Exploring molecular recognition pathways in one- and two-component gels formed by dendritic lysine-based gelators

This paper provides an integrated overview of the factors which control gelation in a family of dendritic gelators based on lysine building blocks. In particular, we establish that higher generation systems are more effective gelators, amide linkages in the dendron are better than carbamates, and long alkyl chain surface groups and a carboxylic acid at the focal point enhance gelation. The gels are best formed in relatively low polarity solvents with no hydrogen bond donor ability and limited hydrogen bond acceptor capacity. The dendrons with acid groups at the focal point can form two component gels with diaminododecane, and in this case, it is the lower generation dendrons which can avoid steric hindrance and form more effective gels. The stereochemistry of lysine is crucial in self-assembly, with opposite enantiomers disrupting each other's molecular recognition pathways. For the two-component system, stoichiometry is key, if too much diamine is present, dendron-stabilised microcrystals of the diamine begin to form. Interestingly, gelation still occurs in this case, and the systems with amides/alkyl chains are more effective gels, as a consequence of enhanced dendron-dendron intermolecular interactions allowing the microcrystals to form an interconnected network.

Measurement of the Electrogenicity of Bile Salt/H+ Antiport in Escherichia coli

The transmembrane proton gradient (ΔpH) is the primary source of energy exploited by secondary active substrate/H+ antiporters to drive the electroneutral transport of substrates across the Escherichia coli (E. coli) inner membrane. Such electroneutral transport results in no net movement of charges across the membrane. The charge on the transported substrate and the stoichiometry of the exchange reaction, however, can result in an electrogenic reaction which is driven by both the ΔpH and the electrical (∆Ψ) components of the proton electrochemical gradient, resulting in a net movement of electrical charges across the membrane. We have shown that the major facilitator superfamily transporter MdtM - a multidrug efflux protein from E. coli that functions physiologically in protection of bacterial cells against bile salts - imparts bile salt resistance to the bacterial cell by coupling the exchange of external protons (H+) to the efflux of bile salts from the cell interior via an electrogenic antiport reaction (Paul et al., 2014). This protocol describes, using fluorometry, how to detect electrogenic antiport activity of MdtM in inverted membrane vesicles of an antiporter-deficient strain of E. coli TO114 cells by measuring transmembrane ∆Ψ. The method exploits changes that occur in the intensity of the fluorescence signal (quenching and dequenching) of the probe Oxonol V in response to changes in membrane potential due to the MdtM-catalysed sodium cholate/H+ exchange reaction. The protocol can be adapted to detect activity of any secondary active antiporter that couples the electrogenic translocation of H+ across a biological membrane to that of its counter-substrate, and may be used to unmask otherwise camouflaged transport activities and physiological roles.

Differential affinity of FLIP and procaspase 8 for FADD's DED binding surfaces regulates DISC assembly

Death receptor activation triggers recruitment of FADD, which via its death effector domain (DED) engages the DEDs of procaspase 8 and its inhibitor FLIP to form death-inducing signalling complexes (DISCs). The DEDs of FADD, FLIP and procaspase 8 interact with one another using two binding surfaces defined by α1/α4 and α2/α5 helices, respectively. Here we report that FLIP has preferential affinity for the α1/α4 surface of FADD, whereas procaspase 8 has preferential affinity for FADD's α2/α5 surface. These relative affinities contribute to FLIP being recruited to the DISC at comparable levels to procaspase 8 despite lower cellular expression. Additional studies, including assessment of DISC stoichiometry and functional assays, suggest that following death receptor recruitment, the FADD DED preferentially engages FLIP using its α1/α4 surface and procaspase 8 using its α2/α5 surface; these tripartite intermediates then interact via the α1/α4 surface of FLIP DED1 and the α2/α5 surface of procaspase 8 DED2.

High temperature thermal stability studies of ultrathin Al2O3 layers deposited on native oxide and sulphur passivated InGaAs surfaces

High resolution synchrotron radiation core level photoemission measurements have been used to undertake a comparative study of the high temperature stability of ultrathin Al2O3 layers deposited by atomic layer deposition (ALD) on both sulphur passivated and native oxide covered InGaAs. The residual interfacial oxides between sulphur passivated InGaAs and the ultrathin Al2O3 layer can be substantially removed at high temperature (up to 700 °C) without impacting on the InGaAs stoichiometry while significant loss of indium was recorded at this temperature on the native oxide InGaAs surface.

High-affinity NO3 --H+ cotransport in the fungus Neurospora:Induction and control by pH and membrane voltate

High-affinity nitrate transport was examined in intact hyphae of Neurospora crassa using electrophysiological recordings to characterize the response of the plasma membrane to NO₃ ^- challenge and to quantify transport activity. The NO₃ ^--associated membrane current was determined using a three electrode voltage clamp to bring membrane voltage under experimental control and to compensate for current dissipation along the longitudinal cell axis. Nitrate transport was evident in hyphae transferred to NO₃ ^--free, N-limited medium for 15 hr, and in hyphae grown in the absence of a nitrogen source after a single 2-min exposure to 100 μM NO₃ ^-. In the latter, induction showed a latency of 40-80 min and rose in scalar fashion with full transport activity mensurable approx. 100 min after first exposure to NO₃ ^-; it was marked by the appearance of a pronounced sensitivity of membrane voltage to extracellular NO₃ ^- additions which, after induction, resulted in reversible membrane depolarizations of (+)54-85 mV in the presence of 50 μM NO₃ ^-; and it was suppressed when NH₄ ⁺, was present during the first, inductive exposure to NO₃ ^-. Voltage clamp measurements carried out immediately before and following NO₃ ^- additions showed that the NO₃ ^--evoked depolarizations were the consequence of an inward-directed current that appeared in parallel with the depolarizations across the entire range of accessible voltages -400 to +100 mV). Measurements of NO₃ ^- uptake using NO₃ ^--selective macroelectrodes indicated a charge stoichiometry for NO₃ ^- transport of 1(+):1(NO₃ ^-) with common K(m) and J(max) values around 25 μM and 75 pmol NO₃ ^- cm^-2sec^-1, respectively, and combined measurements of pH(o) and [NO₃ ^-](o) showed a net uptake of approx. 1 H⁺ with each NO₃ ^- anion. Analysis of the NO₃ ^- current demonstrated a pronounced voltage sensitivity within the normal physiological range between -300 and -100 mV as well as interactions between the kinetic parameters of membrane voltage, pH(o) and [NO₃ ^-](o). Increasing the bathing pH from 5.5 to 8.0 reduced the current and the associated membrane depolarizations 2- to 4-fold. At a constant pH(o) of 6.1, driving the membrane voltage from -350 to -150 mV resulted in an approx. 3-fold reduction in the maximum current and a 5-fold rise in the apparent affinity for NO₃ ^-. By contrast, the same depolarization effected an approx. 20% fall in the K(m) for transport as a function in [H⁺](o). These, and additional results are consistent with a charge-coupling stoichiometry of 2(H⁺) per NO anion transported across the membrane, and implicate a carrier cycle in which NO binding is kinetically adjacent to the rate-limiting step of membrane charge transit. The data concur with previous studies demonstrating a pronounced voltage-dependence to high-affinity NO₃ ^- transport system in Arabidopsis, and underline the importance of voltage as a kinetic factor controlling NO₃ ^- transport; finally, they distinguish metabolite repression of NO₃ ^- transport induction from its sensitivity to metabolic blockade and competition with the uptake of other substrates that draw on membrane voltage as a kinetic substrate.

Ionothermal Syntheses of Nano- and Microstructured Ternary Copper–Indium–Chalcogenides

Ternary compounds of copper indium selenide nano- and microsized materials were prepared through colloidal synthesis using an indium(III) selenide precursor and copper(I) chloride via a microwave-assisted ionothermal route. The indium(III) selenide precursor used in the reaction was formed in situ from a diphenyl diselenide precursor and chloroindate(III) ionic liquids (ILs), also via a microwave-assisted ionothermal route. The crystal structures of three intermediates, namely, CuCl2(OMe)2(H2O)){Cu(PhSeO2)2}n, [CuCl(Se2Ph2)2]n, and [C8mim]3{Cu(I)Cl2Cu(II)OCl8}n, were determined after formation through a ionothermal procedure utilizing metal-containing imidazolium ILs and a selenium precursor with conventional heating. Herein, we compare the use of microwave irradiation over conventional heating with different ILs on the stoichiometry of the resulting products. The influence of the reaction temperature, reaction time, order of addition of reagents, and variation of ILs, which were characterized using PXRD, SEM, and EDX, on the final products was investigated.

Organo-mineral complexation alters carbon and nitrogen cycling in stream microbial assemblages

Inland waters are of global biogeochemical importance receiving carbon inputs of ~ 4.8 Pg C y^-1. Of this 12 % is buried, 18 % transported to the oceans, and 70 % supports aquatic secondary production. However, the mechanisms that determine the fate of organic matter (OM) in these systems are poorly defined. One important aspect is the formation of organo-mineral complexes in aquatic systems and their potential as a route for OM transport and burial vs. their use potential as organic carbon (C) and nitrogen (N) sources. Organo-mineral particles form by sorption of dissolved OM to freshly eroded mineral surfaces and may contribute to ecosystem-scale particulate OM fluxes. We tested the availability of mineral-sorbed OM as a C & N source for streamwater microbial assemblages and streambed biofilms. Organo-mineral particles were constructed in vitro by sorption of ¹³C:¹⁵N-labelled amino acids to hydrated kaolin particles, and microbial degradation of these particles compared with equivalent doses of ¹³C:¹⁵N-labelled free amino acids. Experiments were conducted in 120 ml mesocosms over 7 days using biofilms and streamwater sampled from the Oberer Seebach stream (Austria), tracing assimilation and mineralization of ¹³C and ¹⁵N labels from mineral-sorbed and dissolved amino acids.Here we present data on the effects of organo-mineral sorption upon amino acid mineralization and its C:N stoichiometry. Organo-mineral sorption had a significant effect upon microbial activity, restricting C and N mineralization by both the biofilm and streamwater treatments. Distinct differences in community response were observed, with both dissolved and mineral-stabilized amino acids playing an enhanced role in the metabolism of the streamwater microbial community. Mineral-sorption of amino acids differentially affected C & N mineralization and reduced the C:N ratio of the dissolved amino acid pool. The present study demonstrates that organo-mineral complexes restrict microbial degradation of OM and may, consequently, alter the carbon and nitrogen cycling dynamics within aquatic ecosystems.

High temperature thermal stability investigations of ammonium sulphide passivated InGaAs and interface formation with Al2O3 studied by synchrotron radiation based photoemission

High resolution synchrotron radiation core level photoemission measurements have been used to undertake a comparative study ofthe high temperature thermal stability ofthe ammonium sulphide passivated InGaAs surface and the same surface following the atomic layer deposition (ALD) of an ultrathin (∼1 nm) Al2O3 layer. The solution based ex situ sulphur passivation was found to be effective at removing a significant amount of the native oxides and protecting the surface against re-oxidation upon air exposure. The residual interfacial oxides which form between sulphur passivated InGaAs and the ultrathin Al2O3 layer can be substantially removed at high temperature (up to 700 ◦C) without impacting on the InGaAs stoichiometry while significant loss of indium was recorded at this temperature on the uncovered sulphur passivated InGaAs surface.

High-temperature stability study of 1 nm Al2O3 deposited on InAs surfaces investigated by synchrotron radiation based photoemission spectroscopy

High-resolution soft x-ray photoemission spectroscopy (SXPS) has been used to study the high-temperature thermal stability of ultra-thin atomic layer deposited (ALD) Al2O3 layers (~1 nm) on sulfur passivated and native oxide covered InAs surfaces. While the arsenic oxides were removed from both interfaces following a 600 °C anneal, a residual indium oxide signal remained. No significant differences were observed between the sulfur passivated and native oxide surfaces other than the thickness of the interfacial oxide layer while the Al2O3 stoichiometry remained unaffected by the anneals. The energy band offsets were determined for the Al2O3 on the sulfur passivated InAs surface using both valence band edge and shallow core-level photoemission measurements.

Metabolism of mineral-sorbed organic matter depends upon microbial lifestyle in fluvial ecosystems

In fluvial ecosystems mineral erosion, carbon (C) and nitrogen (N) fluxes are linked via organo-mineral complexation, where dissolved organic molecules bind to mineral surfaces. Biofilms and suspended aggregates represent major aquatic microbial lifestyles whose relative importance changes predictably through fluvial networks. We tested how organo-mineral sorption affects aquatic microbial metabolism, using organo-mineral particles containing a mix of ¹³C, ¹⁵N-labelled amino acids. We traced ¹³C and ¹⁵N retention within biofilm and suspended aggregate biomass and its mineralisation. Organo-mineral complexation restricted C and N retention within biofilms and aggregates and also their mineralisation. This reduced the efficiency with which biofilms mineralise C and N by 30 % and 6 %. By contrast, organo-minerals reduced the C and N mineralisation efficiency of suspended aggregates by 41 % and 93 %. Our findings show how organo-mineral complexation affects microbial C:N stoichiometry, potentially altering the biogeochemical fate of C and N within fluvial ecosystems.

Novel furan polymer materials based on the reversible Diels-Alder reaction

A futura e inevitável escassez dos recursos fósseis, juntamente com o aumento imprevisível dos seus preços, levou, nas últimas décadas, a um aumento impressionante de iniciativas dedicadas não só à procura de fontes alternativas de fornecedores de energia, mas também de produtos químicos e polímeros a partir de fontes renováveis, em particular da biomassa vegetal. Entre estes, os polímeros derivados de monómeros furânicos constituem uma classe única de materiais cujas estruturas podem, em princípio, simular virtualmente os seus homólogos actualmente derivados de recursos fósseis. O anel furânico é uma estrutura heterocíclica com um carácter diénico pronunciado, o que torna-o um dieno particularmente apropriado para a reacção de Diels-Alder (DA) com dienófilos como a maleimida. Um dos aspectos mais relevantes da reacção de DA é a sua reversibilidade em função da temperatura, a qual permite que os aductos sejam facilmente revertidos nos seus precursores por aumento da temperatura (reacção de retro-DA). No caso específico da combinação furano-maleimida, a formação do aducto predomina até cerca de 60ºC, enquanto a reacção inversa é dominante acima de 100ºC. A combinação desta característica da reacção de DA com a química de compostos furânicos pode abrir um novo caminho para a preparação de materiais macromoleculares funcionais com base em fontes renováveis e com aplicações promissoras como auto-reparação e reciclabilidade. O principal objectivo desta Tese, é a síntese e caracterização de novos materiais poliméricos termo-reversíveis, aplicando a reacção de DA a monómeros complementares com estruturas dos tipos furânico (o dieno, designado por A) e de maleimida (o dienófilo, designado por B). A primeira etapa neste trabalho envolveu a síntese, purificação e caracterização de novos monómeros furânicos e de maleimida do tipo AA, A3, BB, B3, AB, AB2, cada um com diferentes grupos separadores das funções reactivas. Posteriormente, estes monómeros foram polimerizados e despolimerizados por ciclos de DA/retro-DA utilizando diferentes combinações. A formação e dissociação de todos os aductos de DA foram seguidas por ambas espectroscopias de UV e RMN de 1H. O primeiro sistema de DA estudado foi uma combinação modelo entre reagentes mono-funcionais (-A+-B), nomeadamente o acetato furfurílico (FA) e a N-metilmaleimida (MM), ambos comercialmente disponíveis. O objectivo desta abordagem foi estudar a cinética e o equilíbrio da formação/dissociação dos aductos de DA e obter indicações sobre as condições mais adequadas a serem usadas na preparação dos correspondentes novos materiais macromoleculares. Além disso, pretendia-se verificar a presença ou ausência de reacções secundárias que poderiam intervir em ambas as vias directa e inversa das reacções, mesmo após vários ciclos. A espectroscopia de UV forneceu informação quantitativa sobre a cinética de formação do aducto através da diminuição progressiva da absorvência máxima a 293 nm correspondente ao grupo maleimida, a diferentes temperaturas (35, 50, 65 ºC) Reciprocamente, a correspondente reacção de retro-DA foi seguida a 90 ºC através do aumento do mesmo pico. A reversibilidade destes sistemas foi verificada com sucesso após uma sequência de ciclos de DA/retro-DA. Adicionalmente, verificou-se que os espectros originaram um ponto isosbéstico, provando que estes sistemas não envolvem quaisquer reacções secundárias. Uma vez que foi usado um excesso de FA, as reacções de DA modelo apresentaram um comportamento cinético de pseudo-primeira ordem, com a constante de velocidade k mais alta (2.1x10-5 dm3mol-1s-1) para T=65 ºC. A correspondente energia de activação foi de 39.0 kJ.mol-1. A reacção de retro-DA seguiu um comportamento de primeira ordem, com constante de velocidade de 1.6x10-6 s-1. A evolução deste sistema por RMN de 1H a 65ºC deu-nos informações mais detalhadas sobre a sua evolução estrutural, ou seja, à medida que a intensidade dos picos atribuídos à formação do aducto aumentaram progressivamente ao longo do tempo, os pertencentes aos reagentes iniciais diminuiram proporcionalmente. O “rendimento final”, calculado após 20 dias à temperatura ambiente, foi de aproximadamente 70%. A reacção de retro-DA foi depois seguida a 90ºC, observando-se tal como na espectroscopia de UV, o deslocamento da reacção no sentido da regeneração dos reagentes de partida. A viabilidade de múltiplos ciclos de DA/retro-DA estabelecidos pela espectroscopia de UV foi igualmente confirmada por RMN de 1H. O passo seguinte envolveu o estudo de um sistema de policondensação linear baseado no crescimento gradual por reacção de DA entre um monómero bisfurânico A-A e um do tipo bismaleimida B-B, seguindo a mesma abordagem que no sistema modelo. O poliaducto linear foi obtido a partir de soluções equimolares dos monómeros, por reacção de DA a 65ºC. O progresso desta polimerização foi seguido por espectroscopia de UV e RMN de 1H e, mais qualitativamente, pelo aumento da viscosidade do meio. A reacção seguiu um comportamento de segunda ordem, com uma constante de velocidade de 9.4x10-6 dm3mol-1s-1, e observou-se novamente um ponto isosbéstico nos dados de UV. Os espectros de RMN apresentaram o padrão esperado, nomeadamente o aumento progressivo dos sinais associados ao aducto e a correspondente diminuição dos grupos furano e maleimida livres. A despolimerização do poliaducto através da reacção de retro-DA foi seguida a 110ºC usando as mesmas técnicas. Os dados de UV mostraram o retorno progressivo da absorção dos grupos de maleimida, seguindo um comportamento cinético de primeira ordem, com constante de velocidade de 2.5x10-6 s-1, até à completa regeneração de ambos os monómeros. Os espectros de RMN providenciaram mais uma vez informação estrutural sobre o progresso da despolimerização, a qual foi acompanhada por uma diminuição progressiva da viscosidade. Adicionalmente, para seguir a retro- DA, adicionou-se um excesso de composto furânico monofuncional, nomeadamente o 2,5-dimetilfurano (DMFu), ao sistema de modo a bloquear as funções maleimida complementares, evitando assim a repolimerização após arrefecimento. Os productos isolados foram então o monómero bisfurânico AA, DMFu que não reagiu e o bisaducto não-polimerizável de BB com DMFu. Este resultado indicou claramente que o polímero foi de facto revertido nos seus monómeros durante a reacção de retro-DA. O terceiro sistema estudado foi outra polimerização linear, seguindo as mesmas condições experimentais que os anteriores, mas com uma estratégia diferente de modo a contornar o problema clássico de assegurar a estequiometria exacta dos monómeros. As estruturas dos monómeros utilizados incorporam ambos os grupos reactivos, i.e, moléculas do tipo A-B. A polimerização prematura destes monómeros intrinsecamente reactivos foi evitada com a protecção do grupo maleimida na forma de um aducto de DA com furano, até a incorporação do substituinte furânico na outra extremidade. Portanto, a policondensação destes monómeros foi iniciada após a desprotecção in situ deste composto mediante aquecimento, seguido de arrefecimento até à temperatura adequada para polimerizar. Os resultados obtidos por UV e RMN sugerem que de facto o uso de monómeros do tipo A-B oferece um melhor sistema linear. Em seguida, foram estudados sistemas de policondensação não-linear por reacção de DA, entre monómeros (um ou ambos) com funcionalidade superior a dois, nomeadamente sistemas do tipo A3+B-B ou A-A+B3, seguindo mais uma vez as mesmas condições experimentais. Uma vez que utilizam monómeros complementares contendo, em média, mais de duas funcionalidades, estes sistemas conduzem a materiais reticulados. Nestes estudos, foram usadas três razões molares de [maleimida]/[furano], nomeadamente 1.0, 0.75 e 0.5, de modo a estudar ambas as situações de não-gelificação e reticulação. Ambos sistemas apresentaram um comportamento regular e boa reciclabilidade quer para gerar situações que possam conduzir à formação de redes a diferentes graus de conversão, ou que possam parar antes da sua obtenção, conforme previsto pela equação de Flory-Stockmayer. Como esperado, a utilização de grupos complementares em quantidades estequiométricas produziu o espessamento mais rápido e a reticulação quase completa; à medida que a quantidade relativa de monómero trifuncional decresceu, as reacções pararam antes da reticulação, ou seja, originaram meios altamente viscosos contendo polímeros solúveis altamente ramificados. As reacções de retro-DA a 110 ºC conduziram à gradual dissolução das partículas de gel (quando presentes), tendo sido comprovado pelos espectros de UV e de RMN de 1H, evidenciado a regeneração dos monómeros. Tal como no sistema do tipo A-A+B-B, a reacção de retro-DA foi seguida adicionando um excesso de DMFu ao sistema reaccional. Como esperado, os produtos finais foram os monómeros furânicos, o DMFu em excesso e o trisaducto ou o bisaducto maleimida-DMFu, o que confirma a eficiência da despolimerização com regeneração dos monómeros iniciais. O último sistema de policondensação por reacção de DA envolveu um monómero assimetricamente substituído do tipo AB2, capaz de originar estruturas macromoleculares hiper-ramificadas que não reticulam. Este estudo preliminar deste sistema foi seguido nas mesmas condições experimentais que os anteriores, apresentando um comportamento com as características esperadas.

Estudo óptico de cristais e heterostruturas de CdTe

Neste trabalho privilegiam-se as técnicas ópticas, nomeadamente a fotoluminescência a transmissão, a reflexão e a difusão de Raman na caracterização de defeitos e impurezas em cristais e heterostruturas de CdTe/GaAs. No primeiro capítulo efectua-se uma revisão sucinta das propriedades dos compostos II-VI e são colocados os problemas a investigar. O segundo capítulo é dedicado a alguns aspectos teóricos relevantes para a análise dos resultados obtidos nos capítulos quatro a nove. O equipamento utilizado e as experiências realizadas são descritas no terceiro capítulo. A caracterização por espectroscopia de luminescência do tipo de transições e dos defeitos envolvidos nas amostras de fábrica é efectuada com detalhe no quarto capítulo. Neste capítulo são analisadas ainda as emissões devidas a desvios estequiométricos causados pelo recozimento com excesso e defeito de Cd. No capítulo cinco são estudadas por fotoluminescência amostras dopadas intencionalmente com oxigénio por difusão e mostra-se que este elemento se comporta como trapa isoelectrónica no CdTe tal como acontece no ZnTe. Neste capítulo são estudadas também amostras dopadas com ferro pelo mesmo método e são apresentadas as dificuldades em colocar este dopante em sítios substitucionais, nomeadamente no sítio do Cd. No sexto capítulo é estudada a região 1.4 eV, evidenciando o seu comportamento em função da temperatura e da potência de excitação, o seu perfil e a interacção electrãorede. No sétimo capítulo mostra-se que a técnica micro-Raman com luz visível coerente não permite extrair conclusões fiáveis acerca das inclusões de Te na superfície do CdTe, uma vez que a radiação ao ser focada nas amostras, induz a formação de aglomerados nos quais o Te é o elemento dominante. Neste capítulo calcula-se também a concentração de portadores livres através da interacção do plasmão com o fonão óptico longitudinal. O oitavo capítulo é dedicado ao estudo de camadas de CdTe/GaAs com diferentes espessuras nomeadamente na análise da distribuição das deslocações e da deformação na superfície em função da espessura. Os resultados obtidos são comparados através da largura a meia altura das curvas de DCXRD (“Double Crystal X Ray Diffraction”) e dos espectros de reflectância. Por fotoluminescência, são caracterizados os defeitos introduzidos durante o crescimento, são utilizados e desenvolvidos modelos complementares na distinção do tipo de transições ópticas obtidas. No nono capítulo, por espectroscopia de absorção e de reflexão em cristais de CdTe e em camadas de CdTe/GaAs na região reststrahlen são determinadas as frequências dos modos ópticos longitudinal e transversal com bastante precisão. Os resultados obtidos — pelas relações de dispersão de Kramers- Kronig — são simulados pelo modelo do oscilador harmónico classico, mostrando que ambos os métodos descrevem de forma semelhante o comportamento do CdTe nessa região sendo possível determinar as frequências ópticas transversal e longitudinal, as constantes dieléctrica óptica e estática e os coeficientes de amortecimento e de Szigeti. Nas heterostruturas e nas camadas mais espessas determina-se também a concentração de portadores de carga n. No décimo capítulo resumem-se as conclusões do trabalho e são abordados aspectos relacionados com desenvolvimentos possíveis de futuros trabalhos.

Síntese de azacalixarenos para o reconhecimento molecular de aniões

No âmbito desta dissertação são apresentados novos recetores sintéticos baseados na plataforma macrocíclica tetraazacalix[2]areno[2]triazina incorporando bases de purina ou unidades de aminoácidos naturais. Estes recetores foram preparados tendo como objectivo o reconhecimento seletivo de fármacos e aniões biologicamente relevantes. No primeiro capítulo é apresentada uma revisão bibliográfica sobre recetores derivados de tetraazacalix[2]areno[2]triazina demonstrando-se que a funcionalização desta plataforma, nos anéis de triazina ou nos anéis benzénicos, encontra-se ainda na infância bem como a investigação das suas afinidades para aniões. Subsequentemente, considerando os aniões principais estudados nesta tese, aniões carboxilatos alifáticos, aromáticos e aminoácidos é apresentada uma revisão bibliográfica sobre os estudos de reconhecimento molecular reportados na literatura, entre derivados de calix[4]areno e este tipo de aniões. No segundo capítulo descrevem-se as sínteses de recetores com uma ou duas unidades de aminoácido, L-alanina (AC1A, AC2A) e L-triptofano (AC2T), ancoradas nos anéis benzénicos da plataforma tetraazacalix[2]areno[2]triazina. Como demostrado no capítulo 3, os grupos N-H dos azotos em ponte são locais de reconhecimento de aniões. Neste contexto, estes macrociclos foram também metilados nos azotos em ponte (Me4AC2A e Me4AC2T) de modo a direcionar o reconhecimento cooperativo de aniões exclusivamente através dos grupos N-H das unidades de aminoácidos. A lipofilicidade destas moléculas foi alterada por substituição dos átomos de cloro das triazinas por dihexilamina. Os compostos sintetizados foram caracterizados através de técnicas espetroscópicas complementadas em alguns compostos por difração de raios X de cristal único. No capítulo 3 apresentam-se os estudos de reconhecimento molecular entre os recetores sintetizados e aniões derivados de ácidos carboxílicos (mono, di e tricarboxílicos) alifáticos, aromáticos, isoméricos e aniões inorgânicos. Estes estudos foram efetuados em DMSO-d6 ou em CDCl3 por titulações de RMN de 1H com determinação das respetivas constantes de associação. Para os recetores AC1A e AC2A o reconhecimento da maioria dos aniões estudados ocorre simultaneamente através dos grupos N-H dos azotos em ponte e do N-H da amida do braço da L-alanina. Contudo, no caso do isoftalato e tricarboxilato, com dois e três grupos carboxilato em posição meta, ocorre preferencialmente através dos dois braços de L-alanina como sugerido por estudos de dinâmica molecular em DMSO. Os estudos de associação realizados para os macrociclos que contêm unidades de L-triptofano, AC2T e Me4AC2T, mostraram que o reconhecimento de aniões é efetuado preferencialmente através de ligações de hidrogénio estabelecidas com os grupos amida e amina do grupo indole dos braços de aminoácido em detrimento das aminas em ponte como em AC1A e AC2A. Para a série dos carboxilatos alifáticos verifica-se que o recetor Me4AC2A tem maior afinidade com o anião glutarato (K= 389 M-1, DMSO-d6) enquanto o recetor Me4AC2T associa-se mais fortemente com o anião oxalato (K= 776 M-1, CDCl3). Todas as Job plots efetuadas confirmaram que as entidades estudadas obedeciam a uma estequiometria recetor/anião de 1:1.

Development of lithium disilicate based glass-ceramics

O principal objectivo deste estudo foi o desenvolvimento de vitrocerâmicos à base de dissilicato de lítio no sistema Li2O-K2O-Al2O3-SiO2 contendo uma razão molar SiO2/Li2O muito afastada da do dissilicato de lítio (Li2Si2O5) usando composições simples e a técnica tradicional de fusão-vazamento de vidro de forma a obter materiais com propriedades mecânicas, térmicas, químicas e eléctricas superiores que permitam a utilização destes materiais em diversas aplicações funcionais. Investigou-se o fenómeno de separação de fases, a cristalização e as relações estrutura-propriedades de vidros nos sistemas Li2O-SiO2, Li2O-Al2O3-SiO2 e Li2O-K2O-Al2O3-SiO2. Os vidros nos sistemas Li2O-SiO2 e Li2O-Al2O3-SiO2 apresentaram fraca densificação e resultaram em materiais frágeis, contrastando com a boa sinterização dos vidros no sistema Li2O-K2O-Al2O3-SiO2. Pequenas adições de Al2O3 e K2O ao sistema Li2O-SiO2 permitiram controlar a separação de fases devido à formação de espécies de Al(IV) que confirmaram o papel de Al2O3 como formador de rede. Os compactos de pó de vidro das composições contendo Al2O3 e K2O tratados termicamente resultaram em vitrocerâmicos bem densificados, apresentando dissilicato de lítio como a principal fase cristalina, e valores de resistência mecânica à flexão, resistência química e condutividade eléctrica (173-224 MPa, 25-50 mg/cm2 e ~2´10-18 S/cm, respectivamente) que possibilitam a utilização destes materiais em diversas aplicações funcionais. A adição de P2O5, TiO2 e ZrO2 ao sistema Li2O-K2O-Al2O3-SiO2 como agentes nucleantes revelou que os vidros contendo apresentaram cristalização em volume, com a formação de metassilicato de lítio a temperaturas mais baixas e dissilicato de lítio para as temperaturas mais elevadas, enquanto a adição de zircónia reduz o grau de segregação, aumenta a polimerização da matriz vítrea e desloca o valor de Tg para temperaturas superiores, inibindo a cristalização.

Evaluation of thermochemical biomass conversion in fluidized bed

Dado o aumento acelerado dos preços dos combustíveis fósseis e as incertezas quanto à sua disponibilidade futura, tem surgido um novo interesse nas tecnologias da biomassa aplicadas à produção de calor, eletricidade ou combustíveis sintéticos. Não obstante, para a conversão termoquímica de uma partícula de biomassa sólida concorrem fenómenos bastante complexos que levam, em primeiro lugar, à secagem do combustível, depois à pirólise e finalmente à combustão ou gasificação propriamente ditas. Uma descrição relativamente incompleta de alguns desses estágios de conversão constitui ainda um obstáculo ao desenvolvimento das tecnologias que importa ultrapassar. Em particular, a presença de elevados conteúdos de matéria volátil na biomassa põe em evidência o interesse prático do estudo da pirólise. A importância da pirólise durante a combustão de biomassa foi evidenciada neste trabalho através de ensaios realizados num reator piloto de leito fluidizado borbulhante. Verificou-se que o processo ocorre em grande parte à superfície do leito com chamas de difusão devido à libertação de voláteis, o que dificulta o controlo da temperatura do reator acima do leito. No caso da gasificação de biomassa a pirólise pode inclusivamente determinar a eficiência química do processo. Isso foi mostrado neste trabalho durante ensaios de gasificação num reator de leito fluidizado de 2MWth, onde um novo método de medição permitiu fechar o balanço de massa ao gasificador e monitorizar o grau de conversão da biomassa. A partir destes resultados tornou-se clara a necessidade de descrever adequadamente a pirólise de biomassa com vista ao projeto e controlo dos processos. Em aplicações de engenharia há particular interesse na estequiometria e propriedades dos principais produtos pirolíticos. Neste trabalho procurou-se responder a esta necessidade, inicialmente através da estruturação de dados bibliográficos sobre rendimentos de carbonizado, líquidos pirolíticos e gases, assim como composições elementares e poderes caloríficos. O resultado traduziu-se num conjunto de parâmetros empíricos de interesse prático que permitiram elucidar o comportamento geral da pirólise de biomassa numa gama ampla de condições operatórias. Para além disso, propôs-se um modelo empírico para a composição dos voláteis que pode ser integrado em modelos compreensivos de reatores desde que os parâmetros usados sejam adequados ao combustível ensaiado. Esta abordagem despoletou um conjunto de ensaios de pirólise com várias biomassas, lenhina e celulose, e temperaturas entre os 600 e 975ºC. Elevadas taxas de aquecimento do combustível foram alcançadas em reatores laboratoriais de leito fluidizado borbulhante e leito fixo, ao passo que um sistema termo-gravimétrico permitiu estudar o efeito de taxas de aquecimento mais baixas. Os resultados mostram que, em condições típicas de processos de combustão e gasificação, a quantidade de voláteis libertada da biomassa é pouco influenciada pela temperatura do reator mas varia bastante entre combustíveis. Uma análise mais aprofundada deste assunto permitiu mostrar que o rendimento de carbonizado está intimamente relacionado com o rácio O/C do combustível original, sendo proposto um modelo simples para descrever esta relação. Embora a quantidade total de voláteis libertada seja estabelecida pela composição da biomassa, a respetiva composição química depende bastante da temperatura do reator. Rendimentos de espécies condensáveis (água e espécies orgânicas), CO2 e hidrocarbonetos leves descrevem um máximo relativamente à temperatura para dar lugar a CO e H2 às temperaturas mais altas. Não obstante, em certas gamas de temperatura, os rendimentos de algumas das principais espécies gasosas (e.g. CO, H2, CH4) estão bem correlacionados entre si, o que permitiu desenvolver modelos empíricos que minimizam o efeito das condições operatórias e, ao mesmo tempo, realçam o efeito do combustível na composição do gás. Em suma, os ensaios de pirólise realizados neste trabalho permitiram constatar que a estequiometria da pirólise de biomassa se relaciona de várias formas com a composição elementar do combustível original o que levanta várias possibilidades para a avaliação e projeto de processos de combustão e gasificação de biomassa.