两种超微细矿物粉体材料的制备及应用研究

Superfine mineral materials are mainly resulted from the pulverization of natural mineral resources, and are a type of new materials that can replace traditional materials and enjoy the most extensive application and the highest degree of consumption in the present day market. As a result, superfine mineral materials have a very broad and promising prospect in terms of market potential. Superfine pulverization technology is the only way for the in-depth processing of most of the traditional materials, and is also one of the major means for which mineral materials can realize their application. China is rich in natural resources such as heavy calcite, kaolin, wollastonite, etc., which enjoy a very wide market of application in paper making, rubber, plastics, painting, coating, medicine, environment-friendly recycle paper and fine chemical industries, for example. However, because the processing of these resources is generally at the low level, economic benefit and scale for the processing of these resources have not been realized to their full potential even up to now. Big difference in product indices and superfine processing equipment and technologies between China and advanced western countries still exists. Based on resource assessment and market potential analysis, an in-depth study was carried out in this paper about the superfine pulverization technology and superfine pulverized mineral materials from the point of mineralogical features, determination of processing technologies, analytical methods and applications, by utilizing a variety of modern analytical methods in mineralogy, superfine pulverization technology, macromolecular chemistry, material science and physical chemistry together with computer technology and so on. The focus was placed on the innovative study about the in-depth processing technology and the processing apparatus for kaolin and heavy calcite as well as the application of superfine products. The main contents and the major achievements of this study are listed as follows: 1. Superfine pulverization processing of mineral materials shall be integrated with the study of their crystal structures and chemical composition. And special attention shall be put on the post-processing technologies, rather than on the indices for particle size, of these materials, based on their fields of application. Both technical feasibility and economic feasibility shall be taken into account for the study about superfine pulverization technologies, since these two kinds of feasibilities serve as the premise for the industrialized application of superfine pulverized mineral materials. Based on this principle, preposed chemical treatment method, technology of synchronized superfine pulverization and gradation, processing technology and apparatus of integrated modification and depolymerization were utilized in this study, and narrow distribution in terms of particle size, good dispersibility, good application effects, low consumption as well as high effectiveness of superfine products were achieved in this study. Heavy calcite and kaolin are two kinds of superfine mineral materials that enjoy the highest consumption in the industry. Heavy calcite is mainly applied in paper making, coating and plastics industries, the hard kaolin in northern China is mainly used in macromolecular materials and chemical industries, while the soft kaolin in southern China is mainly used for paper making. On the other hand, superfine pulverized heavy calcite and kaolin can both be used as the functional additives to cement, a kind of material that enjoys the biggest consumption in the world. A variety of analytical methods and instruments such as transmission and scanning electron microscopy, X-ray diffraction analysis, infrared analysis, laser particle size analysis and so on were applied for the elucidation of the properties and the mechanisms for the functions of superfine mineral materials as used in plastics and high-performance cement. Detection of superfine mineral materials is closely related to the post-processing and application of these materials. Traditional detection and analytical methods for superfine mineral materials include optical microscopy, infrared spectral analysis and a series of microbeam techniques such as transmission and scanning electron microscopy, X-ray diffraction analysis, and so on. In addition to these traditional methods, super-weak luminescent photon detection technology of high precision, high sensitivity and high signal to noise ratio was also utilized by the author for the first time in the study of superfine mineral materials, in an attempt to explore a completely new method and means for the study of the characterization of superfine materials. The experimental results are really exciting! The innovation of this study is represented in the following aspects: 1. In this study, preposed chemical treatment method, technology of synchronized superfine pulverization and gradation, processing technology and apparatus of integrated modification and depolymerization were utilized in an innovative way, and narrow distribution in terms of particle size, good dispersibility, good application effects, low consumption as well as high effectiveness of superfine products were achieved in the industrialized production process*. Moreover, a new modification technology and related directions for producing the chemicals were invented, and the modification technology was even awarded a patent. 2. The detection technology of super-weak luminescent photon of high precision, high sensitivity and high signal to noise ratio was utilized for the first time in this study to explore the superfine mineral materials, and the experimental results can be compared with those acquired with scanning electron microscopy and has demonstrated its unique advantages. It can be expected that further study may possibly help to result in a completely new method and means for the characterization of superfine materials. 3. During the heating of kaolinite and its decomposition into pianlinite, the diffraction peaks disappear gradually. First comes the disappearance of the reflection of the basal plane (001), and then comes the slow disappearance of the (hkl) diffraction peaks. And this was first discovered during the experiments by the author, and it has never before reported by other scholars. 4. The first discovery of the functions that superfine mineral materials can be used as dispersants in plastics, and the first discovery of the comprehensive functions that superfine mineral materials can also be used as activators, water-reducing agents and aggregates in high-performance cement were made in this study, together with a detailed discussion. This study was jointly supported by two key grants from Guangdong Province for Scientific and Technological Research in the 10th Five-year Plan Period (1,200,000 yuan for Preparation technology, apparatus and post-processing research by using sub-micron superfine pulverization machinery method, and 300,000 yuan for Method and instruments for biological photon technology in the characterization of nanometer materials), and two grants from Guangdong Province for 100 projects for scientific and technological innovation (700,000 yuan for Pilot experimentation of superfine and modified heavy calcite used in paper-making, rubber and plastics industry, and 400,000 yuan for Study of superfine, modified wollastonite of large length-to-diameter ratio).

Dedicated global optimization search for ground state silica nanoclusters: (SiO2)(N) (N=6-12)

Flikkema, E., & Bromley, S. T. (2004). Dedicated global optimization search for ground state silica nanoclusters: (SiO2)(N) (N=6-12). Journal of Physical Chemistry B, 108 (28), 9638-9645. RAE2008

Engineering of metal oxide interfaces for renewable energy applications

Diminishing non-renewable energy resources and planet-wide de-pollution on our planet are among the major problems which mankind faces into the future. To solve these problems, renewable energy sources such as readily available and inexhaustible sunlight will have to be used. There are however no readily available photocatalysts that are photocatalytically active under visible light; it is well established that the band gap of the prototypical photocatalyst, titanium dioxide, is the UV region with the consequence that only 4% of sun light is utilized. For this reason, this PhD project focused on developing new materials, based on titanium dioxide, which can be used in visible light activated photocatalytic hydrogen production and destruction of pollutant molecules. The main goal of this project is to use simulations based on first principles to engineer and understand rationally, materials based on modifying TiO2 that will have the following properties: (1) a suitable band gap in order to increase the efficiency of visible light absorption, with a gap around 2 – 2.5 eV considered optimum. (2). The second key aspect in the photocatalytic process is electron and hole separation after photoexcitation, which enable oxidation/reduction reactions necessary to i.e. decompose pollutants. (3) Enhanced activity over unmodified TiO2. In this thesis I present results on new materials based on modifying TiO2 with supported metal oxide nanoclusters, from two classes, namely: transition metal oxides (Ti, Ni, Cu) and p-block metal oxides (Sn, Pb, Bi). We find that the deposited metal oxide nanoclusters are stable at rutile and anatase TiO2 surfaces and present an analysis of changes to the band gap of TiO2, identifying those modifiers that can change the band gap to the desirable range and the origin of this. A successful collaboration with experimental researchers in Japan confirms many of the simulation results where the origin of improved visible light photocatalytic activity of oxide nanocluster-modified TiO2 is now well understood. The work presented in this thesis, creates a road map for the design of materials with desired photocatalytic properties and contributes to better understanding these properties which are of great application in renewable energy utilization.

Reasons for non-participation in the Northern Ireland Bowel Cancer Screening Programme: a qualitative study

OBJECTIVES: To identify the reasons why some people do not participate in bowel cancer screening so that steps can be taken to improve informed decision-making.

DESIGN: Qualitative study, using focus groups with thematic analysis of data to identify, analyse and report patterns. Transcripts were repeatedly read and inductively coded using a phenomenological perspective, and organised into key themes.

SETTING: Belfast and Armagh, two areas of Northern Ireland with relatively low uptake of bowel cancer screening.

PARTICIPANTS: Ten women and 18 men in three single-gender focus groups (two male and one female), each with 9-10 participants. Study participants were recruited by convenience sampling from the general public and were eligible for, but had not taken part in, the Northern Ireland Bowel Cancer Screening Programme.

RESULTS: Key themes identified were fear of cancer; the test procedure; social norms; past experience of cancer and screening; lack of knowledge or understanding about bowel cancer screening; and resulting behaviour towards the test. Fear about receiving bad news and reluctance to conduct the test themselves were reactions that participants seemed willing to overcome after taking part in open discussion about the test.

CONCLUSIONS: We identified barriers to participation in bowel cancer screening and used these insights to develop new materials to support delivery of the programme. Some of the issues raised have been identified in other UK settings, suggesting that knowledge about barriers, and strategies to improve uptake, may be generalisable.

Clinopyroxene based glasses and glass-ceramics for functional applications

As piroxenas são um vasto grupo de silicatos minerais encontrados em muitas rochas ígneas e metamórficas. Na sua forma mais simples, estes silicatos são constituídas por cadeias de SiO3 ligando grupos tetrahédricos de SiO4. A fórmula química geral das piroxenas é M2M1T2O6, onde M2 se refere a catiões geralmente em uma coordenação octaédrica distorcida (Mg2+, Fe2+, Mn2+, Li+, Ca2+, Na+), M1 refere-se a catiões numa coordenação octaédrica regular (Al3+, Fe3+, Ti4+, Cr3+, V3+, Ti3+, Zr4+, Sc3+, Zn2+, Mg2+, Fe2+, Mn2+), e T a catiões em coordenação tetrahédrica (Si4+, Al3+, Fe3+). As piroxenas com estrutura monoclínica são designadas de clinopiroxenes. A estabilidade das clinopyroxenes num espectro de composições químicas amplo, em conjugação com a possibilidade de ajustar as suas propriedades físicas e químicas e a durabilidade química, têm gerado um interesse mundial devido a suas aplicações em ciência e tecnologia de materiais. Este trabalho trata do desenvolvimento de vidros e de vitro-cerâmicos baseadas de clinopiroxenas para aplicações funcionais. O estudo teve objectivos científicos e tecnológicos; nomeadamente, adquirir conhecimentos fundamentais sobre a formação de fases cristalinas e soluções sólidas em determinados sistemas vitro-cerâmicos, e avaliar a viabilidade de aplicação dos novos materiais em diferentes áreas tecnológicas, com especial ênfase sobre a selagem em células de combustível de óxido sólido (SOFC). Com este intuito, prepararam-se vários vidros e materiais vitro-cerâmicos ao longo das juntas Enstatite (MgSiO3) - diopsídio (CaMgSi2O6) e diopsídio (CaMgSi2O6) - Ca - Tschermak (CaAlSi2O6), os quais foram caracterizados através de um vasto leque de técnicas. Todos os vidros foram preparados por fusão-arrefecimento enquanto os vitro-cerâmicos foram obtidos quer por sinterização e cristalização de fritas, quer por nucleação e cristalização de vidros monolíticos. Estudaram-se ainda os efeitos de várias substituições iónicas em composições de diopsídio contendo Al na estrutura, sinterização e no comportamento durante a cristalização de vidros e nas propriedades dos materiais vitro-cerâmicos, com relevância para a sua aplicação como selantes em SOFC. Verificou-se que Foi observado que os vidros/vitro-cerâmicos à base de enstatite não apresentavam as características necessárias para serem usados como materiais selantes em SOFC, enquanto as melhores propriedades apresentadas pelos vitro-cerâmicos à base de diopsídio qualificaram-nos para futuros estudos neste tipo de aplicações. Para além de investigar a adequação dos vitro-cerâmicos à base de clinopyroxene como selantes, esta tese tem também como objetivo estudar a influência dos agentes de nucleação na nucleação em volume dos vitro-cerâmicos resultantes á base de diopsídio, de modo a qualificá-los como potenciais materiais hopedeiros de resíduos nucleares radioactivos.

O vidro como material plástico: transparência, luz, cor e expressão

A presente tese de doutoramento procura focar o vidro como material plástico para a concepção de obras de arte. Os seus alicerces caracterizam-se pelo estudo técnico sobre o uso do vidro e a sua aplicação na realização de obras com pressupostos estéticos e artísticos. Hoje a arte em vidro apresenta-se inovadora e contemporânea, procurando uma componente ligada à pesquisa e à experimentação. Portugal possui uma ampla história ligada à tradição do vidro, em especial ao vitral. No que concerne à sua aplicação na arte contemporânea, assistimos a um renovado interesse por parte de vários artistas. No entanto, quando se trabalha com o vidro, é necessário o artista conhecer e dominar a técnica que utiliza, para assim compreender as potencialidades que o material oferece e empregá-las de acordo com o seu modus operandi. Cria-se uma relação entre a ciência e a arte, uma descoberta e utilização de novos conhecimentos, em que se pretende manter uma relação estreita entre o cientista e o artista através do desenvolvimento de novos materiais, nomeadamente os vidros e esmaltes luminescentes e a adição de óxidos de metais de transição 3d na sua composição. Neste sentido foram desenvolvidos estudos minuciosos sobre a técnica de kilncasting onde se utilizou o vidro sonoro superior produzido no CRISFORM (Centro de Formação Profissional para o Sector da Cristalaria), na Marinha Grande. Assim, verifica-se que as premissas desta tese podem ser divididas em três vertentes: a) Uma contextualização histórica e teórica do panorama artístico do vidro em Portugal; b) Uma componente teórica/prática do estudo do vidro: a ciência do vidro, a sua composição, com a preocupação de utilizar esses conhecimentos para a elaboração de amostras práticas, onde a componente técnica é fundamental para a produção de futuras obras de arte; c) A idealização de obras de arte e a utilização do vidro como material plástico para a sua realização. Na elaboração destas obras procurou-se focar a dicotomia entre transparência versus opacidade, os efeitos cromáticos produzidos por diferentes espessuras e texturas do vidro, assim como da monocromia versus policromia, esta última através do vidro e esmaltes luminescentes. Em suma, na complementaridade laboratório/ateliê, os segredos da matéria abrem novas fronteiras à criatividade estética.

Argamassas funcionais para uma construção sustentável

A aposta na sustentabilidade tem conduzido o mercado da construção a procurar novas soluções técnicas e novos materiais, que por serem mais eficientes, conseguem dar resposta aos requisitos cada vez mais exigentes deste sector. A aplicação dos conceitos de sustentabilidade não se pode restringir a novas construções, tendo que prever também as renovações e a reabilitação de edifícios antigos. Assim, novos materiais que sejam desenvolvidos, devem contemplar todas estas vertentes de utilização. Neste trabalho desenvolveram-se argamassas com novas funcionalidades, que contribuem para melhorar os níveis de sustentabilidade dos edifícios, através da incorporação de nanomateriais para armazenamento de calor latente e degradação de poluentes do ar interior. Estudou-se não só o impacto da incorporação destas nanopartículas no estado fresco e endurecido, mas também o seu desempenho do ponto de vista funcional quando integrados na estrutura da argamassa. É possível obter argamassas com capacidade para armazenar calor latente através da incorporação de um material de mudança de fase. Este material constituído por uma mistura de parafinas, consegue armazenar calor e libertálo posteriormente. As composições desenvolvidas podem ser aplicadas em novos projectos ou na reabilitação de edifícios contribuindo para reduzir o consumo energético, melhorando o conforto térmico no interior. Com a redução da factura energética obtém-se uma efectiva diminuição do impacto ambiental, energético e económico do edifício. Para além do armazenamento de calor latente, também se desenvolveram argamassas capazes de eliminar poluentes do ar interior e, simultaneamente, com capacidade de auto-limpeza. Utilizaram-se nanopartículas de dióxido de titânio como aditivo fotocatalítico, tendo-se analisado o efeito da introdução deste aditivo nas argamassas. As composições testadas demonstraram elevada capacidade fotocatalítica e de auto-limpeza, sem comprometer as suas propriedades no estado endurecido. Ao aplicar estas composições na camada de acabamento interior melhora-se a qualidade do ar no interior das habitações e reduz-se a necessidade de utilização de sistemas de ventilação. As argamassas funcionais contribuem para melhorar os níveis de sustentabilidade da construção, tendo impacto económico e ambiental em todo o ciclo de vida do edifício.

Autonomy in English language learning: a case study

The main goal of this study was to analyse the development of a pedagogy for autonomy tuned to the current situation in which Higher Education finds itself, namely of implementation of the Bologna Process in Europe, and in particular at the Escola Superior Agrária of the Polytechnic School at Coimbra. For this purpose new course units were created, new descriptors written, new materials developed and new methodologies tried. A case study was undertaken to observe and analyse the changes the institution was undergoing and to assess the impact of the new methodologies, particularly regarding the development of student autonomy. The target population for this study were the first year students on the Biotechnology degree in the year 2007/2008, to whom a battery of tests were applied, namely proficiency tests, belief tests, metacognitive tests, as well as methods of ethnographic research. The study relied on the European Framework of Reference for Languages and the European Language Portfolio to establish recognised levels and competences, and employed the portfolio as its main tool for measuring student autonomy. This portfolio was simultaneously biographical and descriptive and was organised by the students in their own time. Great incentive was given to this independent work. The ethnographic component of the study was of significant importance being given to students learning histories and to the collection of students’ reflections. This component aimed in particular to allow students the opportunity to express their thoughts on the experience they underwent during 20 weeks. From the analysis of the data, a significant improvement in self-confidence and motivation for lifelong learning is observable in the development of multiple tasks. Regarding the students’ progression towards proficiency, this improvement is less clear, but the final results of educational success were generally of great relevance.

Nanosensor for assessing the risk of a cardiovascular disease

The incidence of cardiovascular diseases (CVD) has been increasing according to the European and global statistics. Thus, the development of new analytical devices, such as biosensors for assessing the risk of CVD could become a valuable approach for the improvement of healthcare service. In latest years, the nanotechnology has provided new materials with improved electronic properties which have an important contribution in the transduction mechanism of biosensors. Thus, in this thesis, biosensors based on field effect transistors with single-walled carbon nanotubes (NTFET) were developed for the detection of C-reactive protein (CRP) in clinical samples, that is, blood serum and saliva from a group of control patients and a group of CVD risk patients. CRP is an acute-phase protein, which is commonly known as the best validated biomarker for the assessment of CVD, the single-walled carbon nanotubes (SWCNT) were applied as transduction components, and the immunoreaction (interaction between the CRP antigen and the antibodies specific to CRP) was used as the mechanism of molecular recognition for the label-free detection of CRP. After the microfabrication of field effect transistors (FET), the screening of the most important variables for the dispersion of SWCNT, the assemblage of NTFET, and their application on standard solutions of CRP, it was found that NTFET respond accurately to CRP both in saliva and in serum samples, since similar CRP levels were found with the NTFET and the traditional methodology (ELISA technique). On the other hand, a strong correlation between salivary and serum CRP was found with NTFET, which means that saliva could be used, based on non-invasive sampling, as an alternative fluid to blood serum. It was also shown that NTFET could discriminate control patients from CVD risk patients, allowing the determination of a cut-off value for salivary CRP of 1900 ng L-1, which corresponds to the well established cut-off of 3 mg L-1 for CRP in serum, constituting an important finding for the possible establishment of a new range of CRP levels based on saliva. According to the data provided from the volunteer patients regarding their lipoprotein profile and lifestyle factors, it was concluded that the control and the CVD risk patients could be separated taking into account the various risk factors established in literature as strong contributors for developing a CVD, such as triglycerides, serum CRP, total cholesterol, LDL cholesterol, body mass index, Framingham risk score, hypertension, dyslipidemia, and diabetes mellitus. Thus, this work could provide an additional contribution to the understanding of the association of biomarkers levels in serum and saliva samples, and above all, cost-effective, rapid, label-free, and disposable NTFET were developed, based on a noninvasive sampling, for the assessment of CVD risk, thus constituting a potential point-of-care technology.

Play it Again

Tese de doutoramento, Belas-Artes (Pintura), Universidade de Lisboa, Faculdade de Belas-Artes, 2016

Deteção eletroquímica da norfloxacina e trimetoprim em amostras de urina utilizando polímero molecularmente impresso modificado e grafeno

A norfloxacina e o trimetoprim são dois antibióticos antibacterianos usados para o tratamento de infeções urinárias, intestinais e respiratórias. A maioria dos fármacos exige uma dosagem que garanta os níveis de segurança e eficácia de atuação. A necessidade de dosear os medicamentos e os seus metabolitos é assim um controlo imperioso e em muitos casos regular no tratamento de um paciente. Neste trabalho desenvolveram-se dois sensores eletroquímicos para a deteção da norfloxacina (NFX) e do trimetoprim (TMP), usando como superfície de suporte o carbono vítreo. A busca de novos materiais que conferiram maior seletividade e sensibilidade aos sistemas de deteção e por outro lado apresentem menores riscos para o paciente quando usados em dispositivos que permitam uma análise point-of-care, é especialmente importante e pode ser uma parte crucial do processo de decisão clínica. Assim, os polímeros molecularmente impresos enquadram-se nesse perfil e o seu uso tem vindo a ser cada vez mais avaliado. A impressão molecular é uma tecnologia capaz de produzir polímeros que incorporam as moléculas do analito e que após remoção por solventes específicos, permitem dotá-los de locais específicos de reconhecimento estereoquímico. A seleção do pirrol como polímero molecularmente impresso (MIP) permitiu construir com sucesso os sensores para doseamento dos antibióticos. A fim de aumentar a sensibilidade do método incorporou-se grafeno na superfície do elétrodo. Este material tem vindo a ser largamente utilizado devido às suas propriedades: estrutura molecular, condutividade elétrica e aumento da superfície são algumas das características que mais despertam o interesse para a sua aplicação neste projeto. Os sensores desenvolvidos foram incorporados em sistemas eletroquímicos. Os métodos voltamétricos aplicados foram a voltametria cíclica, a voltametria de onda quadrada e ainda a impedância. As condições de análise foram otimizadas no que respeita à polimerização do pirrol (concentração do polímero, número de ciclos de eletropolimerização e respetivos potenciais aplicados, tempo de incubação, solvente de remoção do analito), ao pH da solução do fármaco, à gama de concentrações dos antibióticos e aos parâmetros voltamétricos dos métodos de análise. Para cada um dos antibióticos um elétrodo não-impresso foi também preparado, usando o procedimento de polimerização mas sem a presença da molécula do analito, e foi usado como controlo. O sensor desenvolvido para o trimetoprim foi usado no doseamento do fármaco em amostras de urina. As amostras foram analisadas sem qualquer diluição, apenas foram centrifugadas para remoção de proteínas e algum interferente. Os sensores construídos apresentaram comportamento linear na gama de concentrações entre 102 e 107 mol/L. Os resultados mostram boa precisão (desvios padrão inferiores a 11%) e os limites de deteção foram de 8,317 e 1,307 mol/L para a norfloxacina e o trimetoprim, respetivamente. Para validação do método foram ainda efetuados ensaios de recuperação tendo obtido valores superiores a 94%.

Amarração de plataformas offshore flutuantes com cabos de poliéster

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Estruturas

Novos compostos orgânicos reticuláveis para aplicações em células fotovoltaicas

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de mestre em Engenharia Química e Biológica

Reabilitação energética de um edifício de serviços: convergência para NZEB

Dissertação de Natureza Científica para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Edificações

Os materiais manipuláveis no desenvolvimento de competências em matemática

Relatório final apresentado à Escola Superior de Educação de Lisboa para obtenção de grau de mestre em Ensino de 1º e 2º ciclo do Ensino Básico