Injection moulding process optimization for microstructured parts production

Ao longo das últimas décadas, a micromoldação (u-moldação) por injeção de termoplásticos ganhou um lugar de destaque no mercado de equipamentos eletrónicos e de uma ampla gama de componentes mecânicos. No entanto, quando o tamanho do componente diminui, os pressupostos geralmente aceites na moldação por injeção convencional deixam de ser válidos para descrever o comportamento reológico e termomecânico do polímero na microimpressão. Por isso, a compreensão do comportamento dinâmico do polímero à escala micro bem como da sua caraterização, análise e previsão das propriedades mecânicas exige uma investigação mais alargada. O objetivo principal deste programa doutoral passa por uma melhor compreensão do fenómeno físico intrínseco ao processo da μ-moldação por injeção. Para cumprir com o objetivo estabelecido, foi efetuado um estudo paramétrico do processo de μ-moldação por injeção, cujos resultados foram comparados com os resultados obtidos por simulação numérica. A caracterização dinâmica mecânica das μ-peças foi efetuada com o objetivo de recolher os dados necessários para a previsão do desempenho mecânico das mesmas, a longo prazo. Finalmente, depois da calibração do modelo matemático do polímero, foram realizadas análises estruturais com o intuito de prever o desempenho mecânico das μ-peças no longo prazo. Verificou-se que o desempenho mecânico das μ-peças pode ser significativamente afetado pelas tensões residuais de origem mecânica e térmica. Estas últimas, resultantes do processo de fabrico e das condições de processamento, por isso, devem ser consideradas na previsão do desempenho mecânico e do tempo de serviço das u-moldações.

Nanofluids development and characterization for heat exchanging intensification

A desmaterialização da economia é um dos caminhos para a promoção do desenvolvimento sustentável na medida em que elimina ou reduz a utilização de recursos naturais, fazendo mais com menos. A intensificação dos processos tecnológicos é uma forma de desmaterializar a economia. Sistemas mais compactos e mais eficientes consomem menos recursos. No caso concreto dos sistemas envolvendo processo de troca de calor, a intensificação resulta na redução da área de permuta e da quantidade de fluido de trabalho, o que para além de outra vantagem que possa apresentar decorrentes da miniaturização, é um contributo inegável para a sustentabilidade da sociedade através do desenvolvimento científico e tecnológico. O desenvolvimento de nanofluidos surge no sentido de dar resposta a estes tipo de desafios da sociedade moderna, contribuindo para a inovação de produtos e sistemas, dando resposta a problemas colocados ao nível das ciências de base. A literatura é unânime na identificação do seu potencial como fluidos de permuta, dada a sua elevada condutividade, no entanto a falta de rigor subjacente às técnicas de preparação dos mesmos, assim como de um conhecimento sistemático das suas propriedades físicas suportado por modelos físico-matemáticos devidamente validados levam a que a operacionalização industrial esteja longe de ser concretizável. Neste trabalho, estudou-se de forma sistemática a condutividade térmica de nanofluidos de base aquosa aditivados com nanotubos de carbono, tendo em vista a identificação dos mecanismos físicos responsáveis pela condução de calor no fluido e o desenvolvimento de um modelo geral que permita com segurança determinar esta propriedade com o rigor requerido ao nível da engenharia. Para o efeito apresentam-se métodos para uma preparação rigorosa e reprodutível deste tipo de nanofluido assim como das metodologias consideradas mais importantes para a aferição da sua estabilidade, assegurando deste modo o rigor da técnica da sua produção. A estabilidade coloidal é estabelecida de forma rigorosa tendo em conta parâmetros quantificáveis como a ausência de aglomeração, a separação de fases e a deterioração da morfologia das nanopartículas. Uma vez assegurado o método de preparação dos nanofluídos, realizou-se uma análise paramétrica conducente a uma base de dados obtidos experimentalmente que inclui a visão central e globalizante da influência relativa dos diferentes fatores de controlo com impacto nas propriedades termofísicas. De entre as propriedades termofísicas, este estudo deu particular ênfase à condutividade térmica, sendo os fatores de controlo selecionados os seguintes: fluido base, temperatura, tamanho da partícula e concentração de nanopartículas. Experimentalmente, verificou-se que de entre os fatores de controlo estudados, os que maior influência detêm sobre a condutividade térmica do nanofluido, são o tamanho e concentração das nanopartículas. Com a segurança conferida por uma base de dados sólida e com o conhecimento acerca da contribuição relativa de cada fator de controlo no processo de transferência de calor, desenvolveu-se e validou-se um modelo físico-matemático com um caracter generalista, que permitirá determinar com segurança a condutividade térmica de nanofluidos.

Quantum criptography in optical fibers

As comunicações quânticas aplicam as leis fundamentais da física quântica para codificar, transmitir, guardar e processar informação. A mais importante e bem-sucedida aplicação é a distribuição de chaves quânticas (QKD). Os sistemas de QKD são suportados por tecnologias capazes de processar fotões únicos. Nesta tese analisamos a geração, transmissão e deteção de fotões únicos e entrelaçados em fibras óticas. É proposta uma fonte de fotões única baseada no processo clássico de mistura de quatro ondas (FWM) em fibras óticas num regime de baixas potências. Implementamos essa fonte no laboratório, e desenvolvemos um modelo teórico capaz de descrever corretamente o processo de geração de fotões únicos. O modelo teórico considera o papel das nãolinearidades da fibra e os efeitos da polarização na geração de fotões através do processo de FWM. Analisamos a estatística da fonte de fotões baseada no processo clássico de FWM em fibras óticas. Derivamos um modelo teórico capaz de descrever a estatística dessa fonte de fotões. Mostramos que a estatística da fonte de fotões evolui de térmica num regime de baixas potências óticas, para Poissoniana num regime de potências óticas moderadas. Validamos experimentalmente o modelo teórico, através do uso de fotodetetores de avalanche, do método estimativo da máxima verossimilhança e do algoritmo de maximização de expectativa. Estudamos o processo espontâneo de FWM como uma fonte condicional de fotões únicos. Analisamos a estatística dessa fonte em termos da função condicional de coerência de segunda ordem, considerando o espalhamento de Raman na geração de pares de fotões, e a perda durante a propagação de fotões numa fibra ótica padrão. Identificamos regimes apropriados onde a fonte é quase ideal. Fontes de pares de fotões implementadas em fibras óticas fornecem uma solução prática ao problema de acoplamento que surge quando os pares de fotões são gerados fora da fibra. Exploramos a geração de pares de fotões através do processo espontâneo de FWM no interior de guias de onda com suceptibilidade elétrica de terceira ordem. Descrevemos a geração de pares de fotões em meios com elevado coeficiente de absorção, e identificamos regimes ótimos para o rácio contagens coincidentes/acidentais (CAR) e para a desigualdade de Clauser, Horne, Shimony, and Holt (CHSH), para o qual o compromisso entre perda do guia de onda e não-linearidades maximiza esses parâmetros.

Metal-organic frameworks based on phosphonate linkers

During the last few decades, Metal-Organic Frameworks (MOFs), also known as Coordination Polymers, have attracted worldwide research attentions due to their incremented fascinating architectures and unique properties. These multidimensional materials have been potential applications in distinct areas: gas storage and separation, ion exchange, catalysis, magnetism, in optical sensors, among several others. The MOF research group at the University of Aveiro has prepared MOFs from the combination of phosphonate organic primary building units (PBUs) with, mainly, lanthanides. This thesis documents the last findings in this area involving the synthesis of multidimensional MOFs based on four di- or tripodal phosphonates ligands. The organic PBUs were designed and prepared by selecting and optimizing the best reaction conditions and synthetic routes. The self-assembly between phosphonate PBUs and rare-earths cations led to the formation of several 1D, 2D and 3D families of isotypical MOFs. The preparation of these materials was achieved by using distinct synthetic approaches: hydro(solvo)thermal, microwave- and ultrasound-assisted, one-pot and ionothermal synthesis. The selection of the organic PBUs showed to have an important role in the final architectures: while flexible phosphonate ligands afforded 1D, 2D and dense 3D structures, a large and rigid organic PBU isolated a porous 3D MOF. The crystal structure of these materials was successfully unveiled by powder or single-crystal X-ray diffraction. All multidimensional MOFs were characterized by standard solid-state techniques (FT-IR, electron microscopy (SEM and EDS), solid-state NMR, elemental and thermogravimetric analysis). Some MOF materials exhibited remarkable thermal stability and robustness up to ca. 400 ºC. The intrinsic properties of some MOFs were investigated. Photoluminescence studies revealed that the selected organic PBUs are suitable sensitizers of Tb3+ leading to the isolation of intense green-emitting materials. The suppression of the O−H quenchers by deuteration or dehydration processes improves substantially the photoluminescence of the optically-active Eu3+-based materials. Some MOF materials exhibited high heterogeneous catalytic activity and excellent regioselectivity in the ring-opening reaction of styrene oxide (PhEtO) with methanol (100% conversion of PhEtO at 55 ºC for 30 min). The porous MOF material was employed in gas separation processes. This compound showed the ability to separate propane over propylene. The ionexchanged form of this material (containing K+ cations into its network) exhibited higher affinity for CO2 being capable to separate acetylene over this environment non-friendly gas.

Transient transpiration radiometer : development of a heat flux sensor for high aggressivity environments

The development of a new instrument for the measurement of convective and radiative is proposed, based on the transient operation of a transpiration radiometer. Current transpiration radiometers rely on steady state temperature measurements in a porous element crossed by a know gas mass flow. As a consequence of the porous sensing element’s intrinsically high thermal inertia, the instrument’s time constant is in the order of several seconds. The proposed instrument preserves established advantages of transpiration radiometers while incorporating additional features that broaden its applicability range. The most important developments are a significant reduction of the instrument’s response time and the possibility of separating and measuring the convective and radiative components of the heat flux. These objectives are achieved through the analysis of the instrument’s transient response, a pulsed gas flow being used to induce the transient behavior.

Cinética da transferência de calor em materiais com mudança de fase

É extensa a bibliografia dedicada a potenciais aplicações de materiais com mudança de fase na regulação térmica e no armazenamento de calor ou de frio. No entanto, a baixa condutividade térmica impõe limitações numa grande diversidade de aplicações com exigências críticas em termos de tempo de resposta curto ou com requisitos de elevada potência em ciclos de carga/descarga de calor latente. Foram desenvolvidos códigos numéricos no sentido de obter soluções precisas para descrever a cinética da transferência de calor com mudança de fase, com base em geometrias representativas, i.e. planar e esférica. Foram igualmente propostas soluções aproximadas, sendo identificados correspondentes critérios de validação em função das propriedades dos materiais de mudança de fase e de outros parâmetros relevantes tais como as escalas de tamanho e de tempo, etc. As referidas soluções permitiram identificar com rigor os fatores determinantes daquelas limitações, quantificar os correspondentes efeitos e estabelecer critérios de qualidade adequados para diferentes tipologias de potenciais aplicações. Os referidos critérios foram sistematizados de acordo com metodologias de seleção propostas por Ashby e co-autores, tendo em vista o melhor desempenho dos materiais em aplicações representativas, designadamente com requisitos ao nível de densidade energética, tempo de resposta, potência de carga/descarga e gama de temperaturas de operação. Nesta sistematização foram incluídos alguns dos compósitos desenvolvidos durante o presente trabalho. A avaliação das limitações acima mencionadas deu origem ao desenvolvimento de materiais compósitos para acumulação de calor ou frio, com acentuada melhoria de resposta térmica, mediante incorporação de uma fase com condutividade térmica muito superior à da matriz. Para este efeito, foram desenvolvidos modelos para otimizar a distribuição espacial da fase condutora, de modo a superar os limites de percolação previstos por modelos clássicos de condução em compósitos com distribuição aleatória, visando melhorias de desempenho térmico com reduzidas frações de fase condutora e garantindo que a densidade energética não é significativamente afetada. Os modelos elaborados correspondem a compósitos de tipo core-shell, baseados em microestruturas celulares da fase de elevada condutividade térmica, impregnadas com o material de mudança de fase propriamente dito. Além de visarem a minimização da fração de fase condutora e correspondentes custos, os modelos de compósitos propostos tiveram em conta a adequação a métodos de processamento versáteis, reprodutíveis, preferencialmente com base na emulsificação de líquidos orgânicos em suspensões aquosas ou outros processos de reduzidas complexidade e com base em materiais de baixo custo (material de mudança de fase e fase condutora). O design da distribuição microestrutural também considerou a possibilidade de orientação preferencial de fases condutoras com elevada anisotropia (p.e. grafite), mediante auto-organização. Outros estágios do projeto foram subordinados a esses objetivos de desenvolvimento de compósitos com resposta térmica otimizada, em conformidade com previsões dos modelos de compósitos de tipo core-shell, acima mencionadas. Neste enquadramento, foram preparados 3 tipos de compósitos com organização celular da fase condutora, com as seguintes características e metodologias: i) compósitos celulares parafina-grafite para acumulação de calor, preparados in-situ por emulsificação de uma suspensão de grafite em parafina fundida; ii) compósitos celulares parafina-Al2O3 para acumulação de calor, preparados por impregnação de parafina em esqueleto cerâmico celular de Al2O3; iii) compósitos celulares para acumulação de frio, obtidos mediante impregnação de matrizes celulares de grafite com solução de colagénio, após preparação prévia das matrizes de grafite celular. Os compósitos com esqueleto cerâmico (ii) requereram o desenvolvimento prévio de um método para o seu processamento, baseado na emulsificação de suspensões de Al2O3 em parafina fundida, com adequados aditivos dispersantes, tensioactivos e consolidantes do esqueleto cerâmico, tornando-o auto-suportável durante as fases posteriores de eliminação da parafina, até à queima a alta temperatura, originando cerâmicos celulares com adequada resistência mecânica. Os compósitos desenvolvidos apresentam melhorias significativos de condutividade térmica, atingindo ganhos superiores a 1 ordem de grandeza com frações de fase condutora inferior a 10 % vol. (4 W m-1 K-1), em virtude da organização core-shell e com o contributo adicional da anisotropia da grafite, mediante orientação preferencial. Foram ainda preparados compósitos de armazenamento de frio (iii), com orientação aleatória da fase condutora, obtidos mediante gelificação de suspensões de partículas de grafite em solução aquosa de colagénio. Apesar da estabilidade microestrutural e de forma, conferida por gelificação, estes compósitos confirmaram a esperada limitação dos compósitos com distribuição aleatória, em confronto com os ganhos alcançados com a organização de tipo core-shell.

Catalytic routes to convert saccharides to furanic aldehydes

The conversion of plant biomass-derived carbohydrates (preferably non-edible) into added-value products is envisaged to be at the core of the future biorefineries. Carbohydrates are the most abundant natural organic polymers on Earth. This work deals with the chemical valorisation of plant biomass, focusing on the acid-catalysed conversion of carbohydrates (mono and polysaccharides) to furanic aldehydes, namely 2-furaldehyde (Fur) and 5-hydroxymethyl-2-furaldehyde (Hmf), which are valuable platform chemicals that have the potential to replace a variety of oil derived chemicals and materials. The investigated reaction systems can be divided into two types depending on the solvent used to dissolve the carbohydrates in the reaction medium: water or ionic liquid-based systems. The reaction temperatures were greater than 150 ºC when the solvent was water, and lower than 150 º C in the cases of the ionic liquid-based catalytic systems. As alternatives to liquid acids (typically used in the industrial production of Fur), solid acid catalysts were investigated in these reaction systems. Aiming at the identification of (soluble and insoluble) reaction products, complementary characterisation techniques were used namely, FT-IR spectroscopy, liquid and solid state NMR spectroscopy, TGA, DSC and GC´GC-ToFMS analyses. Complex mixtures of soluble reaction products were obtained and different types of side reactions may occur. The requirements to be put on the catalysts for these reaction systems partly depend on the type of carbohydrates to be converted and the reaction conditions used. The thermal stability is important due to the fact that formation of humins and catalyst coking phenomena are characteristically inherent to these types of reactions systems leading to the need to regenerate the catalyst which can be effectively accomplished by calcination. Special attention was given to fully inorganic nanoporous solid acids, amorphous or crystalline, and consisting of nano to micro-size particles. The investigated catalysts were silicoaluminophosphates, aluminosilicates and zirconium-tungsten mixed oxides which are versatile catalysts in that their physicochemical properties can be fine-tuned to improve the catalytic performances in the conversion of different substrates (e.g. introduction of mesoporosity and modification of the acid properties). The catalytic systems consisting of aluminosilicates as solid acids and water as solvent seem to be more effective in converting pentoses and related polysaccharides into Fur, than hexoses and related polysaccharides into Hmf. The investigated solid acids exhibited fairly good hydrothermal stabilities. On the other hand, ionic liquid-based catalytic systems can allow reaching simultaneously high Fur and Hmf yields, particularly when Hmf is obtained from D-fructose and related polysaccharides; however, catalyst deactivation occurs and the catalytic reactions take place in homogeneous phase. As pointed out in a review of the state of the art on this topic, the development of truly heterogeneous ionic liquid-based catalytic systems for producing Fur and Hmf in high yields remains a challenge.

Determinação e aplicações dos frutooligossacarídeos de Yacon (Smallanthus sonchifolius)

Torna-se cada vez mais importante fortalecer o vínculo entre o setor agrário, as universidades e o setor industrial. Através de estudos científicos pode-se aprimorar a produção agrícola, valorizar comercialmente os produtos manufaturados e permitir usos biotecnológicos anteriormente indisponíveis. Este trabalho ambicionou gerar dados que incentivassem e permitissem o suporte técnico-científico adequado ao pequeno e médio agricultor do litoral da Grande-Florianópolis, no estado de Santa Catarina (Brasil) viabilizando a exploração comercial das raízes de yacon (Smallanthus sonchifolius). Primeiro, o enfoque agronómico que objetivou ofertar dados científicos da adequação climática do plantio de yacon na região do litoral de Florianópolis (SC) com a finalidade de otimizar a produção e rentabilizá-la. Por cromatografia líquida de alta eficiência foram quantificados os valores de frutooligossacarídeos (fração de interesse, alimento funcional com efeito prebiótico), frutose, glucose e sacarose e avaliaram-se os efeitos diretos dos fatores climáticos na produção fazendo uso da análise multivariada para sua interpretação. Os resultados mostram que a produção de FOS não consegue atingir valores similares aos de outras regiões onde o yacon é explorado economicamente. Igualmente a produção de FOS parece ter uma grande dependência do clima, especialmente da amplitude térmica e da chuva. O segundo enfoque foi a possibilidade de exploração comercial, através de secagem em estufa. O processo de secagem, especialmente em amostras produzidas em condições climatológicas mais drásticas induzem modificações provocadas pela reacção de Maillard, como foi verificado por estudos de GCxGC-Tof-Ms e ESI-MS. O terceiro enfoque foi biotecnológico e consistiu em aproveitar frutooligossacarídeos comerciais para utilizá-los como matriz polimérica para produção de estruturas em escala nano e micrométrica através da eletropulverização. Foram observadas, nesta etapa, os aspetos morfológicos e as características das partículas formadas e a sua capacidade de servir como veículo transportador de compostos com características anti-oxidantes.

Materiais à base de óxidos com estrutura do tipo perovskite e compósitos como ânodos de PCES

This work was focused on the analysis of transport, thermomechanical and electrochemical properties of a series of perovskite-like oxide materials and composites for potential applications as anodes of intermediate-temperature solid oxide fuel cells (SOFCs) with lanthanum gallate and silicate solid electrolytes. The primary attention was centered on A(Mn,Nb)O3-δ (A = Sr, Ca) and (La,Sr)(Mn,Ti)O3-based systems, lanthanum chromite substituted with acceptor-type and variable-valence cations, and various Ni-containing cermets. Emphasis was given to phase stability of the materials, their crystal structure, microstructure of porous electrode layers and dense ceramics, electronic conductivity, Seebeck coefficient, oxygen permeability, thermal and chemical induced expansion, and anodic overpotentials of the electrodes deposited onto (La,Sr)(Ga,Mg)O3- and La10(Si,Al)6O27- based electrolyte membranes. In selected cases, roles of oxygen diffusivity, states of the transition metal cations relevant for the electronic transport, catalytically active additives and doped ceria protective interlayers introduced in the model electrochemical cells were assessed. The correlations between transport properties of the electrode materials and electrochemical behavior of porous electrodes showed that the principal factors governing anode performance include, in particular, electronic conduction of the anode compositions and cation interdiffusion between the electrodes and solid electrolytes. The latter is critically important for the silicatebased electrolyte membranes, leading to substantially worse anode properties compared to the electrochemical cells with lanthanum gallate solid electrolyte. The results made it possible to select several anode compositions exhibiting lower area-specific electrode resistivity compared to known analogues, such as (La,Sr)(Cr,Mn)O3-δ.

Materials and concepts for CO2 lean ironmaking by pyroelectrolysis

The main purpose of this PhD thesis was to provide convincing demonstration for a breakthrough concept of pyroelectrolysis at laboratory scale. One attempted to identify fundamental objections and/or the most critical constraints, to propose workable concepts for the overall process and for feasible electrodes, and to establish the main requirements on a clearer basis. The main effort was dedicated to studying suitable anode materials to be developed for large scale industrial units with molten silicate electrolyte. This concept relies on consumable anodes based on iron oxides, and a liquid Fe cathode, separated from the refractory materials by a freeze lining (solid) layer. In addition, one assessed an alternative concept of pyroelectrolysis with electron blocking membranes, and developed a prototype at small laboratory scale. The main composition of the molten electrolyte was based on a magnesium aluminosilicate composition, with minimum liquidus temperature, and with different additions of iron oxide. One studied the dynamics of devitrification of these melts, crystallization of iron oxides or other phases, and Fe2+/Fe3+ redox changes under laser zone melting, at different pulling rates. These studies were intended to provide guidelines for dissolution of raw materials (iron oxides) in the molten electrolyte, to assess compatibility with magnetite based consumable anodes, and to account for thermal gradients or insufficient thermal management in large scale cells. Several laboratory scale prototype cells were used to demonstrate the concept of pyroelectrolysis with electron blocking, and to identify the most critical issues and challenges. Operation with and without electron blocking provided useful information on transport properties of the molten electrolyte (i.e., ionic and electronic conductivities), their expected dependence on anodic and cathodic overpotentials, limitations in faradaic efficiency, and onset of side electrochemical reactions. The concept of consumable anodes was based on magnetite and derived spinel compositions, for their expected redox stability at high temperatures, even under oxidising conditions. Spinel compositions were designed for prospective gains in refractoriness and redox stability in wider ranges of conditions (T, pO2 and anodic overpotentials), without excessive penalty for electrical conductivity, thermomechanical stability or other requirements. Composition changes were also mainly based on components of the molten aluminosilicate melt, to avoid undue contamination and to minimize the dissolution rate of consumable anodes. Additional changes in composition were intended for prospective pyroelectrolysis of Fe alloys, with additions of different elements (Cr, Mn, Ni, Ti).

Ferroelectric : CNTs structures fabrication for advanced functional nano devices

This work is about the combination of functional ferroelectric oxides with Multiwall Carbon Nanotubes for microelectronic applications, as for example potential 3 Dimensional (3D) Non Volatile Ferroelectric Random Access Memories (NVFeRAM). Miniaturized electronics are ubiquitous now. The drive to downsize electronics has been spurred by needs of more performance into smaller packages at lower costs. But the trend of electronics miniaturization challenges board assembly materials, processes, and reliability. Semiconductor device and integrated circuit technology, coupled with its associated electronic packaging, forms the backbone of high-performance miniaturized electronic systems. However, as size decreases and functionalization increases in the modern electronics further size reduction is getting difficult; below a size limit the signal reliability and device performance deteriorate. Hence miniaturization of siliconbased electronics has limitations. On this background the Road Map for Semiconductor Industry (ITRS) suggests since 2011 alternative technologies, designated as More than Moore; being one of them based on carbon (carbon nanotubes (CNTs) and graphene) [1]. CNTs with their unique performance and three dimensionality at the nano-scale have been regarded as promising elements for miniaturized electronics [2]. CNTs are tubular in geometry and possess a unique set of properties, including ballistic electron transportation and a huge current caring capacity, which make them of great interest for future microelectronics [2]. Indeed CNTs might have a key role in the miniaturization of Non Volatile Ferroelectric Random Access Memories (NVFeRAM). Moving from a traditional two dimensional (2D) design (as is the case of thin films) to a 3D structure (based on a tridimensional arrangement of unidimensional structures) will result in the high reliability and sensing of the signals due to the large contribution from the bottom electrode. One way to achieve this 3D design is by using CNTs. Ferroelectrics (FE) are spontaneously polarized and can have high dielectric constants and interesting pyroelectric, piezoelectric, and electrooptic properties, being a key application of FE electronic memories. However, combining CNTs with FE functional oxides is challenging. It starts with materials compatibility, since crystallization temperature of FE and oxidation temperature of CNTs may overlap. In this case low temperature processing of FE is fundamental. Within this context in this work a systematic study on the fabrication of CNTs - FE structures using low cost low temperature methods was carried out. The FE under study are comprised of lead zirconate titanate (Pb1-xZrxTiO3, PZT), barium titanate (BaTiO3, BT) and bismuth ferrite (BiFeO3, BFO). The various aspects related to the fabrication, such as effect on thermal stability of MWCNTs, FE phase formation in presence of MWCNTs and interfaces between the CNTs/FE are addressed in this work. The ferroelectric response locally measured by Piezoresponse Force Microscopy (PFM) clearly evidenced that even at low processing temperatures FE on CNTs retain its ferroelectric nature. The work started by verifying the thermal decomposition behavior under different conditions of the multiwall CNTs (MWCNTs) used in this work. It was verified that purified MWCNTs are stable up to 420 ºC in air, as no weight loss occurs under non isothermal conditions, but morphology changes were observed for isothermal conditions at 400 ºC by Raman spectroscopy and Transmission Electron Microscopy (TEM). In oxygen-rich atmosphere MWCNTs started to oxidized at 200 ºC. However in argon-rich one and under a high heating rate MWCNTs remain stable up to 1300 ºC with a minimum sublimation. The activation energy for the decomposition of MWCNTs in air was calculated to lie between 80 and 108 kJ/mol. These results are relevant for the fabrication of MWCNTs – FE structures. Indeed we demonstrate that PZT can be deposited by sol gel at low temperatures on MWCNTs. And particularly interesting we prove that MWCNTs decrease the temperature and time for formation of PZT by ~100 ºC commensurate with a decrease in activation energy from 68±15 kJ/mol to 27±2 kJ/mol. As a consequence, monophasic PZT was obtained at 575 ºC for MWCNTs - PZT whereas for pure PZT traces of pyrochlore were still present at 650 ºC, where PZT phase formed due to homogeneous nucleation. The piezoelectric nature of MWCNTs - PZT synthesised at 500 ºC for 1 h was proved by PFM. In the continuation of this work we developed a low cost methodology of coating MWCNTs using a hybrid sol-gel / hydrothermal method. In this case the FE used as a proof of concept was BT. BT is a well-known lead free perovskite used in many microelectronic applications. However, synthesis by solid state reaction is typically performed around 1100 to 1300 ºC what jeopardizes the combination with MWCNTs. We also illustrate the ineffectiveness of conventional hydrothermal synthesis in this process due the formation of carbonates, namely BaCO3. The grown MWCNTs - BT structures are ferroelectric and exhibit an electromechanical response (15 pm/V). These results have broad implications since this strategy can also be extended to other compounds of materials with high crystallization temperatures. In addition the coverage of MWCNTs with FE can be optimized, in this case with non covalent functionalization of the tubes, namely with sodium dodecyl sulfate (SDS). MWCNTs were used as templates to grow, in this case single phase multiferroic BFO nanorods. This work shows that the use of nitric solvent results in severe damages of the MWCNTs layers that results in the early oxidation of the tubes during the annealing treatment. It was also observed that the use of nitric solvent results in the partial filling of MWCNTs with BFO due to the low surface tension (<119 mN/m) of the nitric solution. The opening of the caps and filling of the tubes occurs simultaneously during the refluxing step. Furthermore we verified that MWCNTs have a critical role in the fabrication of monophasic BFO; i.e. the oxidation of CNTs during the annealing process causes an oxygen deficient atmosphere that restrains the formation of Bi2O3 and monophasic BFO can be obtained. The morphology of the obtained BFO nano structures indicates that MWCNTs act as template to grow 1D structure of BFO. Magnetic measurements on these BFO nanostructures revealed a week ferromagnetic hysteresis loop with a coercive field of 956 Oe at 5 K. We also exploited the possible use of vertically-aligned multiwall carbon nanotubes (VA-MWCNTs) as bottom electrodes for microelectronics, for example for memory applications. As a proof of concept BiFeO3 (BFO) films were in-situ deposited on the surface of VA-MWCNTs by RF (Radio Frequency) magnetron sputtering. For in situ deposition temperature of 400 ºC and deposition time up to 2 h, BFO films cover the VA-MWCNTs and no damage occurs either in the film or MWCNTs. In spite of the macroscopic lossy polarization behaviour, the ferroelectric nature, domain structure and switching of these conformal BFO films was verified by PFM. A week ferromagnetic ordering loop was proved for BFO films on VA-MWCNTs having a coercive field of 700 Oe. Our systematic work is a significant step forward in the development of 3D memory cells; it clearly demonstrates that CNTs can be combined with FE oxides and can be used, for example, as the next 3D generation of FERAMs, not excluding however other different applications in microelectronics.

Contribuição para o ensino nas ciências, usando a temática conforto térmico

O conforto térmico é uma temática interessante, uma vez que está presente no nosso dia-a-dia. É sabido que um ambiente térmico afeta o bem-estar de uma pessoa e pode influenciar a produtividade intelectual. Se o ambiente térmico tiver características de “quente” ou de “frio” pode suscitar desconforto térmico, ou até mesmo stress térmico. Nestas condições o ambiente térmico pode afetar a saúde da pessoa. Usando o laboratório mais acessível e gratuito, a Atmosfera, é possível através de atividades simples interpretar fisicamente as características de um ambiente térmico. A Atmosfera é, também, um fascinante laboratório de ensino, porque nela se podem estudar alguns processos físicos lecionados ao longo dos mais variados níveis de ensino nas disciplinas de Física e Química e Geografia. Na Atmosfera, podem-se fazer diversos estudos simples que podem de uma forma fácil responder a inquietantes questões relacionadas com o bem-estar de uma pessoa, mais concretamente se está em conforto térmico. Neste trabalho é feita a introdução da temática “Mudança Global” lecionada no 8º ano de escolaridade. A ponte para esta temática pode usar diferentes caminhos, como por exemplo usando a temática “Energia”. Procurou-se responder à questão de investigação que delineou todo o “caminho” deste trabalho, ou seja, “Quais as contribuições para o Ensino nas Ciências, quando se usa a temática “Conforto Térmico”, numa perspetiva de ensino e aprendizagem?” A resposta a esta questão central passou pelos seguintes objetivos: articular as condições atmosféricas com o conforto térmico; avaliar o conforto térmico numa sala de aula usando instrumentos meteorológicos simples, que podem ser construídos pelos alunos; avaliar quais os índices térmicos que devem ser usados para avaliar o conforto térmico de forma simples para os alunos; analisarem os materiais usados na construção de edifícios escolares que condicionam o conforto térmico numa perspetiva de balanço energético; sugerir atividades experimentais que podem desenvolver competências na temática Conforto Térmico; analisar a influência do conforto térmico registado no interior de uma sala de aula e a aprendizagem. Neste trabalho foi usada uma inovadora metodologia e ferramentas para interpretar como um ambiente térmico pode influenciar o bem-estar de um aluno e a construção do seu conhecimento. Recorreu-se à aplicação de um índice de Sensação de Conforto Térmico, EsConTer, de fácil uso e a uma escala térmica de cores onde o aluno indicava a sua sensação térmica. Os resultados obtidos mostraram inequivocamente que o ambiente térmico de uma sala de aula pode ser previsto através da aplicação do índice EsConTer e que a sensação térmica sentida pelos alunos pode ser registada com a utilização de uma escala térmica de cores. O conforto térmico é uma temática interessante, uma vez que está presente no nosso dia-a-dia. É sabido que um ambiente térmico afeta o bem-estar de uma pessoa e pode influenciar a produtividade intelectual. Se o ambiente térmico tiver características de “quente” ou de “frio” pode suscitar desconforto térmico, ou até mesmo stress térmico. Nestas condições o ambiente térmico pode afetar a saúde da pessoa. Usando o laboratório mais acessível e gratuito, a Atmosfera, é possível através de atividades simples interpretar fisicamente as características de um ambiente térmico. A Atmosfera é, também, um fascinante laboratório de ensino, porque nela se podem estudar alguns processos físicos lecionados ao longo dos mais variados níveis de ensino nas disciplinas de Física e Química e Geografia. Na Atmosfera, podem-se fazer diversos estudos simples que podem de uma forma fácil responder a inquietantes questões relacionadas com o bem-estar de uma pessoa, mais concretamente se está em conforto térmico. Neste trabalho é feita a introdução da temática “Mudança Global” lecionada no 8º ano de escolaridade. A ponte para esta temática pode usar diferentes caminhos, como por exemplo usando a temática “Energia”. Procurou-se responder à questão de investigação que delineou todo o “caminho” deste trabalho, ou seja, “Quais as contribuições para o Ensino nas Ciências, quando se usa a temática “Conforto Térmico”, numa perspetiva de ensino e aprendizagem?” A resposta a esta questão central passou pelos seguintes objetivos: articular as condições atmosféricas com o conforto térmico; avaliar o conforto térmico numa sala de aula usando instrumentos meteorológicos simples, que podem ser construídos pelos alunos; avaliar quais os índices térmicos que devem ser usados para avaliar o conforto térmico de forma simples para os alunos; analisarem os materiais usados na construção de edifícios escolares que condicionam o conforto térmico numa perspetiva de balanço energético; sugerir atividades experimentais que podem desenvolver competências na temática Conforto Térmico; analisar a influência do conforto térmico registado no interior de uma sala de aula e a aprendizagem. Neste trabalho foi usada uma inovadora metodologia e ferramentas para interpretar como um ambiente térmico pode influenciar o bem-estar de um aluno e a construção do seu conhecimento. Recorreu-se à aplicação de um índice de Sensação de Conforto Térmico, EsConTer, de fácil uso e a uma escala térmica de cores onde o aluno indicava a sua sensação térmica. Os resultados obtidos mostraram inequivocamente que o ambiente térmico de uma sala de aula pode ser previsto através da aplicação do índice EsConTer e que a sensação térmica sentida pelos alunos pode ser registada com a utilização de uma escala térmica de cores.O conforto térmico é uma temática interessante, uma vez que está presente no nosso dia-a-dia. É sabido que um ambiente térmico afeta o bem-estar de uma pessoa e pode influenciar a produtividade intelectual. Se o ambiente térmico tiver características de “quente” ou de “frio” pode suscitar desconforto térmico, ou até mesmo stress térmico. Nestas condições o ambiente térmico pode afetar a saúde da pessoa. Usando o laboratório mais acessível e gratuito, a Atmosfera, é possível através de atividades simples interpretar fisicamente as características de um ambiente térmico. A Atmosfera é, também, um fascinante laboratório de ensino, porque nela se podem estudar alguns processos físicos lecionados ao longo dos mais variados níveis de ensino nas disciplinas de Física e Química e Geografia. Na Atmosfera, podem-se fazer diversos estudos simples que podem de uma forma fácil responder a inquietantes questões relacionadas com o bem-estar de uma pessoa, mais concretamente se está em conforto térmico. Neste trabalho é feita a introdução da temática “Mudança Global” lecionada no 8º ano de escolaridade. A ponte para esta temática pode usar diferentes caminhos, como por exemplo usando a temática “Energia”. Procurou-se responder à questão de investigação que delineou todo o “caminho” deste trabalho, ou seja, “Quais as contribuições para o Ensino nas Ciências, quando se usa a temática “Conforto Térmico”, numa perspetiva de ensino e aprendizagem?” A resposta a esta questão central passou pelos seguintes objetivos: articular as condições atmosféricas com o conforto térmico; avaliar o conforto térmico numa sala de aula usando instrumentos meteorológicos simples, que podem ser construídos pelos alunos; avaliar quais os índices térmicos que devem ser usados para avaliar o conforto térmico de forma simples para os alunos; analisarem os materiais usados na construção de edifícios escolares que condicionam o conforto térmico numa perspetiva de balanço energético; sugerir atividades experimentais que podem desenvolver competências na temática Conforto Térmico; analisar a influência do conforto térmico registado no interior de uma sala de aula e a aprendizagem. Neste trabalho foi usada uma inovadora metodologia e ferramentas para interpretar como um ambiente térmico pode influenciar o bem-estar de um aluno e a construção do seu conhecimento. Recorreu-se à aplicação de um índice de Sensação de Conforto Térmico, EsConTer, de fácil uso e a uma escala térmica de cores onde o aluno indicava a sua sensação térmica. Os resultados obtidos mostraram inequivocamente que o ambiente térmico de uma sala de aula pode ser previsto através da aplicação do índice EsConTer e que a sensação térmica sentida pelos alunos pode ser registada com a utilização de uma escala térmica de cores.No geral, os alunos com a professora investigadora puderam afirmar que a avaliação de conhecimentos adquiridos pelos alunos, na sala de aula, é condicionada pela sensação térmica sentida para ambientes considerados de “frios” e ambientes considerados de “quentes”. Concluiu-se, que o processo de aprendizagem é afetado pelas condições termohigrométricas do ambiente que rodeiam os alunos. É importante salientar, que a análise de resultados mostrou que quando os valores da sensação térmica sentida pelos alunos é inferior a -0,5, ou superior a +0,5 da escala térmica de cores, os resultados obtidos da avaliação de conhecimentos tendem a ser negativos e quando a sensação térmica sentida pelos alunos se localiza na zona de conforto térmico, ou seja, entre os valores de -0,5 e +0,5, os resultados são, no geral, positivos, o que confirma que os resultados das avaliações de conhecimentos, para os alunos, depende do ambiente térmico. Foi possível ainda constatar que quando a sensação térmica sentida pelos alunos regista valores baixos com tendência a “frio” (-2) ou altos com tendência a “quente” (+2) os resultados obtidos pelos alunos são, no geral, bastante negativos. O grau de insatisfação previsto para cada ambiente térmico quando se usou o índice EsConTer, mostrou concordância de interpretação em face da sensação térmica sentida pelos alunos e registada na escala de sensação térmica de cores. Pensamos ter evidências suficientes para afirmar que a abordagem didática utilizada, considerada de inovadora, durante a realização do trabalho, na disciplina de Ciências Físico-Químicas promoveu nos alunos o gosto pela disciplina e que os resultados obtidos indicam que: os alunos sentiram interesse e motivação pela disciplina, conseguiram compreender a sua importância para o seu futuro e para o seu dia-a-dia, pois conseguiram ver a aplicação dos diversos conteúdos abordados na disciplina em diversas situações do seu quotidiano; a verdadeiros “investigadores”, suscitando assim um maior envolvimento e motivação nos alunos; a utilização de questões problema para a introdução dos conteúdos foi uma estratégia que os alunos consideraram uma mais-valia, uma vez que associados a essas questões existiram discussões e debates que promoveram a participação de todos os alunos, tornando as aulas mais interativas e mais motivantes. Importa salientar que ao longo dos diversos debates surgiram, ainda, mais questões que foram muito úteis, pois os alunos aquando da realização das atividades práticas tentaram sempre ir em busca das respostas às suas inquietações e ajudaram a que a professora investigadora implementasse, ainda mais, atividades para que os alunos conseguissem por eles próprios encontrar as respostas e percebessem o que estavam a trabalhar; as aulas foram importantes para a aprendizagem dos conteúdos da disciplina e contribuíram para desmitificar a ideia de que a disciplina de Física e Química é “difícil”, pois os alunos perceberam que os conteúdos abordados podem de uma forma simples e eficaz serem aplicados a situações do seu dia-a-dia. Assim, considerando os pressupostos anteriores, podemos afirmar que as estratégias implementadas foram, de uma forma geral, promotoras de motivação, de participação dos alunos nas aulas e nas suas aprendizagens. Estamos convictos de que toda a metodologia adotada é uma forte contribuição para o Ensino nas Ciências, nomeadamente, na Física e Química, usando uma temática Conforto Térmico e que o método usado é uma ferramenta importante e inovadora para avaliar como situações de desconforto térmico podem condicionar o processo de aprendizagem dos alunos. Pensamos que este trabalho é bastante interessante para os profissionais de ensino, nomeadamente para os professores de Física e Química e de Geografia, uma vez que mostra como a partir de dados como a temperatura do ar e da humidade relativa do ar se podem fazer fascinantes estudos e envolver ativamente os alunos. Nos trabalhos desenvolvidos houve sempre o cuidado de criar metodologias dinâmicas e motivadoras, aliadas sempre à perspetiva CTSA, com vista ao melhoramento das aulas e, também, deixar uma contribuição para os colegas, profissionais de ensino, que eventualmente analisarem este documento. A metodologia adoptada permitiu encontrar respostas às questões formuladas. Por último, podemos afirmar que numa problemática energética que afeta a humanidade, os políticos através de alguns indicadores apresentados neste estudo, poderão considerar que os resultados obtidos pelos alunos são influenciados pelo ambiente térmico de cada sala de aula e que a solução de melhorar resultados é, também, criar condições de conforto térmico nas salas de aula das escolas. Partilhamos da opinião que os resultados nacionais obtidos pelos alunos por si só são redutores em análise comparativa de melhor ou pior escola em termos de ranking. Consideramos que uma escola confortável gera condições de bem-estar que condiciona o processo de aprendizagem ao longo do ano.

Alkaline-earth aluminosilicate-based glass and glass-ceramic sealants for functional applications

The planar design of solid oxide fuel cell (SOFC) is the most promising one due to its easier fabrication, improved performance and relatively high power density. In planar SOFCs and other solid-electrolyte devices, gas-tight seals must be formed along the edges of each cell and between the stack and gas manifolds. Glass and glass-ceramic (GC), in particular alkaline-earth alumino silicate based glasses and GCs, are becoming the most promising materials for gas-tight sealing applications in SOFCs. Besides the development of new glass-based materials, new additional concepts are required to overcome the challenges being faced by the currently existing sealant technology. The present work deals with the development of glasses- and GCs-based materials to be used as a sealants for SOFCs and other electrochemical functional applications. In this pursuit, various glasses and GCs in the field of diopside crystalline materials have been synthesized and characterized by a wide array of techniques. All the glasses were prepared by melt-quenching technique while GCs were produced by sintering of glass powder compacts at the temperature ranges from 800−900 ºC for 1−1000 h. Furthermore, the influence of various ionic substitutions, especially SrO for CaO, and Ln2O3 (Ln=La, Nd, Gd, and Yb), for MgO + SiO2 in Al-containing diopside on the structure, sintering and crystallization behaviour of glasses and properties of resultant GCs has been investigated, in relevance with final application as sealants in SOFC. From the results obtained in the study of diopside-based glasses, a bilayered concept of GC sealant is proposed to overcome the challenges being faced by (SOFCs). The systems designated as Gd−0.3 (in mol%: 20.62MgO−18.05CaO−7.74SrO−46.40SiO2−1.29Al2O3 − 2.04 B2O3−3.87Gd2O3) and Sr−0.3 (in mol%: 24.54 MgO−14.73 CaO−7.36 SrO−0.55 BaO−47.73 SiO2−1.23 Al2O3−1.23 La2O3−1.79 B2O3−0.84 NiO) have been utilized to realize the bi-layer concept. Both GCs exhibit similar thermal properties, while differing in their amorphous fractions, revealed excellent thermal stability along a period of 1,000 h. They also bonded well to the metallic interconnect (Crofer22APU) and 8 mol% yttrium stabilized zirconium (8YSZ) ceramic electrolyte without forming undesirable interfacial layers at the joints of SOFC components and GC. Two separated layers composed of glasses (Gd−0.3 and Sr−0.3) were prepared and deposited onto interconnect materials using a tape casting approach. The bi-layered GC showed good wetting and bonding ability to Crofer22APU plate, suitable thermal expansion coefficient (9.7–11.1 × 10–6 K−1), mechanical reliability, high electrical resistivity, and strong adhesion to the SOFC componets. All these features confirm the good suitability of the investigated bi-layered sealant system for SOFC applications.