Corrosion and tribocorrosion characterisation of Ti13Nb13Zr alloy in oral environment for dental implants

Ageing of the population together with the increase of life’s quality in developed societies, has lead to a change of population needs from the health point of view. Dentist placing dentures are increasingly fewer, since the large development in oral implantology has attributed a sign of quality and durability to dental implants. However, the exigency level and product life tend to increase, which attracts attention to the development of more durable materials and surfaces and more compatible, from mechanical and biological viewpoint. In this thesis dissertation, a promising alloy in the area of oral implantology has been characterised. Ti13Nb13Zr alloy has not only a much many similar mechanical properties comparing to the bone, but it also has biocompatible alloying elements. Corrosion and tribocorrosion characterisation of the alloy has been carried out to study the mechanical request due to mastication events in an aggressive environment such as saliva. Results were very similar to the widely used materials, i.e. commercially pure titanium, which converts Ti13Nb13Zr alloy in candidate material for oral implantology applications. Two different ways have also been studied to enhance metal protection. On the one hand, the addition of corrosion inhibitors through mouth-rinses, an innovative faith that could became an essential accessory to control corrosion and alloy degradation. On the other, thermal oxidation of Ti13Nb13Zr, a cost effective thermal treatment, that has shown to reduce the degradation rate in more than a 200 %.El continuo envejecimiento de la población, junto con el incremento de la calidad de vida en las sociedades desarrolladas, han llevado a un cambio en cuanto a necesidades del ciudadano desde el punto de vista de salud. Cada vez menos dentistas ponen dentaduras en sus pacientes edéntulos. El rápido desarrollo en el área de implantología oral, hace que un implante dental se haya convertido en seña de calidad y durabilidad. Sin embargo, las exigencias y la vida de los productos tiende a incrementarse, lo que llama al desarrollo de materiales y superficies más duraderas y más compatibles, tanto mecánica como biologicamente. En esta tesis doctoral se ha caracterizado una prometedora aleación en el campo de la implantología oral. El Ti13Nb13Zr no solo ofrece unas propiedades mecánicas mucho más similares a las del hueso, sino que sus aleantes también son biocompatibles. La caracterización se ha llevado a cabo desde el punto de vista de corrosión y tribocorrosión, solicitaciones que inevitablemente van a tener lugar en el entorno oral debido a los eventos de masticación en un entorno agresivo como es la saliva. Los resultados obtenidos has sido muy similares a los del material más utilizado en la actualidad, el titanio comercialmente puro, lo que convierte a la aleación Ti13Nb13Zr en material candidato para aplicaciones de implantología oral. También se han estudiado dos vías para mejorar la protección de la aleación. Por un lado la aplicación de inhibidores de corrosión a través de enjuagues bucales, una apuesta innovadora que podría convertirse en accesorio indispensable para controlar la corrosión y degradación de la aleación. Por otro lado, la oxidación térmica del Ti13Nb13Zr, un tratamiento térmico de bajo coste, mediante el cuál se ha conseguido reducir la velocidad del desgaste en más de un 200 %.Osasunaren ikuspuntutik, biztanleriaren zahartzeak eta bizitza kalitatearen igoerak biztanleriaren beharrak aldatzera eraman dituzte. Gero eta dentista gutxiagok hortzordeak jartzen dituzte hortzik gabeko pazienteetan. Honen arrazoi nagusia, inplantologia oralaren garapena hortz inplanteetan jarri duen kalitate zeinua eta iraunkortasuna izan da. Hala ere, eskakizun mailek eta produktuaren bizitzak handiagotze joera dute eta materiala edota gainazal iraunkorragoak eta bateragarriagoak, bai mekanikoki eta biologikoki, garatu behar dira. Tesi doktoral honetn, hortz inplanteetan erabiltzeko aleazio berri bat karakterizatu dugu. Ti13Nb13Zr aleazioak hezurrarekiko propietate mekaniko antzekoagoak izateaz gain, aleazio elementu biokonpatibleak ere badauzka. Hortz inplanteek mastikazioa jasan behar dutenez ingurune oldarkor batean (listua), korrosio eta tribokorrosioarekiko karakterizazioa aurrera eraman dugu. Lortutako emaitzak, egun asko erabiltzen den materialaren antzekoak izan dira, CpTi4. Beraz, Ti13Nb13Zr aleazioa inplantologia oralerako material hautagaia bihurtzen da. Are gehiago, materialaren babesa sustatzeko bi alternatiba ikertu dira. Alde batetik, korrosio inhibitzaileak listuan gehitzea irakuzketen bidez; apustu interesgarri bat, nahitaezko osagarri batean bihurtu litekeela inplanteen korrosio eta degradazioa kontrolatzeko. Bestalde, oxidazio termikoak Ti13Nb13Zr aleazioan, tratamendu termikoa kostu lehiakorrean, materialearen degradazio abiadura % 200-ean murriztea erakutsi du

Optical phase control for interferomètric Nera-Field optics applications

Projecte final de màster oficial fet en col.laboració amb Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), Universitat de Barcelona (UB), Institut de Ciències Fotòniques (ICFO).English: The interest for studying metallic nanostructures is increasingly attracting to the scientific community. Integrating a near-field microscopy in an heterodyne interferometer, the dynamic properties of light propagation in such structures can be visualize. This project aims to redesign the position control of the mirror used for the delay line in an heterodyne interferometer. We explain the strategy used to built-up the delay-line. We present the results of simulation of the dynamical response and the real implementation.Castellano: El interés por el estudio de nanoestructuras metálicas esa creciendo dentro de la comunidad científica. Integrando un microscopio de campo cercano a un interferómetro heterodino, las propiedades dinámicas de la propagación de la luz en este tipo de estructuras puede ser observado visualmente. El objetivo de este proyecto es redisenyar el control de la posición del espejo usado para la línia de intervalo en un interferómetro heterodino. Explicamos la estrategia utilizada para desarrollar esta línea de intervalo. Además, 'presentamos los resultados de la simulación de la respuesta dinámica y de la implementación real.Català: L'interès per l'estudi de nanoestructures metàl·liques està augmentant a la comunitat científica. Integrant un microscopi de camp proper a un interferòmetre heterodí, les propietats dinàmiques de la propagació de la llum en aquesta mena d'estructures pot ser observat visualment. Aquest projecte té com a objectiu redissenyar el control de posició del mirall utilitzat a la línia d'interval en un interferòmetre heterodí. Nosaltres expliquem l'estratègia utilitzada per desenvolupar aquesta línia d'interval. A més, presentem els resultats de la simulació de la resposta dinàmica i de la implementació real

Functional macroporous iron-phosphorous films by electrodeposition on colloidal crystal templates

Altres ajuts: Oréal-Unesco For Women in Science programme. The authors would like to acknowledge networking support by the COST Action e-MINDS MP1407Pseudo-ordered macroporous iron-phosphorous (Fe-P) films have been electrodeposited potentiostatically from a citrate-sulfate bath onto Au surfaces pre-patterned with a colloidal crystal mask of polystyrene spheres of 350 nm in diameter. The electrolyte contained sodium hypophosphite as the P source, enabling the incorporation of 6-14 at.% P. For comparative purposes, continuous films have been obtained galvanostatically on unpatterned Au surfaces. In both cases, the P content could be varied to a certain extent by adjusting the deposition potential or current density. Tunable microstructure and magnetic response was observed due to the dissimilar chemical composition, with coercivity values being larger in the macroporous films. Additionally, wettability analyses showed that these were more hydrophobic, reaching contact angle values of about 130∘. In spite of their hydrophobic character, the samples were catalytic toward oxygen evolution reaction (OER) in alkaline media. The macroporous Fe-P films showed faster kinetics for OER than their nonporous counterparts. Our results show that electrodeposited porous Fe-P based materials show an interesting combination of properties which make them appealing for applications including water cleaning, soft-magnetic components, or electrocatalytic production of oxygen, to name a fe

Electrodeposition of sizeable and compositionally tunable rhodium-iron nanoparticles and their activity toward hydrogen evolution reaction

Rh-Fe nanoparticles (NPs) with variable Rh/Fe ratios have been obtained by direct current electrodeposition onto Au-metalized Si/Ti substrates from an electrolyte containing Rh(III) and Fe(III) chloride salts. NP mean diameter could be varied in the range of 20-80 nm by playing with the applied current density (-j = 0.5-2 mA cm-2) and deposition times (t = 200-3200 s). NPs were very well adhered to the substrate and became progressively enriched in Fe as the absolute value of the current density increased. X-ray photoelectron spectroscopy analyses revealed that the NPs are mostly metallic. The oxygen signal detected at surface level is relatively high but reduces down to less than 1 at% after 1 min Ar ions sputtering. The as-deposited Rh-Fe NPs are active toward hydrogen evolution reaction in alkaline medium. Different values of the onset potential for water reduction have been observed depending on the j and t values applied for NPs growth. Cycling stability tests reveal that NPs do not suffer from excessive deterioration of their electrocatalytic activity with time

Spontaneous formation of spiral-like patterns with distinct periodic physical properties by confined electrodeposition of Co-In disks

Spatio-temporal patterns are ubiquitous in different areas of materials science and biological systems. However, typically the motifs in these types of systems present a random distribution with many possible different structures. Herein, we demonstrate that controlled spatio-temporal patterns, with reproducible spiral-like shapes, can be obtained by electrodeposition of Co-In alloys inside a confined circular geometry (i.e., in disks commensurate with the typical size of the spatio-temporal features). These patterns are mainly of compositional nature, i.e., with virtually no topographic features. Interestingly, the local changes in composition lead to a periodic modulation of the physical (electric, magnetic and mechanical) properties. Namely, the Co-rich areas show higher saturation magnetization and electrical conductivity and are mechanically harder than the In-rich ones. Thus, this work reveals that confined electrodeposition of this binary system constitutes an effective procedure to attain template-free magnetic, electric and mechanical surface patterning with specific and reproducible shapes

Spontaneous formation of spiral-like patterns with distinct periodic physical properties by confined electrodeposition of Co-In disks

Golvano-Escobal, Irati et al.Spatio-temporal patterns are ubiquitous in different areas of materials science and biological systems. However, typically the motifs in these types of systems present a random distribution with many possible different structures. Herein, we demonstrate that controlled spatio-temporal patterns, with reproducible spiral-like shapes, can be obtained by electrodeposition of Co-In alloys inside a confined circular geometry (i.e., in disks that are commensurate with the typical size of the spatio-temporal features). These patterns are mainly of compositional nature, i.e., with virtually no topographic features. Interestingly, the local changes in composition lead to a periodic modulation of the physical (electric, magnetic and mechanical) properties. Namely, the Co-rich areas show higher saturation magnetization and electrical conductivity and are mechanically harder than the In-rich ones. Thus, this work reveals that confined electrodeposition of this binary system constitutes an effective procedure to attain template-free magnetic, electric and mechanical surface patterning with specific and reproducible shapes.This work has been partially funded by the 2014-SGR-1015, 2014-SGR-1216 and 2014-SGR-753 projects from the Generalitat de Catalunya, the MAT2014-57960-C3-1-R, MAT2014-51778-C2-1-R and FIS2013-48668-C2-1-P from the Spanish Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO) and the ‘Fondo Europeo de Desarrollo Regional’ (FEDER). Dr. Eva Pellicer and Dr. Neus Domingo are also grateful to MINECO for the “Ramon y Cajal” contracts (RYC-2012-10839 and RYC-2010-06365 respectively). ICN2 and ICMAB acknowledge support from the Severo Ochoa Program (MINECO, Grant SEV-2013-0295 and Grant SEV-2015-0496, respectively). The PEEM experiments were performed at CIRCE beamline at ALBA Synchrotron with the collaboration of ALBA staff.Peer reviewe

Cross-sectioning spatio-temporal Co-In electrodeposits: disclosing a magnetically-patterned nanolaminated structure

Altres ajuts: The authors would like to acknowledge networking support by the COST Action e-MINDS MP1407.Micrometer-thick cobalt-indium (Co-In) films consisting of self-assembled layers parallel to the cathode plane, and with a periodicity of 175 ± 25 nm, have been fabricated by electrodeposition at a constant current density. These films, which exhibit spatio-temporal patterns on the surface, grow following a layer-by-layer mode. Films cross-sections were characterized by electron microscopies and electron energy loss spectroscopy. Results indicate the spontaneous formation of nanolayers that span the whole deposit thickness. A columnar structure was revealed inside each individual nanolayer which, in turn, was composed of well-distinguished In- and Co-rich regions. Due to the dissimilar magnetic character of these regions, a periodic magnetic nanopatterning was observed in the cross-sectioned films, as shown by magnetic force microscopy studies

Optical phase control for interferomètric Nera-Field optics applications

Projecte final de màster oficial fet en col.laboració amb Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), Universitat de Barcelona (UB), Institut de Ciències Fotòniques (ICFO).English: The interest for studying metallic nanostructures is increasingly attracting to the scientific community. Integrating a near-field microscopy in an heterodyne interferometer, the dynamic properties of light propagation in such structures can be visualize. This project aims to redesign the position control of the mirror used for the delay line in an heterodyne interferometer. We explain the strategy used to built-up the delay-line. We present the results of simulation of the dynamical response and the real implementation.Castellano: El interés por el estudio de nanoestructuras metálicas esa creciendo dentro de la comunidad científica. Integrando un microscopio de campo cercano a un interferómetro heterodino, las propiedades dinámicas de la propagación de la luz en este tipo de estructuras puede ser observado visualmente. El objetivo de este proyecto es redisenyar el control de la posición del espejo usado para la línia de intervalo en un interferómetro heterodino. Explicamos la estrategia utilizada para desarrollar esta línea de intervalo. Además, 'presentamos los resultados de la simulación de la respuesta dinámica y de la implementación real.Català: L'interès per l'estudi de nanoestructures metàl·liques està augmentant a la comunitat científica. Integrant un microscopi de camp proper a un interferòmetre heterodí, les propietats dinàmiques de la propagació de la llum en aquesta mena d'estructures pot ser observat visualment. Aquest projecte té com a objectiu redissenyar el control de posició del mirall utilitzat a la línia d'interval en un interferòmetre heterodí. Nosaltres expliquem l'estratègia utilitzada per desenvolupar aquesta línia d'interval. A més, presentem els resultats de la simulació de la resposta dinàmica i de la implementació real

Novel electrochemical approaches to micro- and nanoscale metallic materials for advanced magnetic and energy applications: Co-In, Fe-Rh and Fe-P systems

La presente tesis doctoral abarca la síntesis electroquímica y caracterización de las propiedades tanto físicas como fisicoquímicas de tres sistemas binarios diferentes, el cobalto-indio (Co-In), hierro-rodio (Fe-Rh) y hierro-fósforo (Fe-P). Se han llevado a cabo varias estrategias para miniaturizar estos sistemas tanto hacia la micro- como hacia la nanoescala. Se han sintetizado capas continuas de Co-In, sobre sustratos conductores de silicio recubiertos con capas semilla de titanio y oro, que muestran estructuras espacio-temporales (targets, anillos concéntricos y espirales de distinto tamaño). Los análisis de rayos X evidencian la formación de capas heterogéneas. La formación espontánea de este tipo de estructuras micrométricas durante la electrodeposición genera a su vez un patrón tanto topográfico como composicional que a su vez deriva en un patrón magnético. En cambio, al crecer el Co-In de forma confinada, en cavidades cilíndricas litografiadas de 50 µm de diámetro, se restringe el tipo de estructuras que conforman las espacio-temporales. Concretamente, en los microdiscos, sólo se generan de manera espontánea y únicamente a nivel composicional (es decir, prácticamente sin relieve topográfico) las estructuras que tienen forma de espiral. Como consecuencia, se ha revelado a través de técnicas avanzadas de caracterización de superficies, no sólo una modulación periódica del magnetismo, sino también de las propiedades eléctricas y mecánicas. También se ha llevado a cabo un estudio detallado de la sección de las capas de Co-In. El uso de técnicas de microscopia avanzadas ha revelado un crecimiento laminar que se expande a lo largo de todo el grosor de la capa (10 µm). Además, las variaciones composicionales locales de cada capa (175 nm de grosor aproximadamente) deja un patrón de franjas magnéticas. Por otro lado, se han depositado utilizando corriente continua nanopartículas bimetálicas de Fe-Rh con diferentes tamaños, relación Fe/Rh y grado de recubrimiento. El electrolito contenía Fe(III) para prevenir la formación de capas continuas. Las nanopartículas han quedado perfectamente adheridas al sustrato por lo que se pudieron emplear directamente como electrocatalizadores sin ningún proceso intermedio de inmovilización. Los análisis de espectroscopia de fotoelectrones emitidos por rayos X muestran que las nanopartículas son mayoritariamente metálicas. Dependiendo del contenido de hierro (15 at.\% ≤ Fe ≤ 36 at.\%), diámetro (20-80 nm) y grado de recubrimiento, las nanopartículas presentan una actividad catalítica diferente para la producción de hidrógeno en medio alcalino. Se han conseguido nanopartículas, fabricadas bajo condiciones de síntesis específicas, cuya actividad catalítica supera la de nanopartículas de Rh puro obtenidas a partir de un baño análogo. Finalmente, se han crecido por electrodeposición capas macroporosas altamente ordenadas de Fe-P en sustratos con litografía coloidal. Antes de la electrodeposición, se han depositado electroforéticamente esferas de poliestireno de 350 nm de diámetro que se ordenan sobre el sustrato. Para poder comparar resultados, también se han fabricado capas continuas de Fe-P. Tanto las capas continuas como las porosas presentan una relación Fe/P y un comportamiento magnético variable. Su actividad catalítica para las reacciones de evolución de hidrógeno y de oxígeno se ha investigado en medio alcalino.This thesis dissertation covers the electrochemical synthesis and the characterization of the physical and physico-chemical properties of three different binary systems, namely cobalt-indium (Co-In), iron-rhodium (Fe-Rh) and iron-phosphorous (Fe-P). Several strategies toward systems miniaturization at micron- and nanoscales were pursued. Continuous thick Co-In films (25 at.\% ≤ Co ≤ 90 at.\%) featuring spatio-temporal patterns (targets, concentric rings and spirals of variable sizes) were prepared on flat, conductive Si/Ti/Au substrates. X-ray diffraction analyses evidenced the formation of highly heterogeneous coatings. The spontaneous formation of these micron-sized patterns during electrodeposition gave rise to topographical, compositional and, in turn, magnetic patterning. The confined growth of Co-In in lithographically patterned arrays of cylindrical holes of 50 µm in diameter imposed restrictions to the type of spatio-temporal motifs that could be formed. Specifically, only spiral-like patterns of purely compositional nature (with virtually no topographic features) were self-generated in the microdisks. As a result, not only a periodic modulation of the magnetic but also electric and mechanical properties was uncovered using advanced surface sensitive characterization techniques. A detailed assessment of the cross-sections of the continuous Co-In electrodeposits using electron microscopy techniques revealed a layer-by-layer growth mode spanning the whole deposit thickness (10 µm). The occurrence of local changes in composition within each layer (ca. 175 nm thick) also led to stripe-like magnetic patterning. Meanwhile, bimetallic Fe-Rh nanoparticles with different sizes, Fe/Rh ratios, and coverage degree were prepared by direct current electrodeposition from Fe(III) containing electrolyte solutions to prevent the formation of dense, continuous films. The nanoparticles were well-adhered to the substrate and could be directly tested as an electrocatalyst without the need for post-processing immobilization steps. The nanoparticles were mostly metallic as demonstrated by X-ray photoelectron spectroscopy analyses. Depending on the Fe content (15 at.\% ≤ Fe ≤ 36 at.\%), diameter (20-80 nm) and coverage, they showed dissimilar electrocatalytic activity towards hydrogen evolution reaction (HER) in alkaline media. Under specific synthetic conditions, the resulting nanoparticles outperformed pure Rh nanoparticles obtained from an analogous electrolytic solution. Finally, highly-ordered, macroporous Fe-P films were prepared by electrodeposition onto Si/Ti/Au substrates pre-patterned by colloidal templating. Prior to electrodeposition, polystyrene spheres of 350 nm in diameter were self-assembled on the substrate by electrophoresis. Fully dense Fe-P films were also electrodeposited for comparison purposes. Both dense and porous films showed tunable Fe/P ratios and magnetic behavior. The electrocatalytic activity towards HER and oxygen evolution reaction (OER) was investigated in alkaline media

Optical phase control for interferomètric Nera-Field optics applications

Projecte final de màster oficial fet en col.laboració amb Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), Universitat de Barcelona (UB), Institut de Ciències Fotòniques (ICFO).English: The interest for studying metallic nanostructures is increasingly attracting to the scientific community. Integrating a near-field microscopy in an heterodyne interferometer, the dynamic properties of light propagation in such structures can be visualize. This project aims to redesign the position control of the mirror used for the delay line in an heterodyne interferometer. We explain the strategy used to built-up the delay-line. We present the results of simulation of the dynamical response and the real implementation.Castellano: El interés por el estudio de nanoestructuras metálicas esa creciendo dentro de la comunidad científica. Integrando un microscopio de campo cercano a un interferómetro heterodino, las propiedades dinámicas de la propagación de la luz en este tipo de estructuras puede ser observado visualmente. El objetivo de este proyecto es redisenyar el control de la posición del espejo usado para la línia de intervalo en un interferómetro heterodino. Explicamos la estrategia utilizada para desarrollar esta línea de intervalo. Además, 'presentamos los resultados de la simulación de la respuesta dinámica y de la implementación real.Català: L'interès per l'estudi de nanoestructures metàl·liques està augmentant a la comunitat científica. Integrant un microscopi de camp proper a un interferòmetre heterodí, les propietats dinàmiques de la propagació de la llum en aquesta mena d'estructures pot ser observat visualment. Aquest projecte té com a objectiu redissenyar el control de posició del mirall utilitzat a la línia d'interval en un interferòmetre heterodí. Nosaltres expliquem l'estratègia utilitzada per desenvolupar aquesta línia d'interval. A més, presentem els resultats de la simulació de la resposta dinàmica i de la implementació real