Study of the thermal resistance of alpha-phase aluminum oxide (alpha-Al2O3) films deposited on the paper substrate

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Electrooxidation of formic acid at platinum nanoclusters electrodeposited on PEDOT coated carbon paper electrode

Nanoclusters of Pt were electrochemically deposited on a conducting polymer, namely, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), which was also electrochemically deposited on carbon paper current collector. PEDOT facilitated uniform distribution of Pt nanoclusters, when compared with Pt electrodeposition on bare carbon paper substrate. Spectroscopy data indicated absence of any interaction between PEDOT and Pt. The electrochemically active surface area as measured from carbon monoxide adsorption followed by its oxidation was several times greater for Pt-PEDOT/C electrode in comparison with Pt/C electrode. The catalytic activity of Pt-PEDOT/C electrode for electrooxidation of formic acid was significantly greater than that of Pt/C electrode. Amperometry data suggested that the electrodes were stable for continuous oxidation of HCOOH.

Development of an enzyme immobilization platform based on microencapsulation for paper-based biosensors

Un papier bioactif est obtenu par la modification d’un papier en y immobilisant une ou plusieurs biomolécules. La recherche et le développement de papiers bioactifs est en plein essor car le papier est un substrat peu dispendieux qui est déjà d’usage très répandu à travers le monde. Bien que les papiers bioactifs n’aient pas connus de succès commercial depuis la mise en marche de bandelettes mesurant le taux de glucose dans les années cinquante, de nombreux groupes de recherche travaillent à immobiliser des biomolécules sur le papier pour obtenir un papier bioactif qui est abordable et possède une bonne durée de vie. Contrairement à la glucose oxidase, l’enzyme utilisée sur ces bandelettes, la majorité des biomolécules sont très fragiles et perdent leur activité très rapidement lorsqu’immobilisées sur des papiers. Le développement de nouveaux papiers bioactifs pouvant détecter des substances d’intérêt ou même désactiver des pathogènes dépend donc de découverte de nouvelles techniques d’immobilisation des biomolécules permettant de maintenir leur activité tout en étant applicable dans la chaîne de production actuelle des papiers fins. Le but de cette thèse est de développer une technique d’immobilisation efficace et versatile, permettant de protéger l’activité de biomolécules incorporées sur des papiers. La microencapsulation a été choisie comme technique d’immobilisation car elle permet d’enfermer de grandes quantités de biomolécules à l’intérieur d’une sphère poreuse permettant leur protection. Pour cette étude, le polymère poly(éthylènediimine) a été choisi afin de générer la paroi des microcapsules. Les enzymes laccase et glucose oxidase, dont les propriétés sont bien établies, seront utilisées comme biomolécules test. Dans un premier temps, deux procédures d’encapsulation ont été développées puis étudiées. La méthode par émulsion produit des microcapsules de plus petits diamètres que la méthode par encapsulation utilisant un encapsulateur, bien que cette dernière offre une meilleure efficacité d’encapsulation. Par la suite, l’effet de la procédure d’encapsulation sur l’activité enzymatique et la stabilité thermique des enzymes a été étudié à cause de l’importance du maintien de l’activité sur le développement d’une plateforme d’immobilisation. L’effet de la nature du polymère utilisé pour la fabrication des capsules sur la conformation de l’enzyme a été étudié pour la première fois. Finalement, l’applicabilité des microcapsules de poly(éthylèneimine) dans la confection de papiers bioactifs a été démontré par le biais de trois prototypes. Un papier réagissant au glucose a été obtenu en immobilisant des microcapsules contenant l’enzyme glucose oxidase. Un papier sensible à l’enzyme neuraminidase pour la détection de la vaginose bactérienne avec une plus grande stabilité durant l’entreposage a été fait en encapsulant les réactifs colorimétriques dans des capsules de poly(éthylèneimine). L’utilisation de microcapsules pour l’immobilisation d’anticorps a également été étudiée. Les avancées au niveau de la plateforme d’immobilisation de biomolécules par microencapsulation qui ont été réalisées lors de cette thèse permettront de mieux comprendre l’effet des réactifs impliqués dans la procédure de microencapsulation sur la stabilité, l’activité et la conformation des biomolécules. Les résultats obtenus démontrent que la plateforme d’immobilisation développée peut être appliquée pour la confection de nouveaux papiers bioactifs.

Thermal inkjet printing of polyaniline on paper

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Co-encapsulation of enzymes and antibodies for chemical deactivation of pathogens on paper

Le papier bioactif est obtenu par la modification de substrat du papier avec des biomolécules et des réactifs. Ce type de papier est utilisé dans le développement de nouveaux biocapteurs qui sont portables, jetables et économiques visant à capturer, détecter et dans certains cas, désactiver les agents pathogènes. Généralement les papiers bioactifs sont fabriqués par l’incorporation de biomolécules telles que les enzymes et les anticorps sur la surface du papier. L’immobilisation de ces biomolécules sur les surfaces solides est largement utilisée pour différentes applications de diagnostic comme dans immunocapteurs et immunoessais mais en raison de la nature sensible des enzymes, leur intégration au papier à grande échelle a rencontré plusieurs difficultés surtout dans les conditions industrielles. Pendant ce temps, les microcapsules sont une plate-forme intéressante pour l’immobilisation des enzymes et aussi assez efficace pour permettre à la fonctionnalisation du papier à grande échelle car le papier peut être facilement recouvert avec une couche de telles microcapsules. Dans cette étude, nous avons développé une plate-forme générique utilisant des microcapsules à base d’alginate qui peuvent être appliquées aux procédés usuels de production de papier bioactif et antibactérien avec la capacité de capturer des pathogènes à sa surface et de les désactiver grâce à la production d’un réactif anti-pathogène. La conception de cette plate-forme antibactérienne est basée sur la production constante de peroxyde d’hydrogène en tant qu’agent antibactérien à l’intérieur des microcapsules d’alginate. Cette production de peroxyde d’hydrogène est obtenue par oxydation du glucose catalysée par la glucose oxydase encapsulée à l’intérieur des billes d’alginate. Les différentes étapes de cette étude comprennent le piégeage de la glucose oxydase à l’intérieur des microcapsules d’alginate, l’activation et le renforcement de la surface des microcapsules par ajout d’une couche supplémentaire de chitosan, la vérification de la possibilité d’immobilisation des anticorps (immunoglobulines G humaine comme une modèle d’anticorps) sur la surface des microcapsules et enfin, l’évaluation des propriétés antibactériennes de cette plate-forme vis-à-vis l’Escherichia coli K-12 (E. coli K-12) en tant qu’un représentant des agents pathogènes. Après avoir effectué chaque étape, certaines mesures et observations ont été faites en utilisant diverses méthodes et techniques analytiques telles que la méthode de Bradford pour dosage des protéines, l’électroanalyse d’oxygène, la microscopie optique et confocale à balayage laser (CLSM), la spectrométrie de masse avec désorption laser assistée par matrice- temps de vol (MALDI-TOF-MS), etc. Les essais appropriés ont été effectués pour valider la réussite de modification des microcapsules et pour confirmer à ce fait que la glucose oxydase est toujours active après chaque étape de modification. L’activité enzymatique spécifique de la glucose oxydase après l’encapsulation a été évaluée à 120±30 U/g. Aussi, des efforts ont été faits pour immobiliser la glucose oxydase sur des nanoparticules d’or avec deux tailles différentes de diamètre (10,9 nm et 50 nm) afin d’améliorer l’activité enzymatique et augmenter l’efficacité d’encapsulation. Les résultats obtenus lors de cette étude démontrent les modifications réussies sur les microcapsules d’alginate et aussi une réponse favorable de cette plate-forme antibactérienne concernant la désactivation de E. coli K-12. La concentration efficace de l’activité enzymatique afin de désactivation de cet agent pathogénique modèle a été déterminée à 1.3×10-2 U/ml pour une concentration de 6.7×108 cellules/ml de bactéries. D’autres études sont nécessaires pour évaluer l’efficacité de l’anticorps immobilisé dans la désactivation des agents pathogènes et également intégrer la plate-forme sur le papier et valider l’efficacité du système une fois qu’il est déposé sur papier.

Co-encapsulation of enzymes and antibodies for chemical deactivation of pathogens on paper

Le papier bioactif est obtenu par la modification de substrat du papier avec des biomolécules et des réactifs. Ce type de papier est utilisé dans le développement de nouveaux biocapteurs qui sont portables, jetables et économiques visant à capturer, détecter et dans certains cas, désactiver les agents pathogènes. Généralement les papiers bioactifs sont fabriqués par l’incorporation de biomolécules telles que les enzymes et les anticorps sur la surface du papier. L’immobilisation de ces biomolécules sur les surfaces solides est largement utilisée pour différentes applications de diagnostic comme dans immunocapteurs et immunoessais mais en raison de la nature sensible des enzymes, leur intégration au papier à grande échelle a rencontré plusieurs difficultés surtout dans les conditions industrielles. Pendant ce temps, les microcapsules sont une plate-forme intéressante pour l’immobilisation des enzymes et aussi assez efficace pour permettre à la fonctionnalisation du papier à grande échelle car le papier peut être facilement recouvert avec une couche de telles microcapsules. Dans cette étude, nous avons développé une plate-forme générique utilisant des microcapsules à base d’alginate qui peuvent être appliquées aux procédés usuels de production de papier bioactif et antibactérien avec la capacité de capturer des pathogènes à sa surface et de les désactiver grâce à la production d’un réactif anti-pathogène. La conception de cette plate-forme antibactérienne est basée sur la production constante de peroxyde d’hydrogène en tant qu’agent antibactérien à l’intérieur des microcapsules d’alginate. Cette production de peroxyde d’hydrogène est obtenue par oxydation du glucose catalysée par la glucose oxydase encapsulée à l’intérieur des billes d’alginate. Les différentes étapes de cette étude comprennent le piégeage de la glucose oxydase à l’intérieur des microcapsules d’alginate, l’activation et le renforcement de la surface des microcapsules par ajout d’une couche supplémentaire de chitosan, la vérification de la possibilité d’immobilisation des anticorps (immunoglobulines G humaine comme une modèle d’anticorps) sur la surface des microcapsules et enfin, l’évaluation des propriétés antibactériennes de cette plate-forme vis-à-vis l’Escherichia coli K-12 (E. coli K-12) en tant qu’un représentant des agents pathogènes. Après avoir effectué chaque étape, certaines mesures et observations ont été faites en utilisant diverses méthodes et techniques analytiques telles que la méthode de Bradford pour dosage des protéines, l’électroanalyse d’oxygène, la microscopie optique et confocale à balayage laser (CLSM), la spectrométrie de masse avec désorption laser assistée par matrice- temps de vol (MALDI-TOF-MS), etc. Les essais appropriés ont été effectués pour valider la réussite de modification des microcapsules et pour confirmer à ce fait que la glucose oxydase est toujours active après chaque étape de modification. L’activité enzymatique spécifique de la glucose oxydase après l’encapsulation a été évaluée à 120±30 U/g. Aussi, des efforts ont été faits pour immobiliser la glucose oxydase sur des nanoparticules d’or avec deux tailles différentes de diamètre (10,9 nm et 50 nm) afin d’améliorer l’activité enzymatique et augmenter l’efficacité d’encapsulation. Les résultats obtenus lors de cette étude démontrent les modifications réussies sur les microcapsules d’alginate et aussi une réponse favorable de cette plate-forme antibactérienne concernant la désactivation de E. coli K-12. La concentration efficace de l’activité enzymatique afin de désactivation de cet agent pathogénique modèle a été déterminée à 1.3×10-2 U/ml pour une concentration de 6.7×108 cellules/ml de bactéries. D’autres études sont nécessaires pour évaluer l’efficacité de l’anticorps immobilisé dans la désactivation des agents pathogènes et également intégrer la plate-forme sur le papier et valider l’efficacité du système une fois qu’il est déposé sur papier.

Electrochemical co-deposition of bimetallic Pt-Ru nanoclusters dispersed on poly(3,4-ethylenedioxythiophene) and electrocatalytic behavior for methanol oxidation

Nanoclusters of bimetallic Pt-Ru are electrochemically deposited on conductive polymer, poly(3,4-ethylenedioxythiophene)(PEDOT), which is also electrochemically deposited on a carbon paper substrate. The bimetallic deposition is carried out in an acidic electrolyte consisting of chloroplatinic acid and ruthenium chloride at 0.0 V versus saturated calomel electrode (SCE) on PEDOT coated carbon paper. A thin layer PEDOT on a carbon paper substrate facilitates the formation of uniform, well-dispersed, nano clusters of Pt-Ru of mean diameter of 123 nm, which consist of nanosize particles. In the absence of PEDOT, the size of the clusters is about 251 nm, which are unevenly distributed on carbon paper substrate. Cyclic voltammetry studies suggest that peak currents of methanol oxidation are several times greater on PtRu-PEDOT electrode than on Pt-Ru electrode in the absence of PEDOT. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Evidence of print gap airflow affecting web printing quality

The current study extends our earlier investigation on the real-time dynamics of print gap airflow around a single jetted drop over a moving substrate. In the present work, simulated web press printing was performed using a stationary grey-scale commercial inkjet print head to print full-width block of solid colour images onto a paper substrate with extended print gaps. The resultant printed images exhibit patterns or 'wood-graining' effects which become more prevalent as the relevant Reynolds number (Re) increases. The high-resolution scans of the printed images revealed that the patterns are created by oscillation and coalescence of neighboring printed tracks across the web. The phenomenon could be a result of drop stream perturbations caused by unsteady print gap airflow of the type similar to that observed in the previous study. ©2013; Society for Imaging Science and Technology.

UHF RFID tag antenna for bottle labeling

In this paper we present a possible design for a passive RFID tag antenna on paper substrate to be integrated into bottle labels. Considering the application scenario, we verified and determined the permittivity and dissipation factor of the materials in order to simulate all the possible sources that would influence the antenna performance. The measured results reported a maximum reading range of 1.45 m even though the efficiency obtained with the antenna integrated into the bottle was only of 3%. © 2014 IEEE.

Manutenção da umidade do substrato durante o teste de germinação de Brachiaria brizantha

Para avaliar procedimentos para a manutenção da umidade do substrato durante o teste de germinação de Brachiaria brizantha. Estudou-se o efeito da posição das caixas plásticas na câmara de germinação sobre a perda de água semanal, testando-se nove posições verticais (bandejas) e três posições horizontais (porta, meio e fundo do germinador). Foi também avaliado o efeito de procedimentos para manter a umidade do substrato, sobre a germinação, a perda de água semanal e o tempo despendido para a instalação do teste. Os procedimentos testados foram: (a) vedação da caixa plástica com vaselina, (b) vedação com saco plástico dobrado em quatro e colocado entre a tampa e a caixa, (c) colocação da caixa tampada dentro de saco plástico, (d) espuma sob o papel de germinação e (e) testemunha, caixa apenas tampada. Concluiu-se que a câmara de germinação promove a desidratação desigual do substrato conforme a posição das caixas; aquelas localizadas na primeira bandeja superior são as mais prejudicadas. Entre os procedimentos, a vedação com vaselina, a colocação da caixa dentro de saco plástico e a vedação com saco plástico dobrado em quatro entre a tampa e a caixa são eficientes na manutenção da umidade do substrato em taxas que não alteram os resultados do teste de germinação de B. brizantha; os dois últimos procedimentos são os mais rápidos e práticos, adaptando-se à rotina de um laboratório de análise de sementes.

Temperatura e substrato para o teste de germinação de sementes de barbatimão ((Stryphnodendron adstringens (Mart.) Coville (Leguminosae))

As normas oficiais para análise de sementes não estabelecem critérios para a execução de testes de germinação da maioria das espécies florestais. Assim, o objetivo deste trabalho foi a determinação do substrato, da temperatura e da necessidade de superação da dormência das sementes para o teste de germinação de Stryphnodendron adstringens. Foram avaliados o tratamento de escarificação com ácido sulfúrico por 60 min, os substratos vermiculita, rolo de papel, areia e solo e as temperaturas constantes de 20, 25, 30 e 35 ºC e alternadas de 15-35 ºC e 20-30 ºC, utilizando-se a primeira contagem de germinação (7 dias) e a porcentagem de plântulas normais, anormais, sementes mortas e dormentes (42º dia após a semeadura) com quatro repetições de 50 sementes. As sementes de S. adstringens devem ser submetidas ao teste de germinação, após superação da dormência, em substrato papel e nas temperaturas constantes de 25, 30 ou 35 ºC ou alternadas de 20-30 ºC.

Caracterização morfométrica de sementes e plântulas e germinação de anadenanthera macrocarpa (benth.) brenan

Anadenanthera macrocarpa (Benth.) Brenan is a tree species belonging to the family Leguminosae-Mimosoideae which is popularly known as mimosa-black. It features characteristics of early successional, natural occurrence in Brazil and can form clusters almost homogeneous, with great potential in the recovery of degraded areas. This study was conducted at the Center for Agricultural Sciences, University Federal of Alagoas state, aiming at the physical and morphological characterization of seeds, describing the various stages of post-seminal development, and to evaluate various conditions of temperature and substrate to perform the test germination. The seeds were manually extracted, then homogenized, where two samples of 50 seeds were used to determine the initial moisture. Another sample, consisting of eight repetitions of 100 seeds was used to measure the biometry and the number of seeds per fruit. The morphological characterization and the seeds were immersed in distilled water to allow the cuts to the observed structure in microscopes. In the post-seminal study, it was observed the daily processes of seedling growth in rolled paper filter and constant temperature of 30 °C. To assess the germination behavior, the constant temperatures of 15 °C, 25 °C, 30 °C, 40 °C and 20-30 °C as well as the paper and the sand substrates were tested and it was evaluated the percentage, the rate of germination, the relative frequency distribution, and the tests conducted in a randomized design in factorial 5 x 2 (x substrate temperature) with four replicates of 25 seeds, and the averages compared by Duncan 5 % probability. The fruits of black angico show great variation in the seed number per fruit. The embryonic axis occupies part of the central region of the seed with axial and linear positions. The germination is epigeal and the seedlings are fanerocotylar. The temperature determines the 30 °C and the filter paper substrate provided higher average percentage and germination rate.

Structure, Morphology, and Electrochemical Properties of Transition Metal Oxide, Hydroxide, and Phosphate Nanomaterials for Energy Storage

Energy storage technologies are crucial for efficient utilization of electricity. Supercapacitors and rechargeable batteries are of currently available energy storage systems. Transition metal oxides, hydroxides, and phosphates are the most intensely investigated electrode materials for supercapacitors and rechargeable batteries due to their high theoretical charge storage capacities resulted from reversible electrochemical reactions. Their insulating nature, however, causes sluggish electron transport kinetics within these electrode materials, hindering them from reaching the theoretical maximum. The conductivity of these transition metal based-electrode materials can be improved through three main approaches; nanostructuring, chemical substitution, and introducing carbon matrices. These approaches often lead to unique electrochemical properties when combined and balanced.

Ethanol-mediated solvothermal synthesis we developed is found to be highly effective for controlling size and morphology of transition metal-based electrode materials for both pseudocapacitors and batteries. The morphology and the degree of crystallinity of nickel hydroxide are systematically changed by adding various amounts glucose to the solvothermal synthesis. Nickel hydroxide produced in this manner exhibited increased pseudocapacitance, which is partially attributed to the increased surface area. Interestingly, this morphology effect on cobalt doped-nickel hydroxide is found to be more effective at low cobalt contents than at high cobalt contents in terms of improving the electrochemical performance.

Moreover, a thin layer of densely packed nickel oxide flakes on carbon paper substrate was successfully prepared via the glucose-assisted solvothermal synthesis, resulting in the improved electrode conductivity. When reduced graphene oxide was used for conductive coating on as-prepared nickel oxide electrode, the electrode conductivity was only slightly improved. This finding reveals that the influence of reduced graphene oxide coating, increasing the electrode conductivity, is not that obvious when the electrode is already highly conductive to begin with.

We were able to successfully control the interlayer spacing and reduce the particle size of layered titanium hydrogeno phosphate material using our ethanol-mediated solvothermal reaction. In layered structure, interlayer spacing is the key parameter for fast ion diffusion kinetics. The nanosized layered structure prepared via our method, however, exhibited high sodium-ion storage capacity regardless of the interlayer spacing, implying that interlayer space may not be the primary factor for sodium-ion diffusion in nanostructured materials, where many interstitials are available for sodium-ion diffusion.

Our ethanol-mediated solvothermal reaction was also effective for synthesis of NaTi2(PO4)3 nanoparticles with uniform size and morphology, well connected by a carbon nanotube network. This composite electrode exhibited high capacity, which is comparable to that in aqueous electrolyte, probably due to the uniform morphology and size where the preferable surface for sodium-ion diffusion is always available in all individual particles.

Fundamental understandings of the relationship between electrode microstructures and electrochemical properties discussed in this dissertation will be important to design high performance energy storage system applications.

Studies on design, fabrication and reliability assessment of embedded passives on a high-density interconnect (HDI) organic substrate using a sequential build-up process

One of the foremost design considerations in microelectronics miniaturization is the use of embedded passives which provide practical solution. In a typical circuit, over 80 percent of the electronic components are passives such as resistors, inductors, and capacitors that could take up to almost 50 percent of the entire printed circuit board area. By integrating passive components within the substrate instead of being on the surface, embedded passives reduce the system real estate, eliminate the need for discrete and assembly, enhance electrical performance and reliability, and potentially reduce the overall cost. Moreover, it is lead free. Even with these advantages, embedded passive technology is at a relatively immature stage and more characterization and optimization are needed for practical applications leading to its commercialization.This paper presents an entire process from design and fabrication to electrical characterization and reliability test of embedded passives on multilayered microvia organic substrate. Two test vehicles focusing on resistors and capacitors have been designed and fabricated. Embedded capacitors in this study are made with polymer/ceramic nanocomposite (BaTiO3) material to take advantage of low processing temperature of polymers and relatively high dielectric constant of ceramics and the values of these capacitors range from 50 pF to 1.5 nF with capacitance per area of approximately 1.5 nF/cm(2). Limited high frequency measurement of these capacitors was performed. Furthermore, reliability assessments of thermal shock and temperature humidity tests based on JEDEC standards were carried out. Resistors used in this work have been of three types: 1) carbon ink based polymer thick film (PTF), 2) resistor foils with known sheet resistivities which are laminated to printed wiring board (PWB) during a sequential build-up (SBU) process and 3) thin-film resistor plating by electroless method. Realization of embedded resistors on conventional board-level high-loss epoxy (similar to 0.015 at 1 GHz) and proposed low-loss BCB dielectric (similar to 0.0008 at > 40 GHz) has been explored in this study. Ni-P and Ni-W-P alloys were plated using conventional electroless plating, and NiCr and NiCrAlSi foils were used for the foil transfer process. For the first time, Benzocyclobutene (BCB) has been proposed as a board level dielectric for advanced System-on-Package (SOP) module primarily due to its attractive low-loss (for RF application) and thin film (for high density wiring) properties.Although embedded passives are more reliable by eliminating solder joint interconnects, they also introduce other concerns such as cracks, delamination and component instability. More layers may be needed to accommodate the embedded passives, and various materials within the substrate may cause significant thermo -mechanical stress due to coefficient of thermal expansion (CTE) mismatch. In this work, numerical models of embedded capacitors have been developed to qualitatively examine the effects of process conditions and electrical performance due to thermo-mechanical deformations.Also, a prototype working product with the board level design including features of embedded resistors and capacitors are underway. Preliminary results of these are presented.