Effects of self energy of the ions on the double layer structure and properties at the dielectric interface

Although numerous theoretical efforts have been put forth, a systematic, unified and predictive theoretical framework that is able to capture all the essential physics of the interfacial behaviors of ions, such as the Hofmeister series effect, Jones-Ray effect and the salt effect on the bubble coalescence remain an outstanding challenge. The most common approach to treating electrostatic interactions in the presence of salt ions is the Poisson-Boltzmann (PB) theory. However, there are many systems for which the PB theory fails to offer even a qualitative explanation of the behavior, especially for ions distributed in the vicinity of an interface with dielectric contrast between the two media (like the water-vapor/oil interface). A key factor missing in the PB theory is the self energy of the ion.

In this thesis, we develop a self-consistent theory that treats the electrostatic self energy (including both the short-range Born solvation energy and the long-range image charge interactions), the nonelectrostatic contribution of the self energy, the ion-ion correlation and the screening effect systematically in a single framework. By assuming a finite charge spread of the ion instead of using the point-charge model, the self energy obtained by our theory is free of the divergence problems and gives a continuous self energy across the interface. This continuous feature allows ions on the water side and the vapor/oil side of the interface to be treated in a unified framework. The theory involves a minimum set of parameters of the ion, such as the valency, radius, polarizability of the ions, and the dielectric constants of the medium, that are both intrinsic and readily available. The general theory is first applied to study the thermodynamic property of the bulk electrolyte solution, which shows good agreement with the experiment result for predicting the activity coefficient and osmotic coefficient.

Next, we address the effect of local Born solvation energy on the bulk thermodynamics and interfacial properties of electrolyte solution mixtures. We show that difference in the solvation energy between the cations and anions naturally gives rise to local charge separation near the interface, and a finite Galvani potential between two coexisting solutions. The miscibility of the mixture can either increases or decreases depending on the competition between the solvation energy and translation entropy of the ions. The interfacial tension shows a non-monotonic dependence on the salt concentration: it increases linearly with the salt concentration at higher concentrations, and decreases approximately as the square root of the salt concentration for dilute solutions, which is in agreement with the Jones-Ray effect observed in experiment.

Next, we investigate the image effects on the double layer structure and interfacial properties near a single charged plate. We show that the image charge repulsion creates a depletion boundary layer that cannot be captured by a regular perturbation approach. The correct weak-coupling theory must include the self-energy of the ion due to the image charge interaction. The image force qualitatively alters the double layer structure and properties, and gives rise to many non-PB effects, such as nonmonotonic dependence of the surface energy on concentration and charge inversion. The image charge effect is then studied for electrolyte solutions between two plates. For two neutral plates, we show that depletion of the salt ions by the image charge repulsion results in short-range attractive and long-range repulsive forces. If cations and anions are of different valency, the asymmetric depletion leads to the formation of an induced electrical double layer. For two charged plates, the competition between the surface charge and the image charge effect can give rise to like- charge attraction.

Then, we study the inhomogeneous screening effect near the dielectric interface due to the anisotropic and nonuniform ion distribution. We show that the double layer structure and interfacial properties is drastically affected by the inhomogeneous screening if the bulk Debye screening length is comparable or smaller than the Bjerrum length. The width of the depletion layer is characterized by the Bjerrum length, independent of the salt concentration. We predict that the negative adsorption of ions at the interface increases linearly with the salt concentration, which cannot be captured by either the bulk screening approximation or the WKB approximation. For asymmetric salt, the inhomogeneous screening enhances the charge separation in the induced double layer and significantly increases the value of the surface potential.

Finally, to account for the ion specificity, we study the self energy of a single ion across the dielectric interface. The ion is considered to be polarizable: its charge distribution can be self-adjusted to the local dielectric environment to minimize the self energy. Using intrinsic parameters of the ions, such as the valency, radius, and polarizability, we predict the specific ion effect on the interfacial affinity of halogen anions at the water/air interface, and the strong adsorption of hydrophobic ions at the water/oil interface, in agreement with experiments and atomistic simulations.

The theory developed in this work represents the most systematic theoretical technique for weak-coupling electrolytes. We expect the theory to be more useful for studying a wide range of structural and dynamic properties in physicochemical, colloidal, soft-matter and biophysical systems.

Avaliação da sorção de Cu (II) e Hg (II) pela Sargassum sp modificado com epicloridrina

É crescente o aumento da preocupação do homem com a contaminação de ambientes aquáticos uma vez que da subsistência dos mesmos depende o bem estar de todos. Ao mesmo tempo em que cresce a preocupação tem aumentado a quantidade de pesquisas em busca de tecnologias alternativas ao tratamento e remediação de efluentes aquosos contaminados pelas mais diversas substâncias incluindo os metais pesados. Nas últimas décadas, tem crescido o número de trabalhos avaliando a capacidade de sorção e a viabilidade da utilização de biossorventes de baixo custo na captação de íons metálicos e um desses materiais são as biomassas de algas pardas. Dentre os vários gêneros existentes no planeta o território brasileiro é rico na macroalga do gênero Sargassum. Muito embora a composição dessas biomassas varie o principal constituinte das mesmas é o ácido algínico e seus sais alcalinos na forma de um copolímero linear, homopolimérico, com unidades do ácido manurônico, (M), (1-4)-β-D- ligado e seu epímero em C-5 nos resíduos α-L-gulurônicos, (G), respectivamente, covalentemente ligados entre si em sequencias diferenciadas ou em blocos. Os monômeros podem aparecer em blocos homopoliméricos consecutivos, resíduos G (unidades G), resíduos consecutivos M (unidades M), pequenas unidades alternadas M e G (blocos MG), ou em blocos aleatoriamente organizados. A proposta dessa dissertação é realizar a modificação do copolímero existente na biomassa com epicloridrina, avaliar e comparar a captação de íons Cu (II) e Hg (II) pela biomassa da alga Sargassum sp., com a biomassa não modificada e resultados publicados na literatura

Modificação química da poliacrilonitrila com grupos tetrazol assistida por micro-ondas

Nos últimos anos, a irradiação por micro-ondas tem sido cada vez mais usada na síntese de varias moléculas orgânicas, devido a uma série de vantagens que essa nova tecnologia apresenta. Até o momento, existem poucos estudos sobre polimerizações assistidas por micro-ondas e menos ainda sobre a modificação de polímeros usando essa nova fonte de energia. Polímeros heterocíclicos contendo anéis azóicos, como o tetrazol possuem interesse acadêmico e comercial devido as suas várias aplicações. Nesta Dissertação foi estuda a modificação química da poliacrilonitrila pela incorporação em sua cadeia polimérica de 10% de grupos tetrazol empregando-se a irradiação de micro-ondas e o método convencional (térmico). Foram utilizados um forno de micro-ondas doméstico e um reator de micro-ondas monomodo nas reações assistidas por micro-ondas. As reações em reator foram realizadas em vaso aberto, em solução (DMF) ou em massa, sendo variado o tempo e a temperatura reacional, bem como a potência do equipamento. Os copolímeros produzidos foram caracterizados por espectroscopia na região do infravermelho (FTIR) e os teores de grupos tetrazol incorporados na PAN foram determinados por titulometria de neutralização. A poliacrilonitrila foi modificada quimicamente com sucesso tanto no forno doméstico quanto no reator de micro-ondas, como foi verificado pela sua análise de FTIR. Pela determinação do grau de incorporação de grupos tetrazol nos polímeros concluiu-se que, para a reação em solução, nas temperaturas mais elevas, bem como em uma potência maior, o teor de heterocíclico incorporado no polímero está muito próximo do valor obtido pelo método convencional. Já as reações conduzidas em massa apresentaram graus de incorporação inferiores as das feitas em solução.

Quantum Mechanics Studies of Fuel Cell Catalysts and Proton Conducting Ceramics with Validation by Experiment

We carried out quantum mechanics (QM) studies aimed at improving the performance of hydrogen fuel cells. This led to predictions of improved materials, some of which were subsequently validated with experiments by our collaborators.

In part I, the challenge was to find a replacement for the Pt cathode that would lead to improved performance for the Oxygen Reduction Reaction (ORR) while remaining stable under operational conditions and decreasing cost. Our design strategy was to find an alloy with composition Pt3M that would lead to surface segregation such that the top layer would be pure Pt, with the second and subsequent layers richer in M. Under operating conditions we expect the surface to have significant O and/or OH chemisorbed on the surface, and hence we searched for M that would remain segregated under these conditions. Using QM we examined surface segregation for 28 Pt₃M alloys, where M is a transition metal. We found that only Pt₃Os and Pt₃Ir showed significant surface segregation when O and OH are chemisorbed on the catalyst surfaces. This result indicates that Pt₃Os and Pt3Ir favor formation of a Pt-skin surface layer structure that would resist the acidic electrolyte corrosion during fuel cell operation environments. We chose to focus on Os because the phase diagram for Pt-Ir indicated that Pt-Ir could not form a homogeneous alloy at lower temperature. To determine the performance for ORR, we used QM to examine all intermediates, reaction pathways, and reaction barriers involved in the processes for which protons from the anode reactions react with O₂ to form H₂O. These QM calculations used our Poisson-Boltzmann implicit solvation model include the effects of the solvent (water with dielectric constant 78 with pH 7 at 298K). We found that the rate determination step (RDS) was the O_ad hydration reaction (O_ad + H₂O_ad -> OH_ad + OH_ad) in both cases, but that the barrier for pure Pt of 0.50 eV is reduced to 0.48 eV for Pt₃Os, which at 80 degrees C would increase the rate by 218%. We collaborated with the Pu-Wei Wu’s group to carry out experiments, where we found that the dealloying process-treated Pt2Os catalyst showed two-fold higher activity at 25 degrees C than pure Pt and that the alloy had 272% improved stability, validating our theoretical predictions.

We also carried out similar QM studies followed by experimental validation for the Os/Pt core-shell catalyst fabricated by the underpotential deposition (UPD) method. The QM results indicated that the RDS for ORR is a compromise between the OOH formation step (0.37 eV for Pt, 0.23 eV for Pt_2ML/Os core-shell) and H₂O formation steps (0.32 eV for Pt, 0.22 eV for Pt_2ML/Os core-shell). We found that Pt_2ML/Os has the highest activity (compared to pure Pt and to the Pt₃Os alloy) because the 0.37 eV barrier decreases to 0.23 eV. To understand what aspects of the core shell structure lead to this improved performance, we considered the effect on ORR of compressing the alloy slab to the dimensions of pure Pt. However this had little effect, with the same RDS barrier 0.37 eV. This shows that the ligand effect (the electronic structure modification resulting from the Os substrate) plays a more important role than the strain effect, and is responsible for the improved activity of the core- shell catalyst. Experimental materials characterization proves the core-shell feature of our catalyst. The electrochemical experiment for Pt_2ML/Os/C showed 3.5 to 5 times better ORR activity at 0.9V (vs. NHE) in 0.1M HClO₄ solution at 25 degrees C as compared to those of commercially available Pt/C. The excellent correlation between experimental half potential and the OH binding energies and RDS barriers validate the feasibility of predicting catalyst activity using QM calculation and a simple Langmuir–Hinshelwood model.

In part II, we used QM calculations to study methane stream reforming on a Ni-alloy catalyst surfaces for solid oxide fuel cell (SOFC) application. SOFC has wide fuel adaptability but the coking and sulfur poisoning will reduce its stability. Experimental results suggested that the Ni4Fe alloy improves both its activity and stability compared to pure Ni. To understand the atomistic origin of this, we carried out QM calculations on surface segregation and found that the most stable configuration for Ni₄Fe has a Fe atom distribution of (0%, 50%, 25%, 25%, 0%) starting at the bottom layer. We calculated that the binding of C atoms on the Ni4Fe surface is 142.9 Kcal/mol, which is about 10 Kcal/mol weaker compared to the pure Ni surface. This weaker C binding energy is expected to make coke formation less favorable, explaining why Ni₄Fe has better coking resistance. This result confirms the experimental observation. The reaction energy barriers for CHx decomposition and C binding on various alloy surface, Ni₄X (X=Fe, Co, Mn, and Mo), showed Ni₄Fe, Ni₄Co, and Fe₄Mn all have better coking resistance than pure Ni, but that only Ni₄Fe and Fe₄Mn have (slightly) improved activity compared to pure Ni.

In part III, we used QM to examine the proton transport in doped perovskite-ceramics. Here we used a 2x2x2 supercell of perovskite with composition Ba₈X₇M₁(OH)₁O₂₃ where X=Ce or Zr and M=Y, Gd, or Dy. Thus in each case a 4⁺ X is replace by a 3⁺ M plus a proton on one O. Here we predicted the barriers for proton diffusion allowing both includes intra-octahedron and inter-octahedra proton transfer. Without any restriction, we only observed the inter-octahedra proton transfer with similar energy barrier as previous computational work but 0.2 eV higher than experimental result for Y doped zirconate. For one restriction in our calculations is that the O_donor-O_acceptor atoms were kept at fixed distances, we found that the barrier difference between cerates/zirconates with various dopants are only 0.02~0.03 eV. To fully address performance one would need to examine proton transfer at grain boundaries, which will require larger scale ReaxFF reactive dynamics for systems with millions of atoms. The QM calculations used here will be used to train the ReaxFF force field.

Modelagem do Equilíbrio de Fases entre Hidrocarbonetos Leves e Pesados

O comportamento de fases para sistemas binários com um hidrocarboneto leve e um pesado é muito importante tanto para o projeto real de um processo quanto para o desenvolvimento de modelos teóricos. Para atender a crescente demanda por informação experimental de equilíbrio de fases a altas pressões, o objetivo deste estudo é obter uma metodologia que substitua parcialmente ou maximize a pouca informação experimental disponível. Para isto propõe-se a modelagem do equilíbrio de fases em misturas de hidrocarboneto leve com um pesado, sem o conhecimento da estrutura molecular do pesado, inferindo-se os parâmetros do modelo a partir da modelagem de dados de ponto de bolha obtidos na literatura. Esta metodologia implica não só na descrição do equilíbrio de fases de um sistema como na estimação das propriedades críticas do pesado, de difícil obtenção devido ao craqueamento destes a altas temperaturas. Neste contexto, este estudo apresenta uma estratégia que estima indiretamente as propriedades críticas dos compostos pesados. Para isto, foram correlacionados dados experimentais de ponto de bolha de misturas binárias contendo um hidrocarboneto leve e um pesado, usando-se dois modelos: o de Peng-Robinson e o TPT1M (Teoria da Polimerização Termodinâmica de primeira ordem de Wertheim modificada). Os parâmetros ajustados com o modelo de Peng-Robinson correspondem diretamente às propriedades críticas do composto pesado, enquanto os ajustados com o modelo TPT1M foram usados para obtê-las. Esta estratégia fornece parâmetros dependentes do modelo, porém permite o cálculo de outras propriedades termodinâmicas, como a extrapolação da temperatura dos dados estudados. Além disso, acredita-se que a correlação dos parâmetros obtidos com as propriedades críticas disponíveis ajudará na caracterização de frações pesadas de composição desconhecida

Preparação e caracterização de microesferas poliméricas à base de metacrilato de glicidila e divinilbenzeno com propriedades magnéticas

Nesta Dissertação, foram sintetizadas microesferas poliméricas com propriedades magnéticas à base de metacrilato de glicidila e divinilbenzeno pela técnica de polimerização em suspensão. O material utilizado para conferir as propriedades magnéticas ao copolímero foi magnetita sintetizada no laboratório. Foram estudados os efeitos da modificação da magnetita com ácido oleico, da velocidade de agitação, do teor de agente reticulante, do teor de material magnético adicionado e do teor de agente de suspensão sobre as características das partículas poliméricas obtidas. As microesferas foram caracterizadas quanto ao seu aspecto morfológico, à estabilidade térmica, à incorporação de material magnético e quanto às suas propriedades magnéticas. A quantidade de partículas de ferro incorporadas foi afetada pela velocidade de agitação durante a síntese, pelo teor de material magnético adicionado, pela fase de dispersão do material magnético e pelo teor de monômeros no copolímero. A estabilidade térmica dos copolímeros foi afetada, principalmente, pelo teor de material magnético incorporado e pelo teor de monômeros, levando em consideração resinas com a mesma quantidade de material magnético adicionado. A magnetização de saturação para as microesferas foi afetada pelo teor de material magnético incorporado. A modificação da superfície da magnetita com ácido oleico foi considerada importante para a incorporação do material magnético na matriz do copolímero.Partículas poliméricas magnéticas com comportamento superparamagnéticos foram obtidas com morfologia esférica e magnetização de saturação de 7,11 (emu/g), utilizando razão molar de monômeros de 50/50 %, 1 % de PVA, 20 % de magnetita modificada com ácido oleico adicionada à fase orgânica e velocidade de agitação mecânica de 500 rpm

Co-pirólise de polipropileno pós-consumo com gasóleo

O presente trabalho buscou avaliar o processo de co-pirólise de resíduos de polipropileno com gasóleo, variando a temperatura e a quantidade de polipropileno no meio reacional. A co-pirólise é uma rota promissora, uma vez que minimiza o impacto ambiental causado pela disposição do plástico de maneira inadequada, evita seu acúmulo em lixões e permite um melhor aproveitamento de um recurso natural não-renovável, o petróleo, matéria-prima importante para a geração de energia e obtenção de produtos químicos. As amostras de polipropileno e gasóleo foram submetidas à co-pirólise térmica em atmosfera inerte, em sistema de leito fixo, sob fluxo constante de nitrogênio, variando a temperatura de 400C a 500C e a quantidade de PP no meio reacional de 0,1 a 1,0 g. A influência do gasóleo no meio foi avaliada pelos testes na ausência de PP. Os líquidos pirolíticos obtidos foram caracterizados por cromatografia gasosa modificada, com o objetivo de avaliar a geração de frações na faixa da destilação do diesel. De uma maneira geral, pôde-se observar que o aumento da quantidade de PP no meio reacional favorece a redução do rendimento de líquido pirolítico e o aumento da quantidade de sólido gerado, efeito inverso ao do aumento da temperatura. Com relação ao rendimento geral de produtos na faixa de destilação do diesel na co-pirólise, a adição de PP ao meio não interfere muito no resultado. Já o aumento de temperatura favorece o aumento do rendimento de produtos nessa faixa de destilação. Os resultados obtidos comprovam o potencial da co-pirólise como método de reciclagem química de artefatos de polipropileno pós-consumo

Criterios para la aplicación de coeficientes modificativos de la curva S-N de fatiga

[ES]Este Trabajo de Fin de Grado tiene como objeto crear un programa que sirva como herramienta para los cálculos en las propiedades a fatiga de una pieza. El conjunto del trabajo se centra en su creación mediante la herramienta Excel. El programa cuenta con tres diferentes pestañas: una para los datos que debe introducir el usuario, otra correspondiente a los cálculos y por último una en la que aparecen los resultados. El usuario debe conocer las propiedades de la probeta del material a ensayar, así como el rango de ciclos en el cual se va a trabajar (siempre en un rango de ciclos medio alto). A partir de estas informaciones de la probeta, y gracias a la curva de Basquin y la ecuación de Marin, el programa será capaz de obtener la curva de resistencia a fatiga correspondiente para la pieza. Se incluyen también casos especiales en los que se realicen tratamientos mecánicos de mejora, con una tensión límite del proceso. Para obtener la curva S-N de la pieza se pedirá información en la pestaña de interfaz con el usuario sobre distintas propiedades de la pieza, que permitan así calcular los valores de los coeficientes de Marín gracias a la base de datos que contiene el programa. El usuario tiene también la opción de introducir él mismo los valores de los coeficientes para así obtener una curva que se aproxime más a sus resultados experimentales. En resumen, la función del programa es la de ser una calculadora de la resistencia fatiga de la pieza a partir de los datos que se disponen de la probeta.

Theory of the positive column of a gas discharge

An attempt is made to provide a theoretical explanation of the effect of the positive column on the voltage-current characteristic of a glow or an arc discharge. Such theories have been developed before, and all are based on balancing the production and loss of charged particles and accounting for the energy supplied to the plasma by the applied electric field. Differences among the theories arise from the approximations and omissions made in selecting processes that affect the particle and energy balances. This work is primarily concerned with the deviation from the ambipolar description of the positive column caused by space charge, electron-ion volume recombination, and temperature inhomogeneities.

The presentation is divided into three parts, the first of which involved the derivation of the final macroscopic equations from kinetic theory. The final equations are obtained by taking the first three moments of the Boltzmann equation for each of the three species in the plasma. Although the method used and the equations obtained are not novel, the derivation is carried out in detail in order to appraise the validity of numerous approximations and to justify the use of data from other sources. The equations are applied to a molecular hydrogen discharge contained between parallel walls. The applied electric field is parallel to the walls, and the dependent variables—electron and ion flux to the walls, electron and ion densities, transverse electric field, and gas temperature—vary only in the direction perpendicular to the walls. The mathematical description is given by a sixth-order nonlinear two-point boundary value problem which contains the applied field as a parameter. The amount of neutral gas and its temperature at the walls are held fixed, and the relation between the applied field and the electron density at the center of the discharge is obtained in the process of solving the problem. This relation corresponds to that between current and voltage and is used to interpret the effect of space charge, recombination, and temperature inhomogeneities on the voltage-current characteristic of the discharge.

The complete solution of the equations is impractical both numerically and analytically, and in Part II the gas temperature is assumed uniform so as to focus on the combined effects of space charge and recombination. The terms representing these effects are treated as perturbations to equations that would otherwise describe the ambipolar situation. However, the term representing space charge is not negligible in a thin boundary layer or sheath near the walls, and consequently the perturbation problem is singular. Separate solutions must be obtained in the sheath and in the main region of the discharge, and the relation between the electron density and the applied field is not determined until these solutions are matched.

In Part III the electron and ion densities are assumed equal, and the complicated space-charge calculation is thereby replaced by the ambipolar description. Recombination and temperature inhomogeneities are both important at high values of the electron density. However, the formulation of the problem permits a comparison of the relative effects, and temperature inhomogeneities are shown to be important at lower values of the electron density than recombination. The equations are solved by a direct numerical integration and by treating the term representing temperature inhomogeneities as a perturbation.

The conclusions reached in the study are primarily concerned with the association of the relation between electron density and axial field with the voltage-current characteristic. It is known that the effect of space charge can account for the subnormal glow discharge and that the normal glow corresponds to a close approach to an ambipolar situation. The effect of temperature inhomogeneities helps explain the decreasing characteristic of the arc, and the effect of recombination is not expected to appear except at very high electron densities.

Phase transitions from the solid state of monatomic elements

The principle aims of this thesis include the development of models of sublimation and melting from first principles and the application of these models to the rare gases.

A simple physical model is constructed to represent the sublimation of monatomic elements. According to this model, the solid and gas phases are two states of a single physical system. The nature of the phase transition is clearly revealed, and the relations between the vapor pressure, the latent heat, and the transition temperature are derived. The resulting theory is applied to argon, krypton, and xenon, and good agreement with experiment is found.

For the melting transition, the solid is represented by an anharmonic model and the liquid is described by the Percus-Yevick approximation. The behavior of the liquid at high densities is studied on the isotherms kT/∈ = 1.3, 1.8, and 2.0, where k is Boltzmann's constant, T is the temperature, and e is the well depth of the Lennard-Jones 12-6 pair potential. No solutions of the PercusYevick equation were found for ρσ³ above 1.3, where ρ is the particle density and σ is the radial parameter of the Lennard-Jones potential. The liquid structure is found to be very different from the solid structure near the melting line. The liquid pressures are about 50 percent low for experimental melting densities of argon. This discrepancy gives rise to melting pressures up to twice the experimental values.

Um método SN híbrido direto para cálculos de sistemas combustível-moderador em geometria unidimensional

Desenvolvemos nesta dissertação um método híbrido direto para o cálculo do fator de desvantagem e descrição da distribuição do fluxo de nêutrons em sistemas combustível-moderador. Na modelagem matemática, utilizamos a equação de transporte de Boltzmann independente do tempo, considerando espalhamento linearmente anisotrópico no modelo monoenergético e espalhamento isotrópico no modelo multigrupo, na formulação de ordenadas discretas (SN), em geometria unidimensional. Desenvolvemos nesta dissertação um método híbrido direto para o cálculo do fator de desvantagem e descrição da distribuição do fluxo de nêutrons em sistemas combustível-moderador. Na modelagem matemática, utilizamos a equação de transporte de Boltzmann independente do tempo, considerando espalhamento linearmente anisotrópico no modelo monoenergético e espalhamento isotrópico no modelo multigrupo, na formulação de ordenadas discretas (SN), em geometria unidimensional. Descrevemos uma análise espectral das equações de ordenadas discretas (SN)a um grupo e a dois grupos de energia, onde seguimos uma analogia com o método de Case. Utilizamos, neste método, quadraturas angulares diferentes no combustível (NC) e no moderador (NM), onde em geral assumimos que NC > NM . Condições de continuidade especiais que acoplam os fluxos angulares que emergem do combustível (moderador) e incidem no moderador (combustível), foram utilizadas com base na equivalência entre as equações SN e PN-1, o que caracteriza a propriedade híbrida do modelo proposto. Sendo um método híbrido direto, utilizamos as NC + NM equações lineares e algébricas constituídas pelas (NC + NM)/2 condições de contorno reflexivas e (NC + NM)/2 condições de continuidade para determinarmos as NC + NM constantes. Com essas constantes podemos calcular os valores dos fluxos angulares e dos fluxos escalares em qualquer ponto do domínio. Apresentamos resultados numéricos para ilustrar a eficiência e a precisão do método proposto.

Tenacificação em Nanocompósitos de Poliamida 6 e Argila

Nanocompósitos de poliamida 6 (PA6) e montmorilonita modificada com sal de amônio quaternário têm sido estudados, visando melhorar as propriedades térmicas e mecânicas. De fato os efeitos da nano-escala e da interação carga-matriz resultam em maior módulo de elasticidade e resistência à tração, porém a deformação é reduzida. Assim, nesse trabalho, optou-se por adicionar elastômeros, terpolímero de etileno-propileno-dieno (EPDM) e terpolímero de etileno-propileno-dieno modificado com anidrido maleico (EPDM-MA), ao sistema PA 6/argila organofílica para recuperar os valores de deformação. Foi utilizada montmorilonita modificada com cloreto de dimetildioctadecil amônio. A intercalação por fusão foi realizada em câmara interna de mistura. Além das propriedades mecânicas, térmicas e reológicas, foram investigadas as modificações na cristalinidade da fase PA-6 em função da adição da argila modificada, EPDM e EPDM-MA, detectando-se as variações no grau de cristalinidade e nas temperaturas de fusão e cristalização. Os difratogramas de raios-x revelaram ocorrência de intercalação/esfoliação e também modificação da forma cristalina da PA 6, indicando a formação do cristal gama

Time-dependent monoenergetic neutron transport in two adjacent semi-infinite media

An exact solution to the monoenergetic Boltzmann equation is obtained for the case of a plane isotropic burst of neutrons introduced at the interface separating two adjacent, dissimilar, semi-infinite media. The method of solution used is to remove the time dependence by a Laplace transformation, solve the transformed equation by the normal mode expansion method, and then invert to recover the time dependence.

The general result is expressed as a sum of definite, multiple integrals, one of which contains the uncollided wave of neutrons originating at the source plane. It is possible to obtain a simplified form for the solution at the interface, and certain numerical calculations are made there.

The interface flux in two adjacent moderators is calculated and plotted as a function of time for several moderator materials. For each case it is found that the flux decay curve has an asymptotic slope given accurately by diffusion theory. Furthermore, the interface current is observed to change directions when the scattering and absorption cross sections of the two moderator materials are related in a certain manner. More specifically, the reflection process in two adjacent moderators appears to depend initially on the scattering properties and for long times on the absorption properties of the media.

This analysis contains both the single infinite and semi-infinite medium problems as special cases. The results in these two special cases provide a check on the accuracy of the general solution since they agree with solutions of these problems obtained by separate analyses.

A mobilidade eletroforética e o perfil de potencial da membrana celular

O objetivo do presente trabalho foi estudar o comportamento dos potenciais superficiais e do perfil de potencial atraves da membrana de eritr ocito em func ao da forca i onica e das cargas superficiais, usando um modelo que leva em conta as cargas el etricas do glicoc alix e das proteınas citoplasm aticas, al em das cargas superficiais da bicamada lipıdica e os efeitos dos eletr olitos divalentes. Programas especıficos em linguagem C foram elaborados para o c alculo desses potenciais, tomando como dados num ericos resultados experimentais de medidas de mobilidade eletrofor etica de eritr ocitos para diferentes valores de forca i onica. Neste c alculo, o metodo para tratamento dos dados eletrofor eticos indicado por Hsu et al.[57] foi incluıdo em nosso modelo. A equac ao de Poisson-Boltzmann nao linear foi resolvida por computac ao num erica, usando o metodo de Runge-Kutta de quarta ordem, obtendo-se os perfis de potencial. Os resultados mostraram que a estimativa da densidade de carga el etrica na superfıcie de c elulas usando a equac ao cl assica de Helmholtz-Smoluchowski conduz a valores que nao conseguem refletir as forcas que regem o comportamento eletrofor etico das mesmas. O presente modelo gerou valores de potenciais superficiais e perfis de potencial para a membrana do eritr ocito bem distintos daqueles obtidos anteriormente para um modelo descrito por uma equac ao de Poisson-Boltzmann linear. Nossos resultados confirmam que a avaliac ao de parametros el etricos superficiais da membrana de eritr ocito, envolvendo dados oriundos de eletroforese, deve incluir c alculos hidrodin amicos al em de eletroest aticos, como sugerido por Hsu et al. [57].

Thermodynamic and kinetic behavior of an argon plasma jet. Decomposition of nitric oxide between 1300 - 1750 degrees K in an argon plasma

In the first part of the study, an RF coupled, atmospheric pressure, laminar plasma jet of argon was investigated for thermodynamic equilibrium and some rate processes.

Improved values of transition probabilities for 17 lines of argon I were developed from known values for 7 lines. The effect of inhomogeneity of the source was pointed out.

The temperatures, T, and the electron densities, n_e , were determined spectroscopically from the population densities of the higher excited states assuming the Saha-Boltzmann relationship to be valid for these states. The axial velocities, v_z, were measured by tracing the paths of particles of boron nitride using a three-dimentional mapping technique. The above quantities varied in the following ranges: 10¹² ˂ n_e ˂ 10¹⁵ particles/cm³, 3500 ˂ T ˂ 11000 °K, and 200 ˂ v_z ˂ 1200 cm/sec.

The absence of excitation equilibrium for the lower excitation population including the ground state under certain conditions of T and n_e was established and the departure from equilibrium was examined quantitatively. The ground state was shown to be highly underpopulated for the decaying plasma.

Rates of recombination between electrons and ions were obtained by solving the steady-state equation of continuity for electrons. The observed rates were consistent with a dissociative-molecular ion mechanism with a steady-state assumption for the molecular ions.

In the second part of the study, decomposition of NO was studied in the plasma at lower temperatures. The mole fractions of NO denoted by x_NO were determined gas-chromatographically and varied between 0.0012 ˂ x_NO ˂ 0.0055. The temperatures were measured pyrometrically and varied between 1300 ˂ T ˂ 1750°K. The observed rates of decomposition were orders of magnitude greater than those obtained by the previous workers under purely thermal reaction conditions. The overall activation energy was about 9 kcal/g mol which was considerably lower than the value under thermal conditions. The effect of excess nitrogen was to reduce the rate of decomposition of NO and to increase the order of the reaction with respect to NO from 1.33 to 1.85. The observed rates were consistent with a chain mechanism in which atomic nitrogen and oxygen act as chain carriers. The increased rates of decomposition and the reduced activation energy in the presence of the plasma could be explained on the basis of the observed large amount of atomic nitrogen which was probably formed as the result of reactions between excited atoms and ions of argon and the molecular nitrogen.