Finite element analysis of interfacial friction and slip in composites with fully unbonded filler

A finite element model is developed to predict the stress-strain behaviour of particulate composites with fully unbonded filler particles. This condition can occur because of the lack of adhesion property of the filler surface. Whilst part of the filler particle is separated from the matrix, another section of filler keeps in contact with the matrix because of the lateral compressive displacement of the matrix. The slip boundary condition is imposed on the section of the interface that remains closed. The states of stress and displacement fields are obtained. The location of any further deformation through crazing or shear band formation is identified. A completely unbonded inclusion with partial slip at a section of the interface reduces the concentration of the stress at the interface significantly. Whereas this might lead to slightly higher strength, it decreases the load transfer efficiency and stiffness of this type of composite.

Interfacial self-assembly of a bacterial hydrophobin

The majority of bacteria in the natural environment live within the confines of a biofilm. The Gram-positive bacterium Bacillus subtilis forms biofilms that exhibit a characteristic wrinkled morphology and a highly hydrophobic surface. A critical component in generating these properties is the protein BslA, which forms a coat across the surface of the sessile community. We recently reported the structure of BslA, and noted the presence of a large surface-exposed hydrophobic patch. Such surface patches are also observed in the class of surface-active proteins known as hydrophobins, and are thought to mediate their interfacial activity. However, although functionally related to the hydrophobins, BslA shares no sequence nor structural similarity, and here we show that the mechanism of action is also distinct. Specifically, our results suggest that the amino acids making up the large, surface-exposed hydrophobic cap in the crystal structure are shielded in aqueous solution by adopting a random coil conformation, enabling the protein to be soluble and monomeric. At an interface, these cap residues refold, inserting the hydrophobic side chains into the air or oil phase and forming a three-stranded β-sheet. This form then self-assembles into a well-ordered 2D rectangular lattice that stabilizes the interface. By replacing a hydrophobic leucine in the center of the cap with a positively charged lysine, we changed the energetics of adsorption and disrupted the formation of the 2D lattice. This limited structural metamorphosis represents a previously unidentified environmentally responsive mechanism for interfacial stabilization by proteins.

Improved model for interfacial stresses accounting for the effect of shear deformation in plated beams

A significant increase in strength and performance of reinforced concrete, timber and metal beams may be achieved by adhesively bonding a fibre reinforced polymer composite, or metallic such as steel plate to the tension face of a beam. One of the major failure modes in these plated beams is the debonding of the plate from the original beam in a brittle manner. This is commonly attributed to the interfacial stresses between the adherends whose quantification has led to the development of many analytical solutions over the last two decades. The adherends are subjected to axial, bending and shear deformations. However, most analytical solutions have neglected the effect of shear deformation in adherends. Few solutions consider this effect approximately but are limited to one or two specific loading conditions. This paper presents a more rigorous solution for interfacial stresses in plated beams under an arbitrary loading with the shear deformation of the adherends duly considered in closed form using Timoshenko’s beam theory. The solution is general to linear elastic analysis of prismatic beams of arbitrary cross section under arbitrary loading with a plate of any thickness bonded either symmetrically or asymmetrically with respect to the span of the beam.

Dual interfacial modifications of hierarchically structured iodine-doped ZnO photoanodes for high-efficiency dye-sensitized solar cells

A nanocomposite porous electrode structure consisting of hierarchical iodine-doped zinc oxide (I-ZnO) aggregates combined with the two simple solution-processed interfacial modifications i.e. a ZnO compact layer (CL) and a TiO2 protective layer (PL) has been developed in order to understand electron transport and recombination in the photoanode matrix, together with boosting the conversion efficiency of I-ZnO based dye-sensitized solar cells (DSCs). Electrochemical impedance spectra demonstrate that ZnO CL pre-treatment and TiO2 PL post-treatment synergistically reduce charge-transfer resistance and suppress electron recombination. Furthermore, the electron lifetime in two combined modifications of IZnO + CL + PL photoelectrode is the longest in comparison with the other three photoelectrodes. As a consequence, the overall conversion efficiency of I-ZnO + CL + PL DSC is significantly enhanced to 6.79%, with a 36% enhancement compared with unmodified I-ZnO DSC. Moreover, the stability of I-ZnO + CL + PL cell is improved as compared to I-ZnO one. The mechanism of electron transfer and recombination upon the introduction of ZnO CL and TiO2 PL is also proposed in this work.

Solid-liquid interfacial free energy out of equilibrium

The properties of the interface between solid and melt are key to solidification and melting, as the interfacial free energy introduces a kinetic barrier to phase transitions. This makes solidification happen below the melting temperature, in out-of-equilibrium conditions at which the interfacial free energy is ill defined. Here we draw a connection between the atomistic description of a diffuse solid-liquid interface and its thermodynamic characterization. This framework resolves the ambiguities in defining the solid-liquid interfacial free energy above and below the melting temperature. In addition, we introduce a simulation protocol that allows solid-liquid interfaces to be reversibly created and destroyed at conditions relevant for experiments. We directly evaluate the value of the interfacial free energy away from the melting point for a simple but realistic atomic potential, and find a more complex temperature dependence than the constant positive slope that has been generally assumed based on phenomenological considerations and that has been used to interpret experiments. This methodology could be easily extended to the study of other phase transitions, from condensation to precipitation. Our analysis can help reconcile the textbook picture of classical nucleation theory with the growing body of atomistic studies and mesoscale models of solidification.

Metrologia óptica com fibra polimérica

O presente trabalho teve por objectivo global o estudo e desenvolvimento de sensores baseados em fibra óptica polimérica. O crescimento da tecnologia polimérica nos últimos anos permitiu a introdução deste tipo de fibras ópticas na área das telecomunicações e no desenvolvimento de sensores. As vantagens associadas à metrologia óptica com fibra polimérica têm vindo a atrair as atenções da comunidade científica dado que permitem o desenvolvimento de sistemas de baixo-custo ou custo competitivo face às tecnologias convencionais. Dada a actualidade do tema proposto, descreve-se, numa primeira fase, a tecnologia em fibra óptica polimérica existente no mercado e o estado de arte de sensores em fibra óptica polimérica. Segue-se a descrição de dois tipos de sensores baseados em modulação de intensidade. Projectou-se um sensor extrínseco capaz de avaliar a quantidade de luz dispersa e absorvida por partículas suspensas num líquido. Foi efectuada a caracterização do sensor quanto à concentração de partículas suspensas, tamanho e reflectividade. O sensor foi testado no âmbito da monitorização ambiental, designadamente, na análise de turbidez em amostras de sedimentos recolhidos em áreas ardidas. O sistema desenvolvido foi comparado com um sistema comercial. Um sensor intrínseco, baseado no polimento lateral de fibra óptica polimérica, foi analisado analiticamente. O modelo teórico avalia o sensor em diferentes condições de macroencurvamento e de índice de refracção do meio envolvente. O modelo teórico foi validado positivamente através de resultados experimentais. Foi avaliada a sensibilidade à temperatura e os conhecimentos adquiridos foram aplicados no desenvolvimento de um sistema capaz de monitorizar a cura de diferentes materiais. É ainda apresentada uma técnica para melhorar a sensibilidade do sensor de curvatura através da aplicação de um revestimento na zona sensível. A dependência na curvatura da potência transmitida por uma fibra óptica polida lateralmente serviu de base ao desenvolvimento de uma joelheira e de uma cotoveleira instrumentada, capazes de avaliar quantitativamente o movimento articular. A necessidade de portabilidade levou ao desenvolvimento de um sistema sem fios para aquisição e transmissão de dados. Espera-se que os protótipos desenvolvidos venham a ter um impacto significativo em sistemas futuros aplicados à medicina física e reabilitação.

Desenvolvimento e aplicação de um biossensor para monitorização de creatinina, um biomarcador associado a doenças emergentes

Este trabalho descreve o desenvolvimento de um material sensor para creatinina por impressão molecular em estrutura polimérica (MIP) e a sua aplicação no desenvolvimento de um dispositivo de natureza potenciométrica para a determinação da molécula alvo em fluidos biológicos. A creatinina é um dos biomarcadores mais utilizados no acompanhamento da doença renal, já que é um bom indicador da taxa de filtração glomerular (TFG). Os materiais biomiméticos desenhados para interação com a creatinina foram obtidos por polimerização radicalar, recorrendo a monómeros de ácido metacríclico ou de vinilpiridina e a um agente de reticulação apropriado. De modo a aferir o efeito da impressão da creatinina na resposta dos materiais MIP à sua presença, foram também preparados e avaliados materiais de controlo, obtidos sem impressão molecular (NIP). O controlo da constituição química destes materiais, incluindo a extração da molécula impressa, foi realizado por Espectroscopia de Raman e de Infravermelho com Transformada de Fourrier. A afinidade de ligação entre estes materiais e a creatinina foi também avaliada com base em estudos cinéticos. Todos os materiais descritos foram integrados em membranas selectivas de elétrodos seletivos de ião, preparadas sem ou com aditivo iónico lipófilo, de carga negativa ou positiva. A avaliação das características gerais de funcionamento destes elétrodos, em meios de composição e pH diferentes, indicaram que as membranas com materiais impressos e aditivo aniónico eram as únicas com utilidade analítica. Os melhores resultados foram obtidos em solução tampão Piperazine-N,N′-bis(2- ethanesulfonic acid), PIPES, de pH 2,8, condição que permitiu obter uma resposta quasi-Nernstiana, a partir de 1,6×10-5 mol L-1. Estes elétrodos demonstraram ainda uma boa selectividade ao apresentaram uma resposta preferencial para a creatinina quando na presença de ureia, carnitina, glucose, ácido ascórbico, albumina, cloreto de cálcio, cloreto de potássio, cloreto de sódio e sulfato de magnésio. Os elétrodos foram ainda aplicados com sucesso na análise de amostras sintéticas de urina, quando os materiais sensores eram baseados em ácido metacrilico, e soro, quando os materiais sensores utilizados eram baseados em vinilpiridina.

Embalagens Flexíveis: estudo do processo de reticulação de adesivos e do coeficiente de atrito

A dissertação foi realizada em ambiente industrial, mais precisamente na empresa Monteiro, Ribas – Embalagens Flexíveis, S.A.. Esta empresa dedica-se à impressão e laminagem de filmes, assim como à confeção de sacos. Os seus produtos são direcionados na sua maioria para a indústria alimentar, exportando mais de 50% da sua produção, e dizem respeito a complexos (dois ou mais filmes unidos pela presença de um adesivo) que podem possuir impressão ou não. Estes complexos podem ser enviados para o cliente em bobina ou já em saco. Os objetivos propostos pela empresa diziam respeito a estudos relacionados com a força de laminagem dos complexos, com o coeficiente de atrito dos mesmos e com a identificação dos espetros dos componentes dos adesivos, assim como o estudo do processo de reticulação dos mesmos por espetrofotometria de Infravermelho. Relativamente aos resultados obtidos verificou-se que tanto a tinta como os metalizados influenciam negativamente a força de laminagem. Por sua vez o coeficiente de atrito é afetado por vários fatores. Através dos ensaios experimentais verificou-se que o adesivo, a tinta e o verniz mate favorecem o aumento do valor do COF. Além disso, nos complexos em que se utilizaram filmes de polietileno de maior espessura obtiveram-se valores de COF mais baixos, e no que diz respeito à temperatura e à tensão de enrolamento, verificou-se que valores mais elevados e muito baixos da primeira traduzem-se num aumento do valor do COF e uma tensão de enrolamento maior também tem o mesmo efeito. Relativamente ao tipo de filme impresso, substratos com maior energia superficial atraem mais o agente de deslizamento (slip). Por último, não se conseguiu perceber qual o tipo de adesivo (com ou sem solvente) que tem maior impacto no COF uma vez que em 55% dos casos o valor do COF é superior nas amostras que foram complexadas com adesivo sem solvente e em 45% o COF era superior nas amostras complexadas com adesivo base solvente. No que diz respeito aos espetros obtidos verificou-se que a reticulação dos adesivos é identificada pela diminuição da extensão do pico correspondente à ligação N=C=O.

Síntesis y caracterización de un material híbrido de matriz polimérica de polivinil butiral.

Tesis (Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales) UANL, 2013.