Recent advances in synthesis and properties of cubic boron nitride films

Cubic boron nitride (c-BN) attracts widespread interest as a promising material for many potential applications because of its unique physical and chemical properties. Since the 1980's the research in c-BN thin films has been carried out, which reached its summit in the mid of 1990's, then turned into a downward period. In the past few years, however, important progress was achieved in synthesis and properties of cubic boron nitride films, such as obtaining > 1 mu m thick c-BN films, epitaxial growth of single crystalline c-BN films, and advances in mechanics properties and microstructures of the interlayer of c-BN films. The present article reviews the current status of the synthesis and properties of c-BN thin films.

Effect of oxidation on the optical and surface properties of AlGaN

The chemical properties of AlxGa1-xN surfaces exposed to air for different time periods are investigated by atomic force microscopy (AFM), photoluminescence (PL) measurement and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). PL and AFM results show that AlxGa1-xN samples exhibit different surface characteristics for different air-exposure times and Al contents. The XPS spectra of the Al 2p and Ga 2p core levels indicate that the peaks shifted slightly, from an Al-N to an Al-O bond and from a Ga-N to a Ga-O bond. All of these results show that the epilayer surface contains a large amount of Ga and Al oxides. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

青藏高原青稞淀粉资源的评价

青稞（Hordeum vulgare L.var．nudum Hook．f.），即裸大麦，是兼食用、饲用和酿造于一体的作物，有着重要的利用价值。淀粉是青稞籽粒中含量最多、最重要的碳水化合物，淀粉含量、直支淀粉比将会直接影响淀粉的功能特性，进而影响淀粉的应用领域。我国青藏高原青稞的栽培和食用历史悠久，特色青稞资源极其丰富。目前关于青藏高原青稞淀粉特性的报道还不多见，筛选和培育特色淀粉青稞利于拓展青稞的应用领域, 从而提高其经济价值。 本研究以114份青藏高原青稞品种(系)为实验材料，通过SDS-PAGE对材料的胚乳淀粉颗粒结合蛋白（SGAPs）进行分离，确定各蛋白的分子量大小、组合类型和多态性等。然后按照国标法测试材料的籽粒总淀粉含量和直链淀粉含量，通过微型糊化粘度仪分析相应的淀粉糊化特性，最后使用显微镜观察比较了青稞的淀粉颗粒形态特征。主要结果如下： 1、114种青稞中共分离出20种不同的SGAP条带，条带分子量为35.00～112.39 KDa，分布频率为12.28～97.37%。材料含有的SGAPs条带数从10到14不等，超过一半的材料含11种SGAP条带。20种条带形成16种组合类型，其中西藏地区青稞包含所有16个组合类型，四川地区青稞包含其中12个组合类型。青藏高原青稞籽粒淀粉颗粒结合蛋白的差异很大，遗传多样性丰富。 2、114份青稞的总淀粉含量、直链淀粉含量、直支淀粉比、峰值粘度、糊化温度和峰值温度的变幅分别为51.26～66.70%、14.64～29.74%、0.17～0.42、194～1135BU、58.8～65.2℃和81.4～92.4℃，相应的平均值分别为59.82%、23.60%、0.31、722.30BU、62.1℃和88.8℃。群体在总淀粉含量、直链淀粉含量、直支淀粉比、峰值粘度、糊化温度和峰值温度上的分布具有明显的正态性；所有胚乳淀粉体的淀粉粒都呈复粒结构。对西藏和四川的材料进行了分组比较， 两地区的青稞在直链淀粉含量和直支淀粉比上的差异达到显著水平。 3、筛选出18份具有特殊淀粉特性的青稞品种，其中5份材料的总淀粉含量超过65%，包括NB63-1、NB67、甘孜白六棱、98221-1和NB63；3份材料的直链淀粉含量大于29%，包括藏青85、藏青3号和喜马拉6号；8份材料的直支淀粉比小于0.25，包括99033-6、春青稞、阿坝330、Jan-03、米麦114、396、NB63-1和92013；7份材料的糊化温度低于60℃，同时材料的峰值粘度大于1000BU,并且峰值温度低于90℃，包括足捉春、Jan-03、阿坝330、米麦114、春青稞、20003和阿青5号。 4、各淀粉特性间存在高度相关性。直链淀粉含量和直支淀粉比与糊化温度成极显著正相关，与峰值粘度成极显著负相关，与A型淀粉粒数量和大小呈负相关。不同SGAPs组合的品种之间，淀粉含量和淀粉糊化特性间差异均达显著水平。SGAP2、SGAP5、SGAP6和SGAP7可能对籽粒直链淀粉含量、直支淀粉比和糊化温度有正向效应；SGAP3、SGAP9∼SGAP20可能对峰值粘度有正向效应。 本研究对青藏高原青稞淀粉资源进行了较为全面的评价，对该区青稞淀粉特性有了系统的认识。研究筛选出的特殊青稞品种可作为青稞育种和青稞淀粉工业应用的潜在资源，淀粉特性差异巨大的众多青稞品种也为拓宽青稞应用领域提供了丰富的资源保障。本研究对部分SGAPs在性质上的鉴定和功能上的初步推断为青稞材料的筛选提供了指导，也为品质育种提供了理论参考。 Hulless barley (naked barley, Hordeum vulgare L.) is a short- season, early maturing crop with a wide range of adaptation. It has been attracting more and more attention due to its superior nutrition and extensive industrial applications. Starch is the main ingredient in hulless barley seeds which makes up 65 percent of hulless barley’s dry weight. The ratio of the amylose/amylopectin and the size, shape, distribution of starch granules can affect the physico-chemical and functional properties of starch, which may turn affect its utilizations. The Qinghai-Tibet Plateau, which is located in southwestern China, is a typical area of vertical agricultural ecosystem and one of the barley origin centers with abundant hulless barley resources. There are little reports about hulless barley in Qinghai-Tibet Plateau at present. To screen and cultivate some characteristic hulless barley can improve its value. An improved SDS-PAGE was used to identify SGAPs combination of 114 hulless barley varieties. Starch content (total starch and amylose starch) was determined according to the standard methods GB5006-85 and GB/T 15683 using PerkinElmer M341 Precision Automatic Polarimeter and UV spectrophotometer 755B respectively. The pasting properties were measured by BRABENDER Micrio Visco-Amylo- Graph 803201. The morphology of starch granules were observed and compared with Axioplan 2 Imaging light microscopy. The following were the results obtained: 1. There were 20 major SGAPs presented in 114 varieties, with the molecular weight ranged from 35.00 to 112.39 KDa, and the frequencies ranged from 12.28% to 97.37%. The number of SGAP bands in each accession varied from 10 to 14, more than half of the population had 11 bands. There were 16 distinct SGAP patterns in the 114 varieties, the Tibet hulless barley had all of the 16 types and the Sichuan hulless barley had 12 types. The results indicated the Qinghai-Tibet Plateau hulless barley had a polymorphism of the SGAPs. 2. The ranges of the total starch content, amylose content, Am/Ap, peak viscosity, pasting temperature and peak temperature of the 114 hulless barley were 51.26～66.70%,14.64～29.74%,0.17～0.42,194～1135BU,58.8～65.2 and 81.4℃～92.4, with an average of ℃59.82%, 23.60%, 0.31, 722.30BU, 62.1 and 88.8,℃℃ respectively. The distributions of the total starch content, amylose content, Am/Ap, peak viscosity, pasting temperature and peak temperature were visibly normal school. All of the amyloplasts in endosperm of varieties showed bimodal size distributions.The main starch properties of hulless barley from Tibet and Sichuan were separated and compared, the differences on amylose content and Am/Ap were obvious. 3. Eighteen accessions which had special starch properties were screened out. Five accessions with total starch content beyond 65%, including NB63-1, NB67, Ganzibailiuleng, 98221-1 and NB63; three accessions, Zangqing85, Zangqing3 and Ximala6, with the highest amylose content (>29%); five accessions with Am/Ap less than 0.25, including 99033-6, Chun Qingke, A Ba 330, Jan-03, Mi Mai114, 396, NB63-1 and 92013; seven accessions had a pasting temperature under 60, ℃meanwhile their peak viscosity beyond 1000BU and their peak temperature under 90℃，including Zu Cuochun, Jan-03, A Ba 330, Mi Mai 114, Chun Qingke, 20003 and A Qing 5. 4. There were high correlations between starch properties. Amylose content and Am/Ap were positively correlated to pasting temperature, negatively correlated to peak viscosity, negatively correlated to the number and granule size of A-type granule. Different SGAP combinations caused significant diversities in starch content and pasting properties. SGAP2, SGAP5, SGAP6 and SGAP7 may have positive effect on amylose content, Am/Ap and pasting temperature; SGAP3, SGAP9∼SGAP20 may have positive effect on peak viscosity. Our research made a comprehensive evaluation on the hulless barley starch from the Qinghai-Tibet Plateau, we can get a systemic understanding. Some special accessions were screened out can be used on the hulless barley breeding lines and industries utilization.The combination of the SGAPs may become a criterion to evaluate the hulless barley endosperm starch quality. Consequently, the results will be good information for further studies on the hulless barley.

Effect of properties of active carbon supports on performance of Pt/C catalysts in polymer electrolyte membrane fuel cell

The Pt/C catalysts were prepared with pine active carbon and Vulcan XC-72 active carbon as the supports. The performances of the Pt/C catalysts in polymer electrolyte membrane fuel cell were compared. The result indicates that the performance of Pt/Vulcan XC-72 is better than that of Pt/pine. The physical and chemical properties of the two active carbons were measured using several analysis techniques. It was found that the pore size, specific conductivity and the surface function group significantly influence the performance of the electrocatalyst.

Interaction characterization of PA1010/PP blends using PP-g-AA as compatibilizer

The morphology of polyamidelOlO/polypropylene blends was found to significantly depend upon the concentration of the compatibilizer[polypropylene-grafted-acrylic acid (PP-g-AA)]. A significant reduction in phase size was observed because of the interaction that existed between the PP-g-AA and polyamide. These interactions have been confirmed by several methods. The tensile mechanical properties and impact behavior of the prepared blends were investigated and correlated with scanning electron microscope (SEM) analysis of the fracture surfaces. It was found that PP-g-AA as the compatibilizer has a profound effect upon the properties of the blends. This behavior is attributed to a series of chemical and physico-chemical interactions taking place between the two components.

Efecto del uso agrícola sobre algunas propiedades físico químicas y químicas, en suelos vérticos de Entre Ríos

p.117-121

Comparison of properties of traditional and accelerated carbonated solidified/stabilized contaminated soils

The investigation of the long-term performance of solidified/stabilized (S/S) contaminated soils was carried out in a trial site in southeast UK. The soils were exposed to the maximum natural weathering for four years and sampled at various depths in a controlled manner. The chemical properties (e.g., degree of carbonation (DOC), pH, electrical conductivity (EC)) and physical properties (e.g., moisture content (MC), liquid limit (LL), plastic limit (PL), plasticity index (PI)) of the samples untreated and treated with the traditional and accelerated carbonated S/S processes were analyzed. Their variations on the depths of the soils were also studied. The result showed that the broad geotechnical properties of the soils, manifested in their PIs, were related to the concentration of the water soluble ions and in particular the free calcium ions. The samples treated with the accelerated carbonation technology (ACT), and the untreated samples contained limited number of free calcium ions in solutions and consequently interacted with waters in a similar way. Compared with the traditional cement-based S/S technology, e.g., treatment with ordinary portland cement (OPC) or EnvirOceM, ACT caused the increase of the PI of the treated soil and made it more stable during long-term weathering. The PI values for the four soils ascended according to the order: the EnvirOceM soil, the OPC soil, the ACT soil, and the untreated soil while their pH and EC values descended according to the same order.

SYNTHESIS AND PROPERTIES OF DITHYMIDINE PHOSPHATE ANALOGS CONTAINING 3'-THIOTHYMIDINE

Dithymidine-3'-S-phosphorothioate (d(TspT)) has been prepared from a 5'-O-monomethoxytritylthymidine-3'-S- phosphorothioamidite (7) by activation with 5-(p- nitrophenyl)tetrazole in the presence of 3'-O- acetylthymidine. The resulting dinucleoside phosphorothioite is readily oxidised to the corresponding 3'-S-phosphorothioate using either tetrabutylammonium (TBA) perlodate or TBA oxone and has been deprotected under standard conditions to yield d(TspT). This dithymidine phosphate analogue is comparatively resistant to hydrolysis by nuclease P1, but the P-S bond is readily cleaved by aqueous solutions of either iodine or silver nitrate. Dithymidine-3'-S-phosphorodithioate (d[Tsp(s)T] was prepared in an analogous fashion using sulphur to oxidise the intermediate dinucleoside phosphoro thiolte. Absolute stereochemistry has been assigned to the diastereoisomers of d by comparing their physical and chemical properties to those of the dinucleoside phosphorothioates.

Polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) dispersion and deposition to vegetation and soil following a large scale chemical fire

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) were determined in soil and vegetation following a large scale chemical fire involving 10,000 ton of polypropylene. In comparison with sites outside the plume from the fire, PAH concentrations were elevated in grass shoots (by up to 70-fold) and in soil (by up to 370-fold). The pattern of PAH dispersion under the plume was dependent on the physical-chemical properties of individual PAHs. The lighter, least hydrophobic PAHs were dispersed into the environment at greater distances than heavier, more hydrophobic PAHs. At the most distant sampling point (4.5 km) under the plume, the low molecular weight PAHs were still considerably elevated in vegetation samples compared to control sites. Dispersion appeared to be regulated by the compounds partitioning between the vapour and particulate phase, with dry particulate deposition occurring closer to the fire source than gaseous deposition. For all PAHs, the fire resulted in greater contamination of soils compared to grasses, with the relative ratio of plant/soil contamination decreasing as hydrophobicity increased.

Protecting group and switchable pore-discriminating adsorption properties of a hydrophilic-hydrophobic metal-organic framework

Formed by linking metals or metal clusters through organic linkers, metal-organic frameworks are a class of solids with structural and chemical properties that mark them out as candidates for many emerging gas storage, separation, catalysis and biomedical applications. Important features of these materials include their high porosity and their flexibility in response to chemical or physical stimuli. Here, a copper-based metal-organic framework has been prepared in which the starting linker (benzene-1,3,5-tricarboxylic acid) undergoes selective monoesterification during synthesis to produce a solid with two different channel systems, lined by hydrophilic and hydrophobic surfaces, respectively. The material reacts differently to gases or vapours of dissimilar chemistry, some stimulating subtle framework flexibility or showing kinetic adsorption effects. Adsorption can be switched between the two channels by judicious choice of the conditions. The monoesterified linker is recoverable in quantitative yield, demonstrating possible uses of metal-organic frameworks in molecular synthetic chemistry as 'protecting groups' to accomplish selective transformations that are difficult using standard chemistry techniques.

Physical properties of a new Deep Eutectic Solvent based on lithium bis[(trifluoromethyl)sulfonyl]imide and N-methylacetamide as superionic suitable electrolyte for lithium ion batteries and electric double layer capacitors

Herein we present a study on the physical/chemical properties of a new Deep Eutectic Solvent (DES) based on N-methylacetamide (MAc) and lithium bis[(trifluoromethyl)sulfonyl]imide (LiTFSI). Due to its interesting properties, such as wide liquid-phase range from -60°C to 280°C, low vapor pressure, and high ionic conductivity up to 28.4mScm at 150°C and at x=1/4, this solution can be practically used as electrolyte for electrochemical storage systems such as electric double-layer capacitors (EDLCs) and/or lithium ion batteries (LiBs). Firstly, relationships between its transport properties (conductivity and viscosity) as a function of composition and temperature were discussed through Arrhenius' Law and Vogel-Tamman-Fulcher (VTF) equations, as well as by using the Walden classification. From this investigation, it appears that this complex electrolyte possesses a number of excellent transport properties, like a superionic character for example. Based on which, we then evaluated its electrochemical performances as electrolyte for EDLCs and LiBs applications by using activated carbon (AC) and lithium iron phosphate (LiFePO) electrodes, respectively. These results demonstrate that this electrolyte has a good compatibility with both electrodes (AC and LiFePO) in each testing cell driven also by excellent electrochemical properties in specific capacitance, rate and cycling performances, indicating that the LiTFSI/MAc DES can be a promising electrolyte for EDLCs and LiBs applications especially for those requiring high safety and stability. © 2013 Elsevier Ltd.

Macroinvertebrate traits as biomonitoring tools in agricultural scenarios

Os ecossistemas de água doce – responsáveis por funções ambientais importantes e pelo fornecimento de bens e serviços insubstituíveis – têm vindo a ser severamente afectados por perturbações antropogénicas. A conversão de floresta em terreno agrícola afecta os sistemas aquáticos através de uma série de mecanismos: sedimentação; excesso de nutrientes; contaminação; alterações hidrológicas; e remoção de vegetação ripícola. As comunidades de macroinvertebrados de água doce – devido à sua diversidade, ubiquidade e sensibilidade às perturbações ambientais – revelam-se como particularmente adequadas para estudos de avaliação da integridade ecológica destes sistemas expostos simultaneamente a múltiplos factores de impacto. O uso sistemático de respostas biológicas para avaliação de mudanças ambientais – ou biomonitorização – pode ser levado a cabo através de diversas metodologias, que, de uma forma geral, não consideram aspectos funcionais das comunidades biológicas e têm aplicabilidade geograficamente restrita. A biomonitorização através de atributos biológicos (características que reflectem a adaptação das espécies ao seu meio ambiente) revela-se como uma ferramenta promissora na resolução dos problemas referidos, apresentando vantagens adicionais: relações causa-efeito directas; melhoria na diferenciação de impactos; e integração da variabilidade natural. O presente estudo apresenta uma revisão critica do estado-da-arte actual na área do uso de atributos biológicos em biomonitorização. Até à data de publicação, não estava disponível nenhum outro trabalho com a base conceptual do uso de atributos de macroinvertebrados enquanto descritores de comunidades e para efeitos de biomonitorização e gestão de sistemas de água doce. Descrevem-se as teorias ecológicas de suporte destas metodologias (conceitos de habitat-molde e de filtros paisagísticos) e os estudos que aplicaram estas teorias em cenários reais, tendo-se chamado a atenção para questões técnicas e possíveis soluções. As necessidades futuras nesta área englobam: o desenvolvimento de uma só ferramenta de biomonitorização de aplicação alargada; uma maior compreensão da variabilidade natural nas comunidades biológicas; diminuição dos efeitos de soluções de compromisso biológico e sindromas; realização de estudos autoecológicos adicionais; e detecção de impactos específicos em cenários de impacto complexos. Um dos objectivos deste estudo foi contribuir para a melhoria das técnicas de biomonitorização através de atributos, focalizando em comunidades de macroinvertebrados ribeirinhas em diferentes regiões biogeográficas (as bacias hidrográficas dos rios: Little e Salmon em New Brunswick, Canadá; Anllóns na Galiza, Espanha; Reventazón em Cartago, Costa Rica). Em cada região, foram estudados gradientes de uso agrícola de solo, incluindo desde bacias hidrográficas quase exclusivamente cobertas por floresta até bacias sob a influência maioritária de actividades agrícolas intensivas. Em cada gradiente de uso de solo, a caracterização da comunidade biológica (por amostragem de macroinvertebrados em troços de rápidos) foi acompanhada pela caracterização do habitat circundante (incluindo propriedades da bacia hidrográfica, análise química das águas e outras propriedades à escala local). A comunidade de macroinvertebrados foi caracterizada através de informação taxonómica, métricas estruturais, índices de diversidade, métricas de tolerância, índices bióticos e através da compilação de atributos biológicos e fisiológicos gerais, de história de vida e de resistência a perturbações. Análises estatísticas univariadas e multivariadas foram usadas para evidenciar os gradientes biológicos e físico-químicos, confirmar a sua co-variação, testar a significância da discriminação de níveis de impacto e estabelecer comparações inter-regionais. A estrutura de comunidades revelou os complexos gradientes de impacto, que por sua vez co-variaram significativamente com os gradientes de uso de solo. Os gradientes de impacto relacionaram-se sobretudo com entrada de nutrientes e sedimentação. Os gradientes biológicos definidos pelas medidas estruturais seleccionadas co-variaram com os gradientes de impacto estudados, muito embora apenas algumas variáveis estruturais tenham individualmente discriminado as categorias de uso de solo definidas a priori. Não foi detectada consistência nas respostas das medidas estruturais entre regiões biogeográficas, tendo-se confirmadado que as interpretações puramente taxonómicas de impactos são difíceis de extrapolar entre regiões. Os gradientes biológicos definidos através dos atributos seleccionados também co-variaram com os gradientes de perturbação, tendo sido possível obter uma melhor discriminação de categorias de uso de solo. Nas diferentes regiões, a discriminação de locais mais impactados foi feita com base num conjunto similar de atributos, que inclui tamanho, voltinismo, técnicas reproductivas, microhabitat, preferências de corrente e substrato, hábitos alimentares e formas de resistência. Este conjunto poderá vir a ser usado para avaliar de forma predictiva os efeitos das modificações severas de uso de solo impostas pela actividade agrícola. Quando analisadas simultaneamente através dos atributos, as comunidades das três regiões permitiram uma moderada mas significativa discriminação de níveis de impacto. Estas análises corroboram as evidências de que as mudanças nas comunidades de macroinvertebrados aquáticos em locais sob a influência de agricultura intensiva podem seguir uma trajectória convergente no espaço multidimensional, independentemente de factores geográficos. Foram fornecidas pistas para a identificação de parâmetros específicos que deverão ser tidos em conta no planeamento de novos programas de biomonitorização com comunidades de macroinvertebrados bentónicos, para aplicação numa gestão fluvial verdadeiramente ecológica, nestas e noutras regiões. Foram ainda sugeridas possíveis linhas futuras de investigação.

Maturação de lamas vulcânicas açorianas e sua aplicação em peloterapia

Em Portugal, nomeadamente nos Açores (Centro Termal das Furnas), durante vários anos foram utilizados pelóides naturais (lamas/argilas obtidos após conveniente maturação com água mineral) como agentes terapêuticos. Apesar das evidências empíricas da aplicação das argilas para fins terapêuticos, o suporte científico é ainda escasso. Além disso, contrariamente ao que se verifica para águas minerais utilizadas para fins termais, no campo da peloterapia, não existe regulamentação que estabeleça critérios quanto à qualidade padrão de um pelóide. Este trabalho visou a avaliação das características biológicas, físico-químicas e mineralógicas de lamas vulcânicas das ilhas de São Miguel e da Terceira para aplicação em peloterapia antes e após maturação. A área de amostragem foi caracterizada sob o ponto de vista geomorfológico, geológico, hidrológico e climático. A análise dos materiais colhidos contemplou estudos de granulometria e de mineralogia da amostra total e da fracção argilosa; caracterização química; e determinação de outras propriedades tais como índice de abrasividade, superfície específica, pH, capacidade de troca catiónica e catiões de troca, limites de consistência (plasticidade e liquidez e índice de plasticidade) e taxa de arrefecimento. A caracterização biológica das lamas incluiu a identificação e quantificação relativa de diatomáceas e a determinação do teor em coliformes totais e microrganismos cultiváveis a 37 ºC e a 22 ºC. Estudos efectuados em amostras comerciais argilosas e em recursos naturais açorianos precederam os ensaios de maturação. Estes estudos visaram, fundamentalmente, aferir as características apropriadas dos materiais para aplicação tópica e detectar e caracterizar a presença de comunidades diatomológicas em locais próximos dos materiais a serem sujeitos a maturação. O estudo de maturação foi desenvolvido em duas etapas sequenciais e complementares com vista à optimização do processo de maturação de lamas vulcânicas açorianas. Foi testada a influência de algumas condições abióticas na maturação e fez-se variar a fracção granulométrica, proporção fase sólida:fase líquida e o tempo de maturação entre os dois ensaios. O uso da granulometria <63 μm, proporção de 2:1 (fase sólida:fase líquida) e condições de luminosidade, sem agitação parecem ser as mais adequadas à maturação dos materiais analisados. A maturação revela-se um processo que promove a melhoria de características importantes dos materiais para aplicação em peloterapia, tais como aumento dos tempos de arrefecimento e da quantidade de catiões de troca. Existe uma comunidade de microalgas e bacteriana capaz de se desenvolver em materiais geológicos vulcânicos durante a maturação e cujo contributo para a acção terapêutica do pelóide deverá ser aferida. Após comparação com materiais de referência, a amostra das Furnas revela as características mais adequadas para aplicação em peloterapia.

Synthesis and functionalization of hydroxyapatite nanoparticles

Graças aos desenvolvimentos na área da síntese de nanomaterais e às potentes técnicas de caracterização à nanoescala conseguimos hoje visualizar uma nanopartícula (NP) como um dispositivo de elevado potencial terapêutico. A melhoria da sua efectividade terapêutica requer no entanto o aprofundamento e sistematização de conhecimentos, ainda muito incipientes, sobre toxicidade, selectividade, efeitos colaterais e sua dependência das próprias características físico-químicas da NP em análise. O presente trabalho, elegendo como alvo de estudo uma substância considerada biocompatível e não tóxica, a hidroxiapatite (Hap), pretende dar um contributo para esta área do conhecimento. Definiram-se como metas orientadoras deste trabalho (i) estudar a síntese de nanoparticulas de Hap (Hap NP), e a modificação das características físico-químicas e morfológicas das mesmas através da manipulação das condições de síntese; (ii) estudar a funcionalização das Hap NP com nanoestruturas de ouro e com ácido fólico, para lhes conferir capacidades acrescidas de imagiologia e terapêuticas, particularmente interessantes em aplicações como o tratamento do cancro (iii) estudar a resposta celular a materiais nanométricos, com propriedades físico-químicas diversificadas. No que se refere à síntese de Hap NP, comparam-se dois métodos de síntese química distintos, a precipitação química a temperatura fisiológica (WCS) e a síntese hidrotérmica (HS), em meios aditivados com ião citrato. A síntese WCS originou partículas de tamanho nanométrico, com uma morfologia de agulha, pouco cristalinas e elevada área superficial especifica. A síntese HS à temperatura de 180ºC permitiu obter partículas de dimensões também nanométricas mas com área específica inferior, com morfologia de bastonete prismático com secção recta hexagonal e elevada cristalinidade. Com o objectivo de aprofundar o papel de algumas variáveis experimentais na definição das características finais das partículas de hidroxiapatite, designadamente o papel do ião citrato (Cit), variou-se a razão molar [Cit/Ca] da solução reagente e o tempo de síntese. Demonstrou-se que o ião citrato e outras espécies químicas resultantes da sua decomposição nas condições térmicas (180ºC) de síntese tem um papel preponderante na velocidade de nucleação e de crescimento dessas mesmas partículas e por conseguinte nas características físico-químicas das mesmas. Elevadas razões [Cit/Ca] originam partículas de dimensão micrométrica cuja morfologia é discutida no contexto do crescimento com agregação. Com o objectivo de avaliar a citotoxicidade in vitro das nanopartículas sintetizadas procedeu-se à esterilização das mesmas. O método de esterilização escolhido foi a autoclavagem a 121º C. Avaliou-se o impacto do processo de esterilização nas características das partículas, verificando-se contrariamente às partículas WCS, que as partículas HS não sofrem alterações significativas de morfologia, o que se coaduna com as condições de síntese das mesmas, que são mais severas do que as de esterilização. As partículas WCS sofrem processos de dissolução e recristalização que se reflectem em alterações significativas de morfologia. Este estudo demonstrou que a etapa de esterilização de nanopartículas para aplicações biomédicas, por autoclavagem, pode alterar substancialmente as propriedades das mesmas, sendo pois criticamente importante caracterizar os materiais após esterilização. Os estudos citotoxicológicos para dois tipos de partículas esterilizadas (HSster e WCSster) revelaram que ambas apresentam baixa toxicidade e possuem potencial para a modelação do comportamento de células osteoblásticas. Tendo em vista a funcionalização da superfície das Hap NP para multifunções de diagnóstico e terapia exploraram-se condições experimentais que viabilizassem o acoplamento de nanopartículas de ouro à superfície das nanopartículas de Hidroxiapatite (Hap-AuNP). Tirando partido da presença de grupos carboxílicos adsorvidos na superfície das nanopartículas de Hap foi possível precipitar partículas nanométricas de ouro (1,5 a 2,5 nm) na superfície das mesmas adaptando o método descrito por Turkevich. No presente trabalho as nanopartículas de Hap funcionaram assim como um template redutor do ouro iónico de solução, propiciando localmente, na superfície das próprias nanopartículas de Hap, a sua redução a ouro metálico. A nucleação do ouro é assim contextualizada pelo papel redutor das espécies químicas adsorvidas, designadamente os grupos carboxílicos derivados de grupos citratos que presidiram à síntese das próprias nanopartículas de Hap. Estudou-se também a funcionalização das Hap NP com ácido fólico (FA), uma molécula biologicamente interessante por ser de fácil reconhecimento pelos receptores existentes em células cancerígenas. Os resultados confirmaram a ligação do ácido fólico à superfície das diferentes partículas produzidas HS e Hap-AuNPs. Graças às propriedades ópticas do ouro nanométrico (efeito plasmão) avaliadas por espectroscopia vis-UV e às potencialidades de hipertermia local por conversão fototérmica, as nanoestruturas Hap-AuNPs produzidas apresentam-se com elevado interesse enquanto nanodispositivos capazes de integrar funções de quimio e terapia térmica do cancro e imagiologia. O estudo da resposta celular aos diversos materiais sintetizados no presente trabalho foi alvo de análise na tentativa de se caracterizar a toxicidade dos mesmos bem como avaliar o seu desempenho em aplicações terapêuticas. Demonstrou-se que as Hap NP não afectam a proliferação das células para concentrações até 500 g/ml, observando-se um aumento na expressão genética da BMP-2 e da fosfatase alcalina. Verificou-se também que as Hap NP são susceptíveis de internalização por células osteoblásticas MG63, apresentando uma velocidade de dissolução intracelular relativamente reduzida. A resposta celular às Hap-AuNP confirmou a não citotoxicidade destas partículas e revelou que a presença do ouro na superfície das Hap NP aumenta a taxa proliferação celular, bem como a expressão de parâmetros osteogénicos. No seu conjunto os resultados sugerem que os vários tipos de partículas sintetizadas no presente estudo apresentam também comportamentos interessantes para aplicações em engenharia de tecido ósseo.

Assessing the effectiveness of chemical treatment with nanomaterials in improving the quality of different industrial effluents

Industrial activities are the major sources of pollution in all environments. Depending on the type of industry, various levels of organic and inorganic pollutants are being continuously discharged into the environment. Although, several kinds of physical, chemical, biological or the combination of methods have been proposed and applied to minimize the impact of industrial effluents, few have proved to be totally effective in terms of removal rates of several contaminants, toxicity reduction or amelioration of physical and chemical properties. Hence, it is imperative to develop new and innovative methodologies for industrial wastewater treatment. In this context nanotechnology arises announcing the offer of new possibilities for the treatment of wastewaters mainly based on the enhanced physical and chemical proprieties of nanomaterials (NMs), which can remarkably increase their adsorption and oxidation potential. Although applications of NMs may bring benefits, their widespread use will also contribute for their introduction into the environment and concerns have been raised about the intentional use of these materials. Further, the same properties that make NMs so appealing can also be responsible for producing ecotoxicological effects. In a first stage, with the objective of selecting NMs for the treatment of organic and inorganic effluents we first assessed the potential toxicity of nanoparticles of nickel oxide (NiO) with two different sizes (100 and 10-20 nm), titanium dioxide (TiO2, < 25 nm) and iron oxide (Fe2O3, ≈ 85x425 nm). The ecotoxicological assessment was performed with a battery of assays using aquatic organisms from different trophic levels. Since TiO2 and Fe2O3 were the NMs that presented lower risks to the aquatic systems, they were selected for the second stage of this work. Thus, the two NMs pre-selected were tested for the treatment of olive mill wastewater (OMW). They were used as catalyst in photodegradation systems (TiO2/UV, Fe2O3/UV, TiO2/H2O2/UV and Fe2O3/H2O2/UV). The treatments with TiO2 or Fe2O3 combined with H2O2 were the most efficient in ameliorating some chemical properties of the effluent. Regarding the toxicity to V. fischeri the highest reduction was recorded for the H2O2/UV system, without NMs. Afterwards a sequential treatment using photocatalytic oxidation with NMs and degradation with white-rot fungi was applied to OMW. This new approach increased the reduction of chemical oxygen demand, phenolic content and ecotoxicity to V. fischeri. However, no reduction in color and aromatic compounds was achieved after 21 days of biological treatment. The photodegradation systems were also applied to treat the kraft pulp mill and mining effluents. For the organic effluent the combination NMs and H2O2 had the best performances in reduction the chemical parameters as well in terms of toxicity reduction. However, for the mine effluent the best (TiO2/UV and Fe2O3/UV) were only able to significantly remove three metals (Zn, Al and Cd). Nonetheless the treatments were able of reducing the toxicity of the effluent. As a final stage, the toxicity of solid wastes formed during wastewater treatment with NMs was assessed with Chironomus riparius larvae, a representative species of the sediment compartment. Certain solid wastes showed the potential to negatively affect C. riparius survival and growth, depending on the type of effluent treated. This work also brings new insights to the use of NMs for the treatment of industrial wastewaters. Although some potential applications have been announced, many evaluations have to be performed before the upscaling of the chemical treatments with NMs.