Characterization of physio-chemical processes and hydration kinetics in concretes containing supplementary cementitious materials using electrical property measurements

The current study monitors both the short- and long-term hydration characteristics of concrete using discretized conductivity measurements from initial gauging, through setting and hardening, the latter comprising both the curing and post-curing periods. In particular, attention is directed to the near-surface concrete as it is this zone which protects the steel from the external environment and has a major influence on durability, performance and service-life. A wide range of concrete mixes is studied comprising both plain Portland cement concretes and concretes containing fly-ash and ground granulated blast furnace slag. The parameter normalised conductivity was used to identify four distinct stages in the hydration process and highlight the influence of supplementary cementitious materials (SCM) on hydration and hydration kinetics. A relationship has been presented to account for the temporal decrease in conductivity, post 10-days hydration. The testing procedure and methodology presented lend itself to in-situ monitoring of reinforced concrete structures. (c) 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Modelling and characterization of ultrasonic consolidation process of Aluminium alloys

Ultrasonic consolidation process is a rapid manufacturing process used to join thin layers of metal at low temperatures and low energy consumption. In this work, finite element method has been used to simulate the ultrasonic consolidation of Aluminium alloys 6061 (AA-6061) and 3003 (AA-3003). A thermomechanical material model has been developed in the framework of continuum cyclic plasticity theory which takes into account both volume (acoustic softening) and surface (thermal softening due to friction) effects. A friction model based on experimental studies has been developed, which takes into account the dependence of coefficient of friction upon contact pressure, amount of slip, temperature and number of cycles. Using the developed material and friction model ultrasonic consolidation (UC) process has been simulated for various combinations of process parameters involved. Experimental observations are explained on the basis of the results obtained in the present study. The current research provides the opportunity to explain the differences of the behaviour of AA-6061 and AA-3003 during the ultrasonic consolidation process. Finally, trends of the experimentally measured fracture energies of the bonded specimen are compared to the predicted friction work at the weld interface resulted from the simulation at similar process condition. Similarity of the trends indicates the validity of the developed model in its predictive capability of the process. © 2008 Materials Research Society.

Culture and Characterization of Microglia from the Adult Murine Retina

Purpose. To develop a protocol for isolating and culturing murine adult retinal microglia and to characterize the phenotype and function of the cultured cells. Method. Retinal single-cell suspensions were prepared from adult MF1 mice. Culture conditions including culture medium, growth factors, seeding cell density, and purification of microglia from the mixed cultures were optimised. Cultured retinal microglial cells were phenotyped using the surface markers CD45, CD11b, and F4/80. Their ability to secrete proinflammatory cytokines in response to lipopolysaccharide (LPS) stimulation was examined using cytometric bead array (CBA) assay. Results. Higher yield was obtained when retinal single-cell suspension was cultured at the density of cells per cm2 in Dulbecco’s modified Eagle medium (DMEM)/F12 + Glutamax supplement with 20% fetal calf serum (FCS) and 20% L929 supernatant. We identified day 10 to be the optimum day of microglial isolation. Over 98% of the cells isolated were positive for CD45, CD11b, and F4/80. After stimulating with LPS they were able to secrete proinflammatory cytokines such as IL-6 and TNF-α and express CD86, CD40, and MHC-II. Conclusion. We have developed a simple method for isolating and culturing retinal microglia from adult mice.

Characterization of optical properties of PtSi at 3.392 mu m from 300 K to 85 K and relation of morphological effects

PtSi/Si Schottky junctions, fabricated using a conventional technique of Pt deposition with a subsequent thermal anneal, are examined using X-ray diffraction, atomic force microscopy and a novel prism/gap/sample optical coupling system. With the aid of X-ray diffraction and atomic farce microscopy it is shown that a post-anneal etch in aqua regia is essential for the removal of an unreacted, rough surface layer of Pt, to leave a much smoother PtSi film. The prism/gap/sample or Otto coupling rig is mounted in a small UHV chamber and has facilities for remote variation of the gap (by virtue of a piezoactuator system) and variation of the temperature in the range of similar to 300 K - 85 K. The system is used to excite surface plasmon polaritons on the outer surface of the PtSi and thus produce sensitive optical characterisation as a function of temperature. This is performed in order to yield an understanding of the temperature dependence of phonon and interface scattering of carriers in the PtSi.

Structure and thermal properties of salicylate-based-protic ionic liquids as new heat storage media. COSMO-RS structure characterization and modeling of heat capacities

During this research, we present a study on the thermal properties, such as the melting, cold crystallization, and glass transition temperatures as well as heat capacities from 293.15 K to 323.15 K of nine in-house synthesized protic ionic liquids based on the 3-(alkoxymethyl)-1H-imidazol-3-ium salicylate ([H-Im-C₁OC_n][Sal]) with n = 3–11. The 3D structures, surface charge distributions and COSMO volumes of all investigated ions are obtained by combining DFT calculations and the COSMO-RS methodology. The heat capacity data sets as a function of temperature of the 3-(alkoxymethyl)-1H-imidazol-3-ium salicylate are then predicted using the methodology originally proposed in the case of ionic liquids by Ge et al. 3-(Alkoxymethyl)-1H-imidazol-3-ium salicylate based ionic liquids present specific heat capacities higher in many cases than other ionic liquids that make them suitable as heat storage media and in heat transfer processes. It was found experimentally that the heat capacity increases linearly with increasing alkyl chain length of the alkoxymethyl group of 3-(alkoxymethyl)-1H-imidazol-3-ium salicylate as was expected and predicted using the Ge et al. method with an overall relative absolute deviation close to 3.2% for temperatures up to 323.15 K.

Formation and characterization of carbon-radical precursors in char steam gasification

Highly reactive radicals play an important role in high-temperature gasification processes. However, the effect of radicals on gasification has not been systematically investigated. In the present study, the formation of carbon-radical precursors using atomic radicals such as OH, O, and H and molecules such as H₂ and O₂ was characterized, and the effect of the precursors on the adsorption step of steam char gasification was studied using quantum chemistry methods. The results revealed that the radicals can be chemisorbed exothermically on char active sites, and the following order of reactivity was observed: O > H₂ > H > OH > O ₂. Moreover, hydrogen bonds are formed between steam molecules and carbon-radical complexes. Steam molecule adsorption onto carbon-O and carbon-OH complexes is easier than adsorption onto clean carbon surfaces. Alternatively, adsorption on carbon-O₂, carbon-H₂, and carbon-H complexes is at the same level with that of clean carbon surfaces; thus, OH and O radicals accelerate the physical adsorption of steam onto the char surface, H radical and O₂ and H₂ molecules do not have a significant effect on adsorption. © 2010 American Chemical Society.

Sub-nA spatially resolved conductivity profiling of surface and interface defects in ceria films

Spatial variability of conductivity in ceria is explored using scanning probe microscopy (SPM) with galvanostatic control. Ionically blocking electrodes are used to probe the conductivity under opposite polarities to reveal possible differences in the defect structure across a thin film of CeO2. Data suggests the existence of a large spatial inhomogeneity that could give rise to constant phase elements during standard electrochemical characterization, potentially affecting the overall conductivity of films on the macroscale. The approach discussed here can also be utilized for other mixed ionic electronic conductor (MIEC) systems including memristors and electroresistors, as well as physical systems such as ferroelectric tunneling barriers.

Characterization of protein C receptor expression in monocytes

Many sequelae associated with endotoxaemic-induced shock result from excessive production of the cytokine mediators, tumour necrosis factor alpha (TNF-alpha), interleukin 1 (IL-1) and IL-6 from lipopolysaccharide (LPS)-activated monocytes. Protein C (PC)/activated protein C (APC) has potent cytokine-modifying properties and is protective in animal models and human clinical trials of sepsis. The precise mechanism by which this anti-inflammatory response is achieved remains unknown; however, the recently described endothelial protein C receptor (EPCR) appears to be essential for this function. The pivotal role that monocytes play in the pathophysiology of septic shock led us to investigate the possible expression of a protein C receptor on the monocyte membrane. We used similarity algorithms to screen human sequence databases for paralogues of the EPCR but found none. However, using reverse transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR), we detected an mRNA transcribed in primary human monocytes and THP1 cells that was identical to human EPCR mRNA. We also used immunocytochemical analysis to demonstrate the expression of a protein C receptor on the surface of monocytes encoded by the same gene as EPCR. These results confirm a new member of the protein C pathway involving primary monocytes. Further characterization will be necessary to compare and contrast its biological properties with those of EPCR.

Time-lapse Monitoring of the Slopes of a Heritage Earthwork by Means of Near-surface Seismic Techniques

A significant portion of UK’s infrastructures earthworks was built more than 100 years ago, without modern construction standards: poor maintenance and the change of precipitations pattern experienced in the past decades are currently compromising their stability, leading to an increasing number of failures. To address the need for a reliable and time-efficient monitoring of earthworks at risk of failure we propose here the use of two established seismic techniques for the characterization of the near surface, MASW and P-wave refraction. We have regularly collected MASW and P-wave refraction data, from March 2014 to February 2015, along 4 reduced-scale seismic lines located on the flanks of a heritage railway embankment located in Broadway, SW of England. We have observed a definite temporal variability in terms of phase velocities of SW dispersion curves and of P-wave travel times. The accurate choice of ad-hoc inversion strategies has allowed to reconstruct reliable VP and VS models through which it is potentially possible to track the temporal variations of geo-mechanical properties of the embankment slopes. The variability over time of seismic data and seismic velocities seems to correlate well with rainfall data recorded in the days immediately preceding the date of acquisition.

Photon nanojet lens: Design, fabrication and characterization

In this paper, a novel nanolens with super resolution, based on the photon nanojet effect through dielectric nanostructures in visible wavelengths, is proposed. The nanolens is made from plastic SU-8, consisting of parallel semi-cylinders in an array. This paper focuses on the lens designed by numerical simulation with the finite-difference time domain method and nanofabrication of the lens by grayscale electron beam lithography combined with a casting/bonding/lift-off transfer process. Monte Carlo simulation for injected charge distribution and development modeling was applied to define the resultant 3D profile in PMMA as the template for the lens shape. After the casting/bonding/lift-off process, the fabricated nanolens in SU-8 has the desired lens shape, very close to that of PMMA, indicating that the pattern transfer process developed in this work can be reliably applied not only for the fabrication of the lens but also for other 3D nanopatterns in general. The light distribution through the lens near its surface was initially characterized by a scanning near-field optical microscope, showing a well defined focusing image of designed grating lines. Such focusing function supports the great prospects of developing a novel nanolithography based on the photon nanojet effect.

Preparation and characterization of novel nanocomposites of inorganic/polysaccharide type

O uso de polímeros naturais no âmbito da preparação de nanocompósitos não tem sido tão amplamente estudado quando comparado com os polímeros sintéticos. Assim, esta tese tem como objectivo estudar metodologias para a preparação de novos materiais nanocompósitos sob a forma de dispersões e filmes utilizando polissacarídeos como matriz. A tese está dividida em cinco capítulos sendo o último capítulo dedicado às conclusões gerais e a sugestões para trabalhos futuros. Inicialmente é apresentada uma breve revisão bibliográfica sobre os principais temas colocando esta tese em contexto. Considerações sobre o uso de polímeros naturais e a sua combinação com a utilização de nanopartículas inorgânicas para a fabricação de novos bionanocomposites são descritas e os objectivos e outline da tese são também apresentados. No segundo capítulo, a preparação de partículas de sílica puras ou modificadas bem como a sua caracterização por FTIR, SEM, TEM, TGA, DLS (tamanho e potencial zeta) e medições de ângulo de contacto são discutidas. De modo a melhorar a compatibilidade da sílica com os polissacarídeos, as partículas SiO2 foram modificados com dois compostos do tipo organosilano: 3- metacril-oxipropil-trimetoxissilano (MPS) e 3-aminopropil-trimetoxissilano (APS). As partículas SiO2@MPS foram posteriormente encapsuladas com de poli(metacrilato de glicidilo) utilizando a técnica de polimerização em emulsão. A utilização dos nanocompósitos resultantes na preparação de dispersões de bionanocompósitos não foi bem sucedida e por esse motivo não os estudos não foram prosseguidos. O uso de SiO2@APS na preparação de dispersões bionanocomposite foi eficiente. No terceiro capítulo é apresentada uma revisão sobre dispersões bionanocompósitas e respectiva caracterização destacando aspectos fundamentais sobre reologia e microestrutura. Em seguida, é discutido o estudo sistemático realizado sobre o comportamento reológico de dispersões de SiO2 utilizando três polissacarídeos distintos no que concerne a carga e as características gelificantes: a goma de alfarroba (não iónica), o quitosano (catiónico) e a goma xantana (aniónica) cujas propriedades reológicas são amplamente conhecidas. Os estudos reológicos realizados sob diferentes condições demonstraram que a formação de géis frágeis e/ou bem estruturados depende do tamanho SiO2, da concentração, do pH e da força iónica. Estes estudos foram confirmados por análises microestruturais usando a microscopia electrónica a baixas temperaturas (Cryo-SEM). No quarto capítulo, são apresentados os estudos relativos à preparação e caracterização de filmes bionanocompósitos utilizando quitosano como matriz. Primeiramente é apresentada uma revisão sobre filmes de bionanocompósitos e os aspectos fundamentais das técnicas de caracterização utilizadas. A escolha do plasticizante e da sua concentração são discutidas com base nas propriedades de filmes de quitosano preparados. Em seguida, o efeito da concentração de sílica e dos métodos utilizados para a dispersar na matriz de polissacarídeo, bem como o efeito da modificação da superfície da sílica é avaliado. As características da superfície e as propriedades de barreira, mecânicas e térmicas são discutidas para cada conjunto de filmes preparados antes e após a sua neutralização. Os resultados obtidos mostraram que a dispersão das cargas no plasticizante e posterior adição à matriz polissacarídica resultaram apenas em pequenas melhorias já que o problema da agregação de sílica não foi ultrapassado. Por esse motivo foram preparados filmes com SiO2@APS os quais apresentaram propriedades melhores apesar da agregação das partículas não ter sido completamente impedida. Tal pode estar relacionado com o processo de secagem dos filmes. Finalmente, no capítulo 5, são apresentadas as principais conclusões obtidas e algumas sugestões para trabalho futuro.

Structural and chemical characterization of corals grown under present day and naturally elevated pCO2 conditions in Papua New Guinea - a window into the future

Dissertação de mestrado, Biologia Marinha, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015

Diatom-based characterization of iberian coastal environments at different time scales

Tese de doutoramento, Geologia (Geologia Económica e do Ambiente), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014

Characterization of the toxic potential of nanomaterials using in vitro cell models

Os nanomateriais são estruturas com uma ou mais dimensões inferiores a 100 nanómetros. Devido à sua pequena dimensão, as nanopartículas apresentam atributos únicos, tais como a sua elevada área superficial relativamente à sua massa, reactividade ou força tênsil. Estas características influenciam grandemente algumas das propriedades dos nanomateriais, como a sua hidrofobicidade, carga ou toxicidade. As propriedades das nanopartículas tornam-nas também muito úteis para o Homem, sendo aplicadas em medicina, farmácia, electrónica, cosmética, vestuário e biotecnologia, entre outras. O aumento de produção e utilização de nanomateriais tem vindo a aumentar também a possibilidade de exposição humana a este tipo de partículas, levando a preocupações relativas ao risco de toxicidade aguda ou crónica. A exposição humana pode ocorrer por diversas vias, sendo as mais relevantes a via inalatória, ingestão ou contacto com a pele. Dependendo do material e do órgão-alvo, a exposição a nanomateriais pode conduzir a diferentes consequências biológicas: a nível dos órgãos, os nanomateriais podem levar a inflamação ou a supressão do sistema imunitário e, a nível celular e molecular, a perturbações na estrutura e integridade do genoma, assim como a interacções com moléculas biológicas e inibição da actividade proteica, entre outras consequências. Um dos nanomateriais mais utilizados são os nanotubos de carbono. Estes são constituídos por grafite cilíndrica disposta numa única camada (designados nanotubos de carbono de parede simples) ou em várias (nanotubos de carbono de parede múltipla). Os nanotubos de carbono apresentam propriedades como resistência e condutividade que os tornam muito úteis em aplicações como aparelhos electrónicos, vestuário ou biomedicina; cada vez mais, portanto, se torna provável a exposição ocupacional ou ambiental a este material. A semelhança estrutural destas partículas com fibras de amianto conduziu a questões relativas à sua segurança, pelo que já foram elaborados diversos estudos relativos aos seus efeitos biológicos. Alguns trabalhos sugerem que os nanotubos de carbono têm a capacidade de produzir toxicidade associada a lesões físicas, à produção de danos oxidativos por interacção com mecanismos celulares, ou a morte celular. Outros trabalhos defendem que estas partículas não causam toxicidade relevante. O projecto de dimensão europeia “NANoREG” surgiu da necessidade de ser desenvolvida legislação e regulamentação apoiadas em conhecimento científico e adequadas à produção e ao uso actual de nanomateriais. Este trabalho teve como objectivos principais a determinação do potencial cito- e genotóxico de um conjunto de nanotubos de carbono de parede múltipla (designados NM-400 a NM-403), e a consequente tentativa de associar este potencial às características físico-químicas dos nanomateriais. Com este objectivo, a exposição por via inalatória foi analisada, pelo uso de duas linhas celulares in vitro provenientes de tecidos do tracto respiratório: epitélio pulmonar (células A549) e epitélio brônquico (células BEAS-2B). A citotoxicidade dos nanotubos de carbono foi analisada com base em três parâmetros. Em primeiro lugar, as células foram contadas após a exposição aos nanomateriais utilizando o corante azul de tripanao para excluir as células inviáveis; a contagem foi realizada 3 e 24 horas após a exposição das células aos nanotubos. Os resultados deste ensaio apontam para a ausência de citotoxicidade após a exposição mais curta, e dados inconsistentes após a mais longa. Em segundo lugar, foi realizado o ensaio clonogénico, que se baseia na capacidade das células de se dividirem após a exposição ao agente em estudo. Este ensaio só foi realizado nas células A549 pois as BEAS-2B não permitem a formação de colónias. Os resultados apontam para uma citotoxicidade após a exposição a todos os nanomateriais, cuja intensidade se relaciona directamente com o tamanho das partículas, assim como ao seu diâmetro e área de superfície. Em terceiro lugar, foram calculados dois índices de viabilidade no ensaio dos Micronúcleos, cujo objectivo é avaliar se as células se dividiram durante a exposição aos nanomateriais em comparação com o controlo, e cujos resultados apresentam incoerências em relação aos outros já referidos. Estes dados podem ser justificados pelas diferenças existentes entre os ensaios, como o tempo de exposição ou a densidade celular. Os efeitos genotóxicos dos nanomateriais foram avaliados com recurso aos ensaios do cometa e dos micronúcleos. O primeiro detecta lesões pequenas e reversíveis nas cadeias de DNA, ao passo que o segundo detecta efeitos irreversíveis ao nível cromossómico, tais como quebras ou perdas de cromossomas. Os resultados do ensaio do cometa sugerem que nenhum dos nanomateriais testados é genotóxico, uma vez que em ambas as linhas celulares e em ambos os tempos de exposição, os resultados são negativos. O ensaio dos micronúcleos, por outro lado, aponta para existência de genotoxicidade de dois dos nanomateriais (NM-401 e NM-402) nas células A549, mas não em células BEAS-2B. Uma possível explicação para estes dados aparentemente contraditórios pode residir na hipótese de estes nanotubos de carbono serem compostos com efeitos aneugénicos, mas não clastogénicos: o ensaio dos micronúcleos permite a detecção de ambos os mecanismos de acção, ao passo que o ensaio do cometa só revela a quebra de cadeias de DNA. Outra justificação para os resultados é a possível influência da perda de viabilidade das células analisadas. Com base nos dados do ensaio clonogénico, estas partículas apresentam elevada citotoxicidade, pelo que os resultados dos ensaios de genotoxicidade, em particular do Ensaio do Cometa, poderão ser afectados por estes efeitos. O meio de cultura usado para expor as células aos nanomateriais também é um parâmetro muito relevante na sua toxicidade. Neste trabalho, foram usados meios de cultura com proteínas, que podem ser adsorvidas pelas partículas e formar uma “corona” em seu redor; este processo pode alterar propriedades importantes dos nanomateriais, entre os quais o seu potencial efeito biológico. Também o método usado para conseguir uma dispersão homogénea de nanomateriais pode conduzir a diferenças nos resultados dos ensaios de toxicidade. Neste estudo, foram observados alguns problemas relativos à perda de homogeneidade das dispersões de nanotubos de carbono, o que pode ter conduzido a que as células fossem expostas a massas de partículas de grandes dimensões conjuntamente com partículas individualizadas. O período durante o qual as células são expostas ao nanomaterial é também um aspecto essencial na produção de efeitos tóxicos. Resumindo, este projecto forneceu informações relativas à toxicidade dos nanotubos de carbono que, complementadas pelas conclusões dos restantes parceiros do projecto europeu, poderão contribuir significativamente para a avaliação de risco e criação de legislação relativamente à utilização de nanomateriais. Na linha celular BEAS-2B, nenhum destes nanomateriais parece produzir efeitos tóxicos, quer a nível de célula, quer a nível de genoma, nas condições experimentais utilizadas. Nas células A549, por outro lado, os três nanomateriais testados parecem ser acentuadamente citotóxicos, e dois deles (NM-401 e NM-402) são também genotóxicos. Em relação a perspectivas futuras, pode-se concluir que nem todos os ensaios de toxicidade existentes actualmente são adequados à análise de nanopartículas, pelo que novas metodologias devem ser desenvolvidas e complementadas por ensaios in vivo. Todos os estudos envolvendo nanomateriais deverão também descrever as características físico-químicas dos materiais usados, de forma a se poderem comparar os resultados com os de outros trabalhos.

Relevance of physicochemical characterization in nanotoxicology studies

Nanomaterials (NMs) with the same chemistry can greatly differ by size, surface area, shape, stability, rigidness, coating or electrical charge and these characteristics affect nano-bio interactions, leading to different toxic potential. In this communication is shown that closely related NMs can have different genotoxic effects, evidencing the importance of investigating the toxic potential of each NM individually, instead of assuming a common mechanism and equal genotoxic effects for a set of similar NMs. The importance of considering complexity of in vivo systems in nanotoxicology, such as the use of tridimensional cellular models, air-liquid interface exposure or in vivo models that mimic human routes of exposure, is underlined.