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.

Estudo da lixiviação de um concentrado de zinco

Neste trabalho estudou-se a lixiviação em meio sulfúrico do zinco e outros metais de valor de um concentrado zinco, tendo-se realizado ensaios de lixiviação à pressão atmosférica e em autoclave. Nos estudos de lixiviação utilizou-se o ião férrico (sulfato férrico) como agente oxidante e avaliaram-se os efeitos de diversas variáveis como a razão sólido/líquido, concentração do ião Fe (III), temperatura, a pressão de oxigénio e a presença de enxofre elementar na eficiência da lixiviação. Os ensaios de lixiviação em autoclave sob pressão de oxigénio foram realizados para verificar o efeito da manutenção da quantidade de Fe (III) na lixívia, por oxidação do Fe(II) com oxigénio. Os resultados obtidos mostraram que à pressão atmosférica para uma razão sólido/líquido de 5% foi possível lixiviar no máximo 59% de zinco e 22% de cobre com solução de 0,25 M de Fe2(SO4)3 e 0,50 M de H2SO4 em 2 horas a 60ºC e com uma razão sólido/líquido de 5% foi possível lixiviar no máximo 65% de zinco e 23% de cobre com uma solução de 0,5 M de Fe2(SO4)3 e 0,25 M de H2SO4 em 2 horas a 80ºC. Efectuar a lixiviação do concentrado de zinco sobre pressão de oxigénio permitiu aumentar a cinética da reacção de lixiviação, tendo sido possível lixiviar 97% de zinco e 48% do cobre em 2 horas de lixiviação com uma solução de 0,25 M Fe2(SO4)3 e 0,5 M H2SO4 a 95 ºC e a 6 bar de pressão de oxigénio (à entrada do reactor) com uma razão sólido/líquido de 5%. Utilizando razão sólido/líquido de 10 % foi possível lixiviar 93% de zinco e 54% do cobre com uma solução de 0,50 M Fe2(SO4)3 e 1,25 M H2SO4 a 95 ºC e a 6 bar de pressão de oxigénio, e para uma razão sólido/líquido de 20 % foi possível lixiviar 84% de zinco e 39% do cobre com uma solução de 0,11 M Fe2(SO4)3 e 2,00 M H2SO4 a 95 ºC e a 10 bar de pressão. As análises de difracção de Raios X efectuados aos resíduos de lixiviação revelaram que o enxofre era maioritariamente oxidado a enxofre elementar. Assim, para um dos ensaios de lixiviação em autoclave, verificou-se que a remoção com tetracloreto de carbono do enxofre elementar formado num primeiro andar de lixiviação (s/l=20%, 0,11 M Fe2(SO4)3 e 2,00 M H2SO4 a 95 ºC e a 10 bar de pressão) permitia aumentar a percentagem de zinco no segundo andar de 42 para 68%. Por último, o estudo do efeito da temperatura permitiu calcular como base nas velocidades iniciais do zinco a energia de activação para a lixiviação do zinco que foi de 39 ± 1.40 kJ/mol para a lixiviação em autoclave e de 38 ± 1.40 kJ/mol para a lixiviação à pressão atmosférica, o que é indicativo do controlo reaccional.

Genotoxic effects of exposure to formaldehyde in two different occupational settings

Formaldehyde (CH2O), the most simple and reactive aldehyde, is a colorless, reactive and readily polymerizing gas at room temperature (National Toxicology Program [NTP]. It has a pungent suffocating odor that is recognized by most human subjects at concentrations below 1 ppm. Aleksandr Butlerov synthesized the chemical in 1859, but it was August Wilhelm von Hofmann who identified it as the product formed from passing methanol and air over a heated platinum spiral in 1867. This method is still the basis for the industrial production of formaldehyde today, in which methanol is oxidized using a metal catalyst. By the early 20th century, with the explosion of knowledge in chemistry and physics, coupled with demands for more innovative synthetic products, the scene was set for the birth of a new material–plastics. According to the Report on Carcinogens, formaldehyde ranks 25th in the overall U.S. chemical production, with more than 5 million tons produced each year. Formaldehyde annual production rises up to 21 million tons worldwide and it has increased in China with 7.5 million tons produced in 2007. Given its economic importance and widespread use, many people are exposed to formaldehyde environmentally and/or occupationally. Commercially, formaldehyde is manufactured as an aqueous solution called formalin, usually containing 37% by weight of dissolved formaldehyde. This chemical is present in all regions of the atmosphere arising from the oxidation of biogenic and anthropogenic hydrocarbons. Formaldehyde concentration levels range typically from 2 to 45 ppbV (parts per billion in a given volume) in urban settings that are mainly governed by primary emissions and secondary formation.

Avaliação do stress oxidativo na disfunção erétil

As sequelas fisiopatológicas do stress oxidativo são difíceis de quantificar. Apesar dos obstáculos, a relevância médica do stress oxidativo tem vindo a ser cada vez mais reconhecida, sendo hoje em dia encarado como um componente chave de virtualmente todas as doenças. A disfunção erétil (DE) surge neste contexto como uma espécie de barómetro da função endotelial e do dano oxidativo. A quantificação de biomarcadores de stress oxidativo poderá apresentar um enorme impacto na avaliação de pacientes com DE. O rácio glutationa reduzida/oxidada (GSH/GSSG) e a nitrotirosina (3-NT) têm vindo a demonstrar relevância clínica. A consideração de polimorfismos genéticos constitui ainda uma abordagem promissora na avaliação destas relações no futuro. Um método altamente sensível de cromatografia líquida de alta performance (HPLC) foi desenvolvido para a determinação de 3-NT em plasma humano. As concentrações de 3-NT medidos em indivíduos com DE foram 6,6±2,1μM (média±S.D., n = 46). A medição da concentração plasmática de 3-NT poderá revelar-se útil como marcador de dano oxidativo dependente do óxido nítrico (NO). O nível de stress oxidativo pode também ser quantificado através da medição do decréscimo do rácio GSH/GSSG, que tem mostrado alterações numa miríade de patologias, como a DE e a diabetes mellitus. O método proposto para a quantificação do rácio GSH/GSSG em HPLC apresenta a vantagem de avaliação concomitante dos dois parâmetros em apenas uma corrida. O valor do rácio GSH/GSSG obtido a partir de sangue de indivíduos com DE foi 11,9±9,8 (média±S.D., n = 49). Os resultados estatísticos revelaram diferenças significativas (p<0,001) entre ambos a concentração plasmática de 3-NT e o rácio GSH/GSSG de sangue de indivíduos com DE e as respetivas medições em indivíduos saudáveis. Observaram-se ainda diferenças estatisticamente significativas (p≈0,027) entre o rácio GSH/GSSG do sangue de pacientes apenas com diagnóstico de DE e a medição respetiva em indivíduos com DE e comorbilidades cardiovasculares. Estes resultados enfatizam o papel do dano oxidativo na biopatologia da DE, elucidado com o auxílio destas duas metodologias, que poderão ter um amplo campo de aplicação no futuro, dado que se mostraram simples, não dispendiosas e rápidas, podendo eventualmente adequar-se a estudos de rastreio em larga escala.

Structural characterization and immunogenicity in wildtype and immune tolerant mice of degraded recombinant human interferon alpha2b

Purpose - To study the influence of protein structure on the immunogenicity in wildtype and immune tolerant mice of well-characterized degradation products of recombinant human interferon alpha2b (rhIFNα2b). Methods - RhIFNα2b was degraded by metal catalyzed oxidation (M), crosslinking with glutaraldehyde (G), oxidation with hydrogen peroxide (H) and incubation in a boiling water bath (B). The products were characterized with UV absorption, circular dichroism and fluorescence spectroscopy, gel permeation chromatography, reversed-phase HPLC, SDS-PAGE, Western blotting and mass spectrometry. The immunogenicity of the products was evaluated in wildtype mice and in transgenic mice immune tolerant for hIFNα2. Serum antibodies were detected by ELISA or surface plasmon resonance. Results - M-rhIFNα2b contained covalently aggregated rhIFNα2b with three methionines partly oxidized to methionine sulfoxides. G-rhIFNα2b contained covalent aggregates and did not show changes in secondary structure. H-rhIFNα2b was only chemically changed with four partly oxidized methionines. B-rhIFNα2b was largely unfolded and heavily aggregated. Native (N) rhIFNα2b was immunogenic in the wildtype mice but not in the transgenic mice, showing that the latter were immune tolerant for rhIFNα2b. The antirhIFNα2b antibody levels in the wildtype mice depended on the degradation product: M-rhIFNα2b > H-rhIFNα2b ~ N-rhIFNα2b >> B-rhIFNα2b; G-rhIFNα2b did not induce anti-rhIFNα2b antibodies. In the transgenic mice, only M-rhIFNα2b could break the immune tolerance. Conclusions - RhIFNα2b immunogenicity is related to its structural integrity. Moreover, the immunogenicity of aggregated rhIFNα2b depends on the structure and orientation of the constituent protein molecules and/or on the aggregate size.

Structural characterization and immunogenicity in wild-type and immune tolerant mice of degraded recombinant human interferon Alpha2b

Purpose: This study was conducted to study the influence of protein structure on the immunogenicity in wild-type and immune tolerant mice of well-characterized degradation products of recombinant human interferon alpha2b (rhIFNα2b). Methods: RhIFNα2b was degraded by metal-catalyzed oxidation (M), cross-linking with glutaraldehyde (G), oxidation with hydrogen peroxide (H), and incubation in a boiling water bath (B). The products were characterized with UV absorption, circular dichroism and fluorescence spectroscopy, gel permeation chromatography, reverse-phase high-pressure liquid chromatography, sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis, Western blotting, and mass spectrometry. The immunogenicity of the products was evaluated in wild-type mice and in transgenic mice immune tolerant for hIFNα2. Serum antibodies were detected by enzyme-linked immunosorbent assay or surface plasmon resonance. Results: M-rhIFNα2b contained covalently aggregated rhIFNα2b with three methionines partly oxidized to methionine sulfoxides. G-rhIFNα2b contained covalent aggregates and did not show changes in secondary structure. H-rhIFNα2b was only chemically changed with four partly oxidized methionines. B-rhIFNα2b was largely unfolded and heavily aggregated. Nontreated (N) rhIFNα2b was immunogenic in the wild-type mice but not in the transgenic mice, showing that the latter were immune tolerant for rhIFNα2b. The anti-rhIFNα2b antibody levels in the wild-type mice depended on the degradation product: M-rhIFNα2b > H-rhIFNα2b ∼ N-rhIFNα2b ≫ B-rhIFNα2b; G-rhIFNα2b did not induce anti-rhIFNα2b antibodies. In the transgenic mice, only M-rhIFNα2b could break the immune tolerance. Conclusions: RhIFNα2b immunogenicity is related to its structural integrity. Moreover, the immunogenicity of aggregated rhIFNα2b depends on the structure and orientation of the constituent protein molecules and/or on the aggregate size.

Dissolução redutiva de minério de ferro por Acidithiobacillus ferrooxidans para a recuperação de metais de interesse econômico

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

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.