Síntesi i propietats de vidres metàl•lics massissos i materials nanocomposites basats en Fe per aplicacions com a materials magnètics tous

Estudi realitzat a partir d’una estada a l’ Institut für Komplexe Materialien, Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden, entre 2010 i 2011. S'ha explorat l'efecte de les condicions i influència dels elements d'aleació en la capacitat de formació de vidre, l'estructura i les propietats tèrmiques i magnètiques de vidres metàl•lics massissos i materials nanocristal•lins en base Fe. La producció d'aquests materials en forma de cintes de unes 20 micres de gruix ha estat àmpliament estudiada i s'ha vist que presenten unes propietats excel•lents com a materials magnètics tous. El propòsit general d'aquest projecte era l'obtenció de composicions òptimes amb alta capacitat de formar vidre i amb excel•lents propietats magnètiques com a materials magnètics tous combinat amb bones propietats mecàniques. El projecte prenia com a punt de partida l'aliatge [FeCoBSi]96Nb4 ja que és el que presenta millor capacitat de formar vidre i presenta una alta imantació de saturació i baix camp coercitiu. S'ha fet un estudi dels factors fonamentals que intervenen en la formació de l'estat vitri. La composició abans esmentada ha estat variada amb l'addició d'altres elements per estudiar com afecten aquests nous elements a les propietats, la formació de vidre i l'estructura dels aliatges resultants amb l'objectiu de millorar-ne les propietats magnètiques i la capacitat de formació de vidre. Entre altres s'ha usat el Zr, Mo, Y i el Gd per millorar la formació de vidre; i el Co i el Ni per millorar les propietats magnètiques a alta temperatura. S'han estudiat les relacions entre la capacitat de formació de vidre i la seva estabilitat tèrmica, la resistència a la cristal•lització i la estructura de l'aliatge resultant després del procés de solidificació. Per aquest estudi s'han determinat els mecanismes que controlen la transformació i la seva cinètica així com les fases que es formen durant el tractament tèrmic permetent la formulació de models predictius.

Efficient energy transfer from Si clusters to Er3+ in complex silicate glasses

We present an extensive study of the structural and optical emission properties in aluminum silicates and soda-lime silicates codoped with Si nanoclusters (Si-nc) and Er. Si excess of 5 and 15¿at.¿% and Er concentrations ranging from 2×1019 up to 6×1020¿cm¿3 were introduced by ion implantation. Thermal treatments at different temperatures were carried out before and after Er implantation. Structural characterization of the resulting structures was performed to obtain the layer composition and the size distribution of Si clusters. A comprehensive study has been carried out of the light emission as a function of the matrix characteristics, Si and Er contents, excitation wavelength, and power. Er emission at 1540¿nm has been detected in all coimplanted glasses, with similar intensities. We estimated lifetimes ranging from 2.5¿to¿12¿ms (depending on the Er dose and Si excess) and an effective excitation cross section of about 1×10¿17¿cm2 at low fluxes that decreases at high pump power. By quantifying the amount of Er ions excited through Si-nc we find a fraction of 10% of the total Er concentration. Upconversion coefficients of about 3×10¿18¿cm¿3¿s¿1 have been found for soda-lime glasses and one order of magnitude lower in aluminum silicates.

Nanopartícul·les core-shell estabilitzades en polímer amb propietats calítiques i bactericides medioambientalment segure

Aquest projecte de doctorat és un treball interdisciplinari adreçat a l’obtenció de nous nanocompòsits (NCs) funcionals sintetitzats a partir de materials polimèrics bescanviadors d’ions que són modificats amb nanopartícules metàl•liques (NPMs) de diferent composició. Els materials desenvolupats s’avaluen en funció de dues possibles aplicacions: 1) com a catalitzadors de reaccions orgàniques d’interès actual (NCs basats en pal•ladi) i, 2) la seva dedicació a aplicacions bactericides en el tractament d’aigües domèstiques o industrials (NCs basats en plata). El desenvolupament de nanomaterials és de gran interès a l’actualitat donades les seves especials propietats, l’aprofitament de les quals és la força impulsora per a la fabricació de nous NCs. Les nanopartícules metàl•liques estabilitzades en polímer (Polymer Stabilized Metal Nanoparticles, PSNPM) s’han preparat mitjançant la tècnica in-situ de síntesi intermatricial (Inter-matrix synthesis, IMS) que consisteix en la càrrega seqüencial dels grups funcionals de les matrius polimèriques amb ions metàl•lics, i la seva posterior reducció química dins de la matriu polimèrica de bescanvi iònic. L’estabilització en matrius polimèriques evita l’agregació entre elles (self-aggreagtion), un dels principals problemes coneguts de les NPs. Pel desenvolupament d’aquesta metodologia, s’han emprat diferents tipus de matrius polimèriques de bescanvi iònic: membrana Sulfonated PolyEtherEtherKetone, SPEEK, així com fibres sintètiques basades en polypropilè amb diferents tipus de grups funcionals, que ens permeten el seu ús com a filtres en la desinfecció de solucions aquoses o com a material catalitzador. Durant el projecte s’ha anat avançant en l’optimització del material nanocomposite final per a les aplicacions d’interès, en quant activitat i funcionalitat de les nanopartícules i estabilitat del nanocomposite. Així, s’ha optimitzat la síntesi de NPs estabilitzades en resines de bescanvi iònic, realitzant un screening de diferents tipus de resines i la seva avaluació en aplicacions industrials d’interès.

Síntesis, caracterización y ensayos cinéticos del nanocomposite RuO2/TiO2/MWCNT/Pt en la producción fotocatalítica de combustibles solares bajo iluminación UV y VIS

Se prepararon partículas de nanocomposites basados en TiO2 y nanotubos de carbono multicapa platinizados para la obtención de combustibles solares. Se evaluó la actividad fotocatalítica del material en la producción de hidrógeno, en procesos de degradación de ácido fórmico, y en la obtención de hidrocarburos a partir de la reducción de CO2 en agua. Los nanocomposites fueron sintetizados por medio de la técnica sol-gel. Se estudió el efecto de la proporción y el diámetro de los nanotubos de carbono en la actividad del material bajo iluminación ultravioleta y visible. Se estudió el efecto de la adición de RuO2 (0,5% wt.) en la actividad bajo iluminación visible. Los materiales fueron caracterizados por ATR, XRD, BET, HRTEM y SEM. Se obtuvieron sólidos macroporosos, con contenido de fase anatasa superior al 99% y tamaño cristalino comprendido entre 15 y 21 nm. Los resultados cinéticos mostraron una producción óptima de hidrógeno para el composite TiO2/(5wt.%)MWCNT/Pt(60-80 nm), con eficiencia cuántica y eficiencia energética de 1,27% y 0,27%, respectivamente. En el caso de radiación visible, la producción de hidrógeno fue nula para los composites TiO2/MWCNT/Pt, mientras que para el sistema RuO2/TiO2/MWCNT/Pt se observó que la adicción de MWCNT inhibía la actividad fotocatalítica del composite RuO2/TiO2 en la región del visible. Por otra parte, en los ensayos de reducción de CO2 no se detectó ningún producto de reacción.

Síntesi, caracterització i aplicació de membranes catalítiques amb nanopartícules de pal·ladi

Les nanopartícules metàl·liques són catalitzadors molt efectius degut a la seva elevada àrea superficial específica. No obstant, degut a la seva gran tendència a l’agregació, sovint és necessària la seva immobilització sobre suports per tal de dur a terme aplicacions específiques. La immobilització de les nanopartícules dins d’una matriu polimèrica ha demostrat ser una bona metodologia per a aquest propòsit, doncs permet l’estabilització i protecció de les partícules, així com la recuperació del catalitzador. Mitjançant la incorporació de nanopartícules metàl·liques a membranes polimèriques es poden obtenir materials nanocomposites molt efectius, que podrien combinar la capacitat catalítica dels nanomaterials amb l’efectivitat dels processos de membrana en un sol pas. L’objectiu a llarg termini és l’obtenció de membranes catalítiques actives capaces de realitzar simultàniament la separació i la destrucció de contaminants presents en solució. Concretament, en aquest treball s’han desenvolupat membranes polimèriques de Poliètersulfona amb grup Cardo modificada amb grups sulfònics per tal de sintetitzar nanopartícules de Pd mitjançant la tècnica de la Síntesi Intermatricial. Tant el polímer modificat com les membranes i el nanocomposite obtingut han estat caracteritzats i l’eficiència catalítica s’ha avaluat monitoritzant la reducció catalítica del 4-nitrofenol en presència de NaBH4.

Nanostructuració d'òxids mitjançant mètodes de solució química avançats i nanolitografia tova

Un dels reptes tecnològics més importants del segle XXI és el desenvolupament i organització de materials funcionals a escala nanomètrica ja que permet modificar-ne les propietats fonamentals i generar-ne de noves. En el cas dels òxids complexos aquesta tecnologia ha generat grans perspectives en diferents àrees d’estudi perquè presenten propietats molt interessants com la magnetoresistència colossal, superconductivitat o multiferroicitat. En particular, en l’òxid complex superconductor YBa2Cu3O7 (YBCO) s’ha demostrat que la formació de capes superconductores sobre plantilles nanoestructurades o bé la formació de nanocompostos en una matriu superconductora permet millorar de manera espectacular les seves propietats (corrent crític). Aquests resultats introduiran canvis paradigmàtics en la tecnologia de l’energia elèctrica (cables, motors, generadors) i en totes aquelles aplicacions que requereixin camps magnètics intensos. Ara bé, cal aconseguir-ho mitjançant tècniques de baix cost i que permetin un fàcil escalat. Durant els 4 mesos que s’ha disfrutat de l’ajut BP s’han preparat amb èxit noves capes primes superconductores nanoestructurades mitjançant la introducció d’una fase secundària nanomètrica complexa, Ba2YTaO6 (BYTO), dins la matriu d’YBCO pel mètode de baix cost de deposició de solucions químiques. Aquesta nova composició ha donat lloc a un augment significatiu de les propietats superconductores comparat amb la fase tradicional d’YBCO i per tant tenen gran potencial per fabricar futures cintes superconductores.

Metaestabilidad estructural a traves de proyeccion termica

Recientes investigaciones en el campo de los materiales cerámicos han dado cuenta de la importancia de la metaestabilidad para obtener estructuras con características singulares. Durante la consolidación del material las fases mestaestables se transforman en una estructura donde se produce la inhibición del crecimiento de grano. Este efecto es una consecuencia directa de la inmiscibilidad de dos fases en estado sólido. Los nanocomposites conseguidos, gracias a su pequeño tamaño de grano y a su estructura uniforme, exhiben unas interesantes propiedades como elevada dureza y tenacidad. Estas fases metaestables pueden ser producidas por diversas técnicas entre las que se encuentra la proyección térmica. En concreto en este trabajo se ha empleado la Proyección por plasma (APS). Las fases de partida inmiscibles, son fundidas y homogeneizadas durante su corta estancia en la zona caliente del plasma. Seguidamente, las partículas fundidas y aceleradas por el plasma, se someten a un enfriamiento rápido o temple (quenching) en un medio líquido, como el agua o en un substrato enfriado con nitrógeno líquido, formándose a través de este proceso las fases metaestables. El principal objetivo de este trabajo ha sido la obtención de polvos cerámicos metastables a través de la aplicación de APS y el establecimiento de un proceso de temple conducente a la formación de fases metastables así como la caracterización estructural de éstas. Como última etapa del trabajo se han estudiado los materiales nanoestructurados conseguidos tras realizar tratamientos térmicos.

Metamorphism on Chromite Ores from the Dobromirtsi ultramafic massif, Rhodope Mountains (SE Bulgaria)

Podiform chromitite bodies occur in highly serpentinized peridotites at Dobromirtsi Ultramafic Massif (Rhodope Mountains, southeastern Bulgaria). The ultramafic body is believed to represent a fragment of Palaeozoic ophiolite mantle. The ophiolite sequence is associated with greenschist - lower-temperature amphibolite facies metamorphosed rocks (biotitic gneisses hosting amphibolite). This association suggests that peridotites, chromitites and metamorphic rocks underwent a common metamorphic evolution. Chromitites at Dobromirtsi have been strongly altered. Their degree of alteration depends on the chromite/silicate ratio and to a lesser extent, on the size of chromitite bodies. Alteration is recorded in individual chromite grains in the form of optical and chemical zoning. Core to rim chemical trends are expressed by MgO- and Al2O3- impoverishment, mainly compensated by FeO and/or Fe2O3 increases. Such chemical variations correspond with three main alteration events. The first one was associated with ocean-floor metamorphism and was characterized by a lizardite replacement of olivine and the absence of chromite alteration. The second event took place during greenchist facies metamorphism. During this event, MgO- and SiO2-rich fluids (derived from low temperature serpentinization of olivine and pyroxenes) reacted with chromite to form chlorite; as a consequence, chromite became altered to a FeO- and Cr2O3-rich, Al2O3-poor chromite. The third event, mainly developed during lower temperature amphibolite facies metamorphism, caused the replacement of the primary and previously altered chromite by Fe2O3-rich chromite (ferritchromite).

Ophiolite-related ultramafic rocks (Serpentinites) in the Caribbean region: a review of their occurrence, composition, origin, emplacements and Ni-Laterite soil formation

Ultramafic rocks, mainly serpentinized peridotites of mantle origin, are mostly associated with the ophiolites of Mesozoic age that occur in belts along three of the margins of the Caribbean plate. The most extensive exposures are in Cuba. The ultramafic-mafic association (ophiolites) were formed and emplaced in several different tectonic environments. Mineralogical studies of the ultramafic rocks and the chemistry of the associated mafic rocks indicate that most of the ultramafic-mafic associations in both the northern and southern margins of the plate were formed in arc-related environments. There is little mantle peridotite exposed in the ophiolitic associations of the west coast of Central America, in the south Caribbean in Curacao and in the Andean belts in Colombia. In these occurrences the chemistry and age of the mafic rocks indicates that this association is mainly part of the 89 Ma Caribbean plateau province. The age of the mantle peridotites and associated ophiolites is probably mainly late Jurassic or Early Cretaceous. Emplacement of the ophiolites possibly began in the Early Cretaceous in Hispaniola and Puerto Rico, but most emplacement took place in the Late Cretaceous to Eocene (e.g. Cuba). Along the northern South America plate margin, in the Caribbean mountain belt, emplacement was by major thrusting and probably was not completed until the Oligocene or even the early Miocene. Caribbean mantle peridotites, before serpentinization, were mainly harzburgites, but dunites and lherzolites are also present. In detail, the mineralogical and chemical composition varies even within one ultramafic body, reflecting melting processes and peridotite/melt interaction in the upper mantle. At least for the northern Caribbean, uplift (postemplacement tectonics) exposed the ultramafic massifs as a land surface to effective laterization in the beginning of the Miocene. Tectonic factors, determining the uplift, exposing the peridotites to weathering varied. In the northern Caribbean, in Guatemala, Jamaica, and Hispaniola, uplift occurred as a result of transpresional movement along pre-existing major faults. In Cuba, uplift occurred on a regional scale, determined by isostatic adjustment. In the south Caribbean, uplift of the Cordillera de la Costa and Serrania del Interior exposing the peridotites, also appears to be related to strike-slip movement along the El Pilar fault system. In the Caribbean, Ni-laterite deposits are currently being mined in the central Dominican Republic, eastern Cuba, northern Venezuela and northwest Colombia. Although apparently formed over ultramafic rocks of similar composition and under similar climatic conditions, the composition of the lateritic soils varies. Factors that probably determined these differences in laterite composition are geomorphology, topography, drainage and tectonics. According to the mineralogy of principal ore-bearing phases, Dominican Ni-laterite deposits are classified as the hydrous silicate-type. The main Ni-bearing minerals are hydrated Mg-Ni silicates (serpentine and ¿garnierite¿) occurring deeper in the profile (saprolite horizon). In contrast, in the deposits of eastern Cuba, the Ni and Cooccurs mainly in the limonite zone composed of Fe hydroxides and oxides as the dominant mineralogy in the upper part of the profile, and are classified as the oxide-type.

Synthesis, structure, and magnetic studies on self-assembled BiFeO3-CoFe2O4 nanocomposite thin films

Self-assembled (0.65)BiFeO3-(0.35)CoFe2O4 (BFO-CFO) nanostructures were deposited on SrTiO3 (001) and (111) substrates by pulsed laser deposition at various temperatures from 500 to 800°C. The crystal phases and the lattice strain for the two different substrate orientations have been determined and compared. The films grow epitaxial on both substrates but separation of the spinel and perovskite crystallites, without parasitic phases, is only obtained for growth temperatures of around 600-650°C. The BFO crystallites are out-of-plane expanded on STO(001), whereas they are almost relaxed on (111). In contrast, CFO crystallites grow out-of-plane compressed on both substrates. The asymmetric behavior of the cell parameters of CFO and BFO is discussed on the basis of the role of the epitaxial stress caused by the substrate and the spinel-perovskite interfacial stress. It is concluded that interfacial stress dominates the elastic properties of CFO crystallites and thus it may play a fundamental on the interface magnetoelectric coupling in these nanocomposites.

Effects of nutrients and turbulence on the production of transparent exopolymer particles: a mesocosm study

The production of transparent exopolymer particles (TEP) in response to several environmental variables was studied in 2 mesocosm experiments. The first (Expt 1) examined a gradient of 4 nutrient levels; the second (Expt 2) examined different conditions of silicate availability and zooplankton presence. Tanks were separated in 2 series, one subjected to turbulence and the other not influenced by turbulence. In tanks with nutrient addition, TEP were rapidly formed, with net apparent production rates closely linked to chl a growth rates, suggesting that phytoplankton cells were actively exuding TEP precursors. High nutrient availability increased the absolute concentration of TEP; however, the relative quantity of TEP produced was found to be lower, as TEP concentration per unit of phytoplankton biomass was inversely related to the initial nitrate dose. In Expt 1, an increase in TEP volume (3 to 48 µm equivalent spherical diameter) with nutrient dose was observed; in Expt 2, both silicate addition and turbulence enhanced TEP production and favored aggregation to larger TEP (>48 µm). The presence of zooplankton lowered TEP concentration and changed the size distribution of TEP, presumably by grazing on TEP or phytoplankton. For lower nutrient concentrations, the ratio of particulate organic carbon (POC) to particulate organic nitrogen (PON) followed the Redfield ratio. At higher nutrient conditions, when nutrients were exhausted during the post-bloom, a decoupling of carbon and nitrogen dynamics occurred and was correlated to TEP formation, with a large flow of carbon channeled toward the TEP pool in turbulent tanks. TEP accounted for an increase in POC concentration of 50% in high-nutrient and turbulent conditions. The study of TEP dynamics is crucial to understanding the biogeochemical response of the aquatic system to forcing variables such as nutrient availability and turbulence intensity.