Fabricação, caracterização e aplicações do compósito PZT/PVDF

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Viscoelastic Behavior of Multiwalled Carbon Nanotubes into Phenolic Resin

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

Observation of vinylidene emission in mixed phosphine/diimine complexes of Ru(II) at room temperature in solution

The mixed ruthenium(II) complexes trans-[RuCl(2)(PPh(3))(2)(bipy)] (1), trans-[RuCl(2)(PPh(3))(2)(Me(2)bipy)](2), cis-[RuCl(2)(dcype)(bipy)](3), cis-[RuCl(2)(dcype)(Me(2)bipy)](4) (PPh(3) = triphenylphosphine, dcype = 1,2-bis(dicyclohexylphosphino)ethane, bipy = 2,2'-bipyridine, Me(2)bipy = 4,4'-dimethyl-2,2'-bipyridine) were used as precursors to synthesize the associated vinylidene complexes. The complexes [RuCl(=C=CHPh)(PPh(3))(2)(bipy)]PF(6) (5), [RuCl(=C=CHPh)(PPh(3))(2)(Me(2)bipy)]PF(6) (6), [RuCl(=C=CHPh)(dcype)(bipy)]PF(6) (7), [RuCl(=C=CHPh)(dcype)(bipy)]PF(6) (8) were characterized and their spectral, electrochemical, photochemical and photophysical properties were examined. The emission assigned to the pi-pi* excited state from the vinylidene ligand is irradiation wavelength (340, 400, 430 nm) and solvent (CH(2)Cl(2), CH(3)CN, EtOH/MeOH) dependent. The cyclic voltammograms of (6) and (7) show a reversible metal oxidation peak and two successive ligand reductions in the +1.5-(-0.64) V range. The reduction of the vinylidene leads to the formation of the acetylide complex, but due the hydrogen abstraction the process is irreversible. The studies described here suggest that for practical applications such as functional materials, nonlinear optics, building blocks and supramolecular photochemistry. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Sequential Methyl-Fluorine Exchange Reactions of Siloxide Ions in the Gas Phase

Air Force Office of Scientific Research (AFOSR)

Supramolecular hybrid organic-inorganic multicomponent architectures in solution and on surface

Supramolecular architectures can be built-up from a single molecular component (building block) to obtain a complex of organic or inorganic interactions creating a new emergent condensed phase of matter, such as gels, liquid crystals and solid crystal. Further the generation of multicomponent supramolecular hybrid architecture, a mix of organic and inorganic components, increases the complexity of the condensed aggregate with functional properties useful for important areas of research, like material science, medicine and nanotechnology. One may design a molecule storing a recognition pattern and programming a informed self-organization process enables to grow-up into a hierarchical architecture. From a molecular level to a supramolecular level, in a bottom-up fashion, it is possible to create a new emergent structure-function, where the system, as a whole, is open to its own environment to exchange energy, matter and information. “The emergent property of the whole assembly is superior to the sum of a singles parts”. In this thesis I present new architectures and functional materials built through the selfassembly of guanosine, in the absence or in the presence of a cation, in solution and on the surface. By appropriate manipulation of intermolecular non-covalent interactions the spatial (structural) and temporal (dynamic) features of these supramolecular architectures are controlled. Guanosine G7 (5',3'-di-decanoil-deoxi-guanosine) is able to interconvert reversibly between a supramolecular polymer and a discrete octameric species by dynamic cation binding and release. Guanosine G16 (2',3'-O-Isopropylidene-5'-O-decylguanosine) shows selectivity binding from a mix of different cation's nature. Remarkably, reversibility, selectivity, adaptability and serendipity are mutual features to appreciate the creativity of a molecular self-organization complex system into a multilevelscale hierarchical growth. The creativity - in general sense, the creation of a new thing, a new thinking, a new functionality or a new structure - emerges from a contamination process of different disciplines such as biology, chemistry, physics, architecture, design, philosophy and science of complexity.

Liquid crystal polymers: macromolecular design for enhanced performances

During this work, done mainly in the laboratories of the department of Industrial Chemistry and Materials of the University of Bologna but also in the laboratories of the Carnegie Mellon University in collaboration with prof. K. Matyjaszewski and at the university of Zaragoza in collaboration with prof. J. Barberá, was focused mainly on the synthesis and characterization of new functional polymeric materials. In the past years our group gained a deep knowledge about the photomodulation of azobenzene containing polymers. The aim of this thesis is to push forward the performances of these materials by the synthesis of well defined materials, in which, by a precise control over the macromolecular structures, better or even new functionality can be delivered to the synthesized material. For this purpose, besides the rich photochemistry of azoaromatic polymers that brings to the application, the control offered from the recent techniques of controlled radical polymerization, ATRP over all, gives an enormous range of opportunity for the developing of a new generation of functional materials whose properties are determinate not only by the chemical nature of the functional center (e.g. azoaromatic chromophore) but are tuned and even amplified by a synergy with the whole macromolecular structure. Old materials in new structures. In this contest the work of this thesis was focused mainly on the synthesis and characterization of well defined azoaromatic polymers in order to establish, for the first time, precise structure-properties correlation. In fact a series of well defined different azopolymers, chiral and achiral, with different molecular weight and highly monodisperse were synthesized and their properties were studied, in terms of photoexpansion and photomodulation of chirality. We were then able to study the influence of the macromolecular structure in terms of molecular weight and ramification on the studied properties. The huge amount of possibility offered by the tailoring of the macromolecular structure were exploited for the synthesis of new cholesteric photochromic polymers that can be used as a smart label for the certification of the thermal history of any thermosensitive product. Finally the ATRP synthesis allowed us to synthesize a total new class of material, named molecular brushes: a flat surface covered with an ultra thin layer of polymeric chain covalently bond onto the surface from one end. This new class of materials is of extreme interest as they offer the possibility to tune and manage the interaction of the surface with the environment. In this contest we synthesized both azoaromatic surfaces, growing directly the polymer from the surface, and mixed brushes: surfaces covered with incompatible macromolecules. Both type of surfaces acts as “smart” surfaces: the first it is able to move the orientation of a LC cell by simply photomodulation and, thanks to the robustness of the covalent bond, can be used as a command surface overcoming all the limitation due to the dewetting of the active layer. The second type of surface, functionalized by a grafting-to method, can self assemble the topmost layer responding to changed environmental conditions, exposing different functionality according to different environment.

Funktionalisierte Polyphenylen-Dendrimere als nanoskopische Bausteine in der Sensorik

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese funktionalisierter Polyphenylen-Dendrimere für den Einsatz als Nanobausteine in übermolekularen 3-D Aggregaten für potentielle sensorische Anwendungen. Im ersten Teil werden zwei Konzepte zur Synthese von funktionalisierten Cyclopentadienonbausteinen vorgestellt: einer führt zu Bausteinen die zur Synthese von peripher-funktionalisierten Polyphenylen-Dendrimere geeignet sind, und ein zweiter Ansatz zielt auf Cyclopentadienonbausteine, die es erlauben Polyphenylen-Dendrimere im Inneren zu funktionalisieren. Für das erste Ziel erwies sich die Suzuki-Kreuzkupplung von Arylboronsäuren und Arylboronsäurenester mit Arylhalogeniden als ein optimales synthetisches Werkzeug. Demgegenüber wurden für das zweite Ziel -methylesterfunktionalisierten Cyclopentadienonbausteine anhand der Knoevenagel-Kondensation von bereits funktionstragenden-Partnern synthetisiert. Im zweiten Teil der Arbeit werden die Synthesen von funktionalisierten Polyphenylen-Dendrimeren vorgestellt. Hierbei kamen zwei verschiedene synthetische Ansätze zum Einsatz: Einerseits wurden durch die Diels-Alder-Addition der funktionalisierten Cyclopentadienonbausteine an ethinylfunktionalisierten Polyphenylen-Grundkörper unterschiedlicher Generation die verfolgten funktionalisierten Zielverbindungen erhalten. Andererseits wurde in bestimmten Fällen die polymeranaloge Konversion von „Übergangsfunktionen“ in einem a posteriori-Funktionalisierungsschritt angewendet. Dementsprechend wurde die Einführung von funktionellen Gruppen möglich die entweder die alkalischen Bedingungen der Knoevenagel – Kondensation oder die hohen Temperaturen der Diels-Alder-Cycloaddition nicht überstehen. Die synthetischen Werkzeuge, die bei der a posteriori-Funktionalisierung zum Einsatz kamen, mussten die vollständige und nebenreaktionsfreie Konversion der Übergangsfunktionen ermöglichen. Als Reaktionen, die dieser Bedingungen genügen, wurden die Williamson –Ethersynthese und die Esterknüpfung nach der DCC-Methode in Verbindung mit hydroxyfunktionalisierten Polyphenylen-Grundkörper und die basische Esterspaltung an methyleseterfunktionalisierten Dendrimeren angewandt. Die aufgezählten Reaktionen führten zu Endprodukten, die ihre Monodispersität beibehielten und eine definierte Anzahl an Funktionalität aufwiesen. Anhand eingehenden Untersuchungen (der Aufbau von Sensorschichten für flüchtige organische Lösungsmittel, die Untersuchungen an elektrostatisch-wechselwirkenden übermolekularen Aggregaten sowie die Einlagerung von Gastmolekülen) wird es ersichtlich dass die synthetisierten Polyphenylen-Dendrimere vielseitig als Nanobausteine zur Erzeugung von funktionalen Materialien von potenzieller Bedeutung sind.

Chemie an funktionalen Polymer-Opalen

In dieser Arbeit wird die Herstellung und Anwendung von funktionalen Polymer-Opalen beschrieben. Für die Synthese von funktionalen monodipsersen Kolloiden, den Bausteinen der Opale, wird die emulgatorfreie Emulsionspolymerisation (SFEP) verwendet. Je nach einzubauendem funktionalem Molekül werden verschiedene Varianten der SFEP verwendet, wie z. B. Homopolymerisation, Copolymerisation, Polymerisation mit Fremdstoffen und die Herstellung von Kern-Schale-Kolloiden. Die so hergestellten monodispersen Kolloide formen durch Selbstorganisation über horizontale (Aufpipettieren, Rakeln, Sprühen) oder vertikale Kristallisation (Ziehmaschine)hochqualitative künstliche Opale. Die eingebauten Funktionalitäten öffnen den Weg zu einer Vielzahl von Anwendungen. Über die Spaltung von funktionalen Estergruppen kann eine lichtinduzierte Strukturierung durchgeführt werden. Der Einbau von Epoxidgruppen ermöglicht eine makroskopische Vernetzung wodurch die mechanische Stabilität der Struktur erhöht wird. Der Einsatz von Reaktivestern kann zur Oberflächen- funktionalisierung verwendet werden. Durch Replizierung der Struktur zum inversen Opal können weitere funktionale Materialien eingeführt werden, was die Einsatzmöglichkeiten noch erweitert.

Photoactive Carbon Nanostructures: From Multicomponent Arrays To Nanomaterials

Carbon has a unique ability to shape networks of differently hybridized atoms that can generate various allotropes and may also exist as nanoscale materials. The emergence of carbon nanostructures initially occured through the serendipitous discovery of fullerenes and then through experimental advances which led to carbon nanotubes, nanohorns and graphene. The structural diversity of carbon nanoscopic allotropes and their unique and unprecedentend properties, give rise to countless applications and have been intensively exploited in nanotechnology, since they may address the need to create smarter optoelectronic devices, smaller in size and with better performance. The versatile properties of carbon nanomaterials are reflected in the multidisciplinary character of my doctoral research where, in particular, I take advantage of the opportunities offered by fullerenes and carbon nanotubes in constructing novel functional materials. In this work, carbon nanostructures are incorporated in novel photoactive functional systems constructed through different types of interactions – covalent bonds, ion-pairing or self-assembly. The variety of properties exhibited by carbon nanostructures is successfully explored by assigning them a different role in a specific array: fullerenes are employed as electron or energy acceptors, whereas carbon nanotubes behave like optically inert scaffolds for luminescent materials or nanoscale substrates in sonication-induced self-assembly. All the presented systems serve as a testbed for exploring the properties of carbon nanostructures in multicomponent arrays, which may be advantageous for the production of new photovoltaic or optoelectronic devices, as well as in the design and control of self-assembly processes.

Structure and properties of nanostructures from polyelectrolytes and porphyrins: Self-Assembly in aqueous solution

In this work self-assembling model systems in aqueous solution were studied. The systems contained charged polymers, polyelectrolytes, that were combined with oppositely charged counterions to build up supramolecular structures. With imaging, scattering and spectroscopic techniques it was investigated how the structure of building units influences the structure of their assemblies. Polyelectrolytes with different chemical structure, molecular weight and morphology were investigated. In addition to linear polyelectrolytes, semi-flexible cylindrical bottle-brush polymers that possess a defined cross-section and a relatively high persistence along the backbone were studied. The polyelectrolytes were combined with structural organic counterions having charge numbers one to four. Especially the self-assembly of polyelectrolytes with different tetravalent water-soluble porphyrins was studied. Porphyrins have a rigid aromatic structure that has a structural effect on their self-assembly behavior and through which porphyrins are capable of self-aggregation via π-π interaction. The main focus of the thesis is the self-assembly of cylindrical bottle-brush polyelectrolytes with tetravalent porphyrins. It was shown that the addition of porphyrins to oppositely charged brush molecules induces a hierarchical formation of stable nanoscale brush-porphyrin networks. The networks can be disconnected by addition of salt and single porphyrin-decoratedrncylindrical brush polymers are obtained. These two new morphologies, brush-porphyrin networks and porphyrin-decorated brush polymers, may have potential as functional materials with interesting mechanical and optical properties.

Miniemulsionen als räumliche Begrenzungen : Synthese von Polymer-Hydroxylapatit-Nanopartikeln, bio-inspirierten Nanokapseln und Polymer-Einzelkettenpartikeln

In der vorliegenden Arbeit wurden Miniemulsionen als räumliche Begrenzungen für die Synthese von unterschiedlichen funktionellen Materialien mit neuartigen Eigenschaften verwendet. Das erste Themengebiet umfasst die Herstellung von Polymer/Calciumphosphat-Hybridpartikeln und –Hybridkapseln über die templatgesteuerte Mineralisation von Calciumphosphat. Die funktionalisierte Oberfläche von Polymernanopartikeln, welche über die Miniemulsionspolymerisation hergestellt wurden, diente als Templat für die Kristallisation von Calciumphosphat auf den Partikeln. Der Einfluss der funktionellen Carboxylat- und Phosphonat-Oberflächengruppen auf die Komplexierung von Calcium-Ionen sowie die Mineralisation von Calciumphosphat auf der Oberfläche der Nanopartikel wurde mit mehreren Methoden (ionenselektive Elektroden, REM, TEM und XRD) detailliert analysiert. Es wurde herausgefunden, dass die Mineralisation bei verschiedenen pH-Werten zu vollkommen unterschiedlichen Kristallmorphologien (nadel- und plättchenförmige Kristalle) auf der Oberfläche der Partikel führt. Untersuchungen der Mineralisationskinetik zeigten, dass die Morphologie der Hydroxylapatit-Kristalle auf der Partikeloberfläche mit der Änderung der Kristallisationsgeschwindigkeit durch eine sorgfältige Wahl des pH-Wertes gezielt kontrolliert werden kann. Sowohl die Eigenschaften der als Templat verwendeten Polymernanopartikel (z. B. Größe, Form und Funktionalisierung), als auch die Oberflächentopografie der entstandenen Polymer/Calciumphosphat-Hybridpartikel wurden gezielt verändert, um die Eigenschaften der erhaltenen Kompositmaterialien zu steuern. rnEine ähnliche bio-inspirierte Methode wurde zur in situ-Herstellung von organisch/anorganischen Nanokapseln entwickelt. Hierbei wurde die flexible Grenzfläche von flüssigen Miniemulsionströpfchen zur Mineralisation von Calciumphosphat an der Grenzfläche eingesetzt, um Gelatine/Calciumphosphat-Hybridkapseln mit flüssigem Kern herzustellen. Der flüssige Kern der Nanokapseln ermöglicht dabei die Verkapselung unterschiedlicher hydrophiler Substanzen, was in dieser Arbeit durch die erfolgreiche Verkapselung sehr kleiner Hydroxylapatit-Kristalle sowie eines Fluoreszenzfarbstoffes (Rhodamin 6G) demonstriert wurde. Aufgrund der intrinsischen Eigenschaften der Gelatine/Calciumphosphat-Kapseln konnten abhängig vom pH-Wert der Umgebung unterschiedliche Mengen des verkapselten Fluoreszenzfarbstoffes aus den Kapseln freigesetzt werden. Eine mögliche Anwendung der Polymer/Calciumphosphat-Partikel und –Kapseln ist die Implantatbeschichtung, wobei diese als Bindeglied zwischen künstlichem Implantat und natürlichem Knochengewebe dienen. rnIm zweiten Themengebiet dieser Arbeit wurde die Grenzfläche von Nanometer-großen Miniemulsionströpfchen eingesetzt, um einzelne in der dispersen Phase gelöste Polymerketten zu separieren. Nach der Verdampfung des in den Tröpfchen vorhandenen Lösungsmittels wurden stabile Dispersionen sehr kleiner Polymer-Nanopartikel (<10 nm Durchmesser) erhalten, die aus nur wenigen oder einer einzigen Polymerkette bestehen. Die kolloidale Stabilität der Partikel nach der Synthese, gewährleistet durch die Anwesenheit von SDS in der wässrigen Phase der Dispersionen, ist vorteilhaft für die anschließende Charakterisierung der Polymer-Nanopartikel. Die Partikelgröße der Nanopartikel wurde mittels DLS und TEM bestimmt und mit Hilfe der Dichte und des Molekulargewichts der verwendeten Polymere die Anzahl an Polymerketten pro Partikel bestimmt. Wie es für Partikel, die aus nur einer Polymerkette bestehen, erwartet wird, stieg die mittels DLS bestimmte Partikelgröße mit steigendem Molekulargewicht des in der Synthese der Partikel eingesetzten Polymers deutlich an. Die Quantifizierung der Kettenzahl pro Partikel mit Hilfe von Fluoreszenzanisotropie-Messungen ergab, dass Polymer-Einzelkettenpartikel hoher Einheitlichkeit hergestellt wurden. Durch die Verwendung eines Hochdruckhomogenisators zur Herstellung der Einzelkettendispersionen war es möglich, größere Mengen der Einzelkettenpartikel herzustellen, deren Materialeigenschaften zurzeit näher untersucht werden.rn

Photophysics of Carbon Nanotubes: from Dispersion to Supramolecular Systems

The aim of this PhD thesis is the investigation of the photophysical properties of materials that can be exploited in solar energy conversion. In this context, my research was mainly focused on carbon nanotube-based materials and ruthenium complexes. The first part of the thesis is devoted to carbon nanotubes (CNT), which have unique physical and chemical properties, whose rational control is of substantial interest to widen their application perspectives in many fields. Our goals were (i) to develop novel procedures for supramolecular dispersion, using amphiphilic block copolymers, (ii) to investigate the photophysics of CNT-based multicomponent hybrids and understand the nature of photoinduced interactions between CNT and selected molecular systems such as porphyrins, fullerenes and oligo (p-phynylenevinylenes). We established a new protocol for the dispersion of SWCNTs in aqueous media via non-covalent interactions and demonstrated that some CNT-based hybrids are suitable for testing in PV devices. The second part of the work is focussed on the study of homoleptic and heteroleptic Ru(II) complexes with bipyridine and extended phenanthroline ligands. Our studies demonstrated that these compounds are potentially useful as light harvesting systems for solar energy conversion. Both CNT materials and Ru(II) complexes have turned out to be remarkable examples of photoactive systems. The morphological and photophysical characterization of CNT-based multicomponent systems allowed a satisfactory rationalization of the photoinduced interactions between the individual units, despite several hurdles related to the intrinsic properties of CNTs that prevent, for instance, the utilization of laser spectroscopic techniques. Overall, this work may prompt the design and development of new functional materials for photovoltaic devices.

Au@Hg nanoalloy formation through direct amalgamation: Structural, spectroscopic, and computational evidence for slow nanoscale diffusion

Dynamic core-shell nanoparticles have received increasing attention in recent years. This paper presents a detailed study of Au-Hg nanoalloys, whose composing elements show a large difference in cohesive energy. A simple method to prepare Au@Hg particles with precise control over the composition up to 15 atom% mercury is introduced, based on reacting a citrate stabilized gold sol with elemental mercury. Transmission electron microscopy shows an increase of particle size with increasing mercury content and, together with X-ray powder diffraction, points towards the presence of a core-shell structure with a gold core surrounded by an Au-Hg solid solution layer. The amalgamation process is described by pseudo-zero-order reaction kinetics, which indicates slow dissolution of mercury in water as the rate determining step, followed by fast scavenging by nanoparticles in solution. Once adsorbed at the surface, slow diffusion of Hg into the particle lattice occurs, to a depth of ca. 3 nm, independent of Hg concentration. Discrete dipole approximation calculations relate the UV-vis spectra to the microscopic details of the nanoalloy structure. Segregation energies and metal distribution in the nanoalloys were modeled by density functional theory calculations. The results indicate slow metal interdiffusion at the nanoscale, which has important implications for synthetic methods aimed at core-shell particles.

Probing the Mechanical Properties of Magnetosome Chains in Living Magnetotactic Bacteria

The mechanical properties of cytoskeletal networks are intimately involved in determining how forces and cellular processes are generated, directed, and transmitted in living cells. However, determining the mechanical properties of subcellular molecular complexes in vivo has proven to be difficult. Here, we combine in vivo measurements by optical microscopy, X-ray diffraction, and transmission electron microscopy with theoretical modeling to decipher the mechanical properties of the magnetosome chain system encountered in magnetotactic bacteria. We exploit the magnetic properties of the endogenous intracellular nanoparticles to apply a force on the filament-connector pair involved in the backbone formation and stabilization. We show that the magnetosome chain can be broken by the application of external field strength higher than 30 mT and suggest that this originates from the rupture of the magnetosome connector MamJ. In addition, we calculate that the biological determinants can withstand in vivo a force of 25 pN. This quantitative understanding provides insights for the design of functional materials such as actuators and sensors using cellular components.