Multiphysics simulation of microwave processing using a multidomain coupled solver approach

Microwave processing of materials is numerically simulated using a coupled solver approach. Microwave heating is a complex coupled process due to the variation in dielectric properties during heating. The effects of heating an object in a electromagnetic field directly influence the manner in which it interacts with the field. Simplifying assumptions and empirical solutions do not capture the fundamental physics involved and, in general, do not provide usefully accurate solutions in a number of practical problems. In order to capture the underlying processes involved in microwave heating, the problem must be looked at in a holistic manner rather than a number of discrete processes. This contribution outlines a coupled-solver multiphysics analysis approach to the solution of practical microwave heating problems.

Helium line intensity ratio in microwave-generated plasmas

The line intensity ratio method provides a nonintrusive diagnostic for the measurement of electron temperature in microwave-generated plasmas. For optically thin plasmas of low density, a line intensity method using He I lines can often be used, and is based on the fact that the electron impact excitation rate coefficients for helium singlet and triplet states are insensitive to electron density but differ as a function of the electron temperature. Line intensity measurements are presented from microwave-generated helium plasmas. Both steady-state corona and collision-radiative theoretical models are used to evaluate the ground and excited state populations. The line ratio versus electron temperature obtained from both of these methods are compared with the results from measurements. However, it is not possible to diagnose the electron temperature from the line ratios alone due to the presence of significant opacity and nonnegligible 1s2s S-3 metastable fraction in the plasma. (C) 2004 American Institute of Physics.

Bottom up strategies for the morphology control of BaTiO3 particulates

As propriedades funcionais dos materiais ferroeléctricos tais como a polarização reversível, piroelectricidade, piezoelectricidade, elevada actividade óptica não linear e comportamento dieléctrico não linear são fundamentais para a sua aplicação em sensores, microactuadores, detectores de infravermelhos, filtros de fase de microondas e memórias não-voláteis. Nos últimos anos, motivado pelas necessidades industriais de redução do tamanho dos dispositivos microelectrónicos, aumentando a eficiência volumétrica, tem sido feito um grande esforço ao nível da investigação para desenvolver estruturas ferroeléctricas à escala micro- e nano- métrica. É sabido que a redução de tamanho em materiais ferroeléctricos afecta significamente as suas propriedades. Neste sentido e considerando que foi previsto teoreticamente por cálculos ab initio que estruturas do tipo nanocilindros e nanodiscos apresentariam um novo tipo de ordem ferroeléctrica e, na expectativa de alcançar conhecimento para o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos microelectróncos, existe um grande interesse em desenvolver métodos de fabrico de nanoestruturas ferroeléctricas unidimensionais (1D) tais como nanocilindros e nanotubos. As estratégias de fabrico de nanoestruturas 1D até agora descritas na literatura indicam claramente as dificuldades inerentes à sua preparação. Existem duas grandes vias de síntese destas nanoestruturas: i) o método “topdown” que consiste na redução de tamanho de um dado material até à obtenção duma estrutura 1D; e ii) o método “bottom-up” em que átomos, iões e moléculas são agrupados para formar um material 1D. O método “top down” envolve em geral técnicas de desgaste, como o uso do feixe de electrões, que apesar de permitirem elevada precisão no posicionamento e no controlo do tamanho, falham em termos de resolução, exigem muito tempo e causam facilmente defeitos que deterioram as propriedades físicas destes materiais. Na metodologia “bottom up” a utilização de moléculas ou estruturas “molde” tem sido a mais explorada. As estructuras 1D podem também ser preparadas sem recorrer a “moldes”. Neste caso a agregação orientada é promovida pelo recurso a aditivos que controlam o crescimento dos cristais em direcções preferenciais. Neste contexto, neste trabalho utilizaram-se duas estratégias “bottom up” de baixo custo para a preparação de nanopartículas de titanato de bário (BaTiO3) com morfologia controlada: 1) síntese química (em solução e em fase vapor) com utilização de nanotubos de titanato TiNTs) como “moldes” e precursores de titânio 2) síntese química em solução com presença de aditivos. Os nanotubos de titanato de sódio foram preparados por síntese hidrotermal. Como existiam muitas dúvidas acerca da natureza estrutural e do mecanismo de formação dos NTs, a parte inicial do trabalho foi dedicada à realização de um estudo sistemático dos parâmetros intervenientes na síntese e à caracterização da sua estrutura e microestrutura. Foi demonstrado que os NTs têm a fórmula geral A2Ti2O5 (A = H+ or Na+), e não TiO2 (anátase) com defendido por vários autores na literatura, e podem ser preparados por método hidrotermal em meio fortemente alcalino usando como fonte de titânio TiO2 comercial na forma de anátase ou rútilo. A menor reactividade do rútilo exige temperaturas de síntese superiores ou tempos de reacção mais longos. A forma tubular resulta do tratamento hidrotermal e não de processos de lavagem e neutralização subsequentes. Se os NTs forem tratados após a síntese hidrotérmica em água a 200 ºC, transformam-se em nanocilindros. Uma das partes principais desta tese consistiu na investigação do papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3. O potencial funcionamento dos NTs como “moldes” para além de precursores foi testado em reacção com hidróxido de bário em síntese em solução e por reacção com um precursor orgânico de bário em fase vapor. Tendo por base os estudos cinéticos realizados, bem como as alterações estruturais e morfológicas das amostras, é possível concluir que a formação do BaTiO3 a partir de NTs de titanato de sódio, ocorre por dois mecanismos dependendo da temperatura e tempo de reacção. Assim, a baixa temperatura e curto tempo de reacção verifica-se que se formam partículas dendríticas de BaTiO3 cuja superfície é bastante irregular (“wild”) e que apresentam estrutura pseudo-cúbica. Estas partículas formam-se por reacção topotáctica na fronteira dos nanotubos de titanato de sódio. A temperaturas mais altas e/ou reacções mais longas, a reacção é controlada por um mecanismo de dissolução e precipitação com formação de dendrites de BaTiO3 tetragonais com superfície mais regular (“seaweed”). A microscopia de força piezoeléctrica mostrou que as dendrites “seaweeds“ possuem actividade piezoeléctrica superior à das dendrites “wild”, o que confirma o papel desempenhado pela estrutura e pela concentração de defeitos na rede na coerência e ordem ferroeléctrica de nanoestruturas. Os nossos resultados confirmam que os NTs de titanato não actuam facilmente como “moldes” na síntese em solução de BaTiO3 já que a velocidade de dissolução dos NTs em condições alcalinas é superior à velocidade de formação do BaTiO3. Assumindo que a velocidade de reacção dos NTs com o precursor de bário é superior em fase vapor, efectuou-se a deposição de um precursor orgânico de bário por deposição química de vapor sobre um filme de NTs de titnato de sódio depositados por deposição electroforética. Estudou-se a estabilidade dos NTs nas diferentes condições do reactor. Quando os NTs são tratados a temperaturas superiores a 700 ºC, ocorre a transformação dos NTs em nanocilindros de anatase por um mecanismo de agregação orientada. Quando se faz a deposição do precursor de bário, seguida de calcinação a 700 ºC em atmosfera oxidante de O2, verifica-se que a superficie dos NTs fica coberta com nanocristais de BaTiO3 independentemente da concentração de bário. O papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em fase vapor é assim descrito pela primeira vez. Em relação à metodologias de crescimento de partículas na ausência de “moldes” mas com aditivos fez-se um estudo sistemático utilizando 5 aditivos de natureza differente. As diferenças entre aditivos foram sistematizadas tendo em conta as diferenças estruturais e morfológicas verificadas. Está provado que os aditivos podem funcionar como modificadores de crescimento cristalino por alteração do seu padrão de crescimento ou por alteração da cinética de crescimento das faces cristalográficas do cristal. Entre os aditivos testados verificou-se que o ácido poliacrilíco adsorve em faces específicas do BaTiO3 alterando a cinética de crescimento e induzindo a agregação orientada das partículas. O polivinilpirrolidona, o docecilsulfato de sódio e hidroxipropilmetilcelulose actuam mais como inibidores de crescimento do que como modificadores do tipo de crescimento. A D-frutose aumenta a energia de activação da etapa de nucleação não ocorrendo formação de BaTiO3 para as mesmas condições dos outros aditivos. Esta tese clarifica o papel dos NTs de titanato de sódio enquanto precursores e “moldes” no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em solução e em fase vapor. É feita também a abordagem do controlo morfológico do BaTiO3 através do uso de aditivos. As estratégias de preparação de BaTiO3 propostas são de baixo custo, reprodutíveis e fáceis de efectuar. Os resultados contribuem para uma melhor compreensão da relação tamanho – morfologia – propriedade em materiais ferroeléctricos nanométricos com vista à sua potencial aplicação.

Lanthanide-organic frameworks for optical and catalytic applications

Este projecto de doutoramento tem como objetivo isolar e caracterizar sistematicamente novos polímeros de coordenação, no estado sólido. A presença de grupos rígidos possuindo, em particular, átomos de oxigénio e de azoto, deverá induzir interessantes propriedades fotoluminescentes (rendimentos quânticos e tempos de vida elevados, assim como vias de transferência de energia eficientes), que poderão permitir a utilização dos compostos poliméricos na produção de dispositivos funcionais. As diferentes abordagens sintéticas foram ajustadas para cada material e basearam-se, preferencialmente, nas sínteses hidrotérmicas e nas assistidas por radiação de microondas. A estrutura dos materiais foi elucidada a partir de métodos de difracção de raios X (de cristal único ou de pós) em conjunto com outras técnicas, tais como RMN de estado sólido, microscopia eletrónica, análises térmicas, espectroscopia vibracional e estudos de composição elementar. Os compostos microcristalinos foram sistematicamente estudados a fim de investigar outras propriedades além das de fotoluminescência. Alguns dos materiais revelaram multifuncionalidade apresentando simultaneamente tempos de vida na ordem dos milisegundos, elevados rendimentos quânticos e elevado desempenho como catalisadores heterogéneos. As propriedades magnéticas de um composto baseado em érbio foram igualmente estudadas, assim como as de adsorpção e permuta de solvente de uma estrutura porosa baseada em cério.

New oxomolybdenum(VI) hybrid materials

In this thesis, 2,2’-bipyridine (bipy), di-tert-butyl-2,2’-bipyridine (di-t-Bubipy), 2,2’-bipyridine-5,5’-dicarboxylic acid (H2bpdc), 2-[3(5)-pyrazolyl]pyridine (pzpy) and 2-(1-pentyl-3-pyrazolyl)pyridine (pent-pp) ligands were used as the N,N-chelate ligands in the formation of discrete [MoO2Cl2L]-type complexes. These complexes were employed as precursors for the preparation in aqueous media of oxomolybdenum(VI) products with a wide range of structural diversity. Three distinct heating methods were studied: hydrothermal, reflux or microwave-assisted synthesis. An alternative reaction with the inorganic molybdenum(VI) trioxide (MoO3) and the ligands di-t-Bu-bipy, H2bpdc and pzpy was also investigated under hydrothermal conditions. The distinct nature of the N,N-chelate ligands and/or the heating method employed promoted the isolation of a series of new oxomolybdenum(VI) hybrid materials that clearly reflected the strong structure-directing influence of these ligands. Thus, this thesis describes the synthesis and characterization of the discrete mononuclear [MoO2Cl2(pent-pp)], the dinuclear [Mo2O6(di-t-Bu-bipy)2] and the octanuclear [Mo8O22(OH)4(di-t-Bu-bipy)4] complexes as well as the highly unique polymeric materials {[MoO3(bipy)][MoO3(H2O)]}n, (DMA)[MoO3(Hbpdc)]·nH2O, [Mo3O9(pzpy)]n and [Mo2O6(pent-pp)]n (fine structural details of compound [Mo2O6(pent-pp)]n are presently unknown; however, characterization data strongly pointed toward a polymeric oxide hybrid compound). The catalytic behaviour of the discrete complexes and the polymeric compounds was tested in olefin epoxidation reactions. Compounds [Mo3O9(pzpy)]n and [Mo2O6(pent-pp)]n acted as sources of soluble active species that where identified as the oxodiperoxido complexes [MoO(O2)2(pzpy)] and [MoO(O2)2(pent-pp)], respectively. The majority of the compounds here presented were fully characterized by using solid-state techniques, namely elemental analyses, thermogravimetry, FT-IR, solid-state NMR, electron microscopy and powder X-ray diffraction (both from laboratory and/or synchrotron sources).

Genesis of the brecciated rocks from mid atlantic ridge hydrothermal systems : Lucky Strike (37º50’N) and Menez Gwen (37º50’N)

Tese de doutoramento, Geologia (Metalogenia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014

Development and validation of a novel method for the analysis of chlorinated pesticides in soils using microwave-assisted extraction–headspace solid phase microextraction and gas chromatography–tandem mass spectrometry

A new procedure for determining eleven organochlorine pesticides in soils using microwave-assisted extraction (MAE) and headspace solid phase microextraction (HS-SPME) is described. The studied pesticides consisted of mirex, α- and γ-chlordane, p,p’-DDT, heptachlor, heptachlor epoxide isomer A, γ-hexachlorocyclohexane, dieldrin, endrin, aldrine and hexachlorobenzene. The HS-SPME was optimized for the most important parameters such as extraction time, sample volume and temperature. The present analytical procedure requires a reduced volume of organic solvents and avoids the need for extract clean-up steps. For optimized conditions the limits of detection for the method ranged from 0.02 to 3.6 ng/g, intermediate precision ranged from 14 to 36% (as CV%), and the recovery from 8 up to 51%. The proposed methodology can be used in the rapid screening of soil for the presence of the selected pesticides, and was applied to landfill soil samples.

Determination of pesticides in fruit and fruit juices by chromatographic methods. An overview

In order to combat a variety of pests, pesticides are widely used in fruits. Several extraction procedures (liquid extraction, single drop microextraction, microwave-assisted extraction, pressurized liquid extraction, supercritical fluid extraction, solid-phase extraction, solid-phase microextraction, matrix solid-phase dispersion, and stir bar sorptive extraction) have been reported to determine pesticide residues in fruits and fruit juices. The significant change in recent years is the introduction of the Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged, and Safe (QuEChERS) methods in these matrices analysis. A combination of techniques reported the use of new extraction methods and chromatography to provide better quantitative recoveries at low levels. The use of mass spectrometric detectors in combination with liquid and gas chromatography has played a vital role to solve many problems related to food safety. The main attention in this review is on the achievements that have been possible because of the progress in extraction methods and the latest advances and novelties in mass spectrometry, and how these progresses have influenced the best control of food, allowing for an increase in the food safety and quality standards.

Synthesis, Characterisation and Properties of (Ba1-xSrx) (Nd1/2Nb1/2 ) 03 Ceramics for Application as Dielectric Resonators in Microwave Circuits

The (Ba1-x Srx) (Nd1/2, Nb1/2) O3 ceramics have been prepared by the conventional ceramic route for different values of x. Addition of a small amount of CeO2(1 wt%) as a sintering aid increased the density of the samples. The structure and microstructure of the sintered samples are studied by X-ray diffraction and SEM methods. The dielectric properties of the samples are measured in the microwave frequency region as a function of composition. The dielectric constant decreases as x increases. The coefficient of thermal variation of resonant frequency decreases as the Sr content increases and goes to the negative side. The dielectric properties of (Ba1-x Srx) (Nd1/2, Nb1/2) O3 are in the range suitable for application as dielectric resonators in microwave circuits

Ba(Tb1/2Nb1/2)03: A New Ceramic Microwave Dielectric Resonator

A new microwave dielectric resonator Ba(Tb1/2Nb1/2)03 has been prepared and characterized in the microwave frequency region. 1 wt% CeO2 is used as additive to reduce the sintering temperature. The sintered samples were characterized by XRD, SEM and Raman spectroscopic methods. Microwave DR properties such as er, Q factor and temperature-coefficient of resonant frequency (Ti) have been measured using a HP 8510 B Network Analyzer. Cylindrical DRs of Ba(Tb1/2Nbi/2)03 showed high Er (~ 37), high Q (~3,200) and low Tf (~10 ppm /°C) at 4 GHz and hence are useful for practical applications

Preparation, Characterization, and Microwave Properties of RETiNbO6 (RE = Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Y, and Yb) Dielectric Ceramics

Microwave ceramic dielectric resonators (DRs) based on RETiNbO6 (RE = Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Y, and Yb) have been prepared using the conventional solid -state ceramic route. The DR samples are characterized using XRD and SEM methods. The microwave dielectric properties are measured using resonant methods and a net work analyzer . The ceramics based on Ce, Pr, Nd, and Sin have dielectric constants in the range 32-54 and positive coefficient of thermal variation of resonant frequency (r,). The ceramics based on Gd, Tb, Dy, Y. and Yb have dielectric constants in the range 19-22 and negative Tf

Preparation, Characterization and Microwave Dielectric Properties of Ba (B1/2Nb1/2)03 [B' = La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Y, Yb and In] Ceramics

Microwave dielectric resonators (DRs) based on Ba(B1,2Nbi/2)03 [B' = La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Y, Yb, and In] complex perovskites have been prepared by conventional solid state ceramic route. The dielectric properties (relative permittivity, Er; quality factor, Q; and resonant frequency, rr) of the ceramics have been measured in the frequency range 4-6 GHz using resonance methods. The resonators have relatively high dielectric constant in the range 36-45, high quality factor and small temperature variation of resonant frequency. The dielectric properties are found to depend on the tolerance factor (t), ionic radius (r), and lattice parameter (ap)

Two-dimensional Microwave Tomographic Imaging of Breast Tissues

Despite its recognized value in detecting and characterizing breast disease, X-ray mammography has important limitations that motivate the quest for alternatives to augment the diagnostic tools that are currently available to the radiologist. The rationale for pursuing electromagnetic methods are based on the significant dielectric contrast between normal and cancerous breast tissues, when exposed to microwaves. The present study analyzes two-dimensional microwave tomographic imaging on normal and malignant breast tissue samples extracted by mastectomy, to assess the suitability of the technique for early detection ofbreast cancer. The tissue samples are immersed in matching coupling medium and are illuminated by 3 GHz signal. 2-D tomographic images ofthe breast tissue samples are reconstructed from the collected scattered data using distorted Born iterative method. Variations of dielectric permittivity in breast samples are distinguishable from the obtained permittivity profiles, which is a clear indication of the presence of malignancy. Hence microwave tomographic imaging is proposed as an alternate imaging modality for early detection ofbreast cancer.

Dielectric properties of certain biological materials at microwave frequencies.

In the medical field, microwaves play a larger role for treatment than diagnosis. For the detection of diseases by microwave methods, it is essential to know the dielectric properties of biological materials. For the present study, a cavity perturbation technique was employed to determine the dielectric properties of these materials. Rectangular cavity resonators were used to measure the complex permittivity of human bile, bile stones, gastric juice and saliva. The measurements were carried out in the S and J bands. It is observed that normal and infected bile have different dielectric constant and loss tangent. Dielectric constant of infected bile and gastric juice varies from patient to patient. Detection and extraction of bile stone with possible method of treatment is also discussed.