Produção de matrizes porosas 3D baseadas em réplicas invertidas de cristais coloidais

A Engenharia de Tecidos surge da necessidade recorrente de regenerar ou recriar órgãos e tecidos danificados devido a vários tipos de trauma. A carência de funcionalidades resultante pode ser resolvida através da implantação de substitutos bio-sintéticos. O presente trabalho consiste na produção de matrizes porosas 3D baseadas em réplicas invertidas de cristais coloidais com futura aplicação em substituintes ósseos sintéticos para fraturas de não-união. O substituinte ósseo consiste numa estrutura denominada Inverse colloidal crystal (ICC), em que a sua organização singular resulta numa homogénea proliferação celular e num aumento das propriedades mecânicas, quando comparada com outros substituintes. O primeiro passo para a obtenção desta estrutura é a produção de microesferas de poliestireno, por uma técnica baseada em microfluídica. Posteriormente as microesferas são empacotadas resultando numa estrutura coesa com ligações entre microesferas vizinhas. O preenchimento dos espaços vazios entre microesferas pelo biomaterial pretendido e posterior remoção das microesferas dá origem à estrutura porosa do ICC. ICCs poliméricos (ϕCs = 1,00) e compósitos (ϕCs = 0,86 e ϕHA = 0,14; ϕCs = 0,67 e ϕHA = 0,33; ϕCs = ϕHA = 0,50) são produzidos e as suas propriedades mecânicas são testadas através de ensaios de compressão e comparadas com outros substituintes sintéticos. Para avaliação do comportamento dos materiais em contacto com meio biológico, foram realizados testes de citotoxicidade que revelaram uma viabilidade celular acima dos 80% em todos os ICCs.

Síntese e caracterização de esferas monodispersas de látex e sua utilização no preparo de filmes de cristais coloidais tridimensionais

Esferas de poliestireno foram obtidas através da polimerização do estireno sem a presença de emulsificante. A suspensão foi caracterizada por Espalhamento de Luz e Microscopia Eletrônica de Transmissão apresentando monodispersidade com tamanho em torno de 463 nm. O método de deposição vertical foi utilizado para preparar filmes em substratos de vidro a partir da suspensão de esferas. Filmes de opalas de alta qualidade foram obtidos e caracterizados por Espectroscopia de Reflectância, Microscopia Eletrônica de Varredura e Microscopia Óptica.

Laserlike emission from silica inverse opals infiltrated with rhodamine 6G

Monodisperse latex spheres were obtained by a surfactant free styrene polymerization method and used to obtain colloidal crystals by controlled centrifugation settling. Silica inverse opals were then prepared by using the colloidal crystals as templates and TEOS/ethanol solution. The inverse opals were infiltrated with Rhodamine 6G and laserlike emission was observed at 590 nm under 532 nm pump wavelength. The data show line narrowing of the dye fluorescence and a laser threshold of similar to 0.1 mJ/pulse. Local-field effects and light scattering due to structural defects are the main mechanisms contributing to generation of the laser-action observed. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Rare earth doped synthetic opals and inverse opals

Monodisperse spheres of silica and latex were obtained by a surfactant free styrene polimerization and the Stober method respectively. Controlling settling either by centrifugation or by dip-coating colloidal crystals could be obtained. Silica inverse opals were prepared by using the latex colloidal crystals as templates and TEOS/ethanol solution. Eu3+ containing silica spheres were obtained dispersing silica spheres in Eu(NO3)(3) isopropanol solutions. Emission spectra suggest the formation of an amorphous Eu3+ containing phase well adhered at the spheres surface. The utilization of solutions of trifluoroacetates salts of Pb2+ and Eu3+ was observed to destroy the silica spherical pattern when samples are treated at 1000degreesC. In that case nanocrystals of PbF2 and amorphous silica were obtained after heat treatment.

Scherverhalten kolloidaler Lagenphasen in Rohrströmungen

Kolloidale Suspensionen aus identischen kugelförmigen, geladenen Partikeln in wässrigen Medien stellen ein ideales Modellsystem zur Untersuchung des Gleichgewichtsverhaltens, aber auch des Nicht-Gleichgewichtsverhaltens Weicher Materie dar. So bilden derartige Systeme bei hinreichend starker und langreichweitiger elektrostatischer Repulsion fluid und kristallin geordnete Strukturen aus, die wegen der weitreichenden Analogie zu atomar kondensierter Materie als kolloidale Fluide und Kristalle bezeichnet werden. Von großem Vorteil ist dabei die Möglichkeit zur kontrollierten Einstellung der Wechselwirkung und die gute optische Zugänglichkeit für Mikroskopie und Lichtstreuung sowie die Weichheit der Materialien, aufgrund derer sich auch Zustände fernab des mechanischen Gleichgewichts gezielt präparieren lassen. Themenstellung der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung des Phasenverhaltens und der Fließmechanismen kolloidaler Kristalle in einer Rohrströmung. Im ersten Teil der Arbeit wird gezeigt, dass beim Fluss durch eine zylindrische Röhre Mehrphasenkoexistenz auftritt, wobei ein polykristalliner Kern von einer isotropen Scherschmelze umgeben ist. Zusätzlich treten an der Grenze zwischen diesen Phasen und an der Rohrwand Phasen hexagonal geordneter übereinander hinweggleitender Lagen auf. Der Vergleich zwischen auf der Basis der Navier-Stokes-Gleichung theoretisch berechneten und gemessenen Geschwindigkeitsprofilen zeigt, dass jede dieser Phasen für sich Newtonsches Fließverhalten aufweist. Die Gesamtviskosität ist hingegen durch die mit dem Durchsatz veränderliche Phasenzusammensetzung Nicht-Newtonsch. Damit gelang es, die erstmalig von Würth beschriebene Scherverdünnung auf eine Veränderung der Phasenzusammensetzung zurückzuführen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde erstmals das Fließverhalten der Lagenphasen mittels Lichtstreuung und Korrelationsanalyse untersucht. Dafür wurde ein im Prinzip einfacher, aber leistungsstarker Aufbau realisiert, der es erlaubt, die zeitliche Veränderung der Bragg-Reflexe der Lagenphase in radialer und azimutaler Richtung zu verfolgen und mittels Fourieranalyse zu analysieren. In Abhängigkeit vom Durchsatz geht die zunächst rastend gleitende Lagenphase in eine frei gleitende Lagenphase über, wobei charakteristische Veränderungen der Spektren sowie der Korrelationsfunktionen auftreten, die detailliert diskutiert werden. Der Übergang im Gleitmechanismus ist mit einem Verlust der Autokorrelation der Rotationskomponente der periodischen Intra-Lagenverzerrung verbunden, während die Kompressionskomponente erhalten bleibt. Bei hohen Durchflüssen lassen die Reflexbewegungen auf das Auftreten einer Eigenschwingung der frei gleitenden Lagen schließen. Diese Schwingung lässt sich als Rotationsbewegung, gekoppelt mit einer transversalen Auslenkung in Vortexrichtung, beschreiben. Die Ergebnisse erlauben eine detaillierte Diskussion von verschiedenen Modellvorstellungen anderer Autoren.

Eigenschaftskorrelationen in kolloidalen Festkörpern und Fluiden aus optischen Experimenten

Die Arbeit beschäftigt sich mit ein- und zweikomponentigen, geladenen Kolloidsystemen, die in vollentsalzten wässrigen und organischen Dispersionen kristalline Strukturen ausbilden. Im ersten Teil der Arbeit wird die Wechselwirkung der Kolloide mit verschiedenen Methoden charakterisiert. Dabei zeigten sich quantitative Übereinstimmungen zwischen den Resultaten aus Zellenmodellrechnungen und aus elektrokinetischen Messungen einerseits und Messungen des Phasenverhaltens und der Elastizität andererseits. Diese nunmehr gut gesicherten Diskrepanzen und Korrelationen bedürfen des theoretischen Verständnisses. Im zweiten Teil der Arbeit wurde das Erstarrungsverhalten kolloidaler Scherschmelzen in den kristallinen Zustand mit (zeitaufgelöster) statischer Lichtstreuung und mikroskopischen Methoden untersucht. Dies erlaubte zunächst die kritische Überprüfung klassischer Modelle zur Kristallisationskinetik (Wilson- Frenkel- Gesetz, klassische Nukleationstheorie, Kolmogorov- Johnson- Mehl- Avrami (KJMA)- Modell). Es zeigte sich, dass diese Modelle gut geeignet sind die Verfestigung auch geladener kolloidaler Schmelzen zu beschreiben, wenn die diffusive Einteilchendynamik korrekt berücksichtigt wird. Erstmals wurden Oberflächenspannungen zwischen Kristallkeim und Schmelze für geladene Systeme bestimmt, die im Gegensatz zu Hartkugel- Systemen eine lineare Zunahme mit der Partikelkonzentration aufweisen. Der Methodenpark und die Auswerteverfahren wurden sodann auf binäre kolloidale Mischungen übertragen. Entsprechend den Einzelkomponenten kristallisieren alle Mischungen in einer kubischen Struktur. Leitfähigkeitsmessungen und Elastizität stehen meist im Einklang mit der Nukleation zufallsgeordneter Substitutionskristalle. Für mehrere Proben mit unterschiedlichen Größenverhältnissen wurde mit statischer Lichtstreuung der Einfluss der Komposition und der Partikelkonzentration auf das Nukleationsverhalten untersucht. Im Allgemeinen wurde das Nukleationsszenario einkomponentiger Systeme mit einigen unerwarteten, quantitativen Unterschieden reproduziert. Für eine Probe, die eine Kompositionsordnung andeutet, wurden interessante Korrelationen zwischen der Nukleationskinetik und den Eigenschaften des resultierenden Festkörpers gefunden.

Hypersonic elastic excitations in soft mesoscopic structures

This dissertation is devoted to the experimental exploration of the propagation of elastic waves in soft mesoscopic structures with submicrometer dimensions. A strong motivation of this work is the large technological relevance and the fundamental importance of the subject. Elastic waves are accompanied by time-dependent fluctuations of local stress and strain fields in the medium. As such, the propagation phase velocities are intimately related to the elastic moduli. Knowledge of the elastic wave propagation directly provides information about the mechanical properties of the probed mesoscopic structures, which are not readily accessible experimentally. On the other hand, elastic waves, when propagating in an inhomogeneous medium with spatial inhomogeneities comparable to their wavelength, exhibit rather rich behavior, including the appearance of novel physical phenomena, such as phononic bandgap formation. So far, the experimental work has been restricted to macroscopic structures, which limit wave propagation below the KHz range. It was anticipated that an experimental approach capable of probing the interplay of the wave propagation with the controlled mesoscopic structures would contribute to deeper insights into the fundamental problem of elastic wave propagation in inhomogeneous systems. The mesoscopic nature of the structures to be studied precludes the use of traditional methods, such as sound transmission, for the study of elastic wave propagation. In this work, an optical method utilizing the inelastic scattering of photons by GHz frequency thermally excited elastic waves, known as Brillouin light scattering spectroscopy (BLS), was employed. Two important classes of soft structures were investigated: thin films and colloidal crystals. For the former, the main interest was the effect of the one-dimensional (1D) confinement on the wave propagation due to the presence of the free-surface or interface of the layer and the utilization of these waves to extract relevant material parameters. For the second system, the primary interest was the interaction of the elastic wave and the strong scattering medium with local resonance units in a three-dimensional (3D) periodic arrangement.

Bicontinuous and mixed gels in binary mixtures of patchy colloidal particles

We investigate the thermodynamics and percolation regimes of model binary mixtures of patchy colloidal particles. The particles of each species have three sites of two types, one of which promotes bonding of particles of the same species while the other promotes bonding of different species. We find up to four percolated structures at low temperatures and densities: two gels where only one species percolates, a mixed gel where particles of both species percolate but neither species percolates separately, and a bicontinuous gel where particles of both species percolate separately forming two interconnected networks. The competition between the entropy and the energy of bonding drives the stability of the different percolating structures. Appropriate mixtures exhibit one or more connectivity transitions between the mixed and bicontinuous gels, as the temperature and/or the composition changes.

Designed functional defects in colloidal photonic crystals: switching, biomonitoring and modified photoluminescence

Es werden zwei komplementäre "bottom-up" Methoden präsentiert, die den kontrollierten Einbau von "intelligenten" planaren Defekten in selbstorganisierte kolloidale photonische Kristalle (KPKs) ermöglichen. Die Defektschicht basiert auf einem funktionellen, nanometer-skalierten dünnen Film, der entweder durch schichtweise ("layer-by-layer") Selbstorganisation und Mikrokontakttransferübertragung oder durch Aufschleudern und einer KPK-Opferfüllung hergestellt wird. Die entwickelten Techniken gestatten die Integration von maßgeschneiderten dünnen Defektfilmen bestehend aus einer enorm großen Vielfalt an Materialien; sie sind kostengünstig und können im größeren Maßstab angewendet werden. Optische Untersuchungen zeigen einen engen, durch den Defekt hervorgerufenen Transmissionszustand in der photonischen Bandlücke. Die Defektwellenlänge hängt von der optischen Dicke der Defektschicht ab. Aktives Schalten der Defektwellenlänge wird erreicht, indem Defektschichten aus Makromolekülen hergestellt werden, die über externe Erreger wie Licht, Temperatur, Redoxzyklen und mechanischen Druck adressiert werden können. Die Ergebnisse der Untersuchungen sind im Einklang mit separat durchgeführten Ellipsometrie-Messungen und theoretischen "scalar wave approximation"-Berechnungen. Darüber hinaus werden KPKs mit funktionellen biomolekularen Defekten vorgestellt. Über Verschiebungen der Defektmode können DNA-Konformationsänderungen, die enantioselektive Einlagerung eines chiralen Antitumormedikaments sowie Enzymaktivitäten optisch beobachtet werden. Die Einlagerung von fluoreszierenden Farbstoffen und Quantenpunkten in Defekt-KPKs führt zu einer eindeutigen, durch die photonische Bandlücke und den Defektzustand hervorgerufenen Modifizierung der Photolumineszenz (PL)-Spektren. Schaltbare PL-Modifizierungen werden detektiert, wenn adressierbare Defekt-KPKs verwendet werden.

Phase diagrams of binary mixtures of patchy colloids with distinct numbers and types of patches: Theempty fluid regime

We investigate the effect of distinct bonding energies on the onset of criticality of low functionality fluid mixtures. We focus on mixtures ofparticles with two and three patches as this includes the mixture where "empty" fluids were originally reported. In addition to the number of patches, thespecies differ in the type of patches or bonding sites. For simplicity, we consider that the patches on each species are identical: one species has threepatches of type A and the other has two patches of type B. We have found a rich phase behavior with closed miscibility gaps, liquid-liquid demixing, and negative azeotropes. Liquid-liquid demixing was found to pre-empt the "empty" fluid regime, of these mixtures, when the AB bonds are weaker than the AA or BB bonds. By contrast, mixtures in this class exhibit "empty" fluid behavior when the AB bonds are stronger than at least one of the other two. Mixtureswith bonding energies epsilon(BB) = epsilon(AB) and epsilon(AA) < epsilon(BB), were found to exhibit an unusual negative azeotrope. (C) 2011 American Institute of Physics. [doi:10.1063/1.3561396]

Microscopic Theory of Anchoring Transitions at the Surfaces of Pure Liquid-Crystals and their Mixtures .1. The Fowler Approximation

We have generalized earlier work on anchoring of nematic liquid crystals by Sullivan, and Sluckin and Poniewierski, in order to study transitions which may occur in binary mixtures of nematic liquid crystals as a function of composition. Microscopic expressions have been obtained for the anchoring energy of (i) a liquid crystal in contact with a solid aligning surface; (ii) a liquid crystal in contact with an immiscible isotropic medium; (iii) a liquid crystal mixture in contact with a solid aligning surface. For (iii), possible phase diagrams of anchoring angle versus dopant concentration have been calculated using a simple liquid crystal model. These exhibit some interesting features including re-entrant conical anchoring, for what are believed to be realistic values of the molecular parameters. A way of relaxing the most drastic approximation implicit in the above approach is also briefly discussed.

Properties of patchy colloidal particles close to a surface: a Monte Carlo and density functional study

We investigate the behavior of a patchy particle model close to a hard-wall via Monte Carlo simulation and density functional theory (DFT). Two DFT approaches, based on the homogeneous and inhomogeneous versions of Wertheim's first order perturbation theory for the association free energy are used. We evaluate, by simulation and theory, the equilibrium bulk phase diagram of the fluid and analyze the surface properties for two isochores, one of which is close to the liquid side of the gas-liquid coexistence curve. We find that the density profile near the wall crosses over from a typical high-temperature adsorption profile to a low-temperature desorption one, for the isochore close to coexistence. We relate this behavior to the properties of the bulk network liquid and find that the theoretical descriptions are reasonably accurate in this regime. At very low temperatures, however, an almost fully bonded network is formed, and the simulations reveal a second adsorption regime which is not captured by DFT. We trace this failure to the neglect of orientational correlations of the particles, which are found to exhibit surface induced orientational order in this regime.

Collective dynamic properties in simple crystals: Influence of the structural disorder

Collective dynamic properties in Lennard-Jones crystals are investigated by molecular dynamics simulation. The study is focused on properties such as the dynamic structure factors, the longitudinal and transverse currents and the density of states. The influence on these properties of the structural disorder is analyzed by comparing the results for one-component crystals with those for liquids and supercooled liquids at analogous conditions. The effects of species-disorder on the collective properties of binary crystals are also discussed.

Collective dynamic properties in simple crystals: Influence of the structural disorder

Collective dynamic properties in Lennard-Jones crystals are investigated by molecular dynamics simulation. The study is focused on properties such as the dynamic structure factors, the longitudinal and transverse currents and the density of states. The influence on these properties of the structural disorder is analyzed by comparing the results for one-component crystals with those for liquids and supercooled liquids at analogous conditions. The effects of species-disorder on the collective properties of binary crystals are also discussed.

Crystal design approaches for the synthesis of paracetamol co-crystals

Crystal engineering principles were used to design three new co-crystals of paracetamol. A variety of potential cocrystal formers were initially identified from a search of the Cambridge Structural Database for molecules with complementary hydrogen-bond forming functionalities. Subsequent screening by powder X-ray diffraction of the products of the reaction of this library of molecules with paracetamol led to the discovery of new binary crystalline phases of paracetamol with trans-1,4- diaminocyclohexane (1); trans-1,4-di(4-pyridyl)ethylene (2); and 1,2-bis(4-pyridyl)ethane (3). The co-crystals were characterized by IR spectroscopy, differential scanning calorimetry, and 1H NMR spectroscopy. Single crystal X-ray structure analysis reveals that in all three co-crystals the co-crystal formers (CCF) are hydrogen bonded to the paracetamol molecules through O−H···N interactions. In co-crystals (1) and (2) the CCFs are interleaved between the chains of paracetamol molecules, while in co-crystal (3) there is an additional N−H···N hydrogen bond between the two components. A hierarchy of hydrogen bond formation is observed in which the best donor in the system, the phenolic O−H group of paracetamol, is preferentially hydrogen bonded to the best acceptor, the basic nitrogen atom of the co-crystal former. The geometric aspects of the hydrogen bonds in co-crystals 1−3 are discussed in terms of their electrostatic and charge-transfer components.