fundamentals of Carbon Fiber Reinforced Composites and Structures Mechanical and Electrical Properties of Carbon Fiber Composites Introduction to Glass Fiber-Based Composites and Structures Strengthening and Tribological Properties of Glass Fiber-Based Composites Applications of Glass Fiber Composites to Electrical and Electronic Apparatus

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Book SynopsisLadder Polymers An essential reference covering the latest research on ladder polymers Ladder polymers are a unique macromolecular architecture, consisting of a continuous strand of fused rings in their backbones. Such distinctive structures lead to a range of interesting thermal, optical, and electronic properties and self-assembly behaviors, which have been explored for various applications. The book Ladder Polymers: Synthesis, Properties, Applications, and Perspectives presents a collection of diverse topics in ladder polymers consisting of historical overview, state-of-the-art research and development, and potential future directions, written by leading researchers in the related fields. The topics include: Conjugated ladder polymers and graphene nanoribbons Nonconjugated microporous ladder polymers or polymers of intrinsic microporosity Covalent double-stranded polymers Supramolecular double-helical polymers and oligomers Two dimensional polymers This book is a one-stop resource on all the critical research developments in the subject of ladder polymers for broad readership including organic, polymer, and physical chemists, materials scientists and engineers, and chemical engineers.Table of ContentsPrefaceIntroduction Conjugated, Aromatic Ladder Polymers: From Precision Synthesis to Single Chain Spectroscopy and Strong Light-Matter Coupling Graphene Nanoribbons as Ladder Polymers-Synthetic Challenges and Components of Future Electronics Processing of Conjugated Ladder Polymer Multiporphyrin arrays: from biomimetics to functional materials Ladder Polymers of Intrinsic Microporosity (PIMs) Catalytic Arene-Norbornene Annulation (CANAL) Polymerization for the Synthesis of Rigid Ladder Polymers Simultaneous Growth in Two Dimensions: a Key to Synthetic 2D Polymers Ladderphanes and Related Ladder Polymers Ladder Polysiloxanes DNA as a Ladder Polymer, from the Basics to Structured Nanomaterials Twisted Ladder Polymers: Dynamic Properties of Cylindrical Double-Helix Oligomers with Axial Hydrophobic and Hydrophilic Group Coordination Ladder Polymers: Helical Metal Strings Epilogue

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Book SynopsisSpectroscopy and Characterization of Nanomaterials and Novel Materials Comprehensive overview of nanomaterial characterization methods and applications from leading researchers in the field In Spectroscopy and Characterization of Nanomaterials and Novel Materials: Experiments, Modeling, Simulations, and Applications, the editor Prabhakar Misra and a team of renowned contributors deliver a practical and up-to-date exploration of the characterization and applications of nanomaterials and other novel materials, including quantum materials and metal clusters. The contributions cover spectroscopic characterization methods for obtaining accurate information on optical, electronic, magnetic, and transport properties of nanomaterials. The book reviews nanomaterial characterization methods with proven relevance to academic and industry research and development teams, and modern methods for the computation of nanomaterials’ structure and properties - including machine-learning approaches - are also explored. Readers will also find descriptions of nanomaterial applications in energy research, optoelectronics, and space science, as well as: A thorough introduction to spectroscopy and characterization of graphitic nanomaterials and metal oxides Comprehensive explorations of simulations of gas separation by adsorption and recent advances in Weyl semimetals and axion insulators Practical discussions of the chemical functionalization of carbon nanotubes and applications to sensors In-depth examinations of micro-Raman imaging of planetary analogs Perfect for physicists, materials scientists, analytical chemists, organic and polymer chemists, and electrical engineers, Spectroscopy and Characterization of Nanomaterials and Novel Materials: Experiments, Modeling, Simulations, and Applications will also earn a place in the libraries of sensor developers and computational physicists and modelers.Table of ContentsPreface xix About the Editor xxvii Part I Spectroscopy and Characterization 1 1 Spectroscopic Characterization of Graphitic Nanomaterials and Metal Oxides for Gas Sensing 3 Olasunbo Farinre, Hawazin Alghamdi, and Prabhakar Misra 1.1 Introduction and Overview 3 1.1.1 Graphitic Nanomaterials 3 1.1.1.1 Synthesis of Graphitic Nanomaterials 5 1.1.2 Metal Oxides 8 1.2 Spectroscopic Characterization of Graphitic Nanomaterials and Metal Oxides 9 1.2.1 Graphitic Nanomaterials 9 1.2.1.1 Characterization of Carbon Nanotubes (CNTs) 10 1.2.1.2 Characterization of Graphene and Graphene Nanoplatelets (GnPs) 11 1.2.2 Characterization of Tin Dioxide (SnO2) 12 1.3 Graphitic Nanomaterials and Metal Oxide-Based Gas Sensors 19 1.3.1 Fabrication of Graphitic Nanomaterials-Based Gas Sensors 19 1.3.1.1 Carbon Nanotube (CNT)-Based Gas Sensors 19 1.3.1.2 Graphene and Graphene Nanoplatelet (GnP)-Based Gas Sensors 20 1.3.2 Fabrication of Metal Oxide-Based Gas Sensors 21 1.3.2.1 Tin Dioxide (SnO2)-Based Gas Sensors 23 1.4 Conclusions and Future Work 24 Acknowledgments 26 References 26 2 Low-dimensional Carbon Nanomaterials: Synthesis, Properties, and Applications Related to Heat Transfer, Energy Harvesting, and Energy Storage 33 Mahesh Vaka, Tejaswini Rama Bangalore Ramakrishna, Khalid Mohammad, and Rashmi Walvekar 2.1 Introduction 33 2.2 Synthesis and Properties of Low-dimensional Carbon Nanomaterials 35 2.2.1 Zero-dimensional Carbon Nanomaterials (0-DCNs) 35 2.2.1.1 Fullerene 35 2.2.1.2 Carbon-encapsulated Metal Nanoparticles 35 2.2.1.3 Nanodiamond 37 2.2.2 Onion-like Carbons 38 2.2.3 One-dimensional Carbon Nanomaterials 39 2.2.3.1 Carbon Nanotube 39 2.2.3.2 Carbon Fibers 39 2.2.4 Two-dimensional Carbon Nanomaterials 40 2.3 Applications 42 2.3.1 Hydrogen Storage 42 2.3.2 Solar Cells 43 2.3.3 Thermal Energy Storage 44 2.3.4 Energy Conversion 45 2.4 Conclusions 46 References 46 3 Mesoscale Spin Glass Dynamics 55 Samaresh Guchhait 3.1 Introduction 55 3.2 What Is a Spin Glass? 56 3.2.1 Spin Glass and Its Correlation Length 57 3.2.2 Mesoscale Spin Glass Dynamics 60 3.3 Summary 64 Acknowledgments 64 References 64 4 Raman Spectroscopy Characterization of Mechanical and Structural Properties of Epitaxial Graphene 67 Amira Ben Gouider Trabelsi, Feodor V. Kusmartsev, Anna Kusmartseva, and Fatemah Homoud Alkallas 4.1 Introduction 67 4.2 Epitaxial Graphene Mechanical Properties Investigation 68 4.2.1 Optical Location of Epitaxial Graphene Layers 68 4.2.2 Raman Location of Mechanical Properties Changes 71 4.2.2.1 Graphene 2D Mode 71 4.2.2.2 G Mode Investigation 74 4.2.2.3 Strain Percentage 76 4.3 Raman Polarization Study 77 4.3.1 Size Domain of Graphene Layer 77 4.3.2 Polarization Study 78 4.4 Conclusions 80 Acknowledgments 80 References 80 5 Raman Spectroscopy Studies of III–V Type II Superlattices 83 Henan Liu and Yong Zhang 5.1 Introduction 83 5.2 Raman Study on InAs/GaSb SL 84 5.2.1 Analysis on (001) Scattering Geometry 85 5.2.2 Analysis on (110) Scattering Geometry 86 5.3 Raman Study on InAs/InAs1−xSbx SL 90 5.3.1 Raman Results for the Constituent Bulks and InAs1−xSbx Alloys 90 5.3.2 Analysis on (001) Scattering Geometry for the SLs 93 5.3.3 Analysis on (110) Scattering for the SLs 95 5.4 A Comparison Among the InAs/InAs1−xSbx, InAs/GaSb, and GaAs/AlAs SLs 97 5.5 Conclusion 98 References 98 6 Dissecting the Molecular Properties of Nanoscale Materials Using Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 101 Nipanshu Agarwal and Krishna Mohan Poluri 6.1 Introduction to Nanomaterials 101 6.2 Techniques Used for Characterization of Nanomaterials 104 6.3 Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Spectroscopy 105 6.3.1 Principle of NMR Spectroscopy 106 6.3.2 Various NMR Techniques Used in Nanomaterial Characterization 106 6.3.2.1 One-dimensional NMR Spectroscopy 108 6.3.2.2 Relaxometry (T1 and T2) 108 6.3.2.3 Two-dimensional NMR Spectroscopy 110 6.3.3 Advantages and Disadvantages of Using NMR Spectroscopy 114 6.4 Applications of NMR in Nanotechnology 115 6.4.1 NMR for Characterization of Nanomaterials 115 6.4.1.1 Characterization of Gold Nanomaterials by NMR 115 6.4.1.2 Characterization of Organic Nanomaterials by NMR 119 6.4.1.3 Characterization of Quantum Dots and Nanodiamonds by NMR 120 6.4.2 Elucidating the Molecular Characteristics/Interactions of Nanomaterials Using NMR 120 6.4.2.1 Characterizing Nanodisks Using Paramagnetic NMR 120 6.4.2.2 Characterizing Nanomaterials Using Low Field NMR (LF-NMR) 123 6.4.2.3 Analyzing Nanomaterial Interactions Using 2D NMR Techniques 123 6.4.3 Characterization of Magnetic Contrast Agents (MR-CAs) 128 6.5 Conclusions 132 Acknowledgments 132 References 132 7 Charge Dynamical Properties of Photoresponsive and Novel Semiconductors Using Time-Resolved Millimeter-Wave Apparatus 149 Biswadev Roy, Branislav Vlahovic, M.H. Wu, and C.R. Jones 7.1 Introduction 149 7.1.1 Why Charge Dynamics for Novel Materials in the Millimeter-Wave Regime? 150 7.1.2 Underlying Theory of Operation and Time-Resolved Data: Treatment of Internal Fields in Samples 154 7.1.3 Apparatus Design and Instrumentation 156 7.1.4 Sensitivity Analysis and Dynamic Range 158 7.1.5 Calibration Factor 159 7.2 Studies on RF Responses of Materials 162 7.2.1 Transmission and Reflection Response for GaAs 162 7.2.2 Silicon Response by Resistivity 162 7.2.2.1 Charge Carrier Concentration 165 7.2.2.2 Millimeter-Wave Probe and Laser Data 166 7.2.2.3 TR-mmWC Charge Dynamical Parameter Correlation Table and Sample-Resistivity 168 7.2.2.4 Photoconductance (ΔG) Using Calculated Sensitivity 171 7.3 CdSxSe1−x Nanowires 174 7.3.1 Transmission and Reflection Response Spectra for CdX Nanowire 174 7.3.2 Millimeter-Wave Signal Coherence and Decay Response of CdSxSe1−x Nanowire 176 7.4 Conclusions 182 7.5 Data: CdSxSe1−x TR-mmWC Responses for Various Pump Fluences 182 Acknowledgments 183 References 183 8 Metal Nanoclusters 187 Sayani Mukherjee and Sukhendu Mandal 8.1 Introduction 187 8.2 Gold Nanoclusters 189 8.2.1 Phosphine-protected Au-NCs 190 8.2.2 Thiol-protected Nanoclusters 193 8.2.2.1 Brust–Schiffrin Synthesis 193 8.2.2.2 Modified Brust–Schiffrin Synthesis 194 8.2.2.3 Size-focusing Method 197 8.2.2.4 Ligand Exchange-induced Structural Transformation 200 8.2.3 Other Ligands as Protecting Agents 202 8.3 Mixed Metals Alloy Nanoclusters 202 8.4 Conclusion 203 8.5 Future Direction 203 Acknowledgment 204 References 204 Part II Modeling and Simulation 211 9 Simulations of Gas Separation by Adsorption 213 Hawazin Alghamdi, Hind Aljaddani, Sidi Maiga, and Silvina Gatica 9.1 Introduction 213 9.2 Simulation Methods 216 9.2.1 Molecular Dynamics Simulations 216 9.2.2 Monte Carlo Simulations 217 9.2.3 Ideal Adsorbed Solution Theory (IAST) 218 9.3 Models 220 9.3.1 Molecular Models 220 9.3.2 Substrate Models 221 9.3.3 Validation of the Methods and Force Fields 222 9.4 Examples 223 9.4.1 GCMC Simulation of CO2/CH4 Binary Mixtures on Nanoporous Carbons 223 9.4.2 MD Simulations of CO2/CH4 Binary Mixtures on Graphene Nanoribbons/Graphite 224 9.4.3 MD Simulations of H2O/N2 Binary Mixtures on Graphene 228 9.4.4 Calculation of the Selectivity of CO2 and CH4 on Graphene Using the IAST 231 9.5 Conclusion 236 References 236 10 Recent Advances in Weyl Semimetal (MnBi2Se4) and Axion Insulator (MnBi2Te4) 239 Sugata Chowdhury, Kevin F. Garrity, and Francesca Tavazza 10.1 Introduction 239 10.2 Discussion 241 10.2.1 MBS 242 10.2.2 MBT 243 10.3 Outlook 252 References 253 Part III Applications 261 11 Chemical Functionalization of Carbon Nanotubes and Applications to Sensors 263 Khurshed Ahmad Shah and Muhammad Shunaid Parvaiz 11.1 Introduction 263 11.2 Properties of Carbon Nanotubes 267 11.2.1 Electrical Properties 267 11.2.2 Mechanical Properties 269 11.2.3 Optical Properties 269 11.2.4 Physical Properties 271 11.3 Properties of Functionalized Carbon Nanotubes 272 11.3.1 Mechanical Properties 272 11.3.2 Electrical Properties 272 11.4 Types of Chemical Functionalization 273 11.4.1 Thermally Activated Chemical Functionalization 273 11.4.2 Electrochemical Functionalization 273 11.4.3 Photochemical Functionalization 274 11.5 Chemical Functionalization Techniques 274 11.5.1 Chemical Techniques 274 11.5.2 Electrons/Ions Irradiation Techniques 275 11.5.3 Specialized Techniques 275 11.6 Sensing Applications of Carbon Nanotubes 276 11.6.1 Gas Sensors 276 11.6.2 Biosensors 277 11.6.3 Chemical Sensors 277 11.6.4 Electrochemical Sensors 278 11.6.5 Temperature Sensors 278 11.6.6 Pressure Sensors 278 11.7 Advantages and Disadvantages of Carbon Nanotube Sensors 278 11.8 Summary 279 References 280 12 Graphene for Breakthroughs in Designing Next-Generation Energy Storage Systems 287 Abhilash Ayyapan Nair, Manoj Muraleedharan Pillai, and Sankaran Jayalekshmi 12.1 Introduction 287 12.2 Li–Ion Cells 289 12.2.1 Basic Working Mechanism 289 12.2.2 Role of Graphene: Graphene Foam-Based Electrodes for Li–Ion Cells 291 12.3 Li–S Cells 294 12.3.1 Advantages of Li–S Cells 295 12.3.2 Working of Li–S Cells 295 12.3.3 Challenges of Li–S Cells 296 12.3.4 Graphene-Based Sulfur Cathodes for Li–S Cells 297 12.3.5 Graphene Oxide-Based Sulfur Cathodes for Li–S Cells 298 12.4 Supercapacitors 299 12.4.1 Basic Working Principle 299 12.4.2 Graphene-Based Supercapacitor Electrodes 300 12.4.3 Graphene/Polymer Composites as Electrodes 303 12.4.4 Graphene/Metal Oxide Composite Electrodes 305 12.5 Li–Ion Capacitors 306 12.5.1 Working Principle 306 12.5.2 Graphene/Graphene Composites as Cathode Materials 307 12.5.3 Graphene/Graphene Composites as Anode Materials 309 12.6 Looking Forward 310 References 311 13 Progress in Nanostructured Perovskite Photovoltaics 317 Sreekanth Jayachandra Varma and Ramakrishnan Jayakrishnan 13.1 Introduction 317 13.2 Nanostructured Perovskites as Efficient Photovoltaic Materials 318 13.3 Perovskite Quantum Dots 321 13.4 Perovskite Nanowires and Nanopillars 324 13.4.1 2D Perovskite Nanostructures 326 13.4.2 2D/3D Perovskite Heterostructures 330 13.5 Summary 336 References 336 14 Applications of Nanomaterials in Nanomedicine 345 Ayanna N. Woodberry and Francis E. Mensah 14.1 Introduction 345 14.2 Nanomaterials, Definition, and Historical Perspectives 345 14.2.1 What Are Nanomaterials? 345 14.2.2 Origin and Historical Perspectives 346 14.2.3 Synthesis of Nanomaterials 349 14.2.3.1 Inorganic Nanoparticles 349 14.3 Nanomaterials and Their Use in Nanomedicine 351 14.3.1 What Is Nanomedicine? 351 14.3.2 The Myth of Small Molecules 351 14.3.3 Nanomedicine Drug Delivery Has Implications that Go Beyond Medicine 351 14.3.4 Improvement in Function 351 14.3.5 Nanomaterials Use in Nanomedicine for Therapy 351 14.3.5.1 Progress in Polymer Therapeutics as Nanomedicine 351 14.3.5.2 Recent Progress in Polymer: Therapeutics as Nanomedicines 352 14.3.5.3 Use of Linkers 354 14.3.5.4 Targeting Moiety 354 14.3.6 Polymeric Drugs 355 14.3.7 Polymeric-Drug Conjugates 355 14.3.8 Polymer–Protein Conjugates 356 14.4 The Use of Nanomaterials in Global Health for the Treatment of Viral Infections Such As the DNA and the RNA Viruses, Retroviruses, Ebola, and COVID-19 356 14.4.1 Nanomaterials in Radiation Therapy 358 14.5 Conclusion 359 References 359 15 Application of Carbon Nanomaterials on the Performance of Li-Ion Batteries 361 Quinton L. Williams, Adewale A. Adepoju, Sharah Zaab, Mohamed Doumbia, Yahya Alqahtani, and Victoria Adebayo 15.1 Introduction 361 15.2 Battery Background 362 15.2.1 Genesis of the Rechargeable Battery 362 15.2.2 Battery Cell Classifications 363 15.2.2.1 Primary Batteries – Non-rechargeable Batteries 363 15.2.2.2 Secondary Batteries – Rechargeable Batteries 363 15.2.3 Comparison of Rechargeable Batteries 363 15.2.4 Internal Battery Cell Components 364 15.2.4.1 Cathode 365 15.2.4.2 Anode 366 15.2.4.3 Electrolyte 366 15.2.5 Crystal Structure of Active Materials 366 15.2.5.1 Layered LiCoO2 367 15.2.5.2 Spinel LiM2O4 367 15.2.5.3 Olivine LiFePO4 368 15.2.5.4 NCM 369 15.2.6 Principle of Operation of Li-Ion Batteries 370 15.2.7 Battery Terminology 371 15.2.7.1 Battery Safety 373 15.2.8 A Glimpse into the Future of Battery Technology 374 15.3 High C-Rate Performance of LiFePO4/Carbon Nanofibers Composite Cathode for Li-Ion Batteries 375 15.3.1 Introduction 375 15.3.2 Experimental 375 15.3.2.1 Preparation of Composite Cathode 375 15.3.2.2 Characterization 376 15.3.3 Results and Discussion 376 15.3.4 Summary 379 15.4 Graphene Nanoplatelet Additives for High C-Rate LiFePO4 Battery Cathodes 380 15.4.1 Introduction 380 15.4.2 Experimental 381 15.4.2.1 Composite Cathode Preparation and Battery Assembly 381 15.4.2.2 Characterizations and Electrochemical Measurements 382 15.4.3 Results and Discussion 382 15.4.4 Summary 386 15.5 LiFePO4 Battery Cathodes with PANI/CNF Additive 386 15.5.1 Introduction 386 15.5.2 Experimental 386 15.5.2.1 Preparation of the PANI/CNF Conducting Agent and Coin Cell 387 15.5.3 Results and Discussion 387 15.5.4 Conclusion 392 15.6 Reduced Graphene Oxide – LiFePO4 Composite Cathode for Li-Ion Batteries 393 15.6.1 Introduction 393 15.6.2 Experimental 394 15.6.3 Results and Discussion 394 15.6.4 Summary 398 15.7 Rate Performance of Carbon Nanofiber Anode for Lithium-Ion Batteries 398 15.7.1 Introduction 398 15.7.2 Experimental 398 15.7.3 Results and Discussion 399 15.7.4 Summary 401 15.8 NCM Batteries with the Addition of Carbon Nanofibers in the Cathode 402 15.8.1 Introduction 402 15.8.2 Experimental 403 15.8.3 Results and Discussion 403 15.8.4 Summary 405 15.9 Conclusion 407 Acknowledgments 407 References 408 Part IV Space Science 415 16 Micro-Raman Imaging of Planetary Analogs: Nanoscale Characterization of Past and Current Processes 417 Dina M. Bower, Ryan Jabukek, Marc D. Fries, and Andrew Steele 16.1 Introduction 417 16.2 Relationships Between Minerals 421 16.2.1 Minerals in the Solar System 421 16.2.2 Minerals as Indicators of Life and Habitability 425 16.3 Planetary Analogs 427 16.3.1 Modern Terrestrial Analogs 427 16.3.2 Ancient Terrestrial Analogs 429 16.4 Meteorites and Lunar Rocks 431 16.5 Carbon 434 16.5.1 Definition and Description of Macromolecular Carbon 434 16.5.2 Macromolecular Carbon on the Earth and in Astromaterials 435 16.5.3 Macromolecular Carbon in Petrographic Context 437 16.6 Conclusion 439 References 439 17 Machine Learning and Nanomaterials for Space Applications 453 Eric Lyness, Victoria Da Poian, and James Mackinnon 17.1 Introduction to Artificial Intelligence and Machine Learning 453 17.1.1 What Do We Mean by Artificial Intelligence and Machine Learning? 454 17.1.2 The Field of Data Analysis and Data Science 455 17.1.2.1 Data Analysis 455 17.1.2.2 Data Science 455 17.1.3 Applications in Nanoscience 456 17.2 Machine Learning Methods and Tools 457 17.2.1 Types of ML 457 17.2.1.1 Supervised 457 17.2.1.2 Unsupervised 459 17.2.1.3 Semi-supervised 460 17.2.1.4 Reinforcement Learning 460 17.2.2 The Basic Techniques and the Underlying Algorithms 460 17.2.2.1 Regression (Linear, Logistic) 460 17.2.2.2 Decision Tree 461 17.2.2.3 Neural Networks 461 17.2.2.4 Expert Systems 463 17.2.2.5 Dimensionality Reduction 463 17.2.3 Available Tools: Discussion of the Software Available, Both Free and Commercial, and How They Can Be Used by Nonexperts 464 17.3 Limitations of AI 464 17.3.1 Data Availability 464 17.3.1.1 Splitting Your Dataset 464 17.3.2 Warnings in Implementation (Overfitting, Cross-validation) 465 17.3.3 Computational Power 465 17.4 Case Study: Autonomous Machine Learning Applied to Space Applications 466 17.4.1 Few Existing AI Applications for Planetary Missions 466 17.4.2 MOMA Use-Case Project (Leaning Toward Science Autonomy) 467 17.5 Challenges and Approaches to Miniaturized Autonomy 468 17.5.1 Computing Requirements of AI/Machine Learning 468 17.5.2 Why Is Space Hard? 469 17.5.3 Software Approaches for Embedded Hardware 471 17.6 Summary: How to Approach AI 473 References 474 Index 477

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Book SynopsisProvides a timely overview of basic principles and significant advances of semiconductor-based photocatalysts for solar energy conversion Semiconductor Solar Photocatalysts: Fundamentals and Applications presents a systematic, in-depth summary of both fundamental and cutting-edge research in novel photocatalytic systems. Focusing on photocatalysts with vast potential for efficient utilization of solar energy, this up-to-date volume covers heterojunction systems, graphene-based photocatalysts, organic semiconductor photocatalysts, metal sulfide semiconductor photocatalysts, and graphitic carbon nitride-based photocatalysts. Organized into six chapters, the text opens with a detailed introduction to the history, design principles, modification strategies, and performance evaluation methods of solar energy photocatalysis. The remaining chapters provide detailed discussion of various novel photocatalytic systems such as direct Z-scheme and S-scheme photocatalysts, organic polymers, and covalent organic frameworks. This authoritative resource: Explains the essential concepts of solar energy photocatalysis and heterojunction systems for photocatalysis Reviews interesting structures and new applications of semiconductor photocatalysts Features contributions from an international panel of leading researchers in the field Includes extensive references and numerous tables, figures, and color illustrations Semiconductor Solar Photocatalysts: Fundamentals and Applications is valuable resource for all catalytic chemists, materials scientists, inorganic and physical chemists, chemical engineers, and physicists working in the semiconductor industry. Table of ContentsChapter 1: The fundamentals of solar energy photocatalysis 1.1 Background 1.2 History of solar energy photocatalysis 1.3 Fundamental principles of solar energy photocatalysis 1.3.1 Basic mechanisms for solar energy photocatalysis 1.3.2 Thermodynamic requirements for solar energy photocatalysis 1.3.3 Dynamics requirements for solar energy photocatalysis 1.4 Design, development and modification of semiconductor photocatalysts 1.4.1 Design principles of semiconductor photocatalysts 1.4.2 Classification of semiconductor photocatalysts 1.4.3 Modification strategies of semiconductor photocatalysts 1.4.4 Development approaches of novel semiconductor photocatalysts 1.5 Processes and evaluation of solar energy photocatalysis 1.5.1 Processes of solar energy photocatalysis 1.5.1.1 photocatalytic water splitting 1.5.1.2 photocatalytic CO2 reduction 1.5.1.3 photocatalytic degradation 1.5.2 Evaluation of solar energy photocatalysis 1.6 The scope of this book Chapter 2: Heterojunction systems for photocatalysis 2.1. Introduction 2.2. Classification of heterojunction photocatalysts 2.2.1. Type-II heterojunction photocatalysts 2.2.2. p-n junction photocatalysts 2.2.3. Surface junction photocatalysts 2.2.4. Direct Z-scheme photocatalysts 2.2.5. S-scheme photocatalysts 2.3. Evaluation of the heterojunction photocatalysts 2.3.1. Band structure 2.3.1.1. Light absorption ability 2.3.1.2. Reduction and oxidation ability 2.3.1.3. Identification of major charge carriers 2.3.2. Charge carrier separation efficiency 2.3.2.1. Electrochemical test 2.3.2.2. Optical spectroscopy 2.3.3. Charge carrier migration mechanism 2.3.3.1. Metal loading 2.3.3.2. Reactive oxygen species trapping 2.3.3.3. In situ irradiated XPS 2.4. Applications 2.4.1. Photocatalytic water splitting 2.4.2. Photocatalytic CO2 reduction 2.4.3. Photocatalytic N2 fixation 2.4.4. Photocatalytic environmental remediation 2.4.5. Photocatalytic disinfection 2.5. Summary and Future Perspective Chapter 3: Metal sulfide semiconductor photocatalysts 3.1. Introduction 3.2. General view of metal sulfide photocatalysts 3.3. Synthetic strategies of metal sulfide photocatalysts 3.3.1. Solution-based method 3.3.1.1. Hydrothermal method 3.3.1.2. Solvothermal method 3.3.2. Chemical bath deposition 3.3.3. Template method 3.3.4. Ion exchange method 3.3.5. Other synthetic methods 3.4. CdS-based photocatalysts 3.4.1. Crystal structures and morphology 3.4.1.1. Zero-dimensional structure 3.4.1.2. One-dimensional structure 3.4.1.3. Two-dimensional structure 3.4.1.4. Three-dimensional structure 3.4.2. Construction of CdS based composite photocatalysts 3.4.2.1. CdS cocatalyst heterojunctions 3.4.2.2. CdS-based type II heterojunctions 3.4.2.3. CdS-based Z-scheme heterojunctions 3.4.2.4. CdS-based S-scheme heterojunctions 3.5. In2S3-based photocatalysts 3.5.1. Crystal structure and electronic properties 3.5.2. Morphology of In2S3 photocatalyst 3.5.2.1. Zero-dimensional structure 3.5.2.2. One-dimensional structure 3.5.2.3. Two-dimensional structure 3.5.2.4. Three-dimensional structure 3.5.3. Construction of In2S3-based composite photocatalysts 3.5.3.1. In2S3-based type-II heterojunctions 3.5.3.2. In2S3-based direct Z-scheme heterojunctions 3.5.3.3. In2S3-based indirect Z-scheme heterojunctions 3.6. SnS2-based photocatalysts 3.6.1. Morphology of SnS2 photocatalysts 3.6.2. Construction of SnS2 based composite photocatalyst 3.6.2.1. Cocatalyst/SnS2 composites 3.6.2.2. SnS2 based type-II composites 3.6.2.3. SnS2 based Z-scheme composites 3.7. Cu2S-based photocatalysts 3.7.1. Morphology of Cu2S photocatalysts 3.7.1.1. Zero-dimensional structure 3.7.1.2. One-dimensional structure 3.7.1.3. Two-dimensional structure 3.7.1.4. Three-dimensional structure 3.7.2. Construction of Cu2S-based composite photocatalysts 3.7.2.1. Cu2S/metal oxide photocatalysts 3.7.2.2. Cu2S/metal sulfide photocatalysts 3.7.2.3. Cu2S/metal photocatalysts 3.8. Other metal sulfide photocatalysts 3.9. Environmental and energy applications 3.9.1. Photocatalytic H2 production 3.9.1.1. Unary metal sulfide photocatalysts 3.9.1.2. Binary metal sulfide-based nanocomposite photocatalysts 3.9.1.3. Ternary metal sulfide-based nanocomposite photocatalysts 3.9.2. Photoreduction of CO2 3.9.3. Photocatalytic removal of environmental contamination 3.9.3.1. Photocatalytic dye degradation 3.9.3.2. Photocatalytic reduction of hexavalent chromium 3.10. Conclusion and outlook Chapter 4: Graphene-based photocatalysts 4.1. Introduction 4.2. Graphene and its derivatives 4.2.1. Graphene oxide 4.2.2. Reduced graphene oxide 4.2.3. Graphene quantum dot 4.3 General preparation techniques of graphene in photocatalysis 4.3.1. Chemical exfoliation 4.3.2. Chemical vapor deposition 4.4. General advantages of graphene 4.4.1. Conductor behavior 4.4.2. Photothermal effect 4.4.3. Large specific surface area 4.4.4. Enhancing photostability 4.4.5. Improving nanoparticle dispersion 4.5. Characterization methods 4.5.1. Transmission electron microscopy 4.5.2. Atomic force microscopy 4.5.3. Raman spectroscopy 4.5.4. X-ray photoelectron spectroscopy 4.6. Recent development in graphene-based photocatalysts 4.6.1. Metal oxide 4.6.2. Metal sulfide 4.6.3. Non-metal semiconductor 4.6.4. Metal-organic-framework 4.7. Summary and concluding remarks Chapter 5: Graphitic carbon nitride-based photocatalysts 5.1. Introduction 5.2. Structure of g-C3N4 5.3. Preparation of g-C3N4-based photocatalysts 5.3.1. Pure g-C3N4 5.3.2. g-C3N4-based composite photocatalysts 5.4. Main photocatalytic applications of g-C3N4-based photocatalysts 5.4.1. Photocatalytic H2O splitting for H2 generation 5.4.2. Photocatalytic CO2 reduction for hydrocarbon fuels 5.4.3. Photocatalytic N2 fixation for ammonia 5.5. Strategies for optimizing photocatalytic performance of g-C3N4 5.5.1. Morphology design 5.5.2. Surface modification 5.5.3. Element doping 5.5.4. Cocatalyst loading 5.5.5. Heterojunction 5.5.6. Single-atom deposition 5.6. Challenges and prospects Chapter 6: Organic semiconductor photocatalysts 6.1. MOFs photocatalysts 6.1.1. Synthesis of MOFs photocatalysts 6.1.2. MOFs for photocatalytic degradation of pollutants 6.1.3. MOFs for photocatalytic organic transformation 6.1.4. MOFs for photocatalytic H2 production from water 6.1.5. MOFs for photocatalytic reduction of CO2 6.2. Organic polymers photocatalysts 6.2.1. Synthesis of organic polymers photocatalysts 6.2.2. Organic polymers for photocatalytic degradation of pollutants 6.2.3. Organic polymers for organic transformation. 6.2.4. Organic polymers for photocatalytic H2 production from water 6.2.5. Organic polymers for photocatalytic reduction of CO2 6.3. COFs photocatalysts 6.3.1. Synthesis of COFs photocatalysts 6.3.2. COFs for photocatalytic degradation of pollutants 6.3.3. COFs for photocatalytic organic transformation 6.3.4. COFs for photocatalytic H2 production from water 6.3.5. COFs for photocatalytic reduction of CO2

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Book SynopsisOptical Imaging and Sensing Understand the future of optical imaging with this cutting-edge guide Optoelectronic devices for imaging and sensing are among the backbones of modern technology. Facilitating the mutual conversion of optical and electrical signals, they have applications from telecommunications to molecular spectroscopy, and their incorporation into photon-involved technologies is only growing. The rapid development of this field makes the need for a fully up-to-date introduction all the more critical. Optical Imaging and Sensing meets this need with a comprehensive guide to the novel materials and devices employed in optical imaging and sensing. Given the current revolution in new imaging materials, an introduction that fully incorporates the latest research is an indispensable tool for scientists and engineers in a huge range of fields. The technologies surveyed here promise to transform public security, 5G and next-generation wireless communication, clinical imaging, and many more. Optical Imaging and Sensing Readers will also find: Detailed discussion of materials including semimetallic graphene, semiconducting black phosphorous, and many more Discussion of devices from infrared photodetectors to nonlinear interferometers A thorough look forward to the future of the field Optical Imaging and Sensing is a useful reference for materials scientists, spectroscopists, semiconductor physicists, and engineers working in any field or industry involving optical imaging or sensing technology.Table of ContentsPreface ix 1 Introduction of Optical Imaging and Sensing: Materials, Devices, and Applications 1 Qimiao Chen, Hao Xu, and Chuan S. Tan 1.1 Optoelectronic Material Systems 1 1.1.1 Si Platform 1 1.1.2 Two-dimensional Materials and Their van der Waals Heterostructures 3 1.1.2.1 Graphene 3 1.1.2.2 Transition Metal Dichalcogenides 4 1.1.2.3 2D Heterostructures 5 1.2 Challenges and Prospect of Nano-optoelectronic Devices 5 1.2.1 III–V Compounds 6 1.2.2 Perovskites 7 1.2.3 Organic Optoelectronic Materials 7 References 8 2 2D Material-Based Photodetectors for Imaging 11 Wenshuo Xu, Zhuo Wang, and Andrew T. S. Wee 2.1 Introduction 11 2.2 Visible-Light Photodetectors 15 2.3 Infrared Photodetectors 21 2.4 Broadband Photodetectors 26 2.5 Plasmon-Enhanced Photodetectors 36 2.6 Large-Scale and Flexible Photodetectors 44 2.7 Summary 49 References 50 3 Surface Plasmonic Resonance-Enhanced Infrared Photodetectors 55 Boyang Xiang, Guiru Gu, and Xuejun Lu 3.1 Introduction 55 3.2 Brief Review of Basic Concepts of SPR and SPR Structures 56 3.2.1 Plasma Oscillations in Metals 56 3.2.2 Complex Permittivity and the Drude Model 56 3.2.3 Surface Plasmonic Waves at the Semi-infinite Dielectric and Metal Interface 57 3.2.4 Prism-Coupled Surface Plasmonic Wave Excitation 59 3.2.5 Surface Grating-Coupled Surface Plasmonic Wave Excitation 60 3.3 Surface Plasmonic Wave-Enhanced QDIPs 61 3.3.1 Two-Dimensional Metallic Hole Array (2DSHA)-Induced Surface Plasmonic Waves 61 3.3.2 2DSHA Surface Plasmonic Structure-Enhanced QDIP 64 3.4 Localized Surface Plasmonic Wave-Enhanced QDIPs 68 3.4.1 Localized Surface Plasmonic Waves 68 3.4.2 Near-Field Distributions 68 3.4.3 Nanowire Pair 69 3.4.4 Circular Disk Array for Broadband IR Photodetector Enhancement 71 3.5 Plasmonic Perfect Absorber (PPA) 72 3.5.1 Introduction to Plasmonic Perfect Absorber 72 3.5.2 Plasmonic Perfect Absorber-Enhanced QDIP 74 3.5.3 Broadband Plasmonic Perfect Absorber 76 3.5.4 2DSHA Plasmonic Perfect Absorber 76 3.6 Chapter Summary 76 References 78 4 Optical Resistance Switch for Optical Sensing 83 Shiva Khani, Ali Farmani, and Pejman Rezaei 4.1 Introduction 83 4.2 Graphene Optical Switch 85 4.2.1 dc Mode of the Gate Capacitor 87 4.2.2 AC Mode of the Gate Capacitor 89 4.3 Nanomaterial Heterostructures-Based Switch 93 4.3.1 Situation 1: n 2 L ≫ n 2 H 95 4.3.2 Situation 2: n 2 H ≫ n 2 l 96 4.3.3 Situation 3: n 2 H ≃ n 2 l 96 4.4 Modulation Characteristics 104 4.5 Summary 115 References 115 5 Optical Interferometric Sensing 123 Hailong Wang and Jietai Jing 5.1 Introduction 123 5.2 Nonlinear Interferometer 124 5.2.1 Experimental Implementation of Phase Locking 125 5.2.2 Quantum Enhancement of Phase Sensitivity 131 5.2.3 Enhancement of Entanglement and Quantum Noise Cancellation 136 5.3 Other Types of Nonlinear Interferometers 143 5.3.1 Nonlinear Sagnac Interferometer 143 5.3.2 Hybrid Interferometer with a Nonlinear FWM Process and a Linear Beam-splitter 151 5.3.3 Experimental Implementation of a Phase-Sensitive Parametric Amplifier 155 5.3.4 Interference-Induced Quantum-Squeezing Enhancement 160 5.4 Nonlinear Interferometric SPR Sensing 164 5.5 Summary and Outlook 173 References 173 6 Spatial-frequency-shift Super-resolution Imaging Based on Micro/nanomaterials 175 Mingwei Tang and Qing Yang 6.1 Introduction 175 6.2 The Principle of SFS Super-resolution Imaging Based on Micro/nanomaterials 177 6.3 Super-resolution Imaging Based on Nanowires and Polymers 178 6.4 Super-resolution Imaging Based on Photonic Waveguides 184 6.4.1 Label-free Super-resolution Imaging Based on Photonic Waveguides 184 6.4.2 Labeled Super-resolution Imaging Based on Photonic Waveguides 186 6.5 Super-resolution Imaging Based on Wafers 189 6.5.1 Principle of Super-resolution Imaging Based on Wafers 189 6.5.2 Label-free Super-resolution Imaging Based on Wafers 194 6.5.3 Labeled Super-resolution Imaging Based on Wafers 195 6.6 Super-resolution Imaging Based on SPPs and Metamaterials 197 6.6.1 SPP-assisted Illumination Nanoscopy 199 6.6.1.1 Metal–Dielectric Multilayer Metasubstrate PSIM 200 6.6.1.2 Graphene-assisted PSIM 202 6.6.2 Localized Plasmon-assisted Illumination Nanoscopy 203 6.6.3 Metamaterial-assisted Illumination Nanoscopy 204 6.7 Summary and Outlook 206 References 208 7 Monolithically Integrated Multi-section Semiconductor Lasers: Toward the Future of Integrated Microwave Photonics 215 Jin Li and Tao Pu 7.1 Introduction 215 7.2 Monolithically Integrated Multi-section Semiconductor Laser (MI-MSSL) Device 219 7.2.1 Monolithically Integrated Optical Feedback Lasers (MI-OFLs) 219 7.2.1.1 Passive Feedback Lasers (PFLs) 220 7.2.1.2 Amplified/Active Feedback Lasers (AFLs) 224 7.2.2 Monolithically Integrated Mutually Injected Semiconductor Lasers (MI-MISLs) 225 7.3 Electro-optic Conversion Characteristics 229 7.3.1 Modulation Response Enhancement 229 7.3.2 Nonlinearity Reduction 237 7.3.3 Chirp Suppression 238 7.4 Photonic Microwave Generation 238 7.4.1 Tunable Single-Tone Microwave Signal Generation 240 7.4.1.1 Free-Running State 240 7.4.1.2 Mode-Beating Self-Pulsations (MB-SPs) 242 7.4.1.3 Period-One (P1) Oscillation 244 7.4.1.4 Sideband Injection Locking 245 7.4.2 Frequency-Modulated Microwave Signal Generation 248 7.4.3 High-Performance Microwave Signal Generation Optimizing Technique 250 7.5 Microwave Photonic Filter (MPF) 254 7.6 Laser Arrays 256 7.7 Conclusion 259 Funding Information 261 Disclosures 261 References 261 Index 271

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Book SynopsisMixed-Valence Systems Comprehensive overview on the advanced development of mixed-valence chemistry Mixed-Valence Systems: Fundamentals, Synthesis, Electron Transfer, and Applications covers all topics related to the theory and experimental results of mixed-valence systems, including the design, synthesis, and applications of mixed-valence compounds containing inorganic, organometallic and organic redox-active centers. The text also covers the recent advances in mixed-valence chemistry, including the development of new mixed-valence systems, transition of mixed valency, better understanding of the spectral characteristics of intervalence charge transfer, and controllable electron transfer related to molecular electronics. In Mixed-Valence Systems, readers can expect to find detailed information on sample topics such as: Characterization and evaluation of mixed-valence systems, electron paramagnetic resonance spectroscopy, and electrochemical methods Optical analysis, important issues in mixed-valence chemistry, transition of mixed valency from localized to delocalized, and solvent control of electron transfer Theoretical background, potential energy surfaces from classical two-state model, and quantum description of the potential energy surfaces Reorganization energies, electronic coupling matrix element and the transition moments, generalized Mulliken–Hush theory, and analysis of the band shape of intervalence charge transfer Strengthening the relationship of mixed-valence electron transfer and molecular electronics, Mixed-Valence Systems is of immense value to researchers and professionals working in the field of electron transfer, molecular electronics, and optoelectronics.Table of Contents1. Introduction and fundamentals 2. Theory on the intervalence charge transfer 3. Electrochemical analysis in mixed-valence compounds 4. Mixed-valence electron transfer of bridged diruthenium complexes (may include several chapters) 5. Mixed-valence electron transfer of alkynylmetal complexes 6. Mixed-valence electron transfer of bridged diosmium complexes 7. Mixed-valence electron transfer of ferrocene derivatives 8. Quadruply bonded metal units in mixed-valence electron transfer 9. Mixed-valence electron transfer of multimetallic systems 10. Organic mixed valence 11. Redox-asymmetric mixed-valence electron transfer 12. Mixed valence electron transfer in biological and biomimic systems 13. Mixed-valence electron transfer through noncovalent bonds 14. Switchable mixed-valence electron transfer 15. Near-infrared electrochromism based on intervalence charge transfer 16. Relation of mixed-valence electron transfer and molecular electronics 17. Outlook

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Book SynopsisSodium-Ion Capacitors Enables readers to quickly understand core issues and field development of sodium-ion capacitors Sodium-Ion Capacitors summarizes and outlines the dynamics and development of sodium-ion capacitors, covering key aspects of the technology including background, classification and configuration, key technologies, and more, allowing readers to gain an understanding of sodium-ion capacitors from the perspective of both industrial technology and electrochemistry. Sodium-Ion Capacitors includes information on: EDLC-type mechanism of SCs and battery-type mechanism of SIBs, definition and types of pseudocapacitance, and energy storage mechanism of pseudocapacitors Cathode materials for sodium-ion capacitors, covering EDLC cathode materials, carbon nanotubes, reduced graphene oxide, and hollow carbon microspheres Flexible battery-type anode and capacitive cathode SICs cell configurations, including flexible electrodes based on carbon nanofiber, graphene substrates, carbon cloth, MXenes, and metal foil Pre-sodiation technologies, covering operation with Li metal, usage of Li-based alternatives, and the sacrificial additives method Summarizing the development, directions, potential, and core issues of sodium-ion capacitors, Sodium-Ion Capacitors is an essential resource on the subject for materials scientists, solid-state chemists and electrochemists, and semiconductor physicists in both industry and academia.Table of ContentsPreface ix 1 Introduction 1Peng Cai, Wentao Deng, Hongshuai Hou, Guoqiang Zou, and Xiaobo Ji 1.1 A Brief Development of SICs 1 1.2 Comparison Between Different Hybrid-Ion Capacitors 4 1.3 SICs Energy Storage Mechanism Introduction 16 1.4 Key Technologies of SICs 17 2 Characteristics of Sodium-Ion Capacitor Devices 27Peng Cai, Wentao Deng, Hongshuai Hou, Guoqiang Zou, and Xiaobo Ji 2.1 Basic Features 27 2.2 Working Principle 30 2.3 Equations 32 3 Fundamental Understanding of Sodium-Ion Capacitors Mechanism 45Peng Cai, Wentao Deng, Hongshuai Hou, Guoqiang Zou, and Xiaobo Ji 3.1 EDLC-Type Mechanism of SCs and Battery-Type Mechanism of SIBs 45 3.2 Pseudocapacitance Mechanism 46 4 Classification of Sodium-Ion Capacitors Cell Configurations 63Peng Cai, Wentao Deng, Guoqiang Zou, Hongshuai Hou, and Xiaobo Ji 4.1 Battery-Type Anode and EDLC Cathode SICs Cell Configurations 63 4.2 Battery-Type Anode and Pseudocapacitive Cathode SICs Cell Configurations 64 4.3 EDLC Anode and Battery-Type Cathode SICs Cell Configurations 66 4.4 Pseudocapacitive Anode and Battery-Type Cathode SICs Cell Configurations 66 4.5 Capacitive Anode and Hybrid Cathode SICs Cell Configurations 67 4.6 Summary 69 5 Cathode Materials for Sodium-Ion Capacitors 75Xiong Zhang, Wenjie Liu, Lei Wang, Chen Li, and Yanwei Ma 5.1 Introduction 75 5.2 EDLC Cathode Materials 77 5.3 Pseudocapacitive Cathode Materials 90 5.4 Battery-Type Cathode Materials 102 6 Anode Materials for Sodium-Ion Capacitors 115Kangyu Zou, Wentao Deng, Hongshuai Hou, Xiaobo Ji, and Guoqiang Zou 6.1 EDLC Anode Materials 120 6.2 Pseudocapacitive Anode Materials 123 6.3 Battery-Type Anode Materials 128 6.4 Other Novel Materials 169 7 Flexible Sodium-Ion Capacitor Devices 183Taoqiu Zhang and Huanwen Wang 7.1 Flexible SICs Devices 183 7.2 Flexible Capacitive Anode and Battery-Type Cathode SICs Cell Configurations 211 7.3 Electrolytes in Flexible SICs Devices 217 8 Pre-sodiation Technologies 225Zirui Song, Chang Liu, and Xiaobo Ji 8.1 Introduction 225 8.2 Pre-lithiation in Lithium-Ion Batteries 226 8.3 Pre-sodiation in Sodium-Ion Batteries 236 8.4 Pre-sodiation in Sodium-Ion Capacitors 238 9 Conclusions and Future Perspective 249Kangyu Zou, Wentao Deng, Hongshuai Hou, Guoqiang Zou, and Xiaobo Ji 9.1 Definitions and Mechanisms 249 9.2 Configurations 250 9.3 Electrode Materials 251 9.4 Key Technologies 251 9.5 Future Perspective 252 Index 259

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Book SynopsisBiomaterials Effect on the Bone Microenvironment Practical resource on clinical bone regeneration from a variety of related interdisciplinary researchers Biomaterials Effect on the Bone Microenvironment focuses on the structure-activity relationship between bone biomaterials and microenvironment regulation, presenting a systematic exposition from all aspects of biomaterials regulated microenvironment in bone regeneration and covering design strategies, applications, and mechanisms of biomaterials that regulate bone microenvironment, along with the methods for manufacturing biomaterials and their clinical translation. The subject’s potential challenges and future development direction are discussed, and the design and initiative principle of tailored biomaterials with various features, including bioactive components and physicochemical property, are elucidated in depth. Numerous biomaterials, including natural and synthetic, are summarized and compared. Their advantages and features are also evaluated, particularly in bone microenvironmental regulation and bone generation. Moreover, the stimulation mechanism of the microenvironment to bone generation is discussed in detail, including mechanical-support effect, redox effect, pro-angiogenesis effect, inflammatory immune effect, and anti-aging effect. Biomaterials Effect on the Bone Microenvironment provides further coverage of sample topics such as: Role of bone microenvironment and its associated biomaterials in modulation bone diseases, reviewing the biomaterials used to regulate bone microenvironment Relationship between biological factors of various materials and physiological functions in bone microenvironment Application of the third generation of biomaterials, which would regenerate the bone to regulate bone microenvironment Emerging biological material manufacturing technology and mechanisms of novel biomaterial modulating microenvironment for bone regeneration Future outlook of bone tissue engineering along with the general process of bone remodeling and regeneration With comprehensive coverage of one of the most promising and valuable candidates for clinical bone regeneration, Biomaterials Effect on the Bone Microenvironment is an ideal resource for materials scientists, biotechnologists, biochemists, bioengineers, orthopedists, and clinical chemists who want to stay on the cutting edge of this rapidly evolving field.Table of ContentsPreface ix 1 Bone Microenvironment 1Yingying Jing and Xiao Chen 1.1 Introduction 1 1.2 Bone Microenvironment and Diseases 9 1.3 Biomaterials and Bone Microenvironment 18 2 Materiobiological Effects Regulate the Bone Microenvironment 43Shuangshuang Chen 2.1 Bioactive Components Influence the Bone Microenvironment 44 2.2 Physicochemical Property Influence the Bone Microenvironment 59 3 Design and Application of Biomaterials to Regulate Microenvironment for Bone Regeneration 75Xiuhui Wang and Yingying Jiang 3.1 Natural Biomaterials for Bone Microenvironment Regulation 76 3.2 Synthetic Biomaterials for Bone Microenvironment Regulation 87 4 Fabrication Technologies of Biomaterials 107Qin Zhang and Xue Xu 4.1 Fabrication Technologies of Biomaterials 107 4.2 Fabrication Technologies of Hydrogels 114 4.3 Fabrication Technologies of Other Biomaterials 121 References 125 5 Mechanisms for Biomaterials Reconstruct Microenvironment in Bone Regeneration 129Yan Wei and Mengmeng Li 5.1 Mechanical Support Effect 129 5.2 Redox Effect 133 5.3 Pro-angiogenesis Effect 138 5.4 Inflammatory Immune Effect 144 5.5 Anti-Aging Effect 149 6 Biomaterials Regulating Bone Microenvironment in Clinical Application 157Zhen Geng, Xiaoxiang Ren, and Sicheng Wang 6.1 Introduction 157 6.2 Autogenous Bone Remodeling 158 6.3 Allogeneic Bone Regeneration 161 6.4 Clinical Effect of Biomaterials 165 6.4.1 Bone tissue engineering 168 6.5 Clinical Challenges and Opportunities 169 References 170 7 Conclusions and Perspectives 175Ke Xu, Yan Hu, and Han Liu 7.1 Bone Microenvironment Under Physiological and Pathological Conditions 175 7.2 Biological Effects Under Modulation of Materials 177 7.3 Design and Application of Biomaterials in Bone Regeneration 178 7.4 Fabrication Technologies 180 7.5 Microenvironment Under Biomaterial Regulation 181 7.6 Biomaterials in Clinical Experience 182 Index 185

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Book SynopsisTribological Properties, Performance, and Applications of Biocomposites Discover the principles and applications of biocomposites with this comprehensive guide For decades, lightweight composites composed of synthetic fibers have found an enormous range of industrial applications, often replacing metals in various industrial processes because of their distinctive properties. However, these synthetic fibers produce considerable carbon dioxide emissions and are difficult to recycle, making them unsuited to renewable industry and the demands of a sustainable world. In recent years, polymer composites of natural fibers—called biocomposites—have been gaining popularity, presenting a superior alternative both ecologically and mechanically. Tribological Properties, Performance, and Applications of Biocomposites provides a comprehensive overview of these natural fiber polymer composites and their properties as they behave in relate motion and interact with other substances. Drawing insights from both academic research and industry, it provides both theoretical insights and practical applications of biocomposite polymers. The result is an essential tool in updating industry with cutting-edge technology for a sustainable future. Tribological Properties, Performance, and Applications of Biocomposites readers will also find: Detailed discussion of biocomposites as they interact with different matrices, nanoparticles, and more Applications for technologies in areas including dental, biomedical, and tissue engineering An editorial team with decades of combined experience in biocomposite research Tribological Properties, Performance, and Applications of Biocomposites is ideal for materials scientists, chemists, and engineering scientists in both academia and industry.Table of ContentsPreface xiii 1 Tribological Characterization of Biocomposites: An Overview 1 Manickam Ramesh, Thangamani Vinitha, and Manickam Tamil Selvan 1.1 Introduction 1 1.2 Tribological Characterization 2 1.2.1 Flax Reinforcement 3 1.2.2 Coconut Coir Reinforcement 4 1.2.3 Banana Reinforcement 4 1.2.4 Hemp Reinforcement 4 1.2.5 Ramie Reinforcement 5 1.2.6 Calotropis gigantea Reinforcement 5 1.2.7 Kenaf Reinforcement 6 1.2.8 Betel Nut Fibers 7 1.3 Parameters Influencing the Tribological Characteristics 8 1.3.1 Impact of Reinforcement Orientation on Wear Behavior 8 1.3.2 Effect of Reinforcement Volume Fraction on Wear Behavior 9 1.3.3 Effect of Fillers on Wear Behavior 11 1.3.4 Influence of Surface Modification on Wear Behavior 11 1.4 Morphology Analysis of Tribological Characteristics 12 1.5 Conclusion 14 References 15 2 Tribological Properties of the Natural Fiber-Reinforced Epoxy Composites 19 Lin Feng Ng and Mohd Yazid Yahya 2.1 Introduction 19 2.2 Fiber-Reinforced Composites 20 2.3 Cellulosic Natural Fibers 22 2.4 Impact of Tribology on the Environment and Industry 23 2.5 Tribological Properties of FRPs 25 2.5.1 Tribological Properties of Natural Fiber-Reinforced Epoxy Composites 25 2.5.2 Tribological Properties of Natural Fiber-Reinforced Epoxy Hybrid Composites 30 2.6 Conclusion 33 References 34 3 Wear Properties of Flax/Epoxy-Based Composites With Different Machining Parameters 39 K.R. Sumesh, Petr Spatenka, and G. Rajeshkumar 3.1 Introduction 39 3.2 Materials and Methods 40 3.2.1 Method 40 3.2.2 Wear Testing 40 3.3 Results and Discussion 41 3.3.1 Wear Results 41 3.4 Conclusions 43 References 43 4 Polyester-Based Biocomposites for Tribological Applications 47 Anand Gobiraman, Santhosh Nagaraja, and Vishvanathperumal Sathiyamoorthi 4.1 Introduction: Background and Driving Forces 47 4.2 Materials and Methods 49 4.2.1 Natural Fibers 49 4.2.2 Polyester–Natural Fiber Composites 49 4.2.3 Hybrid Polyester—Composites 50 4.2.4 Methods of Production of Biocomposites 51 4.2.4.1 Stratification 51 4.2.4.2 Hand Lay-Up Method 52 4.2.4.3 Vacuum Bagging Technique 52 4.2.4.4 Tribological Tests on Natural Fiber-Reinforced Polyester-Based Biocomposites 52 4.3 Tribological Characteristics of Polyester-Based Biocomposites 53 4.4 Polyester-Based Biocomposites for Tribological Applications 59 4.5 Conclusions 60 References 61 5 Tribological Properties of the Natural Fiber-Reinforced Vinyl Ester Composites 65 Krushna Gouda, Muthukumar Chandrasekar, Vellaichamy Parthasarathy, Senthilkumar Krishnasamy, and Senthil Muthu Kumar Thiagamani 5.1 Introduction 65 5.2 Natural Fiber-Based VE Composite 70 5.3 Problems Associated with Natural Fiber-Based Composite 71 5.4 Conclusion 71 References 71 6 Friction and Sliding Wear Properties of the Natural Fiber-Reinforced Polypropylene Composites 75 Emel Kuram 6.1 Introduction 75 6.2 Polypropylene 76 6.3 Natural Fibers 76 6.4 Natural Fiber-Reinforced PP Composites 80 6.5 Tribological Properties of Natural Fiber-Reinforced PP Composites 83 6.5.1 Friction Coefficient of Natural Fiber-Reinforced PP Composites 86 6.5.2 Wear Behavior of Natural Fiber-Reinforced PP Composites 90 6.6 Conclusions 94 Acknowledgments 94 References 95 7 Wear Behavior of the Natural Fiber-Reinforced Thermoplastic Composites 105 Ramu Sundaramoorthy, Vellaichamy Parthasarathy, Jeyanthi Subramanian, Lin Feng Ng, and Naveen Jesuarockiam 7.1 Introduction 105 7.2 Wear Testing Methods 105 7.3 Factors Affecting Wear Behavior of the Composite 107 7.4 Motion Type 107 7.5 Load 107 7.6 Velocity 107 7.7 Temperature 108 7.8 Test Duration 108 7.9 Performance Metrics From the Wear Test 108 7.10 Wear Studies on Natural Fiber-Reinforced Thermoplastic Composites 109 7.11 Conclusion 113 References 113 8 Tribological Characterization of the Natural Fiber-Reinforced Polyimide Composites 115 Anand Gobiraman, Santhosh Nagaraja, and Vishvanathperumal Sathiyamoorthi 8.1 Introduction: Background and Driving Forces 115 8.2 Materials and Methods 117 8.2.1 Natural Fibers 118 8.2.2 Methods of Production of Natural Fiber-Reinforced Polymer Composites 119 8.2.2.1 Stratification 120 8.2.2.2 Hand Layup 120 8.2.2.3 Vacuum Bagging Technique 121 8.3 Polyimides 121 8.4 Natural Fibers/Polyimides Composites 121 8.5 Tribological Applications of Natural Fibers/Polyimides Composites 122 8.6 Conclusions 124 References 125 9 Investigations of the Friction and Wear Resistance of the Natural Fiber-Reinforced Polyamide Composites 129 İbrahim Can Kaymaz, Alperen Doğru, Miray Batıkan Kandemir, and Mehmet Özgür Seydibeyoğlu 9.1 Introduction 129 9.1.1 Thermosetting 130 9.1.2 Thermoplastics 130 9.1.3 Thermoplastic Composites 131 9.1.4 Thermoplastic Polymer Matrix 132 9.1.5 Fibers 133 9.2 Natural Fiber-Reinforcement Polyamide 134 9.2.1 Polyamide 134 9.2.2 Natural Fibers 135 9.2.2.1 Animal Fiber 135 9.2.2.2 Plant Fiber 135 9.2.3 Mineral Fiber 141 9.2.4 Production 141 9.3 Friction and Wear Resistance at Natural Fiber-Reinforcement Polyamide 142 9.3.1 Friction 142 9.3.2 Wear 145 9.3.3 Testing and Measurement 148 9.3.3.1 Friction Test Methodologies 148 9.3.3.2 Wear Test Methodologies 148 9.3.4 Applications 149 References 150 10 Friction and Wear Resistance of the Natural Fiber-Reinforced Polymer Composites With Metal Oxide Fillers 159 Niket Suresh Powar and Mariyappan Shanmugam 10.1 Introduction 159 10.2 Oil Palm Fiber 160 10.3 Jute Fiber 161 10.4 Bamboo Fiber 162 10.5 Coconut Fiber 164 10.6 Conclusion 164 References 165 11 Investigation of Sliding Wear Properties of Nanofiller-Based Biocomposites 167 Ajish Babu, Anusree Thilak, Harikrishnan Pulikkalparambil, Sandhya Alice Varghese, Sanjay Mavinkere Rangappa, Kuruvilla Joseph, and Suchart Siengchin 11.1 Introduction 167 11.2 Wear General Aspects 168 11.3 Methods to Measure Wear 170 11.4 Sliding Wear in Polymer Composites 171 11.5 Sliding Wear in Biocomposites, General 173 11.5.1 Sliding Wear Property of Biofiller Incorporated Biopolymer Composite 173 11.5.2 Sliding Wear Property of Synthetic/Inorganic Filler Incorporated Biopolymer Composite 175 11.6 Conclusion 177 Acknowledgment 177 References 177 12 Friction and Wear Properties of Biocomposites for Dental, Orthopedic, and Biomedical Applications 185 Piyush Gaur, Chandrasekar Muthukumar, and V. Parthasarathy 12.1 Introduction 185 12.2 Desired Properties and Classification of Biomaterials 188 12.2.1 Desired Properties of Biomaterials 188 12.2.2 Classification of Biomaterials 189 12.2.2.1 Metallic Biomaterials 189 12.2.2.2 Ceramic Biomaterials 193 12.2.2.3 Composite Biomaterials 193 12.3 Wear of Biomaterials 194 12.3.1 Wear Testing Methods 195 12.3.2 Friction and Wear Characterization Techniques for Biomaterials 196 12.4 Friction and Wear Properties of Biocomposites Used in Different Biomedical Applications 197 12.4.1 Dental Applications 197 12.4.1.1 Friction and Wear of Dental Resins 199 12.4.2 Orthopedic Applications 200 12.4.2.1 Friction and Wear of Biocomposites in Orthopedics Applications 203 12.5 Conclusion 207 References 207 13 Wear and Friction Behavior of Biocomposites Fabricated Through Additive Manufacturing 219 Manickam Ramesh, Kanagaraj Niranjana, and Manickam Tamil Selvan 13.1 Introduction 219 13.2 Additive Manufacturing of Biocomposites 220 13.3 Fabrication of Biocomposites Using AM 222 13.4 Types of Wear Behavior Based on Its Processes, Effects, and Environment 222 13.4.1 Adhesion Wear 223 13.4.2 Abrasive Wear 224 13.4.3 Erosive Wear 225 13.4.4 Fatigue Wear 226 13.4.5 Corrosive or Oxidative Wear 226 13.4.6 Fretting Wear 226 13.5 Determining the Level of Specimen Deterioration 227 13.6 Wear and Frictional Characteristics of AM Products 228 13.7 Method of Testing the Wear and Friction in the AM Parts 228 13.7.1 Pin-on-Disk or Tribometer 239 13.7.2 Pin-on-Drum 239 13.7.3 Repeated Impact Wear Test 240 13.7.4 Acoustic Emission Monitoring Test 241 13.7.5 Rubbing Test 241 13.8 Conclusion 241 References 242 14 Influence of Fiber Treatment on the Wear Properties of Biocomposites 247 Anthony Chidi Ezika, Emmanuel Rotimi Sadiku, Raphael Stone Odera, Uzoma Ebenezer Enwerem, Victor Ugochukwu Okpechi, Martin Emeka Ibenta, and Shadrack Chukwuebuka Ugwu 14.1 Introduction 247 14.2 Fibers 248 14.2.1 NF Reinforcement 249 14.2.2 Treatments of NFs 250 14.2.2.1 Types of NF Treatment 250 14.3 Biocomposites 254 14.3.1 Classification of Biocomposites 254 14.3.2 Natural Fiber-Polymer Composites 254 14.3.3 Tribological Properties of NF-Reinforced Composites 255 14.4 Influence of Fiber Treatment on the Wear Properties of NF-Filled Polymer 256 14.4.1 Influence of Fiber Treatment on the Wear Properties of NF-Reinforced Epoxy Composites 257 14.4.2 Influence of Fiber Treatment on the Wear Properties of NF- Reinforced Polyester Composites 260 14.4.3 Influence of Fiber Treatment on the Wear Behavior of NF Reinforced Vinyl Ester Composite 262 14.4.4 Influence of Fiber Treatment on the Wear Properties of NF- Reinforced Polypropylene Composites 263 14.4.5 Influence of Fiber Treatment on the Wear Properties of NF-Reinforced Polylactic Acid Composites 265 14.4.6 Influence of Fiber Treatment on the Wear Properties of NF-Reinforced High-Density Polyethylene Composites 267 14.4.7 Influence of Fiber Treatment on the Wear Properties of NF- Reinforced Low-Density Polyethylene Composites 267 14.4.8 Influence of Fiber Treatment on the Wear Properties of NF- Reinforced PET Composites 269 14.4.9 Influence of Fiber Treatment on the Wear Properties of NF- Reinforced Polyamide Composites 269 14.4.10 Influence of Fiber Treatment on the Wear Properties of NF-Reinforced Hybrid Biocomposites (Fiber Blending + Polymer Blending) Composites 270 14.5 Conclusion 273 References 273 Index 285

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Book SynopsisTwo-Dimensional Materials for Nonlinear Optics Comprehensive resource covering concepts, perspectives, and skills required to understand the preparation, nonlinear optics, and applications of two-dimensional (2D) materials Bringing together many interdisciplinary experts in the field of 2D materials with their applications in nonlinear optics, Two-Dimensional Materials for Nonlinear Optics covers preparation methods for various novel 2D materials, such as transition metal dichalcogenides (TMDs) and single elemental 2D materials, excited-state dynamics of 2D materials behind their outstanding performance in photonic devices, instrumentation for exploring the photoinduced excited-state dynamics of the 2D materials spanning a wide time scale from ultrafast to slow, and future trends of 2D materials on a series of issues like fabrications, dynamic investigations, and photonic/optoelectronic applications. Powerful nonlinear optical characterization techniques, such as Z-scan measurement, femtosecond transient absorption spectroscopy, and microscopy, are also introduced. Edited by two highly qualified academics with extensive experience in the field, Two-Dimensional Materials for Nonlinear Optics covers sample topics such as: Foundational knowledge on nonlinear optical properties, and fundamentals and preparation methods of 2D materials with nonlinear optical properties Modulation and enhancement of optical nonlinearity in 2D materials, and nonlinear optical characterization techniques for 2D materials and their applications in a specific field Novel nonlinear optical imaging systems, ultrafast time-resolved spectroscopy for investigating carrier dynamics in emerging 2D materials, and transient terahertz spectroscopy 2D materials for optical limiting, saturable absorber, second and third harmonic generation, nanolasers, and space use With collective insight from researchers in many different interdisciplinary fields, Two-Dimensional Materials for Nonlinear Optics is an essential resource for materials scientists, solid state chemists and physicists, photochemists, and professionals in the semiconductor industry who are interested in understanding the state of the art in the field.Table of ContentsPreface xiii List of Abbreviations xv 1 Preparation of 2D Materials 1Yue Tang and Hua Xu 1.1 Mechanical Exfoliation of 2D Materials 2 1.2 Liquid-Phase Exfoliation of 2D Materials 4 1.3 Chemical Vapor Deposition Growth of 2D Materials 6 1.4 CVD Growth ofWafer-Scale Single Crystal 2D Materials 8 1.5 Thickness Control in CVD Growth of 2D Materials 10 1.6 Phase Control in CVD Growth of 2D Materials 12 1.7 Summary and Prospect 14 2 An Introduction to the Nonlinear Optical Properties of 2D Materials 21Bolong Wang and Hao-Li Zhang 2.1 Introduction 21 2.2 Nonlinear Optics of 2D Materials 22 2.3 Application of 2D Nonlinear Materials 35 2.4 Prospect 43 3 Modulation and Enhancement of Optical Nonlinearity in 2D Materials 55Xinglin Wen and Qihua Xiong 3.1 Introduction 55 3.2 Nonlinear Optics in 2D Materials 57 3.3 Nonlinearity Modulation in 2D Materials 60 4 Characterizing the Nonlinear Optical Properties of 2D Materials by Double 4f Nonlinear Imaging System with Phase Object and Four-Wave-Mixing Microscopy 87Zhongguo Li and Yinglin Song 4.1 Introduction 87 4.2 Principle of NLO Measurement Technique 88 4.3 Characterizing NLO Response of 2D Materials via Double 4f Nonlinear Imaging System with Phase Object (NIT-PO) Microscopy 91 4.4 Characterizing NLO Response of 2D Materials via Four-Wave-Mixing Microscopy 95 4.5 Outlook and Perspective 97 5 Ultrafast Carrier Dynamics in Emerging 2D Materials 103Jiawei Huang, Ningning Dong, and Jun Wang 5.1 Introduction 103 5.2 Ultrafast Time-Resolved Spectroscopy 104 5.3 Ultrafast Optics in van derWaals 2D Materials 109 5.4 Ultrafast Optics in Emerging Quasi-2D Materials 118 5.5 Perspectives on Ultrafast Optics for 2D Material 124 6 Transient Terahertz Spectroscopy for 2D Materials 131Jingyin Xu, Kai Zhang, Hong Li, and Tianwu Wang 6.1 Introduction 131 6.2 Generation and Detection of THz Radiation 132 6.3 Nanoscale THz Scanning Probe Microscopy of 2D Materials 149 6.4 Perspectives 154 7 Graphene Glass for Nonlinear Optics 163Qi Xiao, Jingyu Sun, and Hao-Li Zhang 7.1 Light Absorption of Graphene 163 7.2 Nonlinear Optical Properties of Graphene 164 7.3 Nonlinear Optical Properties of Graphene Glass 167 7.4 Perspectives 179 8 2D Materials for Nonlinear Optical Limiting 185Wen Shang, Bolong Wang, and Qiang Wang 8.1 Introduction 185 8.2 Nonlinear Optical Limiting Mechanism 186 8.3 2D Materials for Optical Limiting 189 8.4 Conclusions and Prospects 209 9 The Saturable Absorbers Based on 2D Materials 221Xin-Hai Yan, Lei Zhang, and Kai-Ge Zhou 9.1 Introduction 221 9.2 The Fundaments in the 2D Materials-Based Saturable Absorbers 222 9.3 The Family of 2D Material-Based Saturable Absorbers 225 9.4 Applications 239 9.5 Perspectives and Outlook 248 10 Second-Harmonic and Third-Harmonic Generations in 2D Layered Materials 257Xudong Jin and Min Zhao 10.1 Introduction 257 10.2 Conclusions and Outlook 274 11 2D Perovskites for Nanolasers 281Wei Yuan and Chuanjiang Qin 11.1 Introduction 281 11.2 Laser Formation Principle and Performance Parameters 283 11.3 The Application of 2D Perovskites in Nanolasers 286 11.4 Prospect 299 12 2D Materials for Space Use 303Shuyan Wang and Qiang Wang 12.1 Introduction 303 12.2 Space Radiation and Two-Dimensional Materials 305 12.3 2D Materials for Space Use 309 12.4 Perspectives 321 Acknowledgment 322 References 322 Index 333

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Book SynopsisChemically Modified Carbon Nanotubes for Commercial Applications Discover the go-to handbook for developers and application-oriented researchers who use carbon nanotubes in real products Carbon nanotubes have held much interest for researchers since their discovery in 1991. Due to their low mass density, large aspect ratio, and unique physical, chemical, and electronic properties, they provide a fertile ground for innovation in nanoscale applications. The development of chemical modifications that can enhance the poor dispersion of carbon nanotubes in solvents and improve interactions with other materials have enabled extensive industrial applications in a variety of fields. As the chemistry of carbon nanotubes and their functionalization becomes better understood, Chemically Modified Carbon Nanotubes for Commercial Applications presents the most recent developments of chemically modified carbon nanotubes and emphasizes the broad appeal for commercial purposes along many avenues of interest. The book reviews their already realized and prospective applications in fields such as electronics, photonics, separation science, food packaging, environmental monitoring and protecting, sensing technology, and biomedicine. By focusing on their commercialization prospects, this resource offers a unique approach to a significant and cutting-edge discipline. In Chemically Modified Carbon Nanotubes for Commercial Applications readers will also find: Case studies that emphasize the information presented in each chapter Each chapter includes important websites and suggested reading materials Discussion of current applications of the relevant methodologies in every chapter A look at future perspectives in each application area to highlight the scope for next steps within the industry Chemically Modified Carbon Nanotubes for Commercial Applications is a valuable reference for material scientists, chemists (especially those focused on environmental concerns), and chemical and materials engineering scientists working in R&D and academia who want to learn more about chemically modified carbon nanotubes for various scalable commercial applications. It is also a useful resource for a broad audience: anyone interested in the fields of nanomaterials, nanoadsorbents, nanomedicine, bioinspired nanomaterials, nanotechnology, nanodevices, nanocomposites, biomedical application of nanomaterials, nano-engineering, and high energy applications.Table of ContentsPART 1: CHEMICALLY MODIFIED CARBON NANOTUBES: OVERVIEW AND ECONOMIC ASPECTS Chapter 1: Overview and fundamentals of Chemically Modified Carbon Nanotubes Chapter 2: Synthesis and Properties of Chemically Modified Carbon Nanotubes Chapter 3: Different Chemical Modification Methods of Carbon Nanotubes Chapter 4: Economics of Chemically Modified Carbon Nanotubes PART 2: CHEMICALLY MODIFIED CARBON NANOTUBES: CURRENT APPLICATIONS Chapter 5: Chemically Modified Carbon Nanotubes for Advanced Fibers and Wires Applications Chapter 6: Chemically Modified Carbon Nanotubes for Membranes for Purification and Desalination of Water Chapter 7: Chemically Modified Carbon Nanotubes for Electronics and Photonic Applications Chapter 8: Chemically Modified Carbon Nanotubes for Biosensors Applications Chapter 9: Chemically Modified Carbon Nanotubes in Cancer Therapy Chapter 10: Chemically Modified Carbon Nanotubes in Drug Delivery Chapter 11: Chemically Modified Carbon Nanotubes in 3D and 4D Printing Chapter 12: Chemically Modified Carbon Nanotubes in Food Packaging Chapter 13: Chemically Modified Carbon Nanotubes for Tribology Applications Chapter 14: Chemically Modified Carbon Nanotubes in Tissue engineering Chapter 15: Chemically Modified Carbon Nanotubes in Transportation Chapter 16: Chemically Modified Carbon Nanotubes in Energy Production and Storage Chapter 17: Chemically Modified Carbon Nanotubes for High Energy Applications Chapter 18: Chemically Modified Carbon Nanotubes in Lubricants (Eco-lubricants) Chapter 19: Chemically Modified Carbon Nanotubes for Pollutants Adsorption Chapter 20: Chemically Modified Carbon Nanotubes in Environmental Protection Chapter 21: Chemically Modified Carbon Nanotubes in Membrane Separation Chapter 22: Chemically Modified Carbon Nanotubes in Cement and Concrete Field Chapter 23: Chemically Modified Carbon Nanotubes for Gas-Sensing Application Chapter 24: Chemically Modified Carbon Nanotubes for Corrosion Protection

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Book SynopsisMagnetic Nanoparticles Learn how to make and use magnetic nanoparticles in energy research, electrical engineering, and medicine In Magnetic Nanoparticles: Synthesis, Characterization, and Applications, a team of distinguished engineers and chemists delivers an insightful overview of magnetic materials with a focus on nano-sized particles. The book reviews the foundational concepts of magnetism before moving on to the synthesis of various magnetic nanoparticles and the functionalization of nanoparticles that enables their use in specific applications. The authors also highlight characterization techniques and the characteristics of nanostructured magnetic materials, like superconducting quantum interference device (SQUID) magnetometry. Advanced applications of magnetic nanoparticles in energy research, engineering, and medicine are also discussed, and explicit derivations and explanations in non-technical language help readers from diverse backgrounds understand the concepts contained within. Readers will also find: A thorough introduction to magnetic materials, including the theory and fundamentals of magnetization In-depth explorations of the types and characteristics of soft and hard magnetic materials Comprehensive discussions of the synthesis of nanostructured magnetic materials, including the importance of various preparation methods Expansive treatments of the surface modification of magnetic nanoparticles, including the technical resources employed in the process Perfect for materials scientists, applied physicists, and measurement and control engineers, Magnetic Nanoparticles: Synthesis, Characterization, and Applications will also earn a place in the libraries of inorganic chemists.Table of Contents1 Introduction to Magnetic Materials 1.1 Theory and Fundamentals of Magnetization 1.2 Types of Magnetism 1.3 Extrinsic and Intrinsic Characteristics of Magnetic Materials 2 Types and Characteristics of Magnetic Materials 2.1 Introduction 2.2 Soft and Hard Magnetic Materials 2.3 Hysteresis Loop 2.4 Magnetic Characteristic Measurements 2.5 Magnetic Losses 3 Insights into the Synthesis of Nanostructured Magnetic Materials 3.1 Introduction 3.2 The Synthesis Process of Magnetic Nanoparticles 3.3 The Importance of the Synthesis and/or Preparation Methods 3.4 Dependency of Particle Size and Shape on the Synthesis Route 3.5 Questions Related to the Selected Synthesis Route 3.6 Dependency of Magnetic Behaviors on Particle/Grain Size 3.7 Dependency of Magnetic Behaviors on Particle/Grain Shape 3.8 Introduction to Wet-Chemical Synthesis Route 3.9 Introduction to Solid-state Routes to Synthesize Magnetic Nanoparticles 3.10 Some Methods for Extraction of Iron Oxide Nanoparticles from Industrial Wastes 4 Surface Modification of Magnetic Nanoparticles 4.1 Introduction 4.2 Employed Technical Resources for Surface Modification 4.3 Surface Modification of Magnetic Nanoparticles with Surfactant 4.4 Current Trends for Surface Modification of Nanomaterials 4.5 Summary 5 Insight into a Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) 5.1 Introduction to SQUID 5.2 Superconducting Materials Used in SQUID 5.3 What is the Basic Principle in SQUID VSM Magnetometer? 5.4 Superconductivity 5.5 Josephson Tunneling (JT) Phenomenon 5.6 Utilizations and Applications of SQUID 5.7 Advantages and Disadvantages of SQUID Compared to other Techniques in Characterization of Magnetic Nanomaterials 6 The principle of SQUID Magnetometry and its Contribution in MNPs Evaluation 6.1 Introduction 6.2 The Correct Procedure to Perform the Zero Field Cooling (ZFC) and Field Cooling (FC) Magnetic Study 6.3 The Concept of Merging Zero Field Cooled (ZFC) and Field Cooled (FC) Curve Completely with Each Other 6.4 Types of Information Obtained from the ZFC and FC Curves 6.5 SQUID Magnetometry: Magnetic Measurements 7 Type of Interactions in Magnetic Nanoparticles 7.1 Introduction 7.2 Magnetic Dipole-Dipole Interaction between Magnetic Nanoparticles 7.3 Exchange Interaction 7.4 Dipolar Interactions 7.5 Spin-orbit Interaction 8 Insight into Susceptibility Measurements in Nanostructured Magnetic Materials 8.1 Introduction 8.2 Information Obtained from Susceptibility Measurements 8.3 Insight into interaction between magnetic nanoparticles and used models 8.4 AC Susceptibility Measurement Evaluation 9 Induced Effects in Nanostructured Magnetic Materials 9.1 Introduction 9.2 The Spin-Canted Effect 9.3 Spin-glass-like Behavior in Magnetic Nanoparticles 9.4 Reentrant Spin Glass (RSG) Behavior in Magnetic Nanoparticles 9.5 Finite Size Effects on Magnetic Properties 9.6 Surface Effect in Nanosized Particles 9.7 Memory Effect 10 Insight into Superparamagnetism in Magnetic Nanoparticles 10.1 Introduction 10.2 Superparamagnetism 10.3 SPM Description Based on Magnetization Hysteresis Loop (M-H or B-H) 10.4 SPM detection based on ZFC and FC magnetization curves 11 Mössbauer Spectroscopy 11.1 Introduction to Mössbauer Spectroscopy 11.2 Observed Effects in Mössbauer 11.3 Hyperfine Interactions 11.4 Mössbauer Spectroscopy Applied to Magnetism 12 Applications of Magnetic Nanoparticles 12.1 Introduction 12.2 Magnetic Nanoparticles Application in Engineering Fields 12.3 Magnetic Nanoparticles Application in Energy 12.4 Magnetic Nanoparticles Application in Medical Sciences 12.5 Other General Applications of Magnetic Nanoparticles

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Book SynopsisGraphene for Post-Moore Silicon Optoelectronics Provides timely coverage of an important research area that is highly relevant to advanced detection and control technology Projecting device performance beyond the scaling limits of Moore’s law requires technologies based on novel materials and device architecture. Due to its excellent electronic, thermal, and optical properties, graphene has emerged as a scalable, low-cost material with enormous integration possibilities for numerous optoelectronic applications. Graphene for Post-Moore Silicon Optoelectronics presents an up-to-date overview of the fundamentals, applications, challenges, and opportunities of integrating graphene and other 2D materials with silicon (Si) technologies. With an emphasis on graphene-silicon (Gr/Si) integrated devices in optoelectronics, this valuable resource also addresses emerging applications such as optoelectronic synaptic devices, optical modulators, and infrared image sensors. The book opens with an introduction to graphene for silicon optoelectronics, followed by chapters describing the growth, transfer, and physics of graphene/silicon junctions. Subsequent chapters each focus on a particular Gr/Si application, including high-performance photodetectors, solar energy harvesting devices, and hybrid waveguide devices. The book concludes by offering perspectives on the future challenges and prospects of Gr/Si optoelectronics, including the emergence of wafer-scale systems and neuromorphic optoelectronics. Illustrates the benefits of graphene-based electronics and hybrid device architectures that incorporate existing Si technology Covers all essential aspects of Gr/Si devices, including material synthesis, device fabrication, system integration, and related physics Summarizes current progress and future challenges of wafer-scale 2D-Si integrated optoelectronic devices Explores a wide range of Gr/Si devices, such as synaptic phototransistors, hybrid waveguide modulators, and graphene thermopile image sensors Graphene for Post-Moore Silicon Optoelectronics is essential reading for materials scientists, electronics engineers, and chemists in both academia and industry working with the next generation of Gr/Si devices.Table of ContentsCHAPTER 1. INTRODUCTION OF GRAPHENE FOR SILICON OPTOELECTRONICS 1.1 Introduction 1.2 Optical Absorption 1.3 Emergence of Graphene in Silicon Optoelectronics 1.4 Photodetection in Graphene 1.4.1 Performance Metrics 1.4.2 Photovoltaic Effect 1.4.3 Photoemission in Graphene Schottky Junctions 1.4.4 Thermionic Emission in Graphene Based Interfaces 1.4.5 Hot Electron Based Photodetection 1.4.6 Infrared Modulators 1.4.7 Photovoltaic Devices 1.5 Challenges and Perspectives 1.6 References CHAPTER 2. GROWTH AND TRANSFER OF GRAPHENE 2.1 Introduction 2.2 Crystal Structure and Bonding 2.3 Growth of Graphene 2.4 Growth Dynamics and Choice of Substrate 2.4.1 Growth on Metallic Substrates 2.4.2 Direct Growth on Dielectric Substrates 2.4.3 Direct Growth on Semiconductor Substrates 2.4.4 CMOS Compatible Growth of Thin Films Over Graphene 2.5 Growth at Industrial Scale. 2.6 Growth of Macro Assembled Graphene 2.7 Inkjet Printing of Graphene 2.8 Graphene Transfer Methods 2.9 Graphene/Silicon Contact Fabrication 2.10 Graphene Transfer on Flexible Substrate 2.11 Challenges and Perspectives 2.12 References CHAPTER 3. PHYSICS OF GRAPHENE/SILICON JUNCTIONS 3.1 Introduction 3.2 Physics of Schottky Junction 3.3 Measurement of Schottky Barrier Height 3.3.1 Capacitance Voltage Measurement 3.3.2 Current Voltage Measurement 3.3.3 Photoelectric Measurement 3.3.4 Thermionic Emission Measurements. 3.4 2D Materials and Schottky Junctions 3.5 Graphene and Conventional Semiconductor Junctions. 3.6 Challenges and Perspectives 3.7 References CHAPTER 4. GRAPHENE/SILICON JUNCTION FOR HIGH PERFORMANCE PHOTODETECTORS 4.1 Introduction 4.2 Ultraviolet Photodetectors 4.3 Visible to Near Infrared Photodetectors. 4.4 Broadband Photodetectors 4.4.1 Nanostructured Materials for Photodetection 4.4.2 Applications of Nanomaterials for Graphene Silicon Integrated Photodetectors 4.5 Challenges and Perspectives 4.6 References CHAPTER 5. GRAPHENE/SILICON SOLAR ENERGY HARVESTING DEVICES 5.1 Introduction 5.2 Emergence of Graphene Silicon in Photovoltaics 5.3 Photovoltaic Mechanism in Graphene Silicon Solar Cells 5.4 Performance Parameters for Solar Cells 5.5 Theoretical Efficiency Limits of Graphene Silicon Solar Cells 5.6 Optimization of Graphene/Silicon Solar Cells 5.6.1 Doping of Graphene 5.6.2 Light Trapping in Silicon 5.6.3 Antireflection Coating 5.6.4 Interface Engineering 5.6.5 Surface Passivation 5.7 Challenges and Perspectives 5.8 References CHAPTER 6. GRAPHENE SILICON INTEGRATED WAVEGUIDE DEVICES 6.1 Introduction 6.2 Hybrid Waveguide Photodetector 6.3 Hybrid Waveguide Modulator 6.3.1 Electro Optical Modulator. 6.3.2 Thermo Optic Modulator 6.4 Challenges and Perspectives 6.5 References CHAPTER 7. GRAPHENE FOR SILICON IMAGE SENSOR 7.1 Introduction 7.2 Quantum Dot based Infrared Graphene Image Sensor 7.3 Graphene Thermopile Image Sensor 7.4 Graphene THz Image Sensor 7.5 Curved Image Sensor Array 7.6 Neural Network Image Sensors 7.7 Graphene Charge Coupled Device Image Sensor 7.8 Graphene Based Position Sensitive Detector 7.9 Challenges and Perspectives 7.10 References CHAPTER 8. SYSTEM INTEGRATION WITH GRAPHENE FOR SILICON OPTOELECTRONICS 8.1 Introduction 8.2 Graphene Silicon Flip Chips 8.3 Graphene Silicon Heterogeneous Integration 8.4 Graphene Silicon Monolithic Integration for Optoelectronics Applications 8.5 Challenges and Perspectives 8.6 References CHAPTER 9. GRAPHENE FOR SILICON OPTOELECTRONIC SYNAPTIC DEVICES 9.1. Introduction 9.2. Silicon Neurons 9.3. Synaptic devices 9.4. Silicon Optoelectronic Synaptic Devices 9.5. ORAM Synaptic Devices 9.6. Graphene for Silicon Synaptic Devices 9.7. Synaptic Phototransistor 9.8. Mechano-photonic Synaptic Transistor 9.9. Challenges and Perspectives CHAPTER 10 FUTURE TRENDS AND CHALLENGES Reference

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Book SynopsisDas Werden der Chemie Von den Anfängen der Untersuchung der stofflichen Welt bis zum quantitativen Verständnis chemischer Reaktionen Die Chemie als die Lehre vom Aufbau und der Umwandlung von Stoffen hat eine herausragende kulturgeschichtliche Bedeutung für die Menschheit. Es war ein langer und oft irriger Weg von der Beherrschung des Feuers über die alchemistischen Versuche, Eisen in Gold zu verwandeln, bis hin zur Chemie als exakte Naturwissenschaft, die heutzutage alle Lebensbereiche beeinflusst und durchdringt. Im ersten Teil des Buches beschreiben die Autoren die Genese der Erfassung und Ordnung der vielfältigen, in der Natur und damit auch im Alltag beobachtbaren Phänomene. Die Grundüberlegungen und Ideen dazu werden zunächst in einer allgemeinverständlichen Sprache entwickelt, ohne die oftmals verwirrende Formelsprache der Chemie und der komplexeren Mathematik. Der zweite Teil des Buches befasst sich mit den Basiskonzepten, die sich aus den gesammelten und geordneten Phänomenen entwickelt haben und diese schlüssig beschreiben. Die Autoren beschränken sich dabei auf das Wesentliche verzichten bewusst auf eine klassische Einteilung des Buches nach elementspezifischer Stoffchemie. Im Verlauf der Beschreibung der Basiskonzepte werden die Formelsprache der Chemie sowie deren mathematische Entsprechung sukzessive eingeführt.Table of ContentsÜber Die Autoren vi Vorwort viii 1. Phänomene der Chemie 1.1 Stoffe wollen verstanden sein 13 1.2 Erste Quantifizierungen halten Einzug 21 1.3 Zustandsformen werden erkannt 31 1.4 Stoffe und Materialien werden isoliert und raffiniert 53 1.5 Analyse und Synthese erschließen erste Konzepte 73 1.6 Bausteine werden bereit gestellt 81 1.7 Affinitäten geben die Richtung vor 107 1.8 Die Elemente werden geordnet 113 1.9 Der Raum wird erobert 135 1.10 Das Feuer wird gebändigt 149 1.11 Stoffe werden mobilisiert 165 1.12 Stoffe erfahren und prägen Geschichte 175 2. Konzepte der Chemie 2.1 Atombau und Periodensystem 183 2.2 Chemische Bindung 271 2.3 Chemisches Gleichgewicht, Energetik und Kinetik von Reaktionen 335 2.4 Reaktionen in wässriger Lösung 359 2.5 Protonenübertragungsreaktionen (Säure/Base-Reaktionen) 379 2.6 Elektronenübertragungsreaktionen (Redox-Reaktionen) 415 2.7 Koordinationsverbindungen (Komplexe) 475 2.8 Hochmolekulare Stoffe 525 2.9 Kommunizierende Molekülfunktionen 597 2.10 Entstehung des Lebens auf der Erde 621 Verzeichnis der Fachbegriffe 631 Verzeichnis wissenschaftlicher Persönlichkeiten 637 Media credits 641

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Book SynopsisColloidal Quantum Dot Light Emitting Diodes Explore all the core components for the commercialization of quantum dot light emitting diodes Quantum dot light emitting diodes (QDLEDs) are a technology with the potential to revolutionize solid-state lighting and displays. Due to the many applications of semiconductor nanocrystals, of which QDLEDs are an example, they also hold the potential to be adapted into other emerging semiconducting technologies. As a result, it is critical that the next generation of engineers and materials scientists understand these diodes and their latest developments. Colloidal Quantum Dot Light Emitting Diodes: Materials and Devices offers a comprehensive introduction to this subject and its most recent research advancements. Beginning with a summary of the theoretical foundations and the basic methods for chemically synthesizing colloidal semiconductor quantum dots, it identifies existing and future applications for these groundbreaking technologies. The result is tailored to produce a thorough understanding of this area of research. Colloidal Quantum Dot Light Emitting Diodes readers will also find: An author with decades of experience in the field of organic electronics Detailed discussion of topics including advanced display technologies, the patent portfolio and commercial considerations, and more Strategies and design techniques for improving device performance Colloidal Quantum Dot Light Emitting Diodes is ideal for material scientists, electronics engineers, inorganic and solid-state chemists, solid-state and semiconductor physicists, photochemists, and surface chemists, as well as the libraries that support these professionals.Table of ContentsPreface xi 1 History and Introduction of QDs and QDLEDs 1 1.1 Preparation Route of Quantum Dots 3 1.2 Light-Emitting Characteristics of Quantum Dots 3 1.2.1 Particle Size and Emission Color 3 1.2.2 Quantum Dot Optical Property 4 1.2.2.1 Quantum Surface Effect 4 1.2.2.2 Quantum Size Effect 4 1.2.2.3 Quantum Confinement Effect 5 1.2.2.4 Quantum Tunnelling Effect 5 1.2.2.5 Quantum Optical Properties 6 1.2.3 Core–Shell Structure of QDs 8 1.2.4 Continuously Gradated Core–Shell Structure of QDs (cg-QDs) 12 1.2.5 Typical QDs Materials 14 1.2.5.1 II–VI Semiconductor QDs 16 1.2.5.2 IV–VI Semiconductor QDs 17 1.2.5.3 II 3 –v 2 Semiconductor QDs 17 1.2.5.4 Ternary I–III–VI 2 Chalcopyrite Semiconductor QDs 17 1.2.5.5 Single Element-Based Semiconductor QDs 17 1.3 Application of Quantum Dots on Display Devices 18 1.3.1 The Basic Structure of QDLED 18 1.3.2 Main Factors Affecting QDLED Light Emission 19 1.3.2.1 Auger Recombination (AR) 19 1.3.2.2 Fluorescence Resonance Energy Transfer 21 1.3.2.3 Surface Traps and Field Emission Burst 22 1.3.3 History of QDLED Development 22 1.4 Conclusion and Remarks 27 References 28 2 Colloidal Semiconductor Quantum Dot LED Structure and Principles 33 2.1 Basic Concepts 33 2.1.1 Color Purity 33 2.1.2 Solution Processability 34 2.1.3 Stability 35 2.1.4 Surface States of Quantum Dots 36 2.1.5 Energy Levels and Energy Bands 36 2.1.6 Metals, Semiconductors, and Insulators 37 2.1.7 Electrons and Holes 38 2.1.8 Fermi Distribution Function and Fermi Energy Level 39 2.1.9 Schottky Barrier 39 2.1.10 Energy Level Alignment 40 2.2 Colloidal Quantum Dot Light-Emitting Devices 40 2.2.1 The Basic Structure of QDLED 41 2.2.2 The Working Principle of QDLED 43 2.2.3 Operating Parameters of QDLED 44 2.2.3.1 Turn-on Voltage 44 2.2.3.2 Luminous Brightness 44 2.2.3.3 Luminous Efficiency 44 2.2.3.4 Luminescence Color 45 2.2.3.5 Luminous Lifetime 45 2.2.3.6 QDLED Device Fabrication Process 48 References 48 3 Synthesis and Characterization of Colloidal Semiconductor Quantum Dot Materials 51 3.1 Background 51 3.2 Synthesis and Post-processing of Colloidal Quantum Dots 53 3.2.1 Direct Heating Method and Hot Injection Synthesis Method 53 3.2.1.1 Hot-Injection Method 54 3.2.1.2 Direct Heating Method 55 3.2.2 Precursor Chemistry 56 3.2.3 Ligating and Non-ligating Solvents 56 3.2.4 Mechanism of Nucleation and Growth of Colloidal Quantum Dots 58 3.2.5 Size Distribution Focus and Size Distribution Scatter 59 3.2.6 Crystalline Species-Mediated Growth and Orientation of Nanocrystals Attachment Growth 60 3.2.7 Synthesis Methods and Band Gap Regulation Engineering of Nuclear-Shell Quantum Dots 61 3.2.7.1 Non-alloyed Core–Shell Quantum Dots 63 3.2.7.2 Alloy Core–Shell Quantum Dots 64 3.2.8 Surface Chemistry of Colloidal Quantum Dots 65 3.2.8.1 Covalent Bond Classification Method 65 3.2.8.2 Entropic Ligands 66 3.3 Material Characterization 66 3.3.1 Ultraviolet–Visible (UV–Vis) Absorption and Fluorescence Spectra 67 3.3.2 Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 69 3.3.3 Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) 71 3.3.4 X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 74 3.3.5 Transmission Electron Microscopy 76 3.3.6 Small-Angle X-Ray Scattering and Wide-Angle X-Ray Scattering 76 3.3.7 X-Ray Diffractometer 77 3.3.8 X-Ray Absorption Fine Structure Spectra 78 3.3.9 Measurement of Fluorescence Quantum Yield 79 3.4 Conclusion and Outlook 79 References 81 4 Red Quantum Dot Light-Emitting Diodes 87 4.1 Background 87 4.2 Red Light Quantum Dot Materials 88 4.2.1 Materials 89 4.2.2 Quantum Dot Structure Design and Optimization 90 4.2.3 Surface Ligands 91 4.2.4 Core–Shell Structure 94 4.2.5 Alloy Core–Shell Structure 96 4.3 Red QDLED Devices 97 4.3.1 Red QDLED Device Architecture Development 97 4.3.2 Common Device Structures 99 4.4 Conclusion and Outlook 102 References 104 5 Green Quantum Dot LED Materials and Devices 111 5.1 Background 111 5.2 Commonly Used Luminescent Layer Materials in Green QDLEDs 120 5.2.1 Discrete Core/Shell Quantum Dots 120 5.2.2 Alloyed Core/Shell Quantum Dots 121 5.2.3 Core/Multilayer Shell Quantum Dots 121 5.3 Development of Device Structures for Green QDLEDs 122 5.4 Factors Affecting the Performance of Green QDLEDs 125 5.4.1 QD Ligand Effect 126 5.4.2 QD Core/Shell Structure 129 5.4.3 Optimization of the Device Structure 130 5.4.4 Other Strategies to Improve Device Performance 132 5.5 Summary and Outlook 134 References 135 6 Blue Quantum Dot Light-Emitting Diodes 141 6.1 Introduction 141 6.2 Blue Quantum Dot Luminescent Materials 143 6.2.1 Blue Quantum Dots Containing Cadmium 145 6.2.2 Cadmium-Free Quantum Dots 149 6.2.2.1 Quantum Dots Based on InP 149 6.2.2.2 Quantum Dots Based on ZnSe 151 6.2.2.3 Quantum Dots Based on Cu 153 6.2.2.4 Quantum Dots Based on AlSb 155 6.3 Optimization of Charge Transport Layer (CTL) 155 6.3.1 Hole Transport Layer 156 6.3.2 Electron Transport Layer 161 6.4 Device Structure 164 6.5 Summary 166 References 168 7 Near-Infrared Quantum Dots (NIR QDs) 173 7.1 Introduction of Near-Infrared Quantum Dots 173 7.2 Near-Infrared Quantum Dot Materials 174 7.2.1 Chalcogenide Lead Quantum Dots 176 7.2.2 Chalcogenide Cadmium Quantum Dots 177 7.2.3 Silicon Quantum Dots 178 7.3 Optimization of Near-Infrared Quantum Dot Materials 179 7.3.1 Regulation of Near-Infrared Quantum Dots by Ligand Engineering 179 7.3.2 Control of Near-Infrared Quantum Dots by Core/Shell Structure 180 7.3.3 Quantum Dots in the Matrix 181 7.4 Summary and Prospect 182 References 183 8 White QDLED 187 8.1 Generation of White Light 187 8.2 Quantum Dots for White LEDs 188 8.2.1 Yellow–Blue Composite White Light Quantum Dots 189 8.2.1.1 Cadmium-Containing Yellow Light Quantum Dots 189 8.2.1.2 Cadmium-Free Yellow Light Quantum Dots 189 8.2.2 Three-Base Color Quantum Dot Composite 193 8.2.3 Quantum Dots with Direct White Light Emission 197 8.3 Summary Outlook 200 References 203 9 Non-Cadmium Quantum Dot Light-Emitting Materials and Devices 207 9.1 Introduction 207 9.2 Quantum Dots and QDLED 208 9.2.1 InP 208 9.2.2 ZnSe 215 9.2.3 I-iii-vi 218 9.3 Methods for Optimizing QDLED Performance 222 9.3.1 Ligand Engineering 223 9.3.2 Shell Engineering 224 9.3.3 QDLED Device Structure Optimization 225 9.4 Summary and Outlook 227 References 230 10 AC-Driven Quantum Dot Light-Emitting Diodes 235 10.1 Principle of Luminescence of DC and AC-Driven QDLEDs 236 10.2 Mechanism of Double-Emission Tandem Structure of AC QDLEDs 239 10.2.1 Field-Generated AC QDLEDs 240 10.2.2 Half-Field to Half-Injection AC QDLEDs 242 10.2.3 AC/DC Dual Drive Mode QDLEDs 244 10.3 Optimization Strategies for AC QDLEDs 245 10.3.1 Optimization of the Field-Induced AC QDLED 247 10.3.1.1 Dielectric Layer Optimization 248 10.3.1.2 Quantum Dot Layer Optimization 250 10.3.2 Optimization of Half-Field-Driven Half-Injected AC QDLEDs 251 10.3.2.1 Charge Generation Layer Optimization 254 10.3.2.2 Tandem Structure 254 10.3.2.3 AC/DC Dual Drive Mode QDLED Optimization 255 10.3.3 Conclusion and Future Direction of AC-QDLED 256 References 257 11 Stability Study and Decay Mechanism of Quantum Dot Light-Emitting Diodes 259 11.1 Quantum Dot Light-Emitting Diode Stability Research Status 259 11.2 Factors Affecting the Stability of Quantum Dot Light-Emitting Diodes 261 11.2.1 Quantum Dot Light-Emitting Layer 261 11.2.2 Hole Transport Layer 263 11.2.3 Electronic Transport Layer 265 11.2.4 Other Functional Layers 267 11.3 Quantum Dot Light-Emitting Diode Efficiency Decay Mechanism 268 11.4 Aging Mechanisms of QDLEDs 271 11.4.1 Positive Aging 272 11.4.2 Negative Aging 273 11.4.3 Electron Transport Layer 274 11.4.4 Hole Transport Layer 275 11.4.5 QDs Layer 276 11.5 Characterization Technologies for QDLEDs 278 11.5.1 Transient Electroluminescence 279 11.5.2 Electro-Absorption (EA) Spectroscopy 281 11.5.3 In-Situ EL–PL Measurement 282 11.5.4 Differential Absorption Spectroscopy 283 11.5.5 Displacement Current Measurement DCM Technology 285 11.6 Outlook 286 References 287 12 Electron/Hole Injection and Transport Materials in Quantum Dot Light-Emitting Diodes 291 12.1 Introduction 291 12.2 Charge-Transport Mechanisms 292 12.3 Electron Transport Materials (ETMs) for QDLED 293 12.3.1 Metal-Doped ETMs 293 12.3.2 Metal Salt-Doped ETMs 296 12.3.3 Design of Composite Materials ETMs 296 12.3.4 Polymer-Modified ETMs 296 12.3.5 Inorganic Organic Hybrid ETMs 296 12.3.6 Double-Stacked ETMs 297 12.4 Electron Injection Materials for QDLED 299 12.5 Hole Transport Materials for QDLED 301 12.5.1 Doping of HTMs 305 12.5.2 Compositions of HTMS 309 12.5.3 New HTM Materials for QDLED 311 12.6 Hole Injection Materials for QDLED 315 12.7 Summary and Outlook 321 References 322 13 Quantum Dot Industrial Development and Patent Layout 327 13.1 Introduction 327 13.2 Patent Layout 330 13.2.1 Nanosys 330 13.2.2 SAMSUNG 332 13.2.3 Nanoco 335 13.2.4 Najing Tech 338 13.2.5 CSOT 344 13.2.6 BOE 347 13.2.7 TCL 351 13.3 Summary and Outlook 355 References 355 14 Patterning Techniques for Quantum Dot Light-Emitting Diodes (QDLED) 361 14.1 Introduction 361 14.2 Photolithography 361 14.3 Micro-Contact Transfer 363 14.4 Inkjet Printing 366 14.5 Other Patterning Techniques 368 14.6 Conclusion 369 References 370 Index 373

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Book SynopsisStarting from the basic principles of wetting, electrowetting and fluid dynamics all the way up to those engineering aspects relevant for the development of specific devices, this is a comprehensive introduction and overview of the theoretical and practical aspects. Written by two of the most knowledgeable experts in the field, the text covers both current as well as possible future applications, providing basic working principles of lab-on-a-chip devices and such optofluidic devices as adaptive lenses and optical switches. Furthermore, novel e-paper display technology, energy harvesting and supercapacitors as well as electrowetting in the nano-world are discussed. Finally, the book contains a series of exercises and questions for use in courses on microfluidics or electrowetting. With its all-encompassing scope, this book will equally serve the growing community of students and academic and industrial researchers as both an introduction and a standard reference.Table of ContentsPreface xi 1 Introduction to Capillarity and Wetting Phenomena 1 1.1 Surface Tension and Surface Free Energy 2 1.1.1 The Microscopic Origin of Surface Energies 2 1.1.2 Macroscopic Definition of Surface Energy and Surface Tension 5 1.2 Young–Laplace Equation: The Basic Law of Capillarity 7 1.2.1 Laplace’s Equation and the Pressure Jump Across Liquid Surfaces 7 1.2.2 Applications of the Young–Laplace Equation: The Rayleigh–Plateau Instability 11 1.3 Young–Dupré Equation: The Basic Law of Wetting 13 1.3.1 To Spread or Not to Spread: From Solid Surface Tension to Liquid Spreading 13 1.3.2 Partial Wetting: The Young Equation 16 1.4 Wetting in the Presence of Gravity 19 1.4.1 Bond Number and Capillary Length 21 1.4.2 Case Studies 22 1.4.2.1 The Shape of a Liquid Puddle 22 1.4.2.2 The Pendant Drop Method: Measuring Surface Tension by Balancing Capillary and Gravity Forces 24 1.4.2.3 Capillary Rise 25 1.5 Variational Derivation of the Young–Laplace and the Young–Dupré Equation 26 1.6 Wetting at the Nanoscale 29 1.6.1 The Effective Interface Potential 30 1.6.2 Case Studies 32 1.6.2.1 The Effective Interface Potential for van der Waals Interaction 32 1.6.2.2 Equilibrium Surface Profile Near the Three-Phase Contact Line 34 1.7 Wetting of Heterogeneous Surfaces 35 1.7.1 Young–Laplace and Young–Dupré Equation for Heterogeneous Surfaces 35 1.7.2 Gibbs Criterion for Contact Line Pinning at Domain Boundaries 37 1.7.3 From Discrete Morphology Transitions to Contact Angle Hysteresis 38 1.7.4 Optimum Contact Angle on Heterogeneous Surfaces: The Laws of Wenzel and Cassie 43 1.7.5 Superhydrophobic Surfaces 45 1.7.6 Wetting of Heterogeneous Surfaces in Three Dimensions 48 1.7.7 Wetting of Complex Surfaces in Three Dimensions: Morphology Transitions, Instabilities, and Symmetry Breaking 50 1.A Mechanical Equilibrium and Stress Tensor 55 Problems 56 References 58 2 Electrostatics 61 2.1 Fundamental Laws of Electrostatics 61 2.1.1 Electric Fields and the Electrostatic Potential 61 2.1.2 Specific Examples 64 2.2 Materials in Electric Fields 66 2.2.1 Conductors 66 2.2.2 Dielectrics 68 2.2.3 Dielectric Liquids and Leaky Dielectrics 73 2.3 Electrostatic Energy 76 2.3.1 Energy of Charges, Conductors, and Electric Fields 76 2.3.2 Capacitance Coefficients and Capacitance 78 2.3.3 Thermodynamic Energy of Charged Systems: Constant Charge Versus Constant Potential 80 2.4 Electrostatic Stresses and Forces 82 2.4.1 Global Forces Acting on Rigid Bodies 82 2.4.2 Local Forces: The Maxwell Stress Tensor 83 2.4.3 Stress Boundary Condition at Interfaces 85 2.5 Two Generic Case Studies 87 2.5.1 Parallel Plate Capacitor 87 2.5.2 Charge and Energy Distribution for Two Capacitors in Series 90 Problems 92 References 93 3 Adsorption at Interfaces 95 3.1 Adsorption Equilibrium 96 3.1.1 General Principles 96 3.1.2 Langmuir Adsorption 96 3.1.3 Reduction of Surface Tension 99 3.2 Adsorption Kinetics 101 3.3 Surface-Active Solutes: From Surfactants to Polymers, Proteins, and Particles 105 3.A A StatisticalMechanics Model of Interfacial Adsorption 107 Problems 110 References 110 4 From Electric Double Layer Theory to Lippmann’s Electrocapillary Equation 113 4.1 Electrocapillarity: the Historic Origins 113 4.2 The Electric Double Layer at Solid–Electrolyte Interfaces 115 4.2.1 Poisson–Boltzmann Theory and Gouy–Chapman Model of the EDL 116 4.2.2 Total Charge and Capacitance of the Diffuse Layer 120 4.2.3 Voltage Dependence of the Free Energy: Electrowetting 122 4.3 Shortcomings of Poisson–Boltzmann Theory and the Gouy–Chapman Model 124 4.4 Teflon–Water Interfaces: a Case Study 125 4.A StatisticalMechanics Derivation of the Governing Equations 127 Problems 130 References 130 5 Principles of Modern Electrowetting 133 5.1 The Standard Model of Electrowetting (on Dielectric) 133 5.1.1 Electrowetting Phenomenology 133 5.1.2 Macroscopic EW Response 136 5.1.3 Microscopic Structure of the Contact Line Region 138 5.2 Interpretation of the StandardModel of EW 145 5.2.1 The Electromechanical Interpretation 145 5.2.2 StandardModel of EW Versus Lippmann’s Electrocapillarity 145 5.2.3 Limitations of the Standard Model: Nonlinearities and Contact Angle Saturation 149 5.3 DC Versus AC Electrowetting 151 5.3.1 General Principles 151 5.3.2 Application Example: Parallel Plate Geometry 153 Problems 156 References 157 6 Elements of Fluid Dynamics 159 6.1 Navier–Stokes Equations 159 6.1.1 General Principles: from Newton to Navier–Stokes 160 6.1.2 Boundary Conditions 163 6.1.3 Nondimensional Navier–Stokes Equation: The Reynolds Number 166 6.1.4 Example: Pressure-Driven Flow Between Two Parallel Plates 167 6.2 Lubrication Flows 170 6.2.1 General Lubrication Flows 170 6.2.2 Lubrication Flows with a Free Liquid Surface 173 6.2.3 Application I: Linear Stability Analysis of aThin Liquid Film 174 6.2.4 Application II: Entrainment of Liquid Films 176 6.3 Contact Line Dynamics 179 6.3.1 Tanner’s Law and the Spreading of Drops on Macroscopic Scales 179 6.3.2 Surface Profiles on the Mesoscopic Scale: The Cox–Voinov Law 181 6.3.3 Dynamics of the Microscopic Contact Angle: The Molecular Kinetic Picture 182 6.3.4 Comparison to Experimental Results 183 6.4 SurfaceWaves and Drop Oscillations 185 6.4.1 SurfaceWaves 187 6.4.2 Oscillating Drops 188 6.4.3 Example: Electrowetting-Driven Excitation of Eigenmodes of a Sessile Drop 192 6.4.4 General Consequences 193 Problems 194 References 196 7 Electrowetting Materials and Fabrication 197 7.1 Practical Requirements 197 7.2 Electrowetting Deviation: Caused by Non-obvious Materials Behavior 198 7.2.1 Commonly Observed Temporal Deviations 199 7.2.1.1 Dielectric Failure (Leakage Current) 199 7.2.1.2 Dielectric Charging 201 7.2.1.3 Charges into the Oil 202 7.2.1.4 Oil Relaxation 202 7.2.1.5 Surfactant Diffusion (Interface Absorption) 203 7.2.1.6 Oil Film Trapping 203 7.2.2 Commonly Observed Nontemporal Deviation 204 7.2.2.1 Unexpected Young’s Angles: Gravity Effects 204 7.2.2.2 Unexpected Young’s Angles: Surface and Interface Fouling 204 7.2.2.3 Unexpected Young’s Angles: Dielectric Charging 205 7.2.2.4 Wetting Hysteresis 205 7.2.3 Deviation That Is Often Both Highly Temporal and Nontemporal 206 7.2.3.1 Chemical/Surface Potentials 206 7.3 Electrowetting Saturation 207 7.4 The Invariant Onset of Deviation or Saturation and Lack of a Universal Theory for This Invariance 208 7.4.1 The Invariance of Saturation for Aqueous Conducting Fluids 208 7.4.2 The Invariance of the Onset of Deviation or Saturation for All Types of Conducting Fluids with 𝛾ci > 5 mNm−1 209 7.4.3 Summary 209 7.5 Choosing Materials: Large Young’s Angle and LowWetting Hysteresis 210 7.5.1 Conventional Ultralow Surface Energy Coatings (Fluoropolymers) 211 7.5.2 Hydrophilic Coatings Made HydrophobicThrough Proper Choice of Insulating Fluid 213 7.5.3 Superhydrophobic Coatings: Larger Young’s Angle in Air but Small Modulation Range 213 7.6 Choosing Materials: the Electrowetting Dielectric (Capacitor) 215 7.6.1 Current State of the Art for Low Potential Electrowetting:Multilayer Dielectrics 218 7.6.2 A Note of Critical Importance for the Topcoat in a Multilayer System 219 7.6.3 Carefully Choosing the Best Materials for Each Individual Layer of the Dielectric Stack 219 7.6.3.1 First Layer: Inorganic Dielectrics 219 7.6.3.2 Second Layer: Organic Dielectrics 220 7.6.3.3 Third Layer: Fluoropolymer 220 7.6.3.4 The Simplest Approaches Available to Electrowetting Practitioners 220 7.7 Choosing Materials: Insulating and Conducting Fluids 221 7.7.1 The Insulating Fluid 221 7.7.2 The Conducting Fluid 221 7.7.2.1 Ionic Content 222 7.7.2.2 Don’t UseWater! 223 7.8 Summary of General Best Practices 224 7.9 Mitigating Surface Fouling in Biological Applications 224 7.10 Additional Issues for Complex or Integrated Devices 226 Acknowledgement 227 7.A Trapped Charge Derivation 227 Problems 229 References 231 8 Fundamentals of Applied Electrowetting 235 8.1 Introduction and Scope 235 8.2 Droplet Transport 235 8.2.1 Basic Force Balance Interpretation of Droplet Transport 235 8.2.2 Advanced Droplet Transport Physics:Threshold and Velocity 237 8.2.2.1 Advanced Droplet Transport Physics: Flow Field 239 8.2.3 Additional Practical Notes on Implementation of Basic Droplet Transport 240 8.3 Droplet Transport for Splitting, Dosing, Merging, and Mixing 240 8.3.1 Simple Experimental Examples 241 8.3.2 Fundamentals of Droplet Splitting 241 8.3.2.1 Influence of Vertical Radii of Curvature 242 8.3.2.2 Influence of Horizontal Radii of Curvature 242 8.3.3 Fundamentals of Droplet Dosing (Dispensing) 243 8.3.4 Fundamentals of Droplet Mixing 244 8.4 Stationary Droplet Oscillation, Jumping, and Mixing 244 8.4.1 Droplet Oscillation 244 8.4.2 Droplet Oscillation and Jumping 245 8.4.3 Droplet Oscillation and Hysteresis 245 8.4.4 Droplet Oscillation and Mixing 246 8.5 Gating, Valving, and Pumping 247 8.5.1 Fundamentals 247 8.6 Generating Droplets and Channels 249 8.6.1 Fundamentals for Droplet Generation 249 8.6.2 Fundamentals for Channel Generation 250 8.7 Shape Change in a Channel 251 8.7.1 Fundamentals 251 8.8 Control of Meniscus Curvature 252 8.8.1 Fundamentals 252 8.8.2 Additional Notes on Implementation 253 8.9 Control of Meniscus Surface Area/Coverage 253 8.9.1 Fundamentals 253 8.9.2 Additional Notes on Implementation 254 8.10 Control of Film Breakup and Oil Entrapment 255 8.10.1 Fundamentals 255 8.11 1D, 2D, and 3D Control of Rigid Objects 257 8.11.1 Fundamentals 257 8.12 Reverse Electrowetting and Energy Harvesting 258 Problems 260 References 261 9 Related and Emerging Topics 265 9.1 Introduction and Scope 265 9.2 Dielectrophoresis and Dielectrowetting 265 9.2.1 Basic Dielectrophoresis 265 9.2.2 Dielectrowetting 267 9.3 Innovations in Liquid Metal Electrowetting and Electrocapillarity 269 9.3.1 Electrowetting of GaInSn Liquid Metal Alloys 269 9.3.2 Giant Electrochemical Changes in Liquid Metal Interfacial Surface Tensions 270 9.4 Nonequilibrium Electrical ControlWithout Contact Angle Modulation 271 9.4.1 Some Limitations of Conventional Electrowetting 271 9.4.2 ElectrowettingWithoutWetting 272 Problems 273 References 274 Appendix Historical Perspective of Modern Electrowetting: Individual Testimonials 277 Introduction and Scope 277 “CJ” Kim 277 Authors Note from Heikenfeld 278 Johan Feenstra 278 Tom Jones 279 FriederMugele 280 Richard Fair 281 Author’s Note from Heikenfeld 282 Bruno Berge 282 Glen McHale 285 Stein Kuiper 286 Jason Heikenfeld 288 Kwan Hyung Kang: An Appreciation by T. B. Jones 289 Author’s Note from Mugele 290 References 290 Index 293

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Book SynopsisFür alle, die es genauer wissen wollen: Band 2 der Neuauflage des unschlagbar präzisen Ansorge/Oberle-Lehrwerks zur Mathematik in den Ingenieur- und Naturwissenschaften In sämtlichen Ingenieurwissenschaften, insbesondere im Maschinenbau, im Bauingenieurwesen und in der Elektrotechnik, ist Mathematik unverzichtbar bei der Beschreibung, Modellierung und Lösung ingenieurwissenschaftlicher Probleme. Für Studierende dieser Fächer ist es daher unabdingbar, sich detailliert mit der Mathematik auseinanderzusetzen und Wissen zu erwerben, das über die reine Anwendung von "Kochrezepten" hinausgeht. Der vorliegende Band 2 des vollständig überarbeiteten und erweiterten Lehrwerks "Mathematik in den Ingenieur- und Naturwissenschaften" gibt eine Einführung in die Differential- und Integralrechnung mehrerer Variablen, Differentialgleichungen, Integraltransformationen sowie Funktionen einer komplexen Variablen. Bei den Herleitungen wird besonderer Wert gelegt auf Vollständigkeit und mathematische Exaktheit. In den Beispielen behandeln die Autoren die Anwendung mathematischer Techniken und Vorgehensweisen auf häufig vorkommende Probleme in den Ingenieurwissenschaften. Numerische Methoden und deren Implementierung in MATLAB runden das Buch ab. * Zum Tiefereinsteigen: besonders geeignet für diejenigen, die eine anspruchsvolle Darstellung der höheren Mathematik in den Ingenieur- und Naturwissenschaften suchen * Bewährtes Konzept, überarbeitet und erweitert: präzise, sauber, fachlich korrekt und anwendungsnah * Neu in dieser Auflage: mit mehr Motivationen und Erläuterungen und zahlreichen neuen Anwendungsbeispielen und Modellbildungen * Dazu passend: das neue Aufgaben- und LösungsbuchTrade Review"Die Lehrbücher liefern eine anspruchsvolle Darstellung der höheren Mathematik für Studenten der Ingenieur- und Naturwissenschaften. Die 5. Auflage bietet noch mehr Erläuterungen sowie zahlreiche neue Anwendungsbeispiele." METALL, 26.05.2020Table of ContentsVorwort zur fünften Auflage ix Vorwort zur vierten Auflage xi Vorwort zur dritten Auflage xiii Vorwort zur zweiten Auflage xv Vorwort xvii 17 Differentialrechnung mehrerer Variabler 1 17.1 Partielle Ableitungen 3 17.2 Das vollstandige Differential 15 17.3 Mittelwertsatze und Taylorscher Satz 27 18 Anwendungen der Differentialrechnung mehrerer Variablen 37 18.1 Extrema von Funktionen mehrerer Variablen 37 18.2 Implizit definierte Funktionen 41 18.3 Extremalprobleme mit Gleichungsnebenbedingungen 55 18.4 Das Newton-Verfahren zur Losung nichtlinearer Gleichungssysteme 67 19 Integralrechnung mehrerer Variablen 77 19.1 Bereichsintegrale 77 19.2 Kurvenintegrale 97 19.3 Oberflachenintegrale 110 20 Gewöhnliche Differentialgleichungen 127 20.1 Einfuhrung und Beispiele 127 20.2 Elementare Losungsmethoden 135 20.2.1 Separierbare Differentialgleichungen 135 20.2.2 Ahnlichkeitsdifferentialgleichungen 136 20.2.3 Lineare Differentialgleichungen erster Ordnung 137 20.2.4 Bernoullische Differentialgleichungen 141 20.2.5 Riccatische Differentialgleichungen 141 20.2.6 Exakte Differentialgleichungen 143 20.2.7 Die Methode des integrierenden Faktors 145 20.3 Ebene Systeme und Differentialgleichungen zweiter Ordnung 146 20.3.1 Ebene autonome Differentialgleichungssysteme 147 20.3.2 Differentialgleichungen zweiter Ordnung 148 21 Theorie der Anfangswertaufgaben 153 21.1 Existenz und Eindeutigkeit fur Anfangswertaufgaben 153 21.2 Abhangigkeit von Parametern, Stabilitat 160 22 Lineare Differentialgleichungen 169 22.1 Systeme erster Ordnung 169 22.2 Systeme erster Ordnung mit konstanten Koeffizienten 175 22.3 Lineare Differentialgleichungen hoherer Ordnung 184 22.4 Stabilitat 193 23 Randwertaufgaben bei gewöhnlichen Differentialgleichungen 207 23.1 Allgemeines 207 23.2 Lineare Randwertaufgaben zweiter Ordnung 211 23.3 Grundbegriffe der Variationsrechnung 215 23.4 Eigenwertaufgaben 223 24 Numerische Verfahren für Anfangswertaufgaben 227 24.1 Allgemeines 227 24.2 Einschrittverfahren 229 24.3 Mehrschrittverfahren 240 24.4 Anfangswertmethoden fur Randwertaufgaben 249 25 Partielle Differentialgleichungen 261 25.1 Das Auftreten partieller Differentialgleichungen 263 25.2 Partielle Differentialgleichungen erster Ordnung 267 25.3 Verallgemeinerte Losungen 279 25.4 Lineare partielle Differentialgleichungen zweiter Ordnung 291 25.5 Die Laplace-Gleichung 302 25.6 DieWellengleichung 314 25.7 Die eindimensionale Warmeleitungsgleichung 329 25.8 Systeme erster Ordnung 335 25.9 Spezielle Funktionen 341 25.10 Eigenwertaufgaben 353 26 Numerik partieller Differentialgleichungen 357 26.1 Einfuhrende Bemerkungen 357 26.2 Finite-Differenzen-Methoden 359 26.3 Finite-Elemente-Methoden 370 26.4 Finite-Volumen-Methoden 372 27 Funktionen einer komplexen Variablen 375 27.1 Grundlagen 375 27.2 Komplexe Funktionen 379 27.3 Mobius-Transformationen 385 27.4 Komplexe Differentiation 391 27.5 Konforme Abbildungen 396 27.6 Komplexe Integration 405 27.7 Der Cauchysche Integralsatz 410 27.8 Die Cauchysche Integralformel 415 27.9 Singularitaten 419 27.10 Residuen 426 27.11 Berechnung reeller Integrale mittels Residuen 430 28 Integraltransformationen 437 28.1 Die Fourier-Transformation 438 28.2 Die Laplace-Transformation 451 Weiterführende Literatur 463 Stichwortverzeichnis 469

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Book SynopsisPhysik der Halbleiterbauelemente Das Standardwerk zur Physik der Halbleiterbauelemente – erstmals auf Deutsch! Dieses einzigartige Buch, geschrieben von Pionieren auf dem Gebiet, behandelt sämtliche Aspekte der Physik der Halbleiterbauelemente, die zu deren Verständnis, Betrieb, Weiter- und Neuentwicklung notwendig sind. Wie das englische Original ist die deutsche Ausgabe ein äußerst nützliches Nachschlagewerk in der industrieorientierten Halbleiterforschung und eignet sich ebenfalls ausgezeichnet als Einstiegsliteratur für Studierende sowie als Unterrichtsmaterial für Vortragende. Bei der deutschen Ausgabe wurde besonderer Wert auf eine gute Lesbarkeit gelegt und daher die Übersetzung, teilweise unter Rückgriff auf die von den Autoren zitierten Originalquellen, so gestaltet, dass unnötige Anglizismen vermieden werden. Das englische Fachvokabular ist ergänzend an den entsprechenden Stellen im Text eingearbeitet, um den Leserinnen und Lesern den Gebrauch der englischsprachigen Fachliteratur zu erleichtern. Gelegentliche Anmerkungen im Text und Verweise auf weitere Originalquellen tragen zusätzlich zum besseren Verständnis der Materie bei. Als das Referenzwerk schlechthin ist der „Sze“ ein Muss für alle, die sich in Forschung, Entwicklung und Lehre mit Halbleiterbauelementen beschäftigen. Die Inhalte sind kompakt und präzise beschrieben und eignen sich perfekt für den Einstieg in das jeweilige Gebiet, komplettiert durch vertiefende Übungsbeispiele zu jedem Kapitel. Physik der Halbleiterbauelemente bietet eine unerreichte Detailfülle und ausführliche Informationen über die Physik und den Betrieb aller relevanten Halbleiterbauelemente, mit 1000 Literaturangaben, 650 technischen Illustrationen sowie 25 Tabellen mit Material- und Bauelementparametern. Aus dem Inhalt: Halbleiterphysik-Grundlagen p-n Übergänge Metall-Halbleiter-Kontakte MIS-Kondensatoren Bipolartransistoren MOSFETs Nichtflüchtige Speicher JFETs MESFETs und MODFETs Tunnel-Bauelemente IMPATT-Dioden TE- und RST-Devices Thyristoren und Leistungsbauelemente Photodetektoren und Solarzellen Sensoren Table of ContentsVorwort v Vorwort des Übersetzers vii Biografien xvii Einführung xix Teil I Halbleiterphysik 1 1 Physik und Eigenschaften von Halbleitern – ein Überblick 3 1.1 Einleitung 3 1.2 Kristallstrukturen 3 1.3 Energiebänder und Bandlücken 7 1.4 Ladungsträgerkonzentrationen im thermischen Gleichgewicht 11 1.5 Ladungsträgertransportphänomene 21 1.6 Phononen, optische und thermische Eigenschaften 41 1.7 Heteroübergänge und Nanostrukturen 47 1.8 Halbleitergrundgleichungen und Anwendungsbeispiele 54 Teil II Grundstrukturen der Halbleiter-Bauelemente 71 2 p-n-Übergänge 73 2.1 Einleitung 73 2.2 Raumladungszonen 73 2.3 Strom-Spannungs-Kennlinien 83 2.4 p-n-Übergänge im Durchbruchsbereich 95 2.5 Transientes Verhalten und Rauschen 107 2.6 Der p-n-Übergang als Bauelement 110 2.7 Heteroübergänge 117 3 Metall-Halbleiter-Kontakte 127 3.1 Einleitung 127 3.2 Entstehung der Schottky-Barriere 127 3.3 Transportprozesse 144 3.4 Bestimmung der Barrierenhöhe 162 3.5 Diodenstrukturen 171 3.6 Ohmsche Kontakte 177 4 Metall-Isolator-Halbleiter-Kondensatoren 187 4.1 Einleitung 187 4.2 Idealer MIS-Kondensator 187 4.3 Der Silizium-MOS-Kondensator 200 4.4 Ladungsträgertransport inMOS-Kondensatoren 224 Teil III Transistoren 243 5 Bipolartransistoren 245 5.1 Einleitung 245 5.2 Statische Eigenschaften 246 5.3 Kompaktmodelle von Bipolartransistoren 263 5.4 Mikrowelleneigenschaften 273 5.5 Leistungstransistoren und Logikschaltungen 285 5.6 Heterobipolartransistoren 290 5.7 Selbsterhitzungseffekte 296 6 MOSFETs 305 6.1 Einleitung 305 6.2 Grundlegende Bauteilcharakteristiken 309 6.3 Bauelemente mit inhomogener Dotierung und vergrabenem Kanal 335 6.4 Bauelementeskalierung und Kurzkanaleffekte 346 6.5 MOSFET-Strukturen 363 6.6 Schaltungsanwendungen 375 6.7 NCFET und TFET 380 6.8 Der Einzelelektronentransistor 385 7 Nicht flüchtige Speicher 405 7.1 Einleitung 405 7.2 Das Konzept des Floating-Gate 406 7.3 Speicherstrukturen 411 7.4 Kompaktmodelle von Floating-Gate-Speicherzellen 417 7.5 Mehrstufige Zellen und dreidimensionale Strukturen 420 7.6 Herausforderungen bei der Skalierung 432 7.7 Alternative Speicherstrukturen 437 8 JFETs, MESFETs und MODFETs 455 8.1 Einleitung 455 8.2 JFET und MESFET 456 8.3 MODFET 479 Teil IV Bauelementemit negativemWiderstand und Leistungsbauelemente 505 9 Tunnelbauelemente 507 9.1 Einleitung 507 9.2 Tunneldioden 508 9.3 Verwandte Tunnelbauelemente 522 9.4 Resonante Tunneldioden 540 10 IMPATT-Dioden, TE- und RST-Devices 553 10.1 Einleitung 553 10.2 IMPATT-Dioden 554 10.3 Transferred Electron Devices 582 10.4 Real-Space-Transfer Devices 602 11 Thyristoren und Leistungsbauelemente 615 11.1 Einleitung 615 11.2 Thyristorkennlinien 616 11.3 Thyristorvarianten 636 11.4 Andere Leistungsbauelemente 642 Teil V Photonische Bauelemente und Sensoren 661 12 LEDs und Laser 663 12.1 Einleitung 663 12.2 Strahlende Übergänge 664 12.3 Lichtemittierende Dioden (LEDs) 668 12.4 Laserphysik 682 12.5 Laserbetrieb 691 12.6 Spezielle Laser 708 13 Photodetektoren und Solarzellen 721 13.1 Einleitung 721 13.2 Photoleiter 725 13.3 Photodioden 728 13.4 Lawinenphotodioden 738 13.5 Phototransistoren 748 13.6 Charge-Coupled Devices (CCDs) 751 13.7 Metall-Halbleiter-Metall-Photodetektoren 764 13.8 Quantum-Well-Infrarotphotodetektoren (QWIPs) 767 13.9 Solarzellen 771 14 Sensoren 799 14.1 Einleitung 799 14.2 Thermische Sensoren 801 14.3 Mechanische Sensoren 807 14.4 Magnetische Sensoren 816 14.5 Chemische Sensoren 825 14.6 Biosensoren 830 Anhang A Liste der Symbole 839 Anhang B Internationales Einheitensystem 847 Anhang C Einheitenpräfixe 849 Anhang D Das griechische Alphabet 851 Anhang E Physikalische Konstanten 853 Anhang F Eigenschaften der wichtigsten Halbleiter 855 Anhang G Das Bloch-Theoremund die Energiebänder im reziproken Gitter 857 Anhang H Eigenschaften von Si und GaAs 859 Anhang I Die Boltzmann-Transportgleichung und das hydrodynamische Modell 861 Anhang J Eigenschaften von SiO2 und Si3N4 867 Anhang K Kompaktmodelle von Bipolartransistoren 869 Anhang L Die Entdeckung des Floating-Gate-Speicher-Effekts 877 Stichwortverzeichnis 879

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Book SynopsisDie Neuauflage deckt die klassischen Gebiete der Mechanik ab, angefangen bei der Kinematik eines Massenpunktes über die Newtonschen Bewegungsgleichungen bis zu den abstrakten Formulierungen der Mechanik (Lagrange 1. und 2. Art, Hamilton'sche Mechanik) und der Relativitätstheorie.Trade Review"Ich nutze seit dem Erscheinen der ersten Auflage die Lehrbuchreihe "Theoretische Physik" in meinen Vorlesungen (...). Dass in der Neuauflage der Reihe das Zusatzmaterial jetzt auch in Python vorliegt, empfinde ich als besonderen Gewinn." Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt (10.05.2021)Table of ContentsVorwort xv Vorwort der Vorauflage xvii 1 Einleitung 1 1.1 Experimentelle und Theoretische Physik 1 1.2 Ziel der Theoretischen Physik 1 1.3 Aufbau der Lehrbuchreihe Theoretische Physik 2 1.4 Stellung der klassischen Mechanik in der Theoretischen Physik 2 1.5 Gültigkeitsgrenzen der klassischen Mechanik 3 1.6 Struktur des Bandes Mechanik 4 1.7 Modellebenen der TheoretischenMechanik 7 1.8 Lösung von Gleichungen 8 2 Kinematik eines Massenpunktes 11 2.1 Grundbegriffe der Kinematik 11 2.1.1 Bezugssystem und Räume 11 2.1.2 Weglänge, Verrückung, Geschwindigkeit 13 2.1.3 Beschleunigung 14 2.2 Dekomposition von Geschwindigkeiten und Beschleunigungen 15 2.2.1 Kartesische Koordinaten 15 2.2.2 Zylinderkoordinaten, ebene Polarkoordinaten 16 2.2.3 Kugelkoordinaten 18 2.2.4 Begleitendes Dreibein 20 2.2.5 Allgemeine krummlinige Koordinaten 23 2.3 Rekonstruktion von Bewegungsgleichungen 26 Kontrollfragen 28 Aufgaben 29 3 Newton’sche Mechanik des einzelnen Massenpunktes 33 3.1 Newton’sche Axiome 33 3.1.1 Axiom I: Trägheitsgesetz 33 3.1.2 Axiom II: Grundgleichung der Dynamik 35 3.1.3 Axiom III: Wirkung und Gegenwirkung 40 3.2 Bewegung eines freien Massenpunktes 40 3.2.1 Bewegung eines Massenpunktes im Schwerefeld 42 3.2.2 Bewegung einer Ladung im elektromagnetischen Feld 44 3.3 Arbeit und kinetische Energie 45 3.4 Erhaltung der mechanischen Energie 49 3.4.1 Erste Integrale 49 3.4.2 Konservative Kräfte 49 3.4.3 Kraftfelder 50 3.4.4 Potentielle Energie und Arbeit 51 3.4.5 Darstellung von konservativen Kraftfeldern 55 3.4.6 Energiesatz der Mechanik 56 3.4.7 Beispiele für konservative Kraftfelder 57 3.4.8 Beispiele für nichtkonservative Kraftfelder 63 3.4.9 Nichtkonservative Kräfte mit zeitabhängigem Potential 66 3.5 Zentralkräfte. Drehmoment und Drehimpuls 68 3.5.1 Zentralkräfte 68 3.5.2 Drehmoment und Drehimpuls 71 3.6 Eingeschränkte Bewegung eines Massenpunktes, Reibung 72 3.6.1 Zwangsbedingungen 72 3.6.2 Zwangskräfte und Bewegungsgleichung 72 3.6.3 Bewegung eines Massenpunktes auf ruhender schiefer Ebene 75 3.6.4 Arbeit der Zwangskraft 78 3.6.5 Verallgemeinerung der Bedingungsgleichungen 79 3.6.6 Zweiseitige und einseitige Zwangsbedingungen 83 3.6.7 Freiheitsgrade 83 3.6.8 Reibung 84 3.7 Gleichgewicht desMassenpunktes. Das Prinzip der virtuellen Arbeit 88 3.7.1 Gleichgewicht einesMassenpunktes. Das Problem der Statik 88 3.7.2 Das Prinzip der virtuellen Arbeit 90 3.8 Das d’Alembert’sche Prinzip. Die formale Rückführung der Dynamik auf die Statik 96 3.8.1 Das d’Alembert’sche Prinzip 96 3.8.2 Die formale Rückführung der Dynamik auf die Statik 97 3.9 Bewegte Bezugssysteme (Relativbewegung). Trägheitskräfte 98 3.9.1 Beschreibung der Drehbewegung.Winkelgeschwindigkeit 99 3.9.2 Kinematik der Relativbewegung 99 3.9.3 Bewegungsgleichung des Massenpunktes 103 Kontrollfragen 108 Aufgaben 108 4 Anwendung der Newton’schen Grundgleichung auf die Dynamik eines Massenpunktes 111 4.1 Eindimensionale Bewegungen 111 4.1.1 Zeitabhängige Kraft 111 4.1.2 Ortsabhängige Kraft 113 4.1.3 Geschwindigkeitsabhängige Kraft 113 4.1.4 Freier Fall aus großer Höhe ohne Reibung 114 4.1.5 Freier Fall aus geringer Höhe mit Reibung 116 4.2 Schwingungen 119 4.2.1 Harmonische Schwingung in einer Dimension 119 4.2.2 Harmonische Schwingung in drei Dimensionen 127 4.2.3 Gedämpfte Schwingung 130 4.2.4 Resonanz bei erzwungener Schwingung 135 4.2.5 Methode der Green’schen Funktion 141 4.3 Kepler-Bahn im Schwerefeld 151 4.3.1 Flächensatz und Energiesatz 152 4.3.2 Darstellung in ebenen Polarkoordinaten 153 4.3.3 Qualitative Diskussion der Bewegung 154 4.3.4 Berechnung der Bahnkurve 155 4.3.5 Umlaufdauer 157 4.3.6 Zeitabhängige periodische Bahnen 158 Kontrollfragen 159 Aufgaben 160 5 Newton’sche Mechanik von Massenpunkten 165 5.1 Krafteinwirkung auf Massenpunkte 165 5.1.1 Äußere und innere Kräfte 165 5.1.2 Eingeprägte und Zwangskräfte 168 5.2 Impuls von Massenpunkten 169 5.2.1 Impulssatz 169 5.2.2 Schwerpunktsatz 170 5.2.3 Erhaltung des Gesamtimpulses 172 5.2.4 Bewegung durch Rückstoß 173 5.3 Drehimpuls von Massenpunkten 175 5.3.1 Drehimpulssatz 175 5.3.2 Erhaltung des Gesamtdrehimpulses 176 5.3.3 Abhängigkeit des Drehimpulses vom Bezugssystem 178 5.4 Energie vonMassenpunkten 180 5.4.1 Satz über die Änderung der kinetischen Energie 180 5.4.2 Erhaltung der Gesamtenergie 181 5.4.3 Zerlegung der potentiellen Energie 182 5.4.4 Zerlegung der kinetischen Energie 184 5.4.5 Zehn erste Integrale der Bewegung 184 5.5 Schwingungen von Systemen mit mehreren Freiheitsgraden 185 5.5.1 Auslenkungen vom Gleichgewicht 185 5.5.2 Verallgemeinertes Eigenwertproblem 189 5.5.3 Normalschwingungen 193 5.5.4 Gekoppelte Pendel 194 Kontrollfragen 196 Aufgaben 197 6 Lagrange-Formulierung der Mechanik 203 6.1 Das Prinzip der virtuellen Arbeit und das d’Alembert’sche Prinzip 203 6.1.1 Das d’Alembert’sche Prinzip für Punktsysteme 203 6.1.2 Gleichgewicht eines Systems vonMassenpunkten 207 6.2 Klassifizierung der Zwangsbedingungen, Lagrange-Gleichungen erster Art 207 6.2.1 Einteilung der Zwangsbedingungen 207 6.2.2 Lagrange-Gleichungen erster Art 212 6.2.3 Energiesatz 213 6.3 Das Hamilton’sche Prinzip 214 6.3.1 Differential- und Integralprinzipien 214 6.3.2 Festlegung zulässiger Vergleichsbahnen 216 6.3.3 Ableitung des Hamilton’schen Prinzips aus dem d’Alembert’schen Prinzip 219 6.3.4 Hamilton’sches Prinzip bei Kräften mit Potential 220 6.4 Grundaufgabe der Variationsrechnung 222 6.4.1 Mathematische Beispiele für Extremalprobleme 222 6.4.2 Zurückführung des Variationsproblems auf die Euler’sche Differentialgleichung 226 6.4.3 Variationen und Variationsableitungen 230 6.4.4 Variationsprobleme mit Nebenbedingungen 231 6.4.5 Anwendungen der Euler-Lagrange-Gleichung 233 6.5 Lagrange’sche Bewegungsgleichung zweiter Art. Allgemeine Koordinaten, Geschwindigkeits-, Kraft- und Impulskomponenten 235 6.5.1 Euler-Lagrange-Gleichungen der Mechanik 235 6.5.2 Euler-Lagrange-Gleichungen mit holonomen Nebenbedingungen 236 6.5.3 Allgemeine Koordinaten und Geschwindigkeiten 237 6.5.4 Lagrange-Gleichungen zweiter Art für holonome Systeme mit Potential 239 6.5.5 Lagrange-Gleichungen zweiter Art für nichtkonservative holonome Systeme 242 6.5.6 Bewegung eines Teilchens in einem elektromagnetischen Feld 244 6.5.7 Integrale der Lagrange-Gleichungen. Allgemeine Impulskoordinaten. Erhaltungssätze 246 6.5.8 Anholonome Systeme. Zwangsbedingungen. Zwangskräfte 249 6.6 Symmetrien und Erhaltungssätze (Theorem von E. Noether) 255 Kontrollfragen 262 Aufgaben 262 7 Der kanonische Formalismus der klassischen Mechanik 267 7.1 Systeme mit einer Lagrange-Funktion 267 7.2 Hamilton-Funktion. Kanonische Gleichungen 268 7.3 Physikalische Bedeutung der Hamilton-Funktion 270 7.4 Beispiele 271 7.4.1 Massenpunkt mit konservativer Kraft. Kartesische Koordinaten 271 7.4.2 Massenpunkt mit konservativer Kraft. Kugelkoordinaten 271 7.4.3 Hamilton-Funktion für ein geladenes Teilchen im elektromagnetischen Feld 271 7.5 Poisson-Klammern 272 7.6 Erhaltungssätze. Zyklische Variable 273 7.6.1 Energieerhaltungssatz 273 7.6.2 Zyklische Variable 273 7.7 Kanonische Transformationen 274 7.7.1 Punkttransformation und kanonische Transformation 274 7.7.2 Kanonische Transformationen 275 7.7.3 Beispiele für kanonische Transformationen 278 7.7.4 Infinitesimale kanonische Transformation 280 7.7.5 Invarianz der Poisson-Klammern 281 7.8 Liouville-Gleichung. Bewegung im Phasenraum 283 7.8.1 Konfigurationsraum und Phasenraum 283 7.8.2 Bewegungsgleichungen im Phasenraum 284 7.8.3 Symplektische Matrizen 285 7.8.4 Jacobi-Matrix für kanonische Transformationen 285 7.8.5 Benachbarte Bahnkurven 288 7.8.6 Liouville-Gleichung 290 7.8.7 Liouville-Theorem 292 7.9 Hamilton-Jacobi’sche partielle Differentialgleichung 293 7.9.1 Ableitung der Gleichung 293 7.9.2 Bedeutung der Hamilton-Jacobi-Gleichung 294 7.9.3 Zusammenhang mit derWirkungsfunktion 294 7.9.4 Wirkungsfunktion bei zeitunabhängiger Hamilton-Funktion 295 7.9.5 Beispiel: freier Massenpunkt in der Ebene 296 7.9.6 Geometrische Bedeutung derWirkungsfunktion 298 7.10 Periodische Bewegung. Wirkungs- und Winkelvariable 298 7.10.1 Systeme mit einemFreiheitsgrad 299 7.10.2 Systeme mit mehreren Freiheitsgraden 303 7.11 Reguläre und irreguläre Bewegung konservativer Systeme 305 7.11.1 Charakterisierung der Dynamik im Phasenraum 305 7.11.2 Integrable Systeme 306 7.11.3 Störungstheorie 308 7.11.4 Kolmogorov-Arnold-Moser-Theorem 310 7.11.5 Das Poincaré-Birkhoff-Theorem 310 Kontrollfragen 313 Aufgaben 313 8 Mechanik des starren Körpers 315 8.1 Definition der Freiheitsgrade des starren Körpers 315 8.2 Koordinatensysteme und Bewegung eines starren Körpers 316 8.2.1 Koordinatensysteme 316 8.2.2 Euler’scheWinkel 317 8.2.3 Infinitesimale Verschiebung des Körpers 319 8.2.4 Wechsel des Bezugssystems 320 8.3 Kinetische Energie des starren Körpers. Trägheitstensor 321 8.3.1 Kinetische Energie des starren Körpers 321 8.3.2 Der Trägheitstensor 322 8.4 Drehimpuls und Drehmoment. Bewegungsgleichungen eines starren Körpers 331 8.5 Energie- und Drehimpulserhaltungssatz des kräftefreien Kreisels 332 8.6 Die Bewegungsgleichungen eines in einem Punkt festgehaltenen Körpers (Euler’sche Kreiselgleichungen) 333 8.7 Diskussion von Sonderfällen 335 8.7.1 Isotroper Trägheitstensor 335 8.7.2 Euler’sche Gleichungen im Hauptachsensystem für einen kräftefreien Kreisel 336 Kontrollfragen 341 Aufgaben 341 9 Raum und Zeit 345 9.1 Fundamentale Wechselwirkungen 345 9.2 Das Relativitätsprinzip 347 9.3 Abstände im Raum-Zeit-Kontinuum 351 9.4 Die Eigenzeit 356 9.5 Die Lorentz-Transformation 357 9.5.1 Zeitdilatation 360 9.5.2 Längenkontraktion 361 9.5.3 Geschwindigkeitsadditionstheorem 362 9.6 Tensorkalkül im pseudo-euklidischen Raum 363 9.6.1 Vierervektoren, ko- und kontravariante Basis 363 9.6.2 Geometrische Objekte im Minkowski-Raum 368 9.6.3 Differentialoperatoren 372 9.7 Relativistische Mechanik 373 9.7.1 Einleitung 373 9.7.2 Vierergrößen 374 9.7.3 Erweiterung der Newton’schen Bewegungsgleichung 377 9.7.4 Energie-Impulsvektor und Bewegungsgleichung 380 9.7.5 Masse und Energie in der relativistischen Mechanik 381 Kontrollfragen 384 Aufgaben 384 Lösungen zu den Aufgaben 387 Anhang A Naturkonstanten 463 Anhang B Ellipsenparameter 465 Literatur 467 Stichwortverzeichnis 471

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Book SynopsisHuman Centric Integrative Lighting Detailed presentation of the technical and non-technical aspects of modern lighting and its effect on humans Human Centric Integrative Lighting provides a highly comprehensive overview of the subject, also referred to as human-centered indoor lighting technology; taking a practice-oriented approach, scientific findings in the field are condensed into models that can be directly used by developers. Written by leading scientists in the field of lighting technology, Human Centric Integrative Lighting includes detailed information on: Fundamentals of lighting technology as it interacts with human perception and the current state of interior lighting today Basic principles of human centric integrative lighting and its various aspects, such as visual performance, color quality, emotional impact, and correlation of relevant parameters Comprehensive lighting quality models and subsequently derived recommendations for the practical implementation of concepts Relevant research findings from journals, patent specifications, and standards to provide a unified outlook on the field Providing a comprehensive overview of the current state of development in the field, Human Centric Integrative Lighting discusses validated physiological and psychological perceptual models on which manufacturers of lighting products and suppliers of lighting technology solutions can base key design and development decisions. lighting products; lighting technology solutions; lighting design; lighting development; human-centered indoor lighting technology; lighting color quality; lighting principles; lighting emotional impact; lighting quality; lighting researchTable of ContentsPreface xv Acknowledgements xvii 1 Introduction and Motivations 1 1.1 Introduction: A Historical Review. Current Issues 1 References 5 2 Fundamentals of Lighting Technology – Basic Visual and Non-visual Aspects 7 2.1 The Human Visual System. Visual and Non-visual Signal Processing 7 2.2 Photometric and Colorimetric Quantities 12 2.2.1 Lighting Technology and Colorimetry 12 2.2.2 Colorimetry: CIE Tristimulus Values and CIE Chromaticity Diagram 13 2.2.3 Colour Appearance, Colour Matching, Colour Spaces, and Colour Difference Formulas 16 2.2.4 The CIECAM02 Colour Appearance Model 18 2.2.5 CAM02-UCS Colour Space 21 2.3 Basics of the Non-visual Aspects 21 2.3.1 Melatonin Suppression at Night 21 2.3.2 Modelling Melatonin Suppression at Night with the Circadian Stimulus (CS) and the Melanopic Action Factor 23 2.3.3 Spectral Sensitivity Functions According to the CIE 25 2.3.4 Correlations Among Circadian Stimulus CS, Melanopic Illuminance, and D65-Equivalent Illuminance 27 2.3.5 Recommendations of Necessary Melanopic EDI (mEDI) Levels for Optimum Sleep and Daytime Environments and Summary of this Chapter 28 References 29 3 Basic Principles of Human-Centric Lighting and Integrative Lighting 33 3.1 Basic Questions, General Aspects 33 3.2 Input Variables – A Systematic Approach 35 3.3 Brain Processing for the Formation of Subjective and Objective Behavioural Variables 38 3.3.1 Visual Processing Systems 38 3.3.1.1 Horizontal Cells of Bipolar Cell Layer 39 3.3.1.2 Ganglion Layer 40 3.3.1.3 The Visual Pathway 41 3.3.1.4 Overall Network Structure of the Visual System: An Overview 42 3.3.2 Processing Centres and Transmission Pathways for Non-visual Light Effects 43 3.3.2.1 Light Effects on Mood and Learning 46 3.3.2.2 General Light Effects on Cognition, Emotion, and Alertness 47 3.3.2.3 Wavelength Dependence of Brain Activities on Light Exposure 48 3.4 ‘Timing System’, Circadian Rhythm, and Sleep Behaviour 48 3.4.1 Questions 48 3.4.2 Timing System: Entrainment, Timing Role 49 3.4.3 PRC – Function, Phase Shift 50 3.4.4 Chronotypes, Sleep Behaviour 51 3.5 Output Variables of the Visual and Non-visual Brain Processing Apparatus: A Systematics 52 3.6 Basic Aspects of Human-Centric Lighting/Integrative Lighting 54 3.7 Tools and Methods for Determining the Subjectively and Objectively Measurable Lighting Effects 57 3.7.1 Questionnaires for Comprehensive Subjective Determination of Indoor Lighting Quality 57 3.7.2 Questionnaires on Sleep Behaviour, Sleepiness, and Alertness: The Subjective Basis 58 3.7.3 Objective Methods and Tools 59 References 60 3.a Appendix A 63 4 Visual Performance–Work Performance 67 4.1 Status of Standardisation for Interior Lighting Using the Example of Din En 12464 67 4.2 Visual Performance 71 4.2.1 Definition and Influencing Factors 71 4.2.2 Rea’s RVP Model, 1991 74 4.2.2.1 Experiments and Results from 1986 74 4.2.2.2 Experiments and Results from 1988 and Modelling from 1991 76 4.2.3 The Model of Kokoschka on the Data Basis of Weston 77 4.3 Work Performance 80 4.3.1 Assignment of Work Performance Aspects 80 4.3.2 Model for Stress Regulation Under Poor Lighting 82 4.3.3 Influence of Lighting Level on Mental Work 83 4.3.3.1 The Experiments of Boyce 84 4.3.3.2 The Experiments of Lindner 86 4.3.4 Influence of Lighting Levels on Work Performance in Industrial Workplaces 88 4.3.4.1 Literature Review Until 1971 88 4.3.4.2 Lindner’s Experiments in 1976 90 4.3.5 Summary of the Significance of the Visual Performance and Work Performance Results – Preliminary Consequences for Indoor Lighting 91 References 92 5 Modern Aspects of Brightness and Visual Clarity in the Context of Light Quality and Visual Performance 95 5.1 Introduction 95 5.2 Experimental Method of the Subjective Study 100 5.3 Modelling Brightness and Visual Clarity 102 5.4 Summary 107 References 108 6 Colour Quality and Psychophysical–Emotional Aspects, Laboratory Experiments 111 6.1 Introduction 111 6.2 Preferred Horizontal Illuminance Levels 112 6.3 Preferred Luminance Levels on the Wall for a Computer Monitor 114 6.3.1 Introduction 114 6.3.2 Experimental Method 115 6.3.2.1 Test Series 1: Determining the Most Comfortable Display Brightness at a Constant, Typical Wall Luminance 116 6.3.2.2 Test Series 2: Determining the Most Pleasant Luminance and Colour Temperature on the Wall with Constant Display Luminance 118 6.3.3 Evaluation of the Results 119 6.3.4 Summary 121 6.4 Preferred Colour Temperatures 122 6.4.1 Introduction 122 6.4.2 Experimental Method 123 6.4.3 Results and Discussion 127 6.5 Preferred Ranges of Colour Temperatures and Illuminances 129 6.5.1 The Nature of Illuminance and Colour Temperature 129 6.5.2 Illuminance and Colour Temperature in the Literature 130 6.5.3 Visual Experiments on the Combined Effect of Colour Temperature and Illuminance 132 6.5.4 Results: Combined Effect of Colour Temperature and Illuminance 134 6.5.5 Dependence of Preferred Colour Temperature and Illuminance on Age and Gender for Activation and Relaxation 135 6.6 Preferred White Chromaticities 137 6.6.1 Introduction 137 6.6.2 Experimental Method 139 6.6.3 Results 139 6.7 Colour Quality 140 6.7.1 Perceptual Aspects of Colour Quality 141 6.7.1.1 Naturalness, Colour Fidelity (Colour Rendering) 141 6.7.1.2 Vividness 143 6.7.1.3 Chromatic Lightness (Brilliance) 143 6.7.1.4 Colour Preference 144 6.7.1.5 Memory Colours 144 6.7.2 Modelling Colour Preference, Naturalness, and Vividness 146 6.7.2.1 Modelling of Colour Preference, Naturalness, and Vividness at 750 lx 146 6.7.2.2 Modelling Colour Preference at 2000 lx. Comparison of Colour Preference Between 750 and 2000 lx 149 6.7.3 Consideration of Red Object Colours in the Colour Preference Model 150 6.8 Colour Preference for Skin Tone Lighting 153 6.8.1 Introduction 153 6.8.2 Method of the Colour Preference Experiment for Skin Tone Illumination 154 6.8.2.1 Spectral Measurement of Skin Tones 154 6.8.2.2 Characterisation of the Light Sources Used 156 6.8.3 Results of Subjective Scaling of Colour Preference for Skin Tone. Optimal Saturation Levels 159 6.9 Colour-Rendering Indices and Their Semantic Interpretation 162 6.9.1 Introduction 162 6.9.2 Methodology of the Experiment on the Semantic Interpretation of the Colour-Rendering Indices 162 6.9.3 Results of the Experiment on the Semantic Interpretation of the Colour-Rendering Indices 164 6.10 Summary: Preliminary Consequences for Indoor Lighting 166 References 166 7 New Light-Quality Models from Laboratory Experiments and their Validation in Field Trials 171 7.1 Introduction 171 7.2 Input and Output Parameters of the Light-Quality Models 173 7.2.1 Input Parameters 173 7.2.2 Output Parameters 173 7.3 Experimental Set-Ups for the Light-Quality Models 174 7.4 Equations of the Light-Quality Models 178 7.4.1 Brightness 178 7.4.2 Visual Clarity (VC) 179 7.4.3 Colour Preference (CP) 180 7.4.4 Scene Preference (SP) 183 7.5 Modelling with the Circadian Stimulus (CS) 184 7.5.1 Calculation Method 186 7.5.2 Brightness 186 7.5.3 Visual Clarity (VC) 187 7.5.4 Colour Preference (CP) 187 7.5.5 Scene Preference (SP) 188 7.5.6 Visualisation of the VC, CP, and SP Models in Contour Diagrams 188 7.6 Validation of the Light-Quality Models (in Section 7.4) in Three Museums in Japan 191 7.7 Summary 192 References 194 8 Correlation Analysis of HCL Parameters and Consequences for the Measurement Methods of Non-visual Effects 197 8.1 General Consideration of the Correlation of the Parameters for Visual Performance, Colour Quality, and Non-visual Effects 197 8.1.1 Introduction 197 8.1.2 Evaluation of the Colour-Rendering Indices 202 8.1.3 Assessments of the Brightness Parameters 203 8.1.4 Melanopic Effect and Colour Rendering 205 8.1.5 Correlation Between Further Parameters of Visual Performance, Colour Quality, and Non-visual Effects 206 8.2 Structure and Categories of the Input Parameters of the HCL System 210 References 214 9 Psychophysical–Emotional Aspects – Visual Comfort and Non-visual Effects 217 9.1 Psychological–Emotional Aspects of the Effect of Light 217 9.1.1 Introduction 217 9.1.2 Psychological Effect of the Variable Lighting Situations, Spatial Effects 220 9.1.2.1 Field Trial 221 9.1.2.2 Laboratory Experiment 223 9.2 Space Impression, Space Brightness, and Visual Field Luminance 227 9.3 Visual Comfort: Flicker and Stroboscopic Effects 229 9.3.1 Pulse Width Modulation and Constant Current Control 229 9.3.1.1 Pulse Width Modulation (PWM) 229 9.3.1.2 Constant Current Regulation (CCR) 230 9.3.2 Flicker and Stroboscopic Effects 230 9.3.3 State of Research 231 9.3.4 Investigation 233 9.3.4.1 Settings 233 9.3.4.2 Parameters Investigated 234 9.3.4.3 Experimental Procedure 235 9.3.5 Results 236 9.3.5.1 Mean Subjective Values 237 9.3.6 Conclusion 240 9.4 Non-visual Light Effects During the Night Hours 240 9.4.1 Introduction 241 9.4.2 Light Effects in Night Hours with Polychromatic White Light 242 9.4.2.1 Results 243 9.4.3 Light Effects in Nocturnal Hours with Quasi-monochromatic Light 246 9.4.4 Formation of a Metric to Characterise Time-Dependent Melatonin Suppression 249 9.4.5 Determining the Potential Causes of Melatonin Suppression in Nocturnal Hours 253 9.4.6 Lighting Aspects for Shift Work 254 9.5 Psychological and Health Aspects of Daylight 261 9.5.1 Psychological Aspects 261 9.5.2 Health Aspects of Daylight 263 9.5.3 Quantitative Characteristics of Daylight and Electric Light – A Comparison 265 9.6 Influences of Light Intensity and Timing of Light Exposure on Sleep Behaviour 271 9.7 Light Effects on Alertness – Literature Analysis of Various Publications 275 9.7.1 Alertness in the Evening and Night Hours 275 9.7.2 Alertness in the Daytime 276 9.8 Results of the Effect of Light on Alertness and Sleepiness During the Early Shift in an Industrial Company 281 9.8.1 Results of the Data Evaluation 283 9.8.2 Summary and Discussion 284 References 284 10 Practical HCL Light Measurement Technology Indoors and Outdoors 291 10.1 Introduction 291 10.2 Hypotheses and Questions for HCL Light Measurement Technology 293 10.3 Light Measurement Aspects 296 10.3.1 Size of the Viewing Field 296 10.3.2 Current Definitions of Circadian-Effective Irradiance 297 10.3.2.1 DIN Evaluation Procedure 298 10.3.2.2 Procedure according to M. Rea and Figuiero 300 10.3.2.3 Use of the Definitions for the Metrics MDER and MEDI according to CIE, Which Have Been Described in Chapter 2 (Section 2.2.3) of this Book 302 10.3.3 Calculation of the Circadian Stimulus CS from Vertical Illuminance and Chromaticity Coordinate z 302 10.3.4 Computation of the Circadian Stimulus CS from Vertical Illuminance and Correlated Colour Temperature CCT 305 10.4 Circadian-Effective Irradiation Outdoors and Indoors by Integral Field Measurements 307 10.4.1 Field Measurements in Winter 309 10.4.2 Field Measurements on a Summer Day 310 10.4.3 Field Measurements on the Evening of an Autumn Day 312 10.5 Daylight Measurement–Spectral Measurement and Practical Approaches 314 10.5.1 Spectral Measurement of Daylight Spectra 314 10.6 HCL – Light Measurements at Office Workplaces 320 10.6.1 Measured Variables and Measurement Technology 320 10.6.2 Measurement Set-Up 321 10.6.3 The Rooms in which the Measurement Took Place 322 10.6.4 Measurement Results at Different Office Workplaces 324 10.7 Calculation of the Metrics MDER and MEDI from Vertical Illuminance and Chromaticity Coordinate z 326 10.7.1 Definition of MDER and MEDI According to CIE-Publication 326 10.7.2 Mathematical Transformation for Calculation of MEDI and MDER 328 References 331 11 Technological Aspects of Human Centric Lighting in Buildings 335 11.1 Introduction to the Topic ‘Smart Lighting’ 335 11.2 Technical Principles of Smart Lighting 340 11.3 Cloud Software Structure and Use Cases 349 11.4 Light Control and Spectral Optimisation for High-Quality and Healthy Light 353 11.4.1 Stages of the Realisation Possibilities of the Luminaires for HCL Lighting Technology 353 11.4.2 Levels 1 and 2 with Constant Colour Temperature 353 11.4.2.1 Basic Data of Circadian Effectiveness 353 11.4.2.2 Previous Technologies for Generating White LED Light 355 11.4.2.3 Newer Technologies for the Generation of White LED Light with Only One Colour Temperature 356 11.4.3 Levels 3 and 4 (Figure 11.17) with Variable Colour Temperature and Variable Illuminance 361 11.4.4 Level 5 (Figure 11.17) with Variable Colour Temperature, Variable Illuminance, and High Colour Quality 364 11.4.5 Level 6 with Variable Colour Temperature, Variable Illuminance, and Daylight Consideration 365 11.4.5.1 Introduction 365 11.4.5.2 Variation of Daylight and Consequences for Indoor Lighting – Result of a Measurement 366 11.4.5.3 Approaches to Considering Daylight Components in Interior Space 368 11.5 Measurement of Melanopic-Equivalent Daylight Illuminance (MEDI) with RGB Colour Sensors 372 11.5.1 Introduction Into the Context 372 11.5.2 RGB Colour Sensors: Characterisation and Signal Transformation 372 11.5.2.1 Characterisation of RGB Colour Sensors 372 11.5.3 Method of Signal Transformation from RGB to XYZ 376 11.5.4 Matrix Transformation in Practice, Verification with an Actual RGB Colour Sensor 377 11.5.5 Measurement of the Non-visual Quantities MEDI and MDER 378 11.5.6 Summary 382 References 384 12 HCL-Oriented Lighting Design: Basic Aspects and Implementation 387 12.1 Classification of HCL-Oriented Lighting Quality Concepts 387 12.1.1 Conceptions and Thought Processes on Lighting Quality Until 2002 387 12.1.1.1 Flynn et al. 388 12.1.1.2 Rowlands and Loe 389 12.1.1.3 Veitch and Newsham 389 12.1.2 Literature Analysis and New Thoughts on Lighting Quality 393 12.1.3 Summary of the Concepts on HCL and Lighting Quality – A Draft Overall Concept 396 12.2 Lighting Design: The Process and the Influencing Factors to Achieve Lighting Quality 397 12.2.1 Goals and Classification of HCL-Oriented Lighting Design 397 12.2.2 Process Steps of HCL-Oriented Lighting Design 399 12.3 Daylight and Daylight Planning 404 12.3.1 Introduction 404 12.3.2 Daylight from a Lighting Design Perspective – Daylight Design in the Context of Standardisation 405 12.3.3 Daylight Planning for Non-visual Effects 407 12.3.4 Some Data on Daylighting Effects 408 12.4 Specification of HCL Lighting Systems for Daytime – Draft Recommendation 409 12.4.1 Introduction 409 12.4.2 Illumination Level, Circadian-Effective Illuminance Levels 410 12.5 Dynamic Lighting, Control Curves 418 12.6 Lighting for Users with Higher Lighting Requirements 425 12.6.1 Vision in Old Age – Some Aspects 426 12.6.2 Lighting for Elderly People’s Homes and People Suffering from Dementia 431 12.6.3 Proposal for Lighting Design for Elderly People’s Homes and Nursing Homes 433 References 436 13 Numerical Relationship Between Non-visual Metrics and Brightness Metrics – Consequences for the Evaluation of HCL Systems and Facilities 443 13.1 Introduction 443 13.2 Brightness Perception and Modelling 445 13.3 Circadian Stimulus Models CS 2018 and CS 2021 446 13.3.1 The Circadian Stimulus (CS) Models 2005 and 2018 447 13.3.2 The Circadian Stimulus Model 2021 448 13.4 The Formula of Giménez et al. for Nocturnal Melatonin Suppression 450 13.5 Numerical Analysis of the Relationship Between Brightness and Non-visual Metrics 451 13.5.1 Introduction 451 13.5.2 Method of Correlation Analysis 452 13.5.3 Relation Between the Linear Brightness Metrics and the Non-visual-Effect Parameters 452 13.5.4 Relation Between Non-linear Brightness Metrics and Non-visual-Effect Parameters 455 References 457 14 Summary and Outlook 459 14.1 Summary 459 14.2 Outlook 463 Index 465

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Book SynopsisAsymptotic Perturbation Methods Cohesive overview of powerful mathematical methods to solve differential equations in physics Asymptotic Perturbation Methods for Nonlinear Differential Equations in Physics addresses nonlinearity in various fields of physics from the vantage point of its mathematical description in the form of nonlinear partial differential equations and presents a unified view on nonlinear systems in physics by providing a common framework to obtain approximate solutions to the respective nonlinear partial differential equations based on the asymptotic perturbation method. Aside from its complete coverage of a complicated topic, a noteworthy feature of the book is the emphasis on applications. There are several examples included throughout the text, and, crucially, the scientific background is explained at an elementary level and closely integrated with the mathematical theory to enable seamless reader comprehension. To fully understand the concepts within this book, the prerequisites are multivariable calculus and introductory physics. Written by a highly qualified author with significant accomplishments in the field, Asymptotic Perturbation Methods for Nonlinear Differential Equations in Physics covers sample topics such as: Application of the various flavors of the asymptotic perturbation method, such as the Maccari method to the governing equations of nonlinear system Nonlinear oscillators, limit cycles, and their bifurcations, iterated nonlinear maps, continuous systems, and nonlinear partial differential equations (NPDEs) Nonlinear systems, such as the van der Pol oscillator, with advanced coverage of plasma physics, quantum mechanics, elementary particle physics, cosmology, and chaotic systems Infinite-period bifurcation in the nonlinear Schrodinger equation and fractal and chaotic solutions in NPDEs Asymptotic Perturbation Methods for Nonlinear Differential Equations in Physics is ideal for an introductory course at the senior or first year graduate level. It is also a highly valuable reference for any professional scientist who does not possess deep knowledge about nonlinear physics.Table of Contents1 THE ASYMPTOTIC PERTURBATION METHOD FOR NONLINEAR OSCILLATORS 1.1 Introduction 1.2 Nonlinear Dynamical Systems 1.3 The Approximate Solution 1.4 Comparison with the Results of the Numerical Integration 1.5 External Excitation in Resonance with the Oscillator 1.6 Conclusion 2 THE ASYMPTOTIC PERTURBATION METHOD FOR REMARKABLE NONLINEAR OSCILLATORS 2.1 Introduction 2.2 Periodic Solutions and their Stability 2.3 Global Analysis of the Model System 2.4 Infinite-Period Symmetric Homoclinic Bifurcation 2.5 A Few Considerations 2.6 A Peculiar Quasiperiodic Attractor 2.7 Building an Approximate Solution 2.8 Results from Numerical Simulation 2.9 Conclusion 3 THE ASYMPTOTIC PERTURBATION METHOD FOR VIBRATION CONTROL WITH TIME DELAY STATE FEEDBACK 3.1 Introduction 3.2 Time Delay State Feedback 3.3 The AP Method 3.4 Stability Analysis and Parametric Resonance Control 3.5 Suppression of the Two-Period Quasiperiodic Motion 3.6 Vibration Control for Other Nonlinear Systems 4 THE ASYMPTOTIC PERTURBATION METHOD FOR VIBRATION CONTROL WITH NONLOCAL DYNAMICS 4.1 Introduction 4.2 Vibration Control for the van der Pol Equation 4.3 Stability Analysis and Parametric Resonance Control 4.4 Suppression of the Two-Period Quasiperiodic Motion 4.5 Conclusion 5 THE ASYMPTOTIC PERTURBATION METHOD FOR NONLINEAR CONTINUOUS SYSTEMS 5.1 Introduction 5.2 The Approximate Solution for the Primary Resonance of the nth Mode 5.3 The Approximate Solution for the Subharmonic Resonance of Order One-Half of the nth Mode 5.4 Conclusion 6 THE ASYMPTOTIC PERTURBATION METHOD FOR DISPERSIVE NONLINEAR PARTIAL DIFFERENTIAL EQUATIONS 6.1 Introduction 6.2 Model Nonlinear PDEs Obtained from the Kadomtsev-Petviashvili Equation 6.3 The Lax Pair for the Model Nonlinear PDE 6.4 A Few Considerations 6.5 A Generalized Hirota Equation in 2+1 dimensions 6.6 Model Nonlinear PDEs Obtained from the KP equation 6.7 The Lax Pair for the Hirota-Maccari Equation 6.8 Conclusion 7 THE ASYMPTOTIC PERTURBATION METHOD FOR PHYSICS PROBLEMS 7.1 Introduction 7.2 Derivation of the Model System 7.3 Integrability of the Model System of Equations 7.4 Exact Solutions for the C-Integrable Model Equation 7.5 Conclusion 8 THE ASYMPTOTIC PERTURBATION METHOD FOR ELEMENTARY PARTICLE PHYSICS 8.1 Introduction 8.2 Derivation of the Model System 8.3 Integrability of the Model System of Equations 8.4 Exact solutions for the C-Integrable Model Equation 8.5 A Few Considerations 8.6 Hidden Symmetry Models 8.7 Derivation of the Model System 8.8 Coherent Solutions 8.9 Chaotic and Fractal Solutions 8.10 Conclusion 9 THE ASYMPTOTIC PERTURBATION METHOD FOR ROGUE WAVES IN NONLINEAR SYSTEMS 9.1 Introduction 9.2 The Mathematical Framework 9.3 The Maccari System 9.4 Rogue Waves Physical Explanation according to Maccari System and Blowing Solutions 9.5 Conclusion 10 THE ASYMPTOTIC PERTURBATION METHOD FOR FRACTAL AND CHAOTIC SOLUTIONS IN NONLINEAR PARTIAL DIFFERENTIAL EQUATIONS 10.1 Introduction 10.2 A new Integrable System from the Dispersive Long Wave Equation 10.3 Nonlinear Coherent Solutions 10.4 Chaotic and Fractal Solutions 10.5 Conclusion 11 THE ASYMPTOTIC PERTURBATION METHOD FOR NONLINEAR QUANTUM MECHANICS 11.1 Introduction 11.2 The NLS equation for a1>0 11.3 The NLS equation for a1<0 11.4 A Possible Extension 11.5 The Nonrelativistic Case 11.6 The Relativistic Case 11.7 Conclusion 12 COSMOLOGY 12.1 Introduction 12.2 A New Field Equation 12.3 Exact solution in the Robertson-Walker Metrics 12.4 Entropy Production 12.5 Conclusion 13 CONFINEMENT AND ASYMPTOTIC FREEDOM IN A PURELY GEOMETRIC FRAMEWORK 13.1 Introduction 13.2 The Uncertainty Principle 13.3 Confinement and Asymptotic Freedom for the Strong Interaction 13.4 The Motion of a Light Ray into a Hadron 13.5 Conclusion 14 THE ASYMPTOTIC PERTURBATION METHOD FOR A REVERSE INFINITE-PERIOD BIFURCATION IN THE NONLINEAR SCHRÖDINGER EQUATION 14.1 Introduction 14.2 Building an Approximate Solution 14.3 A Reverse Infinite-Period Bifurcation 14.4 Conclusion Conclusion Bibliography

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Book SynopsisMüssen Sie sich schnell ein solides Grundwissen in Thermodynamik aneignen? Dann ist dies genau das richtige Buch für Sie. Wilhelm Kulisch erklärt Ihnen die mathematischen Grundlagen, die Sie für die Thermodynamik brauchen, Zustandsgrößen,-änderungen und -gleichungen sowie die Hauptsätze der Thermodynamik und vieles mehr. Ein Eingangstest soll Ihnen dabei helfen, Ihre individuellen Schwächen aufzudecken, um sie danngezielt beheben zu können. Mit zahlreichen Beispielen und Übungsaufgaben können Sie Ihr neu erworbenes Wissen dann festigen und überprüfen. Dabei kommt der Autor schnell auf den Punkt und erklärt dieses manchmal etwas sperrige Thema so verständlich wie möglich.Table of ContentsEinleitung 21 Teil I: Grundlagen 1 Eine kurze Einführung in die Thermodynamik 27 Definition der Thermodynamik 27 Eine kurze Geschichte der Thermodynamik 28 Makroskopische Thermodynamik und statistische Thermodynamik 30 Die Rolle der Thermodynamik in der Physik und den anderen Naturwissenschaften 31 2 Ein klein wenig Mathematik 33 Absolute Größen, Differenzen und Differentiale 33 Ableitungen und partielle Ableitungen 34 VomDifferential zur Differenz: Integralrechnung 39 Teil II: Die wichtigsten Begriffe der Thermodynamik 3 Alles über Wärmephänomene 43 Wärme führt zur Ausdehnung von Körpern 43 Wärme kann gespeichert werden 46 Wärme kann transportiert werden 51 4 Den Zustand eines System beschreiben: Zustandsgrößen 59 Sie bestimmen den Zustand eines Systems: Die Zustandsgrößen 59 Der Druck wird durch die Bewegung von Teilchen verursacht 60 Auch die Temperatur wird durch Bewegung verursacht 65 Man kann sie mikroskopisch oder makroskopisch angeben: Die Stoffmenge 70 Jedes System enthält Energie: Die innere Energie 72 Eine schwer zu fassende Größe: Die Entropie 73 5 Ab jetzt wird es dynamisch: Zustandsänderungen 77 Der Behälter besitzt einen beweglichen Deckel: Isobare Änderungen 78 Der Behälter besitzt einen festen Deckel: Isochore Änderungen 80 In einem Wärmebad: Isotherme Änderungen 81 Das System ist isoliert: Adiabatische Änderungen 82 Von großer technischer Bedeutung: Isentrope und polytrope Änderungen 86 6 Abstrakt, aber hilfreich: Thermodynamische Potentiale 91 Definition des Begriffs des thermodynamischen Potentials 91 Die wichtigsten thermodynamischen Potentiale 94 Ende der theoretischen Betrachtung: Anwendungen und Beispiele 100 Teil III: Das wichtigste über Gase 7 Die Beschreibung von Gasen: Zustandsgleichungen 107 Es ist zwar eine Näherung, aber eine gute: Das ideale Gasgesetz 108 In der Realität gibt es Abweichungen: Die van-der-Waals-Gleichung 115 Jenseits des Kritischen Punkts ist alles anders 118 8 Freiheitsgrade und Bewegungen: Energetische Betrachtungen 123 Es gibt viele Möglichkeiten, sich zu bewegen: Freiheitsgrade 123 Auch bei der inneren Energie spielen die Freiheitsgrade eine Rolle 128 Nicht alle Teilchen sind gleich schnell: Geschwindigkeitsverteilungen 130 Teil IV: Die Hauptsätze der Thermodynamik 9 Es geht ums Gleichgewicht: Der nullte Hauptsatz 135 Thema des nullten Hauptsatzes: Das thermische Gleichgewicht 135 18 Inhalt Formulierungen des nullten Hauptsatzes 136 Bedeutung und Anwendungen 137 Es geht darüber hinaus: Das thermodynamische Gleichgewicht 138 10 Er beschäftigt sich mit der Energie: Der erste Hauptsatz 141 Thema und Formulierungen 141 Vergleich der Formulierungen 142 Bedeutung und Anwendungen 144 11 Die Entropie kommt ins Spiel: Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 151 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 151 Vergleich der Formulierungen 152 Die Entropie zum Zweiten 154 Die Entropie und die Ordnung 157 Ein kurzer Ausflug in die Welt der Perpetua mobilia 158 12 Der absolute Nullpunkt ist unerreichbar: Der dritte Hauptsatz 161 Zwei Themen: Der Nullpunkt und die Entropie 161 Kurz und knapp: Die Formulierungen 161 Vergleich der Formulierungen 162 Der Nullpunkt und die Entropie 163 Teil V: Thermodynamik in der Praxis 13 Besser geht es nicht: Ideale thermodynamische Prozesse 167 Alles über Prozesse 168 Der theoretisch beste Prozess: Der Carnotprozess 171 Die ideale Gasturbine: Der Joule-Kreisprozess 176 Das ideale Dampfkraftwerk: Der Clausius–Rankine-Prozess 179 Nicht die Arbeit, sondern die Temperatur ist das Ziel: Wärmepumpe und Kältemaschine 181 Inhalt 19 14 Reale Prozesse I: Wärmekraftmaschinen 189 Wärmekraftmaschinen: Eine Übersicht 189 Er bewegt uns seit mehr als 100 Jahren: Der Ottomotor 190 Eine solide Alternative: Der Dieselmotor 195 Pendeln zwischen heiß und kalt: Der Stirlingmotor 199 Ein kurzer Blick auf die Dampfmaschine 203 Vergleich der Wärmekraftmaschinen 205 15 Eher feucht: Die Thermodynamik von Dämpfen und Gasgemischen 209 Dampf ist gasförmiges Wasser 209 Es frischt auf: Die Luftfeuchtigkeit 213 Whiskey on the Rocks: Zweistoffgemische 217 Teil VI: Statistische Thermodynamik 16 Grundlagen der statistischen Thermodynamik 225 Zur Problemstellung 226 Kopf oder Zahl: Zufallsexperimente 227 Je mehr Möglichkeiten es gibt, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit 228 Erwartungswert und Standardabweichung 231 Die Krönung der Statistik: Wahrscheinlichkeitsverteilungen 233 17 Eine statistische Betrachtung der Thermodynamik 239 Mikrozustände und Makrozustände 239 Unvorstellbar viele Möglichkeiten: Der Phasenraum 242 Glossar 251 Lösungen 261 Index 281

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Book SynopsisMaschinenelemente sind die Grundbausteine von Produktionsmaschinen, Fahrzeugen, Haushaltsgeräten und mechatronischen Geräten. Die Vielfalt reicht dabei von kleinen Verbindungselementen wie Schrauben über Kugellager bis zum komplexen Getriebe. "Maschinenelemente für Dummies" bietet einen einfachen und verständlichen Einstieg in dieses weite Gebiet. Durch die systematische Orientierung an der ausgeübten Funktion lernen Sie das gesamte Spektrum der Maschinenelemente kennen und behalten dabei immer den Überblick. Anton Haberkern nennt und erläutert die Berechnungsformeln der genannten Elemente und legt dabei großen Wert auf die verständliche Darstellung der Grundprinzipien. Durch praktische Beispiele wird das Gelernte gefestigt, die nächste Prüfung kann also kommen.Table of ContentsÜber den Autor 7 Über den Fachkorrektor 7 Einleitung 19 Über dieses Buch 19 Konventionen in diesem Buch 19 Was Sie nicht lesen müssen 20 Törichte Annahmen über die Leser 20 Wie dieses Buch aufgebaut ist 20 Teil I – Was Maschinenelemente können 20 Teil II – Maschinenelemente zum Verbinden 20 Teil III – Maschinenelemente zum Abstützen von Bewegungen 21 Teil IV – Maschinenelemente zum Umwandeln von Bewegungsformen 21 Teil V – Der Top-Ten-Teil 21 Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 21 Jetzt geht es los 22 TEIL I WAS MASCHINENELEMENTE KÖNNEN 23 Kapitel 1 Maschinen und Maschinenelemente 25 Die kleinsten Teilchen im Maschinenbau 25 Das ist ja alles so schön gleich hier 28 Kapitel 2 Aufgabenteilung macht stark: Die funktionale Sichtweise 31 Der Funktionsbegriff 31 Die klassischen Maschinenelemente 33 Die Gestaltung technischer Systeme mithilfe von Funktionen 33 1 Betrachtungsebene 33 2 Betrachtungsebene 34 3 / 4 .. / X Betrachtungsebene 35 Eine funktionsorientierte Ordnungsstruktur der Maschinenelemente 36 TEIL II MASCHINENELEMENTE ZUM VERBINDEN 39 Kapitel 3 Arten von Verbindungen – ein erster Überblick 41 Warum die Einheiten von Maschinen oft nicht aus einem Teil bestehen 42 Alles verbindet, aber wie? Verbindungsarten 43 Starr oder nur als starr getarnt? 45 Klassifizierung von Verbindungen 45 Kapitel 4 Reibschlüssige Verbindungen 47 Schraubenverbindungen 47 Der Einfluss des Steigungswinkels 48 Der Einfluss des Flankenwinkels 50 Gewindeprofile 51 Grundgleichungen eines Schraubengewindes 52 Hält die das aus? Belastung und Beanspruchung von Schraubenverbindungen 54 Fazit zur Berechnung von Schraubenverbindungen 61 Festigkeitsklassen für Befestigungsschrauben 61 Grobdimensionierung von Schraubenverbindungen 63 Pressverbindungen 65 Funktionsprinzip einer Pressverbindung 65 Montage einer Pressverbindung 66 Arten von Pressverbindungen 67 Dimensionierung einer Pressverbindung 68 Stärken und Schwächen von Pressverbindungen 69 Kapitel 5 Formschlüssige Verbindungen 71 Stiftverbindungen 72 Formen von Stiften 72 Ausführungen von Stiftverbindungen 74 Berechnung von Stiftverbindungen 74 Nut-Feder-Verbindungen 79 Allgemeine Nut-Feder-Verbindung mit Nutenstein 79 Nut-Feder-Verbindungen zwischen Welle und Nabe 80 Berechnung von Nut-Feder-Verbindungen 80 Profilverbindungen 81 Nietverbindungen 83 Anwendungsbereiche für Nietverbindungen 83 Kalt- und Warmnieten 84 Kapitel 6 Stoffschlüssige Verbindungen 85 Schweißverbindungen 87 Inhaltsverzeichnis 13 Einteilung der Schweißverfahren 88 Schmelzschweißverfahren für Metalle 89 Pressschweißverfahren für Metalle 91 Pressschweißverfahren für Kunststoffe 93 Schweißnahtformen 94 Festigkeitsberechnung von Schweißverbindungen 94 Lötverbindungen 96 Lote 97 Flussmittel 98 Klebeverbindungen 98 Kapitel 7 Elastische Verbindungen: Federn 101 Federkennlinie 102 Federarbeit 103 Zusammengesetzte Systeme aus mehreren Federn 105 Fall a: Parallelschaltung von Federn 105 Fall b: Reihenschaltung von Federn 106 Fall c: Mischschaltung von Federn 106 Schwingungsverhalten 107 Bauarten von Federn 108 Metallfedern für geradlinige Bewegungen 110 Nichtmetallfedern für geradlinige Bewegungen 113 Metallfedern für Drehbewegungen 113 Nichtmetallfedern für Drehbewegungen 114 TEIL III MASCHINENELEMENTE ZUM ABSTÜTZEN VON BEWEGUNGEN 115 Kapitel 8 Arten von Lagern und Führungen – ein Überblick 117 Gelagert oder geführt – Unterscheidung nach der Bewegungsform 118 Anforderungen an Lager und Führungen in Maschinen 121 Einteilung von Lagern und Führungen nach der Kontaktart 121 Kapitel 9 Gleitlager und Gleitführungen 123 Hydrodynamische Lager und Führungen 123 Das Funktionsprinzip Hydrodynamik 123 Das Stribeck-Diagramm 125 Der rotierende hydrodynamische Kontakt: Lager 126 Der lineare hydrodynamische Kontakt: Führung 127 Anwendungsbeispiele Hydrodynamik 127 Werkstoffe für hydrodynamische Gleitkontakte 130 Tragfähigkeitsberechnung von hydrodynamischen Gleitkontakten 132 Hydrostatische Lager und Führungen 133 Das Funktionsprinzip Hydrostatik 133 Druckverlauf an einer Hydrostatik-Tasche 135 Druckversorgung bei mehreren Hydrostatik-Taschen 137 Anwendungsbeispiele für hydrostatische Kontakte 138 Aerostatische Lager und Führungen 140 Das Funktionsprinzip Aerostatik 140 Vergleich aerodynamischer/aerostatischer Kontakt 141 Bereitstellung der Druckluft 141 Gestaltung aerostatischer Lager und Führungen 142 Anwendungen der Aerostatik 143 Feststoffgeschmierte Lager und Führungen 144 Elektromagnetische Lager und Führungen 145 Das Funktionsprinzip der elektromagnetischen Abstützung 145 Magnetkräfte 145 Abstandsregelung 146 Adaptierbare Steifigkeit und Dämpfung 146 Anwendungsbeispiele für elektromagnetische Lager und Führungen 148 Kapitel 10 Wälzlager und Wälzführungen 149 Mögliche Bewegungsformen zwischen zwei Körpern 149 Gleiten 150 Rollen 150 Wälzen 150 Bohren 151 Die geometrischen Formen von Wälzkörpern 151 Herstellkosten verschiedener Wälzkörper-Geometrien 152 Das Berechnungsmodell Hertz’scher Kontakt 152 Die Schmiegung 153 Bauarten von Wälzlagern 153 Viel hilft viel: Anordnung von mehreren Wälzlagern 154 Fest-Los-Lagerung 154 Schwimmende Lagerung 157 Angestellte Lagerung 158 Bauarten von Wälzführungen 159 Ohne interne Vorspannung 159 Mit interner Vorspannung 160 Ohne Wälzkörperrückführung 160 Mit Wälzkörperrückführung 161 Profilschienen-Wälzführungen 162 Die Lebensdauer von Wälzkontakten berechnen 163 Die Lebensdauergleichung für Wälzlager 164 Berücksichtigung veränderlicher Drehzahlen und Belastungen 168 Die modifizierte Lebensdauergleichung für Wälzlager 169 Die Lebensdauergleichung für Wälzführungen 170 Zulässige Belastung von Wälzlagern im Stillstand 172 Nur nicht nachgeben: Die Steifigkeit von Wälzkontakten 173 Werkstoffe für Wälzlager und Wälzführungen 174 Stahl 175 Keramik 176 Kapitel 11 Reibung, Schmierung und Verschleiß 177 Das läuft ja wie geschmiert: Schmierstoffe 178 Schmieröle 178 Schmierfette 181 Festschmierstoffe 182 Das Funktionsprinzip von Festschmierstoffen 184 Zäh und schleimig: Die Viskosität 186 Viskosimeter 187 Viskositätsänderung mit der Temperatur 188 Unbeliebt, aber unvermeidbar: Der Verschleiß 190 Die Verschleißmechanismen 190 Maßnahmen zur Verschleißreduktion 194 Verschleißerkennung aus der Bauteiloberfläche 194 Kapitel 12 Noch ganz dicht? Maschinenelemente zum Abdichten 197 Was Dichtungen können 197 Hermetisch dicht oder technisch dicht 198 Arten von Dichtungen 198 Statische berührende Dichtungen 199 Statische berührungslose Dichtungen 201 Dynamische berührende Dichtungen 201 Dynamische berührungslose Dichtungen 204 TEIL IV MASCHINENELEMENTE ZUM UMWANDELN VON BEWEGUNGSFORMEN 207 Kapitel 13 Arten von Getrieben im Überblick 209 Wo Getriebe gebraucht werden 210 Klassifizierung von Getrieben 211 Kapitel 14 Rädergetriebe 217 Zahnradgetriebe: Formschlüssige Räder 219 Bauformen von Zahnrädern 219 Richtung der Verzahnung 222 Profilform der Zähne 224 Kenngrößen von Stirnradgetrieben mit parallelen Achsen 225 Reibradgetriebe 236 Reibradgetriebe mit konstanter Übersetzung 236 Reibradgetriebe mit stufenlos veränderlicher Übersetzung 236 Kapitel 15 Zugmittelgetriebe 239 Auswahl des Zugmittels 240 Formschlüssige Zugmittelgetriebe 242 Kettengetriebe 242 Zahnriemengetriebe 244 Reibschlüssige Zugmittelgetriebe 246 Flachriemengetriebe 246 Keilriemengetriebe 248 Kapitel 16 Hubgetriebe 251 Spindel-Hubgetriebe 252 Gleitgewindetrieb 253 Kugelgewindetrieb 254 Hydrostatischer Gewindetrieb 255 Zahnstangen-Hubgetriebe 256 Zugmittel-Hubgetriebe 258 Schubketten-Hubgetriebe 259 Kapitel 17 Kupplungen und Bremsen 261 Einteilung von Kupplungen 261 Nichtschaltbare starre Kupplungen 264 Nichtschaltbare nachgiebige Kupplungen 265 Schaltbare fremdbetätigte Kupplungen 266 Schaltbare momentbetätigte Kupplungen 267 Schaltbare drehzahlbetätigte Kupplungen 268 Schaltbare richtungsbetätigte Kupplungen 269 Bremsen 270 TEIL V DER TOP-TEN-TEIL 271 Kapitel 18 Zehn interessante Daten zur wirtschaftlichen Bedeutung des Maschinenbaus 273 Die größten Industriezweige 273 Bilanz des deutschen Maschinenaußenhandels 274 Deutsche Maschinenexporte nach Regionen 274 Deutsche Maschinenexporte nach einzelnen Abnehmerländern 275 Deutsche Maschinenimporte nach Regionen 275 Deutsche Maschinenimporte nach einzelnen Lieferländern 276 Deutscher Maschinenaußenhandel nach Fachzweigen 276 Welthandelsanteile 277 Maschinenexporteure nach Maschinengruppen 277 Weltproduktion von Werkzeugmaschinen 278 Lösungen der Übungsaufgaben 279 Stichwortverzeichnis 287

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Book SynopsisAlle Ingenieure benötigen sie - kaum einer mag sie eigentlich: die Mathematik. Aber Ingenieursmathematik muss nicht schwer verständlich sein, sie kann auch Spaß machen. J. Michael Fried vermittelt Ihnen in diesem Buch die Grundlagen der Mathematik, die alle Ingenieure in den ersten Semestern benötigen. Los geht's mit der Linearen Algebra: Lernen Sie, wie Sie mit Vektoren und Matrizen rechnen, lineare Gleichungssysteme lösen und Eigenwerte sowie Eigenvektoren berechnen. Außerdem führt der Autor Sie in die Geheimnisse der eindimensionalen Analysis ein und erklärt alles Wissenswerte zu Folgen und Grenzwerten, zur Differenzial- und zur Integralrechnung. Anhand von vielen Tipps und Praxisbeispielen lernen Sie, wo die erworbenen Kenntnisse in den Ingenieurwissenschaften angewendet werden. Mit Übungsaufgaben und ausführlichen Lösungen können Sie Ihr Wissen auch gleich noch überprüfen und festigen. Dieses Buch richtet sich an Studierende aller Ingenieurwissenschaften - sowohl zum Lernen als auch zum Nachschlagen.Table of ContentsÜber den Autor 15 Danksagung 16 Einleitung 17 Teil I: Grundlegende lineare Algebra 23 Kapitel 1: Die Grundlagen der Mathematik: Logik, Mengen und Zahlen 25 Kapitel 2: Von Vektoren und Matrizen 51 Kapitel 3: Lineare Gleichungssysteme 87 Teil II: Viel mehr lineare Algebra 127 Kapitel 4: Eigenwerte und Eigenvektoren 129 Kapitel 5: Quadratische Formen und Ausgleichsrechnung 153 Kapitel 6: Ein wenig Dreidimensionales 169 Teil III: Eindimensionale Analysis 179 Kapitel 7: Folgen und Grenzwerte 181 Kapitel 8: Stetigkeit 205 Kapitel 9: Differentialrechnung 217 Kapitel 10: Bestimmte, unbestimmte und uneigentliche Integrale 257 Kapitel 11: Differenzieren ist Handwerk – Integrieren eine Kunst! 287 Kapitel 12: Reihen 309 Teil IV: Der Top-Ten-Teil 349 Kapitel 13: Zehn Dos and Don’ts der linearen Algebra 351 Kapitel 14: Zehn wichtige Punkte in der Analysis 355 Kapitel 15: Wie man einen Mathekurs erfolgreich überlebt 359 Anhang A: Lösungen der Aufgaben 363 Stichwortverzeichnis 379

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Book SynopsisSie sollen ein Projekt betreuen, kennen sich technisch gut aus, sind sich aber nicht sicher, wie Sie es organisieren und verwalten, also managen sollen? Genau dafür hat Jürgen Rismondo dieses Buch geschrieben. Er erklärt, was Projektmanagement ist, wie Sie Projekte Schritt für Schritt planen, was die Konzept- und was die Designphase ist. Das Buch hilft Ihnen auch bei der Projektausführung und der Überwachung und Steuerung von Projektarbeit. Einen gesonderten Blick wirft der Autor dabei auf den Menschen als Projektmitarbeiter und geht zuletzt noch auf Werkzeuge und alternative Ansätze des Projektmanagements ein.Table of ContentsWidmung 9 Über den Autor 21 Einleitung 23 Über dieses Buch 23 Törichte Annahmen über den Leser 24 Wie dieses Buch aufgebaut ist 25 Teil I: Projektmanagement-Überblick 25 Teil II: Die Vorprojektphase 26 Teil III: Die Planungsphase 26 Teil IV: Die Durchführungsphase 26 Teil V: Die parallele Planungsprozesse für alle Projektphasen 27 Teil VI: Der Faktor Mensch 27 Teil VII: Agiles Projektmanagement 27 Teil VIII: Der Top-Ten- Teil 28 Symbole in diesem Buch 28 Teil I: Projektmanagement – Ein Überblick 29 Kapitel 1: Projektmanagement-Grundlagen 31 Was ist Projektmanagement? 31 Was ist ein Projekt? 32 Genau das ist Projektmanagement! 34 Warum brauchen Sie als Ingenieur Projektmanagement? 35 Die entscheidenden Faktoren für das Projekt: Zeit, Geld und Ergebnis 36 Kapitel 2: Die verschiedenen Phasen eines Projekts 39 Warum gibt es Projektphasen? 39 Die Vorprojektphase 41 Die Mutter aller Projektanfänge: Der »Business Case« oder auch die Projektidee 42 Das Lastenheft 43 Der Projektvertrag 43 Wir machen das Projekt – Die Planungsphase 44 Planungsphase Teil 1 – Die Konzeptphase 45 Planungsphase Teil 2 – Die (eigentliche) Planungsphase 46 Präsentation der Planungsergebnisse auf einem Kick-off 46 Das Projekt beginnt – Die Hauptprojektphase 47 Das Managen der Projektarbeit 47 Überwachen und Steuern der Projektausführung 48 Das Projekt ist zu Ende – Die Abschlussphase: Was haben wir gelernt 48 Kapitel 3: Der Projektmanagement-Kreislauf 49 Projektmanagement-Kreislauf Teil 1: Ziele 50 Ziele müssen messbar sein 52 Projektmanagement-Kreislauf Teil 2: Die Projekt-Struktur 53 Der Projektstrukturplan 54 Projektmanagement-Kreislauf Teil 3: Der Projektablauf 58 Balkenplan und Netzplan 58 Projektmanagement-Kreislauf Teil 4: Ressourcen und Kapazitäten 59 Das »magische Dreieck« 60 Projektmanagement-Kreislauf Teil 5: Kosten 65 Jedes Projekt benötigt einen Soll-Ist- Vergleich 65 Projektmanagement-Kreislauf Teil 6: Risikomanagement 66 Wodurch Projekte scheitern 67 Projektmanagement-Kreislauf: Zusammenhang und Zusammenfassung 68 Rollierende Planung im Projektmanagement 68 Parallele Projektmanagementprozesse 69 Der Projektmitarbeiter steht im Mittelpunkt 70 Kapitel 4: Projektorganisation 71 Reine Projektorganisation 72 Matrix-Projektorganisation 73 Kapitel 5: Die Rollen im Projekt 75 Der (Projekt-) Auftraggeber 76 Der Projektleiter 77 Der Lenkungsausschuss 78 Das Projektteam 78 Teil II: Die Vorprojektphase 81 Kapitel 6: Die Projektidee oder der Business Case 83 Inhalte eines Business Case 84 Die Kosten und der Nutzen 85 Nutzenorientierte Argumentation 86 Die technischen Eigenschaften 87 Der Faktor Zeit 88 Ein erster Blick auf die Chancen und Risiken: Die PEST-Analyse 88 Chancen und Risiken für Fortgeschrittene: Die SWOT-Analyse 91 Kapitel 7: Das Lastenheft 95 Wünsche sind keine Anforderungen 95 Die Inhalte des Lastenhefts 97 Beim Lastenheft mitwirken 100 Teil III: Die Planungsphase 103 Kapitel 8: Die Planungsphase Teil 1 – Die Konzeptphase 105 Das Pflichtenheft 105 Das Inhalts-und Umfangsmanagement 106 Planung des Inhalts und Umfangs 106 Die Inhalte des Pflichtenhefts 107 Beschreibung des Projektinhalts und -umfangs 108 Beschreibung von Produktinhalt und -umfang 109 Produktanforderungen und Projektanforderungen 109 (Messbare) Projektziele 110 Produktgrenzen und Projektgrenzen 113 Liefergegenstände des Produkts 115 Liefergegenstände des Projekts 117 Produktabnahmekriterien und Projektabnahmekriterien 120 Projektbeschränkungen und Projektannahmen 122 Projektorganisation 124 Anfänglich definierte Risiken 125 Meilensteine 125 Kostenbegrenzung 127 Änderungsmanagement 127 So hilft Prozessmanagement beim Pflichtenheft 128 Zusammenfassung 129 Kapitel 9: Der Projektvertrag 131 Pflichtenheft und Projektvertrag hängen zusammen 132 Inhalte des Projektvertrags 133 Die (allgemeine) Projektbeschreibung 133 Projektbeginn (-datum) und Projektende (-datum) 133 Ziele 134 Meilensteine 134 Ressourcen, Kapazitäten und Budget 135 (Die ersten größeren) Risiken 135 Projektgrenzen 136 Liefergegenstände 136 Produktabnahmekriterien und Projektabnahmekriterien 136 Projektbeschränkungen 137 Projektannahmen 137 Projektorganisation: Rollen und Verantwortungen 137 Änderungsmanagement 138 Projektvertrag – Ein Beispiel 138 Zusammenfassung 138 Kapitel 10: Die Planungsphase Teil 2 – Die (eigentliche) Planungsphase 141 Die Erstellung des Projektplans 141 Der Projektstrukturplan (PSP) 142 Definition von Arbeitspaketen 147 Projektablaufplan 149 Terminplan mit dem Balkenplan 151 Ressourcen-und Kapazitätenplanung 153 Kostenplanung 156 Personalplanung 163 Der Netzplan inklusive kritischer Pfad 165 Beispiel kritischer Pfad 172 Kapitel 11: Der Kick-off 185 Wieso ist der offizielle Projektstart so bedeutend? 186 Die drei Ebenen eines Kick-offs 188 Die Teilnehmer 190 Vorbereitung 191 Präsentation der Teilprojektplanung 191 Rollen und Verantwortlichkeiten 194 RASIC Chart 194 Der wichtigste Unterschied bei Projektbeginn: Ein Team entsteht 196 Team-Building- Prozesse 196 Darum ist der Kick-off so wichtig: Das Wichtigste zum Schluss 199 Darum sind Rollen, Verantwortung und Zuständigkeiten zu wichtig 200 Teil IV: Durchführung und Abschluss 203 Kapitel 12: Die Durchführungsphase: Überwachen und Steuern der Projektausführung 205 Änderungsmanagement 206 Nachforderungsmanagement (Claim Management) 208 Projekt-Controlling 209 Earned-Value- Analyse: Der Fertigstellungswert 211 Meilensteintrendanalyse 215 Fortschrittsbericht/Statusreporting 219 Termin-und Kostenkontrolle 225 Kapitel 13: Zum Schluss: Lessons Learned – Was haben wir gelernt 229 Geld zu verschenken? – Warum Lessons Learned so wichtig sind 229 Die richtigen Fragen stellen 230 Die Frage aller Fragen 231 Teil V: Parallele Planungsprozesse (für alle Projektphasen) 233 Kapitel 14: Risikomanagement (Risk Assessment) 235 Was sind Risiken 236 Darum ist Risikomanagement so wichtig 237 So funktioniert Risikomanagement 238 Planung des Risikomanagements 240 Risikowahrscheinlichkeit und Risikoauswirkung 240 Risikoidentifikation 242 Verschiedene Arten von Risiken 242 Risikoidentifikation: Techniken, Werkzeuge und Methoden 244 Checklisten sind die wichtigsten Hilfsmittel 246 Werkzeuge und Methoden bei der Identifikation der Risiken 246 Risikoanalyse: Qualitative und quantitative Bewertung 248 Risikobewertungen messbar machen 250 Risiko bewältigen: (Gegen-) Maßnahmen planen 251 Risiko akzeptieren 252 Risiko übertragen 253 Risiko begrenzen und limitieren 253 Risiko vermindern und lindern 254 Risiko vermeiden – verhindern – korrigieren 255 Risikoüberwachung und Risikosteuerung 256 Risikoüberwachung nennt man Risiko-Controlling 256 Das ist Risiko-Controlling 257 Kapitel 15: Stakeholdermanagement 259 Stakeholdermanagement betrifft jeden Projektmitarbeiter 260 Stakeholder identifizieren 262 Stakeholder-Analyse 263 Einfluss des Stakeholders auf das Projekt 264 Betroffenheit der Stakeholder durch das Projekt 264 Stakeholder bewältigen 265 Kommunikationsplan 265 Das sind die Fragen für jedes Projekt 267 Der wichtigste Stakeholder 267 Kapitel 16: Kommunikationsmanagement 269 Größe des Projektteams ist entscheidend 270 Abteilung/Klassische Linienorganisation 270 Projektorganisation 270 Unterschiedliche Kommunikation nach innen und außen 272 Grundlagen der Kommunikation 272 Der Ingenieur hat es doch gleich gewusst 273 Möglichkeiten der Kommunikation 273 Persönliche Kommunikation 274 Verschiedene Ebenen bei der Kommunikation 275 Teil VI: Der Faktor Mensch 277 Kapitel 17: Psychologie und Motivation in Projekten 279 Psychologie in Projekten: Die Kontrolltheorie 280 Erklärbarkeit – Vorhersehbarkeit – Beeinflussbarkeit 281 Sie wollen Blockaden verhindern 282 Motivation in Projekten 283 Persönlichkeitspsychologie 284 Kurze Entwicklungsgeschichte der Persönlichkeitspsychologie 284 State of the Art der Persönlichkeitspsychologie 285 Attributionstheorie 286 Intrinsische und extrinsische Motivation 288 Intrinsische und extrinsische Motivation bei Projekten 290 Motivation durch Belohnung und Incentives 292 Die Selbstbestimmungstheorie der Motivation 292 Faktoren der intrinsischen Motivation 293 Wie können Projektmitglieder motiviert werden? 294 Soziale Eingebundenheit steht ganz oben 295 Das erweiterte kognitive Motivationsmodell 296 Die Handlung-Ergebnis- Erwartung 298 Die Situation-Ergebnis- Erwartung 299 Die Situation-Handlung- Erwartung 299 Ergebnis-Folge- Erwartung 300 Wozu brauchen wir (Projekt-) Gruppen überhaupt? 300 Gruppen erhöhen unserer Produktivität 302 Was macht Gruppen und Teams erfolgreich 303 Kapitel 18: So helfen Computer dem Menschen im Projekt 305 Projektmanagement-Software 306 So hilft Excel bei der Projektplanung 306 I love Excel – Vorteile von Excel 307 Nachteile von Excel 308 Was Excel für Sie bei der Projektdurchführung bereithält 308 Es gibt mehr als Excel: Welche anderen Programme Ihnen helfen können 310 Teil VII: Agiles Projektmanagement 311 Kapitel 19: Agiles Projektmanagement für technische Projekte 313 Kurz erklärt: Das ist agiles Projektmanagement 315 Hauptunterschiede klassisch vs agil 315 Ein Sprint taktet Ihre Produktablieferung 317 Der Scrum Master sorgt für einen reibungslosen Ablauf 318 Die einzelnen Scrum-Rollen 320 Der Product Owner 321 Der Scrum Master 322 Das Entwicklerteam 322 Die Führung 323 Der Kunde 323 Die einzelnen Scrum-Meetings 323 Das Daily Scrum Meeting 324 Das Sprint Planning Meeting 325 Das Sprint Review Meeting 328 Die Sprint-Retrospektive 329 Die User Story 330 Beispiele für User Stories: 331 Übersetzungen: Klassisch – agil 332 Teil VIII: Der Top-Ten- Teil 335 Kapitel 20: Zehn Gründe für den Misserfolg von Projekten kennen und vermeiden 337 Unklar formulierte Projektziele oder Projektauftrag nicht klar formuliert 337 Schlechtes Projektmanagement/schlechte Projektplanung 338 Schlechte (ungenügende) Kommunikation 338 Knappheit bei Projektengpässen – mangelnde Zeit, Kapazitäten und Ressourcen 339 Unterschätzung der (technischen) Komplexität – Kosten, Zeit und Kapazitäten 340 Unzureichendes Risikomanagement 340 Mangelndes Controlling 341 Fehlende Qualifikation der Projektmitarbeiter 341 Ignorieren der Erfahrung aus früheren Projekten 342 Mangelnde Unterstützung durch das (Top-) Management 342 Abbildungsverzeichnis 345 Stichwortverzeichnis 349

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Book SynopsisA comprehensive resource for new and veteran researchers in the field of self-assembling and functional materials In Functional Materials from Colloidal Self-assembly, a pair of distinguished researchers delivers a thorough overview of how the colloidal self-assembly approach can enable the design and fabrication of several functional materials and devices. Among other topics, the book explores the foundations of self-assembly in different systems, nucleation, the growth of nanoparticles, self-assembly of colloidal microspheres for photonic crystals and devices, and the self-assembly of amphiphilic molecules as a template for mesoporous materials. The authors also discuss the self-assembly of biomolecules, superstructures from self-assembly, architectures from self-assembly, and the applications of self-assembled nanostructures. Functional Materials from Colloidal Self-assembly provides a balanced approach to the theoretical background and applications of the subject, offering sound guidance to both experienced and early-career researchers. The book also delivers: A thorough introduction to the fundamentals of colloids, including the theory of nucleation and the growth of colloidal particles Comprehensive explorations of mechanisms and strategies for the self-assembly of colloidal particles, including DNA-mediated colloidal self-assembly Practical discussions of characterization techniques for self-assembled colloidal structures, including electron microscopy techniques and X-ray techniques In-depth examinations of biological and biomedical materials, including tissue engineering, drug loading and release, and biodetection Perfect for materials scientists, inorganic chemists, and catalytic chemists, Functional Materials from Colloidal Self-assembly is also a must-read reference for biochemists and surface chemists seeking a one-stop resource on self-assembling and functional materials.Table of ContentsPART I INTRODUCTION PART II FUNDAMENTALS of COLLOIDS 1 Theory of nucleation and growth of colloidal particles 2 Stability of colloidal particles 3 Synthesis and characterization of colloidal particles PART III SELF-ASSEMBLY of COLLOIDAL PARTICLES: MECHANISMS AND STRATEGIES 4 Assembly mechanism of colloidal particles in solution 5 Self-assembly of spherical colloidal particles 6 Self-assembly of non-spherical colloidal particles 7 DNA mediated colloidal self-assembly PART IV CHARACTERIZATION TECHNIQUES of SELF-ASSEMBLED COLLOIDAL STRUCTURES 8 Electron microscopy techniques 9 X-ray techniques (SAXS, GISAXS, XPCS, coherent diffraction imaging) 10 High-resolution spectromicroscopy such as confocal laser scanning microscope 11 Others (Dynamic light scattering and Electrophoresis) PART V BIOLOGICAL AND BIOMEDICAL MATERIALS 12 Tissue engineering 13 Drug loading and release 14 Biodetection 15 Electrochemical biosensing PART VI PHOTONIC MATERIALS 16 Surface plasmonic structures 17 Photonic crystals 18 Photonic glass 19 Green printing 20 Structural color PART VII ELECTRONIC MATERIALS 21 Carbon quantum dots 22 Display panel (LED light output enhancement) PART VIII CATALYTIC AND ADSORPTIVE MATERIALS 23 Nanocatalysis 24 MOFs for electrocatalysis 25 Macroporous materials from self-assembled templates for catalytic and adsorptive applications PART IX SUSTAINABLE ENERGY STORAGE MATERIALS 26 Rechargeable batteries 27 Electrochemical capacitors 28 Solar cells PART X SENSORS 29 Gas sensors 30 Liquid sensors (humidity, glucose, pH and Ionic strength, metal ions) PART XI CONCLUDING REMARKS

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Book SynopsisTribologie, Korrosion, Konstruktion und Werkstofftechnik sind Wissensbereiche, die sich zunächst parallel entwickelt haben. Das gleiche gilt für die verschiedenen Verfahren der Oberflächentechnik. Heute wird es zunehmend wichtiger, interdisziplinäre Ansätze zu finden, um die Problemstellungen der Zukunft, wie z.B. Umweltschutz oder Ressourcenschonung, gemeinsam zu lösen. Das Buch verfolgt den Ansatz, diese Wissensbereiche zu verknüpfen. Es beginnt mit einer Beschreibung technischer Oberflächen hinsichtlich chemischer Zusammensetzung und geometrischer Struktur. Technische Systeme des Maschinenbaus (Bauteile oder Werkzeuge) sind Umgebungseinflüssen (Druck, Chemie, Temperatur) ausgesetzt, die zu Oberflächenschäden durch Verschleiß und Korrosion führen können. Um Oberflächen davor zu schützen, müssen die Grundlagen der Tribologie (Lehre von Reibung und Verschleiß) und Korrosion zunächst verstanden sein, weshalb die wichtigsten Begriffe und Definitionen zu Beginn des Buches beschrieben werden. Schwerpunkt des Buches ist die Behandlung der Verfahren der Oberflächentechnik, die im Maschinenbau Anwendung finden. Jedes Verfahren wird hinsichtlich Beschichtungsprozess, Anlagentechnik, Schichtwerkstoffen, typischen Schichtdicken, Beschichtungstemperaturen und Schichtwerkstoffen beschrieben und anhand von Anwendungsbeispielen vorgestellt. Wesentliches Element der Oberflächentechnik ist die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe oder Werkstoffeigenschaften, um Volumen- und Oberflächeneigenschaften getrennt voneinander entsprechend der Anwendung optimieren zu können. Daher ist abschließend eine sehr kurze Einteilung wichtiger Werkstoffe gegeben (Metalle, Keramiken, Polymere). Die Kombination aus Tribologie, Korrosion, Verfahren der Oberflächentechnik und Werkstoffkunde ermöglicht eine strukturierte Herangehensweise bei der Auslegung von Oberflächen.Trade Review"Die Sprache ist größtenteils umgänglich gewählt. Die Erklärungen sind gut aufgebaut und strukturiert, es ist der Autorin gelungen, das Buch lebendig zu gestalten." Chemie und Schule (4-2015) "Das Buch [...] überzeugt durch seinen interdisziplinären Ansatz." Konstruktion (01.03.2014) "anschaulich und übersichtlich gestaltet" dihw Magazin - Diamant Hochleistungswerkzeuge (4/2013, 01.12.2013) "wissenschaftlich fundiert und aktuell" literaturschau stahl + eisen (22.10.2013) "detailliert und didaktisch" GIESSEREI RUNDSCHAU (10/2013, 01.09.2013) "eine gute Übersicht" F & S Filtrieren und Separieren (4/2013, 01.09.2013) "didaktisch hervorragend aufgebaut" Werkstoffe in der Fertigung (4/2013, 27.08.2013) "der gelungene Versuch, verschiedene Disziplinen, die sich mit Oberflächentechnik befassen, zu verknüpfen" ZfP-Zeitung (Nr. 135, 01.06.2013)Table of ContentsLateinische Formelzeichen xi Griechische Formelzeichen xv Konstanten xvii Abkürzungsverzeichnis xix 1 Einführung in die Oberflächentechnik 1 1.1 Technische Oberflächen 2 1.1.1 Benetzung von Festkörperoberflächen durch Flüssigkeiten 7 1.1.2 Haftungsmechanismen zwischen Schicht und Grundwerkstoff 9 1.2 Funktionen von Oberflächen 12 1.3 Methodischer Ansatz zur Entwicklung beschichteter Produkte 15 1.4 Verfahren der Oberflächentechnik 17 2 Tribologie 23 2.1 Das tribologische System 24 2.1.1 Tribokontaktfläche 27 2.1.2 Die tribologische Beanspruchung 28 2.2 Reibung 32 2.2.1 Reibungszustände 33 2.2.2 Reibungsarten 36 2.3 Verschleiß 38 2.3.1 Verschleißmechanismen 39 2.3.1.1 Adhäsion 39 2.3.1.2 Tribochemische Reaktionen 41 2.3.1.3 Abrasion 42 2.3.1.4 Oberflächenzerrüttung 44 2.3.2 Verschleißarten 46 2.4 Schmierung 46 2.4.1 Flüssigschmierstoffe 48 2.4.2 Schmierfette 50 2.4.3 Additive 50 2.4.4 Festschmierstoffe 52 2.4.4.1 Festschmierstoffe mit Schichtgitterstruktur 54 2.4.4.2 Festschmierstoffe auf Basis von Oxiden, Fluoriden und Sulfaten 57 2.4.4.3 Festschmierstoffe auf Basis von Weichmetallen 58 2.4.4.4 Festschmierstoffe auf Basis von Polymeren 58 2.5 Tribologische Prüfung 59 2.5.1 Verschleißmessgrößen 59 2.5.2 Tribologische Prüfmethoden 60 3 Korrosion 65 3.1 Elektrochemische Korrosion 69 3.1.1 Elektrochemische Reaktionen 69 3.1.2 Deckschichtbildung (Passivität) 76 3.1.3 Erscheinungsformen der elektrochemischen Korrosion 78 3.1.3.1 Gleichmäßige Korrosion 79 3.1.3.2 Örtliche Korrosion ohne mechanische Belastung 80 3.1.3.3 Örtliche Korrosion mit mechanischer Belastung 88 3.1.4 Korrosionsschutzmaßnahmen bei elektrochemischer Korrosion 92 3.1.4.1 Aktiver Korrosionsschutz 93 3.1.4.2 Passiver Korrosionsschutz 96 3.2 Hochtemperaturkorrosion 97 3.2.1 Thermodynamische Grundlagen der Oxidation 98 3.2.2 Kinetische Grundlagen der Oxidation 101 3.2.2.1 Diffusion 102 3.2.2.2 Metalldiffusion und Sauerstoffdiffusion in Oxidschichten 107 3.2.2.3 Zeitgesetze der Oxidation 109 3.2.3 Besonderheiten der Aufkohlung, Aufstickung, Aufschwefelung 113 3.2.4 Heißgaskorrosion 114 3.2.4.1 Niedertemperatur-Heißgaskorrosion (Typ II) 116 3.2.4.2 Hochtemperatur-Heißgaskorrosion (Typ I) 117 3.2.4.3 Chlorinduzierte Heißgaskorrosion 118 3.2.5 Korrosionsschutzmaßnahmen zur Hochtemperaturkorrosion 120 3.3 Metallphysikalische Korrosion 125 4 Elektrochemische Metallabscheidung 131 4.1 Thermodynamische Grundlagen der Elektrochemie 134 4.2 Kinetische Grundlagen der Elektrochemie 139 4.3 Galvanische Metallabscheidung 143 4.4 Chemische Metallabscheidung 147 4.4.1 Ionenaustauschverfahren (Tauchverfahren) 148 4.4.2 Kontaktverfahren 148 4.4.3 Reduktionsverfahren 149 4.5 Schichtsysteme der elektrochemischen Metallabscheidung 150 4.5.1 Chromschichten 151 4.5.2 Nickelschichten 154 4.5.3 Dispersionsschichten 156 5 Konversionsverfahren 159 5.1 Anodisieren 160 5.2 Phosphatieren 165 5.3 Chromatieren 169 5.4 Vergleich des Chromatierens und Phosphatierens 172 5.5 Brünieren 173 6 Thermochemische Diffusionsverfahren 177 6.1 Carburieren (Einsatzhärten) 179 6.2 Nitrieren 182 6.3 Nitrocarburieren 190 6.4 Borieren 192 6.5 Chromieren 195 6.6 Alitieren 197 6.7 Silizieren 201 6.8 Sheradisieren 202 7 Physical Vapor Deposition (PVD) 207 7.1 Erzeugen der Gasphase / des Plasmas 209 7.2 Teilchentransport 214 7.3 Kondensation – Schichtwachstum 215 7.4 PVD-Verfahren 219 7.4.1 Kathodenzerstäuben (MSIP – Magnetron Sputter Ion Plating) 221 7.4.2 Lichtbogenverdampfen (AIP – Arc Ion Plating) 223 7.4.3 Niedervoltbogenentladung (NVB) 224 7.4.4 Elektronenstrahlverdampfen (EB – Electron Beam) 225 7.5 PVD-Werkzeugbeschichtung 226 7.6 PVD-Bauteilbeschichtung 228 7.7 PVD-Wärmedämmschichten 230 8 Chemical Vapor Deposition (CVD) 235 8.1 Thermodynamik der chemischen Reaktion 237 8.2 Reaktionschemie 240 8.3 Kinetik der Schichtabscheidung 243 8.4 CVD-Verfahren 245 8.4.1 Hochtemperatur-CVD 247 8.4.2 Plasma-CVD 248 8.4.3 Hot-Filament-CVD-Verfahren 250 8.5 CVD-Werkzeugbeschichtung 252 8.6 CVD-Bauteilbeschichtung 254 9 Sol-Gel-Deposition 257 9.1 Das Sol als Ausgangswerkstoff 258 9.2 Der Sol-Gel-Übergang 258 9.2.1 Partikuläre Sole und Gele 258 9.2.2 Nasschemische Sol-Gel-Bildungssysteme 259 9.3 Beschichtungen mit Sol-Gel-Verfahren 261 9.4 Anwendungsbeispiele für Sol-Gel-Beschichtungen 263 10 Schmelztauchverfahren 265 10.1 Feuerverzinken 267 10.1.1 Deckschichtbildung beim Feuerverzinken 269 10.1.2 Diskontinuierliche Verfahren der Feuerverzinkung 272 10.1.3 Kontinuierliche Verfahren der Feuerverzinkung 275 10.1.4 Korrosionsschutz durch Feuerverzinken 281 10.2 Feueraluminieren 286 10.3 Feuerverzinnen 288 10.4 Feuerverbleien 289 11 Thermisches Spritzen 293 11.1 Verfahrensprinzip des Thermischen Spritzens 294 11.2 Schichtbildung beim Thermischen Spritzen 296 11.3 Schichthaftung thermisch gespritzter Schichten 299 11.4 Verfahren des Thermischen Spritzens 301 11.4.1 Flammspritzen 302 11.4.2 Hochgeschwindigkeitsflammspritzen 304 11.4.3 Kaltgasspritzen 308 11.4.4 Lichtbogenspritzen 310 11.4.5 Plasmaspritzen 312 11.5 Schichtwerkstoffe und Anwendungsbeispiele des Thermischen Spritzens 316 12 Löten 323 12.1 Grundlagen des Lötens 324 12.2 Einteilung der Lötverfahren und Lotwerkstoffe 328 12.3 Auftraglöten von Hartstoff-Hartlot-Verbundsystemen 332 12.3.1 Suspensionsverfahren zum Auftraglöten 332 12.3.2 Vliesverfahren zum Auftraglöten 334 12.4 Auflöten von Panzerungen 337 12.4.1 Löten metallisierter Keramiken 338 12.4.2 Aktivlöten von Keramikwerkstoffen 339 12.4.3 Löten von Hartmetall 340 12.4.4 Anwendungsbeispiele für aufgelötete Panzerungen 341 13 Auftragschweißen 345 13.1 Werkstoffverbunde durch Auftragschweißen 346 13.2 Verfahren des Auftragschweißens 347 13.3 Schichtwerkstoffe und Anwendungsbeispiele des Auftragschweißens 352 14 Plattieren 355 14.1 Kaltwalzplattieren 358 14.2 Warmwalzplattieren 361 14.3 Sprengplattieren 363 15 Werkstoffe 367 15.1 Grundlagen der Materialkunde 368 15.1.1 Beeinflussung von Festigkeitseigenschaften 369 15.1.2 Beeinflussung des Werkstoffverhaltens bei erhöhten Temperaturen 373 15.1.2.1 Diffusion 373 15.1.2.2 Erholung, Rekristallisation und Kornwachstum 374 15.1.2.3 Kriechen und Spannungsrelaxation 374 15.1.2.4 Warmfestigkeit und thermomechanische Ermüdung 376 15.2 Metallische Werkstoffe 378 15.2.1 Leichtmetalle 379 15.2.1.1 Aluminium und Aluminiumlegierungen 380 15.2.1.2 Magnesium und Magnesiumlegierungen 383 15.2.1.3 Titan und Titanlegierungen 386 15.2.2 Kupfer und Kupferlegierungen 389 15.2.3 Eisen und Eisenlegierungen 391 15.2.3.1 Gusseisen 392 15.2.3.2 Stahl 394 15.2.4 Hartlegierungen 399 15.2.5 Superlegierungen 402 15.2.6 Refraktärmetalle 404 15.2.7 Intermetallische Verbindungen 406 15.3 Nichtmetallische anorganische Werkstoffe 409 15.3.1 Aufbau von Hartstoffen 409 15.3.2 Ingenieurkeramik 411 15.3.2.1 Oxidkeramiken 412 15.3.2.2 Nichtoxidkeramik 412 15.3.2.3 Silikatkeramik 413 15.4 Organische Werkstoffe 413 15.4.1 Thermoplaste 415 15.4.2 Duroplaste 416 15.4.3 Elastomere 417 15.5 Verbundwerkstoffe 418 15.5.1 Polymer-Matrix-Composite (PMC) 420 15.5.2 Ceramic-Matrix-Composite (CMC) 420 15.5.3 Metal-Matrix-Composite (MMC) 421 15.5.3.1 mmc für den Leichtbau 422 15.5.3.2 mmc für maximale Verschleißbeständigkeit 424 Stichwortverzeichnis 431

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Book SynopsisJoghurtbecher, Frischhaltefolien, Plastikbeutel, Parkbänke, Wärmedämmungs- und Verpackungsmaterialien und, und, und ... ohne Kunststoffe geht es in unserem Alltag nicht! Georg Schwedt, erfolgreicher Sach- und Lehrbuchautor, präsentiert ein neues und in seiner Thematik einzigartiges Experimente-Buch. Seit mehreren Jahrzehnten wirbt Georg Schwedt für die Chemie. Den Aufbau und Betrieb mehrerer Mitmachlabors hat er maßgeblich initiiert und mitgestaltet - die daraus gewonnene Erfahrung fließt auch in die Gestaltung jedes der mehr als 70 Experimente ein. Wie in seinen anderen Experimentierbüchern sind die Materialien - die Palette reicht von Biopolymeren bis zu vollsynthetischen Kunststoffen - problemlos zu besorgen und die Untersuchungen sind ungefährlich und einfach nachzuvollziehen. Wie kann man das Material eines Joghurtbechers von dem eines Zahnputzbechers unterscheiden? Was kann man mit dem Superabsorber einer Babywindel so alles Sinnvolles anstellen? Nach der Lektüre dieses Buches wissen Sie mehr! Und den Spaß beim lehrreichen Experimentieren gibt es kostenlos dazu! Ein Buch für Lehrer und Schüler der Mittel- und Oberstufe, Dozenten, Studenten und überhaupt für Alle an Chemie Interessierte.Trade Review"Alles in allem kann dieses Buch jedoch allen Lehrenden und Lernenden als Anregung empfohlen werden, um entsprechende Kenntnisse zur Thematik Kunststoffe zu vertiefen und zu erweitern." Lebensmittelchemiker-Mitteilungen (01.03.2014) "Das in seiner Thematik einzigartige Buch richtet sich an Lehrer und Schüler der Mittel- bis Oberstufe, Dozenten, Studenten und überhaupt an alle Chemieinteressierten." DG-Kunststoffgeschichte.de (17.02.2014) ?Die Einführung beim jeweiligen Kunststoff, mit historischen Hintergründen, sowie Informationen über die Herstellung, Eigenschaften und Verwendung ist kompakt, jedoch sehr informativ gestaltet.? Chemie & Schule (01.02.2014) "Und den Spaß beim Experimentieren gibt es, wie immer bei Georg Schwedts Büchern gratis dazu." Metall (12.12.2013) "Ein einzigartiges Lehrbuch" Konstruktion (01.11.2013) "Dieses Buch ist für jede Lehrkraft [...] ein Muss." Unterricht Chemie (6/2013, 30.11.2013) "ein einzigartiges Lehrbuch" Konstruktion (11-12/2013, 27.11.2013) "interessante Exkurse zur Geschichte der Kunststoff- und Kunststoffprodukte-Herstellung" Kunststoffe (7/2013, 01.07.2013) "Gleichsam lehrreich und unterhaltend!" ekz Bibliotheksservice (29.07.2013)Table of ContentsVorwort Vorwort IX 1 Einführung 1 1.1 Ausgewählte Daten aus der Geschichte der Kunststoffe 1 Exkurs: Kunststoffgeschichte im Museum für Stadt- und Industriemuseum in Troisdorf 2 1.2 Zur Systematik der Kunststoffe, deren Strukturen sowie Eigenschaften 5 1.3 Materialien für die Experimente 9 2 Allgemeine physikalisch-chemische Eigenschaften 11 2.1 Dichte 12 EXPERIMENT: Dichte-Vergleich von Kunststoffmaterialien 13 2.2 Lösemittel-Beständigkeit 14 EXPERIMENT: Verhalten verschiedener Kunststoffe beim Kontakt mit Lösemitteln 14 2.3 Wärmeleitfähigkeit 15 EXPERIMENT: Versuche zur Wärmeleitfähigkeit 17 2.4 Kunststoffe im Heißluftstrom 18 EXPERIMENT: Versuche mit der Heißluftpistole 20 2.5 Brennbarkeit 21 EXPERIMENT: Untersuchung verschiedener Kunststoffe auf Brennbarkeit 21 2.6 Saugfähigkeit spezieller Polymere 23 EXPERIMENT: Untersuchung der Saugfähigkeit einiger Kunststoffe 23 3 Experimente mit speziellen Biokunststoffen 25 3.1 Modifizierte Biopolymere – Pergamentpapier und Cellophan 25 EXPERIMENT: Prüfung auf Wasserdichtigkeit bzw. Veränderungen durch Wasser – im Vergleich zu Polyethylen 29 EXPERIMENT: Prüfung auf Fettdichtigkeit bzw. Verhalten gegenüber Öl 30 EXPERIMENT: Spezielle Versuche mit dem Cellophan 31 3.2 Galalith aus Magermilch 32 EXPERIMENT: Galalith, Variante 1 – Aus Milch wird Plastik 34 EXPERIMENT: Galalith, Variante 2 – Ein Bio-Kunststoff 35 EXPERIMENT: Galalith, Variante 3: „Knöpfe aus Milch“ 36 EXPERIMENT: Galalith, Variante 4a: „Kunststoff aus Milch“ 38 EXPERIMENT: Galalith, Variante 4b 38 EXPERIMENT: Untersuchung von Knöpfen oder Stricknadeln auf Galalith 39 3.3 Stärkopor und Folien aus Stärke 40 EXPERIMENT: Stärkopor 41 EXPERIMENT: Folien aus Stärke, Variante 1 42 EXPERIMENT: Folien aus Stärke, Variante 2 42 EXPERIMENT: Geschäumte Stärke 43 3.4 Polyester aus Sorbit und Citronensäure 44 EXPERIMENT: Polymer aus Sorbit und Citronensäure 44 EXPERIMENT: Biopolymer-Blend 45 3.5 Gummi – aus Kautschuk oder synthetisch? 46 3.5.1 Radiergummis 47 EXPERIMENT: Experimente mit Radiergummis 48 3.5.2 Gummiringe 49 EXPERIMENT: Eigenschaften eines roten Gummibands (-rings) 50 3.5.3 Gummihandschuhe 51 EXPERIMENT: Eigenschaften von Gummihandschuhen 51 3.5.4 Luftballon 52 EXPERIMENT: Nachweis von Proteinen im Luftballon 53 EXPERIMENT: Brennprobe bei Luftballons 53 3.5.5 Gummistiefel 54 EXPERIMENT: Eigenschaften eines Gummistiefels 55 3.5.6 Kaugummi 56 EXPERIMENT: Versuche mit Kaugummi 57 3.6 Schwämme aus Viskose 58 EXPERIMENT: Vergleich der Saugfähigkeit von Schwämmen 60 EXPERIMENT: Brennprobe bei Schwämmen 60 4 Experimente mit vollsynthetischen Kunststoffen 63 4.1 Massen-Kunststoffe – Überblick und Synthesen 63 4.1.1 Polyethylen und Polyproylen 63 Exkurs: Polyethylen und Polypropylen aus Wesseling am Rhein 66 4.1.2 Polyvinylchlorid (PVC) 71 4.1.3 Polyethylenterephthalat (PET) 71 4.1.4 Polystyrol, Polycarbonate, Polyurethane, Polyamide und Polymethylmethacrylate 72 4.2 Verfahren der Kunststoff-Verarbeitung 74 4.3 Massen-Kunststoffe: PE/PP, PET, PVC und PS 77 4.3.1 Allgemeine Untersuchungen 77 EXPERIMENT: Dichte von Massen-Kunststoffen 77 EXPERIMENT: Thermisches Verhalten von Massen-Kunststoffen 79 EXPERIMENT: Brennbarkeit von Massen-Kunststoffen 79 EXPERIMENT: Lösemittel-Beständigkeit von Massen-Kunststoffen 80 4.3.2 PS (Polystyrol) 80 EXPERIMENT: Thermische Stabilität von Polystyrol 81 EXPERIMENT: Lösemittel-Beständigkeit von Polystyrol 82 EXPERIMENT: Expandiertes Polystyrol schäumen 83 EXPERIMENT: Expandiertes Polystyrol in siedendem Wasser 84 EXPERIMENT: Eigenschaften von Schaum-Polystyrol 86 4.3.3 PVC (Polyvinylchlorid) 87 EXPERIMENT: Brennprobe an PVC-Stäbchen 88 EXPERIMENT: Erwärmen von PVC-Stäbchen im heißen Wasser 88 EXPERIMENT: Erhitzen von PVC-Stäbchen im Heißluftstrom 89 EXPERIMENT: Zersetzung von PVC-Stäbchen 90 EXPERIMENT: Lösemittelbeständigkeit von PVC-Stäbchen 90 4.4 Technische Kunststoffe 91 4.4.1 PA (Polyamide) 91 EXPERIMENT: Thermisches Verhalten von Polyamiden 91 4.4.2 PMMA (Plexiglas) 93 EXPERIMENT: Thermische Stabilität von Plexiglas 94 EXPERIMENT: Lösemittelbeständigkeit von Plexiglas 95 5 Experimente mit speziellen Kunststoff-Produkten 97 5.1 Superabsorber 97 EXPERIMENT: Saugfähigkeit einer Babywindel 99 EXPERIMENT: Absorption von Leitungswasser durch Superabsorber 100 EXPERIMENT: Versuchsreihe zur Absorption von destilliertem und salzhaltigem Wasser durch Superabsorber 101 5.2 Joghurtbecher 103 EXPERIMENT: Vergleich durchsichtiger (klarer) und weißer Joghurtbecher 104 EXPERIMENT: Thermische Stabilität der Polyethylen-Varianten 106 5.3 Tischtennisball 107 EXPERIMENT: Eigenschaften eines Tischtennisballs 109 EXPERIMENT: Verhalten von Celluloid in heißem Wasser 113 EXPERIMENT: Brennbarkeit von Celluloid 114 5.4 Basotect®-Schmutzradierer 115 EXPERIMENT: Basiseigenschaften von Basotect® in Wasser 115 EXPERIMENT: Versuchsreihe zur Saugfähigkeit von Basotect® 117 EXPERIMENT: Trocknen eines Basotect®-Schwammes 118 EXPERIMENT: Basotect® und die Spiritusflamme 119 EXPERIMENT: Der „Schaumeffekt“ im Experiment 120 EXPERIMENT: Verwendung als Wasser-Radiergummi 121 5.5 Folien 122 EXPERIMENT: Versuche mit Folien 123 5.6 PET-Flaschen 124 EXPERIMENT: PET-Flasche im Heißluftstrom 125 EXPERIMENT: Brennprobe mit PET 125 EXPERIMENT: Lösemittel-Beständigkeit von PET 126 5.7 Kunststoffkorken und andere Flaschenverschlüsse 127 EXPERIMENT: Korken in soda-alkalischer Lösung 129 EXPERIMENT: Korken in Spiritus 129 EXPERIMENT: Nachweis von Chlor in PVC- bzw. PVdC-Dichtungen 130 EXPERIMENT: Kunststoffstopfen im Heißluftstrom 131 EXPERIMENT: Brennprobe mit Korken 131 5.8 Phenolharze: Proben aus dem Bakelit-Museum Kierspe 132 EXPERIMENT: Thermisches Verhalten von Phenolharz 136 5.9 Plastik-Geschirr für das Picknick 137 EXPERIMENT: Versuche mit Plastikgeschirr 140 5.10 SAN: Messbecher für die Küche 141 EXPERIMENT: Vergleich zweier Messbecher aus PS und SAN 142 5.11 Die CD und ihre Hülle 143 EXPERIMENT: Thermisches Verhalten der CD und ihrer Hülle 144 5.12 Perlmutt-Imitate für Knöpfe und Plektren für Zupfinstrumente 146 EXPERIMENT: Knöpfe aus echtem oder synthetischem Perlmutt? 147 5.13 Kunststoffmaterialien aus dem Baumarkt 148 EXPERIMENT: Identifizierung von Kunststoffmaterialien 150 Literatur 153 Index 155

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