Síntese de nanotubos de carbono de parede simples por sublimação de grafite em atmosfera de hélio

Macroscopic samples of fullerene nanostructures are obtained in a modified arc furnace using the electric arc method with a Helium atmosphere at low pressures. High purity graphite rods are used as electrodes but, when drilled and the orifices filled with powders of transition metals (Fe, Co, Ni) acting as catalysts, the resulting particles are carbon nanostructures of the fullerene family, known as Single Wall Nanotubes (SWNTs). They have typical diameters of 1.4 nm, lengths up to tenths of microns and they are arranged together in bundles containing several SWNTs. Those samples are observed and analyzed using Scanning Electron Microscopy (SEM) and Transmission Electron Microscopy (TEM) techniques.

Reduced ceria nanofilms from structure prediction

Experimentally, Ce2O3 films are used to study cerium oxide in its fully or partially reduced state, as present in many applications. We have explored the space of low energy Ce2O3 nanofilms using structure prediction and density functional calculations, yielding more than 30 distinct nanofilm structures. First, our results help to rationalize the roles of thermodynamics and kinetics in the preparation of reduced ceria nanofilms with different bulk crystalline structures (e.g. A-type or bixbyite) depending on the support used. Second, we predict a novel, as yet experimentally unresolved, nanofilm which has a structure that does not correspond to any previously reported bulk A2B3 phase and which has an energetic stability between that of A-type and bixbyite. To assist identification and fabrication of this new Ce2O3 nanofilm we calculate some observable properties and propose supports for its epitaxial growth.

Nanoparticle-coated organic-inorganic microparticles: experimental design and gastrointestinal tolerance evaluation

The influences of the spray-drying parameters and the type of nanoparticles (nanocapsules or nanospheres) on the characteristics of nanoparticle-coated diclofenac-loaded microparticles were investigated by using a factorial design 3². Gastrointestinal tolerance following oral administration in rats was evaluated. Formulations were selected considering the best yields, the best encapsulation efficiencies and the lowest water contents, presenting surfaces completely coated by nanostructures and a decrease in the surface areas in relation to the uncoated core. In vitro drug release demonstrated the influence of the nanoparticle-coating on the dissolution profiles of diclofenac. Nanocapsule-coated microparticles presented a protective effect on the gastrointestinal mucosa.

Micro- and nanostructuring of poly(ethylene-2,6-naphthalate) surfaces, for biomedical applications, using polymer replication techniques

Here we investigate the formation of superficial micro- and nanostructures in poly(ethylene-2,6-naphthalate) (PEN), with a view to their use in biomedical device applications, and compare its performance with a polymer commonly used for the fabrication of these devices, poly(methyl methacrylate) (PMMA). The PEN is found to replicate both micro- and nanostructures in its surface, albeit requiring more forceful replication conditions than PMMA, producing a slight increase in surface hydrophilicity. This ability to form micro/nanostructures, allied to biocompatibility and good optical transparency, suggests that PEN could be a useful material for production of, or for incorporation into, transparent devices for biomedical applications. Such devices will be able to be autoclaved, due to the polymer's high temperature stability, and will be useful for applications where forceful experimental conditions are required, due to a superior chemical resistance over PMMA.

Nanostructured systems containing an essential oil: protection against volatilization

The goal of this study was to evaluate the feasibility of preparing nanocapsules and nanoemulsions using tea tree oil as oily phase aiming to protect its volatilization. The nanostructures presented nanometric mean size (160-220 nm) with a polydispersity index below 0.25 and negative zeta potential. The pH values were 6.43 ± 0.37 and 5.98 ± 0.00 for nanoemulsions and nanocapsules, respectively. The oil content after preparation was 96%. The inclusion of tea tree oil in nanocapsules showed higher protection against volatilization. The analysis of mean size and polydispersity index of formulations presented no significant alteration during the storage time.

Citotoxicidade e genotoxicidade de nanotubos de carbono

There are many controversies regarding the cyto- and genotoxicity of carbon nanotubes (CNTs). In this work, we discuss that many of the incongruous arguments are probably associated with the poor physical-chemical characterization of the CNT samples used in many publications. This manuscript presents examples of carbon nanostructures observed under high resolution electron microscopy that can be found in typical CNT samples, and shows which roles in cyto- and genotoxicity need to be better investigated. Issues concerning chemical treatment are addressed and examples of misunderstandings that can occur during the studies of cyto- and genotoxicity of CNT samples are given.

Nanoestruturas de carbono (nanotubos, grafeno): Quo Vadis?

We describe general considerations about the present and the future standing of carbon nanostructures, mainly carbon nanotubes and graphene. Basic concepts and definitions, select structure/property relationships, and potential applications are reviewed. The analysis of the global market for these nanostructures, the commercial products available currently, the role of the chemistry, the main challenges remaining and a brief view of the field in Brazil are also presented and discussed.

OBTAINING ZnO IMMOBILIZED OVER DIFFERENT SUBSTRATES BY HYDROTHERMAL TREATMENT FOR PHOTOCATALYSIS APPLICATION

The aim of this work is to systematically explore the effect of the synthesis conditions of ZnO structures, immobilized on different substrates by hydrothermal treatment, in its photocatalytic activity. A circumscribed central composite design of experiments was used to analyze the effects of reagents stoichiometry, reaction time and temperature, covering a wide range of these variables. The substrates used were etched glass, copper and zinc foils. The photocatalytic activity of the as-obtained ZnO samples was evaluated through photocatalytic degradation of rhodamine B (RhB) in aqueous solution under UV irradiation. Zinc foils presented the best immobilized film quality and the maximum dye removal was 80% in one hour of UV exposure.

Mössbauer spectra of iron oxides in the bulk and nanocrystalline states

Magnetic nanoparticles are very important in modern industry. These particles are used in many different spheres of life. Nanoparticles have unusual physical and chemical properties connected both with quantum dimensional effects and with the increased role of the surface atoms. Most clearly the difference between the properties of bulk materials and nanoparticles can be seen in the magnetic properties of these materials. The most typical magnetic properties of nanomaterials are superparamagnetism with the size of the cluster from 1 to 10 nm; single-domain magnetic state of nanoclusters and nanostructures up to 20 nm; magnetization processes connected with magnetic cluster ordering and with its forms and sizes; quantum magnetic tunneling effects when magnetization changes by jumps and giant magnetoresistance effects. For research of the magnetic properties of iron-containing nanostructures, it is convenient to apply Mӧssbauer spectroscopy. In this work a number of nano-sized samples of iron oxides were examined by Mössbauer spectroscopy. The Mössbauer spectra of nanoparticles with various sizes were obtained. Mössbauer spectra of iron oxide nanoparticles were compared with the spectra of bulk samples. It was shown how the spectra of iron oxide nanoparticles change depending on the particle sizes.

Complement activation-related pseudoallergy in dogs following intravenous administration of a liposomal formulation of meglumine antimoniate

The increasing use of nanotechnologies in advanced therapies has allowed the observation of specific adverse reactions related to nanostructures. The toxicity of a novel liposome formulation of meglumine antimoniate in dogs with visceral leishmaniasis after single dose has been investigated. Groups of 12 animals received by the intravenous route a single dose of liposomal meglumine antimoniate (group I [GI], 6.5 mg Sb/kg), empty liposomes (GII) or isotonic saline (GIII). Evaluation of hematological and biochemical parameters showed no significant changes 4 days after administration. No undesired effects were registered in the GIII. However, adverse reactions were observed in 67.7% of dogs from both groups that received liposomal formulations. The side effects began moments after bolus administration and disappeared during the first 15 minutes after treatment. Prostation, sialorrhea and defecation were the most frequent clinical signs, registered in 33.3% and 41.6 % of animals from the groups GI and GII, respectively. Tachypnea, mydriasis, miosis, vomiting and cyanosis were also registered in both groups. The adverse reactions observed in this study were attributed to the activation of the complement system by lipid vesicles in a phenomenon known as Complement Activation-Related Pseudoallergy (CARPA). The influence of the physical-chemical characteristics of liposomal formulation in the triggering of CARPA is discussed.

Resonant tunneling effects in semiconductor heterostructures

The thesis is devoted to a theoretical study of resonant tunneling phenomena in semiconductor heterostructures and nanostructures. It considers several problems relevant to modern solid state physics. Namely these are tunneling between 2D electron layers with spin-orbit interaction, tunnel injection into molecular solid material, resonant tunnel coupling of a bound state with continuum and resonant indirect exchange interaction mediated by a remote conducting channel. A manifestation of spin-orbit interaction in the tunneling between two 2D electron layers is considered. General expression is obtained for the tunneling current with account of Rashba and Dresselhaus types of spin-orbit interaction and elastic scattering. It is demonstrated that the tunneling conductance is very sensitive to relation between Rashba and Dresselhaus contributions and opens possibility to determine the spin-orbit interaction parameters and electron quantum lifetime in direct tunneling experiments with no external magnetic field applied. A microscopic mechanism of hole injection from metallic electrode into organic molecular solid (OMS) in high electric field is proposed for the case when the molecules ionization energy exceeds work function of the metal. It is shown that the main contribution to the injection current comes from direct isoenergetic transitions from localized states in OMS to empty states in the metal. Strong dependence of the injection current on applied voltage originates from variation of the number of empty states available in the metal rather than from distortion of the interface barrier. A theory of tunnel coupling between an impurity bound state and the 2D delocalized states in the quantum well (QW) is developed. The problem is formulated in terms of Anderson-Fano model as configuration interaction between the carrier bound state at the impurity and the continuum of delocalized states in the QW. An effect of this interaction on the interband optical transitions in the QW is analyzed. The results are discussed regarding the series of experiments on the GaAs structures with a -Mn layer. A new mechanism of ferromagnetism in diluted magnetic semiconductor heterosructures is considered, namely the resonant enhancement of indirect exchange interaction between paramagnetic centers via a spatially separated conducting channel. The underlying physical model is similar to the Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interaction; however, an important difference relevant to the low-dimensional structures is a resonant hybridization of a bound state at the paramagnetic ion with the continuum of delocalized states in the conducting channel. An approach is developed, which unlike RKKY is not based on the perturbation theory and demonstrates that the resonant hybridization leads to a strong enhancement of the indirect exchange. This finding is discussed in the context of the known experimental data supporting the phenomenon.

Potencial risks of nanoparticles

Nanotoxicology is an emergent important subdiscipline of Nanosciences, which refers to the study of the interactions of nanostructures with biological systems giving emphasis to the elucidation of the relationship between the physical and chemical properties of nanostructures with induction of toxic biological responses. Although potential beneficial effects of nanotechnologies are generally well described, the potential (eco) toxicological effects and impacts of nanoparticles have so far received little attention. This is the reason why some routes of expousure, distribution, metabolism, and excretion, as well as toxicological effects of nanoparticles are discussed in this review.

Self-assembly of PS-PVP block copolymers and their complexes at the air/water interface

Une compréhension approfondie et un meilleur contrôle de l'auto-assemblage des copolymères diblocs (séquencés) et de leurs complexes à l'interface air/eau permettent la formation contrôlée de nanostructures dont les propriétés sont connues comme alternative à la nanolithographie. Dans cette thèse, des monocouches obtenues par les techniques de Langmuir et de Langmuir-Blodgett (LB) avec le copolymère dibloc polystyrène-poly(4-vinyl pyridine) (PS-PVP), seul ou complexé avec de petites molécules par liaison hydrogène [en particulier, le 3-n-pentadécylphénol (PDP)], ont été étudiées. Une partie importante de notre recherche a été consacrée à l'étude d'une monocouche assemblée atypique baptisée réseau de nanostries. Des monocouches LB composées de nanostries ont déjà été rapportées dans la littérature mais elles coexistent souvent avec d'autres morphologies, ce qui les rend inutilisables pour des applications potentielles. Nous avons déterminé les paramètres moléculaires et les conditions expérimentales qui contrôlent cette morphologie, la rendant très reproductible. Nous avons aussi proposé un mécanisme original pour la formation de cette morphologie. De plus, nous avons montré que l'utilisation de solvants à haut point d’ébullition, non couramment utilisés pour la préparation des films Langmuir, peut améliorer l'ordre des nanostries. En étudiant une large gamme de PS-PVP avec des rapports PS/PVP et des masses molaires différents, avec ou sans la présence de PDP, nous avons établi la dépendance des types principaux de morphologie (planaire, stries, nodules) en fonction de la composition et de la concentration des solutions. Ces observations ont mené à une discussion sur les mécanismes de formation des morphologies, incluant la cinétique, l’assemblage moléculaire et l’effet du démouillage. Nous avons aussi démontré pour la première fois que le plateau dans l'isotherme des PS-PVP/PDP avec morphologie de type nodules est relié à une transition ordre-ordre des nodules (héxagonal-tétragonal) qui se produit simultanément avec la réorientation du PDP, les deux aspects étant clairement observés par AFM. Ces études ouvrent aussi la voie à l'utilisation de films PS-PVP/PDP ultraminces comme masque. La capacité de produire des films nanostructurés bien contrôlés sur différents substrats a été démontrée et la stabilité des films a été vérifiée. Le retrait de la petite molécule des nanostructures a fait apparaître une structure interne à explorer lors d’études futures.

Nanopatterning and functionalization of phospholipid-based Langmuir-Blodgett and Langmuir-Schaefer films

Durant les dernières décennies, la technique Langmuir-Blodgett (LB) s’est beaucoup développée dans l’approche « bottom-up » pour la création de couches ultra minces nanostructurées. Des patrons constitués de stries parallèles d’environ 100 à 200 nm de largeur ont été générés avec la technique de déposition LB de monocouches mixtes de 1,2-dilauroyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DLPC) et de 1,2-dipalmitoyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DPPC) sur des substrats de silicium et de mica. Afin d’amplifier la fonctionnalité de ces patrons, la 1-palmitoyl-2-(16-(S-methyldithio)hexadécanoyl)-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DSDPPC) et la 1-lauroyl-2-(12-(S-methyldithio)dodédecanoyl)-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DSDLPC) ont été employées pour la préparation de monocouches chimiquement hétérogènes. Ces analogues de phospholipide possèdent un groupement fonctionnel méthyldisulfide qui est attaché à la fin de l’une des chaînes alkyles. Une étude exhaustive sur la structure de la phase des monocouches Langmuir, Langmuir-Schaefer (LS) et LB de la DSDPPC et de la DSDLPC et leurs différents mélanges avec la DPPC ou la DLPC est présentée dans cette thèse. Tout d’abord, un contrôle limité de la périodicité et de la taille des motifs des stries parallèles de DPPC/DLPC a été obtenu en variant la composition lipidique, la pression de surface et la vitesse de déposition. Dans un mélange binaire de fraction molaire plus grande de lipide condensé que de lipide étendu, une vitesse de déposition plus lente et une plus basse pression de surface ont généré des stries plus continues et larges. L’addition d’un tensioactif, le cholestérol, au mélange binaire équimolaire de la DPPC/DLPC a permis la formation de stries parallèles à de plus hautes pressions de surface. La caractérisation des propriétés physiques des analogues de phospholipides a été nécessaire. La température de transition de phase de la DSDPPC de 44.5 ± 1.5 °C comparativement à 41.5 ± 0.3 °C pour la DPPC. L’isotherme de la DSDPPC est semblable à celui de la DPPC. La monocouche subit une transition de phase liquide-étendue-à-condensée (LE-C) à une pression de surface légèrement supérieure à celle de la DPPC (6 mN m-1 vs. 4 mN m-1) Tout comme la DLPC, la DSDLPC demeure dans la phase LE jusqu’à la rupture de la monocouche. Ces analogues de phospholipide existent dans un état plus étendu tout au long de la compression de la monocouche et montrent des pressions de surface de rupture plus basses que les phospholipides non-modifiés. La morphologie des domaines de monocouches Langmuir de la DPPC et de la DSDPPC à l’interface eau/air a été comparée par la microscopie à angle de Brewster (BAM). La DPPC forme une monocouche homogène à une pression de surface (π) > 10 mN/m, alors que des domaines en forme de fleurs sont formés dans la monocouche de DSDPPC jusqu’à une π ~ 30 mN m-1. La caractérisation de monocouches sur substrat solide a permis de démontrer que le patron de stries parallèles préalablement obtenu avec la DPPC/DLPC était reproduit en utilisant des mélanges de la DSDPPC/DLPC ou de la DPPC/DSDLPC donnant ainsi lieu à des patrons chimiquement hétérogènes. En général, pour obtenir le même état de phase que la DPPC, la monocouche de DSDPPC doit être comprimée à de plus hautes pressions de surface. Le groupement disulfide de ces analogues de phospholipide a été exploité, afin de (i) former des monocouches auto-assemblées sur l’or et de (ii) démontrer la métallisation sélective des terminaisons fonctionnalisées des stries. La spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS) a confirmé que la monocouche modifiée réagit avec la vapeur d’or pour former des thiolates d’or. L’adsorption de l’Au, de l’Ag et du Cu thermiquement évaporé démontre une adsorption préférentielle de la vapeur de métal sur la phase fonctionnalisée de disulfide seulement à des recouvrements sub-monocouche.

Propriétés optiques et analytiques des nanotrous : vers la conception de biocapteurs en résonance des plasmons de surface localisés

Les biocapteurs sont utilisés quotidiennement pour déterminer la présence de molécules biologiques dans une matrice complexe, comme l’urine pour les tests de grossesses ou le sang pour les glucomètres. Les techniques courantes pour la détection des autres maladies nécessitent fréquemment le marquage de l’analyte avec une autre molécule, ce qui est à éviter pour fin de simplicité d’analyse. Ces travaux ont pour but la maximisation de la sensibilité d’une surface d’or ou d’argent nanotrouée, afin de permettre la détection de la liaison de molécules biologiques par résonance des plasmons de surface localisés (LSPR), en utilisant la spectroscopie de transmission. Un biocapteur portable, rapide et sans marquage pour quantifier des analytes d’intérêt médical ou environnemental pourrait être construit à partir de ces travaux. Dans l’objectif d’étudier de nombreuses configurations pour maximiser la sensibilité, le temps et le coût des méthodes de fabrication de nanostructures habituelles auraient limité le nombre de surfaces nanotrouées pouvant être étudiées. Un autre objectif du projet consiste donc au développement d’une technique de fabrication rapide de réseaux de nanotrous, et à moindres coûts, basée sur la lithographie de nanosphères (NSL) et sur la gravure au plasma à l’oxygène (RIE). La sensibilité à la variation d’indice de réfraction associée aux liaisons de molécules sur la surface du métal noble et la longueur d’onde d’excitation du plasmon de surface sont influencées par les caractéristiques des réseaux de nanotrous. Dans les travaux rapportés ici, la nature du métal utilisé, le diamètre ainsi que la périodicité des trous sont variés pour étudier leur influence sur les bandes LSPR du spectre en transmission pour maximiser cette sensibilité, visant la fabrication d’un biocapteur. Les surfaces d’argent, ayant un diamètre de nanotrous inférieur à 200 nm pour une périodicité de 450 nm et les nanotrous d’une périodicité de 650 nm démontre un potentiel de sensibilité supérieur.