Mechanical, fatigue and wear properties of sintered Carbon Nanotube-based functionally graded materials

Tese de Doutoramento Engenharia Mecânica

Development of ductile cementitiuos composites using carbon nanotubes

Concrete is the primary construction material for civil infrastructures and generally consists of cement, coarse aggregates, sand, admixtures and water. Cementitious materials are characterized by quasi-brittle behaviour and susceptible to cracking [1]. The cracking process within concrete begins with isolated nano-cracks, which then conjoin to form micro-cracks and in turn macro-cracks. Formation and growth of cracks lead to loss of mechanical performance with time and also make concrete accessible to water and other degrading agents such as CO2, chlorides, sulfates, etc. leading to strength loss and corrosion of steel rebars. To improve brittleness of concrete, reinforcements such as polymeric as well as glass and carbon fibers have been used and microfibers improved the mechanical properties significantly by delaying (but could not stop) the transformation of micro-cracks into macro forms [2]. This fact encouraged the use of nano-sized fillers in concrete to prevent the growth of nano-cracks transforming in to micro and macro forms. Nanoparticles like SiO2, Fe2O3, and TiO2 led to considerable improvement in mechanical performance and moreover, nano-TiO2 helped to remove organic pollutants from concrete surfaces [3].

Energy and carbon prices: a comparison of interactions in the European Union Emissions Trading Scheme and the Western Climate Initiative market

We provide a comparative analysis of how short-run variations in carbon and energy prices relate to each other in the emerging greenhouse gas market in California (Western Climate Initiative [WCI], and the European Union Emission Trading Scheme [EU ETS]). We characterize the relationship between carbon, gas, coal, electricity and gasoline prices and an indicator for economic activity, and present a first analysis of carbon prices in the WCI. We also provide a comparative analysis of the structures of the two markets. We estimate a vector autoregressive model and the impulse--response functions. Our main findings show a positive impact from a carbon shock toward electricity, in both markets, but larger in the WCI electricity price, indicating more efficiency. We propose that the widening of carbon market sectors, namely fuels transport and electricity imports, may contribute to this result. To conclude, the research shows significant and coherent relations between variables in WCI, which demonstrate some degree of success for a first year in operation. Reversely, the EU ETS should complete its intended market reform, to allow for more impact of the carbon price. Finally, in both markets, there is no evidence of carbon pricing depleting economic activity.

The impact of carbon source in Candida albicans virulence: participation of RLM1 in pathogen host interaction

Dissertação de mestrado em Genética Molecular

Graphene-based nanostructures: Plasmonics in the THz range

The properties of surface plasmon-polaritons (SPPs) in graphene are discussed and several possible ways of coupling electromagnetic radiation in the terahertz (THz) spectral range to this type of surface waves are described: (i) the attenuated total reflection (ATR) method employing a prism, (ii) graphene-based gratings or graphene monolayers with modulated conductivity, (iii) a metal stripe on top of the graphene layer, and (iv) a nanoparticle located above it. Potentially interesting for applications SPP effects, such as switching, modulation and polarization of THz radiation, as well as its enhanced absorption in graphene, are considered. The discussion also concerns the impact of the nonlinear properties of graphene, such as optical bistability.

Carbon materials as new generation of new electron shuttles for the anaerobic degradation of environmental xenobiotics

Tese de Doutoramento em Engenharia Química e Biológica

In vitro digestion and stability assessment of b-lactoglobulin/riboflavin nanostructures

B-Lactoglobulin (b-Lg) is the major protein fraction of bovine whey serum and a primary gelling agent. b-Lg has a high nutritional value, is stable at low pH being highly resistant to proteolytic degradation in the stomach, besides, it has the ability of acting as an encapsulating agent. This study aims at assessing the ability of b-Lg nanostructures to associate a nutraceutical - i.e. riboflavin - and release it in a controlled manner throughout an in vitro gastrointestinal (GI) system. For this reason b-Lg nanostructures loaded with riboflavin were critically characterized in terms of their morphology (i.e. size, polydispersity, -potential and shape) by dynamic light scattering (DLS) and transmission electron microscopy (TEM), and efficiency to associate to riboflavin through spectrofluorimetry. Furthermore, these nanocomplexes were evaluated in an in vitro GI model, simulating the physiological conditions. Stable b-Lg nanostructures were obtained at pH 6, of spherical shape, characterized by particle size of 172±1 nm, low polydispersity (i.e. PDI of 0.06±0.02), -potential of -32±3 mV and association efficiency (AE) of 26±1 %. b-Lg nanostructures showed to be stable upon their passage throughout stomach (i.e. particle size, PDI and potential of 248±10 nm, 0.18±0.03 and 18±3 mV, respectively). Concerning their passage throughout the intestine, such nanostructures were mostly degraded in the duodenum. Regarding riboflavin, a release of about 11 % was observed after their passage through stomach, while 35 %, 38 % and 5 % were the released percentages of the total riboflavin associated observed after passage through duodenum, jejunum and ileum, respectively. Hence,b-Lg nanostructures showed to be suitable carriers for riboflavin until the intestine, where their degradation occurs. b-Lg also showed to be structurally stable, under food simulant conditions (yoghurt simulant, composed of 3 % acetic acid), over 14 days, with a protective effect upon riboflavin activity, releasing it in a 7 day period.

Production of medium-chain fatty acids and higher alcohols by a synthetic co-culture grown on carbon monoxide or syngas

Synthesis gas, a mixture of CO, H2, and CO2, is a promising renewable feedstock for bio-based production of organic chemicals. Production of medium-chain fatty acids can be performed via chain elongation, utilizing acetate and ethanol as main substrates. Acetate and ethanol are main products of syngas fermentation by acetogens. Therefore, syngas can be indirectly used as a substrate for the chain elongation process.

Effect of different carbon materials as electron shuttles in the anaerobic biotransformation of nitroanilines

Aromatic amines resulted from azo dyes biotransformation under anaerobic conditions are generally recalcitrant to further anaerobic degradation. The catalytic effect of carbon materials (CM) on the reduction of azo dyes is known and has been confirmed in this work by increasing 3-fold the biological reduction rate of Mordant Yellow 1 (MY1). The resulting m-nitroaniline (m-NoA) was further degraded to m-phenylenediamine (m-Phe) only in the presence of CM. The use of CM to degraded anaerobically aromatic amines resulted from azo dye reduction was never reported before. In the sequence, we studied the effect of different CM on the bioreduction of o-, m- and p-NoA. Three microporous activated carbons with different surface chemistry, original (AC0), chemical oxidized with HNO3 (ACHNO3) and thermal treated (ACH2), and three mesoporous carbons, xerogels (CXA and CXB) and nanotubes (CNT) were assessed. In the absence of CM, NoA were only partially reduced to the corresponding Phe, whereas in the presence of CM, more than 90% was converted to the corresponding Phe. ACH2 and AC0 were the best electron shuttles, increasing the rates up to 8-fold. In 24h, the biological treatment of NoA and MY1 with AC0, decreased up to 88% the toxicity towards a methanogenic consortium, as compared to the non-treated solutions. This article is protected by copyright. All rights reserved

Síntesis, caracterización y aplicaciones específicas de metalosilicatos cristalinos micro y mesoporosos con incorporación de nanoestructuras. Synthesis, characterization and specific aplications of crystalline micro and mesoporous metallosilicates with nanostructures.

La síntesis de materiales cristalinos micro y mesoporosos con incorporación de micro/nano partículas/clusters de especies formadas con entidades propias interaccionando con las redes, como óxidos de metales, cationes de neutralización, especies metálicas, etc., pueden potencialmente ser utilizados como "materiales hospedaje" en óptica, electrónica, sensores, como materiales magnéticos, en estrategias ambientales de control de la contaminación, catálisis en general y procesos de separación. Se sintetizaran y caracterizaran por diversas técnicas fisicoquímicas, zeolitas microporosas de poro medio (ZSM) y poro grande (Y), y materiales mesoporosos (MCM-41). La aplicación de los mismos se orientara, por una parte, a procesos catalíticos tecnológicamente innovadores relacionados con los siguientes campos: a)catálisis ambiental: transformación de desechos plásticos (polietileno, polipropileno, poliestireno o mezclas de los mismos) a hidrocarburos de mayor valor agregado (gasolinas, gasoil, gases licuados de petróleo, hidrocarburos aromáticos); b)química fina: oxidación parcial de hidrocarburos aromáticos hacia la obtención de commodities, fármacos, etc. Por otra parte, se evaluaran las propiedades magnéticas (ferromagnetismo, paramagnetismo, superparamagnetismo, diamagnetismo) que algunos de estos materiales presentan, en busca de su correlación con sus propiedades catalíticas, cuando sea factible. Se estudiaran las condiciones óptimas de síntesis de los materiales, aplicando técnicas hidrotermicas o sol gel, controlando variables como temperaturas y tiempos de síntesis, pH de geles iniciales-intermedios-finales, tipo de fuentes precursoras, etc. La modificación de las matrices con Co, Cr, Mn, H, o Zn, se realizara mediante diversos tratamientos químicos (intercambio, impregnación) a partir de las sales correspondientes, con el objeto de incorporar elementos activos al estado iónico, metálico, clusters, etc.; y la influencia de distintos tratamientos térmicos (oxidantes, inertes o reductores; atmósferas dinámicas o estáticas; temperaturas). La caracterización estructural de los materiales será por: AA (cuantificación elemental de bulk); XRD (determinacion de presencia de especies oxidos o metalicas de Zn, Co, Cr, o Mn; determinacion de cristalinidad y estructura); BET (determinacion de area superficial); DSC-TG-DTA (determinacion de estabilidad de las matrices sintetizadas); FTIR de piridina (determinacion de tipo-fuerza-cantidad de sitios activos); Raman y UV-reflectancia difusa (determinacion de especies ionicas interacturando o depositadas sobre las matrices); TPR (identificacion de especies reducibles); SEM-EDAX (determinacion de tamaño de particulas de especies activas y de las matrices y cuanfiticacion superficial); Magnetómetros SQUID y de muestra vibrante (medición de magnetización y susceptibilidad magnética a temperatura ambiente con variación de campo externo aplicado, y variación de temperaturas (4 a 300 K) con campo externo fijo). En síntesis, se plantean tres grandes áreas de trabajo: No1)Síntesis y caracterización de materiales micro y mesoporosos nanoestructurados; No2) Evaluación de las propiedades catalíticas; No3) Evaluación de las propiedades magnéticas. Estos lineamientos nos permitirán generar nuevos conocimientos científicos-tecnológicos, formando recursos humanos (dos becarios posdoctorales; un becario doctoral; tres becarios alumnos de investigación; aproximadamente 15 pasantes de grado al año) aptos para emprender tales desafíos. Los conocimientos originados son constantemente trabajados en las actividades docentes de grado y posgrado que los integrantes del proyecto poseen. Finalmente serán transmitidos y puestos a consideración de pares evaluadores en presentaciones a congresos nacionales e internacionales y revistas especializadas.

Diseño y caracterización de plataformas de biorreconocimiento basadas en el uso de nanoestructuras, biomoléculas y polímeros. Aplicaciones para el desarrollo de (bio)sensores electroquímicos. Design and characterization of biorecognition platforms based on the use of nanostructures, biomolecules and polymers. Applications for the development of electrochemical (bio)sensors.

Los requerimientos de métodos analíticos que permitan realizar determinaciones más eficientes en diversas ramas de la Química, así como el gran desarrollo logrado por la Nanobiotecnología, impulsaron la investigación de nuevas alternativas de análisis. Hoy, el campo de los Biosensores concita gran atención en el primer mundo, sin embargo, en nuestro país es todavía un área de vacancia, como lo es también la de la Nanotecnología. El objetivo de este proyecto es diseñar y caracterizar nuevos electrodos especialmente basados en el uso de nanoestructuras y estudiar aspectos básicos de la inmovilización de enzimas, ADN, aptámeros, polisacáridos y otros polímeros sobre dichos electrodos a fin de crear nuevas plataformas de biorreconocimiento para la construcción de (bio)sensores electroquímicos dirigidos a la cuantificación de analitos de interés clínico, farmaco-toxicológico y ambiental.Se estudiarán las propiedades de electrodos de C vítreo, Au, "screen printed" y compósitos de C modificados con nanotubos de C (CNT) y/o nanopartículas (NP) de oro y/o nanoalambres empleando diversas estrategias. Se investigarán nuevas alternativas de inmovilización de las biomoléculas antes mencionadas sobre dichos electrodos, se caracterizarán las plataformas resultantes y se evaluarán sus posibles aplicaciones analíticas al desarrollo de biosensores con enzimas y ADNs como elementos de biorreconocimiento. Se funcionalizarán CNT con polímeros comerciales y sintetizados en nuestro laboratorio modificados con moléculas bioactivas. Se diseñarán y caracterizarán nuevas arquitecturas supramoleculares basadas en el autoensamblado de policationes, enzimas y ADNs sobre Au. Se evaluarán las propiedades catalíticas de NP de magnetita y de perovskitas de Mn y su aplicación al desarrollo de biosensores enzimáticos. Se diseñarán biosensores que permitan la detección altamente sensible y selectiva de secuencias específicas de ADNs de interés clínico. Se estudiará la interacción de genotóxicos con ADN (en solución e inmovilizado) y se desarrollarán biosensores que permitan su cuantificación. Se construirán biosensores enzimáticos para la cuantificación de bioanalitos, especialmente glucosa, fenoles y catecoles, y sensores electroquímicos para la determinación de neurotransmisores, ácido úrico y ácido ascórbico. Se diseñarán nuevos aptasensores electroquímicos para la cuantificación de biomarcadores, comenzando por lisozima y trombina y continuando con otros de interés regional/nacional.Se emplearán las siguientes técnicas: voltamperometrías cíclica (CV), de pulso diferencial (DPV) y de onda cuadrada (SWV); "stripping" potenciométrico a corriente constante (PSA); elipsometría; microbalanza de cristal de cuarzo con cálculo de pérdida de energía por disipación (QCM-D); resonancia de plasmón superficial con detección dual (E-SPR); espectroscopía de impedancia electroquímica (EIE); microscopías de barrido electroquímico (SECM), de barrido electrónico (SEM), de transmisión (TEM) y de fuerzas atómicas (AFM); espectrofotometría UV-visible; espectroscopías IR, Raman, de masas, RMN.Se espera que la inclusión de los CNT y/o de las NP metálicas y/o de los nanoalambres en los diferentes electrodos permita una mejor transferencia de carga de diversos analitos y por ende una detección más sensible y selectiva de bioanalitos empleando enzimas, ADN y aptámeros como elementos de biorreconocimiento. Se espera una mayor eficiencia en los aptasensores respecto de los inmunosensores, lo que permitirá la determinacion selectiva de diversos biomarcadores. La modificación de electrodos con nanoestructuras posibilitará la detección altamente sensible y selectiva del evento de hibridación. La respuesta obtenida luego de la interacción de genotóxicos con ADN permitirá un mejor conocimiento de la asociación establecida, de la cinética y de las constantes termodinámicas. Los neurotransmisores podrán ser determinados a niveles nanomolares aún en muestras complejas.

Electrochemical high temperature membrane reactor for the processing of hydrogen-carbon monoxide gas mixtures

Magdeburg, Univ., Fak. für Verfahrens- und Systemtechnik, Diss., 2013

Modeling of micro- and nanostructures made of films and crystals/fibers arrays

Magdeburg, Univ., Fak. für Maschinenbau, Diss., 2013

Sulfur fractions and carbon-nitrogen-phosphorus-sulfur relationships in some Brazilian and Iowa soils

O atual conhecimento relativo à distribuição em percentagem das várias frações de enxofre nos solos provem principalmente dos estudos dos solos de regiões temperadas. Em vista disso, este estudo foi conduzido para determinar as frações do S e as relações C-N-P-S em alguns solos da região subtropical dos Estados de São Paulo e do Paraná, Brasil, e comparar estes valores nestes solos com aqueles nos solos do Estado de Iowa, dos Estados Unidos da América do Norte. As análises das frações de enxofre nos solos dos dois países, indicaram que os solos do Brasil contem sulfato inorgânico adsorvido. Expressos como percentagem do S total, os solos do Brasil acusaram de 5 a 23% (média 11%) de S-sulfato inorgânico, de 20 a 65% (média 40%) de S-ester sulfato, de 5 a 12% (média 7%) de S-ligado ao Carbono e de 24 a 59% (média 42%) de S orgânico não identificado. As percentagens correspondentes nos solos de Iowa foram de 2 a 8% (média 5%) de S-sulfato inorgânico, de 43 a 60% (média 50%) de S-ester sufato, de 7 a 18% (média 11%) de enxofre ligado ao carbono e de 30 a 39% (média 34%) de S orgânico, não identificado. Outrossim, não foi encontrado o enxofre inorgânico não-sulfato em nenhum dos solos analisados. Houve grandes variações nas relações C, N, Ρ e S entre solos brasileiros quando comparados com aqueles do Iowa.