Spin-Peierls vs Peierls distortions in a family of conjugated polymers

Distortions in a family of conjugated polymers are studied using two complementary approaches: within a many-body valence bond approach using a transfer-matrix technique to treat the Heisenberg model of the systems, and also in terms of the tight-binding band-theoretic model with interactions limited to nearest neighbors. The computations indicate that both methods predict the presence or absence of the same distortions in most of the polymers studied.

Valence-bond treatment of distortions in polyacene polymers

Distortions of polyacene polymers are studied within a many-body valence-bond framework using a powerful transfer-matrix technique for the valence-bond (or Heisenberg) model of the system. The computations suggest that the ground-state geometry is either totally symmetric or possibly exhibits a slight (A2 or B2 symmetry) bond-alternation distortion. The lowest-energy (nonsymmetric, in-plane) distortions are the A2 and B2 modes, which, within our approximations, are degenerate.

Reliability of the density functional approximation to describe the charge transfer and electrostatic complexes involved in the modeling of organic conducting polymers

Both the intermolecular interaction energies and the geometries for M ̄ thiophene, M ̄ pyrrole, M n+ ̄ thiophene, and M n+ ̄ pyrrole ͑with M = Li, Na, K, Ca, and Mg; and M n+ = Li+ , Na+ , K+ , Ca2+, and Mg2+͒ have been estimated using four commonly used density functional theory ͑DFT͒ methods: B3LYP, B3PW91, PBE, and MPW1PW91. Results have been compared to those provided by HF, MP2, and MP4 conventional ab initio methods. The PBE and MPW1PW91 are the only DFT methods able to provide a reasonable description of the M ̄ complexes. Regarding M n+ ̄ ␲ complexes, the four DFT methods have been proven to be adequate in the prediction of these electrostatically stabilized systems, even though they tend to overestimate the interaction energies.

The role of intramolecular barriers on the glass transition of polymers: computer simulations versus mode coupling theory

We present computer simulations of a simple bead-spring model for polymer melts with intramolecular barriers. By systematically tuning the strength of the barriers, we investigate their role on the glass transition. Dynamic observables are analyzed within the framework of the mode coupling theory (MCT). Critical nonergodicity parameters, critical temperatures, and dynamic exponents are obtained from consistent fits of simulation data to MCT asymptotic laws. The so-obtained MCT λ-exponent increases from standard values for fully flexible chains to values close to the upper limit for stiff chains. In analogy with systems exhibiting higher-order MCT transitions, we suggest that the observed large λ-values arise form the interplay between two distinct mechanisms for dynamic arrest: general packing effects and polymer-specific intramolecular barriers. We compare simulation results with numerical solutions of the MCT equations for polymer systems, within the polymer reference interaction site model (PRISM) for static correlations. We verify that the approximations introduced by the PRISM are fulfilled by simulations, with the same quality for all the range of investigated barrier strength. The numerical solutions reproduce the qualitative trends of simulations for the dependence of the nonergodicity parameters and critical temperatures on the barrier strength. In particular, the increase in the barrier strength at fixed density increases the localization length and the critical temperature. However the qualitative agreement between theory and simulation breaks in the limit of stiff chains. We discuss the possible origin of this feature.

Disseny i caracterització d'estructures RF amb printed electronics per a RFID

En els últims anys printed electronics està aixecant un gran interès entre la indústria electrònica. Aquest tipus de procés consisteix en imprimir circuits amb tècniques d'impressió convencionals utilitzant tintes conductores, resistives, dielèctriques o semiconductores sobre substrats flexibles de baix cost com paper o plàstic. Fer servir aquestes tècniques s'espera que suposi una reducció dels costos de producció degut a que és un procés totalment additiu el que fa que sigui més senzill i es redueixi la quantitat de material emprat. El disseny de dispositius bàsics com resistències, condensadors i bobines per posteriorment veure la relació entre simulacions i valors obtinguts ha ocupat la primera part del projecte. La segona s’ha centrat en fer prototips d’antenes per a RFID (Radio Frequency IDentification) amb la tecnologia que es disposa a CEPHIS (Centre de Prototips i Solucions Hardwre-Software). Tot això ha servit per caracteritzar la tecnologia de la que es disposa i saber en quins apartats s’ha de seguir treballant per aconseguir millors prestacions.

Desenvolupament de vacunes peptídiques y dendrímers basats en polietilenglicol per al tractament del càncer

El principal problema de les teràpies actuals contra el càncer es la baixa especificitat envers les cèl•lules tumorals, cosa que comporta gran quantitat d’efectes secundaris. Per això es important el desenvolupament de nous tipus de teràpies i sistemes d’alliberament efectius per als fàrmacs ja existents al mercat. En la immunoteràpia contra el càncer es pretén estimular el sistema immunològic per a eliminar les cèl•lules canceroses de manera selectiva. En aquest projecte s’han sintetitzat derivats de l’antigen peptídic de melanoma NY-ESO1 i s’ha estudiat la seva capacitat per a estimular el sistema immunològic com a vacunes contra el càncer. També s’han encapsulat el antígens peptídics en liposomes com a adjuvants i sistemes d’alliberament. De totes les variants peptídiques la que resultà més immunogènica fou la que contenia el grup palmitoil i el fragment toxoide tetànic en la seva estructura. La utilització de liposomes com a sistema adjuvant sembla una estratègia interessant per al disseny de vacunes contra el càncer donat que l’encapsulació del pèptid en liposomes va augmentar notablement la resposta immunològica de l’antigen. Per altra banda, s’han desenvolupat dendrímers basats en polietilenglicol com a sistemes alliberadors de fàrmacs per al tractament de tumors. El polietilenglicol és àmpliament utilitzat com a sistema d’alliberament de fàrmacs degut a les seves interessants propietats, augment de la solubilitat i dels temps de residència en plasma, entre d’altres. La metodologia química descrita permet la diferenciació controlada de varies posicions en la superfície del dendrímer a més del creixement del dendrímer fins a una segona generació. S’ha sintetitzat la primera generació del dendrímer contenint el fàrmac antitumoral 5-fluorouracil i s’han realitzat estudis de citotoxicitat comprovant que l’activitat del nanoconjugat és del mateix ordre de magnitud que el 5-fluorouracil sense conjugar.

Dinàmica de sistemes mesoscòpics amb correlacions quàntiques mitjançant la formulació de de Broglie-Bohm

Per a determinar la dinàmica espai-temporal completa d’un sistema quàntic tridimensional de N partícules cal integrar l’equació d’Schrödinger en 3N dimensions. La capacitat dels ordinadors actuals permet fer-ho com a molt en 3 dimensions. Amb l’objectiu de disminuir el temps de càlcul necessari per a integrar l’equació d’Schrödinger multidimensional, es realitzen usualment una sèrie d’aproximacions, com l’aproximació de Born–Oppenheimer o la de camp mig. En general, el preu que es paga en realitzar aquestes aproximacions és la pèrdua de les correlacions quàntiques (o entrellaçament). Per tant, és necessari desenvolupar mètodes numèrics que permetin integrar i estudiar la dinàmica de sistemes mesoscòpics (sistemes d’entre tres i unes deu partícules) i en els que es tinguin en compte, encara que sigui de forma aproximada, les correlacions quàntiques entre partícules. Recentment, en el context de la propagació d’electrons per efecte túnel en materials semiconductors, X. Oriols ha desenvolupat un nou mètode [Phys. Rev. Lett. 98, 066803 (2007)] per al tractament de les correlacions quàntiques en sistemes mesoscòpics. Aquesta nova proposta es fonamenta en la formulació de la mecànica quàntica de de Broglie– Bohm. Així, volem fer notar que l’enfoc del problema que realitza X. Oriols i que pretenem aquí seguir no es realitza a fi de comptar amb una eina interpretativa, sinó per a obtenir una eina de càlcul numèric amb la que integrar de manera més eficient l’equació d’Schrödinger corresponent a sistemes quàntics de poques partícules. En el marc del present projecte de tesi doctoral es pretén estendre els algorismes desenvolupats per X. Oriols a sistemes quàntics constituïts tant per fermions com per bosons, i aplicar aquests algorismes a diferents sistemes quàntics mesoscòpics on les correlacions quàntiques juguen un paper important. De forma específica, els problemes a estudiar són els següents: (i) Fotoionització de l’àtom d’heli i de l’àtom de liti mitjançant un làser intens. (ii) Estudi de la relació entre la formulació de X. Oriols amb la aproximació de Born–Oppenheimer. (iii) Estudi de les correlacions quàntiques en sistemes bi- i tripartits en l’espai de configuració de les partícules mitjançant la formulació de de Broglie–Bohm.

Elaboració de membranes de fibra buida modificades amb nanopartícules metàl·liques per aplicacions catalítiques

Investigación producida a partir de una estancia en la Université Paul Sabatier, Toulouse III - CNRS, entre 2007 y 2009. Durante los últimos años la investigación centrada en nuevos materiales de tamaño nanoscòpico (nanopartículas, quantum dots, nanotubos de carbono,...) ha experimentado un crecimiento considerable debido a las especiales propiedades de los "nanoobjetos" con respecto a magnetismo, catálisis, conductividad eléctrica, etc ... Sin embargo, hoy en día todavía existen pocas aplicaciones de las nanopartículas en temas medioambientales. Uno de los motivos de esta situación es la posible toxicidad de los nanoobjetos, pero existe también una dificultad tecnológica dado que las nanopartículas tienden a agregarse y es muy difícil manipularlas sin que pierdan sus propiedades especiales. Así, aunque la preparación de materiales catalíticos nanoestructurados es muy interesante, es necesario definir nuevas estrategias para prepararlos. Este proyecto de investigación tiene como objetivo principal la preparación de nuevas membranas catalíticas con nanopartículas metálicas en el interior para aplicaciones de tratamiento de agua. La innovación principal de este proyecto consiste en que las nanopartículas no son introducidas en la matriz polimérica una vez preformadas sino que se hacen crecer en el interior de la matriz polimérica mediante una síntesis intermatricial. El único requisito es que la matriz polimérica contenga grupos funcionales capaces de interaccionar con los precursores de las nanopartículas. Una vez finalizado el proyecto se puede afirmar que se han logrado parte de los objetivos planteados inicialmente. Concreamente ha quedado demostrado que se pueden sintetizar nanopartículas metálicas de metales nobles (platino y paladio) en membranas de fibra hueca de micro- y ultrafiltración siguiendo dos metodologías diferentes: modificación fotoquímica de polímeros y deposición de multicapas de polielectrolitos. Los nuevos materiales son efectivos en la catálisis de reducción de un compuesto modelo (4-nitrofenol con borohidruro de sodio) y, en general, los resultados han sido satisfactorios. Sin embargo, se ha puesto de manifiesto que el uso de un reactivo que genera hidrógeno gas en contacto con la solución acuosa dificulta enormemente la implementación de la reacción catalítica al ser el medio de la membrana una matriz porosa. Así, como conclusión principal se puede decir que se han encontrado las limitaciones de esta aproximación y se sugieren dos posibilidades de continuidad: la utilización de las membranas sintetizadas en contactores gas-líquido o bien el estudio y optimización del sistema de membrana en configuración de membranas planas, un objetivo más asequible dada su menor complejidad. Esta investigación se ha realizado en el seno del “Laboratoire de Génie Chimique” de Toulouse y del Departamento de Química de la Michigan State University y ha sido posible gracias a un proyecto financiado por la “Agence National pour la Recherce” y al programa PERMEANT entre el CNRS y la NSF.

Disseny d’un banc d’assaig d’efectes diferits en elements de formigó armat amb barres FRP

L'objectiu d'aquest projecte és el disseny dels bancs d'assaig necessaris per poder realitzar tres assajos de fisuració i deformació diferida al laboratori de resistència de materials de la UdGsobre provetes i bigues de formigó armat amb FRP i estudiar- ne el comportament. El primer assaig és el de fluència del formigó, on es sotmet una proveta a una compressió mantinguda en el temps. El segon assaig és un de tracció directa, on s'aplica una càrrega a tracció mantinguda en el temps en una proveta de formigó armat amb una barra FRP de reforç intern. El tercer és un assaig a flexió, on es carregarà una biga a flexió durant un període llarg de temps

Modelització de la producció de melanina a partir de polifenol oxidasa d'Agaricus bisporus

Les melanines són un grup heterogeni de polímers producte de reaccions enzimàtiques en els teixits vegetals que contenen compostos fenòlics o polifenòlics. Estudis recents han descobert algunes propietats benèfiques de les melanines sobre la salut, tals com antioxidants, antiinflamatòries, immunològiques i propietats anti-tumorals. Així, no només la seva eliminació ha de ser examinada, sinó que també podria considerar-se la seva addició a aliments funcionals de nova creació. D’aquesta manera, es requereix conèixer el mecanisme cinètic de la lanogènesi abans de la seva possible utilització industrial. S’ha desenvolupat un model cinètic per explicar la formació de melanina a partir de L-tirosina utilitzant polifenol oxidasa d’Agaricus bisporus i monitoritzant l'absorbància de la solució. Aquesta expressió permet descriure la formació de melanina en funció del temps de reacció i obtenir alguns paràmetres importants que defineixen el producte, com el coeficient d'extinció. L’absorbància comença a créixer després d'un període de latència en què es produeixen productes intermedis incolors. El coeficient d'extinció dels productes resultants no és un valor constant, perquè depèn de les condicions de cada experiment. La tirosinasa tingué un menor efecte catalitzador sobre la L-tirosina (primera reacció que catalitza), que sobre L-DOPA (segona reacció).

Preparació d'un ciment ossi acrílic modificat amb hidroxiapatita d'origen natural

El ciment ossi es prepara barrejant dos components, un sòlid (en format de pols) i l'altre líquid. En general, en la major part de productes comercials el constituent en pols conté polimetacrilat de metil (PMMA), un agent radioopac i peròxid de benzoïl (BPO) com a iniciador, mentre que el component líquid conté metacrilat de metil (MMA) com a monòmer i com activador la (N,Ndimetil- p-toluidina). Els continguts de cada constituent poden variar lleugerament d'una marca comercial a una altra. En barrejar els dos components es produeix la polimerització i té lloc l'enduriment del ciment. Es planteja la modificació de la formulació convencional del ciment ossi acrílic amb el component inorgànic majoritari dels ossos, és a dir, la hidroxiapatita (HA) (fosfat doble de sodi i calci) amb una relació molar (Ca/P) de 1,67. La HA i particularment la d’origen mineral o de síntesi, no és un component innovador en aquesta disciplina científica, però l’ús de la HA d’origen natural (procedent d’ossos de porc) introdueix la possibilitat d’incorporar un material molt econòmic que pot millorar la resistència mecànica del material sense perjudici de millorar la biocompatibilitat amb teixit ossi viu. Es planteja un treball de cerca d’un material que permeti la fixació de pròtesis articulades o bé pugui ser considerat com a sistema de farciment de cavitat òssies derivades de procesos osteoporòtics. Per arribar a trobar aquest material amb les propietats desitjades es preparen ciments amb diferents continguts en HA natural. Posteriorment es caracteritzen diferents propietats fisico-químiques dels materials les quals permetran prendre decisions a l’hora de determinar la viabilitat tècnica dels materials (tèrmic, mecànic i morfològic). Finalment, es realitza un estudi “in vitro” amb cultius cel•lulars per tal de determinar la biocompatibilitat del material

Transformació d'una màquina de tecnologia additiva per a la fabricació d'scaffolds

Grup de Recerca en Enginyeria de Producte, Procés i Producció de la Universitat de Girona té en les seves instal•lacions una RepRap model Prusa Mendel. Un dels seus àmbits d’investigació és el sector mèdic. Una de les aplicacions més innovadores de les tecnologies additives, emmarcada dins del camp mèdic, és la fabricació de scaffolds. En la medicina regenerativa, els scaffolds s’utilitzen com estructures biodegradables implantables que serveixen de base per a la correcte reproducció de teixit a partir de cèl•lules no diferenciades. L’objecte del projecte és aconseguir fabricar scaffolds amb la Reprap. Per tald’assolir aquest objectiu final caldran molts passos previs. En el moment que s’inicia elpresent projecte la RepRap té tots els seus components muntats, el cablejat instal•lat i el firmware inicial a la placa. Així, en primer lloc cal obtenir una correcta comunicació entre la màquina i l’ordinador a través del qual es podrà accedir a la placa per tal de realizar ajustaments. Una vegada la màquina obeeixi les ordres de moviment en la magnitud i la direcció desitjada serà el moment d’ajustar els paràmetres propis de la impressió. Aquests varien en funció de l’extrusor i el material a utilitzar. En aquest punt es passarà a dissenyar i fabricar diferents tipus de scaffolds variant les estratègies i les geometries. Aquests dissenys seran testats mecànicament a compressió. També seran analitzats geomètricament i se’n determinarà la porositat. Finalment, a partir de l’anàlisi dels resultats s’intentarà trobar una relació entre les diferents formes geomètriques, les porositats i la resistència

Anharmonicity contributions to the vibrational second hyperpolarizability of conjugated oligomers

Restricted Hartree-Fock 6-31G calculations of electrical and mechanical anharmonicity contributions to the longitudinal vibrational second hyperpolarizability have been carried out for eight homologous series of conjugated oligomers - polyacetylene, polyyne, polydiacetylene, polybutatriene, polycumulene, polysilane, polymethineimine, and polypyrrole. To draw conclusions about the limiting infinite polymer behavior, chains containing up to 12 heavy atoms along the conjugated backbone were considered. In general, the vibrational hyperpolarizabilities are substantial in comparison with their static electronic counterparts for the dc-Kerr and degenerate four-wave mixing processes (as well as for static fields) but not for electric field-induced second harmonic generation or third harmonic generation. Anharmonicity terms due to nuclear relaxation are important for the dc-Kerr effect (and for the static hyperpolarizability) in the σ-conjugated polymer, polysilane, as well as the nonplanar π systems polymethineimine and polypyrrole. Restricting polypyrrole to be planar, as it is in the crystal phase, causes these anharmonic terms to become negligible. When the same restriction is applied to polymethineimine the effect is reduced but remains quantitatively significant due to the first-order contribution. We conclude that anharmonicity associated with nuclear relaxation can be ignored, for semiquantitative purposes, in planar π-conjugated polymers. The role of zero-point vibrational averaging remains to be evaluated