Coupling Mechanical and Electrical Behavior in the Multi-scale Simulation of Polymer-based CNT Nanocomposites

A numeric model has been proposed to investigate the mechanical and electrical properties of a polymeric/carbon nanotube (CNT) composite material subjected to a deformation force. The reinforcing phase affects the behavior of the polymeric matrix and depends on the nanofiber aspect ratio and preferential orientation. The simulations show that the mechanical behavior of a computer generated material (CGM) depends on fiber length and initial orientation in the polymeric matrix. It is also shown how the conductivity of the polymer/CNT composite can be calculated for each time step of applied stress, effectively providing the ability to simulate and predict strain-dependent electrical behavior of CNT nanocomposites.

Electro-mechanical properties of triblock copolymer styrene-butadiene-styrene / carbon nanotube composites for large deformation sensor applications

Thermoplastic elastomer/carbon nanotube composites are studied for sensor applications due to their excellent mechanical and electrical properties. Piezoresisitive properties of tri-block copolymer styrene-butadiene-styrene (SBS)/ carbon nanotubes (CNT) prepared by solution casting have been investigated. Young modulus of the SBS/CNT composites increases with the amount of CNT filler content present in the samples, without losing the high strain deformation on the polymer matrix (~1500 %). Further, above the percolation threshold these materials are unique for the development of large deformation sensors due to the strong piezoresistive response. Piezoresistive properties evaluated by uniaxial stretching in tensile mode and 4-point bending showed a Gauge Factors up to 120. The excellent linearity obtained between strain and electrical resistance makes these composites interesting for large strain piezoresistive sensors applications.

Applying complex network theory to the understanding of high-aspect-ratio carbon-filled composites

This work demonstrates that the theoretical framework of complex networks typically used to study systems such as social networks or the World Wide Web can be also applied to material science, allowing deeper understanding of fundamental physical relationships. In particular, through the application of the network theory to carbon nanotubes or vapour-grown carbon nanofiber composites, by mapping fillers to vertices and edges to the gap between fillers, the percolation threshold has been predicted and a formula that relates the composite conductance to the network disorder has been obtained. The theoretical arguments are validated by experimental results from the literature.

Effect of filler content on morphology and physical-chemical characteristics of poly(vinylidene fluoride)/NaY-zeolite filled membranes

Poly(vinylidene fluoride) electrospun membranes have been prepared with different NaY zeolite contents up to 32%wt. Inclusion of zeolites induces an increase of average fiber size from ~200 nm in the pure polymer up to ~500 nm in the composite with 16%wt zeolite content. For higher filler contents, a wider distribution of fibers occurs leading to a broader size distributions between the previous fiber size values. Hydrophobicity of the membranes increases from ~115º water contact angle to ~128º with the addition of the filler and is independent on filler content, indicating a wrapping of the zeolite by the polymer. The water contact angle further increases with fiber alignment up to ~137º. Electrospun membranes are formed with ~80 % of the polymer crystalline phase in the electroactive  phase, independently on the electrospinning processing conditions or filler content. Viability of MC3T3-E1 cells on the composite membranes after 72 h of cell culture indicates the suitability of the membranes for tissue engineering applications.

Effect of cylindrical filler aggregation on the electrical conductivity of composites

This work reports on the effect of carbon nanotube aggregation on the electrical conductivity and other network properties of polymer/carbon nanotube composites by modeling the carbon nanotubes as hard-core cylinders. It is shown that the conductivity decreases for increasing filler aggregation, and that this effect is more significant for higher cylinder volume fractions. It is also demonstrated, for volume fractions at which the giant component is present, that increasing the fraction of cylinders within clusters leads to a break of the giant component and the formation of a set of finite clusters. The decrease of the giant component with the increase of the fraction of cylinders within the cluster can be related to a decrease of the spanning probability due to a decrease of the number of cylinders between the clusters. Finally, it is demonstrated that the effect of aggregation can be understood by employing the network theory.

Síntese e fotosensibilização de nanotubos de titanatos

Nesta tese é descrita a preparação de nanotubos de titanatos (TNT) via síntese hidrotérmica alcalina, usando uma nova metodologia que evita a utilização de TiO2 cristalino como precursor. Foi estudada a influência da substituição sódio/protão na estrutura, morfologia e propriedades ópticas dos materiais preparados. Os resultados mostraram que a substituição Na+ → H+ resulta numa redução na distância intercamadas dos TNTs, tendo sido medidos valores entre 1.13±0.03 nm e 0.70±0.02 nm para aquele parâmetro. O comportamento óptico dos TNTs foi estudado na região UV-vis, estimando-se um hiato óptico de energia 3.27±0.03 eV para a amostra com maior teor de sódio enquanto que para a amostra protonada foi determinado um valor de 2.81±0.02 eV. Estes valores mostram que a troca iónica Na+ → H+ teve influência no desvio da banda de absorção dos TNTs para a região do visível próximo. A actividade fotocatalítica dos TNTs na degradação do corante rodamina 6G (R6G) foi posteriormente estudada. Verificou-se que, apesar de a amostra com maior teor de sódio ter sido a que exibiu maior capacidade para adsorver o R6G, foi a amostra protonada que apresentou a actividade catalítica mais elevada na fotodegradação deste corante. Numa segunda fase, e com o objectivo de preparar novos materiais nanoestruturados fotosensíveis, procedeu-se à decoração dos TNTs protonados com semicondutores (SC) nanocristalinos usando um método novo. Para o efeito os TNTs foram decorados com nanocristalites de ZnS, CdS e Bi2S3. Foi estudada a influência do tipo de semicondutor na estrutura, morfologia e propriedades ópticas dos SC/TNTs obtidos. Verificou-se que, para qualquer dos semicondutores usados no processo de decoração, a estrutura dos TNTs é preservada e não ocorre segregação do SC. Verificou-se ainda que a morfologia dos nanocompósitos preparados depende fortemente da natureza do semicondutor. No que respeita ao comportamento óptico destes materiais, foram determinados hiatos ópticos de energia 3.67±0.03 eV, 2.47±0.03 eV e 1.35±0.01 eV para as amostras ZnS/TNT, CdS/TNT e Bi2S3/TNT, respectivamente. Estes resultados mostram que através do processo de decoração de TNTs com semicondutores podem ser preparados materiais nanocompósitos inovadores, com propriedades ópticas novas e/ou pré-definidas numa gama alargada do espectro electromagnético.

Homogeneous and heterogenised new gold C-scorpionate complexes as catalysts for cyclohexane oxidation

Gold(III) complexes of type [AuCl2{eta(2)-RC(R'pz)(3)}]Cl [R = R' = H (1), R = CH2OH, R' = H (2) and R = H, R' = 3,5-Me-2(3), pz = pyrazol-1-yl] were supported on carbon materials (activated carbon, carbon xerogel and carbon nanotubes) and used for the oxidation of cyclohexane to cyclohexanol and cyclohexanone, with aqueous H2O2, under mild conditions.

Celiac disease detection using a transglutaminase electrochemical immunosensor fabricated on nanohybrid screen-printed carbon electrodes

Celiac disease is a gluten-induced autoimmune enteropathy characterized by the presence of tissue tranglutaminase (tTG) autoantibodies. A disposable electrochemical immunosensor (EI) for the detection of IgA and IgG type anti-tTG autoantibodies in real patient’s samples is presented. Screen-printed carbon electrodes (SPCE) nanostructurized with carbon nanotubes and gold nanoparticles were used as the transducer surface. This transducer exhibits the excellent characteristics of carbon–metal nanoparticle hybrid conjugation and led to the amplification of the immunological interaction. The immunosensing strategy consisted of the immobilization of tTG on the nanostructured electrode surface followed by the electrochemical detection of the autoantibodies present in the samples using an alkaline phosphatase (AP) labelled anti-human IgA or IgG antibody. The analytical signal was based on the anodic redissolution of enzymatically generated silver by cyclic voltammetry. The results obtained were corroborated with a commercial ELISA kit indicating that the electrochemical immunosensor is a trustful analytical screening tool.

Desenvolvimento de um nanosensor para monitorizar a ciprofloxacina em águas superficiais

No presente trabalho pretendeu-se estudar o comportamento da ciprofloxacina por técnicas voltamétricas e desenvolver novos sensores para monitorizar a ciprofloxacina em águas residuais. A investigação realizada contemplou essencialmente, os seguintes aspectos: estudo da influência do pH no comportamento voltamétrico da ciprofloxacina e comparação entre o eléctrodo de carbono vítreo e alguns eléctrodos modificados. O estudo foi efectuado em voltametria cíclica a diferentes velocidades de varrimento e também em voltametria de impulso diferencial. O estudo mostrou que o eléctrodo modificado com nanotubos de carbono permitiu a quantificação de níveis mais baixos de ciprofloxacina. O novo sensor desenvolvido foi utilizado em águas do rio Douro e rio Leça com o objectivo de monitorizar a concentração de ciprofloxacina. Traçaram-se curvas de calibração directa e por adição padrão de quantidades crescentes de ciprofloxacina. Os estudos efectuados com as águas do rio Douro e rio Leça foram recolhidos próximos da foz do rio estas amostras deveriam ser recolhidas em vários pontos do rio para se poder fazer uma comparação de resultados. Os estudos de recuperação permitiram verificar que a percentagem de recuperação para o rio Douro se situava nos 90% e as do rio Leça nos 75%, pelo método da calibração directa. Usando o método da adição padrão a recuperações foram de 99% para o rio Douro e 90% para o rio Leça. Os estudos em curso permitem concluir que este sensor poderá ser aplicado na monitorização da ciprofloxacina em amostras ambientais.

NZEB e os novos revestimentos

Dissertação de natureza científica para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Edificações

Vertical CNT-Si Photodiode Array

Agências financiadoras: National Natural Science Foundation of China - 61204077; Shenzhen Science and Technology Innovation Commission - JCYJ20120614150521967

Nanohybrid materials as transducer surfaces for electrochemical sensing applications

A nanohybrid electrochemical transducer surface was developed using carbon and gold nanomaterials. The strategy relayed on casting multiwalled carbon nanotubes or carbon nanofibers onto a screen-printed carbon electrode surface, followed by in situ generation of gold nanoparticles by electrochemical deposition of ionic gold, in a reproducible manner. These transducers, so fabricated, were characterized using both electrochemical and microscopic techniques. Biofunctionality was evaluated using the streptavidin-biotin interaction system as the biological reaction model. These platforms allow to achieve low detection limits (in the order of pmoles), are reproducible and stable at least for a month after their preparation, being a perfect candidate to be used as transducer of different sensor devices.

Synthesis of titanate nanostructures using amorphous precursor material and their adsorption/photocatalytic properties

This article reports on a new and swift hydrothermal chemical route to prepare titanate nanostructures (TNS) avoiding the use of crystalline TiO2 as starting material. The synthesis approach uses a commercial solution of TiCl3 as titanium source to prepare an amorphous precursor, circumventing the use of hazardous chemical compounds. The influence of the reaction temperature and dwell autoclave time on the structure and morphology of the synthesised materials was studied. Homogeneous titanate nanotubes with a high length/diameter aspect ratio were synthesised at 160 degrees C and 24 h. A band gap of 3.06 +/- 0.03 eV was determined for the TNS samples prepared in these experimental conditions. This value is red shifted by 0.14 eV compared to the band gap value usually reported for the TiO2 anatase. Moreover, such samples show better adsorption capacity and photocatalytic performance on the dye rhodamine 6G (R6G) photodegradation process than TiO2 nanoparticles. A 98% reduction of the R6G concentration was achieved after 45 min of irradiation of a 10 ppm dye aqueous solution and 1 g L-1 of TNS catalyst.

Dynamic behaviour of soft core sandwich beam structures using kriging-based layerwise models

Sandwich structures with soft cores are widely used in applications where a high bending stiffness is required without compromising the global weight of the structure, as well as in situations where good thermal and damping properties are important parameters to observe. As equivalent single layer approaches are not the more adequate to describe realistically the kinematics and the stresses distributions as well as the dynamic behaviour of this type of sandwiches, where shear deformations and the extensibility of the core can be very significant, layerwise models may provide better solutions. Additionally and in connection with this multilayer approach, the selection of different shear deformation theories according to the nature of the material that constitutes the core and the outer skins can predict more accurately the sandwich behaviour. In the present work the authors consider the use of different shear deformation theories to formulate different layerwise models, implemented through kriging-based finite elements. The viscoelastic material behaviour, associated to the sandwich core, is modelled using the complex approach and the dynamic problem is solved in the frequency domain. The outer elastic layers considered in this work may also be made from different nanocomposites. The performance of the models developed is illustrated through a set of test cases. (C) 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Sensor electroquímico seletivo para a Norfloxacina

A Norfloxacina (NFX) é um antibiótico antibacteriano indicado para combater bactérias Gram-negativas e amplamente utilizado para o tratamento de infeções no trato respiratório e urinário. Com a necessidade de realizar estudos clínicos e farmacológicos esenvolveram-se métodos de análise rápida e sensitiva para a determinação da Norfloxacina. Neste trabalho foi desenvolvido um novo sensor eletroquímico sensível e seletivo para a deteção da NFX. O sensor foi construído a partir de modificações efetuadas num elétrodo de carbono vítreo. Inicialmente o elétrodo foi modificado com a deposição de uma suspensão de nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNT) de modo a aumentar a sensibilidade de resposta analítica. De seguida um filme polímerico molecularmente impresso (MIP) foi preparado por eletrodeposição, a partir de uma solução contendo pirrol (monómero funcional) e NFX (template). Um elétrodo de controlo não impresso foi também preparado (NIP). Estudouse e caraterizou-se a resposta eletroquímica do sensor para a oxidação da NFX por voltametria de onda quadrada. Foram optimizados diversos parâmetros experimentais, tais como, condições ótimas de polimerização, condições de incubação e condições de extração. O sensor apresenta um comportamento linear entre a intensidade da corrente do pico e o logaritmo da concentração de NFX na gama entre 0,1 e 8μM. Os resultados obtidos apresentam boa precisão, com repetibilidade inferior a 6% e reprodutibilidade inferior a 9%. Foi calculado a partir da curva de calibração um limite de deteção de 0,2 μM O método desenvolvido é seletivo, rápido e de fácil manuseamento. O sensor molecularmente impresso foi aplicado com sucesso na deteção da NFX em amostras de urina real e água.