Piezoelectricity and ferroelectricity in amino acid glycine

Bioorganic ferroelectrics and piezoelectrics are becoming increasingly important in view of their intrinsic compatibility with biological environment and biofunctionality combined with strong piezoelectric effect and switchable polarization at room temperature. Here we study piezoelectricity and ferroelectricity in the smallest amino acid glycine, representing a broad class of non-centrosymmetric amino acids. Glycine is one of the basic and important elements in biology, as it serves as a building block for proteins. Three polymorphic forms with different physical properties are possible in glycine (α, β and γ), Of special interest for various applications are non-centrosymmetric polymorphs: β-glycine and γ-glycine. The most useful β-polymorph being ferroelectric took much less attention than the other due to its instability under ambient conditions. In this work, we could grow stable microcrystals of β-glycine by the evaporation of aqueous solution on a (111)Pt/Ti/SiO2/Si substrate as a template. The effects of the solution concentration and Pt-assisted nucleation on the crystal growth and phase evolution were characterized by X-ray diffraction analysis and Raman spectroscopy. In addition, spin-coating technique was used for the fabrication of highly aligned nano-islands of β-glycine with regular orientation of the crystallographic axes relative the underlying substrate (Pt). Further we study both as-grown and tip-induced domain structures and polarization switching in the β-glycine molecular systems by Piezoresponse Force Microscopy (PFM) and compare the results with molecular modeling and computer simulations. We show that β-glycine is indeed a room-temperature ferroelectric and polarization can be switched by applying a bias to non-polar cuts via a conducting tip of atomic force microscope (AFM). Dynamics of these in-plane domains is studied as a function of applied voltage and pulse duration. The domain shape is dictated by both internal and external polarization screening mediated by defects and topographic features. Thermodynamic theory is applied to explain the domain propagation induced by the AFM tip. Our findings suggest that β-glycine is a uniaxial ferroelectric with the properties controlled by the charged domain walls which in turn can be manipulated by external bias. Besides, nonlinear optical properties of β-glycine were investigated by a second harmonic generation (SHG) method. SHG method confirmed that the 2-fold symmetry is preserved in as-grown crystals, thus reflecting the expected P21 symmetry of the β-phase. Spontaneous polarization direction is found to be parallel to the monoclinic [010] axis and directed along the crystal length. These data are confirmed by computational molecular modeling. Optical measurements revealed also relatively high values of the nonlinear optical susceptibility (50% greater than in the z-cut quartz). The potential of using stable β-glycine crystals in various applications are discussed in this work.

Biologia e biotecnologia vegetal numa perspectiva de sustentabilidade

A importância de áreas científicas, como biologia e biotecnologia na vida humana é cada vez mais reconhecida. Assim, é necessário que professores, actuais e futuros, e investigadores desenvolvam programas de formação/investigação orientados para a compreensão de conteúdos científicos e questionamento da natureza destas áreas e, simultaneamente, para utilizações conscienciosas de conhecimento científico na vida prática. É neste quadro que se insere a investigação realizada e apresentada na presente dissertação. Para responder à questão central:”Como proporcionar formação em biologia e biotecnologia para o mundo contemporâneo a alunos futuros professores de ciências?”, a investigação envolveu dois percursos gerais de trabalho: i) Autoformação em biologia e biotecnologia vegetal numa perspectiva investigativa e ii) Desenvolvimento de percursos investigativos em formação inicial de professores de ciências para o Ensino Básico, envolvendo temáticas actuais relacionadas com biologia e biotecnologia. Globalmente, a investigação baseou-se em três pressupostos: 1º) É oportuno e necessário mobilizar conhecimentos oriundos da investigação científica actual em biologia e biotecnologia para conceber, planear e desenvolver actividades de formação inicial de professores de ciências, 2º) O perfil profissional de professores envolvidos em formação inicial de professores de ciências deve integrar competências científicas, desenvolvidas em trabalho investigativo e 3º). Aos alunos-futuros professores de ciências devem proporcionar-se oportunidades para desenvolverem reflexão epistemológica e trabalho investigativo, para mobilizarem adequadamente conhecimento oriundo de investigação científica actual e desenvolverem competências na tripla perspectiva de educação sobre ciências, pelas ciências e em ciências. A autoformação desenvolveu-se no âmbito de dois projectos em biologia e biotecnologia vegetal, designadamente, Toxicidade do chumbo em alface, onde se testou o efeito do chumbo em alface (Lactuca sativa), e Micropropagação de zimbro, onde se implementaram metodologias de micropropagação/clonagem de uma espécie em risco em Porto Santo, Juniperus Phoenicea. O desenvolvimento de percursos investigativos, com e por alunos-futuros professores de ciências, efectuou-se no âmbito de uma disciplina de um curso de licenciatura em Ciências da Natureza e Matemática para o 2º ciclo do Ensino Básico. Estes percursos compreenderam reflexão epistemológica e o desenvolvimento de trabalho investigativo que envolveu um conjunto de estratégias e recursos, incorporando conteúdos de toxicologia ambiental e de biotecnologia vegetal numa perspectiva de inter-relações ciência, tecnologia e sociedade. Os resultados relativos ao desenvolvimento destes percursos investigativos evidenciaram o interesse e importância de se desenvolverem em temáticas científicas actuais e relevantes para o mundo contemporâneo, como via de autoformação, por um lado, e como estratégia de formação de alunos-futuros professores de ciências, orientada por preocupações de educação para o desenvolvimento sustentável, por outro. Simultaneamente, permitiram que todos os intervenientes, em particular os alunos-futuros professores de ciências, aprofundassem conhecimentos sobre contextos e processos envolvidos em formação em biologia e biotecnologia para o mundo contemporâneo e identificassem implicações para a formação de professores. Permitiram, ainda, apontar sugestões para investigação futura neste domínio.

Abordagens ao ensino e práticas de questionamento no ensino superior

A emergência de uma nova Sociedade baseada na Informação e no Conhecimento despoletou transformações pedagógicas profundas nas instituições de Ensino Superior. Esta agenda para a inovação, no sentido de um ensino mais centrado nos alunos e no desenvolvimento de competências, tem exigido um esforço acrescido de toda a comunidade académica e, sobretudo, por parte dos professores universitários. Num contexto de recetividade para a mudança, mas com dificuldade de operacionalização da mesma, este estudo visa contribuir para a compreensão e superação de fatores que parecem dificultar a transposição da inovação para as práticas de ensino-aprendizagem correntes, através de duas frentes investigativas: i) caracterizar os docentes na sua dimensão conceptual, o que pensam e o que os motiva, e na sua dimensão prática, isto é, as estratégias didáticas que adotam e adaptam; e ainda, ii) criar oportunidades de concretização de inovação através do desenho de estratégias promotoras de questionamento dos alunos, e também dos docentes. A formulação de questões, e a procura de respostas, é reconhecida como sendo fundamental no desenvolvimento e na aplicação de competências centrais, tais como o pensamento crítico e reflexivo, sendo igualmente importante na resolução de problemas. Assim, numa articulação dinâmica entre conhecer, compreender e agir, a investigação envolveu uma colaboração próxima com um grupo de quatro docentes universitários, ao longo de dois anos letivos consecutivos (2009/2010 e 2010/2011), na conceptualização e implementação de diversas estratégias didáticas impulsionadoras do questionamento dos alunos, promovendo-se igualmente o questionamento reflexivo nos docentes. O trabalho foi desenvolvido no contexto de duas unidades curriculares semestrais (Microbiologia e Temas e Laboratórios em Biologia), destinadas sobretudo a alunos do primeiro ano. Enquanto estudo longitudinal de casos múltiplos, com características etnográficas e de investigação-ação, o trabalho de campo envolveu a combinação de diversos métodos de recolha de dados. Realizaram-se várias observações de aulas, assim como entrevistas semi-estruturadas, aos quatro professores colaboradores, e a alguns dos seus alunos. Aplicou-se ainda, em momentos específicos da investigação, uma versão portuguesa do Approaches to Teaching Inventory – ATI (Trigwell, Prosser, & Ginns, 2005) aos docentes. Recolheram-se também todos os documentos escritos produzidos pelos alunos e pelos professores no âmbito da investigação. Todo o desenho investigativo, assim como a análise dos dados, nomeadamente análise de conteúdo e análise documental, encontra-se fundamentado na literatura teórico-empírica de três áreas da especialidade: estudo do questionamento, análise do discurso oral em contexto de aulas de ciências e estudo das conceções e práticas de ensino dos docentes universitários, destacando-se nesta última a linha investigativa das Abordagens ao Ensino. Os resultados obtidos, assim como a reflexão sobre o percurso investigativo, possibilitaram a obtenção de contributos inovadores e úteis no sentido da promoção de um Ensino Superior de qualidade. Por um lado, são de salientar as evidências recolhidas com os quatro casos (docentes) que apontam para uma natureza integrativa das conceptualizações de ensino, constituindo um contributo teórico relevante para o debate académico desta área. Por outro, foi possível aceder a dinâmicas associadas à formulação de questões por docentes universitários em contexto de aulas teórico-práticas e práticas, através do desenvolvimento e aplicação de um modelo de categorização de questionamento. Por fim, a conjugação de evidências do campo das ‘teorias de ensino’ (observação indireta) com as ‘práticas de ensino’ (observação direta) dos docentes possibilitou a identificação e caracterização de uma possível relação entre Práticas de Questionamento e Abordagens ao Ensino de professores universitários, ampliando desta forma o modelo conceptual de Keith Trigwell e colaboradores (Trigwell, Prosser, & Taylor, 1994). Enquanto investigação híbrida que se orientou por princípios do paradigma interpretativo-naturalista, e, também, do paradigma sócio-crítico, foi igualmente possível identificar um conjunto de recomendações específicas para a inovação e para a reflexividade, no sentido de estimular a comunidade académica, e os professores universitários em particular, a agirem como promotores de estratégias didáticas centradas no desenvolvimento de competências.